Енергията, необходима за задвижването на наземните превозни средства и за експлоатацията на техните системи и възли, традиционно се осигурява от дизелови двигатели. Намаляването на разхода на гориво не само увеличава обхвата, но също така намалява и количеството логистика, което се определя от поддържането на запасите от гориво, и увеличава защитата на обслужващия персонал отзад в процеса на обслужване на оборудването.
В тази връзка въоръжените сили се стремят да намерят решение, при което високата ефективност и високата специфична топлина на изгаряне на дизеловото гориво, присъща на системите с електрическо задвижване, биха работили в един „екип“. Новите хибридни решения и усъвършенстваните двигатели с вътрешно горене имат потенциала да предложат големи практически предимства наред с тихото единично електрическо задвижване, тихия мониторинг (сензори, работещи с батерии, докато са неподвижни) и генерирането на енергия за външни потребители.
Потенциал на задвижване
Research Canada (DRDC) например изследва възможността за хибридни дизелово-електрически задвижвания. FDA публикува своето изследване през 2018 г., като се фокусира върху леки тактически платформи като HMMWV, свръхлеки бойни превозни средства от клас DAGOR и малки единични и многоместни ATV.
В доклада „Възможност за хибридни дизелово-електрически задвижвания за леки тактически превозни средства“се отбелязва, че в повечето режими на шофиране, където скоростите и натоварванията варират значително (обикновено офроуд), хибридите имат 15% -20% по-добра горивна ефективност по отношение на икономията на гориво. традиционни машини с механично задвижване, особено при използване на рекуперативно спиране. В допълнение, двигателите с вътрешно горене, включително дизеловите двигатели, се представят най -добре, когато работят при внимателно подбрани постоянни обороти, което е типично за последователни хибридни системи, в които двигателят работи само като генератор.
Както се отбелязва в доклада, тъй като мощността на двигателя може да бъде допълнена от батерии по време на кратки периоди на пикова консумация на енергия, двигателят може да бъде настроен да осигурява само средната необходима мощност, като по -малките електроцентрали обикновено използват по -малко гориво, при равни други условия.
При достатъчен капацитет на батерията хибридите също могат да останат в безшумен режим на наблюдение за дълго време при изключен двигател и работещи сензори, електроника и комуникационни системи. В допълнение, системата може да захранва външно оборудване, да зарежда батерии и дори да захранва военен лагер, намалявайки нуждата от теглени генератори.
Докато хибридните задвижвания предлагат превъзходна производителност по отношение на скоростта, ускорението и степенуването, батерията може да бъде тежка и тромава, което води до намаляване на полезния товар, каза DRDC. Това може да бъде проблем за свръхлеки превозни средства и едноместни ATV. Освен това при ниски температури характеристиките на самите батерии се намаляват, те често имат проблеми с зареждането и контрола на температурата.
Въпреки че последователните хибриди премахват механичната трансмисия, необходимостта от двигател, генератор, силова електроника и батерия неизбежно ги прави в крайна сметка трудни и скъпи за закупуване и поддръжка.
Повечето електролити на батерията също могат да представляват риск при повреда, например е известно, че литиево-йонните клетки се запалват при повреда. Дали това представлява по -голям риск от доставката на дизелово гориво е може би спорен въпрос, се посочва в доклада, но хибридите носят и двата риска.
Комбиниран избор
Двете основни схеми за комбиниране на двигатели с вътрешно горене с електрически устройства са серийни и паралелни. Както бе споменато по -горе, серийната хибридна платформа е електрическа машина с генератор, докато паралелно има двигател и тягови двигател, които чрез свързана с тях механична трансмисия предават мощност на колелата. Това означава, че двигателят или тяговият двигател могат да задвижват машината поотделно или могат да работят заедно.
И при двата типа хибриди електрическият компонент обикновено е мотор-генератор (MGU), който може да преобразува електрическата енергия в движение и обратно. Той може да управлява кола, да зарежда батерия, да стартира двигател и, ако е необходимо, да пести енергия чрез регенеративно спиране.
Както серийните, така и паралелните хибриди разчитат на силова електроника за управление на захранването на батерията и регулиране на температурата на батерията. Те също така осигуряват напрежението и ампеража, които генераторът трябва да подава към батериите и батериите от своя страна към електрическите двигатели.
Тази силова електроника се предлага под формата на полупроводникови инвертори на базата на полупроводници от силициев карбид, чиито недостатъци, като правило, включват големи размери и цена, както и топлинни загуби. Силовата електроника също изисква контролна електроника, подобна на тази, която захранва двигател с вътрешно горене.
Досега историята на военните превозни средства с електрическо задвижване се състоеше от експериментални и амбициозни програми за развитие, които в крайна сметка бяха затворени. В реална експлоатация все още няма хибридни военни превозни средства, по -специално в областта на леките тактически превозни средства, остават няколко нерешени технологични проблеми. Тези проблеми могат да се считат до голяма степен решени за гражданските превозни средства, тъй като те работят в много по -благоприятни условия.
Електрическите автомобили се оказаха много бързи. Така например, експерименталният четириместен автомобил Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) на Nikola Motor може да ускори от 0 до 97 км / ч за 4 секунди и има пробег от 241 км.
„Оформлението обаче е едно от тези големи предизвикателства“, се казва в доклада на DRDC. Размерът, теглото и разсейването на топлината на батериите са доста големи и трябва да се направи компромис между общия енергиен капацитет и моментната мощност, която те могат да доставят за дадена маса и обем. Разпределението на обема за кабели с високо напрежение, тяхната надеждност и безопасност също са пречки, заедно с размера, теглото, охлаждането, надеждността и хидроизолацията на силовата електроника.
Топлина и прах
В доклада се казва, че температурните колебания, пред които са изправени военните превозни средства, са може би най-големият проблем, тъй като литиево-йонните батерии няма да се зареждат при минусови температури, а отоплителните системи добавят сложност и се нуждаят от енергия. Батериите, които се прегряват по време на разреждане, са потенциално опасни, те трябва да бъдат охладени или намалени до редуциран режим, докато двигателите и генераторите също могат да прегреят, накрая, не забравяйте за постоянните магнити, които са склонни към размагнитване.
По същия начин, при температури над около 65 ° C, ефективността на устройства като IGBT инвертори намалява и поради това се нуждае от охлаждане, въпреки че по -новата силова електроника на базата на полупроводници от силициев карбид или галиев нитрид, в допълнение към работата при повишено напрежение, издържа на по -високи температури и, следователно, може да се охлажда от охладителната система на двигателя.
В допълнение, ударът и вибрациите от неравен терен, плюс потенциалните щети, които могат да бъдат причинени от обстрел и експлозии, също затрудняват интегрирането на технологията за електрическо задвижване в леки военни превозни средства, отбелязва докладът.
Докладът заключава, че DRDC трябва да поръча технологичен демонстратор. Това е сравнително прост лек последователен хибриден тактичен автомобил с електрически двигатели, монтирани или в главините на колелата, или в осите, дизеловият двигател е настроен на подходящата пикова мощност и е инсталиран набор от супер- или ултракондензатори за подобряване на ускорението и степенуването. Суперкондензаторите или ултракондензаторите съхраняват много голям заряд за кратък период от време и могат да го освободят много бързо, за да генерират импулси на мощност. Колата или изобщо няма да бъде, или ще бъде инсталирана много малка батерия, ще се генерира електричество по време на процеса на регенеративно спиране, в резултат на което се изключват режимите на безшумно движение и безшумно наблюдение.
Захранващи кабели, преминаващи само към колелата, заместващи механичната трансмисия и задвижващите валове, значително ще намалят теглото на машината и ще подобрят взривозащитата, тъй като разсейването на вторични отломки и фрагменти се елиминира. Без батерия вътрешният обем за екипажа и полезният товар ще се увеличат и станат по-безопасни, а проблемите, свързани с поддръжката и термичното управление на литиево-йонните батерии, ще бъдат елиминирани.
В допълнение, при създаването на прототип се поставят следните цели: по -нисък разход на гориво на сравнително малък дизелов двигател, работещ при постоянни обороти, в съчетание с рекуперация на енергия, увеличено генериране на енергия за работещи сензори или износ на енергия, повишена надеждност и подобрено обслужване.
Неравностите не се интересуват
Както Брус Брандл от Armored Research Center (TARDEC) обясни на презентация за развитието на двигателя, американската армия иска задвижваща система, която ще позволи на бойните ѝ превозни средства да се движат по по -труден терен с по -високи скорости, което значително ще намали процента на терена във военни зони. по които сегашните коли не могат да се движат. Така нареченият непроходим терен съставлява около 22% от тези зони и армията иска да намали тази цифра до 6%. Те също така искат да увеличат средната скорост в по -голямата част от района от днешните 16 км / ч на 24 км / ч.
В допълнение, Brandl подчертава, че се планира енергийното потребление на борда да бъде увеличено до поне 250 kW, тоест по -високо от това, което могат да осигурят генераторите на машината, тъй като се добавят натоварвания от нови технологии, например електрифицирани кули и защитни системи, охлаждане на силова електроника., износ на енергия и насочени енергийни оръжия.
Американската армия изчислява, че задоволяването на тези нужди с настоящата технология на турбодизела ще увеличи обема на двигателя с 56% и теглото на автомобила с около 1400 кг. Затова при разработването на усъвършенстваната силова централа Advanced Combat Engine (ACE) основната задача беше поставена - да удвои общата плътност на мощността от 3 к.с. / куб. ft до 6 к.с. / куб. крак.
Докато по -високата плътност на мощността и по -добрата горивна ефективност са много важни за следващото поколение военни двигатели, също толкова важно е да се намали топлинната мощност. Тази генерирана топлина се губи енергия, разсейвана в околното пространство, въпреки че може да се използва за задвижване или генериране на електрическа енергия. Но далеч не винаги е възможно да се постигне перфектен баланс на всички тези три параметъра, например газотурбинният двигател AGT 1500 на резервоара M1 Abrams с мощност 1500 к.с. има нисък топлообмен и висока плътност на мощността, но много голям разход на гориво в сравнение с дизеловите двигатели.
Всъщност газотурбинните двигатели генерират голямо количество топлина, но по -голямата част от нея се отстранява през изпускателната тръба, поради високата скорост на газовия поток. В резултат на това газовите турбини не се нуждаят от охладителните системи, от които се нуждаят дизеловите двигатели. Висока специфична мощност на дизеловите двигатели може да бъде постигната само чрез решаване на проблема с термичния контрол. Brandl подчерта, че това се дължи главно на ограничения обем, наличен за охлаждащо оборудване като тръбопроводи, помпи, вентилатори и радиатори. В допълнение, защитни конструкции, като бронирани решетки, също поемат обем и ограничават въздушния поток, намалявайки ефективността на вентилаторите.
Буталата към
Както отбеляза Брандл, програмата ACE се фокусира върху двутактови дизелови / много горивни двигатели с противоположни бутала поради присъщото им ниско разсейване на топлина. При такива двигатели във всеки цилиндър са поставени по две бутала, които образуват помежду си горивна камера, в резултат на което главата на цилиндъра е изключена, но това изисква два колянови вала и всмукателни и изпускателни отвори в стените на цилиндъра. Боксерните двигатели датират от 30 -те години на миналия век и непрекъснато се подобряват през десетилетията. Тази стара идея не беше пощадена от компанията Achates Power, която в сътрудничество с Cummins възроди и модернизира този двигател.
Говорител на Achates Power заяви, че тяхната боксерска технология е подобрила топлинната ефективност, което се изразява в по -ниски топлинни загуби, подобрено изгаряне и намалени загуби при изпомпване. Елиминирането на цилиндровата глава значително намали съотношението повърхност към обем в горивната камера и по този начин прехвърлянето и отделянето на топлина в двигателя. Обратно, в традиционен четиритактов двигател главата на цилиндъра съдържа много от най-горещите компоненти и е основният източник на топлопренос към охлаждащата течност и околната атмосфера.
Системата за изгаряне Achates използва двойни инжектори за гориво, диаметрично разположени във всеки цилиндър и патентована форма на буталото, за да оптимизира сместа въздух / гориво, което води до ниско изгаряне на сажди и намален пренос на топлина към стените на горивната камера. Свеж заряд на сместа се инжектира в цилиндъра, а отработените газове излизат през отворите, подпомагани от компресор, който изпомпва въздух през двигателя. Achates посочва, че това съвместно протичане има благоприятен ефект върху икономията на гориво и емисиите.
Американската армия иска семейството ACE от модулни мащабируеми силови агрегати да включва двигатели със същия диаметър и ход и различен брой цилиндри: 600-750 к.с. (3 цилиндъра); 300-1000 к.с. (4); и 1200-1500 к.с. (6). Всяка електроцентрала ще заема обем - височина 0,53 м и ширина 1,1 м и съответно дължина 1,04 м, 1,25 м и 1,6 м.
Технологични цели
Вътрешно армейско проучване, проведено през 2010 г., потвърди предимствата на боксьорските двигатели, което доведе до проекта Next-Generation Combat Engine (NGCE), в който индустриалните предприятия представиха своите разработки в тази област. Задачата беше да достигне 71 к.с. на цилиндър и обща мощност 225 к.с. До 2015 г. и двата броя лесно се надвишават на експериментален двигател, тестван в Armored Research Center.
През февруари същата година армията възлага договори на AVL Powertrain Engineering и Achates Power за експериментални едноцилиндрови двигатели ACE по двугодишна програма, в рамките на която целта е да се постигнат следните характеристики: мощност 250 к.с., въртящ момент 678 Нм, специфичен разход на гориво 0, 14 кг / к.с. / ч и разсейване на топлината по -малко от 0,45 кВт / кВт. Всички показатели бяха надвишени, с изключение на топлопредаването, тук не беше възможно да падне под 0,506 kW / kW.
През лятото на 2017 г. Cummins and Achates започнаха работа по договор за ACE Multi-Cylinder Engine (MCE), за да демонстрират четирицилиндров двигател с мощност 1000 к.с. въртящ момент от 2700 Нм и същите изисквания за специфичен разход на гориво и пренос на топлина. Първият двигател е произведен през юли 2018 г. и първоначалните експлоатационни тестове са завършени до края на същата година. През август 2019 г. двигателят беше доставен на дирекция TARDEC за монтаж и тестване.
Комбинацията от боксов двигател и хибридно електрическо задвижване би подобрила ефективността на превозни средства от различни типове и размери, както военни, така и цивилни. Имайки това предвид, Разширеният орган за научни изследвания и развитие е издал 2 милиона долара на Achates за разработване на усъвършенстван едноцилиндров боксов двигател за бъдещи хибридни превозни средства; в този проект компанията си сътрудничи с университета в Мичиган и Nissan.
Управление на буталото
В съответствие с концепцията, този двигател за първи път толкова тясно интегрира електрическата подсистема и двигателя с вътрешно горене, всеки от двата колянови вала се върти и може да се задвижва от своя собствена мотор-генераторна установка; няма механична връзка между валовете.
Achates потвърди, че двигателят е предназначен само за последователни хибридни системи, тъй като цялата генерирана от него мощност се предава електрически и генераторите зареждат батерията, за да разширят обхвата. Без механична връзка между валовете моментът не се предава, което води до намаляване на натоварванията. В резултат на това те могат да бъдат направени по -леки, да намалят общото тегло и размер, триенето и шума и да намалят разходите.
Може би най -важното е, че разединените колянови валове позволяват независимо управление на всяко бутало чрез използването на силова електроника. "Това е важна част от нашия проект, важно е да се определи как разработването на електродвигатели и контроли може да подобри ефективността на двигателя с вътрешно горене." Говорител на Achates потвърди, че тази конфигурация позволява контрол на времето на коляновия вал, което отваря нови възможности. "Ние се стремим да подобрим ефективността на буталното управление, което не е налично при традиционната механична комуникация."
На този етап има малко информация относно това как може да се използва независимо управление на буталото, но на теория е възможно ходът да бъде по -голям от хода на компресията например и по този начин да се извлече повече енергия от заряда на въздуха / горивото смес. Подобна схема е реализирана в четиритактови двигатели Аткинсън, инсталирани в хибридни автомобили. В Toyota Prius например това се постига чрез променливо време на клапана.
Дълго време беше очевидно, че големи подобрения в зрелите технологии, като двигателите с вътрешно горене, не са лесни за постигане, но усъвършенстваните боксьорски двигатели биха могли да бъдат това, което би осигурило реални предимства на военните превозни средства, особено в комбинация с електрически задвижващи системи. …
