Udoskonalenie kombinacji diesla z napędem elektrycznym
Pojazdy czysto elektryczne, takie jak Reckless, mają bardzo wysokie osiągi i można je przekształcić w seryjne platformy hybrydowe dzięki integracji silnika spalinowego i generatora w celu zwiększenia zasięgu.
Zapotrzebowanie na energię elektryczną z coraz bardziej złożonego pokładowego wyposażenia elektronicznego nowoczesnych wozów bojowych jest dodatkowym bodźcem przy wyborze rozwiązań z napędem hybrydowym, a szereg wzajemnie sprzecznych cech wymaga dalszego rozwoju.
Energia potrzebna do napędzania pojazdów naziemnych oraz obsługi ich systemów i jednostek jest tradycyjnie dostarczana przez silniki Diesla. Zmniejszenie zużycia paliwa nie tylko zwiększa zasięg, ale także zmniejsza ilość logistyki determinowaną utrzymywaniem zapasów paliwa oraz zwiększa bezpieczeństwo specjalistów obsługi logistycznej w procesie serwisowania urządzeń.
W związku z tym siły zbrojne dążą do znalezienia rozwiązania, w którym wysoka sprawność tkwiąca w elektrycznych układach napędowych i wysokie ciepło właściwe spalania oleju napędowego działałyby w jednym „zespole”. Nowe rozwiązania hybrydowe i zaawansowane silniki spalinowe mają potencjał, aby zaoferować wiele praktycznych korzyści, a także cichą jazdę na jednym napędzie elektrycznym, cichy nadzór (czujniki zasilane bateryjnie podczas postoju) i generowanie energii poza terenem zakładu.
Potencjał przenoszenia mocy
Na przykład kanadyjski Urząd ds. Badań i Rozwoju (DRDC) bada możliwość wdrożenia hybrydowych układów napędowych spalinowo-elektrycznych. Agencja opublikowała swoje badania w 2018 roku, koncentrując się na lekkich platformach taktycznych, takich jak HMMWV, ultralekkie pojazdy bojowe typu DAGOR oraz małe jedno- i wielomiejscowe pojazdy ATV.
Raport „The Feasibility of Hybrid Diesel-Electric Powertrains for Light Tactical Vehicles” zauważa, że w większości trybów jazdy, w których prędkość i obciążenia znacznie się różnią (zwykle w terenie), hybrydy mają od 15% do 20% lepszą wydajność paliwową w porównaniu do tradycyjne maszyny z napędem mechanicznym, zwłaszcza przy zastosowaniu hamowania odzyskowego. Ponadto silniki spalinowe, w tym wysokoprężne, najlepiej pracują przy odpowiednio dobranych stałych obrotach, co jest typowe dla sekwencyjnych schematów hybrydowych, w których silnik pracuje tylko jako generator.
Ponieważ moc silnika może być uzupełniana przez akumulatory w krótkich okresach szczytowego zapotrzebowania na moc, jak zauważa raport, silnik można dostroić tak, aby zapewniał tylko średnią potrzebną moc, przy czym mniejsze jednostki napędowe zużywają ogólnie mniej paliwa, przy innych parametrach.
Przy wystarczającej pojemności akumulatora hybrydy mogą również pozostawać w trybie cichego nadzoru przez dłuższy czas z wyłączonym silnikiem i działającymi czujnikami, elektroniką i systemami komunikacyjnymi. Ponadto system może zasilać sprzęt zewnętrzny, ładować akumulatory, a nawet zasilać obóz wojskowy, zmniejszając zapotrzebowanie na holowane generatory.
Podczas gdy napędy hybrydowe zapewniają doskonałą wydajność pod względem prędkości, przyspieszenia i pokonywania wzniesień, akumulator może być ciężki i nieporęczny, co skutkuje zmniejszeniem ładowności – mówi raport DRDC. Może to stanowić problem w przypadku ultralekkich pojazdów i jednomiejscowych quadów. Ponadto w niskich temperaturach spada wydajność samych akumulatorów, często mają one problemy z ładowaniem i zarządzaniem temperaturą.
Chociaż hybrydy szeregowe eliminują ręczną skrzynię biegów, potrzeba silnika, generatora, elektroniki mocy i akumulatora nieuchronnie czyni je ostatecznie trudnymi i kosztownymi w zakupie i utrzymaniu.
Większość elektrolitów akumulatorowych może również stanowić zagrożenie w przypadku uszkodzenia, na przykład ogniwa litowo-jonowe znane są z tendencji do zapalania się po uszkodzeniu. Raport mówi, że stanowi to większe ryzyko niż dostawa oleju napędowego, ale hybrydy niosą ze sobą oba rodzaje ryzyka.
Wybór kombinacji
Dwa główne schematy łączenia silników spalinowych z urządzeniami elektrycznymi to szeregowe i równoległe. Jak wspomniano powyżej, sekwencyjna platforma hybrydowa to samochód elektryczny z generatorem, natomiast w obwodzie równoległym znajduje się silnik oraz silnik trakcyjny, które przekazują moc na koła poprzez połączoną z nimi przekładnię mechaniczną. Oznacza to, że silnik lub silnik trakcyjny może napędzać maszynę oddzielnie lub mogą pracować razem.
W obu typach hybryd komponent elektryczny jest zwykle zespołem silnik-generator (MGU), który może przekształcać energię elektryczną w ruch i odwrotnie. Może napędzać samochód, ładować akumulator, uruchamiać silnik i w razie potrzeby oszczędzać energię poprzez hamowanie rekuperacyjne.
Zarówno hybrydy szeregowe, jak i równoległe opierają się na elektronice mocy, która zarządza ładowaniem akumulatora i reguluje jego temperaturę. Dostarcza również napięcie i prąd, które generator musi dostarczać do akumulatorów, a akumulatory z kolei do silników elektrycznych.
Ta energoelektronika występuje w postaci falowników półprzewodnikowych opartych na półprzewodnikach z węglika krzemu, których wadami są z reguły duże rozmiary i koszty, a także straty ciepła. Elektronika mocy również potrzebuje elektroniki sterującej, podobnej do tej, która napędza silnik spalinowy.
Do teraz historia napędzane elektrycznie pojazdy wojskowe składały się z eksperymentalnych i ambitnych programów rozwojowych, które ostatecznie zostały porzucone. W realnej eksploatacji nadal nie ma hybrydowych pojazdów wojskowych, w szczególności w dziedzinie lekkich pojazdów taktycznych istnieje kilka nierozwiązanych problemów technologicznych. Problemy te można uznać za w dużej mierze rozwiązane dla pojazdów cywilnych, ponieważ działają one w znacznie korzystniejszych warunkach.
Samochody elektryczne okazały się bardzo szybkie. Na przykład eksperymentalny czteromiejscowy pojazd Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) firmy Nikola Motor, zasilany bateriami, jest w stanie przyspieszyć od 0 do 97 km/hw 4 sekundy i ma zasięg 241 km.
„Układ jest jednak jednym z tych najtrudniejszych problemów”, mówi raport DRDC. Rozmiar, waga i rozpraszanie ciepła pakietu akumulatorów są dość duże i należy dokonać kompromisu między całkowitą pojemnością energetyczną a chwilową mocą, jaką mogą dostarczyć dla danej masy i objętości. Przydział miejsca na kable wysokiego napięcia, ich niezawodność i bezpieczeństwo są również wąskimi gardłami wraz z rozmiarem, wagą, chłodzeniem, niezawodnością i wodoodpornością energoelektroniki.
Armia amerykańska bada, jak dostosować napęd, aby pojazdy bojowe poruszały się po nierównym terenie z większą prędkością.
ciepło i kurz
Według raportu wahania temperatury, z jakimi borykają się pojazdy wojskowe, są prawdopodobnie największym wyzwaniem, ponieważ akumulatory litowo-jonowe nie ładują się w temperaturach poniżej zera, a systemy grzewcze zwiększają złożoność i wymagają zasilania. Akumulatory, które przegrzewają się podczas rozładowania są potencjalnie niebezpieczne, należy je schłodzić lub przełączyć w tryb zredukowany, a silniki i generatory również mogą się przegrzewać, wreszcie nie należy zapominać o magnesach trwałych, które są podatne na rozmagnesowanie.
Podobnie w temperaturach powyżej około 65°C urządzenia takie jak inwertery oparte na technologii IGBT zmniejszają sprawność i wymagają chłodzenia, chociaż nowsze energoelektroniki oparte na półprzewodnikach z węglika krzemu czy azotku galu oprócz pracy przy podwyższonym napięciu wytrzymują wyższe temperatury i dlatego może być chłodzony przez układ chłodzenia silnika.
Ponadto wstrząsy i wibracje nierównego terenu, a także potencjalne szkody, które mogą wynikać z ostrzału i eksplozji, również znacznie utrudniają integrację technologii napędu elektrycznego z lekkimi pojazdami wojskowymi, zauważa raport.
Raport stwierdza, że DRDC powinien zlecić wykonanie demonstratora technologii. Jest to stosunkowo prosty lekki pojazd taktyczny z szeregowym układem hybrydowym, z silnikami elektrycznymi w piastach kół lub w osiach, silnikiem wysokoprężnym dostrojonym do odpowiedniej mocy szczytowej oraz zestawem super lub ultra kondensatorów poprawiających przyspieszenie i podjazdy wspinaczka. Superkondensatory lub ultrakondensatory przechowują bardzo duży ładunek przez krótki czas i mogą go bardzo szybko uwolnić, aby wytworzyć impulsy mocy. Samochód albo w ogóle nie będzie miał akumulatora, albo zostanie zainstalowany bardzo mały akumulator, w procesie hamowania regeneracyjnego będzie generowana energia elektryczna, w wyniku czego wykluczone są tryby cichego ruchu i cichej obserwacji.
Kable zasilające poprowadzone do samych kół, zastępujące mechaniczną skrzynię biegów i wały napędowe, znacznie zmniejszą wagę maszyny i poprawią ochronę przeciwwybuchową, ponieważ eliminuje się rozpraszanie wtórnych gruzu i fragmentów. Bez akumulatora pojemność wewnętrzna dla załogi i ładunku zwiększy się i stanie się bezpieczniejsza, a problemy związane z konserwacją i zarządzaniem temperaturą akumulatorów litowo-jonowych zostaną wyeliminowane.
Ponadto celami prototypowego pojazdu są: mniejsze zużycie paliwa stosunkowo małego silnika wysokoprężnego pracującego ze stałą prędkością w połączeniu z odzyskiem energii, zwiększone wytwarzanie energii na potrzeby pracy czujników lub eksport energii, zwiększona niezawodność i lepsza konserwacja.
Silnik AGT 1500 czołg M1 Abrams charakteryzuje się dużą gęstością mocy w porównaniu do silników wysokoprężnych i nie wymaga specjalnego układu chłodzenia
Dziury przytłaczają
Jak wyjaśnił Bruce Brendle z Armored Research Center (TARDEC) podczas prezentacji rozwoju napędu, armia amerykańska chce uzyskać elektrownię, która pozwoli jej pojazdom bojowym poruszać się po trudniejszym terenie z większą prędkością, co znacznie zmniejszy odsetek teren w strefach wojennych, po których obecne samochody nie mogą się poruszać. Tak zwany nieprzekraczalny teren stanowi około 22% tych stref, a armia chce zmniejszyć tę liczbę do 6%. Chcą także zwiększyć średnią prędkość na większości tego obszaru z dzisiejszych 16 km/h do 24 km/h.
Ponadto Brendle podkreślił, że planowane jest zwiększenie zapotrzebowania na energię na pokładzie do co najmniej 250 kW, więcej niż mogą wytworzyć generatory samochodu, jako obciążenie z nowych technologii, takich jak zelektryfikowane wieże i systemy zabezpieczające, energoelektronika chłodzenia, dodaje się eksport energii i energia skierowana na broń.
Armia USA obliczyła, że spełnienie tych potrzeb za pomocą obecnej technologii turbodiesla zwiększy objętość silnika o 56 procent, a masę pojazdu o około 1400 kg. Dlatego przy opracowywaniu zaawansowanej elektrowni Advanced Combat Engine (ACE) postawiono główne zadanie - podwojenie całkowitej gęstości mocy z 3 KM/cu. stopy do 6 KM/mXNUMX. stopa.
Podczas gdy wyższa gęstość mocy i lepsza efektywność paliwowa są bardzo ważne dla nowej generacji silników wojskowych, równie ważne jest ograniczenie wymiany ciepła. To wytworzone ciepło jest zmarnowaną energią rozpraszaną w otaczającej przestrzeni, chociaż może być wykorzystane do napędu lub wytwarzania energii elektrycznej. Ale nie zawsze jest możliwe osiągnięcie idealnej równowagi wszystkich tych trzech parametrów, na przykład turbinowy silnik gazowy AGT 1500 w zbiorniku M1 Abrams o mocy 1500 KM. charakteryzuje się niskim przenikaniem ciepła i dużą gęstością mocy, ale bardzo dużym zużyciem paliwa w porównaniu z silnikami wysokoprężnymi.
W rzeczywistości silniki turbogazowe generują dużą ilość ciepła, ale większość jest wyprowadzana przez rurę wydechową, ze względu na dużą intensywność przepływu gazu. W rezultacie turbiny gazowe nie potrzebują układów chłodzenia, których wymagają silniki wysokoprężne. Wysoką moc właściwą silników wysokoprężnych można osiągnąć jedynie rozwiązując problem regulacji termicznej. Brendle podkreślił, że wynika to głównie z ograniczonej ilości dostępnej dla urządzeń chłodzących, takich jak rurociągi, pompy, wentylatory i chłodnice. Ponadto konstrukcje ochronne, takie jak kratki kuloodporne, również zajmują miejsce i ograniczają przepływ powietrza, zmniejszając wydajność wentylatorów.
Tłoki w kierunku
Jak zauważył Brendle, program ACE kładzie nacisk na dwusuwowe silniki wysokoprężne/wielopaliwowe z tłokami przeciwległymi ze względu na ich nieodłączną niską moc cieplną. W takich silnikach każdy cylinder ma dwa tłoki, które tworzą między sobą komorę spalania, w wyniku czego głowica cylindra jest wykluczona, ale wymaga dwóch wałów korbowych oraz otworów dolotowych i wydechowych w ściankach cylindrów. Silniki Boxer pojawiły się w latach 30. ubiegłego wieku i przez dziesięciolecia były stale ulepszane. Tego starego pomysłu nie ominęła firma Achates Power, która we współpracy z Cummins wskrzesiła i unowocześniła ten silnik.
Rzecznik Achates Power powiedział, że ich technologia bokserów poprawiła wydajność cieplną, powodując mniejsze straty ciepła, lepsze spalanie i mniejsze straty pompowania. Wyłączenie głowicy cylindra umożliwiło znaczne zmniejszenie stosunku powierzchni do objętości w komorze spalania, a tym samym przenoszenie i uwalnianie ciepła w silniku. W przeciwieństwie do tego, w tradycyjnym silniku czterosuwowym głowica cylindra zawiera wiele najgorętszych elementów i jest głównym źródłem przenoszenia ciepła do płynu chłodzącego i otaczającej atmosfery.
Układ spalania Achates wykorzystuje podwójne wtryskiwacze paliwa umieszczone średnicowo w każdym cylindrze oraz opatentowany kształt tłoka, aby zoptymalizować mieszankę powietrzno-paliwową, co skutkuje niskim spalaniem sadzy i zmniejszonym przenoszeniem ciepła do ścian komory spalania. Świeży ładunek mieszanki jest wtryskiwany do cylindra, a spaliny wychodzą przez otwory, wspomagane przez sprężarkę, która pompuje powietrze przez silnik. Achates wskazuje, że to jednorazowe oczyszczanie jest korzystne dla oszczędności paliwa i emisji.
Armia amerykańska chce, aby rodzina modułowych, skalowalnych układów napędowych ACE obejmowała silniki o tym samym średnicy i skoku oraz różnej liczbie cylindrów: 600-750 KM. (3 cylindry); 300-1000 KM (cztery); i 4-1200 KM (1500). Każda elektrownia zajmie objętość - wysokość 6 mi szerokość 0,53 mi odpowiednio długość 1,1 m, 1,04 mi 1,25 m.
Dwusuwowy silnik Boxer od Achates Power i Cummins powinien stać się podstawą rodziny ACE armii amerykańskiej
Cele technologiczne
Wewnętrzne badania wojskowe przeprowadzone w 2010 r. potwierdziły zalety silników typu bokser, czego efektem jest uruchomienie projektu Next-Geneiation Combat Engine (NGCE), w którym przedsiębiorstwa przemysłowe zaprezentowały swoje osiągnięcia w tym zakresie. Zadaniem było osiągnięcie mocy 71 KM. na cylinder i łącznej mocy 225 KM. Do 2015 roku obie te liczby zostały dość łatwo przekroczone na eksperymentalnym silniku, który został przetestowany w Research Armored Center.
W lutym tego samego roku armia przyznała kontrakty AVL Powertrain Engineering i Achates Power na eksperymentalne jednocylindrowe silniki ACE w ramach dwuletniego programu, którego celem było osiągnięcie następujących cech: moc 250 KM, moment obrotowy 678 Nm, jednostkowe zużycie paliwa 0,14 kg/KM/h i rozpraszanie ciepła poniżej 0,45 kW/kW. Wszystkie wskaźniki zostały przekroczone, z wyjątkiem wymiany ciepła, tutaj nie udało się zejść poniżej 0,506 kW/kW.
Latem 2017 roku Cummins i Achates rozpoczęli prace w ramach kontraktu ACE Multi-Cylinder Engine (MCE), aby zademonstrować czterocylindrowy silnik o mocy 1000 KM. moment obrotowy 2700 Nm i takie same wymagania dotyczące jednostkowego zużycia paliwa i wymiany ciepła. Pierwszy silnik wyprodukowano w lipcu 2018 roku, a wstępne testy eksploatacyjne zakończono pod koniec tego samego roku. W sierpniu 2019 roku silnik został dostarczony do TARDEC do montażu i testów.
Połączenie silnika typu bokser i hybrydowego napędu elektrycznego poprawiłoby sprawność pojazdów różnych typów i rozmiarów, zarówno wojskowych, jak i cywilnych. Zdając sobie z tego sprawę, Biuro Zaawansowanych Badań i Rozwoju przyznało firmie Achates dwa miliony dolarów na opracowanie zaawansowanego jednocylindrowego silnika typu bokser dla zaawansowanych pojazdów hybrydowych; w tym projekcie firma współpracuje z Uniwersytetem Michigan i Nissanem.
Sterowanie tłokiem
Zgodnie z koncepcją, po raz pierwszy w tym silniku podsystem elektryczny i silnik spalinowy są tak ściśle zintegrowane, że każdy z dwóch wałów korbowych obraca się i może być napędzany przez własny zespół silnik-generator; nie ma mechanicznego połączenia między wałami.
Achates potwierdził, że silnik jest przeznaczony tylko do sekwencyjnych systemów hybrydowych, ponieważ cała generowana przez niego moc jest przekazywana elektrycznie, a zespoły silnikowo-prądnicowe ładują akumulator w celu uzyskania większego zasięgu. Bez mechanicznego połączenia między wałami moment nie jest przenoszony, co prowadzi do zmniejszenia obciążeń. W rezultacie mogą być lżejsze, zmniejszyć całkowitą wagę i rozmiar, zmniejszyć tarcie i hałas oraz obniżyć koszty.
Co być może najważniejsze, odsprzęgnięte wały korbowe umożliwiają niezależne sterowanie każdym tłokiem poprzez zastosowanie elektroniki mocy. „To ważna część naszego projektu, ważne jest, aby określić, w jaki sposób rozwój silników elektrycznych i sterowników może zwiększyć wydajność silnika spalinowego”. Rzecznik firmy Achates potwierdził, że ta konfiguracja pozwala kontrolować synchronizację wału korbowego, co otwiera nowe możliwości. „Chcemy poprawić wydajność sterowania tłokami, co nie jest możliwe w przypadku tradycyjnego połączenia mechanicznego”.
Obecnie dostępnych jest niewiele informacji na temat tego, w jaki sposób można wykorzystać niezależne sterowanie tłokiem, ale teoretycznie możliwe jest na przykład zwiększenie suwu pracy niż suw sprężania, a tym samym uzyskanie większej ilości energii z ładunku mieszanki paliwowo-powietrznej. Podobny schemat jest realizowany w czterosuwowych silnikach Atkinsona montowanych w samochodach hybrydowych. Na przykład w Toyocie Prius osiąga się to dzięki zmiennym fazom rozrządu.
Od dawna wiadomo, że duże ulepszenia w znanych technologiach, takich jak silniki spalinowe, nie są łatwe do osiągnięcia, ale zaawansowane silniki typu bokser mogą być czymś, co przyniosłoby realne korzyści pojazdom wojskowym, zwłaszcza w połączeniu z napędem elektrycznym.
informacja