האנרגיה הנדרשת להנעת כלי רכב קרקעיים ולהפעלת מערכותיהם ומכלוליהם מסופקת באופן מסורתי על ידי מנועי דיזל. הפחתת צריכת הדלק לא רק מגדילה את הטווח, אלא גם מפחיתה את כמות הלוגיסטיקה, הנקבעת על ידי שמירה על עתודות הדלק, ומגדילה את ההגנה על אנשי שירות אחוריים בתהליך של טיפול בציוד.
בהקשר זה, הכוחות המזוינים שואפים למצוא פתרון בו יעילות גבוהה וחום הבעירה הספציפי הגבוה של סולר הטמון במערכות עם כונן חשמלי יעבדו ב"צוות "אחד. לפתרונות היברידיים חדשים ומנועי בעירה מתקדמים יש פוטנציאל להציע יתרונות מעשיים גדולים לצד הנעה חד-חשמלית שקטה, ניטור שקט (חיישנים המופעלים באמצעות סוללות כשהם נייחים) וייצור חשמל לצרכנים חיצוניים.
פוטנציאל רכבת כוח
מחקר קנדה (DRDC), למשל, בוחן את היתכנותם של מסילות חשמל היברידיות דיזל-חשמלי. ה- FDA פרסם את המחקר שלו בשנת 2018, תוך התמקדות בפלטפורמות טקטיות קלות כמו HMMWV, רכבי קרב אולטרה-קלים מסוג DAGOR, וטרקטורונים יחידים ורובי מושבים.
הדו"ח היתכנות של מסילות היברידיות דיזל-חשמלי למכוניות טקטיות קלות מציין כי ברוב מצבי הנהיגה בהם המהירות והעומסים משתנים באופן משמעותי (בדרך כלל מחוץ לכביש), לכלאיים יש יעילות דלק טובה יותר ב- 15% -20% מבחינת צריכת הדלק. מכונות מסורתיות המונעות מכנית, במיוחד בעת שימוש בבלימה מחודשת. בנוסף, מנועי בעירה פנימית, כולל מנועי דיזל, מתפקדים בצורה הטובה ביותר כאשר הם מופעלים בסל"ד קבוע שנבחר בקפידה, האופייני למערכות היברידיות רציפות בהן המנוע פועל כגנרטור בלבד.
כפי שצוין בדוח, מכיוון שניתן להשלים את כוח המנוע באמצעות סוללות בתקופות קצרות של צריכת חשמל שיא, ניתן לכוון את המנוע לספק רק את ההספק הממוצע הנדרש, כאשר תחנות כוח קטנות יותר בדרך כלל צריכות פחות דלק, וכל שאר הדברים שווים.
עם קיבולת סוללה מספקת, היברידיות יכולות להישאר גם במצב ניטור שקט במשך זמן רב כשהמנוע כבוי וחיישנים, אלקטרוניקה ותקשורת עובדים. בנוסף, המערכת יכולה להפעיל ציוד חיצוני, לטעון סוללות ואפילו להפעיל מחנה צבאי, ולהפחית את הצורך בגנרטורים נגררים.
בעוד שכוננים היברידיים מציעים ביצועים מעולים מבחינת מהירות, האצה ויכולת הדרגה, מארז הסוללות יכול להיות כבד ולא מסורבל, וכתוצאה מכך להפחתת עומס, אמר DRDC. זו יכולה להיות בעיה עבור רכבים אולטרה-קלים וטרקטורונים חד-מושבים. בנוסף, בטמפרטורות נמוכות המאפיינים של הסוללות עצמן מצטמצמים, לעיתים קרובות יש להם בעיות בטעינה ובקרת טמפרטורה.
למרות שהכלאות רציפות מבטלות את ההילוכים המכניים, הצורך במנוע, גנרטור, אלקטרוניקה כוח וסוללה הופך אותם בסופו של דבר לקשים ויקרים לרכישה ולתחזוקה.
רוב האלקטרוליטים של הסוללה יכולים גם להוות סיכונים כאשר הם ניזוקים, למשל, ידוע כי תאי ליתיום-יון נדלקים כאשר הם ניזוקים. האם זה מהווה סיכון גדול יותר מאשר אספקת סולר הוא אולי נקודה חשובה, מציין הדו ח, אך היברידיות נושאות את שני הסיכונים.
בחירת שילוב
שתי התכניות העיקריות לשילוב מנועי בעירה פנימית עם מכשירים חשמליים הם סדרתיים ומקבילים. כפי שצוין לעיל, הפלטפורמה ההיברידית הסדרתית היא מכונה חשמלית עם גנרטור, בעוד במקביל יש מנוע ומנוע משיכה, אשר באמצעות תיבת הילוכים מכנית המחוברת אליהם מעבירים כוח לגלגלים. המשמעות היא שהמנוע או מנוע המתיחה יכולים להניע את המכונה בנפרד, או שהם יכולים לעבוד יחד.
בשני סוגי הכלאות, הרכיב החשמלי הוא בדרך כלל מערך גנרטור (MGU), שיכול להמיר אנרגיה חשמלית לתנועה ולהיפך. הוא יכול לנהוג במכונית, לטעון סוללה, להניע מנוע ובמידת הצורך לחסוך באנרגיה באמצעות בלימה מחודשת.
הן הסדרות והן ההיברידיים המקבילים מסתמכים על אלקטרוניקה כוחנית לניהול כוח הסוללה ווויסות טמפרטורת הסוללה. הם גם מספקים את המתח והאמפר שעל הגנרטור לספק לסוללות והסוללות בתורן למנועים החשמליים.
אלקטרוניקה חשמלית זו מגיעה בצורה של ממירים מוליכים למחצה המבוססים על מוליכים למחצה מסיליקון קרביד, שחסרונותיהם כוללים, ככלל, גודל ועלות גדולים, כמו גם אובדן חום. אלקטרוניקה כוח דורשת גם אלקטרוניקה שליטה הדומה לאלה המניעים מנוע בעירה פנימית.
עד כה, ההיסטוריה של כלי רכב צבאיים המונעים בחשמל כללה תוכניות פיתוח ניסיוניות ושאפתניות שנסגרו בסופו של דבר. בפעולה אמיתית, עדיין אין כלי רכב צבאיים היברידיים, בפרט בתחום הרכבים הטקטיים הקלים, נותרו כמה בעיות טכנולוגיות לא פתורות. בעיות אלו יכולות להיחשב כפתרון במידה רבה עבור כלי רכב אזרחיים מכיוון שהן פועלות בתנאים נוחים בהרבה.
מכוניות חשמליות הראו את עצמן מהירות מאוד. לדוגמה, ארבע מושבים ניסיוניים המופעלים על ידי סוללה Reckless Utility Tactical Vehicle Tactical Vehicle (UTV) יכולים להאיץ מ -0 ל -97 קמ"ש תוך 4 שניות ויש לו טווח של 241 ק"מ.
"אולם פריסה היא אחד האתגרים הגדולים האלה", אומר דו"ח ה- DRDC. גודל, משקל ופיזור החום של חבילות הסוללות גדולות למדי, ויש לערוך פשרה בין קיבולת האנרגיה הכוללת לבין העוצמה המיידית שהם יכולים לספק למסה ולנפח נתון. הקצאת נפח לכבלים במתח גבוה, אמינותם ובטיחותם הם גם צווארי בקבוק יחד עם גודל, משקל, קירור, אמינות ואיטום של מוצרי אלקטרוניקה.
חום ואבק
הדו ח אומר כי שינויי הטמפרטורה שעומדים בפני כלי רכב צבאיים הם אולי הבעיה הגדולה ביותר, שכן סוללות ליתיום-יון לא נטענות בטמפרטורות מתחת לאפס ומערכות חימום מוסיפות מורכבות וזקוקות לאנרגיה.סוללות שמתחממות יתר במהלך פריקה הן עלולות להיות מסוכנות, יש לצנן אותן או לצמצם אותן למצב מופחת, בעוד שגם מנועים וגנרטורים יכולים להתחמם יתר על המידה, ולבסוף, אל תשכחו ממגנטים קבועים, המועדים למגנטציה.
באופן דומה, בטמפרטורות מעל 65 מעלות צלזיוס, היעילות של מכשירים כגון ממירים IGBT יורדת ולכן זקוקה לקירור, אם כי אלקטרוניקה חשמלית חדשה יותר המבוססת על מוליכים למחצה סיליקון קרביד או גליום ניטריד, בנוסף להפעלה במתח מוגבר, עומדת בטמפרטורות גבוהות יותר ו, לכן, ניתן לקרר אותו ממערכת קירור המנוע.
בנוסף, ההלם והרעידות משטח מחוספס, בתוספת הנזק שעלול להיגרם כתוצאה מהפגזות ומפיצוצים, מקשים גם על שילוב טכנולוגיית הנעה חשמלית בכלי רכב צבאיים קלים, מציין הדו ח.
הדוח מסכם כי DRDC צריכה להזמין מפגין טכנולוגי. זהו רכב טקטי היברידי פשוט יחסית קליל עם מנועים חשמליים המותקנים בצינורות הגלגלים או בצירים, מנוע הדיזל מכוון לעוצמת השיא המתאימה, ומותקנת קבוצה של סופר- או קולט-על כדי לשפר את התאוצה והירידות. קבלים -על או קבלים -אולטרה -קבלים מאחסנים מטען גדול מאוד לפרק זמן קצר ויכולים לשחרר אותו במהירות רבה ליצירת פולסי כוח. המכונית לא תהיה כלל, או שתותקן מצבר קטן מאוד, חשמל ייווצר במהלך תהליך הבלימה המחודשת, כתוצאה מכך נכללים אופני התנועה השקטה והתבוננות השקטה.
כבלי חשמל הפועלים לגלגלים בלבד, המחליפים את תיבת ההילוכים והפיר המניעים, יפחיתו משמעותית את משקל המכונה וישפרו את הגנת הפיצוץ, שכן פיזור פסולת ושברים משניים מתבטל. ללא סוללה, הנפח הפנימי של הצוות והעומס יגדל ויהפוך בטוח יותר, והבעיות הקשורות לתחזוקה וניהול תרמי של סוללות ליתיום-יון יבוטלו.
בנוסף, היעדים הבאים נקבעים בעת יצירת אב טיפוס: צריכת דלק נמוכה יותר של מנוע דיזל קטן יחסית הפועל בסל ד קבוע, בשילוב עם התאוששות אנרגיה, ייצור חשמל מוגבר לחיישני הפעלה או יצוא אנרגיה, הגברת האמינות ושיפור השירות.
לחבטות לא אכפת
כפי שהסביר ברוס ברנדל ממרכז המחקר המשוריין (TARDEC) במצגת על פיתוח מנוע, צבא ארה"ב רוצה מערכת הנעה שתאפשר לכלי הלחימה שלו לנוע בשטח קשה יותר במהירויות גבוהות יותר, מה שיוריד משמעותית את אחוזי השטח באזורי מלחמה, בהם מכוניות נוכחיות אינן יכולות לנוע. השטח שנקרא בלתי עביר מהווה כ -22% מהאזורים הללו והצבא רוצה לצמצם נתון זה ל -6%. הם גם רוצים להגדיל את המהירות הממוצעת ברוב האזור מ -16 קמ"ש של היום ל -24 קמ"ש.
בנוסף, ברנדל הדגיש כי מתוכנן להגדיל את דרישת האנרגיה על הסיפון ל -250 קילוואט לפחות, כלומר גבוה יותר ממה שיכולים לספק גנרטורים של המכונה, שכן נוספים עומסים מטכנולוגיות חדשות, למשל מגדלים מחושמלים ומערכות הגנה., קירור של אלקטרוניקה כוח., ייצוא אנרגיה ונשק אנרגיה מכוון.
צבא ארה"ב מעריך כי מענה לצרכים אלה באמצעות טכנולוגיית הטורבודיזל הנוכחית יגדיל את נפח המנוע ב -56% ומשקל הרכב בכ -1400 ק"ג.לכן, בעת פיתוח תחנת הכוח המתקדמת שלה מנוע לחימה מתקדם (ACE), המשימה העיקרית נקבעה - להכפיל את צפיפות ההספק הכוללת מ -3 כ"ס / מרובע. רגל עד 6 כ"ס / מ"ק. כף רגל.
בעוד שצפיפות הספק גבוהה יותר ויעילות דלק טובה יותר חשובים מאוד לדור הבא של מנועים צבאיים, חשוב לא פחות להפחית את תפוקת החום. חום שנוצר זה אנרגיה מבוזבזת המתפזרת לחלל הסובב, למרות שניתן להשתמש בה להנעה או לייצור אנרגיה חשמלית. אך לא תמיד ניתן להשיג איזון מושלם בין כל שלושת הפרמטרים הללו, למשל, מנוע טורבינת הגז AGT 1500 של מיכל M1 Abrams בהספק של 1500 כ ס. בעל העברת חום נמוכה וצפיפות הספק גבוהה, אך צריכת דלק גבוהה מאוד בהשוואה למנועי דיזל.
למעשה, מנועי טורבינת גז מייצרים כמות גדולה של חום, אך רובו מוסר דרך צינור הפליטה, בשל קצב זרימת הגז הגבוה. כתוצאה מכך, טורבינות גז אינן זקוקות למערכות הקירור להן זקוקים מנועי דיזל. ניתן להשיג כוח ספציפי גבוה של מנועי דיזל רק על ידי פתרון בעיית השליטה התרמית. ברנדל הדגיש כי הדבר נובע בעיקר מהנפח המצומצם הזמין לציוד קירור כגון צנרת, משאבות, מאווררים ורדיאטורים. בנוסף, מבני מגן כמו סורגים חסיני כדורים תופסים גם הם נפח ומגבילים את זרימת האוויר, ומפחיתים את יעילות המאווררים.
בוכנות לכיוון
כפי שציינה ברנדל, תוכנית ACE מתמקדת במנועי דיזל / דלק דו-פעימתיים עם בוכנות מנוגדות בשל פיזור החום הנמוך שלהם. במנועים כאלה ממוקמים בכל גליל שתי בוכנות, היוצרות תא בעירה בינן לבין עצמן, כתוצאה מכך ראש הצילינדר אינו נכלל, אך הדבר דורש שני גל ארכובה ויציאות קליטה ויציאה בקירות הצילינדר. מנועי בוקסר מתוארכים לשנות השלושים של המאה הקודמת ושופרו ללא הרף במשך עשרות שנים. הרעיון הישן הזה לא חסך על ידי חברת Achates Power, שבשיתוף עם קאמינס החייתה ומודרנה את המנוע הזה.
דובר Achates Power אמר כי טכנולוגיית הבוקסר שלהם שיפרה את היעילות התרמית, מה שמתורגם להפסדי חום נמוכים יותר, לשפר בעירה ולהפחתת הפסדי השאיבה. חיסול ראש הצילינדר הפחית משמעותית את יחס שטח הפנים לנפח בתא הבעירה ובכך העברת ושחרור החום במנוע. לעומת זאת, במנוע מסורתי בעל ארבע פעימות, ראש הצילינדר מכיל רבים מהרכיבים החמים ביותר ומהווה את מקור העברת החום העיקרי לנוזל הקירור ולאווירת הסביבה.
מערכת הבעירה של אכטס משתמשת במזרקי דלק דו -ממדיים הממוקמים באופן דיאטרי בכל גליל ובצורת בוכנה פטנט כדי לייעל את תערובת האוויר / דלק, וכתוצאה מכך בעירה נמוכה של פיח והעברת חום מופחתת לדפנות תא הבעירה. מטען טרי של התערובת מוזרק לצילינדר, וגזי פליטה יוצאים דרך הנמלים, בעזרת מגדש -על המזרים אוויר דרך המנוע. Achates מציין כי לתקיפה הנוכחית יש השפעה מועילה על צריכת הדלק והפליטות.
צבא ארה"ב רוצה שבמשפחת ACE של הרכבות הניתנות להרחבה מודולריות יכללו מנועים בעלי אותו משעמם ושבץ וספירות גלילים שונות: 600-750 כ"ס. (3 צילינדרים); 300-1000 כ"ס (4); ו 1200-1500 כ"ס. (6). כל תחנת כוח תתפוס נפח - גובה של 0.53 מ 'ורוחב של 1, 1 מ' ובהתאם, אורך של 1.04 מ ', 1.25 מ' ו -1.6 מ '.
מטרות טכנולוגיות
מחקר פנימי של הצבא שנערך בשנת 2010 אישר את היתרונות של מנועי בוקסר, והביא לפרויקט הדור הבא של מנוע הקרב (NGCE), שבו הציגו מפעלים תעשייתיים את התפתחויותיהם בתחום זה. המשימה הייתה להגיע ל 71 כ"ס. לכל צילינדר והספק כולל של 225 כ"ס. עד 2015, חרגו בקלות משני המספרים הללו במנוע ניסיוני שנבדק במרכז המחקר המשוריין.
בפברואר אותה שנה העניק הצבא חוזים ל- AVL Engineering Powertrain Engineering ו- Achates Power למנועי ACE חד צילינדרים ניסיוניים במסגרת תוכנית דו שנתית, במסגרתה המטרה הייתה להשיג את המאפיינים הבאים: הספק 250 כ"ס, מומנט 678 ננומטר, צריכת דלק ספציפית 0, 14 ק"ג / כ"ס ופיזור חום פחות מ -0.45 קילוואט / קילוואט. כל המדדים חרגו, למעט העברת חום, כאן לא ניתן היה לרדת מתחת 0.506 קילוואט / קילוואט.
בקיץ 2017 החלו קאמינס ואצ'אטס לעבוד במסגרת חוזה ACE Multi-Cylinder (MCE) להדגמת מנוע ארבעה צילינדרים של כ ס. מומנט של 2700 ננומטר ואותן דרישות לצריכת דלק ספציפית והעברת חום. המנוע הראשון יוצר ביולי 2018 ובדיקות תפעוליות ראשונות הושלמו עד סוף אותה שנה. באוגוסט 2019, המנוע נמסר למנהל TARDEC להתקנה ובדיקה.
השילוב של מנוע בוקסר וכונן חשמלי היברידי ישפר את יעילותם של רכבים מסוגים וגדלים שונים, צבאיים ואזרחיים כאחד. לאור זאת, הרשות למחקר ופיתוח מתקדם הנפיקה לאצ'אטס 2 מיליון דולר לפיתוח מנוע בוקסר חד צילינדר מתקדם לרכבים היברידיים עתידיים; בפרויקט זה החברה משתפת פעולה עם אוניברסיטת מישיגן וניסאן.
שליטה בוכנה
בהתאם לתפיסה, מנוע זה שילב לראשונה כל כך מקרוב את תת-המערכת החשמלית ואת מנוע הבעירה הפנימית, כל אחד משני גל הארכובה מסתובב וניתן להניע אותו על ידי מערכת גנרטור-מנועים משלו; אין קשר מכני בין הפירים.
Achates אישר כי המנוע מיועד אך ורק למערכות היברידיות רציפות, מכיוון שכל הכוח שהוא מייצר מועבר באופן חשמלי והג'נטים מטעינים את מארז הסוללות כדי להרחיב את הטווח. ללא חיבור מכני בין הפירים הרגע אינו מועבר, מה שמוביל לירידה בעומסים. כתוצאה מכך, ניתן להפוך אותם לקלים יותר, להפחית את המשקל והגודל הכולל, את החיכוך והרעש ולהוזיל עלויות.
אולי הכי חשוב, גל הארכובה המנותק מאפשר שליטה עצמאית של כל בוכנה באמצעות אלקטרוניקה חשמלית. "זהו חלק חשוב בפרויקט שלנו, חשוב לקבוע כיצד פיתוח מנועים ובקרות חשמליים יכול לשפר את יעילות מנוע הבעירה הפנימית". דובר Achates אישר כי תצורה זו מאפשרת שליטה בתזמון גל ארכובה, מה שפותח אפשרויות חדשות. "אנו שואפים לשפר את היעילות של בקרת הבוכנה, שאינה זמינה בתקשורת מכנית מסורתית."
בשלב זה, קיים מעט מידע על האופן שבו ניתן להשתמש בבקרה עצמאית של בוכנה, אך בתיאוריה אפשר להפוך את השבץ לגדול יותר משבץ הדחיסה, ובכך להפיק יותר אנרגיה ממטען האוויר / הדלק. תַעֲרוֹבֶת. תוכנית דומה מיושמת במנועי אטקינסון ארבע פעימות המותקנות במכוניות היברידיות. בטויוטה פריוס, למשל, הדבר מושג באמצעות תזמון שסתומים משתנה.
במשך זמן רב היה ברור כי שיפורים גדולים בטכנולוגיות בוגרות, כגון מנועי בעירה פנימית, אינם פשוטים להשגה, אך מנועי בוקסר מתקדמים יכולים להיות מה שיספק יתרונות של ממש לכלי רכב צבאיים, במיוחד בשילובם עם מערכות הנעה חשמליות. …
