انرژی مورد نیاز برای رانندگی وسایل نقلیه زمینی و عملکرد سیستم ها و مجموعه های آنها به طور سنتی توسط موتورهای دیزلی تأمین می شود. کاهش مصرف سوخت نه تنها برد را افزایش می دهد ، بلکه میزان تدارکات را که با حفظ ذخایر سوخت تعیین می شود ، کاهش می دهد و حفاظت از پرسنل سرویس عقب را در فرایند سرویس تجهیزات افزایش می دهد.
در این راستا ، نیروهای مسلح در تلاش هستند تا راه حلی را بیابند که در آن راندمان بالا و گرمای ویژه احتراق سوخت دیزل ذاتی در سیستم های دارای موتور برقی در یک "تیم" کار کند. راه حل های هیبریدی جدید و موتورهای احتراق پیشرفته می توانند مزایای عملی بزرگی را در کنار درایو تک الکتریک آرام ، نظارت بی صدا (سنسورهای باتری در حالت ایستاده) و تولید برق برای مصرف کنندگان خارجی ارائه دهند.
پتانسیل قطار قدرت
به عنوان مثال ، تحقیقات کانادا (DRDC) امکان سنجی پیشرانه های هیبریدی دیزلی-برقی را بررسی می کند. FDA تحقیقات خود را در سال 2018 با تمرکز بر سکوهای تاکتیکی سبک مانند HMMWV ، خودروهای رزمی فوق سبک کلاس DAGOR و ATV های کوچک تک نفره و چند نفره منتشر کرد.
در گزارش امکان سنجی پیشرانه های دیزلی-برقی هیبریدی برای وسایل نقلیه تاکتیکی سبک اشاره شده است که در اکثر حالت های رانندگی که سرعت و بارها بطور قابل توجهی متفاوت است (معمولاً در خارج از جاده) ، هیبریدها 15 تا 20 درصد از نظر مصرف سوخت در مقایسه با ماشینهای مکانیکی سنتی ، به ویژه هنگام استفاده از ترمزهای احیا کننده. علاوه بر این ، موتورهای احتراق داخلی ، از جمله موتورهای دیزلی ، هنگامی که در دورهای دور دقیق با دقت انتخاب شده کار می کنند ، بهترین عملکرد را دارند ، که معمولاً در سیستم های ترکیبی متوالی که در آنها موتور فقط به عنوان ژنراتور عمل می کند ، کار می کنند.
همانطور که در گزارش اشاره شده است ، زیرا قدرت موتور را می توان با باتری در دوره های کوتاه مصرف حداکثر مصرف انرژی تکمیل کرد ، موتور را می توان تنظیم کرد تا تنها متوسط قدرت مورد نیاز را تامین کند ، در حالی که نیروگاه های کوچکتر عموماً از سوخت کمتری استفاده می کنند و سایر موارد برابر است.
با ظرفیت کافی باتری ، هیبریدها همچنین می توانند برای مدت طولانی در حالت خاموش نظارت با موتور خاموش و کارکرد سنسورها ، وسایل الکترونیکی و سیستم های ارتباطی باقی بمانند. علاوه بر این ، این سیستم می تواند تجهیزات خارجی را تغذیه کند ، باتری را شارژ کند و حتی یک کمپ نظامی را تغذیه کند و نیاز به ژنراتورهای بکسل را کاهش دهد.
DRDC می گوید در حالی که درایوهای هیبریدی از نظر سرعت ، شتاب و درجه حرارت عملکرد بالاتری را ارائه می دهند ، بسته باتری می تواند سنگین و سخت باشد و در نتیجه بار آن کاهش می یابد. این می تواند برای خودروهای فوق سبک و ATV های یک نفره مشکل ساز شود. علاوه بر این ، در دماهای پایین ، ویژگی های خود باتری ها کاهش می یابد ، آنها اغلب با شارژ و کنترل دما مشکل دارند.
اگرچه هیبریدهای پی در پی انتقال مکانیکی را حذف می کنند ، اما نیاز به موتور ، ژنراتور ، قطعات الکترونیکی قدرت و باتری به ناچار خرید و نگهداری آنها را دشوار و گران می کند.
اکثر الکترولیت های باتری همچنین می توانند خطرات ایجاد کنند ، به عنوان مثال ، سلول های یون لیتیوم در هنگام آسیب دیدگی مشتعل می شوند. این گزارش خاطرنشان می کند که آیا این خطر بیشتری نسبت به تامین سوخت دیزل دارد یا خیر ، یک موضوع بحث برانگیز است ، اما هیبریدها هر دو ریسک را به همراه دارند.
انتخاب ترکیبی
دو طرح اصلی برای ترکیب موتورهای احتراق داخلی با دستگاه های الکتریکی سریال و موازی هستند. همانطور که در بالا ذکر شد ، پلت فرم ترکیبی سری یک ماشین الکتریکی با ژنراتور است ، در حالی که به طور موازی یک موتور و یک موتور کششی وجود دارد که از طریق یک گیربکس مکانیکی متصل به آنها ، قدرت را به چرخ ها منتقل می کند. این بدان معناست که موتور یا موتور کششی می توانند دستگاه را به صورت جداگانه هدایت کنند ، یا می توانند با هم کار کنند.
در هر دو نوع هیبرید ، جزء الکتریکی معمولاً یک مجموعه موتور-ژنراتور (MGU) است که می تواند انرژی الکتریکی را به حرکت تبدیل کند و برعکس. می تواند با ماشین رانندگی کند ، باتری را شارژ کند ، موتور را روشن کند و در صورت لزوم ، از طریق ترمزهای احیا کننده ، انرژی خود را حفظ کند.
هیبریدهای سری و موازی برای کنترل قدرت باتری و تنظیم دمای باتری به الکترونیک قدرت متکی هستند. آنها همچنین ولتاژ و آمپری را که ژنراتور باید به باتری ها و باتری ها را به نوبت به موتورهای الکتریکی تامین کند ، ارائه می دهند.
این الکترونیک قدرت به صورت اینورترهای نیمه هادی بر اساس نیمه رساناهای کاربید سیلیکون ارائه می شود ، که معایب آنها ، به طور معمول ، شامل اندازه و هزینه زیاد و همچنین از دست دادن حرارت است. لوازم الکترونیکی قدرتمند نیز نیاز به وسایل الکترونیکی کنترلی مشابه آنهایی دارند که موتورهای احتراق داخلی را تغذیه می کنند.
تا کنون ، تاریخچه خودروهای نظامی برقی متشکل از برنامه های توسعه آزمایشی و بلند پروازانه بوده است که در نهایت بسته شد. در عملیات واقعی ، هنوز هیچ وسیله نقلیه نظامی ترکیبی وجود ندارد ، به ویژه ، در زمینه وسایل نقلیه تاکتیکی سبک ، چندین مشکل تکنولوژیکی حل نشده باقی مانده است. این مشکلات را می توان تا حد زیادی برای وسایل نقلیه غیرنظامی حل کرد زیرا آنها در شرایط بسیار مطلوب تری کار می کنند.
اتومبیل های برقی خود را بسیار سریع نشان داده اند. برای مثال ، موتور چهار نفره Reactless Utility Tactical Vehicle (UTV) با موتور آزمایشی نیکولا موتور می تواند شتاب صفر تا 97 کیلومتر در ساعت را در 4 ثانیه و برد آن 241 کیلومتر است.
در گزارش DRDC آمده است: "با این حال ، چیدمان یکی از آن چالش های بزرگ است." اندازه ، وزن و اتلاف حرارت بسته های باتری بسیار زیاد است و باید بین ظرفیت کل انرژی و توان آنی که می توانند برای جرم و حجم معین ارائه دهند ، سازش شود. تخصیص حجم برای کابل های ولتاژ بالا ، قابلیت اطمینان و ایمنی آنها نیز در کنار اندازه ، وزن ، خنک کننده ، قابلیت اطمینان و ضد آب بودن قطعات الکترونیکی قدرت محدودیت هایی دارد.
گرما و گرد و غبار
این گزارش می گوید تغییرات دما با خودروهای نظامی شاید بزرگترین مشکل باشد ، زیرا باتری های لیتیوم یون در دمای زیر صفر شارژ نمی شوند و سیستم های گرمایشی پیچیدگی و نیاز به انرژی را افزایش می دهند.باتری هایی که در حین تخلیه بیش از حد گرم می شوند به طور بالقوه خطرناک هستند ، آنها باید خنک شوند یا به حالت کاهش یافته کاهش داده شوند ، در حالی که موتورها و ژنراتورها نیز می توانند بیش از حد گرم شوند ، در نهایت ، مغناطیس دائمی را که مستعد مغناطیس شدن هستند فراموش نکنید.
به همین ترتیب ، در دمای بالاتر از حدود 65 درجه سانتی گراد ، بازدهی دستگاه هایی مانند اینورترهای IGBT کاهش می یابد و بنابراین نیاز به خنک کننده دارد ، اگرچه دستگاه های الکترونیکی جدیدتر بر اساس نیمه رساناهای کاربید سیلیکون یا نیترید گالیم ، علاوه بر کار با افزایش ولتاژ ، دمای بالاتر را تحمل می کند و بنابراین ، می توان آن را از سیستم خنک کننده موتور خنک کرد.
علاوه بر این ، شوک و ارتعاش ناشی از زمین های ناهموار ، به علاوه خسارت احتمالی که ممکن است بر اثر گلوله باران و انفجارها ایجاد شود ، ادغام فناوری رانندگی برقی در خودروهای سبک نظامی را نیز مشکل می کند.
این گزارش نتیجه می گیرد که DRDC باید یک نمایشگر فناوری را سفارش دهد. این یک ماشین تاکتیکی ترکیبی سبک وزن نسبتاً ساده و متوالی با موتورهای الکتریکی است که یا در توپی چرخ یا در محورها نصب شده اند ، موتور دیزلی با حداکثر قدرت مناسب تنظیم شده و مجموعه ای از خازن های فوق العاده یا فوق العاده برای بهبود شتاب و درجه بندی نصب شده است. به ابرخازنها یا فوق خازنها بار بسیار زیادی را برای مدت کوتاهی ذخیره می کنند و می توانند آن را خیلی سریع آزاد کرده و پالسهای قدرت تولید کنند. ماشین یا اصلاً وجود نخواهد داشت ، یا یک باتری بسیار کوچک نصب می شود ، در فرآیند ترمز احیا کننده برق تولید می شود ، در نتیجه حالتهای حرکت بی صدا و مشاهده بی صدا حذف می شوند.
کابلهای برق که به تنهایی به چرخ ها می آیند و جایگزین گیربکس مکانیکی و محورهای محرک می شوند ، وزن دستگاه را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد و حفاظت از انفجار را بهبود می بخشد ، زیرا پراکندگی بقایای ثانویه و قطعات از بین می رود. بدون باتری ، حجم داخلی خدمه و بار بیشتر می شود و ایمن تر می شود و مشکلات مربوط به نگهداری و مدیریت حرارتی باتری های لیتیوم یون برطرف می شود.
علاوه بر این ، اهداف زیر هنگام ایجاد نمونه اولیه تعیین می شود: مصرف سوخت کمتر یک موتور دیزلی نسبتاً کوچک که در دور در دقیقه ثابت کار می کند ، همراه با بازیابی انرژی ، افزایش تولید برق برای سنسورهای عملکردی یا صادرات انرژی ، افزایش قابلیت اطمینان و بهبود خدمات.
دست اندازها اهمیتی نمی دهند
همانطور که بروس براندل از مرکز تحقیقات زرهی (TARDEC) در ارائه توسعه موتور توضیح داد ، ارتش ایالات متحده خواهان یک سیستم پیشرانش است که به خودروهای رزمی خود اجازه دهد با سرعت بیشتری از زمین های دشوارتر عبور کنند ، که درصد زمین را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. در مناطق جنگی که در آن اتومبیل های فعلی نمی توانند حرکت کنند. زمین به اصطلاح صعب العبور حدود 22 درصد از این مناطق را تشکیل می دهد و ارتش می خواهد این رقم را به 6 درصد کاهش دهد. آنها همچنین می خواهند سرعت متوسط را در بیشتر مناطق از 16 کیلومتر در ساعت امروز به 24 کیلومتر در ساعت افزایش دهند.
علاوه بر این ، براندل تأکید کرد که تقاضای انرژی در کشتی حداقل به 250 کیلووات افزایش می یابد ، یعنی بیشتر از آنچه که ژنراتورهای دستگاه می توانند تأمین کنند ، زیرا بارهایی از فناوری های جدید اضافه می شود ، به عنوان مثال ، برج های برقی و سیستم های حفاظتی ، خنک کننده تجهیزات الکترونیکی قدرت ، صادرات انرژی و سلاح های انرژی جهت دار.
برآورد ارتش آمریکا برآوردن این نیازها با فناوری فعلی توربودیزل ، حجم موتور را 56 درصد و وزن خودرو را حدود 1400 کیلوگرم افزایش می دهد.بنابراین ، هنگام توسعه نیروگاه پیشرفته پیشرفته موتور رزمی (ACE) ، وظیفه اصلی تعیین شد - دو برابر شدن چگالی توان از 3 اسب بخار در متر مکعب. فوت تا 6 اسب بخار در متر مکعب پا.
در حالی که چگالی توان بیشتر و بهره وری سوخت بهتر برای نسل بعدی موتورهای نظامی بسیار مهم است ، کاهش خروجی گرما نیز به همان اندازه مهم است. این گرمای تولید شده ، انرژی اتلاف شده در فضای اطراف است ، اگرچه می تواند برای حرکت یا تولید انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد. اما دستیابی به تعادل کامل هر سه این پارامترها ، به عنوان مثال ، موتور توربین گازی AGT 1500 مخزن M1 Abrams با ظرفیت 1500 اسب بخار ، از همیشه امکان پذیر نیست. دارای انتقال حرارت کم و چگالی توان بالا ، اما مصرف سوخت بسیار بالایی در مقایسه با موتورهای دیزلی دارد.
در واقع موتورهای توربین گازی مقدار زیادی گرما تولید می کنند ، اما بیشتر آن به دلیل سرعت بالای جریان گاز از طریق لوله اگزوز خارج می شود. در نتیجه ، توربین های گازی نیازی به سیستم های خنک کننده ای که موتورهای دیزلی نیاز دارند ندارند. تنها با حل مشکل کنترل حرارتی می توان به قدرت ویژه بالای موتورهای دیزلی دست یافت. براندل تأکید کرد که این عمدتا به دلیل حجم محدود موجود برای تجهیزات خنک کننده مانند لوله کشی ، پمپ ها ، فن ها و رادیاتورها است. علاوه بر این ، ساختارهای محافظتی مانند توری های ضد گلوله نیز حجم را گرفته و جریان هوا را محدود می کنند و کارایی فن ها را کاهش می دهند.
پیستون ها به سمت
همانطور که براندل خاطرنشان کرد ، برنامه ACE بر موتورهای دو زمانه دیزل / چند سوخت با پیستون های مخالف به دلیل اتلاف حرارتی کم ذاتی تمرکز می کند. در چنین موتورهایی ، دو پیستون در هر سیلندر قرار می گیرند که بین خود یک محفظه احتراق تشکیل می دهند ، در نتیجه سر سیلندر حذف می شود ، اما این نیاز به دو میل لنگ و ورودی و خروجی خروجی در دیواره های سیلندر دارد. قدمت موتورهای بوکسور به دهه 1930 برمی گردد و طی دهه ها به طور مداوم بهبود یافته است. این ایده قدیمی توسط شرکت Achates Power در امان نبود ، که با همکاری کامینز این موتور را احیا و مدرن کرد.
سخنگوی Achates Power گفت که فناوری بوکسور آنها بازده حرارتی را بهبود بخشیده است ، که منجر به کاهش تلفات حرارتی ، بهبود احتراق و کاهش تلفات پمپاژ می شود. حذف سرسیلندر نسبت سطح به حجم در محفظه احتراق را کاهش داده و در نتیجه انتقال و انتشار گرما در موتور را کاهش می دهد. در مقابل ، در یک موتور چهار زمانه سنتی ، سر سیلندر حاوی بسیاری از داغ ترین اجزا است و منبع اصلی انتقال حرارت به مایع خنک کننده و جو اطراف است.
سیستم احتراق Achates از دو انژکتور سوخت دو طرفه که در هر سیلندر قرار گرفته اند استفاده می کند و از شکل پیستونی برای بهینه سازی مخلوط هوا و سوخت استفاده می کند و در نتیجه احتراق دوده کم و انتقال حرارت به دیواره های محفظه احتراق کاهش می یابد. یک بار تازه از مخلوط به داخل سیلندر تزریق می شود و گازهای خروجی از طریق درگاه ها خارج می شوند و به کمک یک سوپرشارژر که هوا را از طریق موتور پمپ می کند ، کمک می کند. آچاتس خاطرنشان می کند که این انفجار همزمان اثر مفیدی بر اقتصاد سوخت و انتشار گازهای گلخانه ای دارد.
ارتش ایالات متحده می خواهد خانواده ACE پیشرانه های مقیاس پذیر مقیاس پذیر شامل موتورهایی با سوراخ و ضربه یکسان و تعداد سیلندرهای متفاوت باشد: 600-750 اسب بخار. (3 سیلندر) ؛ 300-1000 اسب بخار (4) ؛ و قدرت 1200-1500 اسب بخار (6) هر نیروگاه یک حجم - ارتفاع 0.53 متر و عرض 1 ، 1 متر و ، بر این اساس ، طول 1.04 متر ، 1.25 متر و 1.6 متر را اشغال می کند.
اهداف فناوری
یک مطالعه داخلی ارتش که در سال 2010 انجام شد ، مزایای موتورهای بوکسور را تأیید کرد ، در نتیجه پروژه موتور رزمی نسل بعدی (NGCE) ، که در آن شرکت های صنعتی پیشرفت های خود را در این زمینه ارائه کردند. وظیفه رسیدن به 71 اسب بخار بود. در هر سیلندر و قدرت کلی 225 اسب بخار. تا سال 2015 ، هر دو این اعداد به راحتی در موتور آزمایشی که در مرکز تحقیقات زره پوش آزمایش شد ، فراتر رفت.
در فوریه همان سال ، ارتش قرارداد AVL Powertrain Engineering و Achates Power را برای موتورهای تک سیلندر آزمایشی ACE تحت یک برنامه دو ساله منعقد کرد ، در چارچوب آن هدف دستیابی به ویژگی های زیر بود: قدرت 250 اسب بخار ، گشتاور 678 نیوتن متر ، مصرف سوخت ویژه 0 ، 14 کیلوگرم در اسب بخار در ساعت و اتلاف گرما کمتر از 0.45 کیلو وات بر کیلو وات. همه شاخص ها فراتر رفتند ، به جز انتقال حرارت ، در اینجا امکان پایین آمدن از 0.506 کیلو وات بر کیلو وات وجود نداشت.
در تابستان 2017 ، کامینز و آچاتس تحت یک موتور ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) کار خود را برای نشان دادن یک موتور چهار سیلندر 1000 اسب بخاری آغاز کردند. گشتاور 2700 نیوتن متر و الزامات مشابه برای مصرف سوخت خاص و انتقال حرارت. اولین موتور در جولای 2018 تولید شد و آزمایش های اولیه عملیاتی در پایان همان سال به پایان رسید. در آگوست 2019 ، موتور برای نصب و آزمایش به اداره TARDEC تحویل داده شد.
ترکیبی از موتور بوکسور و پیشرانه هیبریدی هیبریدی ، کارایی وسایل نقلیه در انواع و اندازه های مختلف ، اعم از نظامی و غیرنظامی را بهبود می بخشد. با در نظر گرفتن این موضوع ، اداره تحقیقات و توسعه پیشرفته 2 میلیون دلار به Achates اختصاص داد تا یک موتور بوکسور تک سیلندر پیشرفته را برای خودروهای هیبریدی آینده توسعه دهد. در این پروژه این شرکت با دانشگاه میشیگان و نیسان همکاری می کند.
کنترل پیستون
مطابق با مفهوم ، این موتور برای اولین بار زیر سیستم الکتریکی و موتور احتراق داخلی را به هم نزدیک کرد ، هر یک از دو میل لنگ می چرخد و می تواند توسط مجموعه موتور ژنراتور خود حرکت کند. هیچ ارتباط مکانیکی بین شفت ها وجود ندارد.
آکاتس تأیید کرد که این موتور فقط برای سیستم های هیبریدی متوالی طراحی شده است ، زیرا تمام توان تولید شده توسط آن به صورت الکتریکی منتقل می شود و ژنراتورها باتری را برای افزایش برد شارژ می کنند. بدون اتصال مکانیکی بین شفت ها ، گشتاور منتقل نمی شود ، که منجر به کاهش بارها می شود. در نتیجه می توان آنها را سبک تر کرد ، وزن و اندازه کلی ، اصطکاک و سر و صدا را کاهش داد و هزینه ها را کاهش داد.
شاید مهمتر از همه ، میل لنگ های جدا شده امکان کنترل مستقل هر پیستون را با استفاده از وسایل الکترونیکی قدرت فراهم می کند. "این بخش مهمی از پروژه ما است ، مهم است که تعیین کنیم چگونه توسعه موتورهای الکتریکی و کنترل ها می تواند کارایی موتور احتراق داخلی را بهبود بخشد." سخنگوی Achates تأیید کرد که این پیکربندی امکان کنترل زمان میل لنگ را فراهم می کند ، که امکانات جدیدی را باز می کند. "ما تلاش می کنیم کارآیی کنترل پیستون را افزایش دهیم ، که با ارتباطات مکانیکی سنتی در دسترس نیست."
در این مرحله ، اطلاعات کمی در مورد نحوه استفاده از کنترل پیستون مستقل وجود دارد ، اما از نظر تئوری می توان ضربه را بزرگتر از ضربه فشاری کرد ، و در نتیجه انرژی بیشتری از بار هوا / سوخت استخراج کرد. مخلوط طرح مشابهی در موتورهای چهار زمانه اتکینسون نصب شده در خودروهای هیبریدی پیاده سازی شده است. برای مثال در تویوتا پریوس ، این امر از طریق زمان بندی متغیر سوپاپ به دست می آید.
برای مدت طولانی ، بدیهی بود که پیشرفت های بزرگ در فن آوری های بالغ ، مانند موتورهای احتراق داخلی ، آسان نیست ، اما موتورهای بوکسر پیشرفته می توانند چیزی باشند که مزایای واقعی را برای خودروهای نظامی ایجاد می کنند ، به ویژه هنگامی که با سیستم های پیشرانه الکتریکی ترکیب شوند. …
