De energie die nodig is om grondvoertuigen aan te drijven en hun systemen en assemblages te laten werken, wordt traditioneel geleverd door dieselmotoren. Het verminderen van het brandstofverbruik vergroot niet alleen de actieradius, maar vermindert ook de hoeveelheid logistiek, die wordt bepaald door het onderhoud van brandstofreserves, en verhoogt de bescherming van het achterste onderhoudspersoneel tijdens het onderhoud van apparatuur.
De krijgsmacht streeft daarbij naar een oplossing waarbij het hoge rendement en de hoge soortelijke verbrandingswarmte van dieselbrandstof, inherent aan systemen met elektrische aandrijving, in één "team" zouden werken. Nieuwe hybride oplossingen en geavanceerde verbrandingsmotoren kunnen grote praktische voordelen bieden naast stille enkelvoudige elektrische aandrijving, stille bewaking (op batterijen werkende sensoren bij stilstand) en stroomopwekking voor externe verbruikers.
Aandrijflijnpotentieel
Research Canada (DRDC) onderzoekt bijvoorbeeld de haalbaarheid van hybride diesel-elektrische aandrijflijnen. De FDA publiceerde haar onderzoek in 2018, gericht op lichte tactische platforms zoals de HMMWV, ultralichte gevechtsvoertuigen van de DAGOR-klasse en kleine ATV's met één en meerdere zitplaatsen.
Het rapport Feasibility of Hybrid Diesel-Electric Powertrains for Light Tactical Vehicles merkt op dat in de meeste rijmodi waar snelheden en belastingen aanzienlijk variëren (meestal off-road), hybrides een 15% -20% lager brandstofverbruik hebben in termen van brandstofverbruik. traditionele mechanisch aangedreven machines, vooral bij gebruik van regeneratief remmen. Bovendien presteren verbrandingsmotoren, inclusief dieselmotoren, het best wanneer ze worden gebruikt bij zorgvuldig gekozen constant toerental, wat typerend is voor sequentiële hybride systemen waarin de motor alleen als generator werkt.
Zoals het rapport opmerkt, kan de motor, omdat het motorvermogen kan worden aangevuld met batterijen tijdens korte perioden van piekvermogen, worden afgesteld om alleen het gemiddelde benodigde vermogen te leveren, waarbij kleinere krachtbronnen over het algemeen minder brandstof verbruiken, terwijl alle andere dingen gelijk blijven.
Met voldoende batterijcapaciteit kunnen hybrides ook lange tijd in stille bewakingsmodus blijven met uitgeschakelde motor en werkende sensoren, elektronica en communicatiesystemen. Bovendien kan het systeem externe apparatuur van stroom voorzien, batterijen opladen en zelfs een militair kamp van stroom voorzien, waardoor er minder generatoren nodig zijn.
Hoewel hybride aandrijvingen superieure prestaties bieden op het gebied van snelheid, acceleratie en klimvermogen, kan het batterijpakket zwaar en onhandig zijn, wat resulteert in een lager laadvermogen, aldus DRDC. Dit kan een probleem zijn voor ultralichte voertuigen en eenzits ATV's. Bovendien worden bij lage temperaturen de eigenschappen van de batterijen zelf verminderd, ze hebben vaak problemen met opladen en temperatuurregeling.
Hoewel sequentiële hybriden de mechanische transmissie elimineren, maakt de noodzaak van een motor, generator, vermogenselektronica en batterij ze uiteindelijk moeilijk en duur om te kopen en te onderhouden.
De meeste elektrolyten van batterijen kunnen ook risico's met zich meebrengen wanneer ze beschadigd zijn, het is bijvoorbeeld bekend dat lithium-ioncellen ontbranden wanneer ze beschadigd zijn. Of dit een groter risico vormt dan het leveren van dieselbrandstof is misschien een betwistbaar punt, stelt het rapport, maar hybrides brengen beide risico's met zich mee.
Combinatie selectie
De twee belangrijkste schema's voor het combineren van verbrandingsmotoren met elektrische apparaten zijn serieel en parallel. Zoals hierboven vermeld, is het seriële hybride platform een elektrische machine met een generator, terwijl er parallel een motor en een tractiemotor zijn, die via een mechanische transmissie die ermee is verbonden, vermogen naar de wielen overbrengen. Dit betekent dat de motor of tractiemotor de machine afzonderlijk kan aandrijven, of dat ze kunnen samenwerken.
In beide typen hybriden is de elektrische component typisch een motor-generatorset (MGU), die elektrische energie in beweging kan omzetten en vice versa. Het kan een auto besturen, een batterij opladen, een motor starten en, indien nodig, energie besparen door regeneratief remmen.
Zowel serie- als parallelle hybrides vertrouwen op vermogenselektronica om het batterijvermogen te beheren en de batterijtemperatuur te regelen. Ze leveren ook de spanning en stroomsterkte die de generator moet leveren aan de accu's en de accu's op hun beurt aan de elektromotoren.
Deze vermogenselektronica wordt geleverd in de vorm van halfgeleideromvormers op basis van halfgeleiders van siliciumcarbide, waarvan de nadelen in de regel grote afmetingen en kosten zijn, evenals warmteverlies. Vermogenselektronica vereist ook besturingselektronica die vergelijkbaar is met die van een verbrandingsmotor.
Tot nu toe bestond de geschiedenis van elektrisch aangedreven militaire voertuigen uit experimentele en ambitieuze ontwikkelingsprogramma's die uiteindelijk werden afgesloten. In de echte operatie zijn er nog steeds geen hybride militaire voertuigen, met name op het gebied van lichte tactische voertuigen zijn er nog verschillende onopgeloste technologische problemen. Voor civiele voertuigen kunnen deze problemen als grotendeels opgelost worden beschouwd, aangezien ze onder veel gunstiger omstandigheden werken.
Elektrische auto's hebben laten zien erg snel te zijn. Zo kan de experimentele batterijgevoede Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) vierzitter van Nikola Motor in 4 seconden van 0 naar 97 km/u accelereren en heeft hij een bereik van 241 km.
"Lay-out is echter een van die grote uitdagingen", zegt het DRDC-rapport. De afmetingen, het gewicht en de warmteafvoer van batterijpakketten zijn vrij groot en er moet een compromis worden gesloten tussen de totale energiecapaciteit en het momentane vermogen dat ze kunnen leveren voor een gegeven massa en volume. Toewijzing van het volume voor hoogspanningskabels, hun betrouwbaarheid en veiligheid zijn ook knelpunten, samen met de grootte, het gewicht, de koeling, de betrouwbaarheid en het waterdicht maken van vermogenselektronica.
Hitte en stof
Het rapport zegt dat de temperatuurschommelingen waarmee militaire voertuigen worden geconfronteerd misschien wel het grootste probleem zijn, omdat lithium-ionbatterijen niet opladen bij temperaturen onder het vriespunt en verwarmingssystemen de complexiteit vergroten en energie nodig hebben. Batterijen die tijdens het ontladen oververhit raken, zijn potentieel gevaarlijk, ze moeten worden gekoeld of gereduceerd tot een gereduceerde modus, terwijl motoren en generatoren ook oververhit kunnen raken, tot slot, vergeet permanente magneten niet, die gevoelig zijn voor demagnetisatie.
Evenzo neemt bij temperaturen boven ongeveer 65 ° C de efficiëntie van apparaten zoals IGBT-omvormers af en heeft daarom koeling nodig, hoewel nieuwere vermogenselektronica op basis van siliciumcarbidehalfgeleiders of galliumnitride, naast werken bij verhoogde spanning, bestand is tegen hogere temperaturen en, daarom kan worden gekoeld vanuit het motorkoelsysteem.
Bovendien maken de schokken en trillingen van ruw terrein, plus de potentiële schade die kan worden veroorzaakt door beschietingen en explosies, het ook moeilijk om elektrische aandrijftechnologie te integreren in lichte militaire voertuigen, aldus het rapport.
Het rapport concludeert dat DRDC een technologiedemonstrator moet bestellen. Het is een relatief eenvoudig lichtgewicht sequentieel hybride tactisch voertuig met elektromotoren die in de wielnaven of in de assen zijn geïnstalleerd, de dieselmotor is afgestemd op het juiste piekvermogen en een set super- of ultracondensatoren is geïnstalleerd om de acceleratie en het klimvermogen te verbeteren. Supercondensatoren of ultracondensatoren slaan een zeer grote lading voor een korte periode op en kunnen deze zeer snel vrijgeven om vermogenspulsen te genereren. De auto zal ofwel helemaal niet zijn, ofwel een zeer kleine batterij zal worden geïnstalleerd, elektriciteit zal worden opgewekt tijdens het regeneratieve remproces, als gevolg hiervan zijn de wijzen van stille beweging en stille observatie uitgesloten.
Stroomkabels die alleen naar de wielen lopen en de mechanische transmissie- en aandrijfassen vervangen, zullen het gewicht van de machine aanzienlijk verminderen en de explosiebeveiliging verbeteren, aangezien de verstrooiing van secundair vuil en fragmenten wordt geëlimineerd. Zonder batterij zal het interne volume voor de bemanning en het laadvermogen toenemen en veiliger worden, en zullen de problemen in verband met onderhoud en thermisch beheer van lithium-ionbatterijen worden geëlimineerd.
Daarnaast worden bij het maken van een prototype de volgende doelen gesteld: lager brandstofverbruik van een relatief kleine dieselmotor die draait op constant toerental, gecombineerd met energieterugwinning, meer stroomopwekking voor het bedienen van sensoren of energie-export, verhoogde betrouwbaarheid en verbeterde service.
De hobbels geven er niet om
Zoals Bruce Brandl van het Armored Research Center (TARDEC) uitlegde tijdens een presentatie over motorontwikkeling, wil het Amerikaanse leger een voortstuwingssysteem dat zijn gevechtsvoertuigen in staat stelt om met hogere snelheden door moeilijker terrein te bewegen, wat het percentage terrein aanzienlijk zal verminderen in oorlogsgebieden waar de huidige auto's niet kunnen rijden. Het zogenaamd onbegaanbaar terrein maakt ongeveer 22% van deze zones uit en het leger wil dit cijfer terugbrengen tot 6%. Ook willen ze de gemiddelde snelheid in het grootste deel van het gebied verhogen van de huidige 16 km/u naar 24 km/u.
Bovendien benadrukte Brandl dat het de bedoeling is dat de energievraag aan boord wordt verhoogd tot ten minste 250 kW, dat wil zeggen hoger dan wat de generatoren van de machine kunnen leveren, aangezien er belastingen worden toegevoegd door nieuwe technologieën, bijvoorbeeld geëlektrificeerde torens en beveiligingssystemen, koeling van vermogenselektronica., energie-export en gerichte energiewapens.
Het Amerikaanse leger schat dat door aan deze behoeften te voldoen met de huidige turbodieseltechnologie het motorvolume met 56% zal toenemen en het gewicht van het voertuig met ongeveer 1400 kg. Daarom werd bij de ontwikkeling van de geavanceerde krachtcentrale Advanced Combat Engine (ACE) de hoofdtaak gesteld: het verdubbelen van de totale vermogensdichtheid van 3 pk / cu. ft tot 6 pk / cu. voet.
Hoewel een hogere vermogensdichtheid en een lager brandstofverbruik erg belangrijk zijn voor de volgende generatie militaire motoren, is het even belangrijk om de warmteafgifte te verminderen. Deze gegenereerde warmte is verspilde energie die in de omringende ruimte wordt gedissipeerd, hoewel het kan worden gebruikt om elektrische energie voort te stuwen of op te wekken. Maar het is lang niet altijd mogelijk om een perfecte balans te bereiken tussen al deze drie parameters, bijvoorbeeld de AGT 1500 gasturbinemotor van de M1 Abrams-tank met een vermogen van 1500 pk. heeft een lage warmteoverdracht en een hoge vermogensdichtheid, maar een zeer hoog brandstofverbruik in vergelijking met dieselmotoren.
In feite genereren gasturbinemotoren een grote hoeveelheid warmte, maar het meeste wordt afgevoerd via de uitlaatpijp vanwege de hoge gasstroom. Als gevolg hiervan hebben gasturbines niet de koelsystemen nodig die dieselmotoren nodig hebben. Een hoog specifiek vermogen van dieselmotoren kan alleen worden bereikt door het probleem van thermische regeling op te lossen. Brandl benadrukte dat dit vooral komt door het beperkte volume dat beschikbaar is voor koelapparatuur zoals leidingen, pompen, ventilatoren en radiatoren. Bovendien nemen beschermende constructies zoals kogelvrije roosters ook volume op en beperken ze de luchtstroom, waardoor de efficiëntie van de ventilatoren afneemt.
Zuigers naar
Zoals Brandl opmerkte, richt het ACE-programma zich op tweetakt diesel-/multifuelmotoren met tegenover elkaar liggende zuigers vanwege hun inherente lage warmteafvoer. In dergelijke motoren zijn in elke cilinder twee zuigers geplaatst, die onderling een verbrandingskamer vormen, waardoor de cilinderkop is uitgesloten, maar dit vereist twee krukassen en in- en uitlaatpoorten in de cilinderwanden. Boxermotoren dateren uit de jaren dertig en zijn in de loop van de decennia voortdurend verbeterd. Dit oude idee werd niet gespaard door het bedrijf Achates Power, dat in samenwerking met Cummins deze motor nieuw leven inblies en moderniseerde.
Een woordvoerder van Achates Power zei dat hun boxertechnologie de thermische efficiëntie heeft verbeterd, wat zich vertaalt in lagere warmteverliezen, verbeterde verbranding en verminderde pompverliezen. Door het weglaten van de cilinderkop werd de oppervlakte-tot-volumeverhouding in de verbrandingskamer aanzienlijk verminderd en daarmee de overdracht en afgifte van warmte in de motor. In een traditionele viertaktmotor daarentegen bevat de cilinderkop veel van de heetste componenten en is hij de belangrijkste bron van warmteoverdracht naar de koelvloeistof en de omringende atmosfeer.
Het Achates-verbrandingssysteem maakt gebruik van dubbele brandstofinjectoren die diametraal in elke cilinder zijn geplaatst en een gepatenteerde zuigervorm om het lucht/brandstofmengsel te optimaliseren, wat resulteert in een lage roetverbranding en verminderde warmteoverdracht naar de wanden van de verbrandingskamer. Een nieuwe lading van het mengsel wordt in de cilinder geïnjecteerd en uitlaatgassen verlaten de poorten, geholpen door een aanjager die lucht door de motor pompt. Achates wijst erop dat deze gelijkstroomspui een gunstig effect heeft op het brandstofverbruik en de emissies.
Het Amerikaanse leger wil dat de ACE-familie van modulaire schaalbare aandrijflijnen motoren omvat met dezelfde boring en slag en verschillende cilindertellingen: 600-750 pk. (3 cilinders); 300-1000 pk (4); en 1200-1500 pk. (6). Elke energiecentrale zal een volume innemen - een hoogte van 0,53 m en een breedte van 1, 1 m en dienovereenkomstig een lengte van 1,04 m, 1,25 m en 1,6 m.
Technologische doelen
Een interne studie van het leger in 2010 bevestigde de voordelen van boxermotoren, resulterend in het Next-Generation Combat Engine (NGCE)-project, waarin industriële ondernemingen hun ontwikkelingen op dit gebied presenteerden. De opdracht was om 71 pk te halen. per cilinder en een totaal vermogen van 225 pk. In 2015 werden beide cijfers gemakkelijk overschreden met een experimentele motor die werd getest in het Armored Research Center.
In februari van hetzelfde jaar kende het leger contracten toe aan AVL Powertrain Engineering en Achates Power voor experimentele ACE-eencilindermotoren in het kader van een tweejarig programma, in het kader waarvan het doel was om de volgende kenmerken te bereiken: vermogen van 250 pk, koppel 678 Nm, specifiek brandstofverbruik 0,14 kg/pk/u en warmteafvoer minder dan 0,45 kW/kW. Alle indicatoren werden overschreden, behalve warmteoverdracht, hier was het niet mogelijk om onder 0,506 kW / kW te komen.
In de zomer van 2017 begonnen Cummins en Achates te werken onder een ACE Multi-Cylinder Engine (MCE)-contract om een viercilindermotor van 1.000 pk te demonstreren. koppel van 2700 Nm en dezelfde eisen voor specifiek brandstofverbruik en warmteoverdracht. De eerste motor werd in juli 2018 geproduceerd en de eerste operationele tests werden tegen het einde van hetzelfde jaar voltooid. In augustus 2019 werd de motor geleverd aan het directoraat TARDEC voor installatie en testen.
De combinatie van een boxermotor en een hybride elektrische aandrijving zou de efficiëntie van voertuigen van verschillende soorten en maten, zowel militair als civiel, verbeteren. Met dit in gedachten gaf de Advanced Research and Development Authority $ 2 miljoen aan Achates om een geavanceerde eencilinder boxermotor te ontwikkelen voor toekomstige hybride voertuigen; in dit project werkt het bedrijf samen met de University of Michigan en Nissan.
Zuigerbediening
In overeenstemming met het concept integreerde deze motor voor het eerst zo nauw het elektrische subsysteem en de verbrandingsmotor, elk van de twee krukassen roteert en kan worden aangedreven door een eigen motor-generatorset; er is geen mechanische verbinding tussen de assen.
Achates bevestigde dat de motor alleen is ontworpen voor sequentiële hybride systemen, aangezien al het vermogen dat hij genereert elektrisch wordt overgedragen en de gensets het batterijpakket opladen om de actieradius te vergroten. Zonder een mechanische verbinding tussen de assen wordt het moment niet overgedragen, wat leidt tot een afname van de belastingen. Als gevolg hiervan kunnen ze lichter worden gemaakt, het totale gewicht en de afmetingen, wrijving en geluid verminderen en de kosten verlagen.
Misschien wel het belangrijkste is dat de ontkoppelde krukassen onafhankelijke controle van elke zuiger mogelijk maken door het gebruik van vermogenselektronica. "Dit is een belangrijk onderdeel van ons project, het is belangrijk om te bepalen hoe de ontwikkeling van elektromotoren en besturingen de efficiëntie van de verbrandingsmotor zou kunnen verbeteren." Een woordvoerder van Achates bevestigde dat deze configuratie de timing van de krukas mogelijk maakt, wat nieuwe mogelijkheden opent. "We streven ernaar de efficiëntie van zuigerbesturing te verbeteren, wat niet mogelijk is met traditionele mechanische communicatie."
Op dit moment is er weinig informatie beschikbaar over hoe onafhankelijke zuigerregeling kan worden gebruikt, maar in theorie is het mogelijk om bijvoorbeeld de slag groter te maken dan de compressieslag en daardoor meer energie te halen uit de lading van de lucht / brandstof mengsel. Een soortgelijk schema wordt geïmplementeerd in viertakt Atkinson-motoren die in hybride auto's zijn geïnstalleerd. In de Toyota Prius wordt dit bijvoorbeeld bereikt door variabele kleptiming.
Lange tijd was het duidelijk dat grote verbeteringen in volwassen technologieën, zoals verbrandingsmotoren, niet gemakkelijk te realiseren zijn, maar geavanceerde boxermotoren zouden echte voordelen kunnen bieden aan militaire voertuigen, vooral in combinatie met elektrische aandrijfsystemen. …
