Die energie wat nodig is om grondvoertuie aan te dryf en om hul stelsels en samestellings te bestuur, word tradisioneel deur dieselenjins verskaf. Die vermindering van brandstofverbruik vergroot nie net die reikwydte nie, maar verminder ook die hoeveelheid logistiek, wat bepaal word deur die instandhouding van brandstofreserwes, en verhoog die beskerming van agterste dienspersoneel tydens die diens van toerusting.
In hierdie verband streef die weermag daarna om 'n oplossing te vind waarin die hoë doeltreffendheid en hoë spesifieke verbrandingshitte van dieselbrandstof wat inherent is aan stelsels met 'n elektriese aandrywing in een 'span' werk. Nuwe hibriede oplossings en gevorderde verbrandingsenjins bied groot praktiese voordele, saam met stil enkel-elektriese aandrywing, stil monitering (op batterye aangedrewe sensors) en kragopwekking vir eksterne verbruikers.
Krag trein potensiaal
Research Canada (DRDC) ondersoek byvoorbeeld die haalbaarheid van hibriede diesel-elektriese dryfbane. Die FDA het sy navorsing in 2018 gepubliseer, met die fokus op ligte taktiese platforms soos die HMMWV, ultraligte gevegsvoertuie van die DAGOR-klas en klein enkel- en meersit ATV's.
Die verslag haalbaarheid van hibriede diesel-elektriese dryfbane vir ligte taktiese voertuie wys daarop dat basters in die meeste rystyke waar snelhede en vragte aansienlik wissel (tipies off-road), 15% -20% beter brandstofdoeltreffendheid in terme van brandstofverbruik het. tradisionele meganies aangedrewe masjiene, veral by die gebruik van regeneratiewe remme. Boonop presteer binnebrandenjins, insluitend dieselenjins, die beste wanneer dit met sorgvuldig geselekteerde konstante rpm bedryf word, wat tipies is vir opeenvolgende hibriede stelsels waarin die enjin slegs as 'n kragopwekker werk.
Soos in die verslag aangedui word, kan die enjin ingestel word op slegs die gemiddelde krag wat benodig word, aangesien kleiner kragstasies oor die algemeen minder brandstof gebruik, omdat motorvermogens gedurende kort periodes van maksimum kragverbruik deur batterye aangevul kan word.
Met voldoende batterykapasiteit kan basters ook lank in stil moniteringsmodus bly terwyl die enjin afgeskakel is en sensors, elektronika en kommunikasiestelsels werk. Boonop kan die stelsel eksterne toerusting aandryf, batterye laai en selfs 'n militêre kamp aanskakel, wat die behoefte aan gesleepte kragopwekkers verminder.
Terwyl hibriede aandrywers uitstekende prestasie bied in terme van spoed, versnelling en gradasie, kan die battery baie swaar en onhandig wees, wat 'n laer vrag tot gevolg het, het DRDC gesê. Dit kan 'n probleem wees vir ultraligte voertuie en een-sitplek ATV's. Boonop word die eienskappe van die batterye by lae temperature verminder, dit het dikwels probleme met laai en temperatuurbeheer.
Hoewel opeenvolgende basters die meganiese ratkas uitskakel, maak die behoefte aan 'n enjin, kragopwekker, kragelektronika en battery dit noodwendig moeilik en duur om te koop en te onderhou.
Die meeste batteryelektroliete kan ook risiko's inhou as dit beskadig word, byvoorbeeld, dit is bekend dat litiumioonselle ontbrand as dit beskadig word. Of dit 'n groter risiko inhou as die verskaffing van diesel, is miskien 'n belangrike punt, dui die verslag aan, maar basters hou beide risiko's in.
Keuse kombinasie
Die twee hoofskemas vir die kombinasie van binnebrandenjins met elektriese toestelle is serieel en parallel. Soos hierbo genoem, is die seriële hibriede platform 'n elektriese masjien met 'n kragopwekker, terwyl daar parallel 'n enjin en 'n trekkermotor is, wat deur middel van 'n meganiese ratkas wat daaraan gekoppel is, krag na die wiele oordra. Dit beteken dat die enjin of trekkermotor die masjien individueel kan bestuur, of dat hulle saam kan werk.
In beide tipes basters is die elektriese komponent tipies 'n motorgeneratorstel (MGU), wat elektriese energie in beweging kan omskakel en omgekeerd. Dit kan 'n motor bestuur, 'n battery laai, 'n enjin aanskakel en, indien nodig, energie bespaar deur regeneratiewe rem.
Beide reeks- en parallelle basters maak staat op kragelektronika om die batterykrag te bestuur en die batterytemperatuur te reguleer. Hulle verskaf ook die spanning en stroom wat die kragopwekker aan die batterye moet verskaf, en die batterye weer aan die elektriese motors.
Hierdie kragelektronika kom in die vorm van halfgeleier -omsetters wat gebaseer is op silikonkarbied halfgeleiers, waarvan die nadele gewoonlik groot grootte en koste, sowel as hitteverlies insluit. Kragelektronika benodig ook kontrolelektronika soortgelyk aan dié wat 'n binnebrandenjin aandryf.
Tot nou toe bestaan die geskiedenis van elektries aangedrewe militêre voertuie uit eksperimentele en ambisieuse ontwikkelingsprogramme wat uiteindelik gesluit is. In werklike werking is daar steeds geen hibriede militêre voertuie nie, veral op die gebied van ligte taktiese voertuie, bly daar verskeie onopgeloste tegnologiese probleme. Hierdie probleme kan grotendeels as opgelos vir burgervoertuie beskou word, aangesien dit onder baie gunstiger toestande werk.
Elektriese motors het bewys dat hulle baie vinnig is. Nikola Motor se eksperimentele battery-aangedrewe Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) viersitplek kan byvoorbeeld in 4 sekondes van 0 tot 97 km / h versnel en het 'n reikafstand van 241 km.
'Uitleg is egter een van die groot uitdagings', sê die verslag van die DRDC. Die grootte, gewig en hitte -afvoer van batterye is redelik groot, en daar moet 'n kompromie aangegaan word tussen die totale energiekapasiteit en die oombliklike krag wat hulle vir 'n gegewe massa en volume kan lewer. Toewysing van volume vir hoogspanningskabels, hul betroubaarheid en veiligheid is ook knelpunte saam met grootte, gewig, verkoeling, betroubaarheid en waterdigting van kragelektronika.
Hitte en stof
Die verslag sê dat die temperatuurskommelinge wat militêre voertuie in die gesig staar, miskien die grootste probleem is, aangesien litium-ioonbatterye nie laai by temperature onder nul nie en verwarmingstelsels kompleksiteit toevoeg en energie benodig. Batterye wat oorverhit word tydens ontlading, is potensieel gevaarlik; dit moet afgekoel of tot 'n verminderde modus verminder word, terwyl motors en kragopwekkers ook kan oorverhit, en ten slotte moet u nie vergeet van permanente magnete wat geneig is tot demagnetisering nie.
By temperature bo ongeveer 65 ° C neem die doeltreffendheid van toestelle soos IGBT -omsetters ook af, en dit is dus nodig om af te koel, hoewel nuwer kragelektronika gebaseer op silikonkarbied halfgeleiers of galliumnitried, benewens die werking teen verhoogde spanning, hoër temperature weerstaan en, kan dus afgekoel word vanaf die motorverkoelingstelsel.
Boonop maak die skok en vibrasie van rowwe terrein, plus die moontlike skade wat veroorsaak kan word deur beskietings en ontploffings, dit ook moeilik om elektriese aandrywingstegnologie in ligte militêre voertuie te integreer, lui die verslag.
Die verslag kom tot die gevolgtrekking dat DRDC 'n tegnologiedemonstrateur moet bestel. Dit is 'n relatief eenvoudige liggewig opeenvolgende hibriede taktiese voertuig met elektriese motors wat in die wielnawe of in die asse geïnstalleer is, die dieselenjin is ingestel op die toepaslike piekvermoë en 'n stel super- of ultrakondensators is geïnstalleer om die versnelling en die gradasie te verbeter. Superkapasitors of ultrakondensators stoor 'n baie groot lading vir 'n kort tydjie en kan dit baie vinnig vrystel om kragpulse op te wek. Die motor sal ook glad nie wees nie, of 'n baie klein battery sal geïnstalleer word, elektrisiteit sal tydens die regeneratiewe remproses opgewek word, gevolglik word die stil bewegings en stille waarneming uitgesluit.
Kragkabels wat slegs na die wiele loop, wat die meganiese ratkas en aandryfasse vervang, sal die gewig van die masjien aansienlik verminder en die beskerming teen ontploffing verbeter, aangesien die verspreiding van sekondêre puin en fragmente uitgeskakel word. Sonder 'n battery sal die interne volume van die bemanning en die vrag toeneem en veiliger word, en die probleme wat verband hou met onderhoud en termiese bestuur van litium-ioonbatterye, word uitgeskakel.
Daarbenewens word die volgende doelwitte gestel vir die opstel van 'n prototipe: laer brandstofverbruik van 'n relatief klein dieselenjin wat teen konstante rpm werk, gekombineer met energieherwinning, verhoogde kragopwekking vir bedryfssensors of energie -uitvoer, verhoogde betroubaarheid en verbeterde diens.
Die stampe gee nie om nie
Soos Bruce Brandl van die gepantserde navorsingsentrum (TARDEC) tydens 'n voorlegging oor enjinontwikkeling verduidelik het, wil die Amerikaanse weermag 'n aandrywingstelsel hê waarmee sy gevegsvoertuie deur moeiliker terrein teen hoër snelhede kan beweeg, wat die persentasie terrein aansienlik sal verminder in oorlogsgebiede waarop huidige motors nie kan beweeg nie. Die sogenaamde onbegaanbare terrein vorm ongeveer 22% van hierdie gebiede en die weermag wil hierdie syfer tot 6% verminder. Hulle wil ook die gemiddelde spoed in die grootste deel van die gebied verhoog van vandag se 16 km / h tot 24 km / h.
Boonop het Brandl beklemtoon dat die energiebehoefte aan boord beplan word tot ten minste 250 kW, dit wil sê, hoër is as wat die kragopwekkers van die masjien kan lewer, aangesien vragte bygevoeg word deur nuwe tegnologieë, byvoorbeeld geëlektrifiseerde torings en beskermingstelsels, verkoeling van kragelektronika., energie -uitvoer en gerigte energiewapens.
Die Amerikaanse weermag raam dat die motor se volume met 56% en die voertuig se gewig met ongeveer 1400 kg verhoog word deur aan die huidige turbodiesel -tegnologie te voldoen. By die ontwikkeling van sy gevorderde kragstasie Advanced Combat Engine (ACE) was die hoofdaak dus om die totale kragdigtheid te verdubbel van 3 pk / cu. voet tot 6 pk / cu. voet.
Alhoewel hoër kragdigtheid en beter brandstofdoeltreffendheid baie belangrik is vir die volgende generasie militêre enjins, is dit ewe belangrik om die hitte -uitset te verminder. Hierdie opgewekte hitte is vermorste energie wat na die omliggende ruimte versprei word, alhoewel dit gebruik kan word om elektriese energie aan te dryf of op te wek. Maar dit is nog lank nie altyd moontlik om 'n perfekte balans te kry tussen al hierdie drie parameters nie, byvoorbeeld die AGT 1500 gasturbine -enjin van die M1 Abrams -tenk met 'n kapasiteit van 1500 pk. het 'n lae hitte -oordrag en hoë kragdigtheid, maar 'n baie hoë brandstofverbruik in vergelyking met dieselenjins.
In werklikheid lewer gasturbine -enjins groot hitte op, maar die meeste word deur die uitlaatpyp verwyder as gevolg van die hoë gasvloei. As gevolg hiervan benodig gasturbines nie die verkoelingstelsels wat dieselenjins benodig nie. 'N Hoë spesifieke krag van dieselenjins kan slegs verkry word deur die probleem van termiese beheer op te los. Brandl het beklemtoon dat dit hoofsaaklik te wyte is aan die beperkte volume wat beskikbaar is vir koeltoerusting soos pype, pompe, waaiers en verkoelers. Boonop neem beskermende strukture soos koeëlvaste roosters ook volume op en beperk dit die lugvloei, wat die doeltreffendheid van die waaiers verminder.
Suiers na
Soos Brandl opgemerk het, fokus die ACE-program op tweeslag-diesel- / multi-brandstof-enjins met teenoorgestelde suiers vanweë hul inherente lae hitte-afvoer. In sulke enjins word twee suiers in elke silinder geplaas, wat 'n verbrandingskamer onderling vorm, gevolglik word die silinderkop uitgesluit, maar dit vereis twee krukasse en inlaat- en uitlaatpoorte in die silinderwande. Bokser -enjins dateer uit die dertigerjare en is deur die dekades voortdurend verbeter. Hierdie ou idee is nie gespaar deur die onderneming Achates Power, wat hierdie motor in samewerking met Cummins laat herleef en moderniseer het.
'N Woordvoerder van Achates Power het gesê dat hul boksertegnologie die termiese doeltreffendheid verbeter het, wat lei tot laer hitteverliese, verbeterde verbranding en verminderde pompverliese. Die verwydering van die silinderkop het die oppervlak-tot-volume-verhouding in die verbrandingskamer aansienlik verminder en sodoende die oordrag en vrystelling van hitte in die enjin. Daarteenoor bevat die silinderkop in 'n tradisionele vierslag-enjin baie van die warmste komponente en is die belangrikste bron van hitte-oordrag na die koelmiddel en die omringende atmosfeer.
Die Achates -verbrandingstelsel gebruik dubbele brandstofinspuiters wat diametraal in elke silinder geplaas is en 'n gepatenteerde suiervorm om die lug / brandstofmengsel te optimaliseer, wat lei tot lae roetverbranding en verminderde hitte -oordrag na die verbrandingskamerwande. 'N Vars lading van die mengsel word in die silinder ingespuit, en uitlaatgasse gaan deur die poorte, aangehelp deur 'n superaanjaer wat lug deur die enjin pomp. Achates wys daarop dat hierdie meegaande ontploffing 'n gunstige uitwerking op brandstofverbruik en emissies het.
Die Amerikaanse weermag wil hê dat die ACE-familie van modulêre, skaalbare aandrywings enjins moet bevat met dieselfde boring en slag en verskillende silinder tellings: 600-750 pk. (3 silinders); 300-1000 pk (4); en 1200-1500 pk. (6). Elke kragstasie beslaan 'n volume - 'n hoogte van 0,53 m en 'n breedte van 1, 1 m en gevolglik 'n lengte van 1,04 m, 1,25 m en 1,6 m.
Tegnologiese doelwitte
'N Interne weermagstudie wat in 2010 uitgevoer is, bevestig die voordele van bokser-enjins, wat lei tot die Next Generation Combat Engine (NGCE) -projek waarin industriële ondernemings hul ontwikkelinge op hierdie gebied aangebied het. Die taak was om 71 pk te bereik. per silinder en 'n totale krag van 225 pk. Teen 2015 is albei hierdie getalle maklik oorskry op 'n eksperimentele enjin wat by die Armored Research Center getoets is.
In Februarie dieselfde jaar het die weermag kontrakte toegeken aan AVL Powertrain Engineering en Achates Power vir eksperimentele ACE-enkelsilinderenjins onder 'n tweejaarprogram, binne die raamwerk waarvan die doel was om die volgende kenmerke te bereik: drywing 250 pk, wringkrag 678 Nm, spesifieke brandstofverbruik 0, 14 kg / pk / h en hitte -afvoer minder as 0,45 kW / kW. Alle aanwysers is oorskry, behalwe vir hitte -oordrag, hier was dit nie moontlik om onder 0,506 kW / kW te daal nie.
In die somer van 2017 het Cummins en Achates onder 'n ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) kontrak begin werk om 'n viersilinderenjin van 1 000 pk te demonstreer. wringkrag van 2700 Nm en dieselfde vereistes vir spesifieke brandstofverbruik en hitte -oordrag. Die eerste enjin is in Julie 2018 vervaardig en aan die einde van dieselfde jaar is aanvanklike operasionele toetse voltooi. In Augustus 2019 is die enjin by die TARDEC -direktoraat afgelewer vir installasie en toetsing.
Die kombinasie van 'n bokser -enjin en 'n hibriede elektriese aandrywing sal die doeltreffendheid van voertuie van verskillende soorte en groottes, militêr sowel as burgerlik, verbeter. Met die oog hierop het die Advanced Research and Development Authority $ 2 miljoen aan Achates uitgereik om 'n gevorderde enkelsilinder bokserenjin vir toekomstige hibriede voertuie te ontwikkel; in hierdie projek werk die onderneming saam met die Universiteit van Michigan en Nissan.
Suierbeheer
In ooreenstemming met die konsep, het hierdie enjin vir die eerste keer die elektriese subsisteem en die verbrandingsmotor vir die eerste keer so nou geïntegreer; elkeen van die twee krukasse draai en kan deur sy eie motorgeneratorset aangedryf word; daar is geen meganiese verbinding tussen die skagte nie.
Achates het bevestig dat die enjin slegs ontwerp is vir opeenvolgende hibriede stelsels, aangesien al die krag wat dit genereer, elektries oorgedra word en die gensets die battery laai om die reikwydte uit te brei. Sonder 'n meganiese verbinding tussen die skagte word die oomblik nie oorgedra nie, wat lei tot 'n afname in vragte. As gevolg hiervan kan hulle ligter gemaak word, die totale gewig en grootte, wrywing en geraas verminder en die koste verminder.
Die belangrikste is miskien dat die ontkoppelde krukasse onafhanklike beheer van elke suier moontlik maak deur middel van kragelektronika. "Dit is 'n belangrike deel van ons projek; dit is belangrik om te bepaal hoe die ontwikkeling van elektriese motors en kontroles die doeltreffendheid van die verbrandingsmotor kan verbeter." 'N Woordvoerder van Achates het bevestig dat hierdie konfigurasie voorsiening maak vir die beheer van die krukas, wat nuwe moontlikhede bied. "Ons streef daarna om die doeltreffendheid van suierbeheer, wat nie met tradisionele meganiese kommunikasie beskikbaar is nie, te verbeter."
Op hierdie stadium is daar min inligting beskikbaar oor hoe onafhanklike suierbeheer gebruik kan word, maar in teorie is dit moontlik om die slag groter te maak as byvoorbeeld die druk, en sodoende meer energie uit die lading van die lug / brandstof te onttrek mengsel. 'N Soortgelyke skema word toegepas op viertakt Atkinson-enjins wat in hibriede motors geïnstalleer is. In die Toyota Prius word dit byvoorbeeld bereik deur veranderlike kleptydreëling.
Vir 'n lang tyd was dit duidelik dat groot verbeterings in volwasse tegnologieë, soos binnebrandenjins, nie maklik bereik kan word nie, maar gevorderde bokser -enjins kan die voordele van militêre voertuie wees, veral as dit gekombineer word met elektriese aandrywingstelsels. …
