Energin som krävs för att driva markfordon och för att driva deras system och sammansättningar tillhandahålls traditionellt av dieselmotorer. Att minska bränsleförbrukningen ökar inte bara räckvidden, utan minskar också mängden logistik, som bestäms av underhållet av bränslereserver, och ökar skyddet för bakre servicepersonal vid service av utrustning.
I detta avseende strävar de väpnade styrkorna efter att hitta en lösning där den höga effektiviteten och den höga specifika förbränningsvärmen för dieselbränsle som finns i system med en elektrisk drivning skulle fungera i ett "lag". Nya hybridlösningar och avancerade förbränningsmotorer har potential att erbjuda stora praktiska fördelar tillsammans med tyst enelektrisk drivenhet, tyst övervakning (batteridrivna sensorer medan de står stilla) och kraftgenerering för externa konsumenter.
Power train potential
Research Canada (DRDC) undersöker till exempel genomförbarheten för hybrid-dieselelektriska drivlinor. FDA publicerade sin forskning 2018, med fokus på lätta taktiska plattformar som HMMWV, ultralätta stridsfordon i DAGOR-klass och små enkel- och flersitsiga terränghjulingar.
I rapporten Feasibility of Hybrid Diesel-Electric Powertrains for Light Tactical Vehicles noteras att i de flesta körlägen där hastigheter och laster varierar avsevärt (vanligtvis off-road) har hybrider 15% -20% bättre bränsleeffektivitet när det gäller bränsleekonomi. traditionella mekaniskt drivna maskiner, särskilt vid regenerativ bromsning. Dessutom fungerar förbränningsmotorer, inklusive dieselmotorer, bäst när de drivs vid noggrant utvalda konstanta varvtal, vilket är typiskt för sekventiella hybridsystem där motorn endast fungerar som en generator.
Som rapporten noterar, eftersom motoreffekten kan kompletteras med batterier under korta perioder med högsta energiförbrukning, kan motorn ställas in för att ge endast den genomsnittliga effekt som krävs, med mindre kraftverk som i allmänhet använder mindre bränsle, allt annat lika.
Med tillräcklig batterikapacitet kan hybrider också förbli i tyst övervakningsläge under lång tid när motorn är avstängd och sensorer, elektronik och kommunikationssystem fungerar. Dessutom kan systemet driva extern utrustning, ladda batterier och till och med driva ett militärläger, vilket minskar behovet av bogserade generatorer.
Medan hybriddrivrutiner erbjuder överlägsen prestanda när det gäller hastighet, acceleration och graderbarhet kan batteripaketet vara tungt och obehagligt, vilket resulterar i minskad nyttolast, säger DRDC. Detta kan vara ett problem för ultralätta fordon och ensitsiga terränghjulingar. Dessutom reduceras egenskaperna hos själva batterierna vid låga temperaturer, de har ofta problem med laddning och temperaturkontroll.
Även om sekventiella hybrider eliminerar den mekaniska transmissionen, gör behovet av en motor, generator, kraftelektronik och batteri dem oundvikligen svåra och dyra att köpa och underhålla.
De flesta batterielektrolyter kan också utgöra risker när de skadas, till exempel litiumjonceller är kända för att antända när de skadas. Huruvida detta utgör en större risk än att leverera dieselbränsle är kanske en viktig punkt, påpekar rapporten, men hybrider bär båda riskerna.
Kombinationsval
De två huvudscheman för att kombinera förbränningsmotorer med elektriska anordningar är seriella och parallella. Som nämnts ovan är den seriella hybridplattformen en elektrisk maskin med en generator, samtidigt som det finns en motor och en dragmotor, som genom en mekanisk transmission som är ansluten till dem överför kraft till hjulen. Det betyder att motorn eller dragmotorn kan driva maskinen individuellt, eller att de kan arbeta tillsammans.
I båda typerna av hybrider är den elektriska komponenten vanligtvis en motorgeneratorsats (MGU), som kan omvandla elektrisk energi till rörelse och vice versa. Den kan köra bil, ladda ett batteri, starta en motor och vid behov spara energi genom regenerativ bromsning.
Både serier och parallella hybrider är beroende av kraftelektronik för att hantera batterikraft och reglera batteriets temperatur. De ger också den spänning och strömstyrka som generatorn måste leverera till batterierna och batterierna i sin tur till elmotorerna.
Denna kraftelektronik finns i form av halvledaromformare baserade på kiselkarbidhalvledare, vars nackdelar som regel inkluderar stor storlek och kostnad, samt värmeförlust. Kraftelektronik kräver också styrelektronik som liknar dem som driver en förbränningsmotor.
Fram till nu har historien om eldrivna militära fordon bestått av experimentella och ambitiösa utvecklingsprogram som slutligen stängdes. I verklig drift finns det fortfarande inga hybridmilitärfordon, i synnerhet när det gäller lätta taktiska fordon återstår flera olösta tekniska problem. Dessa problem kan i stort sett anses vara lösta för civila fordon eftersom de fungerar under mycket mer gynnsamma förhållanden.
Elbilar har visat sig vara väldigt snabba. Till exempel kan Nikola Motors experimentella batteridrivna Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) fyrsitsiga accelerera från 0 till 97 km / h på 4 sekunder och har en räckvidd på 241 km.
"Layout är dock en av de stora utmaningarna", säger DRDC -rapporten. Storleken, vikten och värmeavledningen på batteripaket är ganska stor, och en kompromiss måste göras mellan den totala energikapaciteten och den momentana kraft de kan leverera för en given massa och volym. Tilldelning av volym för högspänningskablar, deras tillförlitlighet och säkerhet är också flaskhalsar tillsammans med storlek, vikt, kylning, tillförlitlighet och vattentätning av kraftelektronik.
Värme och damm
Rapporten säger att de temperatursvängningar som militära fordon står inför är kanske det största problemet, eftersom litiumjonbatterier inte laddas i minusgrader och värmesystem lägger till komplexitet och behöver energi. Batterier som överhettas under urladdning är potentiellt farliga, de måste kylas eller reduceras till reducerat läge, medan motorer och generatorer också kan överhettas, slutligen, glöm inte permanentmagneter som är benägna att avmagnetiseras.
På samma sätt, vid temperaturer över cirka 65 ° C, minskar effektiviteten hos enheter som IGBT -växelriktare och behöver därför kylas, även om nyare kraftelektronik baserad på kiselkarbidhalvledare eller galliumnitrid, förutom drift vid ökad spänning, tål högre temperaturer och, kan därför kylas från motorkylsystemet.
Dessutom gör chocken och vibrationerna från grov terräng, plus de potentiella skador som kan orsakas av beskjutning och explosioner, det också svårt att integrera elektrisk drivteknik i lätta militära fordon, konstaterar rapporten.
Rapporten drar slutsatsen att DRDC bör beställa en teknologisk demonstrator. Det är ett relativt enkelt lättare sekventiellt hybrid-taktiskt fordon med elmotorer installerade antingen i hjulnaven eller i axlarna, dieselmotorn är inställd på lämplig toppeffekt och en uppsättning super- eller ultrakondensatorer installeras för att förbättra acceleration och lutbarhet. Superkondensatorer eller ultrakondensatorer lagrar en mycket stor laddning under en kort tid och kan frigöra den mycket snabbt för att generera effektpulser. Bilen kommer antingen inte att vara alls, eller så installeras ett mycket litet batteri, el kommer att genereras under den regenerativa bromsprocessen, vilket resulterar i att tysta rörelser och tysta observationer utesluts.
Kraftkablar som löper till hjulen ensam, ersätter den mekaniska växellådan och drivaxlarna, kommer att avsevärt minska maskinens vikt och förbättra explosionsskyddet, eftersom spridning av sekundärt skräp och fragment elimineras. Utan ett batteri kommer den interna volymen för besättningen och nyttolasten att öka och bli säkrare, och problemen i samband med underhåll och termisk hantering av litiumjonbatterier elimineras.
Dessutom sätts följande mål upp när en prototyp skapas: lägre bränsleförbrukning för en relativt liten dieselmotor som arbetar med konstant varvtal, i kombination med energiåtervinning, ökad kraftproduktion för driftsensorer eller energiexport, ökad tillförlitlighet och förbättrad service.
Stötarna bryr sig inte
Som Bruce Brandl från Armored Research Center (TARDEC) förklarade vid en presentation om motorutveckling, vill den amerikanska armén ha ett framdrivningssystem som gör att dess stridsfordon kan röra sig genom svårare terräng vid högre hastigheter, vilket avsevärt minskar andelen terräng i krigszoner där nuvarande bilar inte kan röra sig. Den så kallade ogenomträngliga terrängen utgör cirka 22% av dessa zoner och armén vill minska denna siffra till 6%. De vill också öka medelhastigheten i större delen av området från dagens 16 km / h till 24 km / h.
Dessutom framhöll Brandl att energibehovet ombord planeras ökas till minst 250 kW, det vill säga högre än vad maskinens generatorer kan ge, eftersom laster tillförs från ny teknik, till exempel elektrifierade torn och skyddssystem, kylning av kraftelektronik., energiexport och riktade energivapen.
Den amerikanska armén uppskattar att uppfyllandet av dessa behov med nuvarande turbodiesel -teknik kommer att öka motorns volym med 56% och fordonets vikt med cirka 1400 kg. Därför, när man utvecklade sitt avancerade kraftverk Advanced Combat Engine (ACE), var huvuduppgiften inställd - att fördubbla den totala effekttätheten från 3 hk / cu. ft till 6 hk / cu. fot.
Medan högre effekttäthet och bättre bränsleeffektivitet är mycket viktigt för nästa generation av militära motorer, är det lika viktigt att minska värmeeffekten. Denna genererade värme är bortkastad energi som förs bort i det omgivande rummet, även om den kan användas för att driva eller generera elektrisk energi. Men det är långt ifrån alltid möjligt att uppnå en perfekt balans mellan alla dessa tre parametrar, till exempel AGT 1500 gasturbinmotorn i M1 Abrams -tanken med en kapacitet på 1500 hk. har låg värmeöverföring och hög effekttäthet, men mycket hög bränsleförbrukning jämfört med dieselmotorer.
Faktum är att gasturbinmotorer genererar en stor mängd värme, men det mesta avlägsnas genom avgasröret på grund av det höga gasflödet. Som ett resultat behöver gasturbiner inte de kylsystem som dieselmotorer behöver. En hög specifik effekt hos dieselmotorer kan uppnås endast genom att lösa problemet med termisk styrning. Brandl betonade att detta främst beror på den begränsade volymen som finns tillgänglig för kylutrustning som rör, pumpar, fläktar och radiatorer. Dessutom tar skyddande strukturer som skottsäkra galler upp volym och begränsar luftflödet, vilket minskar fläktarnas effektivitet.
Kolvar mot
Som Brandl noterade fokuserar ACE-programmet på tvåtaktsmotorer med diesel / flerbränsle med motsatta kolvar på grund av deras inneboende låga värmeavledning. I sådana motorer är två kolvar placerade i varje cylinder, som bildar en förbränningskammare emellan varandra, vilket resulterar i att cylinderhuvudet utesluts, men detta kräver två vevaxlar och insugnings- och avgasportar i cylinderväggarna. Boxermotorer går tillbaka till 1930 -talet och har kontinuerligt förbättrats under årtiondena. Denna gamla idé skonades inte av företaget Achates Power, som i samarbete med Cummins återupplivade och moderniserade denna motor.
En talesman för Achates Power sa att deras boxerteknik har förbättrad värmeeffektivitet, vilket leder till lägre värmeförluster, förbättrad förbränning och minskade pumpförluster. Eliminering av cylinderhuvudet minskade avsevärt yta / volymförhållandet i förbränningskammaren och därmed överföring och frisättning av värme i motorn. Däremot innehåller cylinderhuvudet i en traditionell fyrtaktsmotor många av de hetaste komponenterna och är den främsta källan för värmeöverföring till kylvätskan och den omgivande atmosfären.
Achates -förbränningssystemet använder dubbla bränsleinsprutare diametralt placerade i varje cylinder och en patenterad kolvform för att optimera luft / bränsleblandningen, vilket resulterar i låg sotförbränning och minskad värmeöverföring till förbränningskammarens väggar. En ny laddning av blandningen injiceras i cylindern, och avgaser kommer ut genom portarna, med hjälp av en kompressor som pumpar luft genom motorn. Achates påpekar att denna medströmning har en gynnsam effekt på bränsleekonomi och utsläpp.
Den amerikanska armén vill att ACE-familjen med modulära skalbara drivlinor ska inkludera motorer med samma borrning och slaglängd och olika cylinderantal: 600-750 hk. (3 cylindrar); 300-1000 hk (4); och 1200-1500 hk. (6). Varje kraftverk kommer att uppta en volym - en höjd av 0,53 m och en bredd på 1, 1 m och följaktligen en längd på 1,04 m, 1,25 m och 1,6 m.
Tekniska mål
En intern arméstudie som genomfördes 2010 bekräftade fördelarna med boxermotorer, vilket resulterade i projektet Next Generation Combat Engine (NGCE), där industriföretag presenterade sin utveckling på detta område. Uppgiften var att nå 71 hk. per cylinder och en total effekt på 225 hk. År 2015 överträffades båda dessa siffror lätt på en experimentell motor som testades vid Armored Research Center.
I februari samma år tilldelade armén kontrakt till AVL Powertrain Engineering och Achates Power för experimentella ACE-encylindriga motorer under ett tvåårigt program, inom vilket målet var att uppnå följande egenskaper: effekt 250 hk, vridmoment 678 Nm, specifik bränsleförbrukning 0, 14 kg / hk / h och värmeavledning mindre än 0,45 kW / kW. Alla indikatorer överskreds, förutom värmeöverföring, här var det inte möjligt att sjunka under 0,506 kW / kW.
Sommaren 2017 började Cummins och Achates arbeta enligt ett ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) -kontrakt för att demonstrera en fyrcylindrig motor på 1 000 hk. vridmoment på 2700 Nm och samma krav för specifik bränsleförbrukning och värmeöverföring. Den första motorn tillverkades i juli 2018 och de första driftstesterna slutfördes i slutet av samma år. I augusti 2019 levererades motorn till TARDEC -direktoratet för installation och testning.
Kombinationen av en boxermotor och en hybrid elektrisk drivning skulle förbättra effektiviteten hos fordon av olika typer och storlekar, både militära och civila. Med detta i åtanke utfärdade Advanced Research and Development Authority 2 miljoner dollar till Achates för att utveckla en avancerad enkelcylindrig boxermotor för framtida hybridfordon; i detta projekt samarbetar företaget med University of Michigan och Nissan.
Kolvkontroll
I enlighet med konceptet integrerade denna motor för första gången så nära det elektriska delsystemet och förbränningsmotorn, var och en av de två vevaxlarna roterar och kan drivas av sin egen motorgeneratorsats; det finns ingen mekanisk anslutning mellan axlarna.
Achates bekräftade att motorn endast är konstruerad för sekventiella hybridsystem, eftersom all kraft den genererar överförs elektriskt och generatoraggregaten laddar batteripaketet för att utöka räckvidden. Utan en mekanisk anslutning mellan axlarna överförs inte momentet, vilket leder till en minskning av belastningarna. Som ett resultat kan de göras lättare, minska totalvikt och storlek, friktion och buller och minska kostnaderna.
Kanske viktigast av allt, de frikopplade vevaxlarna möjliggör oberoende kontroll av varje kolv genom användning av kraftelektronik. "Detta är en viktig del av vårt projekt, det är viktigt att avgöra hur utvecklingen av elmotorer och reglage kan förbättra effektiviteten hos förbränningsmotorn." En talesman för Achates bekräftade att denna konfiguration möjliggör vevaxelstyrning, vilket öppnar nya möjligheter. "Vi strävar efter att förbättra effektiviteten hos kolvkontrollen, som inte är tillgänglig med traditionell mekanisk kommunikation."
Vid denna tidpunkt finns det lite information om hur oberoende kolvstyrning kan användas, men i teorin är det möjligt att till exempel göra slaglängden större än kompressionsslaget och därigenom extrahera mer energi från laddningen av luft / bränsle blandning. Ett liknande system implementeras i fyrtaktsmotorer från Atkinson installerade i hybridbilar. I Toyota Prius uppnås detta till exempel genom variabel ventiltid.
Länge var det uppenbart att stora förbättringar av mogna tekniker, till exempel förbränningsmotorer, inte är lätta att uppnå, men avancerade boxermotorer kan vara det som skulle ge verkliga fördelar för militära fordon, särskilt i kombination med elektriska framdrivningssystem. …
