Ang lakas na kinakailangan upang itaguyod ang mga sasakyan sa lupa at upang mapatakbo ang kanilang mga system at pagpupulong ay ayon sa kaugalian na ibinibigay ng mga diesel engine. Ang pagbawas ng pagkonsumo ng gasolina ay hindi lamang nagdaragdag ng saklaw, ngunit binabawasan din ang dami ng logistik, na tinutukoy ng pagpapanatili ng mga reserba ng gasolina, at pinatataas ang proteksyon ng mga tauhan ng likuran sa serbisyo sa proseso ng kagamitan sa paglilingkod.
Kaugnay nito, nagsisikap ang sandatahang lakas na makahanap ng solusyon kung saan ang mataas na kahusayan at mataas na tiyak na init ng pagkasunog ng diesel fuel na likas sa mga system na may isang electric drive ay gagana sa isang "koponan". Ang mga bagong solusyon sa hybrid at advanced na mga engine ng pagkasunog ay may potensyal na mag-alok ng mga dakilang praktikal na benepisyo sa tabi ng tahimik na solong-kuryenteng biyahe, tahimik na pagsubaybay (mga sensor na pinapatakbo ng baterya habang nakatigil), at pagbuo ng kuryente para sa mga panlabas na mamimili.
Potensyal na tren ng kuryente
Ang Research Canada (DRDC), halimbawa, ay iniimbestigahan ang pagiging posible ng hybrid diesel-electric powertrains. Inilathala ng FDA ang pagsasaliksik nito noong 2018, na nakatuon sa magaan na mga taktikal na platform tulad ng mga HMMWV, DAGOR-class na ultralight combat na sasakyan, at maliit na mga solong at multi-seat ATV.
Ang ulat na Kakayahang ng Hybrid Diesel-Electric Powertrains para sa Light Tactical Vehicles ay nagsasaad na sa karamihan ng mga mode sa pagmamaneho kung saan ang bilis at pagkarga ay magkakaiba-iba (karaniwang off-road), ang mga hybrids ay may 15% -20% na mas mahusay na fuel fuel sa mga tuntunin ng fuel economy. Kumpara sa tradisyonal na mga machine na hinihimok ng mekanikal, lalo na kapag gumagamit ng regenerative braking. Bilang karagdagan, ang mga panloob na engine ng pagkasunog, kabilang ang mga diesel engine, ay pinakamahusay na gumaganap kapag pinamamahalaan nang maingat na napiling pare-pareho ang rpm, na tipikal ng sunud-sunod na mga hybrid system kung saan ang engine ay nagpapatakbo lamang bilang isang generator.
Tulad ng tala ng ulat, dahil ang lakas ng engine ay maaaring dagdagan ng mga baterya sa maikling panahon ng pinakamataas na pagkonsumo ng kuryente, ang engine ay maaaring iakma upang maibigay lamang ang average na kinakailangang lakas, na may mas maliit na mga powerplant sa pangkalahatan na gumagamit ng mas kaunting gasolina, lahat ng iba pang mga bagay ay pantay.
Na may sapat na kapasidad ng baterya, ang mga hybrids ay maaari ring manatili sa tahimik na mode ng pagsubaybay nang mahabang panahon sa naka-off ang engine at mga gumaganang sensor, electronics at system ng komunikasyon. Bilang karagdagan, maaaring mapagana ng system ang mga panlabas na kagamitan, singilin ang mga baterya, at kahit pa i-power ang isang kampo ng militar, binabawasan ang pangangailangan para sa mga towed generator.
Habang ang mga hybrid drive ay nag-aalok ng higit na mahusay na pagganap sa mga tuntunin ng bilis, pagbilis at kakayahang bumuo, ang baterya pack ay maaaring mabigat at hindi mahirap, na nagreresulta sa nabawasan na kargamento, sinabi ng DRDC. Maaari itong maging isang problema para sa mga sasakyan na ultralight at mga one-seater ATV. Bilang karagdagan, sa mababang temperatura, ang mga katangian ng mga baterya mismo ay nabawasan, madalas silang may mga problema sa pagsingil at pagpigil sa temperatura.
Bagaman tinanggal ng mga sunud-sunod na hybrids ang paghahatid ng mekanikal, ang pangangailangan para sa isang engine, generator, power electronics at baterya ay hindi maiiwasang gawing mahirap at mahal silang bilhin at panatilihin.
Karamihan sa mga electrolyte ng baterya ay maaari ding magdulot ng mga peligro kapag nasira, halimbawa, ang mga lithium-ion cells ay kilala na mag-apoy kapag nasira. Kung nagdudulot ito ng mas malaking peligro kaysa sa pagbibigay ng diesel fuel ay marahil isang punto ng moot, itinuturo ng ulat, ngunit ang mga hybrid ay nagdadala ng parehong mga panganib.
Pinili ng kumbinasyon
Ang dalawang pangunahing mga scheme para sa pagsasama-sama ng panloob na mga engine ng pagkasunog sa mga de-koryenteng aparato ay serial at parallel. Tulad ng nabanggit sa itaas, ang serial hybrid platform ay isang de-kuryenteng makina na may isang generator, habang kahanay ay may isang makina at isang traksyon motor, na, sa pamamagitan ng isang mekanikal na paghahatid na konektado sa kanila, nagpapadala ng lakas sa mga gulong. Nangangahulugan ito na ang makina o traction motor ay maaaring mag-drive ng machine nang paisa-isa, o maaari silang magkatrabaho.
Sa parehong uri ng mga hybrids, ang sangkap ng elektrikal ay karaniwang isang motor-generator set (MGU), na maaaring mag-convert ng elektrikal na enerhiya sa paggalaw at kabaliktaran. Maaari itong magmaneho ng kotse, singilin ang isang baterya, magsimula ng isang makina at, kung kinakailangan, makatipid ng enerhiya sa pamamagitan ng regenerative braking.
Ang parehong mga serye at parallel hybrids ay umaasa sa electronics ng kuryente upang pamahalaan ang lakas ng baterya at makontrol ang temperatura ng baterya. Nagbibigay din sila ng boltahe at amperage na dapat ibigay ng generator sa mga baterya at baterya na turn sa mga de-koryenteng motor.
Ang electronics na ito ng kuryente ay nagmula sa anyo ng mga inverters na semiconductor batay sa mga silikon karbida semiconductors, ang mga kawalan nito, bilang panuntunan, ay nagsasama ng malaking sukat at gastos, pati na rin ang pagkawala ng init. Ang electronics ng kuryente ay nangangailangan din ng mga electronics na kontrol na katulad ng mga nagpapagana ng panloob na engine ng pagkasunog.
Hanggang ngayon, ang kasaysayan ng mga de-koryenteng sasakyan ng militar ay binubuo ng mga pang-eksperimentong at ambisyosong mga programa sa pag-unlad na sa huli ay sarado. Sa totoong operasyon, wala pa ring mga hybrid na sasakyang militar, sa partikular, sa larangan ng magaan na mga taktikal na sasakyan, nananatili ang maraming mga hindi malulutas na teknolohikal na problema. Ang mga problemang ito ay maaaring isaalang-alang na malulutas para sa mga sasakyan ng sibilyan habang nagpapatakbo sila sa mas kanais-nais na mga kondisyon.
Ang mga de-kuryenteng kotse ay nagpakita ng kanilang sarili na napakabilis. Halimbawa, ang pang-eksperimentong baterya ng Nikola Motor na Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) na apat na seater ay maaaring mapabilis mula 0 hanggang 97 km / h sa 4 na segundo at may saklaw na 241 km.
"Ang layout, gayunpaman, ay isa sa mga malalaking hamon," sabi ng ulat ng DRDC. Ang laki, bigat at pagwawaldas ng init ng mga pack ng baterya ay malaki, at isang kompromiso ay dapat gawin sa pagitan ng kabuuang lakas na enerhiya at ang madalian na lakas na maihahatid nila para sa isang naibigay na masa at dami. Ang paglalaan ng dami para sa mga cable na may mataas na boltahe, ang kanilang pagiging maaasahan at kaligtasan ay mga bottleneck din kasama ang laki, bigat, paglamig, pagiging maaasahan at hindi tinatagusan ng tubig ng mga electronics na kuryente.
Init at alikabok
Sinasabi sa ulat na ang mga pagbabago sa temperatura na kinakaharap ng mga sasakyang militar ay marahil ang pinakamalaking problema, dahil ang mga baterya ng lithium-ion ay hindi sisingilin sa temperatura ng sub-zero at ang mga sistema ng pag-init ay nagdaragdag ng pagiging kumplikado at nangangailangan ng enerhiya. Ang mga baterya na labis na nag-init sa panahon ng paglabas ay potensyal na mapanganib, dapat silang palamig o mabawasan sa isang pinababang mode, habang ang mga motor at generator ay maaari ding magpainit, sa wakas, huwag kalimutan ang tungkol sa mga permanenteng magnet, na madaling kapitan ng demagnetization.
Gayundin, sa mga temperatura sa itaas mga 65 ° C, ang kahusayan ng mga aparato tulad ng IGBT inverters ay bumababa at samakatuwid ay nangangailangan ng paglamig, bagaman ang mga mas bagong elektroniko na kuryente batay sa mga silikon karbida semiconductor o gallium nitride, bilang karagdagan sa pagpapatakbo sa mas mataas na boltahe, makatiis ng mas mataas na temperatura at, samakatuwid, maaaring cooled mula sa sistema ng paglamig ng engine.
Bilang karagdagan, ang pagkabigla at panginginig mula sa magaspang na lupain, kasama ang potensyal na pinsala na maaaring sanhi ng paghihimok at pagsabog, ay nagpapahirap din na isama ang teknolohiya ng electric drive sa mga magaan na sasakyang militar, sinabi ng ulat.
Nagtapos ang ulat na dapat mag-order ang DRDC ng isang demonstrador ng teknolohiya. Ito ay isang medyo simpleng magaan na sunud-sunod na hybrid na pantaktika na sasakyan na may mga de-kuryenteng motor na naka-install alinman sa mga wheel hub o sa mga axle, ang diesel engine ay naayos sa naaangkop na rurok na lakas, at isang hanay ng mga super- o ultracapacitor ay naka-install upang mapabuti ang pagbilis at kakayahang bumuo. Ang mga supercapacitor o ultracapacitor ay nag-iimbak ng napakalaking singil sa loob ng maikling panahon at maipalabas ito nang napakabilis upang makabuo ng mga pulso ng kuryente. Ang kotse ay alinman sa wala, o isang napakaliit na baterya ay mai-install, ang kuryente ay mabubuo sa panahon ng proseso ng pagbabalik-buhay na pagpepreno, bilang isang resulta, ang mga mode ng tahimik na paggalaw at tahimik na pagmamasid ay hindi kasama.
Ang mga kable ng kuryente na tumatakbo sa mga gulong lamang, na pinapalitan ang mekanikal na paghahatid at mga drive shafts, ay makabuluhang mabawasan ang bigat ng makina at mapabuti ang proteksyon ng pagsabog, dahil ang pagkalat ng pangalawang mga labi at mga fragment ay tinanggal. Nang walang baterya, ang panloob na lakas ng tunog para sa mga tauhan at kargamento ay tataas at magiging ligtas, at ang mga problemang nauugnay sa pagpapanatili at pamamahala ng thermal ng mga baterya ng lithium-ion ay aalisin.
Bilang karagdagan, ang mga sumusunod na layunin ay itinakda kapag lumilikha ng isang prototype: mas mababang pagkonsumo ng gasolina ng isang maliit na maliit na diesel engine na tumatakbo sa pare-parehong rpm, na sinamahan ng pagbawi ng enerhiya, tumaas na pagbuo ng kuryente para sa mga operating sensor o pag-export ng enerhiya, nadagdagan ang pagiging maaasahan at pinabuting serbisyo.
Walang pakialam ang mga paga
Tulad ng ipinaliwanag ni Bruce Brandl ng Armored Research Center (TARDEC) sa isang pagtatanghal sa pagpapaunlad ng makina, nais ng US Army ang isang propulsyon system na papayagan ang mga sasakyang pandigma nito na lumipat sa mas mahirap na lupain sa mas mataas na bilis, na makabuluhang mabawasan ang porsyento ng lupain sa mga war zona.saan ang kasalukuyang mga kotse ay hindi makagalaw. Ang tinaguriang hindi daanan na lupain ay binubuo ng tungkol sa 22% ng mga zone na ito at nais ng hukbo na bawasan ang bilang na ito sa 6%. Nais din nilang dagdagan ang average na bilis sa karamihan ng lugar mula ngayon 16 km / h hanggang 24 km / h.
Bilang karagdagan, binigyang diin ni Brandl na ang pangangailangan ng enerhiya na nakasakay ay pinaplano na dagdagan sa hindi bababa sa 250 kW, iyon ay, mas mataas kaysa sa maibigay ng mga generator ng makina, dahil ang mga pagkarga ay idinagdag mula sa mga bagong teknolohiya, halimbawa, mga nakakuryenteng tore at mga sistema ng proteksyon, paglamig ng mga electronics na kuryente., pag-export ng enerhiya at nakadirekta na mga sandata ng enerhiya.
Tinantya ng US Army na ang pagtugon sa mga pangangailangan na ito sa kasalukuyang turbodiesel na teknolohiya ay magpapataas sa dami ng engine ng 56% at ang bigat ng sasakyan ng humigit-kumulang na 1400 kg. Samakatuwid, kapag binubuo ang advanced na planta ng kuryente na Advanced Combat Engine (ACE), itinakda ang pangunahing gawain - upang doblehin ang kabuuang kakapalan ng kuryente mula sa 3 hp / cu. ft hanggang 6 hp / cu. paa
Habang ang mas mataas na density ng kuryente at mas mahusay na kahusayan sa gasolina ay napakahalaga para sa susunod na henerasyon ng mga engine ng militar, pantay na mahalaga na bawasan ang output ng init. Ang nabuong init na ito ay nasayang na enerhiya na nawala sa nakapalibot na espasyo, kahit na maaari itong magamit upang itaguyod o makabuo ng elektrikal na enerhiya. Ngunit malayo sa laging posible upang makamit ang isang perpektong balanse ng lahat ng tatlong mga parameter na ito, halimbawa, ang AGT 1500 gas turbine engine ng tangke ng M1 Abrams na may kapasidad na 1500 hp. may mababang paglipat ng init at mataas na density ng kuryente, ngunit napakataas ng pagkonsumo ng gasolina kumpara sa mga diesel engine.
Sa katunayan, ang mga engine ng gas turbine ay bumubuo ng isang malaking halaga ng init, ngunit ang karamihan sa mga ito ay tinanggal sa pamamagitan ng maubos na tubo, dahil sa mataas na rate ng daloy ng gas. Bilang isang resulta, ang mga gas turbine ay hindi nangangailangan ng mga sistema ng paglamig na kailangan ng mga diesel engine. Ang isang mataas na tiyak na lakas ng mga diesel engine ay maaaring makamit lamang sa pamamagitan ng paglutas ng problema ng thermal control. Binigyang diin ni Brandl na higit sa lahat ito ay dahil sa limitadong dami na magagamit para sa paglamig kagamitan tulad ng piping, pump, fan at radiator. Bilang karagdagan, ang mga istrakturang pang-proteksiyon tulad ng mga bulletproof grill ay tumatagal din ng dami at pinaghihigpitan ang daloy ng hangin, binabawasan ang kahusayan ng mga tagahanga.
Pistons patungo
Tulad ng nabanggit ni Brandl, ang programa ng ACE ay nakatuon sa two-stroke diesel / multi-fuel engine na may mga taliwas na piston dahil sa kanilang taglay na mababang pagwawaldas ng init. Sa mga naturang makina, dalawang mga piston ang inilalagay sa bawat silindro, na bumubuo ng isang silid ng pagkasunog sa pagitan ng kanilang mga sarili, bilang isang resulta, ang ulo ng silindro ay ibinukod, ngunit nangangailangan ito ng dalawang crankshafts at paggamit at pag-ubos ng mga port sa mga dingding ng silindro. Ang mga boxer engine ay nagsimula pa noong 1930s at patuloy na napabuti sa mga nakaraang dekada. Ang lumang ideyang ito ay hindi naiwasan ng kumpanya na Achates Power, na, sa pakikipagtulungan sa Cummins, binuhay muli at binago ang makina na ito.
Sinabi ng isang tagapagsalita ng Achates Power na ang kanilang teknolohiya sa boksingero ay napabuti ang kahusayan ng thermal, na isinalin sa mas mababang pagkawala ng init, pinabuting pagkasunog at nabawasan ang mga pagkawala ng pumping. Ang pag-aalis ng ulo ng silindro ay makabuluhang nabawasan ang pang-ibabaw na ratio ng dami sa silid ng pagkasunog at dahil doon ang paglipat at paglabas ng init sa engine. Sa kaibahan, sa isang tradisyonal na engine na apat na stroke, ang ulo ng silindro ay naglalaman ng maraming pinakamainit na sangkap at ang pangunahing mapagkukunan ng paglipat ng init sa coolant at sa nakapaligid na kapaligiran.
Ang sistema ng pagkasunog ng Achates ay gumagamit ng mga kambal na fuel injection na diametrically nakaposisyon sa bawat silindro at isang patentadong hugis ng piston upang ma-optimize ang halo ng hangin / gasolina, na nagreresulta sa mababang pagkasunog ng uling at nabawasan ang paglipat ng init sa mga dingding ng pagkasunog. Ang isang sariwang singil ng pinaghalong ay na-injected sa silindro, at ang mga gas na maubos ay lumalabas sa mga port, tinutulungan ng isang supercharger na nagpapatakbo ng hangin sa pamamagitan ng makina. Itinuro ni Achates na ang co-kasalukuyang blowdown na ito ay may kapaki-pakinabang na epekto sa fuel fuel at emissions.
Nais ng US Army na ang pamilya ACE ng modular scalable powertrains na isama ang mga engine na may parehong bore at stroke at iba't ibang bilang ng silindro: 600-750 hp. (3 silindro); 300-1000 HP (4); at 1200-1500 hp. (6). Ang bawat planta ng kuryente ay sakupin ang isang dami - isang taas na 0.53 m at isang lapad na 1, 1 m at, nang naaayon, isang haba ng 1.04 m, 1.25 m at 1.6 m.
Mga layunin sa teknolohikal
Ang isang panloob na pag-aaral ng Army na isinagawa noong 2010 ay nakumpirma ang mga pakinabang ng mga boxer engine, na nagreresulta sa proyekto na Next-Generation Combat Engine (NGCE), kung saan ipinakita ng mga negosyong pang-industriya ang kanilang mga pagpapaunlad sa lugar na ito. Ang gawain ay upang maabot ang 71 hp. bawat silindro at isang kabuuang lakas na 225 hp. Pagsapit ng 2015, ang parehong mga bilang na ito ay madaling lumampas sa isang pang-eksperimentong engine na nasubukan sa Armored Research Center.
Noong Pebrero ng parehong taon, iginawad ng hukbo ang mga kontrata sa AVL Powertrain Engineering at Achates Power para sa pang-eksperimentong mga solong solong-silindro ng ACE sa ilalim ng isang dalawang taong programa, sa loob ng balangkas kung saan ang layunin ay makamit ang mga sumusunod na katangian: kapangyarihan 250 hp, metalikang kuwintas 678 Nm, tiyak na pagkonsumo ng gasolina 0, 14 kg / hp / h at pagwawaldas ng init na mas mababa sa 0.45 kW / kW. Ang lahat ng mga tagapagpahiwatig ay lumampas, maliban sa paglipat ng init, narito hindi posible na bumaba sa ibaba 0.506 kW / kW.
Noong tag-araw ng 2017, ang Cummins at Achates ay nagsimulang magtrabaho sa ilalim ng isang kontrata ng ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) upang ipakita ang isang 1,000 hp na apat na silindro na makina. metalikang kuwintas ng 2700 Nm at ang parehong mga kinakailangan para sa tiyak na pagkonsumo ng gasolina at paglipat ng init. Ang unang makina ay ginawa noong Hulyo 2018 at ang mga paunang pagsubok sa pagpapatakbo ay nakumpleto sa pagtatapos ng parehong taon. Noong Agosto 2019, ang makina ay naihatid sa Direktoryo ng TARDEC para sa pag-install at pagsubok.
Ang pagsasama ng isang boxer engine at isang hybrid electric drive ay magpapabuti sa kahusayan ng mga sasakyan ng iba't ibang uri at sukat, kapwa militar at sibilyan. Sa pag-iisip na ito, ang Advanced Research and Development Authority ay nag-isyu ng $ 2 milyon kay Achates upang makabuo ng isang advanced single-silinder boxer engine para sa hinaharap na mga hybrid na sasakyan; sa proyektong ito ang kumpanya ay nakikipagtulungan sa University of Michigan at Nissan.
Pagkontrol ng piston
Alinsunod sa konsepto, ang engine na ito sa kauna-unahang pagkakataon na malapit na isinama ang electrical subssystem at ang panloob na engine ng pagkasunog, ang bawat isa sa dalawang crankshafts ay umiikot at maaaring hinimok ng sarili nitong hanay ng motor-generator; walang koneksyon sa mekanikal sa pagitan ng mga shaft.
Kinumpirma ni Achates na ang makina ay dinisenyo lamang para sa sunud-sunod na mga hybrid system, dahil ang lahat ng lakas na nalilikha nito ay nakukuha sa elektrisidad at singilin ng mga genset ang pack ng baterya upang pahabain ang saklaw. Nang walang isang koneksyon sa makina sa pagitan ng mga shaft, ang sandali ay hindi naililipat, na hahantong sa pagbaba ng mga pag-load. Bilang isang resulta, maaari silang gawing mas magaan, mabawasan ang pangkalahatang timbang at sukat, alitan at ingay, at mabawasan ang mga gastos.
Marahil na pinakamahalaga, pinapayagan ng mga nadugtong na crankshaf na independiyenteng kontrol ng bawat piston sa pamamagitan ng paggamit ng power electronics. "Ito ay isang mahalagang bahagi ng aming proyekto, mahalaga na matukoy kung paano ang pagpapaunlad ng mga de-kuryenteng motor at kontrol ay maaaring mapabuti ang kahusayan ng panloob na engine ng pagkasunog." Kinumpirma ng isang tagapagsalita ng Achates na pinapayagan ng pagsasaayos na ito ang kontrol sa tiyempo ng crankshaft, na magbubukas ng mga bagong posibilidad. "Nagsusumikap kaming mapabuti ang kahusayan ng kontrol ng piston, na hindi magagamit sa tradisyunal na komunikasyong mekanikal."
Sa puntong ito, mayroong kaunting impormasyon na magagamit tungkol sa kung paano magagamit ang independiyenteng kontrol ng piston, ngunit sa teorya posible na gawing mas malaki ang stroke kaysa sa compression stroke, halimbawa, at sa gayon kumuha ng mas maraming enerhiya mula sa pagsingil ng hangin / gasolina halo. Ang isang katulad na pamamaraan ay ipinatupad sa mga four-stroke engine ng Atkinson na naka-install sa mga hybrid na kotse. Halimbawa, sa Toyota Prius, nakakamit ito sa pamamagitan ng variable na tiyempo ng balbula.
Sa loob ng mahabang panahon, malinaw na ang mga malalaking pagpapabuti sa mga may sapat na teknolohiya, tulad ng panloob na mga engine ng pagkasunog, ay hindi madaling makamit, ngunit ang mga advanced na boxer engine ay maaaring magbigay ng totoong mga pakinabang sa mga sasakyang militar, lalo na kapag isinama sa mga electric propulsion system. …
