Verbetering van diesel-elektrische combinaties
De behoefte aan elektriciteit uit de steeds complexere elektronische apparatuur aan boord van moderne gevechtsvoertuigen is een extra stimulans bij het kiezen van oplossingen met een hybride aandrijving, terwijl een aantal onderling tegenstrijdige kenmerken verder ontwikkeld moeten worden.
De energie die nodig is om grondvoertuigen aan te drijven en hun systemen en eenheden te laten werken, wordt traditioneel geleverd door dieselmotoren. Het verminderen van het brandstofverbruik vergroot niet alleen de actieradius, maar vermindert ook de hoeveelheid logistiek die wordt bepaald door het onderhouden van brandstofreserves, en verhoogt de veiligheid van logistieke servicespecialisten bij het onderhoud van apparatuur.
In dit verband streeft de krijgsmacht naar een oplossing waarbij het hoge rendement dat inherent is aan elektrische aandrijfsystemen en de hoge soortelijke verbrandingswarmte van dieselbrandstof in één "team" zouden werken. Nieuwe hybride oplossingen en geavanceerde verbrandingsmotoren hebben het potentieel om grote praktische voordelen te bieden, samen met geruisloos enkelvoudig elektrisch rijden, stille bewaking (op batterijen werkende sensoren tijdens het parkeren) en externe stroomopwekking.
Vermogensoverbrengingspotentieel
Zo onderzoekt de Canadian Research and Development Authority (DRDC) de mogelijkheid om hybride diesel-elektrische aandrijflijnen te implementeren. Het bureau publiceerde zijn onderzoek in 2018, gericht op lichte tactische platforms zoals de HMMWV, ultralichte gevechtsvoertuigen van het DAGOR-type en kleine ATV's met één en meerdere zitplaatsen.
In het rapport "The Feasibility of Hybrid Diesel-Electric Powertrains for Light Tactical Vehicles" wordt opgemerkt dat hybrides in de meeste rijmodi waarin snelheid en belasting aanzienlijk variëren (doorgaans off-road rijden), een 15% tot 20% lager brandstofverbruik hebben in vergelijking met traditionele mechanisch aangedreven machines, vooral bij gebruik van regeneratief remmen. Bovendien presteren verbrandingsmotoren, inclusief dieselmotoren, het beste wanneer ze worden gebruikt bij zorgvuldig geselecteerde constante snelheden, wat typerend is voor sequentiële hybride schema's waarbij de motor alleen als generator werkt.
Omdat het motorvermogen kan worden aangevuld met batterijen tijdens korte perioden van piekvermogen, merkt het rapport op, kan de motor worden afgesteld om alleen het gemiddelde benodigde vermogen te leveren, waarbij kleinere krachtbronnen in het algemeen minder brandstof verbruiken, terwijl andere zaken gelijk blijven.
Met voldoende batterijcapaciteit kunnen hybrides ook gedurende langere tijd in stille bewakingsmodus blijven terwijl de motor is uitgeschakeld en sensoren, elektronica en communicatiesystemen werken. Bovendien kan het systeem externe apparatuur van stroom voorzien, batterijen opladen en zelfs een militair kamp van stroom voorzien, waardoor er minder generatoren nodig zijn.
Terwijl hybride aandrijvingen superieure prestaties leveren op het gebied van snelheid, acceleratie en klimvermogen, kan het batterijpakket zwaar en onhandelbaar zijn, wat resulteert in een verminderd laadvermogen, aldus het DRDC-rapport. Dit kan een probleem zijn voor ultralichte voertuigen en quads met één stoel. Bovendien nemen bij lage temperaturen de prestaties van de batterijen zelf af, ze hebben vaak problemen met opladen en thermisch beheer.
Hoewel seriehybriden handmatige transmissie overbodig maken, maakt de noodzaak van een motor, generator, vermogenselektronica en batterij ze uiteindelijk moeilijk en duur om aan te schaffen en te onderhouden.
De meeste elektrolyten van batterijen kunnen ook risico's met zich meebrengen wanneer ze beschadigd zijn. Lithium-ioncellen staan bijvoorbeeld bekend om hun neiging om te ontbranden wanneer ze beschadigd zijn. Of dit een groter risico met zich meebrengt dan de levering van diesel kan discutabel zijn, zegt het rapport, maar hybrides dragen beide risico's.
Combinatie selectie
De twee belangrijkste schema's voor het combineren van verbrandingsmotoren met elektrische apparaten zijn serie en parallel. Zoals hierboven vermeld, is het sequentiële hybride platform een elektrische auto met een generator, terwijl er in het parallelle circuit een motor en een tractiemotor zijn, die vermogen naar de wielen overbrengen via een mechanische transmissie die ermee is verbonden. Dit betekent dat de motor of tractiemotor de machine afzonderlijk kan aandrijven of dat ze kunnen samenwerken.
In beide typen hybriden is de elektrische component typisch een motor-generatorset (MGU) die elektrische energie in beweging kan omzetten en vice versa. Het kan de auto voortstuwen, de accu opladen, de motor starten en, indien nodig, energie besparen door regeneratief remmen.
Zowel serie- als parallelle hybrides vertrouwen op vermogenselektronica om de batterijlading te beheren en de batterijtemperatuur te regelen. Het levert ook de spanning en stroom die de generator moet leveren aan de accu's, en de accu's op hun beurt aan de elektromotoren.
Deze vermogenselektronica wordt geleverd in de vorm van halfgeleideromvormers op basis van siliciumcarbidehalfgeleiders, waarvan de nadelen in de regel grote afmetingen en kosten zijn, evenals warmteverlies. De vermogenselektronica heeft ook regelelektronica nodig, vergelijkbaar met die van een verbrandingsmotor.
Tot nu история elektrisch aangedreven militaire voertuigen bestonden uit experimentele en ambitieuze ontwikkelingsprogramma's die uiteindelijk allemaal werden opgegeven. In echte operatie zijn er nog steeds geen hybride militaire voertuigen, met name op het gebied van lichte tactische voertuigen zijn er verschillende onopgeloste technologische problemen. Deze problemen kunnen voor civiele voertuigen als grotendeels opgelost worden beschouwd, aangezien ze onder veel gunstiger omstandigheden werken.
Elektrische auto's hebben bewezen erg snel te zijn. Nikola Motor's experimentele vierzitter Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV), aangedreven door batterijen, kan bijvoorbeeld in 0 seconden van 97 tot 4 km/u accelereren en heeft een bereik van 241 km.
"Lay-out is echter een van de moeilijkste problemen", zegt het DRDC-rapport. De grootte, het gewicht en de warmteafvoer van het batterijpakket is vrij groot en er moet een afweging worden gemaakt tussen de totale energiecapaciteit en het momentane vermogen dat ze kunnen leveren voor een bepaalde massa en volume. Ruimtetoewijzing voor hoogspanningskabels, hun betrouwbaarheid en veiligheid zijn ook knelpunten, samen met grootte, gewicht, koeling, betrouwbaarheid en waterdichting van vermogenselektronica.
hitte en stof
Temperatuurschommelingen waarmee militaire voertuigen worden geconfronteerd, zijn misschien wel de grootste uitdaging, zegt het rapport, omdat lithium-ionbatterijen niet opladen bij temperaturen onder het vriespunt, en verwarmingssystemen de complexiteit vergroten en stroom vereisen. Batterijen die tijdens het ontladen oververhit raken, zijn potentieel gevaarlijk, ze moeten worden gekoeld of in een gereduceerde modus worden geschakeld, terwijl motoren en generatoren ook oververhit kunnen raken, tot slot, vergeet permanente magneten niet, die gevoelig zijn voor demagnetisatie.
Evenzo verminderen apparaten zoals inverters op basis van IGBT-technologie bij temperaturen boven ongeveer 65 °C in efficiëntie en hebben ze koeling nodig, hoewel nieuwere vermogenselektronica op basis van siliciumcarbidehalfgeleiders of galliumnitride, naast werken bij verhoogde spanning, bestand is tegen hogere temperaturen en kan daarom worden gekoeld door het motorkoelsysteem.
Bovendien maken de schokken en trillingen van ruw terrein, plus de mogelijke schade die kan voortvloeien uit beschietingen en explosies, het ook veel moeilijker om elektrische aandrijftechnologie te integreren in lichte militaire voertuigen, aldus het rapport.
In het rapport wordt geconcludeerd dat de DRDC een technologiedemonstrator moet inhuren. Het is een relatief eenvoudig, licht tactisch voertuig met een seriehybride lay-out, met elektromotoren in de wielnaven of in de assen, een dieselmotor die is afgestemd op het juiste piekvermogen en een set super- of ultracondensatoren om de acceleratie en hellingen te verbeteren. klimmen. Super- of ultracondensatoren slaan een zeer grote lading voor een korte periode op en kunnen deze zeer snel vrijgeven om vermogenspulsen te produceren. De auto zal ofwel helemaal geen batterij hebben, of er zal een zeer kleine batterij worden geïnstalleerd, er zal elektriciteit worden opgewekt tijdens het regeneratief remmen, waardoor stille bewegingen en stille observatie uitgesloten zijn.
De stroomkabels die alleen op de wielen zijn gelegd, ter vervanging van de mechanische transmissie en aandrijfassen, zullen het gewicht van de machine aanzienlijk verminderen en de bescherming tegen explosies verbeteren, aangezien de verspreiding van secundair vuil en fragmenten wordt geëlimineerd. Zonder batterij zal het interne volume voor de bemanning en het laadvermogen toenemen en veiliger worden, de problemen die samenhangen met het onderhoud en het thermisch beheer van lithium-ionbatterijen zullen worden geëlimineerd.
Daarnaast zijn de doelen van het prototype voertuig: lager brandstofverbruik van een relatief kleine dieselmotor die draait op constant toerental, gecombineerd met energieterugwinning, meer stroomopwekking voor sensorbediening of energie-export, verhoogde betrouwbaarheid en verbeterd onderhoud.
Potholes overweldigen
Zoals Bruce Brendle van het Armored Research Center (TARDEC) uitlegde tijdens een presentatie over de ontwikkeling van de voortstuwing, wil het Amerikaanse leger een krachtcentrale krijgen waarmee zijn gevechtsvoertuigen met hogere snelheden door moeilijker terrein kunnen bewegen, waardoor het percentage van terrein in oorlogsgebieden, waar de huidige auto's zich niet kunnen verplaatsen. Het zogenaamd onbegaanbaar terrein maakt ongeveer 22% van deze zones uit en het leger wil dit cijfer terugbrengen tot 6%. Ook willen ze de gemiddelde snelheid over het grootste deel van dit gebied verhogen van de huidige 16 km/u naar 24 km/u.
Bovendien benadrukte Brendle dat het de bedoeling is om de energiebehoefte aan boord te verhogen tot ten minste 250 kW, meer dan wat de generatoren van de auto kunnen produceren, aangezien de belasting van nieuwe technologieën, zoals geëlektrificeerde torens en beveiligingssystemen, koelvermogenselektronica, wordt toegevoegd. , energie-export en op wapens gerichte energie.
Het Amerikaanse leger heeft berekend dat het voldoen aan deze behoeften met de huidige turbodieseltechnologie het motorvolume met 56 procent en het voertuiggewicht met ongeveer 1400 kg zal doen toenemen. Daarom was bij de ontwikkeling van de geavanceerde Advanced Combat Engine (ACE)-krachtcentrale de hoofdtaak gesteld: het verdubbelen van de totale vermogensdichtheid van 3 pk / cu. ft tot 6 pk/cu. voet.
Hoewel een hogere vermogensdichtheid en een lager brandstofverbruik erg belangrijk zijn voor de nieuwe generatie militaire motoren, is het verminderen van de warmteoverdracht even belangrijk. Deze gegenereerde warmte is verspilde energie die in de omringende ruimte wordt gedissipeerd, hoewel deze kan worden gebruikt voor voortstuwing of elektrische energieopwekking. Maar het is lang niet altijd mogelijk om een perfecte balans te bereiken tussen al deze drie parameters, bijvoorbeeld de AGT 1500 gasturbinemotor van de 1 pk sterke M1500 Abrams-tank. heeft een lage warmteoverdracht en een hoge vermogensdichtheid, maar een zeer hoog brandstofverbruik in vergelijking met dieselmotoren.
In werkelijkheid genereren gasturbinemotoren een grote hoeveelheid warmte, maar het meeste wordt afgevoerd via de uitlaatpijp vanwege de hoge intensiteit van de gasstroom. Als gevolg hiervan hebben gasturbines geen koelsystemen nodig die dieselmotoren nodig hebben. Een hoog specifiek vermogen van dieselmotoren kan alleen worden bereikt door het probleem van thermische regeling op te lossen. Brendle benadrukte dat dit vooral te wijten is aan het beperkte volume dat beschikbaar is voor koelapparatuur zoals leidingen, pompen, ventilatoren en radiatoren. Bovendien nemen beschermende constructies zoals kogelvrije roosters ook ruimte in beslag en beperken ze de luchtstroom, waardoor de efficiëntie van de ventilatoren afneemt.
Zuigers naar
Zoals Brendle opmerkte, legt het ACE-programma de nadruk op tweetaktdiesel-/multifuelmotoren met tegengestelde zuigers vanwege hun inherent lage warmteafgifte. In dergelijke motoren heeft elke cilinder twee zuigers die daartussen een verbrandingskamer vormen, waardoor de cilinderkop is uitgesloten, maar er zijn twee krukassen en in- en uitlaatpoorten in de cilinderwanden nodig. Boxermotoren verschenen in de jaren 30 van de vorige eeuw en zijn in de loop van de decennia voortdurend verbeterd. Dit oude idee werd niet omzeild door het bedrijf Achates Power, dat in samenwerking met Cummins deze motor nieuw leven inblies en moderniseerde.
De woordvoerder van Achates Power zei dat hun boxertechnologie de thermische efficiëntie heeft verbeterd, wat resulteert in minder warmteverlies, verbeterde verbranding en verminderde pompverliezen. De uitsluiting van de cilinderkop maakte het mogelijk om de verhouding van oppervlakte tot volume in de verbrandingskamer aanzienlijk te verminderen en daarmee de overdracht en afgifte van warmte in de motor. In een traditionele viertaktmotor daarentegen bevat de cilinderkop veel van de heetste componenten en is hij de belangrijkste bron van warmteoverdracht naar de koelvloeistof en de omringende atmosfeer.
Het Achates-verbrandingssysteem maakt gebruik van dubbele brandstofinjectoren die diametraal in elke cilinder zijn geplaatst en een gepatenteerde zuigervorm om het lucht-brandstofmengsel te optimaliseren, wat resulteert in een lage roetverbranding en verminderde warmteoverdracht naar de wanden van de verbrandingskamer. Een nieuwe lading van het mengsel wordt in de cilinder geïnjecteerd en de uitlaatgassen verlaten de poorten, bijgestaan door een aanjager die lucht door de motor pompt. Achates wijst erop dat deze eenmalige spoeling gunstig is voor het brandstofverbruik en de emissies.
Het Amerikaanse leger wil dat de ACE modulaire schaalbare aandrijflijnfamilie motoren omvat met dezelfde boring en slag en verschillende aantallen cilinders: 600-750 pk. (3 cilinders); 300-1000 pk (vier); en 4-1200 pk (1500). Elke energiecentrale zal een volume innemen - een hoogte van 6 m en een breedte van 0,53 m en respectievelijk een lengte van 1,1 m, 1,04 m en 1,25 m.
Technologische doelen
Een interne legerstudie in 2010 bevestigde de voordelen van boxermotoren, resulterend in de lancering van het Next-Geneiation Combat Engine (NGCE)-project, waarin industriële ondernemingen hun ontwikkelingen op dit gebied presenteerden. De opdracht was om een vermogen van 71 pk te behalen. per cilinder en een totaal vermogen van 225 pk. In 2015 werden beide cijfers vrij gemakkelijk overschreden op een experimentele motor die werd getest in het Research Armored Center.
In februari van hetzelfde jaar kende het leger AVL Powertrain Engineering- en Achates Power-contracten toe voor experimentele eencilinder ACE-motoren in het kader van een tweejarig programma, dat tot doel had de volgende kenmerken te bereiken: vermogen 250 pk, koppel 678 Nm, specifiek brandstofverbruik 0,14, 0,45 kg/pk/h en warmteafvoer minder dan 0,506 kW/kW. Alle indicatoren werden overschreden, behalve warmteoverdracht, hier was het niet mogelijk om onder XNUMX kW/kW te komen.
In de zomer van 2017 begonnen Cummins en Achates te werken onder het ACE Multi-Cylinder Engine (MCE)-contract om een viercilindermotor van 1000 pk te demonstreren. koppel van 2700 Nm en dezelfde eisen voor specifiek brandstofverbruik en warmteoverdracht. De eerste motor werd in juli 2018 geproduceerd en de eerste operationele tests werden tegen het einde van hetzelfde jaar voltooid. In augustus 2019 is de motor geleverd aan TARDEC voor installatie en testen.
De combinatie van een boxermotor en een hybride elektrische aandrijving zou de efficiëntie van voertuigen van verschillende soorten en maten, zowel militair als civiel, verbeteren. Het Office of Advanced Research and Development erkende dit en kende Achates twee miljoen dollar toe voor de ontwikkeling van een geavanceerde eencilinder boxermotor voor geavanceerde hybride voertuigen; voor dit project werkt het bedrijf samen met de Universiteit van Michigan en Nissan.
Zuigerbediening
In overeenstemming met het concept zijn voor het eerst in deze motor het elektrische subsysteem en de verbrandingsmotor zo nauw geïntegreerd, dat elk van de twee krukassen roteert en kan worden aangedreven door een eigen motor-generatorset; er is geen mechanische verbinding tussen de assen.
Achates heeft bevestigd dat de motor alleen is ontworpen voor sequentiële hybride systemen, aangezien al het vermogen dat hij genereert elektrisch wordt overgedragen en de motor-generatorsets het batterijpakket opladen voor een groter bereik. Zonder een mechanische verbinding tussen de assen wordt het moment niet overgedragen, wat leidt tot een afname van de belastingen. Als gevolg hiervan kunnen ze lichter worden gemaakt, het totale gewicht en de afmetingen verminderen, wrijving en geluid verminderen en de kosten verlagen.
Misschien wel het belangrijkste is dat de ontkoppelde krukassen onafhankelijke controle van elke zuiger mogelijk maken door het gebruik van vermogenselektronica. "Dit is een belangrijk onderdeel van ons project, het is belangrijk om te bepalen hoe de ontwikkeling van elektromotoren en besturingen de efficiëntie van de verbrandingsmotor zou kunnen verhogen." Een woordvoerder van Achates bevestigde dat deze configuratie het mogelijk maakt om de krukassynchronisatie te regelen, wat nieuwe mogelijkheden opent. "We willen de efficiëntie van de zuigerregeling verbeteren, wat niet mogelijk is met een traditionele mechanische koppeling."
Er is momenteel weinig informatie beschikbaar over hoe onafhankelijke zuigerregeling kan worden gebruikt, maar het is theoretisch mogelijk om bijvoorbeeld de arbeidsslag groter te maken dan de compressieslag en daardoor meer energie uit de lading van het lucht-brandstofmengsel te halen. Een soortgelijk schema wordt geïmplementeerd in Atkinson-viertaktmotoren die in hybride auto's zijn geïnstalleerd. In de Toyota Prius wordt dit bijvoorbeeld bereikt door variabele kleptiming.
Het is al lang duidelijk dat grote verbeteringen in gevestigde technologieën zoals verbrandingsmotoren niet gemakkelijk te realiseren zijn, maar geavanceerde boxermotoren zouden iets kunnen zijn dat echte voordelen zou bieden aan militaire voertuigen, vooral in combinatie met elektrische voortstuwing.
informatie