Energjia e kërkuar për të lëvizur automjetet tokësore dhe për të operuar sistemet dhe montimet e tyre sigurohet tradicionalisht nga motorët me naftë. Reduktimi i konsumit të karburantit jo vetëm që rrit gamën, por gjithashtu zvogëlon sasinë e logjistikës, e cila përcaktohet nga mirëmbajtja e rezervave të karburantit dhe rrit mbrojtjen e personelit të shërbimit të pasmë në procesin e servisimit të pajisjeve.
Në këtë drejtim, forcat e armatosura po përpiqen të gjejnë një zgjidhje në të cilën efikasiteti i lartë dhe nxehtësia e lartë specifike e djegies së karburantit dizel të qenësishme në sistemet me një makinë elektrike do të funksiononin në një "ekip". Zgjidhjet e reja hibride dhe motorët me djegie të avancuar kanë potencialin për të ofruar përfitime të mëdha praktike së bashku me makinën e qetë të vetme elektrike, monitorimin e qetë (sensorë të operuar me bateri ndërsa janë të palëvizshëm) dhe gjenerimin e energjisë për konsumatorët e jashtëm.
Potenciali i trenit të energjisë
Research Canada (DRDC), për shembull, po heton mundësinë e përdorimit të motorëve hibrid dizel-elektrik. FDA publikoi hulumtimin e saj në 2018, duke u përqëndruar në platforma të lehta taktike të tilla si HMMWV, automjete luftarake të klasit DAGOR, dhe ATV të vegjël të vetëm dhe shumë vendesh.
Raporti Fizibiliteti i Fuqive Hybrid Diesel-Electric për Automjetet Taktike të Lehta vë në dukje se në shumicën e mënyrave të drejtimit ku shpejtësitë dhe ngarkesat ndryshojnë ndjeshëm (zakonisht jashtë rrugës), hibridet kanë 15% -20% efikasitet më të mirë të karburantit për sa i përket ekonomisë së karburantit. makina tradicionale të drejtuara mekanikisht, veçanërisht kur përdorni frenim rigjenerues. Për më tepër, motorët me djegie të brendshme, përfshirë motorët me naftë, performojnë më së miri kur veprojnë në rpm konstante të zgjedhur me kujdes, e cila është tipike për sistemet hibride sekuenciale në të cilat motori funksionon vetëm si gjenerator.
Siç vëren raporti, për shkak se fuqia e motorit mund të plotësohet me bateri gjatë periudhave të shkurtra të konsumit maksimal të energjisë, motori mund të akordohet për të siguruar vetëm fuqinë mesatare të kërkuar, me termocentrale më të vegjël në përgjithësi duke përdorur më pak karburant, të gjitha gjërat e tjera janë të barabarta.
Me kapacitet të mjaftueshëm të baterisë, hibridet gjithashtu mund të qëndrojnë në modalitetin e monitorimit të heshtur për një kohë të gjatë me motorin e fikur dhe sensorët që punojnë, elektronikën dhe sistemet e komunikimit. Për më tepër, sistemi mund të fuqizojë pajisjet e jashtme, të ngarkojë bateri dhe madje të fuqizojë një kamp ushtarak, duke zvogëluar nevojën për gjeneratorë të tërhequr.
Ndërsa disqet hibride ofrojnë performancë superiore përsa i përket shpejtësisë, përshpejtimit dhe shkallëzueshmërisë, paketa e baterisë mund të jetë e rëndë dhe e rëndë, duke rezultuar në një ulje të ngarkesës, tha DRDC. Ky mund të jetë një problem për automjetet ultra të lehta dhe ATV me një vend. Përveç kësaj, në temperatura të ulëta, karakteristikat e vetë baterive janë zvogëluar, ato shpesh kanë probleme me karikimin dhe kontrollin e temperaturës.
Edhe pse hibridet sekuenciale eliminojnë transmetimin mekanik, nevoja për një motor, gjenerator, pajisje elektronike dhe bateri në mënyrë të pashmangshme i bën ato përfundimisht të vështira dhe të shtrenjta për t'u blerë dhe mirëmbajtur.
Shumica e elektroliteve të baterisë gjithashtu mund të paraqesin rreziqe kur dëmtohen, për shembull, qelizat litium-jon dihet se ndizen kur dëmtohen. Nëse kjo paraqet një rrezik më të madh sesa furnizimi me naftë është ndoshta një pikë diskutimi, thekson raporti, por hibridet mbartin të dy rreziqet.
Zgjedhja e kombinimit
Dy skemat kryesore për kombinimin e motorëve me djegie të brendshme me pajisjet elektrike janë serike dhe paralele. Siç u përmend më lart, platforma serike hibride është një makinë elektrike me një gjenerator, ndërsa paralelisht ka një motor dhe një motor tërheqës, i cili, përmes një transmetimi mekanik të lidhur me to, transmeton fuqinë në rrota. Kjo do të thotë që motori ose motori tërheqës mund ta drejtojnë makinën individualisht, ose mund të punojnë së bashku.
Në të dy llojet e hibrideve, përbërësi elektrik është zakonisht një grup motor-gjenerator (MGU), i cili mund të shndërrojë energjinë elektrike në lëvizje dhe anasjelltas. Mund të drejtojë një makinë, të ngarkojë një bateri, të ndezë një motor dhe, nëse është e nevojshme, të kursejë energji përmes frenimit rigjenerues.
Hibridet seri dhe paralele mbështeten në elektronikën e energjisë për të menaxhuar fuqinë e baterisë dhe për të rregulluar temperaturën e baterisë. Ato gjithashtu sigurojnë tensionin dhe fuqinë që gjeneratori duhet të furnizojë me bateritë dhe bateritë nga ana e tyre me motorët elektrikë.
Kjo elektronikë e fuqisë vjen në formën e invertorëve gjysmëpërçues të bazuar në gjysmëpërçues të karabit të silikonit, disavantazhet e të cilave, si rregull, përfshijnë madhësinë dhe koston e madhe, si dhe humbjen e nxehtësisë. Elektronika e energjisë gjithashtu kërkon elektronikë kontrolli të ngjashëm me ato që fuqizojnë një motor me djegie të brendshme.
Deri më tani, historia e automjeteve ushtarake me energji elektrike ka qenë e përbërë nga programe eksperimentale dhe ambicioze të zhvillimit që përfundimisht u mbyllën. Në funksionimin e vërtetë, ende nuk ka automjete ushtarake hibride, në veçanti, në fushën e automjeteve të lehta taktike, mbeten disa probleme teknologjike të pazgjidhura. Këto probleme mund të konsiderohen të zgjidhura kryesisht për automjetet civile pasi ato veprojnë në kushte shumë më të favorshme.
Makinat elektrike janë treguar shumë të shpejta. Për shembull, automjeti eksperimental i motorit me motor bateri Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) me katër vende mund të përshpejtojë nga 0 në 97 km / orë në 4 sekonda dhe ka një rreze veprimi prej 241 km.
"Paraqitja, megjithatë, është një nga ato sfidat e mëdha," thotë raporti i DRDC. Madhësia, pesha dhe shpërndarja e nxehtësisë e paketave të baterive janë mjaft të mëdha dhe duhet bërë një kompromis midis kapacitetit total të energjisë dhe fuqisë së menjëhershme që ato mund të japin për një masë dhe vëllim të caktuar. Alokimi i vëllimit për kabllot e tensionit të lartë, besueshmëria dhe siguria e tyre janë gjithashtu pengesa së bashku me madhësinë, peshën, ftohjen, besueshmërinë dhe hidroizolimin e elektronikës elektrike.
Nxehtësia dhe pluhuri
Raporti thotë se ndryshimet e temperaturës me të cilat përballen automjetet ushtarake janë ndoshta problemi më i madh, pasi bateritë litium-jon nuk do të ngarkohen në temperatura nën zero dhe sistemet e ngrohjes shtojnë kompleksitet dhe kanë nevojë për energji. Bateritë që mbinxehen gjatë shkarkimit janë potencialisht të rrezikshme, ato duhet të ftohen ose reduktohen në një mënyrë të reduktuar, ndërsa motorët dhe gjeneratorët gjithashtu mund të mbinxehen, më në fund, mos harroni për magnet të përhershëm, të cilët janë të prirur për demagnetizim.
Po kështu, në temperatura mbi 65 ° C, efikasiteti i pajisjeve të tilla si invertorët IGBT zvogëlohet dhe për këtë arsye ka nevojë për ftohje, megjithëse elektronika më të reja të bazuara në gjysmëpërçues të karabit silikoni ose nitrid galliumi, përveç funksionimit në tension të rritur, i reziston temperaturave më të larta dhe, prandaj, mund të ftohet nga sistemi i ftohjes së motorit.
Përveç kësaj, goditja dhe dridhja nga terreni i ashpër, plus dëmet e mundshme që mund të shkaktohen nga granatimet dhe shpërthimet, gjithashtu e bën të vështirë integrimin e teknologjisë së drejtimit elektrik në automjetet e lehta ushtarake, vë në dukje raporti.
Raporti përfundon se DRDC duhet të urdhërojë një demonstrues të teknologjisë. Shtë një automjet taktik hibrid me peshë relativisht të thjeshtë me motorë elektrikë të instaluar ose në shpërndarësit e rrotave ose në boshte, motori me naftë është akorduar në fuqinë maksimale të duhur, dhe një grup super-ose ultrakapacitorësh është instaluar për të përmirësuar përshpejtimin dhe shkallëzueshmërinë Me Superkapacitorët ose ultrakapacitoret ruajnë një ngarkesë shumë të madhe për një periudhë të shkurtër kohore dhe mund ta lëshojnë atë shumë shpejt për të gjeneruar impulse energjie. Makina ose nuk do të jetë fare, ose do të instalohet një bateri shumë e vogël, energjia elektrike do të gjenerohet gjatë procesit të frenimit rigjenerues, si rezultat, mënyrat e lëvizjes së heshtur dhe vëzhgimit të heshtur përjashtohen.
Kabllot e energjisë që shkojnë vetëm tek rrotat, duke zëvendësuar boshtet e transmetimit mekanik dhe të bartjes, do të zvogëlojnë ndjeshëm peshën e makinës dhe do të përmirësojnë mbrojtjen nga shpërthimi, pasi shpërndarja e mbeturinave dhe fragmenteve dytësore është eliminuar. Pa një bateri, vëllimi i brendshëm për ekuipazhin dhe ngarkesën do të rritet dhe do të bëhet më i sigurt, dhe problemet që lidhen me mirëmbajtjen dhe menaxhimin termik të baterive litium-jon do të eliminohen.
Për më tepër, objektivat e mëposhtëm janë vendosur kur krijohet një prototip: konsumi më i ulët i karburantit të një motori relativisht të vogël me naftë që vepron në rpm konstante, i kombinuar me rikuperimin e energjisë, rritjen e prodhimit të energjisë për sensorët e funksionimit ose eksportin e energjisë, rritjen e besueshmërisë dhe përmirësimin e shërbimit.
Goditjet nuk kujdesen
Siç shpjegoi Bruce Brandl i Qendrës Kërkimore të Armatosur (TARDEC) në një prezantim mbi zhvillimin e motorit, Ushtria Amerikane dëshiron një sistem shtytës që do të lejojë automjetet e saj luftarake të lëvizin nëpër terrene më të vështira me shpejtësi më të mëdha, gjë që do të zvogëlojë ndjeshëm përqindjen e terrenit në zonat e luftës.në të cilat makinat aktuale nuk mund të lëvizin. I ashtuquajturi terren i pakalueshëm përbën rreth 22% të këtyre zonave dhe ushtria dëshiron ta zvogëlojë këtë shifër në 6%. Ata gjithashtu duan të rrisin shpejtësinë mesatare në pjesën më të madhe të zonës nga 16 km / orë e sotme në 24 km / h.
Përveç kësaj, Brandl theksoi se kërkesa për energji në bord është planifikuar të rritet në të paktën 250 kW, domethënë më e lartë se sa mund të sigurojnë gjeneratorët e makinës, pasi ngarkesat shtohen nga teknologjitë e reja, për shembull, kullat e elektrizuara dhe sistemet e mbrojtjes, ftohja e elektronikës së energjisë., eksporti i energjisë dhe armët e drejtuara të energjisë.
Ushtria Amerikane vlerëson se plotësimi i këtyre nevojave me teknologjinë aktuale të turbodieselit do të rrisë vëllimin e motorit me 56% dhe peshën e automjetit me rreth 1400 kg. Prandaj, kur zhvillohej termocentrali i tij i përparuar Advanced Combat Engine (ACE), detyra kryesore ishte vendosur - të dyfishonte densitetin e përgjithshëm të energjisë nga 3 kf / cu. ft në 6 kf / cu. këmbë.
Ndërsa dendësia më e madhe e fuqisë dhe efikasiteti më i mirë i karburantit janë shumë të rëndësishme për gjeneratën e ardhshme të motorëve ushtarakë, është po aq e rëndësishme të zvogëlohet prodhimi i nxehtësisë. Kjo nxehtësi e gjeneruar harxhon energji të shpërndarë në hapësirën përreth, megjithëse mund të përdoret për të nxitur ose prodhuar energji elektrike. Por nuk është gjithmonë e mundur të arrihet një ekuilibër i përsosur i të tre këtyre parametrave, për shembull, motori i turbinës me gaz AGT 1500 të rezervuarit M1 Abrams me një kapacitet 1500 kf. ka transferim të ulët të nxehtësisë dhe densitet të lartë të fuqisë, por konsum shumë të lartë të karburantit në krahasim me motorët me naftë.
Në fakt, motorët e turbinave me gaz prodhojnë një sasi të madhe të nxehtësisë, por shumica e saj hiqet përmes tubit të shkarkimit, për shkak të shkallës së lartë të rrjedhës së gazit. Si rezultat, turbinat me gaz nuk kanë nevojë për sistemet e ftohjes që kanë nevojë për motorët me naftë. Një fuqi e lartë specifike e motorëve me naftë mund të arrihet vetëm duke zgjidhur problemin e kontrollit termik. Brandl theksoi se kjo është kryesisht për shkak të vëllimit të kufizuar të disponueshëm për pajisjet ftohëse siç janë tubacionet, pompat, ventilatorët dhe radiatorët. Përveç kësaj, strukturat mbrojtëse të tilla si grilat antiplumb gjithashtu marrin vëllim dhe kufizojnë rrjedhën e ajrit, duke zvogëluar efikasitetin e tifozëve.
Pistonët drejt
Siç vuri në dukje Brandl, programi ACE përqëndrohet në motorët me dy goditje me naftë / shumë karburant me pistona të kundërt për shkak të shpërndarjes së tyre të ulët të nxehtësisë. Në motorë të tillë, dy pistona vendosen në secilin cilindër, të cilët formojnë një dhomë djegieje midis tyre, si rezultat, koka e cilindrit përjashtohet, por kjo kërkon dy boshte bosht me gunga dhe porte marrëse dhe shkarkuese në muret e cilindrit. Motorët e boksierit datojnë në vitet 1930 dhe janë përmirësuar vazhdimisht gjatë dekadave. Kjo ide e vjetër nuk u kursye nga kompania Achates Power, e cila, në bashkëpunim me Cummins, ringjalli dhe modernizoi këtë motor.
Një zëdhënës i Achates Power tha se teknologjia e tyre e boksierit ka përmirësuar efikasitetin termik, i cili përkthehet në humbje më të ulëta të nxehtësisë, djegie të përmirësuar dhe humbje të reduktuara të pompimit. Eliminimi i kokës së cilindrit uli ndjeshëm raportin e sipërfaqes me vëllimin në dhomën e djegies dhe kështu transferimin dhe lëshimin e nxehtësisë në motor. Në të kundërt, në një motor tradicional me katër goditje, koka e cilindrit përmban shumë nga përbërësit më të nxehtë dhe është burimi kryesor i transferimit të nxehtësisë në ftohës dhe atmosferën përreth.
Sistemi i djegies Achates përdor injektorë të dyfishtë të karburantit të vendosur diametralisht në çdo cilindër dhe një formë pistoni të patentuar për të optimizuar përzierjen e ajrit / karburantit, duke rezultuar në djegie të ulët të blozës dhe reduktim të transferimit të nxehtësisë në muret e dhomës së djegies. Një ngarkesë e re e përzierjes injektohet në cilindër dhe gazrat e shkarkimit dalin përmes portave, të ndihmuar nga një mbingarkues që pompon ajrin përmes motorit. Achates thekson se ky shpërthim i njëkohshëm ka një efekt të dobishëm në ekonominë e karburantit dhe emetimet.
Ushtria amerikane do që familja ACE e fuqive modulare të shkallëzueshme të përfshijë motorë me të njëjtën shpuarje dhe goditje dhe numërime të ndryshme cilindrash: 600-750 kf. (3 cilindra); 300-1000 kuaj fuqi (4); dhe 1200-1500 kf. (6) Çdo termocentral do të zërë një vëllim - një lartësi prej 0.53 m dhe një gjerësi prej 1, 1 m dhe, në përputhje me rrethanat, një gjatësi prej 1.04 m, 1.25 m dhe 1.6 m.
Qëllimet teknologjike
Një studim i brendshëm i Ushtrisë i kryer në 2010 konfirmoi përfitimet e motorëve të boksierit, duke rezultuar në projektin e Motorit Luftarak të Gjeneratës së Tjetër (NGCE), në të cilin ndërmarrjet industriale prezantuan zhvillimet e tyre në këtë fushë. Detyra ishte të arrinim 71 kuaj fuqi. për cilindër dhe një fuqi totale prej 225 kf. Deri në vitin 2015, të dy këta numra u tejkaluan lehtësisht në një motor eksperimental të testuar në Qendrën Kërkimore të Armatosur.
Në shkurt të të njëjtit vit, ushtria i dha kontrata AVL Powertrain Engineering dhe Achates Power për motorët eksperimentalë me një cilindër ACE nën një program dyvjeçar, brenda kuadrit të të cilit qëllimi ishte arritja e karakteristikave të mëposhtme: fuqia 250 kf, çift rrotullues 678 Nm, konsumi specifik i karburantit 0, 14 kg / hp / h dhe shpërndarja e nxehtësisë më pak se 0.45 kW / kW. Të gjithë treguesit u tejkaluan, përveç transferimit të nxehtësisë, këtu nuk ishte e mundur të binte nën 0.506 kW / kW.
Në verën e vitit 2017, Cummins dhe Achates filluan punën nën një kontratë ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) për të demonstruar një motor katër cilindra me 1.000 kuaj fuqi. çift rrotullues prej 2700 Nm dhe të njëjtat kërkesa për konsumin specifik të karburantit dhe transferimin e nxehtësisë. Motori i parë u prodhua në korrik 2018 dhe testet fillestare operacionale përfunduan në fund të të njëjtit vit. Në gusht 2019, motori iu dorëzua Drejtorisë TARDEC për instalim dhe testim.
Kombinimi i një motori boksier dhe një makinë elektrike hibride do të përmirësonte efikasitetin e automjeteve të llojeve dhe madhësive të ndryshme, ushtarake dhe civile. Me këtë në mendje, Autoriteti i Kërkimit dhe Zhvillimit të Avancuar lëshoi 2 milion dollarë për Achates për të zhvilluar një motor boksier të avancuar me një cilindër për automjetet hibride të ardhshme; në këtë projekt kompania bashkëpunon me Universitetin e Miçiganit dhe Nissan.
Kontrolli i pistonit
Në përputhje me konceptin, ky motor për herë të parë integroi aq ngushtë nënsistemin elektrik dhe motorin me djegie të brendshme, secila nga dy boshtet e gungës rrotullohet dhe mund të drejtohet nga grupi i vet i motor-gjeneratorit; nuk ka lidhje mekanike midis boshteve.
Achates konfirmoi se motori është projektuar vetëm për sisteme hibride të njëpasnjëshme, pasi e gjithë fuqia që gjeneron transmetohet në mënyrë elektrike dhe pajisjet gjenetike ngarkojnë baterinë për të zgjeruar gamën. Pa një lidhje mekanike midis boshteve, momenti nuk transmetohet, gjë që çon në një rënie të ngarkesave. Si rezultat, ato mund të bëhen më të lehta, të zvogëlojnë peshën dhe madhësinë e përgjithshme, fërkimin dhe zhurmën dhe të zvogëlojnë kostot.
Ndoshta më e rëndësishmja, boshtet me gunga të shkëputura lejojnë kontroll të pavarur të çdo pistoni përmes përdorimit të elektronikës të energjisë. "Kjo është një pjesë e rëndësishme e projektit tonë, është e rëndësishme të përcaktohet se si zhvillimi i motorëve elektrikë dhe kontrolleve mund të përmirësojë efikasitetin e motorit me djegie të brendshme." Një zëdhënës i Achates konfirmoi se ky konfigurim lejon kontrollin e kohës së boshtit të gungës, i cili hap mundësi të reja. "Ne përpiqemi të përmirësojmë efikasitetin e kontrollit të pistonit, i cili nuk është i disponueshëm me komunikimin mekanik tradicional."
Në këtë pikë, ka pak informacion në dispozicion në lidhje me mënyrën se si mund të përdoret kontrolli i pavarur i pistonit, por në teori është e mundur që goditja të bëhet më e madhe se goditja e kompresimit, për shembull, dhe kështu të nxirret më shumë energji nga ngarkesa e ajrit / karburantit përzierje. Një skemë e ngjashme zbatohet në motorët Atkinson me katër goditje të instaluar në makina hibride. Në Toyota Prius, për shembull, kjo arrihet përmes kohës së ndryshueshme të valvulave.
Për një kohë të gjatë, ishte e qartë se përmirësimet e mëdha në teknologjitë e pjekura, të tilla si motorët me djegie të brendshme, nuk janë të lehta për t'u arritur, por motorët e avancuar të boksierit mund të jenë ato që do të siguronin avantazhe të vërteta për automjetet ushtarake, veçanërisht kur kombinohen me sistemet shtytëse elektrike. …
