Den energi, der kræves til at drive jordkøretøjer og til at betjene deres systemer og samlinger, leveres traditionelt af dieselmotorer. Reduktion af brændstofforbrug øger ikke kun rækkevidden, men reducerer også mængden af logistik, som bestemmes af vedligeholdelsen af brændstofreserver, og øger beskyttelsen af bageste servicepersonale i forbindelse med servicering af udstyr.
I den forbindelse stræber de væbnede styrker efter at finde en løsning, hvor den høje effektivitet og høje specifikke forbrændingsvarme af dieselolie, der er forbundet med systemer med et elektrisk drev, ville fungere i ét "team". Nye hybridløsninger og avancerede forbrændingsmotorer har potentiale til at tilbyde store praktiske fordele sammen med stille enkeltelektriske drev, støjsvag overvågning (batteridrevne sensorer, mens de er stationære), og energiproduktion til eksterne forbrugere.
Power tog potentiale
Research Canada (DRDC) undersøger f.eks. Gennemførligheden af hybrid-dieselelektriske drivlinjer. FDA offentliggjorde sin forskning i 2018 med fokus på lette taktiske platforme som HMMWV, ultralette kampbiler i DAGOR-klasse og små enkelt- og flersædet ATV'er.
Rapporten Feasibility of Hybrid Diesel-Electric Powertrains for Light Tactical Vehicles bemærker, at i de fleste køremåder, hvor hastigheder og belastninger varierer betydeligt (typisk off-road), har hybrider 15% -20% bedre brændstofeffektivitet med hensyn til brændstoføkonomi. traditionelle mekanisk drevne maskiner, især ved brug af regenerativ bremsning. Desuden fungerer forbrændingsmotorer, herunder dieselmotorer, bedst, når de drives ved omhyggeligt udvalgt konstant omdrejningstal, hvilket er typisk for sekventielle hybridsystemer, hvor motoren kun fungerer som en generator.
Som rapporten bemærker, fordi motoreffekt kan suppleres med batterier i korte perioder med maksimalt strømforbrug, kan motoren indstilles til kun at levere den nødvendige gennemsnitlige effekt, idet mindre kraftværker generelt bruger mindre brændstof, alt andet lige.
Med tilstrækkelig batterikapacitet kan hybrider også forblive i lydløs overvågningstilstand i lang tid med motoren slukket og sensorer, elektronik og kommunikationssystemer fungerer. Derudover kan systemet drive eksternt udstyr, oplade batterier og endda drive en militærlejr, hvilket reducerer behovet for bugserede generatorer.
Mens hybriddrev tilbyder overlegen ydeevne med hensyn til hastighed, acceleration og skridbarhed, kan batteripakken være tung og uhåndterlig, hvilket resulterer i reduceret nyttelast, sagde DRDC. Dette kan være et problem for ultralette køretøjer og en-personers ATV'er. Derudover reduceres egenskaberne ved selve batterierne ved lave temperaturer, de har ofte problemer med opladning og temperaturkontrol.
Selvom sekventielle hybrider eliminerer den mekaniske transmission, gør behovet for en motor, generator, kraftelektronik og batteri uundgåeligt dem i sidste ende vanskelige og dyre at købe og vedligeholde.
De fleste batterielektrolytter kan også udgøre risici, når de er beskadiget, for eksempel ved man, at lithiumionceller antændes, når de er beskadiget. Hvorvidt dette udgør en større risiko end at levere dieselolie er måske et omdrejningspunkt, påpeger rapporten, men hybrider bærer begge risici.
Kombinationsvalg
De to hovedordninger til kombination af forbrændingsmotorer med elektriske apparater er serielle og parallelle. Som nævnt ovenfor er den serielle hybridplatform en elektrisk maskine med en generator, mens der parallelt er en motor og en trækkraftmotor, som via en mekanisk transmission forbundet til dem sender kraft til hjulene. Det betyder, at motoren eller traktionsmotoren kan køre maskinen individuelt, eller de kan arbejde sammen.
I begge typer hybrider er den elektriske komponent typisk et motorgeneratorsæt (MGU), som kan omdanne elektrisk energi til bevægelse og omvendt. Den kan køre bil, oplade et batteri, starte en motor og om nødvendigt spare energi ved regenerativ bremsning.
Både serier og parallelle hybrider er afhængige af strømelektronik til at styre batteristrøm og regulere batteritemperaturen. De giver også den spænding og strømstyrke, som generatoren skal levere til batterierne og batterierne igen til elmotorerne.
Denne kraftelektronik kommer i form af halvlederomformere baseret på siliciumcarbidhalvledere, hvis ulemper som regel omfatter stor størrelse og omkostninger samt varmetab. Effektelektronik kræver også kontrolelektronik, der ligner dem, der driver en forbrændingsmotor.
Indtil nu har historien om elektrisk drevne militære køretøjer bestået af eksperimentelle og ambitiøse udviklingsprogrammer, der i sidste ende blev lukket. I reel drift er der stadig ingen hybrid militære køretøjer, især inden for lette taktiske køretøjer er der flere uløste teknologiske problemer tilbage. Disse problemer kan betragtes stort set som løst for civile køretøjer, da de kører under meget gunstigere forhold.
Elbiler har vist sig at være meget hurtige. Eksempelvis kan Nikola Motors eksperimentelle batteridrevne Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) firersæder accelerere fra 0 til 97 km / t på 4 sekunder og har en rækkevidde på 241 km.
"Layout er dog en af de store udfordringer," siger DRDC -rapporten. Batteripakkernes størrelse, vægt og varmeafledning er ret store, og der skal indgås et kompromis mellem den samlede energikapacitet og den øjeblikkelige effekt, de kan levere for en given masse og volumen. Fordeling af volumen til højspændingskabler, deres pålidelighed og sikkerhed er også flaskehalse sammen med størrelse, vægt, køling, pålidelighed og vandtætning af strømelektronik.
Varme og støv
Rapporten siger, at temperatursvingninger, som militære køretøjer står over for, måske er det største problem, da lithium-ion-batterier ikke oplades i temperaturer under nul, og varmesystemer tilføjer kompleksitet og har brug for energi. Batterier, der overophedes under afladning, er potentielt farlige, de skal afkøles eller reduceres til en reduceret tilstand, mens motorer og generatorer også kan overophedes, og endelig må du ikke glemme permanente magneter, der er tilbøjelige til afmagnetisering.
Ligeledes ved temperaturer over ca. 65 ° C falder effektiviteten af enheder såsom IGBT -invertere og har derfor brug for køling, selvom nyere strømelektronik baseret på siliciumcarbidhalvledere eller galliumnitrid, ud over at arbejde ved øget spænding, tåler højere temperaturer og, kan derfor afkøles fra motorkølesystemet.
Derudover gør stød og vibrationer fra ujævnt terræn plus de potentielle skader, der kan skyldes beskydning og eksplosioner, det også svært at integrere elektrisk drivteknologi i lette militære køretøjer, bemærker rapporten.
Rapporten konkluderer, at DRDC bør bestille en teknologidemonstrator. Det er et relativt enkelt letvægts sekventielt hybrid -taktisk køretøj med elektriske motorer installeret enten i hjulnavene eller i akslerne, dieselmotoren er indstillet til den passende spidseffekt, og et sæt superkapacitorer eller ultracapacitorer er installeret for at forbedre acceleration og klatring. Superkapacitorer eller ultrakapacitorer gemmer en meget stor opladning i en kort periode og kan frigive den meget hurtigt for at generere effektimpulser. Bilen vil enten slet ikke være, eller der vil blive installeret et meget lille batteri, elektricitet vil blive genereret i processen med regenerativ bremsning, som følge heraf er måderne med stille bevægelse og lydløs observation udelukket.
Strømkabler, der løber til hjulene alene og erstatter den mekaniske transmission og drivaksler, reducerer maskinens vægt betydeligt og forbedrer eksplosionsbeskyttelsen, da spredning af sekundært affald og fragmenter elimineres. Uden et batteri vil den interne volumen for besætningen og nyttelasten stige og blive mere sikker, og problemerne forbundet med vedligeholdelse og termisk styring af lithium-ion-batterier elimineres.
Derudover er følgende mål sat ved oprettelse af en prototype: lavere brændstofforbrug for en relativt lille dieselmotor, der kører ved konstant omdrejninger i minuttet, kombineret med energigenvinding, øget elproduktion til driftssensorer eller energieksport, øget pålidelighed og forbedret service.
Bumpene er ligeglade
Som Bruce Brandl fra Armored Research Center (TARDEC) forklarede ved en præsentation om motorudvikling, ønsker den amerikanske hær et fremdriftssystem, der gør det muligt for sine kampkøretøjer at bevæge sig gennem vanskeligere terræn ved højere hastigheder, hvilket vil reducere terrænprocenten betydeligt i krigszoner, hvor aktuelle biler ikke kan bevæge sig. Det såkaldte ufremkommelige terræn udgør omkring 22% af disse zoner, og hæren ønsker at reducere dette tal til 6%. De vil også øge gennemsnitshastigheden i det meste af området fra dagens 16 km / t til 24 km / t.
Derudover understregede Brandl, at energibehovet ombord planlægges at øges til mindst 250 kW, det vil sige højere end hvad maskinens generatorer kan levere, idet belastninger tilføjes fra nye teknologier, for eksempel elektrificerede tårne og beskyttelsessystemer, køling af kraftelektronik., energieksport og styrede energivåben.
Den amerikanske hær anslår, at opfyldelse af disse behov med den nuværende turbodiesel -teknologi vil øge motorens volumen med 56% og køretøjets vægt med omkring 1400 kg. Derfor blev hovedopgaven sat ved at udvikle sit avancerede kraftværk Advanced Combat Engine (ACE) - at fordoble den samlede effekttæthed fra 3 hk / cu. ft til 6 hk / cu. fod.
Selvom højere effekttæthed og bedre brændstofeffektivitet er meget vigtig for den næste generation af militære motorer, er det lige så vigtigt at reducere varmeydelsen. Denne genererede varme er spild af energi, der spredes i det omgivende rum, selvom den kan bruges til at drive eller generere elektrisk energi. Men det er langt fra altid muligt at opnå en perfekt balance mellem alle disse tre parametre, for eksempel AGT 1500 gasturbinemotoren i M1 Abrams tanken med en kapacitet på 1500 hk. har lav varmeoverførsel og høj effektdensitet, men meget højt brændstofforbrug i forhold til dieselmotorer.
Faktisk genererer gasturbinemotorer en stor mængde varme, men det meste fjernes gennem udstødningsrøret på grund af den høje gasstrømning. Som følge heraf har gasturbiner ikke brug for de kølesystemer, som dieselmotorer har brug for. En høj specifik effekt af dieselmotorer kan kun opnås ved at løse problemet med termisk kontrol. Brandl understregede, at dette hovedsageligt skyldes den begrænsede mængde, der er tilgængelig til køleudstyr som rør, pumper, ventilatorer og radiatorer. Derudover fylder beskyttelsesstrukturer som skudsikre gitre også volumen og begrænser luftstrømmen, hvilket reducerer ventilatorernes effektivitet.
Stempler mod
Som Brandl bemærkede, fokuserer ACE-programmet på totakts diesel- / multi-brændstofmotorer med modstående stempler på grund af deres iboende lave varmeafledning. I sådanne motorer er der anbragt to stempler i hver cylinder, som danner et forbrændingskammer mellem dem, hvorfor topstykket er udelukket, men dette kræver to krumtapaksler og en indsugnings- og udstødningsport i cylindervæggene. Boxermotorer går tilbage til 1930'erne og er løbende blevet forbedret gennem årtierne. Denne gamle idé blev ikke skånet af virksomheden Achates Power, som i samarbejde med Cummins genoplivede og moderniserede denne motor.
En talsmand for Achates Power sagde, at deres bokserteknologi har forbedret termisk effektivitet, hvilket medfører lavere varmetab, forbedret forbrænding og reducerede pumpetab. Elimineringen af topstykket reducerede betydeligt forholdet mellem overfladeareal og volumen i forbrændingskammeret og derved overførsel og frigivelse af varme i motoren. I modsætning hertil indeholder topstykket i en traditionel firetaktsmotor mange af de hotteste komponenter og er den vigtigste kilde til varmeoverførsel til kølevæsken og den omgivende atmosfære.
Achates -forbrændingssystemet anvender to brændstofindsprøjtninger, der er diametralt placeret i hver cylinder og en patenteret stempelform for at optimere luft / brændstofblandingen, hvilket resulterer i lav sodforbrænding og reduceret varmeoverførsel til forbrændingskammerets vægge. En ny ladning af blandingen injiceres i cylinderen, og udstødningsgasser kommer ud af portene, hjulpet af en kompressor, der pumper luft gennem motoren. Achates påpeger, at denne direkte gennemstrømning har en gavnlig effekt på brændstoføkonomi og emissioner.
Den amerikanske hær ønsker, at ACE-familien af modulære skalerbare drivlinjer skal omfatte motorer med samme boring og slaglængde og forskellige cylinderantal: 600-750 hk. (3 cylindre); 300-1000 HK (4); og 1200-1500 hk. (6). Hvert kraftværk vil optage et volumen - en højde på 0, 53 m og en bredde på 1, 1 m og følgelig en længde på 1, 04 m, 1, 25 m og 1, 6 m.
Teknologiske mål
En intern hærundersøgelse foretaget i 2010 bekræftede fordelene ved boxermotorer, hvilket resulterede i Next Generation Combat Engine (NGCE) -projektet, hvor industrielle virksomheder præsenterede deres udvikling på dette område. Opgaven var at nå 71 hk. per cylinder og en samlet effekt på 225 hk. I 2015 blev begge disse tal let overskredet på en eksperimentel motor testet på Armored Research Center.
I februar samme år tildelte hæren kontrakter til AVL Powertrain Engineering og Achates Power for eksperimentelle ACE-enkeltcylindrede motorer under et toårigt program, inden for rammerne af hvilke målet var at opnå følgende egenskaber: effekt 250 hk, drejningsmoment 678 Nm, specifikt brændstofforbrug 0, 14 kg / hk / t og varmeafledning mindre end 0,45 kW / kW. Alle indikatorer blev overskredet, bortset fra varmeoverførsel, her var det ikke muligt at falde til under 0,506 kW / kW.
I sommeren 2017 begyndte Cummins og Achates at arbejde under ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) -kontrakten for at demonstrere en firecylindret motor på 1.000 hk. drejningsmoment på 2700 Nm og de samme krav til specifikt brændstofforbrug og varmeoverførsel. Den første motor blev fremstillet i juli 2018, og de første operationelle test blev afsluttet ved udgangen af samme år. I august 2019 blev motoren leveret til TARDEC til installation og test.
Kombinationen af en boksermotor og et hybridelektrisk drev ville forbedre effektiviteten af køretøjer af forskellige typer og størrelser, både militære og civile. Med dette i tankerne har Advanced Research and Development Authority givet Achates $ 2 millioner til at udvikle en avanceret enkeltcylindret boxermotor til fremtidige hybridbiler; i dette projekt samarbejder virksomheden med University of Michigan og Nissan.
Stempelkontrol
I overensstemmelse med konceptet er det elektriske delsystem og forbrændingsmotoren for første gang så tæt integreret i denne motor, hver af de to krumtapaksler roterer og kan drives af sit eget motorgeneratorsæt; der er ingen mekanisk forbindelse mellem akslerne.
Achates bekræftede, at motoren kun er designet til sekventielle hybridsystemer, da al den kraft, den genererer, overføres elektrisk og generatoren oplader batteripakken for at udvide rækkevidden. Uden en mekanisk forbindelse mellem akslerne overføres øjeblikket ikke, hvilket fører til et fald i belastninger. Som et resultat kan de gøres lettere, reducere den samlede vægt og størrelse, friktion og støj og reducere omkostningerne.
Måske vigtigst af alt, giver de afkoblede krumtapaksler uafhængig kontrol af hvert stempel ved hjælp af kraftelektronik. "Dette er en vigtig del af vores projekt, det er vigtigt at bestemme, hvordan udviklingen af elektriske motorer og styringer kan forbedre effektiviteten af forbrændingsmotoren." En talsmand for Achates bekræftede, at denne konfiguration giver mulighed for styring af krumtapakslen, hvilket åbner nye muligheder. "Vi bestræber os på at forbedre effektiviteten af stempelkontrol, som ikke er tilgængelig med traditionel mekanisk kommunikation."
Lidt information er tilgængelig på nuværende tidspunkt om, hvordan uafhængig stempelstyring kan bruges, men i teorien er det f.eks. Muligt at gøre slaget større end kompressionsslaget og derved udvinde mere energi fra ladningen af luft / brændstofblandingen. En lignende ordning er implementeret i firetakts Atkinson-motorer installeret i hybridbiler. I Toyota Prius opnås dette for eksempel ved hjælp af variabel ventiltiming.
I lang tid var det indlysende, at store forbedringer i modne teknologier, såsom forbrændingsmotorer, ikke er lette at opnå, men avancerede boxermotorer kunne være det, der ville give reelle fordele for militære køretøjer, især når de kombineres med elektriske fremdriftssystemer. …
