Tenaga yang diperlukan untuk mendorong kenderaan darat dan untuk mengoperasikan sistem dan pemasangannya secara tradisional disediakan oleh mesin diesel. Mengurangkan penggunaan bahan bakar tidak hanya meningkatkan jangkauan, tetapi juga mengurangi jumlah logistik, yang ditentukan oleh penyelenggaraan simpanan bahan bakar, dan meningkatkan perlindungan personel servis belakang dalam proses servis peralatan.
Dalam hal ini, angkatan bersenjata berusaha untuk mencari penyelesaian di mana kecekapan tinggi dan panas pembakaran bahan bakar diesel yang melekat dalam sistem dengan pemacu elektrik akan berfungsi dalam satu "pasukan". Penyelesaian hibrid baru dan enjin pembakaran canggih berpotensi untuk memberikan faedah praktikal yang hebat di samping pemacu elektrik tunggal yang tenang, pemantauan yang tenang (sensor yang dikendalikan oleh bateri semasa pegun), dan penjanaan kuasa untuk pengguna luaran.
Potensi kereta api berkuasa
Sebagai contoh, Research Canada (DRDC) sedang menyiasat kelayakan enjin diesel elektrik-hibrid. FDA menerbitkan penyelidikannya pada tahun 2018, dengan fokus pada platform taktikal ringan seperti HMMWV, kenderaan tempur ultralight kelas DAGOR, dan ATV tunggal dan berbilang tempat duduk yang kecil.
Laporan Kelayakan Powertrains Diesel-Electric Hibrid untuk Kenderaan Taktikal Ringan menyatakan bahawa dalam kebanyakan mod pemanduan di mana kelajuan dan beban berbeza secara signifikan (biasanya di luar jalan raya), hibrid mempunyai kecekapan bahan bakar 15% -20% lebih baik dari segi ekonomi bahan bakar. mesin tradisional yang digerakkan secara mekanikal, terutamanya ketika menggunakan brek regeneratif. Selain itu, enjin pembakaran dalaman, termasuk enjin diesel, berkinerja terbaik apabila dikendalikan pada rpm tetap yang dipilih dengan teliti, yang khas dari sistem hibrid berurutan di mana enjin hanya beroperasi sebagai penjana.
Seperti yang dinyatakan dalam laporan itu, kerana tenaga enjin dapat ditambah dengan bateri dalam jangka pendek penggunaan tenaga puncak, mesin dapat disetel hanya untuk memberikan daya rata-rata yang diperlukan, dengan pembangkit yang lebih kecil umumnya menggunakan lebih sedikit bahan bakar, semua hal lain sama.
Dengan kapasiti bateri yang mencukupi, hibrida juga dapat tetap dalam mod pemantauan senyap untuk waktu yang lama dengan enjin dimatikan dan berfungsi, sensor, elektronik dan sistem komunikasi. Di samping itu, sistem ini dapat menghidupkan peralatan luaran, mengecas bateri, dan bahkan memberi kuasa kepada kem tentera, yang mengurangkan keperluan untuk generator yang ditarik.
Walaupun pemacu hibrid menawarkan prestasi yang lebih baik dari segi kepantasan, pecutan dan kebolehkelasan, pek bateri boleh menjadi berat dan tidak berat, mengakibatkan muatan berkurang, kata DRDC. Ini boleh menjadi masalah bagi kenderaan ultralight dan ATV satu tempat duduk. Selain itu, pada suhu rendah, ciri bateri itu sendiri berkurang, mereka sering menghadapi masalah dengan pengecasan dan kawalan suhu.
Walaupun hibrid berurutan menghilangkan transmisi mekanikal, keperluan enjin, penjana, elektronik kuasa dan bateri pasti menjadikannya sukar dan mahal untuk dibeli dan diselenggara.
Sebilangan besar elektrolit bateri juga boleh menimbulkan risiko apabila rosak, misalnya sel lithium-ion diketahui menyala ketika rosak. Sama ada ini berisiko lebih besar daripada membekalkan bahan bakar diesel mungkin merupakan titik pertimbangan, laporan itu menunjukkan, tetapi hibrida menanggung kedua risiko tersebut.
Pemilihan gabungan
Dua skema utama untuk menggabungkan enjin pembakaran dalaman dengan peranti elektrik adalah bersiri dan selari. Seperti yang disebutkan di atas, platform hibrid bersiri adalah mesin elektrik dengan generator, sementara secara selari terdapat mesin dan motor daya tarikan, yang, melalui transmisi mekanikal yang dihubungkan dengan mereka, mengirimkan daya ke roda. Ini bermaksud mesin atau daya tarikan dapat menggerakkan mesin secara individu, atau mereka dapat bekerjasama.
Dalam kedua-dua jenis hibrida, komponen elektrik biasanya merupakan set penjana motor (MGU), yang dapat mengubah tenaga elektrik menjadi gerakan dan sebaliknya. Ia dapat memandu kereta, mengecas bateri, menghidupkan enjin dan, jika perlu, menjimatkan tenaga melalui brek regeneratif.
Kedua-dua hibrid siri dan selari bergantung pada elektronik kuasa untuk menguruskan kuasa bateri dan mengatur suhu bateri. Mereka juga memberikan voltan dan ampere yang mesti dibekalkan oleh generator ke bateri dan bateri secara bergantian ke motor elektrik.
Elektronik kuasa ini datang dalam bentuk penyongsang semikonduktor berdasarkan semikonduktor silikon karbida, yang keburukannya, sebagai peraturan, termasuk ukuran dan kos yang besar, serta kehilangan haba. Elektronik kuasa juga memerlukan elektronik kawalan yang serupa dengan yang menghidupkan enjin pembakaran dalaman.
Sehingga kini, sejarah kenderaan tentera berkuasa elektrik terdiri daripada program pembangunan eksperimental dan bercita-cita tinggi yang akhirnya ditutup. Dalam operasi sebenar, masih belum ada kenderaan tentera hibrid, khususnya, dalam bidang kenderaan taktikal ringan, masih ada beberapa masalah teknologi yang belum dapat diselesaikan. Masalah-masalah ini dapat dianggap dapat diselesaikan secara besar-besaran untuk kenderaan awam kerana ia beroperasi dalam keadaan yang lebih baik.
Kereta elektrik menunjukkan diri mereka sangat laju. Sebagai contoh, empat tempat duduk Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) bertenaga bateri eksperimental Nikola Motor dapat mempercepat 0 hingga 97 km / j dalam 4 saat dan mempunyai jarak 241 km.
"Tata letak, bagaimanapun, adalah salah satu cabaran besar," kata laporan DRDC. Ukuran, berat dan pelesapan haba pek bateri cukup besar, dan kompromi mesti dibuat antara jumlah kapasiti tenaga dan daya sesaat yang dapat mereka berikan untuk jisim dan isipadu tertentu. Peruntukan kelantangan untuk kabel voltan tinggi, kebolehpercayaan dan keselamatannya juga menjadi hambatan bersama dengan ukuran, berat, penyejukan, kebolehpercayaan dan kalis air elektronik kuasa.
Panas dan habuk
Laporan itu mengatakan perubahan suhu yang dihadapi oleh kenderaan tentera mungkin merupakan masalah terbesar, kerana bateri lithium-ion tidak akan dicas pada suhu di bawah sifar dan sistem pemanasan menambah kerumitan dan memerlukan tenaga. Bateri yang terlalu panas semasa pembuangan berpotensi berbahaya, ia mesti disejukkan atau dikurangkan ke mod berkurang, sementara motor dan penjana juga boleh terlalu panas, akhirnya, jangan lupa tentang magnet kekal, yang rentan terhadap demagnetisasi.
Begitu juga, pada suhu di atas sekitar 65 ° C, kecekapan peranti seperti penyongsang IGBT menurun dan oleh itu memerlukan penyejukan, walaupun elektronik kuasa yang lebih baru berdasarkan semikonduktor silikon karbida atau gallium nitrida, selain beroperasi pada voltan yang meningkat, menahan suhu yang lebih tinggi dan, oleh itu, dapat disejukkan dari sistem penyejukan enjin.
Selain itu, kejutan dan getaran dari medan yang kasar, ditambah dengan kemungkinan kerusakan yang mungkin disebabkan oleh penembakan dan letupan, juga menyukarkan penyatuan teknologi pemacu elektrik ke dalam kenderaan tentera ringan, kata laporan itu.
Laporan itu menyimpulkan bahawa DRDC harus memerintahkan demonstrasi teknologi. Ia adalah kenderaan taktikal hibrid berurutan ringan yang agak sederhana dengan motor elektrik dipasang sama ada di roda roda atau di gandar, enjin diesel diselaraskan dengan daya puncak yang sesuai, dan satu set kapasitor super atau ultracapacitors dipasang untuk meningkatkan pecutan dan kebolehpasaran. Supercapacitors atau ultracapacitors menyimpan cas yang sangat besar untuk jangka masa yang pendek dan dapat melepaskannya dengan cepat untuk menghasilkan denyutan kuasa. Kereta tidak akan sama sekali, atau bateri yang sangat kecil akan dipasang, elektrik akan dihasilkan semasa proses brek regeneratif, akibatnya, mod pergerakan senyap dan pemerhatian senyap tidak termasuk.
Kabel kuasa yang berjalan ke roda sahaja, menggantikan transmisi mekanikal dan poros pemacu, akan mengurangkan berat mesin dengan ketara dan meningkatkan perlindungan letupan, kerana penyebaran serpihan dan serpihan sekunder dihapuskan. Tanpa bateri, jumlah dalaman kru dan muatan akan meningkat dan menjadi lebih selamat, dan masalah yang berkaitan dengan penyelenggaraan dan pengurusan terma bateri lithium-ion akan dihilangkan.
Sebagai tambahan, tujuan berikut ditetapkan ketika membuat prototaip: penggunaan bahan bakar yang lebih rendah dari mesin diesel yang relatif kecil yang beroperasi pada rpm tetap, digabungkan dengan pemulihan tenaga, peningkatan penjanaan tenaga untuk sensor operasi atau eksport tenaga, peningkatan kebolehpercayaan dan peningkatan perkhidmatan.
Benjolan tidak peduli
Seperti yang dijelaskan oleh Bruce Brandl dari Pusat Penyelidikan Lapis Baja (TARDEC) pada pembentangan mengenai pengembangan mesin, Angkatan Darat AS mahukan sistem pendorong yang akan membolehkan kenderaan tempurnya bergerak melalui medan yang lebih sukar pada kelajuan yang lebih tinggi, yang akan mengurangkan peratusan medan dengan ketara di zon perang. di mana kereta semasa tidak dapat bergerak. Kawasan yang boleh dilalui merangkumi sekitar 22% zon ini dan tentera ingin mengurangkan angka ini menjadi 6%. Mereka juga ingin meningkatkan kelajuan rata-rata di kebanyakan kawasan dari 16 km / j sekarang hingga 24 km / j.
Sebagai tambahan, Brandl menekankan bahawa permintaan tenaga di atas kapal dirancang untuk ditingkatkan menjadi sekurang-kurangnya 250 kW, yaitu lebih tinggi daripada yang dapat disediakan oleh generator mesin, kerana beban ditambahkan dari teknologi baru, misalnya, menara elektrik dan sistem perlindungan, penyejukan elektronik tenaga., eksport tenaga dan senjata tenaga yang diarahkan.
Angkatan Darat AS menganggarkan bahawa memenuhi keperluan ini dengan teknologi turbodiesel semasa akan meningkatkan jumlah mesin sebanyak 56% dan berat kenderaan sekitar 1400 kg. Oleh itu, semasa membangunkan janakuasa canggih Advanced Combat Engine (ACE), tugas utamanya ditetapkan - untuk menggandakan jumlah ketumpatan kuasa dari 3 hp / cu. kaki hingga 6 hp / cu. kaki.
Walaupun ketumpatan kuasa yang lebih tinggi dan kecekapan bahan bakar yang lebih baik sangat penting untuk enjin ketenteraan generasi seterusnya, sama pentingnya untuk mengurangkan output haba. Haba yang dihasilkan ini adalah tenaga terbuang yang disebarkan ke ruang sekitarnya, walaupun dapat digunakan untuk mendorong atau menghasilkan tenaga elektrik. Tetapi mustahil untuk mencapai keseimbangan sempurna dari ketiga-tiga parameter ini, misalnya, enjin turbin gas AGT 1500 tangki M1 Abrams dengan kapasiti 1500 hp. mempunyai pemindahan haba yang rendah dan kepadatan kuasa yang tinggi, tetapi penggunaan bahan bakar yang sangat tinggi berbanding dengan mesin diesel.
Sebenarnya, mesin turbin gas menghasilkan sejumlah besar haba, tetapi sebahagian besarnya dikeluarkan melalui paip ekzos, kerana kadar aliran gas yang tinggi. Akibatnya, turbin gas tidak memerlukan sistem penyejukan yang diperlukan oleh enjin diesel. Kekuatan enjin diesel yang tinggi hanya dapat dicapai dengan menyelesaikan masalah kawalan terma. Brandl menekankan bahawa ini terutama disebabkan oleh jumlah yang terhad untuk peralatan penyejukan seperti paip, pam, kipas dan radiator. Di samping itu, struktur pelindung seperti kisi-kisi kalis peluru juga mengambil jumlah dan menyekat aliran udara, mengurangkan kecekapan kipas.
Omboh ke
Seperti yang dinyatakan oleh Brandl, program ACE memfokuskan pada enjin diesel / multi-bahan bakar dua lejang dengan piston yang bertentangan kerana penyebaran haba yang rendah. Dalam enjin sedemikian, dua piston diletakkan di setiap silinder, yang membentuk ruang pembakaran di antara mereka, akibatnya, kepala silinder tidak termasuk, tetapi ini memerlukan dua poros engkol dan pintu masuk dan ekzos di dinding silinder. Mesin boxer bermula pada tahun 1930-an dan terus diperbaiki selama beberapa dekad. Idea lama ini tidak dilepaskan oleh syarikat Achates Power, yang, dengan kerjasama Cummins, menghidupkan kembali dan memodenkan enjin ini.
Jurucakap Achates Power mengatakan bahawa teknologi boxer mereka telah meningkatkan kecekapan terma, yang bermaksud kehilangan haba yang lebih rendah, pembakaran yang lebih baik dan pengurangan kehilangan pam. Penghapusan kepala silinder dengan ketara mengurangkan nisbah luas permukaan-ke-volume di ruang pembakaran dan dengan itu pemindahan dan pembebasan haba di dalam mesin. Sebaliknya, dalam mesin empat lejang tradisional, kepala silinder mengandungi banyak komponen terpanas dan merupakan sumber utama pemindahan haba ke penyejuk dan suasana di sekitarnya.
Sistem pembakaran Achates menggunakan penyuntik bahan bakar berkembar yang diposisikan secara diametri pada setiap silinder dan bentuk piston yang dipatenkan untuk mengoptimumkan campuran udara / bahan bakar, menghasilkan pembakaran jelaga yang rendah dan pengalihan haba yang berkurang ke dinding ruang pembakaran. Muatan baru campuran disuntikkan ke dalam silinder, dan gas ekzos keluar melalui port, dibantu oleh supercharger yang mengepam udara melalui mesin. Achates menunjukkan bahawa aliran arus semasa ini mempunyai kesan yang baik terhadap ekonomi bahan bakar dan pelepasan.
Angkatan Darat AS mahu keluarga ACE yang dilengkapi modular scalable powertrains untuk memasukkan mesin dengan bore dan strok yang sama dan jumlah silinder yang berbeza: 600-750 hp. (3 silinder); 300-1000 HP (4); dan 1200-1500 hp. (6). Setiap loji kuasa akan menempati isipadu - ketinggian 0,53 m dan lebar 1, 1 m dan, dengan itu, panjang 1,04 m, 1,25 m dan 1,6 m.
Matlamat teknologi
Kajian dalaman tentera yang dilakukan pada tahun 2010 mengesahkan kelebihan mesin boxer, yang menghasilkan projek Next-Generation Combat Engine (NGCE), di mana perusahaan perindustrian memaparkan perkembangan mereka di bidang ini. Tugasnya ialah mencapai 71 hp. setiap silinder dan jumlah kuasa 225 hp. Menjelang tahun 2015, kedua-dua nombor ini dilampaui dengan mudah pada mesin eksperimen yang diuji di Pusat Penyelidikan Perisai.
Pada bulan Februari tahun yang sama, tentera memberikan kontrak kepada AVL Powertrain Engineering dan Achates Power untuk mesin ACE silinder tunggal di bawah program dua tahun, dalam rangka tujuannya adalah untuk mencapai ciri-ciri berikut: kuasa 250 hp, tork 678 Nm, penggunaan bahan api spesifik 0, 14 kg / hp / j dan pelesapan haba kurang dari 0.45 kW / kW. Semua petunjuk melebihi, kecuali untuk pemindahan haba, di sini tidak mungkin turun di bawah 0.506 kW / kW.
Pada musim panas 2017, Cummins dan Achates mula bekerja di bawah kontrak ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) untuk menunjukkan mesin empat silinder 1,000 hp. tork 2700 Nm dan keperluan yang sama untuk penggunaan bahan api dan pemindahan haba tertentu. Enjin pertama dihasilkan pada bulan Julai 2018 dan ujian operasi awal selesai pada akhir tahun yang sama. Pada bulan Ogos 2019, mesin dihantar ke Direktorat TARDEC untuk pemasangan dan ujian.
Gabungan mesin boxer dan pemacu elektrik hibrid akan meningkatkan kecekapan kenderaan pelbagai jenis dan saiz, baik tentera dan orang awam. Dengan ini, Lembaga Penyelidikan dan Pembangunan Lanjutan mengeluarkan $ 2 juta kepada Achates untuk membangunkan mesin boxer silinder tunggal maju untuk kenderaan hibrid masa depan; dalam projek ini syarikat bekerjasama dengan University of Michigan dan Nissan.
Kawalan omboh
Sesuai dengan konsepnya, enjin ini untuk pertama kalinya menyatukan subsistem elektrik dan enjin pembakaran dalaman, masing-masing dua poros engkol berputar dan dapat dipacu oleh set penjana motor sendiri; tidak ada hubungan mekanikal antara poros.
Achates mengesahkan bahawa enjinnya hanya dirancang untuk sistem hibrid berurutan, kerana semua kuasa yang dihasilkannya dihantar secara elektrik dan genset mengecas pek bateri untuk memperluas jangkauannya. Tanpa sambungan mekanikal antara poros, momen tidak dihantar, yang menyebabkan penurunan beban. Akibatnya, mereka dapat dibuat lebih ringan, mengurangi berat dan ukuran keseluruhan, geseran dan kebisingan, dan mengurangi biaya.
Mungkin yang paling penting, poros engkol yang dipisahkan membolehkan kawalan bebas setiap omboh melalui penggunaan elektronik kuasa. "Ini adalah bahagian penting dari projek kami, penting untuk menentukan bagaimana pengembangan motor elektrik dan kawalan dapat meningkatkan kecekapan mesin pembakaran dalaman." Jurucakap Achates mengesahkan bahawa konfigurasi ini memungkinkan untuk mengawal masa crankshaft, yang membuka kemungkinan baru. "Kami berusaha untuk meningkatkan kecekapan kawalan piston, yang tidak tersedia dengan komunikasi mekanikal tradisional."
Pada ketika ini, ada sedikit maklumat yang tersedia mengenai bagaimana kawalan piston bebas dapat digunakan, tetapi secara teori adalah mungkin untuk menjadikan stroke lebih besar daripada stroke mampatan, misalnya, dan dengan demikian mengeluarkan lebih banyak tenaga dari muatan udara / bahan bakar campuran. Skema serupa dilaksanakan dalam mesin Atkinson empat lekapan yang dipasang pada kereta hibrid. Di Toyota Prius, misalnya, ini dicapai melalui pemasaan injap berubah-ubah.
Untuk masa yang lama, jelas bahawa peningkatan besar dalam teknologi matang, seperti enjin pembakaran dalaman, tidak mudah dicapai, tetapi mesin boxer yang maju dapat menjadi kelebihan yang nyata bagi kenderaan tentera, terutama bila digabungkan dengan sistem pendorong elektrik. …
