Energijos, reikalingos antžeminėms transporto priemonėms varyti ir jų sistemoms bei agregatams valdyti, tradiciškai suteikia dyzeliniai varikliai. Sumažinus degalų sąnaudas, ne tik padidėja diapazonas, bet ir sumažėja logistikos apimtis, kurią lemia kuro atsargų priežiūra, ir padidėja galinio aptarnavimo personalo apsauga atliekant įrangos aptarnavimą.
Šiuo atžvilgiu ginkluotosios pajėgos siekia rasti sprendimą, kuriame didelis efektyvumas ir didelė specifinė dyzelinio kuro degimo šiluma, būdinga sistemoms su elektros pavara, veiktų vienoje „komandoje“. Nauji hibridiniai sprendimai ir pažangūs vidaus degimo varikliai gali pasiūlyti daug praktinės naudos kartu su tylia vieno elektros pavara, tyliu stebėjimu (akumuliatoriaus valdomi jutikliai stovint) ir elektros energijos gamyba išoriniams vartotojams.
Galios pavaros potencialas
Pavyzdžiui, „Research Canada“(DRDC) tiria hibridinių dyzelinių elektrinių pavarų įgyvendinamumą. FDA paskelbė savo tyrimą 2018 m., Sutelkdama dėmesį į lengvas taktines platformas, tokias kaip HMMWV, DAGOR klasės ypač lengvos kovos mašinos ir nedideli vieno ir kelių vietų keturračiai.
Ataskaitoje „Hibridinių dyzelinių ir elektrinių jėgos agregatų įgyvendinamumas lengvosioms taktinėms transporto priemonėms“pažymima, kad daugeliu važiavimo režimų, kai greitis ir apkrova labai skiriasi (paprastai bekele), hibridai turi 15–20% geresnį degalų naudojimo efektyvumą, palyginti su degalų ekonomija. tradicinės mechaninės pavaros mašinos, ypač kai naudojamas regeneracinis stabdymas. Be to, vidaus degimo varikliai, įskaitant dyzelinius variklius, geriausiai veikia, kai naudojami kruopščiai parinktais pastoviais apsisukimais, o tai būdinga nuoseklioms hibridinėms sistemoms, kuriose variklis veikia tik kaip generatorius.
Kaip pažymima ataskaitoje, kadangi variklio galią galima papildyti baterijomis per trumpiausią didžiausios energijos suvartojimo laikotarpį, variklį galima sureguliuoti taip, kad jis teiktų tik vidutinę reikalingą galią, o mažesnės jėgainės paprastai naudoja mažiau degalų, o visi kiti dalykai yra lygūs.
Esant pakankamai akumuliatoriaus talpos, hibridai taip pat gali ilgai išlikti tylaus stebėjimo režimu, kai variklis išjungtas ir veikia jutikliai, elektronika ir ryšių sistemos. Be to, sistema gali maitinti išorinę įrangą, įkrauti baterijas ir netgi maitinti karinę stovyklą, taip sumažinant velkamųjų generatorių poreikį.
Nors hibridinės pavaros pasižymi puikiais greičio, pagreičio ir kokybės rodikliais, akumuliatorius gali būti sunkus ir sunkus, todėl sumažėja naudingoji apkrova, sakė DRDC. Tai gali būti itin lengvų transporto priemonių ir vienviečių keturračių problema. Be to, esant žemai temperatūrai, pačių baterijų charakteristikos sumažėja, dažnai kyla problemų dėl įkrovimo ir temperatūros valdymo.
Nors nuoseklūs hibridai pašalina mechaninę transmisiją, tačiau variklio, generatoriaus, galios elektronikos ir akumuliatoriaus poreikis neišvengiamai apsunkina jų pirkimą ir priežiūrą.
Dauguma akumuliatorių elektrolitų taip pat gali kelti pavojų, kai yra pažeisti, pavyzdžiui, žinoma, kad ličio jonų elementai, užsidegę, užsidega. Ar tai kelia didesnę riziką nei dyzelinio kuro tiekimas, galbūt yra ginčytinas klausimas, pažymima pranešime, tačiau hibridai kelia abi rizikas.
Derinio pasirinkimas
Dvi pagrindinės vidaus degimo variklių derinimo su elektros prietaisais schemos yra nuoseklios ir lygiagrečios. Kaip minėta aukščiau, serijinė hibridinė platforma yra elektrinė mašina su generatoriumi, o lygiagrečiai yra variklis ir traukos variklis, kurie per prie jų prijungtą mechaninę transmisiją perduoda galią ratams. Tai reiškia, kad variklis arba traukos variklis gali valdyti mašiną atskirai arba dirbti kartu.
Abiejų tipų hibriduose elektros komponentas paprastai yra variklio generatorius (MGU), kuris gali paversti elektros energiją judesiu ir atvirkščiai. Jis gali vairuoti automobilį, įkrauti akumuliatorių, užvesti variklį ir, jei reikia, taupyti energiją regeneraciniu stabdymu.
Tiek serijiniai, tiek lygiagretūs hibridai naudoja maitinimo elektroniką, kad valdytų akumuliatoriaus energiją ir reguliuotų akumuliatoriaus temperatūrą. Jie taip pat teikia įtampą ir srovės stiprį, kurį generatorius turi tiekti baterijoms, o baterijos - elektros varikliams.
Ši galios elektronika yra puslaidininkių keitiklių, pagamintų iš silicio karbido puslaidininkių, pavidalu, kurių trūkumai paprastai apima didelį dydį ir kainą, taip pat šilumos nuostolius. Galios elektronikai taip pat reikalinga valdymo elektronika, panaši į tą, kuri varo vidaus degimo variklį.
Iki šiol elektra varomų karinių transporto priemonių istoriją sudarė eksperimentinės ir plataus užmojo plėtros programos, kurios galiausiai buvo uždarytos. Realiai veikiant, vis dar nėra hibridinių karinių transporto priemonių, ypač lengvųjų taktinių transporto priemonių srityje išlieka keletas neišspręstų technologinių problemų. Šios problemos gali būti laikomos iš esmės išspręstomis civilinėms transporto priemonėms, nes jos veikia daug palankesnėmis sąlygomis.
Elektromobiliai pasirodė labai greiti. Pavyzdžiui, „Nikola Motor“eksperimentinė keturių vietų „Reckless Utility Tactical Vehicle“(UTV) baterija varoma baterija gali įsibėgėti nuo 0 iki 97 km / h per 4 sekundes ir įveikti 241 km.
„Vis dėlto išdėstymas yra vienas iš tų didelių iššūkių“, - sakoma DRDC ataskaitoje. Akumuliatorių paketų dydis, svoris ir šilumos išsklaidymas yra gana dideli, todėl reikia sudaryti kompromisą tarp bendros energijos talpos ir momentinės galios, kurią jie gali pateikti tam tikrai masei ir tūriui. Aukštos įtampos kabelių tūrio paskirstymas, jų patikimumas ir saugumas taip pat yra kliūtys, taip pat galios elektronikos dydis, svoris, aušinimas, patikimumas ir hidroizoliacija.
Karštis ir dulkės
Ataskaitoje teigiama, kad temperatūros svyravimai, su kuriais susiduria karinės transporto priemonės, yra bene didžiausia problema, nes ličio jonų akumuliatoriai nebus įkraunami esant minusinei temperatūrai, o šildymo sistemos papildo sudėtingumą ir reikalauja energijos. Išsikrovimo metu perkaitusios baterijos yra potencialiai pavojingos, jos turi būti atvėsintos arba sumažintos iki sumažinto režimo, o varikliai ir generatoriai taip pat gali perkaisti, pagaliau nepamirškite apie nuolatinius magnetus, kurie linkę demagnetizuotis.
Be to, esant aukštesnei nei 65 ° C temperatūrai, tokių prietaisų kaip IGBT keitikliai efektyvumas mažėja, todėl juos reikia aušinti, nors naujesnė galios elektronika, pagrįsta silicio karbido puslaidininkiais arba galio nitridu, ne tik veikia padidinta įtampa, bet ir atlaiko aukštesnę temperatūrą ir todėl gali būti aušinamas iš variklio aušinimo sistemos.
Be to, dėl smūgio ir vibracijos dėl nelygaus reljefo ir galimos žalos, kurią gali padaryti apšaudymas ir sprogimai, taip pat apsunkina elektrinės pavaros technologijos integravimą į lengvas karines transporto priemones, pažymima pranešime.
Ataskaitoje daroma išvada, kad DRDC turėtų užsisakyti technologijų demonstratorių. Tai gana paprasta, lengva, nuosekli hibridinė taktinė transporto priemonė su elektros varikliais, sumontuotais ratų stebulėse arba ašyse, dyzelinis variklis sureguliuotas pagal atitinkamą didžiausią galią ir sumontuotas super- arba ultrakondensatorių rinkinys, siekiant pagerinti pagreitį ir kokybę. Superkondensatoriai arba ultrakondensatoriai trumpą laiką kaupia labai didelį krūvį ir gali jį labai greitai išleisti, kad generuotų galios impulsus. Automobilio arba visai nebus, arba bus įdėta labai maža baterija, regeneracinio stabdymo proceso metu bus gaminama elektra, todėl neįtraukiami tylaus judėjimo ir tylaus stebėjimo režimai.
Maitinimo kabeliai, einantys tik prie ratų, pakeičiantys mechaninę transmisiją ir pavaros velenus, žymiai sumažins mašinos svorį ir pagerins apsaugą nuo sprogimo, nes pašalinamos antrinės šiukšlės ir fragmentai. Be akumuliatoriaus vidinis įgulos tūris ir naudingoji apkrova padidės ir taps saugesni, o problemos, susijusios su ličio jonų akumuliatorių priežiūra ir šiluminiu valdymu, bus pašalintos.
Be to, kuriant prototipą keliami šie tikslai: mažesnės degalų sąnaudos santykinai mažam dyzeliniam varikliui, veikiančiam pastoviu apsisukimų dažniui, kartu su energijos atgavimu, padidinta energijos gamyba, skirta veikimo jutikliams arba energijos eksportui, didesnis patikimumas ir geresnis aptarnavimas.
Nelygumai nerūpi
Kaip pranešime apie variklių kūrimą paaiškino Bruce'as Brandlas iš Šarvuotų tyrimų centro (TARDEC), JAV kariuomenė nori varomosios sistemos, kuri leistų jos kovos mašinoms judėti sunkesniu reljefu didesniu greičiu, o tai žymiai sumažins reljefo procentą karo zonose. kuriais dabartiniai automobiliai negali judėti. Vadinamasis nepravažiuojamas reljefas sudaro apie 22% šių zonų, o kariuomenė nori sumažinti šį skaičių iki 6%. Jie taip pat nori padidinti vidutinį greitį didžiojoje teritorijos dalyje nuo šiandieninio 16 km / h iki 24 km / h.
Be to, Brandlas pabrėžė, kad planuojama padidinti energijos poreikį laive bent iki 250 kW, tai yra daugiau, nei gali suteikti mašinos generatoriai, nes apkrovos pridedamos naudojant naujas technologijas, pavyzdžiui, elektrifikuotus bokštus ir apsaugos sistemas., galios elektronikos aušinimas., energijos eksportas ir nukreipti energetiniai ginklai.
JAV kariuomenė apskaičiavo, kad tenkinant šiuos poreikius naudojant dabartinę turbodyzelinių technologijų technologiją, variklio tūris padidės 56%, o transporto priemonės svoris - apie 1400 kg. Todėl kuriant savo pažangią jėgainę „Advanced Combat Engine“(ACE) buvo iškeltas pagrindinis uždavinys - padvigubinti bendrą galios tankį nuo 3 AG / kub. pėdų iki 6 AG / kub. pėda.
Nors didesnis galios tankis ir geresnis degalų naudojimo efektyvumas yra labai svarbūs naujos kartos kariniams varikliams, ne mažiau svarbu sumažinti šilumos gamybą. Ši sukurta šiluma yra švaistoma energija, išsisklaidanti į aplinkinę erdvę, nors ji galėtų būti naudojama elektros energijai varyti ar gaminti. Tačiau toli gražu ne visada įmanoma pasiekti tobulą visų šių trijų parametrų pusiausvyrą, pavyzdžiui, „AG1 1500“dujų turbinos variklį, esantį „M1 Abrams“bake, kurio galia yra 1500 AG. turi mažą šilumos perdavimą ir didelį galios tankį, tačiau labai didelės degalų sąnaudos, palyginti su dyzeliniais varikliais.
Tiesą sakant, dujų turbinų varikliai generuoja daug šilumos, tačiau didžioji jos dalis pašalinama per išmetimo vamzdį dėl didelio dujų srauto greičio. Dėl to dujų turbinoms nereikia aušinimo sistemų, kurių reikia dyzeliniams varikliams. Didelę savitąją dyzelinių variklių galią galima pasiekti tik išsprendus terminio valdymo problemą. Brandlas pabrėžė, kad tai daugiausia lemia ribotas aušinimo įrangos, tokios kaip vamzdynai, siurbliai, ventiliatoriai ir radiatoriai, tūris. Be to, apsauginės konstrukcijos, tokios kaip neperšaunamos grotelės, taip pat užima tūrį ir riboja oro srautą, sumažindamos ventiliatorių efektyvumą.
Stūmokliai link
Kaip pažymėjo Brandlas, ACE programa orientuota į dviejų taktų dyzelinius / daugiakurius variklius su priešingais stūmokliais dėl jiems būdingo mažo šilumos išsklaidymo. Tokiuose varikliuose į kiekvieną cilindrą dedami du stūmokliai, kurie sudaro degimo kamerą, todėl cilindro galvutė neįtraukiama, tačiau tam reikia dviejų alkūninių velenų ir įleidimo ir išmetimo angų cilindrų sienose. Bokserio varikliai atsirado 1930 -aisiais ir buvo nuolat tobulinami per dešimtmečius. Šios senos idėjos nepagailėjo bendrovė „Achates Power“, kuri, bendradarbiaudama su „Cummins“, atgaivino ir modernizavo šį variklį.
„Achates Power“atstovas sakė, kad jų bokserių technologija pagerino šiluminį efektyvumą, o tai reiškia mažesnius šilumos nuostolius, geresnį degimą ir mažesnius siurbimo nuostolius. Pašalinus cilindro galvutę, žymiai sumažėjo paviršiaus ploto ir tūrio santykis degimo kameroje, taigi ir šilumos perdavimas bei išsiskyrimas variklyje. Priešingai, tradiciniame keturių taktų variklyje cilindro galvutėje yra daug karščiausių komponentų ir jis yra pagrindinis šilumos perdavimo į aušinimo skystį ir aplinkinę atmosferą šaltinis.
„Achates“degimo sistemoje naudojami du degalų purkštukai, esantys diametraliai kiekviename cilindre, ir patentuota stūmoklio forma, kad būtų optimizuotas oro ir degalų mišinys, dėl to sumažėja suodžių degimas ir sumažėja šilumos perdavimas į degimo kameros sienas. Į cilindrą įpurškiamas naujas mišinio krūvis, o išmetamosios dujos išeina per angas, padedamos kompresoriaus, kuris siurbia orą per variklį. „Achates“nurodo, kad šis bendros srovės išpūtimas turi teigiamą poveikį degalų ekonomijai ir išmetamųjų teršalų kiekiui.
JAV kariuomenė nori, kad ACE šeimai priklausančios modulinės galios galios agregatai apimtų variklius su vienoda kiaurymė ir eiga bei skirtingu cilindrų skaičiumi: 600–750 AG. (3 cilindrai); 300-1000 AG (4); ir 1200-1500 AG. (6). Kiekviena jėgainė užims tam tikrą tūrį - 0,53 m aukščio ir 1, 1 m pločio ir atitinkamai 1,04 m, 1,25 m ir 1,6 m ilgio.
Technologiniai tikslai
2010 m. Atliktas vidaus kariuomenės tyrimas patvirtino bokserių variklių naudą, todėl buvo sukurtas naujos kartos kovinio variklio (NGCE) projektas, kuriame pramonės įmonės pristatė savo pasiekimus šioje srityje. Užduotis buvo pasiekti 71 AG. vienam cilindrui, o bendra galia - 225 AG. Iki 2015 m. Abu šie skaičiai buvo lengvai viršyti naudojant šarvuotų tyrimų centre išbandytą eksperimentinį variklį.
Tų pačių metų vasarį armija pagal dvejų metų programą sudarė sutartis su „AVL Powertrain Engineering“ir „Achates Power“už eksperimentinius vieno cilindro ACE variklius, kurių metu buvo siekiama pasiekti šias charakteristikas: galia 250 AG, sukimo momentas 678 Nm, savitos degalų sąnaudos 0, 14 kg / AG / h, o šilumos išsklaidymas mažesnis nei 0,45 kW / kW. Viršyti visi rodikliai, išskyrus šilumos perdavimą, čia nebuvo įmanoma nukristi žemiau 0,506 kW / kW.
2017 metų vasarą „Cummins“ir „Achates“pradėjo darbą pagal ACE kelių cilindrų variklio (MCE) sutartį, kad pademonstruotų 1000 AG keturių cilindrų variklį. sukimo momentas 2700 Nm ir tie patys reikalavimai specifinėms degalų sąnaudoms ir šilumos perdavimui. Pirmasis variklis buvo pagamintas 2018 m. Liepos mėn., O pirminiai eksploataciniai bandymai buvo baigti tų pačių metų pabaigoje. 2019 m. Rugpjūčio mėn. Variklis buvo pristatytas TARDEC direktoratui įrengti ir išbandyti.
Bokserio variklio ir hibridinės elektrinės pavaros derinys pagerintų įvairaus tipo ir dydžio transporto priemonių, tiek karinių, tiek civilinių, efektyvumą. Atsižvelgdama į tai, Išplėstinė tyrimų ir plėtros tarnyba „Achates“išleido 2 milijonus dolerių, kad galėtų sukurti pažangų vieno cilindro bokserio variklį būsimoms hibridinėms transporto priemonėms; šiame projekte įmonė bendradarbiauja su Mičigano universitetu ir „Nissan“.
Stūmoklio valdymas
Remiantis koncepcija, šis variklis pirmą kartą taip glaudžiai sujungė elektros posistemį ir vidaus degimo variklį, kiekvienas iš dviejų alkūninių velenų sukasi ir gali būti valdomas savo variklio generatoriaus; tarp velenų nėra mechaninio ryšio.
„Achates“patvirtino, kad variklis skirtas tik nuoseklioms hibridinėms sistemoms, nes visa jo sukurta galia perduodama elektra, o generatoriai įkrauna akumuliatorių, kad praplėstų diapazoną. Be mechaninio sujungimo tarp velenų, momentas nėra perduodamas, o tai sumažina apkrovas. Dėl to jie gali būti lengvesni, sumažinti bendrą svorį ir dydį, trintį ir triukšmą bei sumažinti išlaidas.
Galbūt svarbiausia, kad atsieti alkūniniai velenai leidžia nepriklausomai valdyti kiekvieną stūmoklį naudojant galios elektroniką. „Tai svarbi mūsų projekto dalis, svarbu nustatyti, kaip elektros variklių ir valdiklių kūrimas galėtų pagerinti vidaus degimo variklio efektyvumą“. „Achates“atstovas spaudai patvirtino, kad tokia konfigūracija leidžia valdyti alkūninio veleno laiką, o tai atveria naujas galimybes. "Mes stengiamės pagerinti stūmoklio valdymo efektyvumą, kurio nėra prieinama naudojant tradicinį mechaninį ryšį."
Šiuo metu informacijos apie tai, kaip galima naudoti nepriklausomą stūmoklio valdymą, yra nedaug, tačiau teoriškai galima, pavyzdžiui, padaryti smūgį didesnį nei suspaudimo eiga ir taip išgauti daugiau energijos iš oro / degalų krūvio mišinys. Panaši schema įgyvendinama keturių taktų „Atkinson“varikliuose, sumontuotuose hibridiniuose automobiliuose. Pavyzdžiui, „Toyota Prius“tai pasiekiama keičiant vožtuvo laiką.
Ilgą laiką buvo akivaizdu, kad didelių pažangių technologijų, tokių kaip vidaus degimo varikliai, patobulinimų nėra lengva pasiekti, tačiau pažangūs bokserio varikliai galėtų būti tai, kas suteiktų realių pranašumų karinėms transporto priemonėms, ypač kai jie derinami su elektrinėmis varomosiomis sistemomis. …
