Kara taşıtlarını hareket ettirmek ve sistemlerini ve tertibatlarını çalıştırmak için gereken enerji geleneksel olarak dizel motorlar tarafından sağlanmaktadır. Yakıt tüketimini azaltmak sadece menzili arttırmakla kalmaz, aynı zamanda yakıt rezervlerinin bakımıyla belirlenen lojistik miktarını da azaltır ve servis ekipmanı sürecinde arka servis personelinin korunmasını arttırır.
Bu bağlamda, silahlı kuvvetler, elektrikli tahrikli sistemlerde bulunan dizel yakıtın yüksek verimliliğinin ve yüksek özgül yanma ısısının tek bir "ekip" içinde çalışacağı bir çözüm bulmaya çalışıyor. Yeni hibrit çözümler ve gelişmiş yanmalı motorlar, sessiz tek elektrikli sürüş, sessiz izleme (sabitken pille çalışan sensörler) ve harici tüketiciler için güç üretiminin yanı sıra büyük pratik faydalar sunma potansiyeline sahiptir.
Güç aktarma potansiyeli
Örneğin Research Canada (DRDC), hibrit dizel-elektrik güç aktarma organlarının fizibilitesini araştırıyor. FDA, HMMWV, DAGOR sınıfı ultra hafif savaş araçları ve küçük tek ve çok koltuklu ATV'ler gibi hafif taktik platformlara odaklanan araştırmasını 2018'de yayınladı.
Hafif Taktik Araçlar için Hibrit Dizel-Elektrikli Güç Aktarma Organlarının Fizibilitesi raporu, hızların ve yüklerin önemli ölçüde değiştiği çoğu sürüş modunda (tipik olarak arazide), hibritlerin yakıt ekonomisi açısından %15 - %20 daha iyi yakıt verimliliğine sahip olduğunu belirtiyor. geleneksel mekanik tahrikli makineler, özellikle rejeneratif frenleme kullanılırken. Ek olarak, dizel motorlar da dahil olmak üzere içten yanmalı motorlar, motorun yalnızca bir jeneratör olarak çalıştığı sıralı hibrit sistemlerin tipik özelliği olan, dikkatle seçilmiş sabit devirde çalıştırıldığında en iyi performansı gösterir.
Raporun belirttiği gibi, motor gücü, kısa süreli tepe güç tüketimi sırasında pillerle desteklenebildiğinden, diğer her şey eşit olmak üzere, daha küçük güç santralleri genellikle daha az yakıt kullanarak, motor yalnızca gereken ortalama gücü sağlayacak şekilde ayarlanabilir.
Yeterli akü kapasitesi ile hibritler, motor kapalıyken ve sensörler, elektronikler ve iletişim sistemleri çalışırken de uzun süre sessiz izleme modunda kalabilir. Ek olarak, sistem harici ekipmana güç sağlayabilir, pilleri şarj edebilir ve hatta bir askeri kampa güç sağlayabilir, böylece çekilen jeneratörlere olan ihtiyacı azaltır.
DRDC, hibrit sürücülerin hız, ivme ve tırmanabilirlik açısından üstün performans sunarken, pil paketinin ağır ve hantal olabileceğini ve bunun da taşıma yükünün azalmasına neden olabileceğini söyledi. Bu, ultra hafif araçlar ve tek kişilik ATV'ler için bir sorun olabilir. Ek olarak, düşük sıcaklıklarda pillerin özellikleri azalır, genellikle şarj ve sıcaklık kontrolü ile ilgili sorunlar yaşarlar.
Sıralı hibritler mekanik şanzımanı ortadan kaldırsa da, bir motor, jeneratör, güç elektroniği ve pil ihtiyacı kaçınılmaz olarak onları satın almayı ve bakımını zor ve pahalı hale getirir.
Çoğu pil elektroliti, hasar gördüğünde de risk oluşturabilir; örneğin, lityum iyon hücrelerin hasar gördüğünde tutuştuğu bilinmektedir. Bunun dizel yakıt tedarik etmekten daha büyük bir risk oluşturup oluşturmadığı tartışmalı bir nokta olabilir, ancak rapor hibritlerin her iki riski de taşıdığına işaret ediyor.
Kombinasyon seçimi
İçten yanmalı motorları elektrikli cihazlarla birleştirmek için iki ana şema seri ve paraleldir. Yukarıda belirtildiği gibi, seri hibrit platform, jeneratörlü bir elektrikli makinedir, paralel olarak, kendilerine bağlı bir mekanik şanzıman aracılığıyla tekerleklere güç ileten bir motor ve bir çekiş motoru vardır. Bu, motorun veya çekiş motorunun makineyi ayrı ayrı çalıştırabileceği veya birlikte çalışabileceği anlamına gelir.
Her iki hibrit tipinde de, elektrik bileşeni tipik olarak elektrik enerjisini harekete dönüştürebilen ve bunun tersini yapabilen bir motor-jeneratör setidir (MGU). Araba kullanabilir, aküyü şarj edebilir, motoru çalıştırabilir ve gerekirse rejeneratif frenleme yoluyla enerji tasarrufu sağlayabilir.
Hem seri hem de paralel hibritler, pil gücünü yönetmek ve pil sıcaklığını düzenlemek için güç elektroniğine güvenir. Jeneratörün akülere ve akülere sırayla elektrik motorlarına sağlaması gereken voltajı ve amperi de sağlarlar.
Bu güç elektroniği, dezavantajları kural olarak büyük boyut ve maliyet ile ısı kaybını içeren silikon karbür yarı iletkenlere dayanan yarı iletken invertörler şeklinde gelir. Güç elektroniği ayrıca içten yanmalı bir motora güç verenlere benzer kontrol elektroniği gerektirir.
Şimdiye kadar, elektrikle çalışan askeri araçların tarihi, sonunda kapatılan deneysel ve iddialı geliştirme programlarından oluşuyordu. Gerçek operasyonda, özellikle hafif taktik araçlar alanında hala hibrit askeri araçlar yok, çözülmemiş birkaç teknolojik sorun var. Sivil araçlar çok daha uygun koşullarda çalıştıkları için bu sorunlar büyük ölçüde çözülmüş sayılabilir.
Elektrikli arabalar kendilerini çok hızlı gösterdiler. Örneğin Nikola Motor'un deneysel pille çalışan Pervasız Yardımcı Taktik Aracı (UTV) dört kişilik 4 saniyede 0'dan 97 km/s hıza çıkabiliyor ve 241 km menzile sahip.
DRDC raporu, "Ancak düzen, bu büyük zorluklardan biridir" diyor. Pil paketlerinin boyutu, ağırlığı ve ısı yayılımı oldukça büyüktür ve toplam enerji kapasitesi ile belirli bir kütle ve hacim için sunabilecekleri anlık güç arasında bir uzlaşma sağlanmalıdır. Yüksek gerilim kabloları için hacim tahsisi, güvenilirlikleri ve güvenlikleri, güç elektroniğinin boyutu, ağırlığı, soğutması, güvenilirliği ve su geçirmezliği ile birlikte darboğazlardır.
Isı ve toz
Rapor, lityum iyon pillerin sıfırın altındaki sıcaklıklarda şarj olmayacağı ve ısıtma sistemlerinin karmaşıklık kattığı ve enerjiye ihtiyaç duyduğu için askeri araçların karşılaştığı sıcaklık dalgalanmalarının belki de en büyük sorun olduğunu söylüyor. Deşarj sırasında aşırı ısınan piller potansiyel olarak tehlikelidir, soğutulmaları veya azaltılmış bir moda düşürülmeleri gerekirken, motorlar ve jeneratörler de aşırı ısınabilir, son olarak demanyetizasyona eğilimli kalıcı mıknatısları unutmayın.
Benzer şekilde, yaklaşık 65 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda, IGBT invertörleri gibi cihazların verimliliği düşer ve bu nedenle, silikon karbür yarı iletkenler veya galyum nitrür bazlı daha yeni güç elektroniği, artan voltajda çalışmanın yanı sıra daha yüksek sıcaklıklara dayanmasına rağmen, soğutmaya ihtiyaç duyar ve, bu nedenle motor soğutma sisteminden soğutulabilir.
Raporda ayrıca, engebeli araziden kaynaklanan şok ve titreşimin yanı sıra bombardıman ve patlamalardan kaynaklanabilecek olası hasar da elektrikli tahrik teknolojisinin hafif askeri araçlara entegre edilmesini zorlaştırıyor.
Rapor, DRDC'nin bir teknoloji gösterici sipariş etmesi gerektiği sonucuna varıyor. Bu, tekerlek göbeklerine veya akslara elektrik motorları monte edilmiş, nispeten basit, hafif, sıralı bir hibrit taktik araçtır, dizel motor uygun tepe gücüne ayarlanmıştır ve hızlanma ve tırmanabilirliği iyileştirmek için bir dizi süper veya ultra kapasitör takılmıştır.. Süper kapasitörler veya ultra kapasitörler, kısa bir süre için çok büyük bir yükü depolar ve güç darbeleri oluşturmak için çok hızlı bir şekilde serbest bırakabilir. Araba ya hiç olmayacak ya da çok küçük bir pil takılacak, rejeneratif frenleme işlemi sırasında elektrik üretilecek, bunun sonucunda sessiz hareket ve sessiz gözlem modları hariç tutulacak.
Mekanik şanzıman ve tahrik millerinin yerini alan, yalnızca tekerleklere giden güç kabloları, makinenin ağırlığını önemli ölçüde azaltacak ve ikincil döküntü ve parçaların saçılması ortadan kaldırıldığından patlamaya karşı korumayı iyileştirecektir. Pil olmadan, mürettebat ve yük için iç hacim artacak ve daha güvenli hale gelecek ve lityum iyon pillerin bakımı ve termal yönetimi ile ilgili sorunlar ortadan kalkacaktır.
Ek olarak, bir prototip oluştururken aşağıdaki hedefler belirlenir: sabit devirde çalışan nispeten küçük bir dizel motorun daha düşük yakıt tüketimi, enerji geri kazanımı ile birlikte, çalışan sensörler veya enerji ihracatı için artan güç üretimi, artırılmış güvenilirlik ve iyileştirilmiş hizmet.
Tümsekler umurunda değil
Zırhlı Araştırma Merkezi'nden (TARDEC) Bruce Brandl'in motor geliştirme konulu bir sunumda açıkladığı gibi, ABD Ordusu, savaş araçlarının daha zorlu arazilerde daha yüksek hızlarda hareket etmesini sağlayacak ve arazi yüzdesini önemli ölçüde azaltacak bir tahrik sistemi istiyor. mevcut arabaların hareket edemediği savaş bölgelerinde. Sözde geçilmez arazi bu bölgelerin yaklaşık %22'sini oluşturuyor ve ordu bu rakamı %6'ya indirmek istiyor. Ayrıca günümüzün 16 km/s olan ortalama hızını, çoğu bölgede 24 km/s'ye çıkarmak istiyorlar.
Brandl ayrıca, elektrikli kuleler ve koruma sistemleri gibi yeni teknolojilerden yükler eklendiğinden, gemideki enerji talebinin en az 250 kW'a, yani makinenin jeneratörlerinin sağlayabileceğinden daha yüksek bir seviyeye çıkarılmasının planlandığını vurguladı., güç elektroniğinin soğutulması., enerji ihracatı ve yönlendirilmiş enerji silahları.
ABD Ordusu, bu ihtiyaçların mevcut turbo dizel teknolojisiyle karşılanmasının motor hacmini %56, aracın ağırlığını ise yaklaşık 1400 kg artıracağını tahmin ediyor. Bu nedenle, gelişmiş enerji santrali Advanced Combat Engine'i (ACE) geliştirirken, ana görev belirlendi - toplam güç yoğunluğunu 3 hp / cu'dan ikiye katlamak. ft ila 6 hp / cu. ayak.
Yeni nesil askeri motorlar için daha yüksek güç yoğunluğu ve daha iyi yakıt verimliliği çok önemliyken, ısı çıkışını azaltmak da aynı derecede önemlidir. Bu üretilen ısı, elektrik enerjisinin itilmesi veya üretilmesi için kullanılabilse de, çevreleyen alana yayılan boşa harcanan enerjidir. Ancak, örneğin, 1500 hp kapasiteli M1 Abrams tankının AGT 1500 gaz türbini motoru gibi bu üç parametrenin mükemmel bir dengesini elde etmek her zaman mümkün değildir. düşük ısı transferi ve yüksek güç yoğunluğuna sahiptir ancak dizel motorlara göre çok yüksek yakıt tüketimine sahiptir.
Aslında, gaz türbinli motorlar büyük miktarda ısı üretir, ancak bunun çoğu, yüksek gaz akış hızı nedeniyle egzoz borusundan atılır. Sonuç olarak gaz türbinleri, dizel motorların ihtiyaç duyduğu soğutma sistemlerine ihtiyaç duymaz. Dizel motorların yüksek özgül gücü ancak termal kontrol sorununu çözerek elde edilebilir. Brandl, bunun temel olarak borular, pompalar, fanlar ve radyatörler gibi soğutma ekipmanları için mevcut sınırlı hacimden kaynaklandığını vurguladı. Ayrıca kurşun geçirmez ızgara gibi koruyucu yapılar da hacim alarak hava akışını kısıtlayarak fanların verimini düşürür.
doğru pistonlar
Brandl'ın belirttiği gibi, ACE programı, düşük ısı yayılımları nedeniyle zıt pistonlara sahip iki zamanlı dizel / çok yakıtlı motorlara odaklanmaktadır. Bu tür motorlarda, her silindire, kendi aralarında bir yanma odası oluşturan iki piston yerleştirilir, sonuç olarak silindir kafası hariç tutulur, ancak bunun için iki krank mili ve silindir duvarlarında emme ve egzoz portları gerekir. Boxer motorların geçmişi 1930'lara kadar uzanır ve on yıllar boyunca sürekli olarak iyileştirilir. Bu eski fikir, Cummins ile işbirliği içinde bu motoru canlandıran ve modernize eden Achates Power şirketi tarafından korunmadı.
Bir Achates Power sözcüsü, boksör teknolojilerinin termal verimliliği iyileştirdiğini ve bunun da daha düşük ısı kayıpları, daha iyi yanma ve daha düşük pompalama kayıpları anlamına geldiğini söyledi. Silindir kapağının ortadan kaldırılması, yanma odasındaki yüzey alanı-hacim oranını ve dolayısıyla motordaki ısının transferini ve salınmasını önemli ölçüde azalttı. Buna karşılık, geleneksel dört zamanlı bir motorda, silindir kapağı en sıcak bileşenlerin çoğunu içerir ve soğutucuya ve çevredeki atmosfere ısı transferinin ana kaynağıdır.
Achates yanma sistemi, hava/yakıt karışımını optimize etmek için her silindire çapsal olarak yerleştirilmiş ikiz yakıt enjektörleri ve patentli bir piston şekli kullanır, bu da düşük kurum yanması ve yanma odası duvarlarına daha az ısı transferi sağlar. Karışımın taze bir yükü silindire enjekte edilir ve egzoz gazları, motora hava pompalayan bir süper şarj cihazının yardımıyla portlardan çıkar. Achates, bu eş zamanlı blöfün yakıt ekonomisi ve emisyonlar üzerinde faydalı bir etkisi olduğuna dikkat çekiyor.
ABD Ordusu, ACE modüler ölçeklenebilir güç aktarma organları ailesinin aynı çap ve strok ve farklı silindir sayılarına sahip motorları içermesini istiyor: 600-750 hp. (3 silindir); 300-1000 HP (4); ve 1200-1500 beygir gücü. (6). Her santral bir hacim kaplayacak - 0,53 m yükseklik ve 1, 1 m genişlik ve buna göre 1,04 m, 1,25 m ve 1,6 m uzunluk.
teknolojik hedefler
2010 yılında yapılan bir Ordu içi araştırma, boksör motorlarının faydalarını doğruladı ve endüstriyel işletmelerin bu alandaki gelişmelerini sunduğu Yeni Nesil Savaş Motoru (NGCE) projesiyle sonuçlandı. Görev 71 hp'ye ulaşmaktı. silindir başına ve toplam 225 hp güç. 2015 yılına kadar, bu sayıların her ikisi de Zırhlı Araştırma Merkezinde test edilen deneysel bir motorda kolayca aşıldı.
Aynı yılın Şubat ayında, ordu, iki yıllık bir program kapsamında deneysel ACE tek silindirli motorlar için AVL Güç Aktarma Organları Mühendisliği ve Achates Power ile sözleşmeler imzaladı ve bu çerçevede, hedef aşağıdaki özelliklere ulaşmaktı: güç 250 hp, tork 678 Nm, özgül yakıt tüketimi 0, 14 kg/hp/h ve ısı dağılımı 0,45 kW/kW'den az. Isı transferi hariç tüm göstergeler aşıldı, burada 0,506 kW / kW'ın altına düşmek mümkün olmadı.
2017 yazında Cummins ve Achates, 1000 hp'lik dört silindirli bir motoru göstermek için bir ACE Çok Silindirli Motor (MCE) sözleşmesi kapsamında çalışmaya başladı. 2700 Nm tork ve spesifik yakıt tüketimi ve ısı transferi için aynı gereksinimler. İlk motor Temmuz 2018'de üretildi ve aynı yılın sonunda ilk operasyonel testler tamamlandı. Ağustos 2019'da motor kurulum ve test için TARDEC Müdürlüğü'ne teslim edildi.
Bir boxer motor ve bir hibrit elektrikli tahrikin kombinasyonu, hem askeri hem de sivil çeşitli tür ve boyutlardaki araçların verimliliğini artıracaktır. Bunu akılda tutarak, İleri Araştırma ve Geliştirme Kurumu, geleceğin hibrit araçları için gelişmiş bir tek silindirli boxer motor geliştirmesi için Achates'e 2 milyon dolar verdi; bu projede şirket, Michigan Üniversitesi ve Nissan ile işbirliği yapıyor.
Piston kontrolü
Konsepte uygun olarak, bu motor ilk kez elektrik alt sistemini ve içten yanmalı motoru bu kadar yakından entegre etti, iki krank milinin her biri döner ve kendi motor-jeneratör seti tarafından çalıştırılabilir; miller arasında mekanik bağlantı yoktur.
Achates, ürettiği tüm güç elektriksel olarak iletildiği ve jeneratörlerin menzili genişletmek için pil takımını şarj ettiği için motorun yalnızca sıralı hibrit sistemler için tasarlandığını doğruladı. Şaftlar arasında mekanik bir bağlantı olmadan, moment iletilmez, bu da yüklerde bir azalmaya yol açar. Sonuç olarak, daha hafif hale getirilebilir, toplam ağırlığı ve boyutu, sürtünmeyi ve gürültüyü azaltabilir ve maliyetleri azaltabilirler.
Belki de en önemlisi, ayrılmış krank milleri, güç elektroniği kullanımı yoluyla her bir pistonun bağımsız olarak kontrol edilmesini sağlar. "Bu, projemizin önemli bir parçası, elektrik motorlarının ve kontrollerin geliştirilmesinin içten yanmalı motorun verimliliğini nasıl artırabileceğini belirlemek önemlidir." Bir Achates sözcüsü, bu konfigürasyonun yeni olasılıklar açan krank mili zamanlama kontrolüne izin verdiğini doğruladı. "Geleneksel mekanik iletişimde bulunmayan piston kontrolünün verimliliğini artırmak için çalışıyoruz."
Bu noktada, bağımsız piston kontrolünün nasıl kullanılabileceğine dair çok az bilgi mevcuttur, ancak teorik olarak örneğin stroku sıkıştırma strokundan daha büyük yapmak ve böylece hava/yakıt yükünden daha fazla enerji elde etmek mümkündür. karışım. Benzer bir şema, hibrit araçlara kurulu dört zamanlı Atkinson motorlarında uygulanmaktadır. Örneğin Toyota Prius'ta bu, değişken valf zamanlaması ile elde edilir.
Uzun bir süre boyunca, içten yanmalı motorlar gibi olgun teknolojilerdeki büyük gelişmelerin elde edilmesinin kolay olmadığı açıktı, ancak gelişmiş boxer motorlar, özellikle elektrikli tahrik sistemleriyle birleştirildiğinde askeri araçlara gerçek avantajlar sağlayacak şeyler olabilirdi. …
