Energii potřebnou k pohonu pozemních vozidel a provozu jejich systémů a sestav tradičně zajišťují vznětové motory. Snížení spotřeby paliva nejen zvyšuje dojezd, ale také snižuje množství logistiky, která je dána údržbou zásob paliva, a zvyšuje ochranu zadního servisního personálu v procesu údržby zařízení.
V tomto ohledu ozbrojené síly usilují o nalezení řešení, ve kterém by vysoká účinnost a vysoké specifické spalné teplo motorové nafty vlastní systémům s elektrickým pohonem fungovaly v jednom „týmu“. Nová hybridní řešení a vyspělé spalovací motory mají potenciál nabídnout velké praktické výhody vedle tichého elektrického pohonu, tichého monitorování (senzory napájené bateriemi, když jsou v klidu) a výroby energie pro externí spotřebitele.
Potenciál hnacího ústrojí
Společnost Research Canada (DRDC) například zkoumá proveditelnost hybridních dieselelektrických pohonných jednotek. FDA publikoval svůj výzkum v roce 2018 se zaměřením na lehké taktické platformy, jako jsou HMMWV, ultralehká bojová vozidla třídy DAGOR a malé jednomístné a vícemístné čtyřkolky.
Zpráva Proveditelnost hybridních vznětových a elektrických hnacích ústrojí pro lehká taktická vozidla uvádí, že ve většině jízdních režimů, kde se rychlosti a zatížení výrazně liší (typicky v terénu), mají hybridní vozy o 15–20% nižší spotřebu paliva, pokud jde o úsporu paliva. tradiční mechanicky poháněné stroje, zejména při použití rekuperačního brzdění. Spalovací motory, včetně vznětových, navíc dosahují nejlepších výsledků při provozu při pečlivě zvolených konstantních otáčkách, což je typické pro sekvenční hybridní systémy, ve kterých motor pracuje pouze jako generátor.
Jak uvádí zpráva, protože výkon motoru lze během krátkých období špičkové spotřeby energie doplnit bateriemi, lze motor vyladit tak, aby poskytoval pouze průměrný požadovaný výkon, přičemž menší pohonné jednotky obecně používají méně paliva, přičemž všechny ostatní věci jsou stejné.
S dostatečnou kapacitou baterie mohou hybridy také zůstat dlouho v tichém monitorovacím režimu s vypnutým motorem a fungujícími senzory, elektronikou a komunikačními systémy. Kromě toho může systém napájet externí zařízení, nabíjet baterie a dokonce napájet vojenský tábor, což snižuje potřebu tažených generátorů.
Zatímco hybridní pohony nabízejí vynikající výkon, pokud jde o rychlost, zrychlení a stoupavost, baterie může být těžká a nepraktická, což má za následek snížení užitečného zatížení, uvedl DRDC. To může být problém u ultralehkých vozidel a jednomístných čtyřkolek. Navíc při nízkých teplotách jsou charakteristiky samotných baterií sníženy, často mají problémy s nabíjením a regulací teploty.
Přestože sekvenční hybridy eliminují mechanickou převodovku, nutnost motoru, generátoru, výkonové elektroniky a baterie je nutně nutně nutně a nákladně pořizuje a udržuje.
Většina elektrolytů z baterií může také představovat riziko při poškození, například je známo, že lithium-iontové články se při poškození vznítí. Zda to představuje větší riziko než dodávky motorové nafty, je možná sporný bod, uvádí zpráva, ale hybridy nesou obě rizika.
Kombinovaný výběr
Dvě hlavní schémata kombinace spalovacích motorů s elektrickými zařízeními jsou sériová a paralelní. Jak již bylo uvedeno výše, sériová hybridní platforma je elektrický stroj s generátorem, zatímco paralelně je zde motor a trakční motor, které prostřednictvím mechanického převodu, který je k nim připojen, přenášejí energii na kola. To znamená, že motor nebo trakční motor mohou pohánět stroj jednotlivě nebo mohou spolupracovat.
U obou typů hybridů je elektrickou součástí obvykle sada motorgenerátoru (MGU), která dokáže přeměnit elektrickou energii na pohyb a naopak. Může řídit auto, nabíjet baterii, nastartovat motor a v případě potřeby šetřit energii pomocí rekuperačního brzdění.
Sériové i paralelní hybridy spoléhají na výkonovou elektroniku, která spravuje energii baterie a reguluje teplotu baterie. Poskytují také napětí a proud, který musí generátor dodávat bateriím a baterie zase elektromotorům.
Tato výkonová elektronika je dodávána ve formě polovodičových měničů na bázi polovodičů z karbidu křemíku, jejichž nevýhody zpravidla zahrnují velké rozměry a náklady, jakož i tepelné ztráty. Výkonová elektronika také vyžaduje řídicí elektroniku podobnou té, která pohání spalovací motor.
Historie elektricky poháněných vojenských vozidel dosud spočívala v experimentálních a ambiciózních vývojových programech, které byly nakonec uzavřeny. V reálném provozu stále neexistují žádná hybridní vojenská vozidla, zejména v oblasti lehkých taktických vozidel zůstává několik nevyřešených technologických problémů. Tyto problémy lze považovat do značné míry za vyřešené u civilních vozidel, protože fungují v mnohem příznivějších podmínkách.
Elektromobily se ukázaly být velmi rychlé. Například experimentální čtyřmístný bateriový pohon Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) společnosti Nikola Motor dokáže zrychlit z 0 na 97 km / h za 4 sekundy a má dojezd 241 km.
„Rozvržení je však jednou z těch velkých výzev,“říká zpráva DRDC. Velikost, hmotnost a odvod tepla z baterií je poměrně velká a je třeba učinit kompromis mezi celkovou energetickou kapacitou a okamžitým výkonem, který mohou při dané hmotnosti a objemu dodávat. Alokace objemu pro vysokonapěťové kabely, jejich spolehlivost a bezpečnost jsou také překážkami spolu s velikostí, hmotností, chlazením, spolehlivostí a vodotěsností výkonové elektroniky.
Teplo a prach
Zpráva říká, že teplotní výkyvy, kterým čelí vojenská vozidla, jsou možná největším problémem, protože lithium-iontové baterie se nebudou nabíjet při teplotách pod nulou a topné systémy zvyšují složitost a potřebují energii. Baterie, které se při vybíjení přehřívají, jsou potenciálně nebezpečné, je třeba je chladit nebo redukovat na snížený režim, zatímco motory a generátory se mohou také přehřívat, nakonec nezapomeňte na permanentní magnety, které jsou náchylné k demagnetizaci.
Stejně tak při teplotách nad asi 65 ° C klesá účinnost zařízení, jako jsou měniče IGBT, a proto potřebuje chlazení, ačkoli novější výkonová elektronika založená na polovodičích z karbidu křemíku nebo nitridu galia, kromě provozu na zvýšeném napětí, odolává vyšším teplotám a proto může být chlazen z chladicího systému motoru.
Kromě toho šok a vibrace z drsného terénu plus potenciální škody, které by mohly být způsobeny ostřelováním a výbuchy, také ztěžují integraci technologie elektrického pohonu do lehkých vojenských vozidel, uvádí zpráva.
Zpráva dospěla k závěru, že DRDC by si mělo objednat technologický demonstrátor. Jedná se o relativně jednoduché lehké sekvenční hybridní taktické vozidlo s elektromotory instalovanými buď v nábojích kol, nebo v nápravách, naftový motor je vyladěn na příslušný špičkový výkon a je instalována sada super- nebo ultrakondenzátorů pro zlepšení akcelerace a stoupavosti. Superkapacitory nebo ultrakondenzátory ukládají velmi velký náboj na krátkou dobu a mohou jej velmi rychle uvolnit, aby generovaly energetické impulsy. Vůz buď vůbec nebude, nebo bude nainstalována velmi malá baterie, během regenerativního brzdění bude generována elektřina, v důsledku čehož jsou vyloučeny režimy tichého pohybu a tichého pozorování.
Napájecí kabely vedené pouze ke kolům, nahrazující mechanickou převodovku a hnací hřídele, výrazně sníží hmotnost stroje a zlepší ochranu proti výbuchu, protože je odstraněn rozptyl sekundárních nečistot a úlomků. Bez baterie se vnitřní objem pro posádku a užitečné zatížení zvýší a bude bezpečnější a budou odstraněny problémy spojené s údržbou a tepelnou správou lithium-iontových baterií.
Při vytváření prototypu jsou navíc stanoveny následující cíle: nižší spotřeba paliva relativně malého vznětového motoru pracujícího při konstantních otáčkách, v kombinaci s rekuperací energie, zvýšenou výrobou energie pro provozní senzory nebo exportem energie, zvýšenou spolehlivostí a vylepšenými službami.
Nárazům je to jedno
Jak vysvětlil Bruce Brandl z Armored Research Center (TARDEC) na prezentaci o vývoji motorů, americká armáda chce pohonný systém, který umožní jejím bojovým vozidlům pohyb těžším terénem vyšší rychlostí, což výrazně sníží procento terénu ve válečných zónách. na kterých se současná auta nemohou pohybovat. Takzvaný neprůchodný terén tvoří asi 22% těchto zón a armáda chce tento údaj snížit na 6%. Chtějí také zvýšit průměrnou rychlost na většině území z dnešních 16 km / h na 24 km / h.
Brandl navíc zdůraznil, že se plánuje zvýšení spotřeby energie na palubě alespoň na 250 kW, tedy na vyšší, než jaké mohou generátory stroje zajistit, protože se přidávají zátěže z nových technologií, například z elektrifikovaných věží a ochranných systémů., chlazení výkonové elektroniky., export energie a řízené energetické zbraně.
Americká armáda odhaduje, že splnění těchto potřeb současnou technologií turbodieselů zvýší objem motoru o 56% a hmotnost vozidla asi o 1400 kg. Při vývoji pokročilé elektrárny Advanced Combat Engine (ACE) byl proto stanoven hlavní úkol - zdvojnásobit celkovou hustotu výkonu ze 3 hp / cu. ft až 6 hp / cu. chodidlo.
Zatímco vyšší hustota výkonu a lepší účinnost paliva jsou pro příští generaci vojenských motorů velmi důležité, je stejně důležité snížit tepelný výkon. Toto generované teplo je plýtvající energií rozptýlenou do okolního prostoru, i když by mohlo být použito k pohonu nebo výrobě elektrické energie. Ale zdaleka není vždy možné dosáhnout dokonalé rovnováhy všech těchto tří parametrů, například motor s plynovou turbínou AGT 1500 nádrže M1 Abrams s výkonem 1500 koní. má nízký přenos tepla a vysokou hustotu výkonu, ale ve srovnání s naftovými motory velmi vysokou spotřebu paliva.
Ve skutečnosti generují plynové turbíny velké množství tepla, ale většina z nich je odváděna výfukovým potrubím kvůli vysokému průtoku plynu. V důsledku toho plynové turbíny nepotřebují chladicí systémy, které potřebují vznětové motory. Vysokého specifického výkonu vznětových motorů lze dosáhnout pouze řešením problému tepelné regulace. Brandl zdůraznil, že je to hlavně kvůli omezenému objemu dostupnému pro chladicí zařízení, jako jsou potrubí, čerpadla, ventilátory a radiátory. Ochranné struktury, jako jsou neprůstřelné mřížky, navíc také zabírají objem a omezují proudění vzduchu, což snižuje účinnost ventilátorů.
Písty směrem k
Jak poznamenal Brandl, program ACE se zaměřuje na dvoudobé dieselové / vícepalivové motory s protilehlými písty kvůli jejich přirozenému nízkému odvodu tepla. U takových motorů jsou v každém válci umístěny dva písty, které mezi sebou tvoří spalovací komoru, v důsledku čehož je hlava válců vyloučena, což však vyžaduje dva klikové hřídele a sací a výfukové kanály ve stěnách válců. Motory typu boxer pocházejí z 30. let minulého století a v průběhu desetiletí se neustále zlepšovaly. Tento starý nápad nešetřila ani společnost Achates Power, která ve spolupráci s Cummins tento motor oživila a zmodernizovala.
Mluvčí společnosti Achates Power uvedl, že jejich technologie boxerů má zlepšenou tepelnou účinnost, což se projevuje nižšími tepelnými ztrátami, zlepšeným spalováním a sníženými ztrátami při čerpání. Vyloučení hlavy válců výrazně snížilo poměr povrchu k objemu ve spalovací komoře a tím i přenos a uvolňování tepla v motoru. Naproti tomu v tradičním čtyřtaktním motoru obsahuje hlava válců mnoho nejžhavějších součástí a je hlavním zdrojem přenosu tepla do chladicí kapaliny a okolní atmosféry.
Spalovací systém Achates využívá dvojité vstřikovače paliva diametrálně umístěné v každém válci a patentovaný tvar pístu k optimalizaci směsi vzduch / palivo, což má za následek nízké spalování sazí a snížený přenos tepla na stěny spalovací komory. Do válce se vstřikuje čerstvá náplň směsi a výfukové plyny vystupují přes porty, což je podporováno kompresorem, který pumpuje vzduch skrz motor. Achates zdůrazňuje, že toto souběžné odluhování má příznivý vliv na spotřebu paliva a emise.
Americká armáda chce, aby rodina modulárních škálovatelných pohonných jednotek ACE obsahovala motory se stejným vrtáním a zdvihem a různými počty válců: 600-750 hp. (3 válce); 300-1000 HP (4); a 1 200 až 1 500 koní. (6). Každá elektrárna obsadí objem - výšku 0,53 ma šířku 1, 1 m, a podle toho délku 1,04 m, 1,25 ma 1,6 m.
Technologické cíle
Interní armádní studie provedená v roce 2010 potvrdila výhody boxerových motorů a výsledkem byl projekt Next-Generation Combat Engine (NGCE), ve kterém průmyslové podniky představily svůj vývoj v této oblasti. Úkolem bylo dosáhnout 71 koní. na válec a celkový výkon 225 koní. Do roku 2015 byla obě tato čísla snadno překročena na experimentálním motoru testovaném v Armored Research Center.
V únoru téhož roku armáda zadala zakázky společnostem AVL Powertrain Engineering a Achates Power na experimentální jednoválcové motory ACE v rámci dvouletého programu, v jehož rámci bylo cílem dosáhnout následujících charakteristik: výkon 250 koní, točivý moment 678 Nm, měrná spotřeba paliva 0, 14 kg / hp / h a odvod tepla menší než 0,45 kW / kW. Byly překročeny všechny ukazatele, kromě přenosu tepla, zde nebylo možné klesnout pod 0,506 kW / kW.
V létě roku 2017 zahájila společnost Cummins a Achates práci na základě smlouvy s ACE Multi-Cylinder Engine (MCE), aby předvedla čtyřválcový motor o výkonu 1 000 koní. točivý moment 2700 Nm a stejné požadavky na specifickou spotřebu paliva a přenos tepla. První motor byl vyroben v červenci 2018 a počáteční provozní testy byly dokončeny do konce téhož roku. V srpnu 2019 byl motor dodán ředitelství TARDEC k instalaci a testování.
Kombinace motoru boxer a hybridního elektrického pohonu by zlepšila účinnost vozidel různých typů a velikostí, vojenských i civilních. S ohledem na to Úřad pro pokročilý výzkum a vývoj vydal společnosti Achates 2 miliony dolarů na vývoj pokročilého jednoválcového motoru typu boxer pro budoucí hybridní vozidla; na tomto projektu společnost spolupracuje s University of Michigan a Nissan.
Ovládání pístu
V souladu s koncepcí tento motor poprvé tak těsně integroval elektrický subsystém a spalovací motor, každý ze dvou klikových hřídelů se otáčí a může být poháněn vlastní sadou motor-generátor; mezi hřídeli není žádné mechanické spojení.
Společnost Achates potvrdila, že motor je určen pouze pro sekvenční hybridní systémy, protože veškerý generovaný výkon je přenášen elektricky a agregáty nabíjejí baterii, aby se prodloužil dojezd. Bez mechanického spojení mezi hřídeli se moment nepřenáší, což vede ke snížení zatížení. Díky tomu mohou být lehčí, snížit celkovou hmotnost a velikost, tření a hluk a snížit náklady.
Snad nejdůležitější je, že oddělené klikové hřídele umožňují nezávislé ovládání každého pístu pomocí výkonové elektroniky. „Toto je důležitá část našeho projektu, je důležité určit, jak by vývoj elektromotorů a ovládacích prvků mohl zlepšit účinnost spalovacího motoru.“Mluvčí společnosti Achates potvrdil, že tato konfigurace umožňuje ovládání časování klikového hřídele, což otevírá nové možnosti. „Snažíme se zlepšit účinnost ovládání pístu, které není u tradiční mechanické komunikace k dispozici.“
V tuto chvíli je k dispozici jen málo informací o tom, jak lze použít nezávislé ovládání pístu, ale teoreticky je možné zdvih například zvětšit než zdvih kompresní, a tím extrahovat více energie ze vsázky vzduch / palivo směs. Podobné schéma je implementováno u čtyřdobých motorů Atkinson instalovaných v hybridních automobilech. Například u Toyoty Prius toho je dosaženo variabilním časováním ventilů.
Po dlouhou dobu bylo zřejmé, že velkých vylepšení vyspělých technologií, jako jsou spalovací motory, není snadné dosáhnout, ale pokročilé motory typu boxer by mohly představovat skutečné výhody pro vojenská vozidla, zvláště v kombinaci s elektrickými pohonnými systémy. …
