Enerģiju, kas nepieciešama sauszemes transportlīdzekļu dzīšanai un to sistēmu un mezglu darbināšanai, tradicionāli nodrošina dīzeļdzinēji. Degvielas patēriņa samazināšana ne tikai palielina diapazonu, bet arī samazina loģistikas apjomu, ko nosaka degvielas rezervju uzturēšana, un palielina aizmugures apkalpojošā personāla aizsardzību aprīkojuma apkalpošanas procesā.
Šajā sakarā bruņotie spēki cenšas rast risinājumu, kurā dīzeļdegvielas augstā efektivitāte un augsts īpatnējais sadegšanas siltums, kas raksturīgs sistēmām ar elektrisko piedziņu, darbotos vienā "komandā". Jauni hibrīda risinājumi un uzlaboti iekšdedzes dzinēji var piedāvāt lielas praktiskas priekšrocības līdzās klusai vienas elektriskās piedziņas sistēmai, klusai uzraudzībai (ar akumulatoru darbināmi sensori nekustīgi) un elektroenerģijas ražošanai ārējiem patērētājiem.
Spēka piedziņas potenciāls
Piemēram, Research Canada (DRDC) pēta hibrīda dīzeļelektrisko piedziņu iespējamību. FDA publicēja savus pētījumus 2018. gadā, koncentrējoties uz vieglām taktiskām platformām, piemēram, HMMWV, DAGOR klases īpaši viegliem kaujas transportlīdzekļiem un maziem vienvietīgiem un daudzvietīgiem kvadracikliem.
Pārskatā “Hibrīda dīzeļdegvielas elektrisko piedziņu iespējamība vieglajiem taktiskajiem transportlīdzekļiem” atzīmēts, ka lielākajā daļā braukšanas režīmu, kur ātrums un slodze ievērojami atšķiras (parasti bezceļa apstākļos), hibrīdiem ir par 15–20% labāka degvielas ekonomija degvielas ekonomijas ziņā. tradicionālās mehāniskās piedziņas mašīnas, it īpaši, ja tiek izmantota reģeneratīvā bremzēšana. Turklāt iekšdedzes dzinēji, ieskaitot dīzeļdzinējus, vislabāk darbojas, ja tie darbojas ar rūpīgi izvēlētiem nemainīgiem apgriezieniem minūtē, kas ir raksturīgi secīgām hibrīda sistēmām, kurās dzinējs darbojas tikai kā ģenerators.
Kā norādīts ziņojumā, tā kā motora jaudu var papildināt ar akumulatoriem īsā maksimālā enerģijas patēriņa laikā, motoru var noregulēt tā, lai tas nodrošinātu tikai nepieciešamo vidējo jaudu, savukārt mazākās spēkstacijās parasti tiek patērēts mazāk degvielas, un visas pārējās lietas ir vienādas.
Ar pietiekamu akumulatora ietilpību hibrīdi var arī ilgstoši palikt klusā uzraudzības režīmā, kad dzinējs ir izslēgts un darbojas sensori, elektronika un sakaru sistēmas. Turklāt sistēma var darbināt ārēju aprīkojumu, uzlādēt baterijas un pat nodrošināt militāro nometni, samazinot nepieciešamību pēc velkamiem ģeneratoriem.
Lai gan hibrīda piedziņas nodrošina izcilu veiktspēju ātruma, paātrinājuma un pakāpes ziņā, akumulators var būt smags un smags, kā rezultātā samazinās lietderīgā slodze, sacīja DRDC. Tas var radīt problēmas īpaši viegliem transportlīdzekļiem un vienvietīgiem visurgājējiem. Turklāt zemā temperatūrā tiek samazinātas pašu bateriju īpašības, tām bieži ir problēmas ar uzlādi un temperatūras kontroli.
Lai gan secīgie hibrīdi novērš mehānisko pārnesumkārbu, nepieciešamība pēc dzinēja, ģeneratora, jaudas elektronikas un akumulatora neizbēgami apgrūtina to iegādi un uzturēšanu.
Lielākā daļa akumulatoru elektrolītu var radīt risku arī tad, ja tie ir bojāti, piemēram, ir zināms, ka litija jonu elementi, ja tie ir bojāti, aizdegas. Tas, vai tas rada lielāku risku nekā dīzeļdegvielas piegāde, iespējams, ir strīdīgs jautājums, norādīts ziņojumā, taču hibrīdiem ir abi riski.
Kombinācijas izvēle
Divas galvenās shēmas iekšdedzes dzinēju apvienošanai ar elektriskām ierīcēm ir sērijveida un paralēlas. Kā minēts iepriekš, sērijveida hibrīda platforma ir elektriska mašīna ar ģeneratoru, savukārt paralēli ir dzinējs un vilces motors, kas caur tiem pievienoto mehānisko transmisiju pārraida jaudu uz riteņiem. Tas nozīmē, ka dzinējs vai vilces motors var vadīt mašīnu atsevišķi vai strādāt kopā.
Abu veidu hibrīdos elektriskā sastāvdaļa parasti ir motora ģeneratora komplekts (MGU), kas var pārvērst elektrisko enerģiju kustībā un otrādi. Tas var vadīt automašīnu, uzlādēt akumulatoru, iedarbināt motoru un, ja nepieciešams, ietaupīt enerģiju, izmantojot reģeneratīvo bremzēšanu.
Gan sērijveida, gan paralēlie hibrīdi paļaujas uz jaudas elektroniku, lai pārvaldītu akumulatora enerģiju un regulētu akumulatora temperatūru. Tie nodrošina arī spriegumu un strāvas stiprumu, kas ģeneratoram jāpiegādā baterijām un baterijas savukārt elektromotoriem.
Šī jaudas elektronika ir pusvadītāju invertoru veidā, kuru pamatā ir silīcija karbīda pusvadītāji, kuru trūkumi parasti ietver lielus izmērus un izmaksas, kā arī siltuma zudumus. Jaudas elektronikai nepieciešama arī vadības elektronika, kas līdzīga tai, kas darbina iekšdedzes dzinēju.
Līdz šim militāro transportlīdzekļu ar elektrisko piedziņu vēsture sastāvēja no eksperimentālām un vērienīgām attīstības programmām, kuras galu galā tika slēgtas. Reālā darbībā joprojām nav hibrīdu militāro transportlīdzekļu, jo īpaši vieglo taktisko transportlīdzekļu jomā joprojām ir vairākas neatrisinātas tehnoloģiskas problēmas. Šīs problēmas var uzskatīt par lielā mērā atrisinātām civilajiem transportlīdzekļiem, jo tie darbojas daudz labvēlīgākos apstākļos.
Elektromobiļi ir parādījuši sevi kā ļoti ātrus. Piemēram, Nikola Motor eksperimentālais ar akumulatoru darbināmais četrvietīgais Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) var paātrināties no 0 līdz 97 km / h 4 sekundēs, un tā darbības rādiuss ir 241 km.
"Izkārtojums tomēr ir viens no šiem lielajiem izaicinājumiem," teikts DRDC ziņojumā. Akumulatoru bloku izmēri, svars un siltuma izkliede ir diezgan lieli, un ir jāpanāk kompromiss starp kopējo enerģijas ietilpību un momentāno jaudu, ko tie var piegādāt noteiktā masā un tilpumā. Augstsprieguma kabeļu apjoma piešķiršana, to uzticamība un drošība ir arī vājās vietas, kā arī jaudas elektronikas izmērs, svars, dzesēšana, uzticamība un hidroizolācija.
Siltums un putekļi
Ziņojumā teikts, ka temperatūras svārstības, ar kurām saskaras militārie transportlīdzekļi, iespējams, ir lielākā problēma, jo litija jonu akumulatori netiks uzlādēti temperatūrā, kas zemāka par nulli, un apkures sistēmas palielina sarežģītību un prasa enerģiju. Baterijas, kas izkarsēšanas laikā pārkarst, ir potenciāli bīstamas, tās ir jāatdzesē vai jāsamazina līdz samazinātam režīmam, savukārt motori un ģeneratori var arī pārkarst, visbeidzot, neaizmirstiet par pastāvīgajiem magnētiem, kuriem ir nosliece uz demagnetizāciju.
Tāpat temperatūrā, kas ir augstāka par aptuveni 65 ° C, tādu ierīču kā IGBT invertori efektivitāte samazinās, un tāpēc tiem ir nepieciešama dzesēšana, lai gan jaunāka jaudas elektronika, kuras pamatā ir silīcija karbīda pusvadītāji vai gallija nitrīds, papildus darbam ar paaugstinātu spriegumu iztur arī augstāku temperatūru un tāpēc to var dzesēt no motora dzesēšanas sistēmas.
Turklāt trieciens un vibrācija no nelīdzenas reljefa, kā arī iespējamie bojājumi, ko varētu radīt lobīšana un sprādzieni, arī apgrūtina elektriskās piedziņas tehnoloģijas integrēšanu vieglajos militārajos transportlīdzekļos, atzīmēts ziņojumā.
Ziņojumā secināts, ka DRDC ir jāpasūta tehnoloģiju demonstrētājs. Tas ir salīdzinoši vienkāršs, viegls, secīgs hibrīda taktiskais transportlīdzeklis ar elektromotoriem, kas uzstādīti vai nu riteņu rumbās, vai asīs, dīzeļdzinējs ir noregulēts uz atbilstošo maksimālo jaudu, un ir uzstādīts super- vai ultrakondensatoru komplekts, lai uzlabotu paātrinājumu un kvalitāti. Superkondensatori vai ultrakondensatori īsu laiku uzglabā ļoti lielu lādiņu un var to ļoti ātri atbrīvot, lai ģenerētu jaudas impulsus. Automašīnas vai nu vispār nebūs, vai arī tiks uzstādīts ļoti mazs akumulators, reģeneratīvās bremzēšanas procesā tiks radīta elektrība, kā rezultātā tiek izslēgti klusas kustības un klusas novērošanas režīmi.
Strāvas kabeļi, kas ved tikai uz riteņiem, nomainot mehānisko transmisiju un piedziņas vārpstas, ievērojami samazinās mašīnas svaru un uzlabos aizsardzību pret eksploziju, jo tiek novērsta sekundāro gružu un lausku izkliede. Bez akumulatora apkalpes iekšējais tilpums un kravnesība palielināsies un kļūs drošāka, kā arī tiks novērstas problēmas, kas saistītas ar litija jonu akumulatoru apkopi un siltuma pārvaldību.
Turklāt, veidojot prototipu, tiek izvirzīti šādi mērķi: salīdzinoši neliela dīzeļdzinēja, kas darbojas ar nemainīgu apgriezienu skaitu, mazāks degvielas patēriņš kopā ar enerģijas atgūšanu, palielināta enerģijas ražošana darba sensoriem vai enerģijas eksportam, paaugstināta uzticamība un uzlabots serviss.
Izciļņiem vienalga
Kā prezentācijā par dzinēju izstrādi paskaidroja Bruce Brandl no Bruņoto pētījumu centra (TARDEC), ASV armija vēlas dzinējspēku sistēmu, kas ļautu tās kaujas mašīnām pārvietoties pa sarežģītāku reljefu ar lielāku ātrumu, kas ievērojami samazinās reljefa procentuālo daļu. kara zonās, pa kurām pašreizējās automašīnas nevar pārvietoties. Tā sauktais neizbraucamais reljefs veido aptuveni 22% no šīm zonām, un armija vēlas šo skaitli samazināt līdz 6%. Viņi arī vēlas palielināt vidējo ātrumu lielākajā daļā teritorijas no šodienas 16 km / h līdz 24 km / h.
Turklāt Brandls uzsvēra, ka enerģijas pieprasījumu uz kuģa plānots palielināt vismaz līdz 250 kW, tas ir, augstāk, nekā var nodrošināt mašīnas ģeneratori, jo slodzes tiek pievienotas no jaunām tehnoloģijām, piemēram, elektrificētiem torņiem un aizsardzības sistēmām, jaudas elektronikas dzesēšana., enerģijas eksports un virzīti enerģijas ieroči.
ASV armija lēš, ka šo vajadzību apmierināšana ar pašreizējo turbodīzeļa tehnoloģiju palielinās dzinēja tilpumu par 56% un transportlīdzekļa svaru par aptuveni 1400 kg. Tāpēc, izstrādājot savu uzlaboto spēkstaciju Advanced Combat Engine (ACE), tika izvirzīts galvenais uzdevums - dubultot kopējo jaudas blīvumu no 3 ZS / kub. pēdas līdz 6 zs / kub. pēdu.
Lai gan lielāks jaudas blīvums un labāka degvielas efektivitāte ir ļoti svarīga nākamās paaudzes militārajiem dzinējiem, tikpat svarīgi ir samazināt siltuma jaudu. Šis radītais siltums tiek izšķiesta enerģija, kas tiek izkliedēta apkārtējā telpā, lai gan to varētu izmantot, lai virzītu vai ražotu elektroenerģiju. Bet ne vienmēr ir iespējams panākt perfektu visu šo trīs parametru līdzsvaru, piemēram, MT Abrams gāzes turbīnas dzinējs AGT 1500 ar 1500 ZS jaudu. ir zems siltuma pārnesums un liels jaudas blīvums, bet ļoti liels degvielas patēriņš salīdzinājumā ar dīzeļdzinējiem.
Faktiski gāzes turbīnu dzinēji rada lielu siltuma daudzumu, bet lielākā daļa no tā tiek izvadīta caur izplūdes cauruli, pateicoties lielajam gāzes plūsmas ātrumam. Tā rezultātā gāzes turbīnām nav vajadzīgas dzesēšanas sistēmas, kas nepieciešamas dīzeļdzinējiem. Dīzeļdzinēju lielu īpatnējo jaudu var sasniegt, tikai atrisinot termiskās kontroles problēmu. Brandls uzsvēra, ka tas galvenokārt ir saistīts ar ierobežoto apjomu, kas pieejams dzesēšanas iekārtām, piemēram, cauruļvadiem, sūkņiem, ventilatoriem un radiatoriem. Turklāt aizsargkonstrukcijas, piemēram, ložu necaurlaidīgas režģi, arī uzņem apjomu un ierobežo gaisa plūsmu, samazinot ventilatoru efektivitāti.
Virzuļi virzienā uz
Kā atzīmēja Brandls, ACE programma koncentrējas uz divtaktu dīzeļdegvielas / daudzdegvielas dzinējiem ar pretējiem virzuļiem, jo tiem raksturīga zema siltuma izkliede. Šādos dzinējos katrā cilindrā ir ievietoti divi virzuļi, kas veido sadegšanas kameru savā starpā, kā rezultātā cilindra galva ir izslēgta, taču tam ir vajadzīgas divas kloķvārpstas un ieplūdes un izplūdes atveres cilindru sienās. Boksera dzinēji ir datēti ar pagājušā gadsimta trīsdesmitajiem gadiem, un gadu desmitos tie ir nepārtraukti uzlaboti. Šo veco ideju nesaudzēja uzņēmums Achates Power, kas sadarbībā ar Cummins šo dzinēju atdzīvināja un modernizēja.
Achates Power pārstāvis sacīja, ka viņu boksera tehnoloģija ir uzlabojusi siltuma efektivitāti, kas nozīmē mazākus siltuma zudumus, uzlabotu degšanu un samazinātu sūknēšanas zudumus. Cilindra galvas likvidēšana ievērojami samazināja virsmas laukuma un tilpuma attiecību sadegšanas kamerā un tādējādi siltuma pārnesi un izdalīšanos dzinējā. Turpretī tradicionālajā četrtaktu motorā cilindra galva satur daudzas karstākās sastāvdaļas un ir galvenais siltuma pārneses avots uz dzesēšanas šķidrumu un apkārtējo atmosfēru.
Achates sadegšanas sistēma izmanto dubultus degvielas iesmidzinātājus, kas ir diametrāli novietoti katrā cilindrā, un patentētu virzuļa formu, lai optimizētu gaisa un degvielas maisījumu, kā rezultātā samazinās kvēpu sadedzināšana un samazinās siltuma pārnešana uz sadegšanas kameras sienām. Balonā tiek ievadīts jauns maisījuma lādiņš, un izplūdes gāzes izplūst caur atverēm, ko veicina kompresors, kas sūknē gaisu caur motoru. Achates norāda, ka šī līdzstrāvas izpūšana labvēlīgi ietekmē degvielas ekonomiju un emisijas.
ASV armija vēlas, lai ACE saimes modulārajos mērogojamos spēka agregātos tiktu iekļauti dzinēji ar tādu pašu urbumu un gājienu un atšķirīgu cilindru skaitu: 600-750 ZS. (3 cilindri); 300-1000 ZS (4); un 1200-1500 ZS. (6). Katra elektrostacija aizņems tilpumu - 0,53 m augstumu un 1, 1 m platumu un attiecīgi 1,04 m, 1,25 m un 1,6 m garumu.
Tehnoloģiskie mērķi
2010. gadā veiktais iekšējās armijas pētījums apstiprināja boksera dzinēju priekšrocības, kā rezultātā tapa nākamās paaudzes kaujas dzinēja (NGCE) projekts, kurā rūpniecības uzņēmumi iepazīstināja ar savu attīstību šajā jomā. Uzdevums bija sasniegt 71 ZS. uz vienu cilindru un kopējo jaudu 225 ZS. Līdz 2015. gadam abi šie skaitļi tika viegli pārsniegti ar bruņoto pētījumu centrā pārbaudīto eksperimentālo dzinēju.
Tā paša gada februārī armija piešķīra līgumus ar AVL Powertrain Engineering un Achates Power par eksperimentāliem ACE viena cilindra dzinējiem saskaņā ar divu gadu programmu, kuras ietvaros mērķis bija sasniegt šādas īpašības: jauda 250 ZS, griezes moments 678 Nm, īpatnējais degvielas patēriņš 0, 14 kg / ZS / h un siltuma izkliede mazāka par 0,45 kW / kW. Tika pārsniegti visi rādītāji, izņemot siltuma pārnesi, šeit nebija iespējams nokrist zem 0,506 kW / kW.
2017. gada vasarā Cummins un Achates sāka darbu saskaņā ar ACE daudzcilindru dzinēja (MCE) līgumu, lai demonstrētu 1000 ZS četrcilindru motoru. griezes moments 2700 Nm un tādas pašas prasības attiecībā uz īpatnējo degvielas patēriņu un siltuma pārnesi. Pirmais dzinējs tika ražots 2018. gada jūlijā, un sākotnējie ekspluatācijas testi tika pabeigti līdz tā paša gada beigām. 2019. gada augustā dzinējs tika nogādāts TARDEC direktorātā uzstādīšanai un testēšanai.
Boksera dzinēja un hibrīda elektriskās piedziņas kombinācija uzlabotu dažāda veida un izmēra transportlīdzekļu - gan militāro, gan civilo - efektivitāti. Paturot to prātā, Uzlabotā pētniecības un attīstības iestāde izsniedza 2 miljonus dolāru uzņēmumam Achates, lai izstrādātu modernu viena cilindra boksera dzinēju nākotnes hibrīdautomobiļiem; šajā projektā uzņēmums sadarbojas ar Mičiganas Universitāti un Nissan.
Virzuļa vadība
Saskaņā ar koncepciju šis dzinējs pirmo reizi tik cieši integrēja elektrisko apakšsistēmu un iekšdedzes dzinēju, katra no divām kloķvārpstām griežas un to var darbināt ar savu motora ģeneratora komplektu; starp vārpstām nav mehāniska savienojuma.
Achates apstiprināja, ka dzinējs ir paredzēts tikai secīgām hibrīda sistēmām, jo visa tā radītā jauda tiek pārraidīta elektriski un ģeneratori uzlādē akumulatoru, lai paplašinātu diapazonu. Bez mehāniska savienojuma starp vārpstām moments netiek pārnests, kā rezultātā samazinās slodzes. Rezultātā tos var padarīt vieglākus, samazināt kopējo svaru un izmēru, berzi un troksni, kā arī samazināt izmaksas.
Varbūt vissvarīgākais ir tas, ka atvienotās kloķvārpstas ļauj neatkarīgi kontrolēt katru virzuli, izmantojot jaudas elektroniku. "Šī ir svarīga mūsu projekta sastāvdaļa, ir svarīgi noteikt, kā elektromotoru un vadības ierīču izstrāde varētu uzlabot iekšdedzes dzinēja efektivitāti." Achates pārstāvis apstiprināja, ka šī konfigurācija ļauj kontrolēt kloķvārpstas laika regulēšanu, kas paver jaunas iespējas. "Mēs cenšamies uzlabot virzuļa vadības efektivitāti, kas nav pieejama ar tradicionālo mehānisko komunikāciju."
Šobrīd ir maz informācijas par to, kā var izmantot neatkarīgu virzuļa vadību, taču teorētiski ir iespējams gājienu padarīt lielāku par, piemēram, saspiešanas gājienu, un tādējādi iegūt vairāk enerģijas no gaisa / degvielas lādiņa maisījums. Līdzīga shēma tiek īstenota četrtaktu Atkinsona dzinējos, kas uzstādīti hibrīdautomobiļos. Piemēram, Toyota Prius tas tiek panākts, izmantojot mainīgu vārstu laiku.
Ilgu laiku bija acīmredzams, ka lielus uzlabojumus nobriedušās tehnoloģijās, piemēram, iekšdedzes dzinējos, nav viegli sasniegt, taču uzlaboti boksera dzinēji varētu būt tas, kas sniegtu reālas priekšrocības militārajiem transportlīdzekļiem, it īpaši, ja tos apvieno ar elektriskām dzinējspēka sistēmām. …
