Maa -ajoneuvojen vetämiseen sekä niiden järjestelmien ja kokoonpanojen käyttämiseen tarvittava energia saadaan perinteisesti dieselmoottoreista. Polttoaineenkulutuksen vähentäminen ei ainoastaan lisää kantamaa, vaan myös vähentää logistiikan määrää, joka määräytyy polttoainevarantojen ylläpidon perusteella, ja lisää takahuoltohenkilöstön suojaa laitteiden huoltoprosessissa.
Tältä osin asevoimat pyrkivät löytämään ratkaisun, jossa sähkökäyttöisille järjestelmille ominainen dieselpolttoaineen korkea hyötysuhde ja korkea ominaispolttolämpö toimisivat yhdessä "tiimissä". Uudet hybridiratkaisut ja edistykselliset polttomoottorit voivat tarjota suuria käytännön etuja hiljaisen yhden sähkökäytön, hiljaisen valvonnan (paristokäyttöiset anturit paikallaan ollessa) ja sähköntuotannon rinnalla ulkoisille kuluttajille.
Voimansiirtopotentiaali
Esimerkiksi Research Canada (DRDC) tutkii hybridi-diesel-sähkömoottorien toteutettavuutta. FDA julkaisi tutkimuksensa vuonna 2018 keskittyen kevyisiin taktisiin alustoihin, kuten HMMWV, DAGOR-luokan ultrakevyisiin taisteluajoneuvoihin ja pieniin yhden ja monipaikkaisiin mönkijöihin.
Raportissa Hybrid Diesel-Electric Powertrains for Light Tactical Vehicles raportti toteaa, että useimmissa ajotiloissa, joissa nopeudet ja kuormitukset vaihtelevat merkittävästi (tyypillisesti maastoajossa), hybridien polttoainetehokkuus on 15–20% parempi polttoainetaloudellisuudessa. perinteiset mekaanisesti ajettavat koneet, erityisesti kun käytetään regeneratiivista jarrutusta. Lisäksi polttomoottorit, myös dieselmoottorit, toimivat parhaiten, kun niitä käytetään huolella valitulla vakionopeudella, mikä on tyypillistä peräkkäisille hybridijärjestelmille, joissa moottori toimii vain generaattorina.
Kuten raportissa todetaan, koska moottorin tehoa voidaan täydentää paristoilla lyhyen tehonkulutuksen aikana, moottori voidaan virittää siten, että se tuottaa vain tarvittavan keskimääräisen tehon pienemmillä voimalaitoksilla, jotka käyttävät yleensä vähemmän polttoainetta, kun kaikki muut asiat ovat samanarvoisia.
Riittävällä akun kapasiteetilla hybridit voivat myös pysyä äänettömässä valvontatilassa pitkään moottorin ollessa sammutettuna ja toimivilla antureilla, elektroniikalla ja viestintäjärjestelmillä. Lisäksi järjestelmä voi käyttää ulkoisia laitteita, ladata akkuja ja jopa sotilasleiriä, mikä vähentää hinattavien generaattoreiden tarvetta.
Vaikka hybridikäytöt tarjoavat erinomaista suorituskykyä nopeuden, kiihtyvyyden ja luokiteltavuuden suhteen, akku voi olla raskas ja raskas, mikä vähentää hyötykuormaa, DRDC sanoi. Tämä voi olla ongelma erittäin kevyille ajoneuvoille ja yksipaikkaisille mönkijöille. Lisäksi matalissa lämpötiloissa akkujen ominaisuudet heikkenevät, niillä on usein ongelmia latauksessa ja lämpötilan säätämisessä.
Vaikka peräkkäiset hybridit eliminoivat mekaanisen voimansiirron, moottorin, generaattorin, tehoelektroniikan ja akun tarve tekee niistä väistämättä vaikeita ja kalliita ostaa ja ylläpitää.
Useimmat akkuelektrolyytit voivat myös aiheuttaa vaurioita, esimerkiksi litiumionikennojen tiedetään syttyvän vaurioituneena. Raportissa korostetaan, olisiko tämä suurempi riski kuin dieselpolttoaineen toimittaminen, mutta kiistanalainen kysymys, mutta hybridit sisältävät molemmat riskit.
Yhdistelmävalinta
Polttomoottorien ja sähkölaitteiden yhdistämisen kaksi pääjärjestelmää ovat sarja- ja rinnakkaiset. Kuten edellä mainittiin, sarjahybridialusta on sähkökone, jossa on generaattori, kun taas rinnakkain on moottori ja vetomoottori, jotka lähettävät niihin kytketyn mekaanisen voimansiirron kautta voiman. Tämä tarkoittaa, että moottori tai vetomoottori voivat ajaa konetta erikseen tai ne voivat toimia yhdessä.
Molemmissa hybridityypeissä sähkökomponentti on tyypillisesti moottorigeneraattorisarja (MGU), joka voi muuntaa sähköenergian liikkeeksi ja päinvastoin. Se voi ajaa autoa, ladata akkua, käynnistää moottorin ja säästää tarvittaessa energiaa regeneratiivisella jarrutuksella.
Sekä sarja- että rinnakkaishybridit luottavat tehoelektroniikkaan akun hallintaan ja akun lämpötilan säätämiseen. Ne tarjoavat myös jännitteen ja virran, jotka generaattorin on syötettävä paristoille ja akut vuorotellen sähkömoottoreille.
Tämä tehoelektroniikka on piikarbidipuolijohteisiin perustuvia puolijohde -inverttereitä, joiden haitat sisältävät pääsääntöisesti suuren koon ja kustannukset sekä lämpöhäviöt. Tehoelektroniikka vaatii myös samanlaista ohjauselektroniikkaa kuin polttomoottoria käyttävä.
Tähän asti sähkökäyttöisten sotilasajoneuvojen historia on ollut kokeellisia ja kunnianhimoisia kehitysohjelmia, jotka lopulta suljettiin. Todellisessa toiminnassa ei vieläkään ole sotilasajoneuvojen hybridiajoneuvoja, erityisesti kevyiden taktisten ajoneuvojen alalla on edelleen useita ratkaisemattomia teknisiä ongelmia. Näitä ongelmia voidaan pitää suurelta osin ratkaistuina siviilikäyttöisten ajoneuvojen osalta, koska ne toimivat paljon suotuisammissa olosuhteissa.
Sähköautot ovat osoittaneet olevansa erittäin nopeita. Esimerkiksi Nikola Motorin kokeellinen paristokäyttöinen Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) nelipaikkainen voi kiihdyttää nollasta 97 kilometriin tunnissa 4 sekunnissa ja sen kantama on 241 kilometriä.
"Asettelu on kuitenkin yksi niistä suurista haasteista", DRDC: n raportti sanoo. Akkujen koko, paino ja lämmöntuotto ovat melko suuria, ja on tehtävä kompromissi kokonaisenergiakapasiteetin ja hetkellisen tehon välillä, jonka ne voivat tuottaa tietylle massalle ja tilavuudelle. Suurjännitekaapeleiden tilavuus, niiden luotettavuus ja turvallisuus ovat myös pullonkauloja sekä tehoelektroniikan koko, paino, jäähdytys, luotettavuus ja vedenpitävyys.
Lämpö ja pöly
Raportin mukaan sotilasajoneuvojen kohtaamat lämpötilan vaihtelut ovat ehkä suurin ongelma, sillä litiumioniakut eivät lataudu pakkasessa ja lämmitysjärjestelmät lisäävät monimutkaisuutta ja tarvitsevat energiaa. Akut, jotka ylikuumenevat purkautumisen aikana, ovat mahdollisesti vaarallisia, ne on jäähdytettävä tai alennettava supistettuun tilaan, kun taas moottorit ja generaattorit voivat ylikuumentua, lopuksi, älä unohda kestomagneetteja, jotka ovat alttiita demagnetoinnille.
Samoin yli 65 ° C: n lämpötiloissa IGBT -invertterien kaltaisten laitteiden tehokkuus heikkenee ja tarvitsee siksi jäähdytystä, vaikka uudempi piikarbidipuolijohteisiin tai galliumnitridiin perustuva tehoelektroniikka kestää korkeammalla jännitteellä toimimisen lisäksi korkeampia lämpötiloja ja voidaan siksi jäähdyttää moottorin jäähdytysjärjestelmästä.
Lisäksi epätasaisesta maastosta johtuva isku ja tärinä sekä mahdolliset vauriot, jotka voivat aiheutua kuorista ja räjähdyksistä, vaikeuttavat myös sähkökäyttötekniikan integroimista kevyisiin sotilasajoneuvoihin, raportti toteaa.
Raportin mukaan DRDC: n pitäisi tilata teknologian esittely. Se on suhteellisen yksinkertainen kevyt peräkkäinen hybriditaktinen ajoneuvo, jonka sähkömoottorit on asennettu joko pyörännapoihin tai akseleihin.. Superkondensaattorit tai ultrakondensaattorit tallentavat erittäin suuren varauksen lyhyeksi ajaksi ja voivat vapauttaa sen hyvin nopeasti tuottaakseen pulsseja. Auto joko ei ole ollenkaan tai siihen asennetaan hyvin pieni akku, sähköä syntyy regeneratiivisen jarrutusprosessin aikana, minkä seurauksena hiljaisen liikkeen ja hiljaisen havaitsemisen tilat jätetään pois.
Yksinomaan pyörille kulkevat virtakaapelit, jotka korvaavat mekaanisen voimansiirron ja vetoakselit, vähentävät merkittävästi koneen painoa ja parantavat räjähdyssuojaa, koska toissijaiset roskat ja sirpaleet hajoavat. Ilman akkua miehistön sisäinen tilavuus ja hyötykuorma lisääntyvät ja muuttuvat turvallisemmiksi, ja litiumioniakkujen huoltoon ja lämmönhallintaan liittyvät ongelmat poistuvat.
Lisäksi prototyyppiä luotaessa asetetaan seuraavat tavoitteet: suhteellisen pienen dieselmoottorin pienempi polttoaineenkulutus vakionopeudella, yhdistettynä energian talteenottoon, lisääntynyt sähköntuotanto käyttöantureille tai energian viennille, parempi luotettavuus ja parempi palvelu.
Kuoppia ei kiinnosta
Kuten Bruce Brandl Armored Research Centeristä (TARDEC) selitti esityksessä moottorin kehityksestä, Yhdysvaltain armeija haluaa käyttövoimajärjestelmän, jonka avulla sen taisteluajoneuvot voivat liikkua vaikeammassa maastossa suuremmilla nopeuksilla, mikä vähentää merkittävästi maaston osuutta sota -alueilla, joilla nykyiset autot eivät voi liikkua. Ns. Läpäisemätön maasto muodostaa noin 22 prosenttia näistä vyöhykkeistä ja armeija haluaa vähentää tämän luvun 6 prosenttiin. He haluavat myös nostaa keskinopeutta suurimmalla osalla aluetta nykyisestä 16 km / h: sta 24 km / h: een.
Lisäksi Brandl korosti, että aluksen energiantarve on tarkoitus kasvattaa vähintään 250 kW: iin eli korkeammaksi kuin mitä koneen generaattorit voivat tarjota, koska kuormituksia lisätään uudesta tekniikasta, esimerkiksi sähköistetyistä torneista ja suojajärjestelmistä, tehoelektroniikan jäähdytys., energian vienti ja suunnatut energia -aseet.
Yhdysvaltain armeija arvioi, että näiden tarpeiden täyttäminen nykyisellä turbodieseltekniikalla lisää moottorin tilavuutta 56% ja ajoneuvon painoa noin 1 400 kg. Siksi kehitettäessä edistyksellistä voimalaitosta Advanced Combat Engine (ACE) päätehtäväksi asetettiin kaksinkertaistaa kokonaistehon tiheys 3 hv / cu. ft - 6 hv / cu. jalka.
Vaikka suurempi tehotiheys ja parempi polttoainetehokkuus ovat erittäin tärkeitä seuraavan sukupolven sotilasmoottoreille, on yhtä tärkeää vähentää lämmöntuotantoa. Tämä syntyvä lämpö on hukkaan menevää energiaa, joka haihtuu ympäröivään tilaan, vaikka sitä voitaisiin käyttää sähköenergian kuljettamiseen tai tuottamiseen. Mutta ei ole aina mahdollista saavuttaa täydellistä tasapainoa kaikkien näiden kolmen parametrin välillä, esimerkiksi MT Abrams -säiliön AGT 1500 -kaasuturbiinimoottori, jonka kapasiteetti on 1500 hv. on alhainen lämmönsiirto ja suuri tehotiheys, mutta erittäin suuri polttoaineenkulutus verrattuna dieselmoottoreihin.
Itse asiassa kaasuturbiinimoottorit tuottavat suuren määrän lämpöä, mutta suurin osa siitä poistetaan pakoputken kautta kaasun suuren virtausnopeuden vuoksi. Tämän seurauksena kaasuturbiinit eivät tarvitse dieselmoottoreiden tarvitsemia jäähdytysjärjestelmiä. Dieselmoottoreiden suuri ominaisteho voidaan saavuttaa vain ratkaisemalla lämmönsäätöongelma. Brandl korosti, että tämä johtuu pääasiassa jäähdytyslaitteiden, kuten putkistojen, pumppujen, puhaltimien ja pattereiden, rajoitetusta tilavuudesta. Lisäksi suojarakenteet, kuten luodinkestävät säleiköt, vievät myös tilavuutta ja rajoittavat ilmavirtaa, mikä vähentää puhaltimien tehokkuutta.
Männät kohti
Kuten Brandl totesi, ACE-ohjelma keskittyy kaksitahtisiin diesel- / monipolttoainemoottoreihin, joissa on vastakkaiset männät, koska niillä on luontainen alhainen lämmöntuotto. Tällaisissa moottoreissa kumpaankin sylinteriin on sijoitettu kaksi mäntää, jotka muodostavat polttokammion keskenään, minkä seurauksena sylinterinkansi on poissuljettu, mutta tämä edellyttää kahta kampiakselia ja sylinterin seinämien imu- ja poistoaukkoja. Bokserimoottorit ovat peräisin 1930 -luvulta ja niitä on jatkuvasti parannettu vuosikymmenten aikana. Tätä vanhaa ideaa ei säästänyt yritys Achates Power, joka yhteistyössä Cumminsin kanssa elvytti ja modernisoi tämän moottorin.
Achates Powerin tiedottaja sanoi, että heidän nyrkkeilijätekniikkansa on parantanut lämpötehokkuutta, mikä tarkoittaa pienempiä lämpöhäviöitä, parempaa palamista ja pienempiä pumppaushäviöitä. Sylinterikannen poistaminen pienensi merkittävästi pinta-alan ja tilavuuden suhdetta polttokammiossa ja siten lämmön siirtymistä ja vapautumista moottorissa. Sitä vastoin perinteisessä nelitahtimoottorissa sylinterinkansi sisältää monia kuumimpia komponentteja ja on tärkein lämmönsiirtolähde jäähdytysnesteeseen ja ympäröivään ilmakehään.
Achates -polttojärjestelmässä käytetään kaksoispolttoainesuuttimia, jotka on sijoitettu halkaisijaltaan jokaiseen sylinteriin, ja patentoitua männän muotoa, joka optimoi ilman ja polttoaineen seoksen, mikä johtaa alhaiseen noen palamiseen ja pienempään lämmönsiirtoon palokammion seinille. Seokseen syötetään uutta varausta sylinteriin, ja pakokaasut poistuvat aukkojen kautta ahtimen avulla, joka pumppaa ilmaa moottorin läpi. Achates huomauttaa, että tämä rinnakkaisvirtaus vaikuttaa myönteisesti polttoainetalouteen ja päästöihin.
Yhdysvaltain armeija haluaa, että modulaaristen skaalautuvien voimansiirtojen ACE-perhe sisältää moottorit, joilla on sama reikä ja isku ja erilaiset sylinterimäärät: 600-750 hv. (3 sylinteriä); 300-1000 hv (4); ja 1200-1500 hv. (6). Jokaisella voimalaitoksella on tilavuus - 0,53 m korkeus ja 1,1 m leveys ja vastaavasti 1,04 m, 1,25 m ja 1,6 m pituus.
Tekniset tavoitteet
Vuonna 2010 tehty armeijan sisäinen tutkimus vahvisti nyrkkeilijämoottorien edut, ja tuloksena oli seuraavan sukupolven taistelumoottori (NGCE) -hanke, jossa teollisuusyritykset esittelivät kehitystään tällä alalla. Tehtävänä oli saavuttaa 71 hevosvoimaa. sylinteriä kohden ja kokonaisteho 225 hv. Vuoteen 2015 mennessä molemmat nämä luvut ylitettiin helposti panssaroidussa tutkimuskeskuksessa testatulla kokeellisella moottorilla.
Saman vuoden helmikuussa armeija teki sopimukset AVL Powertrain Engineeringille ja Achates Powerille kokeellisista yksisylinterisistä ACE-moottoreista kahden vuoden ohjelman puitteissa, jonka puitteissa tavoitteena oli saavuttaa seuraavat ominaisuudet: teho 250 hv, vääntömomentti 678 Nm, polttoaineen ominaiskulutus 0, 14 kg / hv / h ja lämmöntuotto alle 0,45 kW / kW. Kaikki indikaattorit ylitettiin lämmönsiirtoa lukuun ottamatta, täällä ei ollut mahdollista laskea alle 0,506 kW / kW.
Kesällä 2017 Cummins ja Achates aloittivat työt ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) -sopimuksen nojalla osoittaakseen 1000 hevosvoiman nelisylinterisen moottorin. vääntömomentti 2700 Nm ja samat vaatimukset polttoaineenkulutukselle ja lämmönsiirrolle. Ensimmäinen moottori valmistettiin heinäkuussa 2018 ja ensimmäiset käyttötestit saatiin päätökseen saman vuoden loppuun mennessä. Elokuussa 2019 moottori toimitettiin TARDEC -osastolle asennusta ja testausta varten.
Nyrkkeilijämoottorin ja hybridi -sähkökäytön yhdistelmä parantaisi eri tyyppisten ja kokoisten ajoneuvojen tehokkuutta, sekä sotilaallisia että siviilikäyttöisiä. Tämän vuoksi Advanced Research and Development Authority myönsi 2 miljoonaa dollaria Achatesille kehittääkseen edistyksellisen yksisylinterisen bokserimoottorin tuleville hybridiajoneuvoille; Tässä projektissa yritys tekee yhteistyötä Michiganin yliopiston ja Nissanin kanssa.
Männän ohjaus
Konseptin mukaisesti tämä moottori integroi ensimmäistä kertaa niin läheisesti sähköisen osajärjestelmän ja polttomoottorin, kumpikin kampiakseli pyörii ja sitä voidaan käyttää omalla moottori-generaattorisarjalla; akselien välillä ei ole mekaanista yhteyttä.
Achates vahvisti, että moottori on suunniteltu vain peräkkäisille hybridijärjestelmille, koska kaikki sen tuottama teho siirtyy sähköisesti ja generaattorit lataavat akkua laajentaakseen kantamaa. Ilman akselien välistä mekaanista yhteyttä momenttia ei siirretä, mikä johtaa kuormien vähenemiseen. Tämän seurauksena ne voidaan keventää, vähentää kokonaispainoa ja kokoa, kitkaa ja melua sekä kustannuksia.
Ehkä tärkeintä on, että irrotetut kampiakselit mahdollistavat jokaisen männän riippumattoman ohjauksen tehoelektroniikan avulla. "Tämä on tärkeä osa projektiamme, ja on tärkeää selvittää, kuinka sähkömoottoreiden ja säätimien kehittäminen voisi parantaa polttomoottorin tehokkuutta." Achatesin tiedottaja vahvisti, että tämä kokoonpano mahdollistaa kampiakselin ajoituksen ohjauksen, mikä avaa uusia mahdollisuuksia. "Pyrimme parantamaan mäntäohjauksen tehokkuutta, joka ei ole käytettävissä perinteisellä mekaanisella viestinnällä."
Tässä vaiheessa on vain vähän tietoa siitä, miten itsenäistä männänohjausta voidaan käyttää, mutta teoriassa on mahdollista tehdä esimerkiksi isku suurempi kuin puristusisku ja saada siten enemmän energiaa ilman / polttoaineen varauksesta seos. Samanlainen järjestelmä toteutetaan hybridiautoihin asennetuissa nelitahtisissa Atkinson-moottoreissa. Esimerkiksi Toyota Priusissa tämä saavutetaan vaihtelevalla venttiiliajoituksella.
Pitkään oli selvää, että suuria parannuksia kypsään tekniikkaan, kuten polttomoottoreihin, ei ole helppo saavuttaa, mutta kehittyneet nyrkkeilijämoottorit voisivat tarjota todellisia etuja sotilasajoneuvoille, erityisesti yhdistettynä sähköisiin käyttövoimajärjestelmiin. …
