Energien som kreves for å drive bakkekjøretøy og for å betjene systemene og enhetene, leveres tradisjonelt av dieselmotorer. Å redusere drivstofforbruket øker ikke bare rekkevidden, men reduserer også logistikkmengden, som bestemmes av vedlikehold av drivstoffreserver, og øker beskyttelsen av bakre servicepersonell i prosessen med å utføre service på utstyr.
I denne forbindelse streber de væpnede styrkene etter å finne en løsning der den høye effektiviteten og den høye spesifikke forbrenningsvarmen til diesel som er innebygd i systemer med elektrisk drift, ville fungere i ett "team". Nye hybridløsninger og avanserte forbrenningsmotorer har potensial til å tilby store praktiske fordeler sammen med stille enkeltelektrisk stasjon, stille overvåking (batteridrevne sensorer mens de står stille) og kraftproduksjon for eksterne forbrukere.
Power train potensial
Research Canada (DRDC) undersøker for eksempel muligheten for hybrid dieselelektriske drivlinjer. FDA publiserte forskningen sin i 2018, med fokus på lette taktiske plattformer som HMMWV, ultralette kampbiler i DAGOR-klasse og små enkelt- og flersete ATVer.
Rapporten Feasibility of Hybrid Diesel-Electric Powertrains for Light Tactical Vehicles bemerker at i de fleste kjøremoduser der hastigheter og belastninger varierer betydelig (vanligvis off-road), har hybrider 15% -20% bedre drivstoffeffektivitet når det gjelder drivstofføkonomi. tradisjonelle mekanisk drevne maskiner, spesielt ved bruk av regenerativ bremsing. I tillegg fungerer forbrenningsmotorer, inkludert dieselmotorer, best når de drives ved nøye valgt konstant turtall, noe som er typisk for sekvensielle hybridsystemer der motoren bare fungerer som en generator.
Som rapporten bemerker, fordi motoreffekt kan suppleres med batterier i korte perioder med toppeffektforbruk, kan motoren stilles inn for å gi bare gjennomsnittlig effekt som kreves, med mindre kraftverk som vanligvis bruker mindre drivstoff, alt annet likt.
Med tilstrekkelig batterikapasitet kan hybrider også forbli i stille overvåkingsmodus i lang tid med motoren slått av og sensorer, elektronikk og kommunikasjonssystemer fungerer. I tillegg kan systemet drive eksternt utstyr, lade batterier og til og med drive en militærleir, noe som reduserer behovet for slepte generatorer.
Mens hybriddrev gir overlegen ytelse når det gjelder hastighet, akselerasjon og gradbarhet, kan batteripakken være tung og uhåndterlig, noe som resulterer i redusert nyttelast, sa DRDC. Dette kan være et problem for ultralette kjøretøyer og enseters ATV-er. I tillegg reduseres egenskapene til batteriene i seg selv ved lave temperaturer, de har ofte problemer med lading og temperaturkontroll.
Selv om sekvensielle hybrider eliminerer den mekaniske girkassen, gjør behovet for en motor, generator, kraftelektronikk og batteri dem uunngåelig vanskelig og dyrt å kjøpe og vedlikeholde.
De fleste batterielektrolytter kan også utgjøre en risiko når de er skadet, for eksempel er det kjent at litiumionceller antennes når de er skadet. Hvorvidt dette utgjør en større risiko enn å levere diesel er kanskje et poengpunkt, påpeker rapporten, men hybrider bærer begge risikoene.
Kombinasjonsvalg
De to hovedoppleggene for å kombinere forbrenningsmotorer med elektriske enheter er serielle og parallelle. Som nevnt ovenfor er den serielle hybridplattformen en elektrisk maskin med en generator, mens det parallelt er en motor og en trekkmotor, som gjennom en mekanisk girkasse som er koblet til dem, overfører kraft til hjulene. Dette betyr at motoren eller trekkmotoren kan kjøre maskinen individuelt, eller at de kan jobbe sammen.
I begge typer hybrider er den elektriske komponenten vanligvis et motorgeneratorsett (MGU), som kan konvertere elektrisk energi til bevegelse og omvendt. Den kan kjøre bil, lade batteri, starte motor og, om nødvendig, spare energi gjennom regenerativ bremsing.
Både serier og parallelle hybrider er avhengige av kraftelektronikk for å håndtere batteristrøm og regulere batteritemperaturen. De gir også spenningen og strømstyrken som generatoren må levere til batteriene og batteriene i sin tur til elektromotorene.
Denne kraftelektronikken kommer i form av halvlederomformere basert på halvleder av silisiumkarbid, hvis ulemper som regel inkluderer stor størrelse og kostnad, samt varmetap. Kraftelektronikk krever også kontrollelektronikk som ligner de som driver en forbrenningsmotor.
Frem til nå har historien til elektrisk drevne militære kjøretøyer bestått av eksperimentelle og ambisiøse utviklingsprogrammer som til slutt ble avsluttet. I reell drift er det fremdeles ingen hybrid militære kjøretøyer, spesielt innen lette taktiske kjøretøyer gjenstår flere uløste teknologiske problemer. Disse problemene kan i stor grad betraktes som løst for sivile kjøretøyer ettersom de opererer under mye gunstigere forhold.
Elbiler har vist seg å være veldig raske. For eksempel kan Nikola Motors eksperimentelle batteridrevne Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) firerseter akselerere fra 0 til 97 km / t på 4 sekunder og har en rekkevidde på 241 km.
"Oppsett er imidlertid en av de store utfordringene," sier DRDC -rapporten. Størrelsen, vekten og varmespredningen til batteripakker er ganske stor, og det må inngås et kompromiss mellom den totale energikapasiteten og den øyeblikkelige kraften de kan levere for en gitt masse og volum. Fordeling av volum for høyspenningskabler, pålitelighet og sikkerhet er også flaskehalser sammen med størrelse, vekt, kjøling, pålitelighet og vanntetting av kraftelektronikk.
Varme og støv
Rapporten sier at temperatursvingninger militære kjøretøyer står overfor er kanskje det største problemet, ettersom litiumionbatterier ikke lades i temperaturer under null og varmesystemer legger til kompleksitet og trenger energi. Batterier som overopphetes under utladning er potensielt farlige, de må kjøles ned eller reduseres til redusert modus, mens motorer og generatorer også kan overopphetes, til slutt, ikke glem permanente magneter som er utsatt for demagnetisering.
På samme måte, ved temperaturer over ca 65 ° C, reduseres effektiviteten til enheter som IGBT -omformere og trenger derfor kjøling, selv om nyere kraftelektronikk basert på silisiumkarbidhalvledere eller galliumnitrid, i tillegg til drift ved økt spenning, tåler høyere temperaturer og, kan derfor kjøles ned fra motorkjølesystemet.
I tillegg gjør sjokket og vibrasjonen fra ulendt terreng, pluss de potensielle skadene som kan være forårsaket av beskytninger og eksplosjoner, det også vanskelig å integrere elektrisk drivteknologi i lette militære kjøretøyer, bemerker rapporten.
Rapporten konkluderer med at DRDC bør bestille en teknologidemonstrator. Det er et relativt enkelt lett, sekvensielt hybrid-taktisk kjøretøy med elektriske motorer installert enten i hjulnavene eller i akslene, dieselmotoren er innstilt på riktig toppeffekt, og et sett med super- eller ultrakondensatorer er installert for å forbedre akselerasjon og gradbarhet. Superkondensatorer eller ultrakondensatorer lagrer en veldig stor ladning i en kort periode og kan frigjøre den veldig raskt for å generere effektpulser. Bilen vil enten ikke være i det hele tatt, eller det vil bli installert et veldig lite batteri, elektrisitet vil bli generert under den regenerative bremseprosessen, som følge av dette er modusene for stille bevegelse og stille observasjon utelukket.
Kabler som løper til hjulene alene, som erstatter den mekaniske girkassen og drivakslene, vil redusere maskinens vekt betydelig og forbedre eksplosjonsbeskyttelsen, siden spredning av sekundært rusk og fragmenter elimineres. Uten batteri vil det interne volumet for mannskapet og nyttelasten øke og bli tryggere, og problemene knyttet til vedlikehold og termisk styring av litiumionbatterier elimineres.
I tillegg er følgende mål satt når du lager en prototype: lavere drivstofforbruk for en relativt liten dieselmotor som kjører ved konstant turtall, kombinert med energigjenvinning, økt kraftproduksjon for driftssensorer eller energieksport, økt pålitelighet og forbedret service.
Humpene bryr seg ikke
Som Bruce Brandl fra Armored Research Center (TARDEC) forklarte på en presentasjon om motorutvikling, ønsker den amerikanske hæren et fremdriftssystem som gjør at kampvognene kan bevege seg gjennom vanskeligere terreng ved høyere hastigheter, noe som vil redusere terrengprosenten betydelig. i krigssoner der nåværende biler ikke kan bevege seg. Det såkalte ufremkommelige terrenget utgjør omtrent 22% av disse sonene, og hæren ønsker å redusere dette tallet til 6%. De ønsker også å øke gjennomsnittsfarten i det meste av området fra dagens 16 km / t til 24 km / t.
I tillegg understreket Brandl at energibehovet om bord er planlagt å økes til minst 250 kW, det vil si høyere enn det maskinens generatorer kan tilby, ettersom belastninger tilføres fra ny teknologi, for eksempel elektrifiserte tårn og beskyttelsessystemer, kjøling av kraftelektronikk., energieksport og dirigerte energivåpen.
Den amerikanske hæren anslår at å dekke disse behovene med dagens turbodiesel -teknologi vil øke motorens volum med 56% og kjøretøyets vekt med ca 1400 kg. Derfor, da vi utviklet det avanserte kraftverket Advanced Combat Engine (ACE), ble hovedoppgaven satt - å doble den totale effekttettheten fra 3 hk / cu. ft til 6 hk / cu. fot.
Selv om høyere effekttetthet og bedre drivstoffeffektivitet er svært viktig for neste generasjon militære motorer, er det like viktig å redusere varmeeffekten. Denne genererte varmen er bortkastet energi som slippes ut i det omkringliggende rommet, selv om den kan brukes til å drive eller generere elektrisk energi. Men det er langt fra alltid mulig å oppnå en perfekt balanse mellom alle disse tre parameterne, for eksempel AGT 1500 gassturbinmotor i M1 Abrams -tanken med en kapasitet på 1500 hk. har lav varmeoverføring og høy effekttetthet, men veldig høyt drivstofforbruk sammenlignet med dieselmotorer.
Faktisk genererer gassturbinmotorer en stor mengde varme, men det meste fjernes gjennom eksosrøret på grunn av den høye gasstrømmen. Som et resultat trenger gassturbiner ikke kjølesystemene som dieselmotorer trenger. En høy spesifikk effekt på dieselmotorer kan bare oppnås ved å løse problemet med termisk kontroll. Brandl understreket at dette hovedsakelig skyldes det begrensede volumet som er tilgjengelig for kjøleutstyr som rør, pumper, vifter og radiatorer. I tillegg tar beskyttelsesstrukturer som skuddsikre rister også opp volum og begrenser luftstrømmen, noe som reduserer effektiviteten til viftene.
Stempel mot
Som Brandl bemerket, fokuserer ACE-programmet på totakts diesel- / flerbrenselmotorer med motsatte stempler på grunn av deres iboende lave varmeavledning. I slike motorer er det plassert to stempler i hver sylinder, som danner et forbrenningskammer mellom seg. Som et resultat er sylinderhodet utelukket, men dette krever to veivaksler og inntaks- og eksosporter i sylinderveggene. Boxermotorer dateres tilbake til 1930 -årene og har blitt kontinuerlig forbedret gjennom tiårene. Denne gamle ideen ble ikke spart av selskapet Achates Power, som i samarbeid med Cummins gjenopplivet og modernisert denne motoren.
En talsperson for Achates Power sa at bokserteknologien deres har forbedret termisk effektivitet, noe som gir lavere varmetap, forbedret forbrenning og reduserte pumpetap. Eliminering av sylinderhodet reduserte forholdet mellom overflate og volum i forbrenningskammeret og dermed overføring og frigjøring av varme i motoren betydelig. I kontrast, i en tradisjonell firetaktsmotor, inneholder sylinderhodet mange av de heteste komponentene og er hovedkilden til varmeoverføring til kjølevæsken og atmosfæren rundt.
Achates forbrenningssystem bruker to drivstoffinjektorer diametralt plassert i hver sylinder og en patentert stempelform for å optimalisere luft / drivstoffblandingen, noe som resulterer i lav sotforbrenning og redusert varmeoverføring til forbrenningskammerets vegger. En ny ladning av blandingen injiseres i sylinderen, og avgasser går ut gjennom portene, hjulpet av en superlader som pumper luft gjennom motoren. Achates påpeker at denne medstrømmen har en gunstig effekt på drivstofføkonomi og utslipp.
Den amerikanske hæren ønsker at ACE-familien med modulære skalerbare drivlinjer skal inkludere motorer med samme boring og slaglengde og forskjellige sylindertall: 600-750 hk. (3 sylindere); 300-1000 hk (4); og 1200-1500 hk. (6). Hvert kraftverk vil ha et volum - en høyde på 0,53 m og en bredde på 1, 1 m og følgelig en lengde på 1,04 m, 1,25 m og 1,6 m.
Teknologiske mål
En intern hærstudie utført i 2010 bekreftet fordelene med boksermotorer, noe som resulterte i Next Generation Combat Engine (NGCE) -prosjektet, der industrielle virksomheter presenterte sin utvikling på dette området. Oppgaven var å nå 71 hk. per sylinder og en total effekt på 225 hk. I 2015 ble begge disse tallene lett overskredet på en eksperimentell motor testet ved Armored Research Center.
I februar samme år tildelte hæren kontrakter til AVL Powertrain Engineering og Achates Power for eksperimentelle ACE-en-sylindrede motorer under et toårig program, innenfor rammen som målet var å oppnå følgende egenskaper: effekt 250 hk, dreiemoment 678 Nm, spesifikt drivstofforbruk 0, 14 kg / hk / t og varmeavledning mindre enn 0,45 kW / kW. Alle indikatorer ble overskredet, bortsett fra varmeoverføring, her var det ikke mulig å falle under 0,506 kW / kW.
Sommeren 2017 begynte Cummins og Achates arbeidet under en ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) kontrakt for å demonstrere en firesylindret motor på 1000 hk. dreiemoment på 2700 Nm og de samme kravene til spesifikt drivstofforbruk og varmeoverføring. Den første motoren ble produsert i juli 2018, og de første operasjonelle testene ble fullført i slutten av samme år. I august 2019 ble motoren levert til TARDEC -direktoratet for installasjon og testing.
Kombinasjonen av en boksermotor og en hybrid elektrisk stasjon ville forbedre effektiviteten til kjøretøyer av forskjellige typer og størrelser, både militære og sivile. Med dette i tankene ga Advanced Research and Development Authority ut 2 millioner dollar til Achates for å utvikle en avansert encylindret boksermotor for fremtidige hybridbiler; i dette prosjektet samarbeider selskapet med University of Michigan og Nissan.
Stempelkontroll
I samsvar med konseptet integrerte denne motoren for første gang så nært det elektriske delsystemet og forbrenningsmotoren, hver av de to veivakslene roterer og kan drives av sitt eget motorgeneratorsett; det er ingen mekanisk forbindelse mellom akslene.
Achates bekreftet at motoren bare er designet for sekvensielle hybridsystemer, ettersom all kraften den genererer overføres elektrisk og generatorene lader batteripakken for å forlenge rekkevidden. Uten en mekanisk forbindelse mellom akslene, overføres ikke øyeblikket, noe som fører til en nedgang i belastninger. Som et resultat kan de gjøres lettere, redusere totalvekt og størrelse, friksjon og støy og redusere kostnader.
Det viktigste er kanskje at de frakoblede veivakslene tillater uavhengig kontroll av hvert stempel ved bruk av kraftelektronikk. "Dette er en viktig del av prosjektet vårt, det er viktig å bestemme hvordan utviklingen av elektriske motorer og kontroller kan forbedre effektiviteten til forbrenningsmotoren." En talsperson for Achates bekreftet at denne konfigurasjonen gir mulighet for veivakseltidsstyring, noe som åpner for nye muligheter. "Vi streber etter å forbedre effektiviteten til stempelkontroll, som ikke er tilgjengelig med tradisjonell mekanisk kommunikasjon."
På dette tidspunktet er det lite informasjon tilgjengelig om hvordan uavhengig stempelkontroll kan brukes, men i teorien er det for eksempel mulig å gjøre slaget større enn kompresjonsslaget, og dermed hente ut mer energi fra ladningen av luft / drivstoff blanding. En lignende ordning er implementert i firetakts Atkinson-motorer installert i hybridbiler. I Toyota Prius oppnås dette for eksempel gjennom variabel ventiltid.
I lang tid var det åpenbart at store forbedringer innen modne teknologier, for eksempel forbrenningsmotorer, ikke er enkle å oppnå, men avanserte boksermotorer kan være det som vil gi reelle fordeler til militære kjøretøyer, spesielt når de kombineres med elektriske fremdriftssystemer. …
