Maapealsete sõidukite liikumiseks ning nende süsteemide ja sõlmede käitamiseks vajaliku energia annavad traditsiooniliselt diiselmootorid. Kütusekulu vähendamine mitte ainult ei suurenda sõiduulatust, vaid vähendab ka logistika mahtu, mille määrab kütusevarude hooldus, ning suurendab tagahooldustöötajate kaitset seadmete hooldamise käigus.
Sellega seoses püüavad relvajõud leida lahendust, milles elektriajamiga süsteemidele omane diiselkütuse kõrge kasutegur ja kõrge erisoojus kuumeneks ühes "meeskonnas". Uued hübriidlahendused ja täiustatud sisepõlemismootorid võivad pakkuda suurt praktilist kasu koos vaikse üheelektrilise ajami, vaikse jälgimise (patareidega töötavad andurid seismisel) ja välistarbijatele elektritootmise kõrval.
Jõuülekande potentsiaal
Näiteks Research Canada (DRDC) uurib hübriid-diisel-elektriajamite teostatavust. FDA avaldas oma uurimuse 2018. aastal, keskendudes kergetele taktikalistele platvormidele nagu HMMWV, DAGOR-klassi ülikerged lahingumasinad ning väikesed ühe- ja mitmeistmelised ATV-d.
Aruandes Hübriid-elektriliste jõuülekannete teostatavus kergete taktikaliste sõidukite jaoks märgitakse, et enamikus sõidurežiimides, kus kiirused ja koormused on märkimisväärselt erinevad (tavaliselt maastikul), on hübriididel kütusekulu võrreldes 15–20% parem kütusekulu. traditsioonilised mehaaniliselt juhitavad masinad, eriti regeneratiivpidurduse kasutamisel. Lisaks toimivad sisepõlemismootorid, sealhulgas diiselmootorid, kõige paremini, kui neid kasutatakse hoolikalt valitud konstantsel pööretel, mis on tüüpiline järjestikustele hübriidsüsteemidele, kus mootor töötab ainult generaatorina.
Nagu aruandes märgitakse, kuna mootori võimsust saab lühikese tippvoolutarbimise ajal patareidega täiendada, saab mootorit häälestada nii, et see annaks ainult vajaliku keskmise võimsuse, kusjuures väiksemad jõuallikad tarbivad tavaliselt vähem kütust, kõik muud asjad on võrdsed.
Piisava aku mahtuvuse korral võivad hübriidid jääda ka vaikseks seirerežiimiks pikka aega, kui mootor on välja lülitatud ning töötavad andurid, elektroonika ja sidesüsteemid. Lisaks saab süsteem toita väliseid seadmeid, laadida patareisid ja isegi sõjaväelaagrit, vähendades vajadust järelveetavate generaatorite järele.
Kuigi hübriidajamid pakuvad kiiruse, kiirenduse ja kvaliteedi poolest suurepärast jõudlust, võib aku olla raske ja raske, mille tulemuseks on kasulik koormus, ütles DRDC. See võib olla probleem ülikergete sõidukite ja ühekohaliste ATVde jaoks. Lisaks vähenevad madalatel temperatuuridel patareide enda omadused, neil on sageli probleeme laadimise ja temperatuuri reguleerimisega.
Kuigi järjestikused hübriidid kõrvaldavad mehaanilise jõuülekande, muudab mootori, generaatori, jõuelektroonika ja aku vajadus paratamatult nende ostmise ja hooldamise lõpuks keeruliseks ja kulukaks.
Enamik aku elektrolüüte võib kahjustada ka ohtu, näiteks teadaolevalt süttivad liitiumioonakud kahjustuste korral. See, kas see kujutab endast suuremat riski kui diislikütuse tarnimine, on võib -olla vaieldav küsimus, märgitakse aruandes, kuid hübriididel on mõlemad riskid.
Kombinatsiooni valik
Sisepõlemismootorite ja elektriseadmete ühendamise kaks peamist skeemi on jada- ja paralleelsed. Nagu eespool mainitud, on seeriahübriidplatvorm generaatoriga elektrimasin, paralleelselt aga mootor ja veomootor, mis edastavad nendega ühendatud mehaanilise jõuülekande kaudu jõu ratastele. See tähendab, et mootor või veomootor võivad masinat juhtida individuaalselt või koos töötada.
Mõlemat tüüpi hübriidide puhul on elektriliseks komponendiks tavaliselt mootor-generaator (MGU), mis võib muuta elektrienergia liikumiseks ja vastupidi. See võib juhtida autot, laadida akut, käivitada mootorit ja vajadusel säästa energiat regeneratiivse pidurdamise kaudu.
Nii seeria- kui ka paralleelhübriidid toetuvad akutoite haldamiseks ja aku temperatuuri reguleerimiseks toiteelektroonikale. Samuti pakuvad need pinget ja voolutugevust, mida generaator peab patareidele ja patareid omakorda elektrimootoritele varustama.
See jõuelektroonika on ränikarbiidist pooljuhtidel põhinevate pooljuhtmuundurite kujul, mille puudused hõlmavad reeglina suuri mõõtmeid ja maksumust, samuti soojuskadusid. Jõuelektroonika jaoks on vaja ka sisepõlemismootori toitega sarnast juhtelektroonikat.
Seni on elektriajamiga sõjaväesõidukite ajalugu koosnenud eksperimentaalsetest ja ambitsioonikatest arendusprogrammidest, mis lõpuks suleti. Reaalses töökorras pole endiselt ühtegi hübriidsõjaväe sõidukit, eriti kergete taktikaliste sõidukite vallas on jäänud mitmeid lahendamata tehnoloogilisi probleeme. Neid probleeme võib pidada suures osas lahendatuks tsiviilisõidukite puhul, kuna need töötavad palju soodsamates tingimustes.
Elektriautod on näidanud end väga kiiretena. Näiteks Nikola Motori eksperimentaalne patareitoitega Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) neljaistmeline võib kiirendada 0–97 km / h 4 sekundiga ja sõiduulatus on 241 km.
"Paigutus on aga üks neist suurtest väljakutsetest," ütleb DRDC aruanne. Akupakkide suurus, kaal ja soojuse hajumine on üsna suured ning tuleb teha kompromiss kogu energiavõimsuse ja hetkevõimsuse vahel, mida nad suudavad antud massi ja mahu korral pakkuda. Kõrgpingekaablite helitugevus, nende töökindlus ja ohutus on samuti kitsaskohad koos võimsuse elektroonika suuruse, kaalu, jahutuse, töökindluse ja veekindlusega.
Kuumus ja tolm
Aruande kohaselt on sõjaväesõidukite ees seisvad temperatuurimuutused ehk suurim probleem, kuna liitium-ioonakud ei lae miinuskraadidel ning küttesüsteemid lisavad keerukust ja vajavad energiat. Tühjenemise ajal ülekuumenenud akud on potentsiaalselt ohtlikud, neid tuleb jahutada või vähendada vähendatud režiimile, samas kui mootorid ja generaatorid võivad ka üle kuumeneda, lõpuks ärge unustage püsimagneteid, mis on altid demagnetiseeruma.
Samamoodi väheneb temperatuuril üle umbes 65 ° C selliste seadmete nagu IGBT muundurid kasutegur ja vajab seetõttu jahutamist, kuigi uuem ränikarbiidi pooljuhtidel või galliumnitriidil põhinev võimsuselektroonika talub lisaks kõrgepingel töötamisele ka kõrgemat temperatuuri ja seetõttu saab seda jahutada mootori jahutussüsteemist.
Lisaks raskendab ebatasasest maastikust tulenev šokk ja vibratsioon ning võimalikud kahjustused, mis võivad tekkida mürskude ja plahvatuste tõttu, samuti raskendavad elektriajami tehnoloogia integreerimist kergetesse sõjaväeautodesse, märgitakse aruandes.
Aruandes järeldatakse, et DRDC peaks tellima tehnoloogia demonstratsiooni. See on suhteliselt lihtne kerge järjestikune hübriid-taktikaline sõiduk, mille elektrimootorid on paigaldatud kas ratta rummudesse või telgedesse, diiselmootor on häälestatud sobivale tippvõimsusele ning kiirenduse ja kvaliteedi parandamiseks on paigaldatud super- või ülikondensaatorite komplekt. Superkondensaatorid või ülikondensaatorid salvestavad lühikese aja jooksul väga suure laengu ja võivad selle väga kiiresti vabastada, et tekitada energiaimpulsse. Autot kas ei ole üldse või paigaldatakse väga väike aku, regeneratiivpidurdusprotsessi käigus tekib elekter, mistõttu on vaikse liikumise ja vaikse vaatluse režiimid välistatud.
Ainuüksi ratastele kulgevad toitekaablid, mis asendavad mehaanilist käigukasti ja veovõlli, vähendavad oluliselt masina kaalu ja parandavad plahvatuskaitset, kuna teisese prahi ja killustiku hajumine on välistatud. Ilma akuta suureneb ja muutub ohutumaks meeskonna sisemine maht ja kasulik koormus ning kõrvaldatakse liitium-ioonakude hoolduse ja soojusjuhtimisega seotud probleemid.
Lisaks seatakse prototüübi loomisel järgmised eesmärgid: suhteliselt väikese diiselmootori madalam kütusekulu, mis töötab ühtlastel pööretel, koos energia taaskasutamisega, suurem võimsuse tootmine töötavate andurite jaoks või energia eksport, suurem töökindlus ja parem teenindus.
Punnid ei hooli
Nagu Bruce Brandl soomustatud uurimiskeskusest (TARDEC) selgitas mootorite arendamise ettekandel, soovib USA armee tõukejõusüsteemi, mis võimaldaks tema lahingumasinatel suuremal kiirusel raskemal maastikul liikuda, mis vähendab oluliselt maastiku osakaalu sõjapiirkondades, millel praegused autod liikuda ei saa. Nn läbimatu maastik moodustab neist tsoonidest umbes 22% ja armee soovib selle näitaja vähendada 6% -ni. Samuti soovitakse tõsta keskmist kiirust enamikus piirkondades tänaselt 16 km / h -lt 24 km / h -le.
Lisaks rõhutas Brandl, et pardal olevat energiavajadust on kavas suurendada vähemalt 250 kW -ni, st kõrgemale sellest, mida masina generaatorid suudavad pakkuda, kuna koormused lisanduvad uutest tehnoloogiatest, näiteks elektrifitseeritud tornidest ja kaitsesüsteemidest, jõuelektroonika jahutamine., energia eksport ja suunatud energiarelvad.
USA armee hinnangul suurendab nende vajaduste rahuldamine praeguse turbodiiseltehnoloogiaga mootori mahtu 56% ja sõiduki massi umbes 1400 kg. Seetõttu seati oma täiustatud elektrijaama Advanced Combat Engine (ACE) väljatöötamisel põhiülesanne - kahekordistada koguvõimsuse tihedust 3 hj / cu. jalga kuni 6 hj / cu. jalg.
Kuigi suurem võimsustihedus ja parem kütusesäästlikkus on sõjaväemootorite järgmise põlvkonna jaoks väga olulised, on sama oluline ka soojusvõimsuse vähendamine. See tekkiv soojus on raisatud energia, mis hajub ümbritsevasse ruumi, kuigi seda saab kasutada elektrienergia liikumiseks või tootmiseks. Kuid kaugeltki alati pole võimalik saavutada kõigi nende kolme parameetri täiuslikku tasakaalu, näiteks paagi M1 Abrams gaasiturbiinmootor AGT 1500 võimsusega 1500 hj. on väikese soojusülekandega ja suure võimsustihedusega, kuid väga kõrge kütusekulu võrreldes diiselmootoritega.
Tegelikult toodavad gaasiturbiinmootorid suures koguses soojust, kuid suurem osa sellest eemaldatakse gaasivoolu suure kiiruse tõttu väljalasketoru kaudu. Seetõttu ei vaja gaasiturbiinid diiselmootorite jahutussüsteeme. Diiselmootorite suure erivõimsuse saab saavutada ainult termokontrolli probleemi lahendamisega. Brandl rõhutas, et see on peamiselt tingitud jahutusseadmete, nagu torustik, pumbad, ventilaatorid ja radiaatorid, piiratud mahust. Lisaks võtavad kaitsekonstruktsioonid, nagu kuulikindlad võred, ka mahtu ja piiravad õhuvoolu, vähendades ventilaatorite efektiivsust.
Kolvid suunas
Nagu Brandl märkis, keskendub ACE programm kahetaktilistele diisel- / mitmekütuselistele mootoritele, millel on vastassuunalised kolvid nende loomupärase väikese soojuseralduse tõttu. Selliste mootorite puhul pannakse igasse silindrisse kaks kolbi, mis moodustavad omavahel põlemiskambri, mistõttu silindripea on välistatud, kuid selleks on vaja kahte väntvõlli ning silindri seinte sisse- ja väljalaskeava. Boksermootorid pärinevad 1930. aastatest ja neid on aastakümnete jooksul pidevalt täiustatud. Sellest vanast ideest ei säästnud ka ettevõte Achates Power, kes koostöös Cumminsiga selle mootori taaselustas ja moderniseeris.
Achates Poweri pressiesindaja ütles, et nende poksitehnoloogia on parandanud soojustõhusust, mis tähendab väiksemaid soojuskadusid, paremat põlemist ja väiksemaid pumpamiskadusid. Silindripea kõrvaldamine vähendas oluliselt põlemiskambri pinna ja mahu suhet ning seeläbi soojuse ülekandmist ja eraldumist mootoris. Seevastu traditsioonilises neljataktilises mootoris sisaldab silindripea paljusid kuumimaid komponente ning see on peamine soojusülekandeallikas jahutusvedelikule ja ümbritsevasse atmosfääri.
Põletussüsteem Achates kasutab õhu ja kütuse segu optimeerimiseks kaks silindrisse diametraalselt paigutatud kahekordset kütusepihustit ja patenteeritud kolvikuju, mille tulemuseks on madal tahma põlemine ja väiksem soojusülekanne põlemiskambri seintele. Silindrisse süstitakse segu värske laeng ja heitgaasid väljuvad pordist, mida aitab ülelaadur, mis pumpab õhku läbi mootori. Achates juhib tähelepanu sellele, et sellel kaasvoolu puhumisel on kasulik mõju kütusesäästule ja heitkogustele.
USA armee soovib, et ACE perekond moodulmõõtmelisi jõuseadmeid sisaldaks sama ava ja käiguga mootoreid ning erineva silindrite arvuga: 600-750 hj. (3 silindrit); 300-1000 hj (4); ja 1200-1500 hj. (6). Iga elektrijaam võtab endale mahu - kõrgus 0,53 m ja laius 1, 1 m ning vastavalt pikkus 1,04 m, 1,25 m ja 1,6 m.
Tehnoloogilised eesmärgid
2010. aastal läbi viidud armee siseuuring kinnitas boksermootorite eeliseid, mille tulemuseks oli järgmise põlvkonna lahingumootori (NGCE) projekt, kus tööstusettevõtted tutvustasid oma arenguid selles valdkonnas. Ülesandeks oli jõuda 71 hj. silindri kohta ja koguvõimsus 225 hj. 2015. aastaks ületati soomustatud uurimiskeskuses katsetatud katsemootoril mõlemad need arvud kergesti.
Sama aasta veebruaris sõlmis armee kaheaastase programmi raames lepingud AVL Powertrain Engineering ja Achates Power eksperimentaalsete ühe silindriliste mootorite jaoks, mille raames oli eesmärk saavutada järgmised omadused: võimsus 250 hj, pöördemoment 678 Nm, kütusekulu 0, 14 kg / hj / h ja soojuse hajumine alla 0,45 kW / kW. Kõik näitajad ületati, välja arvatud soojusülekanne, siin ei olnud võimalik langeda alla 0,506 kW / kW.
2017. aasta suvel alustasid Cummins ja Achates tööd ACE mitme silindriga mootori (MCE) lepingu alusel, et demonstreerida 1000 hj neljasilindrilist mootorit. pöördemomenti 2700 Nm ja samu nõudeid kütusekulule ja soojusülekandele. Esimene mootor toodeti 2018. aasta juulis ja esialgsed töökatsed viidi lõpule sama aasta lõpuks. 2019. aasta augustis toimetati mootor paigaldamiseks ja katsetamiseks TARDECi direktoraati.
Boksermootori ja hübriid -elektrilise ajami kombinatsioon parandaks eri tüüpi ja suurusega nii sõjaväe kui ka tsiviilotstarbeliste sõidukite tõhusust. Seda silmas pidades andis täiustatud uurimis- ja arendusamet välja 2 miljonit dollarit ettevõttele Achates, et töötada välja täiustatud ühesilindriline boksermootor tulevastele hübriidsõidukitele; selles projektis teeb ettevõte koostööd Michigani ülikooli ja Nissaniga.
Kolvi juhtimine
Vastavalt kontseptsioonile integreeris see mootor esmakordselt nii tihedalt elektrilise alamsüsteemi ja sisepõlemismootori, mõlemad väntvõllid pöörlevad ja seda saab juhtida oma mootor-generaatoriga; võllide vahel puudub mehaaniline ühendus.
Achates kinnitas, et mootor on mõeldud ainult järjestikuste hübriidsüsteemide jaoks, kuna kogu selle toodetud võimsus edastatakse elektriliselt ja generaatorid laadivad vahemikku laiendamiseks akut. Ilma võllide mehaanilise ühenduseta ei edastata hetke, mis viib koormuste vähenemiseni. Selle tulemusena saab neid kergemaks muuta, vähendada üldist kaalu ja suurust, hõõrdumist ja müra ning kulusid.
Võib -olla kõige tähtsam on see, et lahtivõetud väntvõllid võimaldavad jõuelektroonika abil iga kolvi sõltumatult juhtida. "See on meie projekti oluline osa, oluline on kindlaks teha, kuidas elektrimootorite ja juhtseadiste arendamine võiks sisepõlemismootori efektiivsust parandada." Achatesi pressiesindaja kinnitas, et see konfiguratsioon võimaldab väntvõlli ajastusjuhtimist, mis avab uusi võimalusi. "Püüame parandada kolbjuhtimise efektiivsust, mis pole traditsioonilise mehaanilise sidega saadaval."
Praegu on vähe teavet selle kohta, kuidas saab kasutada sõltumatut kolvijuhtimist, kuid teoreetiliselt on võimalik muuta käik näiteks survetakist suuremaks ja seeläbi õhu / kütuse laengust rohkem energiat ammutada segu. Sarnast skeemi rakendatakse hübriidautodesse paigaldatud neljataktilistes Atkinsoni mootorites. Näiteks Toyota Priuses saavutatakse see muutuva klapiajastuse abil.
Pikka aega oli ilmne, et küpsete tehnoloogiate, näiteks sisepõlemismootorite suuri täiustusi pole lihtne saavutada, kuid täiustatud poksimootorid võivad olla need, mis annaksid sõjaväesõidukitele tõelisi eeliseid, eriti kui neid kombineerida elektriliste tõukejõusüsteemidega. …
