Cải tiến tổ hợp diesel-điện
Các loại xe điện thuần túy, chẳng hạn như Reckless, có hiệu suất rất cao và có thể được chuyển đổi thành nền tảng hybrid tuần tự với động cơ đốt trong và máy phát điện để mở rộng phạm vi hoạt động.
Yêu cầu về năng lượng của hệ thống điện tử hàng không ngày càng phức tạp của các phương tiện chiến đấu hiện đại là động lực bổ sung khi lựa chọn các giải pháp truyền động hybrid, trong khi một số đặc điểm mâu thuẫn lẫn nhau đòi hỏi phải phát triển hơn nữa.
Năng lượng cần thiết để đẩy các phương tiện mặt đất và vận hành hệ thống cũng như cụm lắp ráp của chúng thường được cung cấp bởi động cơ diesel. Việc giảm mức tiêu thụ nhiên liệu không chỉ giúp tăng phạm vi hoạt động mà còn giảm lượng dịch vụ hậu cần cần thiết để duy trì lượng nhiên liệu dự trữ và tăng cường sự bảo vệ của các chuyên gia hậu cần trong quá trình bảo dưỡng thiết bị.
Về vấn đề này, các lực lượng vũ trang đang cố gắng tìm ra giải pháp trong đó hiệu suất cao vốn có của hệ thống truyền động điện và nhiệt dung riêng cao khi đốt nhiên liệu diesel hoạt động trong một “dây nịt”. Các giải pháp hybrid mới và động cơ đốt trong tiên tiến có khả năng hứa hẹn những lợi ích thiết thực lớn hơn, cùng với động cơ đẩy điện đơn không gây tiếng ồn, giám sát im lặng (cảm biến vận hành bằng pin khi đứng yên) và tạo ra điện cho người tiêu dùng bên ngoài.
Tiềm năng hệ thống truyền động
Ví dụ, Cơ quan Nghiên cứu và Phát triển Canada (DRDC) đang nghiên cứu tính khả thi của hệ truyền động hybrid diesel-điện. Cơ quan này đã công bố nghiên cứu của mình vào năm 2018, tập trung vào các nền tảng chiến thuật hạng nhẹ như HMMWV, phương tiện chiến đấu siêu nhẹ như DAGOR và ATV nhỏ một chỗ và nhiều chỗ.
Báo cáo "Tính khả thi của hệ truyền động hybrid diesel-điện cho xe chiến thuật hạng nhẹ" lưu ý rằng trong hầu hết các điều kiện lái xe có tốc độ và tải trọng thay đổi đáng kể (lái xe địa hình điển hình), xe hybrid có khả năng tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn từ 15% đến 20%. các máy truyền động cơ học truyền thống, đặc biệt khi sử dụng phanh tái tạo. Ngoài ra, động cơ đốt trong, bao gồm cả động cơ diesel, hoạt động tốt nhất khi vận hành ở tốc độ không đổi được lựa chọn cẩn thận, đặc trưng cho các mạch hybrid nối tiếp trong đó động cơ chỉ hoạt động như một máy phát điện.
Báo cáo lưu ý rằng vì công suất động cơ có thể được bổ sung bằng pin trong thời gian ngắn khi nhu cầu điện cao điểm nên động cơ có thể được điều chỉnh để chỉ cung cấp công suất trung bình cần thiết, với các nhà máy điện nhỏ hơn ceteris paribus thường tiêu thụ ít nhiên liệu hơn.
Với dung lượng pin đủ, xe hybrid cũng có thể duy trì chế độ giám sát im lặng trong thời gian dài khi động cơ tắt và các cảm biến, hệ thống điện tử và liên lạc đang chạy. Ngoài ra, hệ thống có thể cấp nguồn cho các thiết bị bên ngoài, sạc pin và thậm chí cung cấp năng lượng cho doanh trại quân đội, giảm nhu cầu sử dụng máy phát điện kéo.
Báo cáo của DRDC cho biết, trong khi hệ truyền động hybrid mang lại hiệu suất vượt trội về tốc độ, khả năng tăng tốc và khả năng leo đồi, bộ pin có thể nặng và cồng kềnh, dẫn đến khả năng chịu tải giảm. Đây có thể là một vấn đề đối với các loại xe siêu nhẹ và xe ATV một chỗ. Ngoài ra, ở nhiệt độ thấp, hiệu suất của pin giảm và chúng thường gặp vấn đề về sạc và điều chỉnh nhiệt.
Mặc dù các hệ thống hybrid tuần tự loại bỏ nhu cầu về hộp số tay, nhưng nhu cầu về động cơ, máy phát điện, thiết bị điện tử và pin chắc chắn khiến việc mua và bảo trì chúng trở nên phức tạp và tốn kém.
Hầu hết các chất điện phân trong pin cũng có thể gây rủi ro nếu bị hỏng; ví dụ, các tế bào lithium-ion được biết là sẽ bốc cháy khi bị hỏng. Báo cáo chỉ ra rằng liệu điều này có gây ra rủi ro lớn hơn việc cung cấp dầu diesel hay không, nhưng xe hybrid mang cả hai rủi ro.
Lựa chọn kết hợp
Hai sơ đồ chính để kết hợp động cơ đốt trong với các thiết bị điện là nối tiếp và song song. Như đã đề cập ở trên, nền tảng hybrid nối tiếp là một máy điện có máy phát điện, trong khi trong mạch song song có động cơ và động cơ kéo, truyền công suất tới các bánh xe thông qua hộp số cơ khí được kết nối với chúng. Điều này có nghĩa là động cơ hoặc động cơ kéo có thể dẫn động máy riêng biệt hoặc chúng có thể hoạt động cùng nhau.
Ở cả hai loại xe hybrid, bộ phận điện thường là bộ phận phát điện động cơ (MGS), có thể chuyển đổi năng lượng điện thành động cơ đẩy và ngược lại. Nó có thể đẩy xe, sạc pin, khởi động động cơ và nếu cần, dự trữ năng lượng thông qua phanh tái tạo.
Cả xe hybrid nối tiếp và xe hybrid song song đều dựa vào công suất điện tử để quản lý nhiệt độ và mức sạc pin. Nó cũng cung cấp điện áp và dòng điện mà máy phát điện phải cung cấp cho pin và pin đến động cơ điện.
Các thiết bị điện tử công suất này ở dạng bộ biến tần bán dẫn dựa trên chất bán dẫn cacbua silic, những nhược điểm của chúng thường bao gồm kích thước và giá thành lớn cũng như tổn thất nhiệt. Điện tử công suất cũng yêu cầu các thiết bị điện tử điều khiển tương tự như các thiết bị vận hành động cơ đốt trong.
Cho đến bây giờ lịch sử Các phương tiện quân sự chạy bằng điện bao gồm các chương trình phát triển mang tính thử nghiệm và đầy tham vọng nhưng cuối cùng tất cả đều bị bỏ rơi. Hiện vẫn chưa có phương tiện quân sự hybrid nào được sử dụng thực tế; đặc biệt, trong lĩnh vực phương tiện chiến thuật hạng nhẹ, vẫn còn một số vấn đề công nghệ chưa được giải quyết. Những vấn đề này có thể được coi là đã giải quyết được phần lớn đối với các phương tiện dân sự vì chúng hoạt động trong những điều kiện thuận lợi hơn nhiều.
Xe điện đã được chứng minh là rất nhanh. Ví dụ, Xe chiến thuật đa dụng Reckless (UTV) bốn chỗ thử nghiệm của Nikola Motor, chạy bằng pin, có thể tăng tốc từ 0 lên 97 km/h trong 4 giây và có tầm hoạt động 241 km.
Báo cáo của DRDC cho biết: “Tuy nhiên, bố cục là một trong những thách thức ghê gớm”. Kích thước, khối lượng và khả năng tản nhiệt của bộ pin khá lớn và có sự cân bằng giữa công suất năng lượng tổng thể và công suất tức thời mà chúng có thể cung cấp cho một khối lượng và thể tích nhất định. Phân bổ không gian cho cáp điện áp cao, độ tin cậy và an toàn của chúng cũng là những điểm nghẽn cùng với kích thước, trọng lượng, khả năng làm mát, độ tin cậy và khả năng chống thấm của điện tử công suất.
Quân đội Mỹ đang nghiên cứu cách điều chỉnh bộ truyền động điện để đảm bảo xe chiến đấu di chuyển trên địa hình gồ ghề với tốc độ cao hơn
Nhiệt độ và bụi
Báo cáo cho biết sự thay đổi nhiệt độ mà các phương tiện quân sự gặp phải có lẽ là thách thức lớn nhất, vì pin lithium-ion sẽ không sạc ở nhiệt độ dưới mức đóng băng và hệ thống sưởi ấm ngày càng phức tạp và cần năng lượng. Pin quá nóng khi phóng điện tiềm ẩn nguy hiểm, phải làm mát hoặc chuyển sang chế độ giảm từ tính, đồng thời động cơ và máy phát điện cũng có thể quá nóng, và cuối cùng, đừng quên nam châm vĩnh cửu, vốn dễ bị khử từ.
Tương tự, ở nhiệt độ trên khoảng 65°C, hiệu suất của các thiết bị như bộ biến tần dựa trên công nghệ bóng bán dẫn lưỡng cực có cổng cách điện giảm và do đó cần phải làm mát, mặc dù các thiết bị điện tử công suất mới hơn dựa trên chất bán dẫn cacbua silic hoặc Ngoài việc hoạt động ở điện áp cao hơn, gali nitrit có thể chịu được nhiệt độ cao hơn và do đó có thể được làm mát bằng hệ thống làm mát động cơ.
Ngoài ra, chấn động và rung lắc của địa hình gồ ghề, cộng với khả năng thiệt hại do tiếng súng và vụ nổ, cũng làm phức tạp việc tích hợp công nghệ truyền động điện vào các phương tiện quân sự hạng nhẹ, báo cáo lưu ý.
Báo cáo kết luận rằng DRDC nên thuê một người trình diễn công nghệ. Đây là một phương tiện chiến thuật hạng nhẹ tương đối đơn giản với thiết kế hybrid nối tiếp, với động cơ điện được gắn ở trục hoặc trục bánh xe, động cơ diesel được điều chỉnh để có công suất cực đại thích hợp và một bộ siêu tụ điện được lắp đặt để cải thiện khả năng tăng tốc và leo đồi. Siêu tụ điện hoặc siêu tụ điện lưu trữ một lượng điện tích rất lớn trong một khoảng thời gian ngắn và có thể giải phóng nó rất nhanh để tạo ra các xung điện. Xe sẽ không được lắp hoặc lắp một cục pin rất nhỏ, điện sẽ được tạo ra trong quá trình phanh tái tạo, do đó, chế độ lái xe im lặng và giám sát im lặng sẽ bị loại trừ.
Chỉ riêng các dây cáp điện được đặt vào các bánh xe, thay thế trục truyền động và truyền động cơ khí, sẽ làm giảm đáng kể trọng lượng của xe và cải thiện khả năng chống cháy nổ, do sự phân tán của các mảnh vụn và mảnh vụn thứ cấp được loại bỏ. Nếu không có pin, khối lượng bên trong cho phi hành đoàn và tải trọng sẽ tăng lên và an toàn hơn, đồng thời các vấn đề liên quan đến bảo trì và quản lý nhiệt của pin lithium-ion sẽ được loại bỏ.
Ngoài ra, khi tạo nguyên mẫu, các mục tiêu sau được đặt ra: mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn của động cơ diesel tương đối nhỏ hoạt động ở tốc độ không đổi, kết hợp với thu hồi năng lượng, tăng sản lượng điện để vận hành cảm biến hoặc xuất khẩu năng lượng, tăng độ tin cậy và cải thiện dịch vụ.
Động cơ AGT 1500 xe tăng M1 Abrams có mật độ năng lượng cao so với động cơ diesel và không yêu cầu hệ thống làm mát đặc biệt
Tôi không quan tâm đến ổ gà
Như Bruce Brendle thuộc Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Thiết giáp (TARDEC) đã giải thích tại buổi thuyết trình về phát triển động cơ đẩy, Quân đội Hoa Kỳ muốn có một hệ thống động cơ đẩy cho phép các phương tiện chiến đấu của họ di chuyển trên những địa hình khó khăn hơn với tốc độ cao hơn, điều này sẽ làm giảm đáng kể tỷ lệ phần trăm lực đẩy. địa hình trong khu vực chiến đấu mà ô tô hiện tại không thể di chuyển. Cái gọi là địa hình không thể vượt qua chiếm khoảng 22% trong số các khu vực này và quân đội muốn giảm con số này xuống còn 6%. Họ cũng muốn tăng tốc độ trung bình ở hầu hết khu vực này từ 16 km/h hiện tại lên 24 km/h.
Ngoài ra, Brendle nhấn mạnh rằng các yêu cầu về năng lượng trên tàu dự kiến sẽ tăng lên ít nhất 250 kW, tức là cao hơn mức mà máy phát điện của máy có thể tạo ra, do tải được bổ sung từ các công nghệ mới, chẳng hạn như tháp điện khí hóa và hệ thống bảo vệ. , làm mát điện tử công suất , xuất khẩu năng lượng và vũ khí năng lượng định hướng.
Theo tính toán của Quân đội Mỹ, việc đáp ứng những nhu cầu này bằng công nghệ turbodiesel hiện nay sẽ giúp tăng thể tích động cơ thêm 56% và trọng lượng của xe thêm khoảng 1400 kg. Do đó, khi phát triển nhà máy điện Động cơ chiến đấu tiên tiến (ACE) đầy hứa hẹn, nhiệm vụ chính đã được đặt ra - tăng gấp đôi tổng mật độ công suất từ 3 mã lực / cu. ft đến 6 hp/cu.in. chân.
Trong khi mật độ công suất cao hơn và hiệu quả sử dụng nhiên liệu tốt hơn là quan trọng đối với thế hệ động cơ quân sự mới thì việc giảm nhiệt lượng cũng quan trọng không kém. Lượng nhiệt sinh ra này thể hiện năng lượng lãng phí bị tiêu tán vào không gian xung quanh khi lẽ ra nó có thể được sử dụng để tạo động cơ đẩy hoặc phát điện. Nhưng không phải lúc nào cũng có thể đạt được sự cân bằng hoàn hảo của cả ba thông số này, chẳng hạn như động cơ tua-bin khí AGT 1500 của xe tăng M1 Abrams có công suất 1500 mã lực. có khả năng truyền nhiệt thấp và công suất riêng cao nhưng tiêu hao nhiên liệu rất cao so với động cơ diesel.
Trên thực tế, động cơ tua-bin khí tạo ra một lượng nhiệt lớn nhưng phần lớn lượng nhiệt này bị loại bỏ qua ống xả do tốc độ dòng khí cao. Do đó, tuabin khí không yêu cầu hệ thống làm mát mà động cơ diesel yêu cầu. Công suất riêng cao của động cơ diesel chỉ có thể đạt được bằng cách giải quyết vấn đề điều chỉnh nhiệt. Brendle nhấn mạnh rằng điều này chủ yếu là do khối lượng dành cho các thiết bị làm mát như đường ống, máy bơm, quạt và bộ tản nhiệt có hạn. Ngoài ra, các kết cấu bảo vệ như lưới chống đạn cũng chiếm không gian và hạn chế luồng không khí lưu thông, làm giảm hiệu suất của quạt.
Piston hướng tới
Như Brendle đã lưu ý, chương trình ACE nhấn mạnh vào động cơ diesel hai kỳ/động cơ piston đối lập đa nhiên liệu do khả năng sinh nhiệt thấp vốn có của chúng. Ở những động cơ như vậy, mỗi xi-lanh chứa hai pít-tông, tạo thành một buồng đốt giữa chúng; do đó, đầu xi-lanh bị loại bỏ, nhưng cần có hai trục khuỷu và các cổng vào và ra trên thành xi-lanh. Động cơ Boxer xuất hiện từ những năm 30 của thế kỷ trước và không ngừng được cải tiến qua nhiều thập kỷ. Achates Power đã không bỏ qua ý tưởng cũ này, ý tưởng này đã hợp tác với Cummins để hồi sinh và hiện đại hóa động cơ này.
Người phát ngôn của Achates Power cho biết công nghệ boxer của họ mang lại hiệu suất nhiệt cao hơn, do tổn thất nhiệt thấp hơn, quá trình đốt cháy được cải thiện và giảm tổn thất khi bơm. Việc loại bỏ đầu xi-lanh giúp giảm đáng kể tỷ lệ giữa diện tích bề mặt và thể tích trong buồng đốt và từ đó truyền và giải phóng nhiệt trong động cơ. Ngược lại, ở động cơ bốn thì truyền thống, đầu xi-lanh chứa nhiều bộ phận nóng nhất và là nguồn truyền nhiệt chính đến chất làm mát và không khí xung quanh.
Hệ thống đốt Achates sử dụng kim phun nhiên liệu kép được bố trí theo đường kính trong mỗi xi-lanh và hình dạng pít-tông độc quyền để tối ưu hóa hỗn hợp không khí/nhiên liệu, giúp đốt cháy ít bồ hóng và giảm truyền nhiệt đến thành buồng đốt. Hỗn hợp mới được nạp vào xi lanh và khí thải thoát ra qua các cổng, được hỗ trợ bởi bộ tăng áp bơm không khí qua động cơ. Achates chỉ ra rằng việc thanh lọc dòng chảy trực tiếp này có tác dụng có lợi đối với hiệu quả sử dụng nhiên liệu và lượng khí thải.
Quân đội Hoa Kỳ muốn dòng động cơ mô-đun có khả năng mở rộng của ACE bao gồm các động cơ có cùng đường kính và hành trình cũng như số lượng xi-lanh khác nhau: 600-750 mã lực. (3 xi lanh); 300-1000 mã lực (4); và 1200-1500 mã lực. (6). Mỗi bộ nguồn sẽ chiếm một thể tích - chiều cao 0,53 m và chiều rộng 1,1 m và chiều dài lần lượt là 1,04 m, 1,25 m và 1,6 m.
Động cơ hai thì đối lập của Achates Power và Cummins sẽ trở thành nền tảng của dòng ACE của quân đội Mỹ
Mục tiêu công nghệ
Một nghiên cứu nội bộ của Quân đội được thực hiện vào năm 2010 đã xác nhận những ưu điểm của động cơ boxer, dẫn đến việc khởi động dự án Động cơ chiến đấu thế hệ tiếp theo (NGCE), trong đó ngành công nghiệp này đã trình bày những phát triển của họ trong lĩnh vực này. Mục tiêu là đạt được công suất 71 mã lực. mỗi xi-lanh và tổng công suất 225 mã lực. Đến năm 2015, cả hai con số này đều dễ dàng bị vượt qua trên một động cơ thử nghiệm được thử nghiệm tại Trung tâm Nghiên cứu Thiết giáp.
Vào tháng 250 cùng năm, quân đội đã trao hợp đồng cho AVL Powertrain Engineering và Achates Power để sản xuất động cơ ACE xi-lanh đơn thử nghiệm theo chương trình kéo dài hai năm, trong đó mục tiêu là đạt được các đặc tính sau: công suất 678 mã lực, mô-men xoắn 0,14 Nm , mức tiêu hao nhiên liệu riêng 0,45 kg/hp/h và truyền nhiệt dưới 0,506 kW/kW. Tất cả các chỉ số đều bị vượt quá, ngoại trừ khả năng truyền nhiệt, ở đây không thể giảm xuống dưới XNUMX kW/kW.
Vào mùa hè năm 2017, Cummins và Achates bắt đầu thực hiện hợp đồng Động cơ nhiều xi-lanh (MCE) ACE để trình diễn động cơ bốn xi-lanh công suất 1000 mã lực. mô-men xoắn 2700 Nm và các yêu cầu tương tự về mức tiêu thụ nhiên liệu và truyền nhiệt cụ thể. Động cơ đầu tiên được sản xuất vào tháng 2018 năm 2019 và quá trình thử nghiệm vận hành ban đầu đã hoàn thành vào cuối năm đó. Vào tháng XNUMX năm XNUMX, động cơ đã được giao cho TARDEC để lắp đặt và thử nghiệm.
Sự kết hợp giữa động cơ boxer và hệ dẫn động điện hybrid sẽ nâng cao hiệu suất của các loại phương tiện và kích cỡ khác nhau, cả quân sự và dân sự. Nhận thức được điều này, Cơ quan Nghiên cứu và Phát triển Tiên tiến đã trao hai triệu đô la cho Achates để phát triển động cơ đơn phẳng tiên tiến dành cho xe hybrid tiên tiến; trong dự án này công ty đang hợp tác với Đại học Michigan và Nissan.
Điều khiển pít-tông
Để phù hợp với ý tưởng, động cơ này đánh dấu lần đầu tiên hệ thống con điện và động cơ đốt trong được tích hợp chặt chẽ đến vậy, mỗi trục khuỷu quay và được dẫn động bởi bộ động cơ-máy phát riêng của nó; không có kết nối cơ học giữa các trục.
Achates xác nhận rằng động cơ chỉ được thiết kế cho hệ thống hybrid tuần tự, vì toàn bộ năng lượng mà nó tạo ra đều được truyền bằng điện, với bộ động cơ-máy phát điện sẽ sạc bộ pin để mở rộng phạm vi hoạt động. Nếu không có kết nối cơ học giữa các trục, mô-men xoắn không được truyền đi, dẫn đến giảm tải. Kết quả là chúng có thể được làm nhẹ hơn, giảm trọng lượng và kích thước tổng thể, giảm ma sát và tiếng ồn, đồng thời cũng giảm chi phí.
Có lẽ quan trọng nhất là trục khuỷu tách rời cho phép điều khiển độc lập từng piston thông qua việc sử dụng thiết bị điện tử công suất. “Đây là một phần quan trọng trong dự án của chúng tôi, điều quan trọng là phải xác định xem sự phát triển của động cơ điện và bộ điều khiển có thể cải thiện hiệu suất của động cơ đốt trong như thế nào.” Người phát ngôn của Achates xác nhận rằng cấu hình này cho phép điều khiển thời gian trục khuỷu, mở ra những khả năng mới. “Chúng tôi đang tìm cách cải thiện hiệu quả điều khiển piston, điều này là không thể thực hiện được với liên kết cơ học truyền thống.”
Hiện tại có rất ít thông tin về cách sử dụng điều khiển piston độc lập, nhưng về mặt lý thuyết có thể làm cho hành trình công suất lớn hơn hành trình nén chẳng hạn, và do đó lấy được nhiều năng lượng hơn từ điện tích của hỗn hợp nhiên liệu không khí. Một kế hoạch tương tự được thực hiện trên động cơ Atkinson bốn thì được lắp trên ô tô hybrid. Ví dụ, ở Toyota Prius, điều này đạt được bằng cách kiểm soát thời điểm đóng van.
Từ lâu, rõ ràng rằng những cải tiến lớn trong các công nghệ trưởng thành như động cơ đốt trong không dễ dàng đạt được, nhưng động cơ boxer tiên tiến có thể là thứ mang lại lợi ích thực sự cho các phương tiện quân sự, đặc biệt là khi kết hợp với hệ truyền động điện. .
tin tức