L’energia necessària per propulsar vehicles terrestres i per operar els seus sistemes i conjunts és tradicionalment proporcionada pels motors dièsel. La reducció del consum de combustible no només augmenta l’abast, sinó que també redueix la quantitat de logística, que ve determinada pel manteniment de les reserves de combustible, i augmenta la protecció del personal de servei posterior en el procés de manteniment d’equips.
En aquest sentit, les forces armades s’esforcen per trobar una solució en què l’alta eficiència i l’alta calor específica de combustió del gasoil inherents als sistemes amb accionament elèctric funcionin en un "equip". Les noves solucions híbrides i els motors de combustió avançats tenen el potencial d’oferir grans avantatges pràctics, junt amb una unitat elèctrica silenciosa, una monitorització silenciosa (sensors de bateria mentre estan parats) i la generació d’energia per a consumidors externs.
Potencial del tren elèctric
Research Canada (DRDC), per exemple, està investigant la viabilitat dels motors híbrids dièsel-elèctrics. La FDA va publicar la seva investigació el 2018, centrant-se en plataformes tàctiques lleugeres com el HMMWV, vehicles de combat ultralleugers de la classe DAGOR i vehicles tot terreny petits i monoplaces.
L’informe de viabilitat dels sistemes de propulsió dièsel-elèctrics híbrids per a vehicles tàctics lleugers assenyala que en la majoria de modes de conducció on les velocitats i les càrregues varien significativament (normalment fora de carretera), els híbrids tenen un 15% -20% d’eficiència de combustible millor en termes d’estalvi de combustible. màquines tradicionals accionades mecànicament, especialment quan s’utilitzen frens regeneratius. A més, els motors de combustió interna, inclosos els motors dièsel, funcionen millor quan s’utilitzen a rpm constants seleccionats acuradament, cosa típica dels sistemes híbrids seqüencials en què el motor només funciona com a generador.
Com assenyala l’informe, com que la potència del motor es pot complementar amb bateries durant períodes curts de consum d’energia màxima, el motor es pot ajustar per proporcionar només la potència mitjana necessària, amb centrals més petites que solen utilitzar menys combustible, igual que la resta.
Amb una capacitat de bateria suficient, els híbrids també poden romandre en mode de vigilància silenciosa durant molt de temps amb el motor apagat i funcionant els sensors, l'electrònica i els sistemes de comunicació. A més, el sistema pot alimentar equips externs, carregar bateries i fins i tot alimentar un campament militar, reduint la necessitat de generadors remolcats.
Tot i que les unitats híbrides ofereixen un rendiment superior en termes de velocitat, acceleració i desnivell, la bateria pot ser pesada i pesada, cosa que redueix la càrrega útil, va dir DRDC. Això pot ser un problema per als vehicles ultralleugers i els quads monoplaces. A més, a baixes temperatures, les característiques de les bateries es redueixen, sovint tenen problemes de càrrega i control de temperatura.
Tot i que els híbrids seqüencials eliminen la transmissió mecànica, la necessitat d’un motor, generador, electrònica de potència i bateria els fa inevitablement difícils i costosos de comprar i mantenir.
La majoria dels electròlits de les bateries també poden comportar riscos quan es danyen, per exemple, se sap que les cèl·lules de ions de liti s’encenen quan es danyen. L’informe assenyala que això suposa un risc més gran que el subministrament de gasoil, però els híbrids comporten tots dos riscos.
Selecció de combinacions
Els dos esquemes principals per combinar motors de combustió interna amb dispositius elèctrics són en sèrie i paral·lels. Com s’ha esmentat anteriorment, la plataforma híbrida en sèrie és una màquina elèctrica amb un generador, mentre que en paral·lel hi ha un motor i un motor de tracció que, mitjançant una transmissió mecànica connectada a elles, transmeten potència a les rodes. Això significa que el motor o el motor de tracció poden conduir la màquina individualment o poden treballar junts.
En ambdós tipus d’híbrids, el component elèctric sol ser un grup generador de motors (MGU), que pot convertir l’energia elèctrica en moviment i viceversa. Pot conduir un cotxe, carregar una bateria, engegar un motor i, si cal, estalviar energia mitjançant una frenada regenerativa.
Tant la sèrie com els híbrids paral·lels es basen en l'electrònica de potència per gestionar l'energia de la bateria i regular la temperatura de la bateria. També proporcionen la tensió i l'amperatge que el generador ha de subministrar a les bateries i les bateries al seu torn als motors elèctrics.
Aquesta electrònica de potència es presenta en forma d’inversors semiconductors basats en semiconductors de carbur de silici, els inconvenients dels quals, per regla general, inclouen grans dimensions i costos, així com pèrdues de calor. Els aparells electrònics de potència també requereixen sistemes electrònics de control similars als que alimenten un motor de combustió interna.
Fins ara, la història dels vehicles militars d’energia elèctrica ha consistit en programes de desenvolupament experimentals i ambiciosos que finalment es van tancar. En funcionament real, encara no hi ha vehicles militars híbrids, en particular, en el camp dels vehicles tàctics lleugers, encara queden diversos problemes tecnològics no resolts. Aquests problemes es poden considerar resolts en gran part per als vehicles civils, ja que funcionen en condicions molt més favorables.
Els cotxes elèctrics s’han mostrat molt ràpids. Per exemple, el vehicle tàctic (UTV) Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) amb bateria de Nikola Motor pot accelerar de 0 a 97 km / h en 4 segons i té un abast de 241 km.
"El disseny, però, és un d'aquests grans reptes", diu l'informe DRDC. La mida, el pes i la dissipació de calor dels paquets de bateries són bastant grans i cal establir un compromís entre la capacitat energètica total i la potència instantània que poden proporcionar per a una massa i un volum determinats. L'assignació de volum per als cables d'alta tensió, la seva fiabilitat i seguretat també són colls d'ampolla, juntament amb la mida, el pes, la refrigeració, la fiabilitat i la impermeabilització de l'electrònica de potència.
Calor i pols
L'informe diu que els canvis de temperatura als quals s'enfronten els vehicles militars són potser el problema més gran, ja que les bateries de ions de liti no es carreguen a temperatures inferiors a zero i els sistemes de calefacció afegeixen complexitat i necessiten energia. Les bateries que es sobreescalfen durant la descàrrega són potencialment perilloses, cal refredar-les o reduir-les a un mode reduït, mentre que els motors i els generadors també poden escalfar-se, finalment, no us oblideu dels imants permanents, propensos a la seva desmagnetització.
De la mateixa manera, a temperatures superiors als 65 ° C, l’eficiència de dispositius com els inversors IGBT disminueix i, per tant, necessita refrigeració, tot i que l’electrònica de potència més nova, basada en semiconductors de carbur de silici o nitrur de gal, a més de funcionar amb un voltatge augmentat, suporta temperatures més altes i, per tant, es pot refredar des del sistema de refrigeració del motor.
A més, el xoc i la vibració d'un terreny accidentat, a més dels possibles danys que podrien causar bombardejos i explosions, també dificulten la integració de la tecnologia d'accionament elèctric en vehicles militars lleugers, apunta l'informe.
L'informe conclou que DRDC hauria de demanar un demostrador de tecnologia. Es tracta d’un vehicle tàctic híbrid seqüencial lleuger i relativament senzill amb motors elèctrics instal·lats als eixos o als cubs de les rodes, el motor dièsel està ajustat a la potència màxima adequada i s’instal·la un conjunt de supercondensadors o ultracondensadors per millorar l’acceleració i la gradabilitat.. Els supercondensadors o ultracondensadors emmagatzemen una càrrega molt gran durant un curt període de temps i poden alliberar-la molt ràpidament per generar impulsos de potència. El cotxe no estarà en absolut, o s’instal·larà una bateria molt petita; es generarà electricitat durant el procés de frenada regenerativa; per tant, s’exclouen els modes de moviment silenciós i d’observació silenciosa.
Els cables d’alimentació que passen a les rodes sols, que substitueixen la transmissió mecànica i els eixos motrius, reduiran significativament el pes de la màquina i milloraran la protecció contra explosions, ja que s’elimina la dispersió de restes i fragments secundaris. Sense bateria, el volum intern de la tripulació i la càrrega útil augmentaran i seran més segurs i s’eliminaran els problemes associats amb el manteniment i la gestió tèrmica de les bateries d’ió-liti.
A més, s’estableixen els objectius següents en crear un prototip: menor consum de combustible d’un motor dièsel relativament petit que funciona a rpm constants, combinat amb recuperació d’energia, major generació d’energia per al funcionament de sensors o exportació d’energia, major fiabilitat i millor servei.
Als bonys no els importa
Tal com va explicar Bruce Brandl del Armored Research Center (TARDEC) en una presentació sobre el desenvolupament del motor, l’exèrcit dels Estats Units vol un sistema de propulsió que permeti als seus vehicles de combat moure’s per terrenys més difícils a velocitats més altes, cosa que reduirà significativament el percentatge de terreny en zones de guerra on no poden circular els cotxes actuals. L'anomenat terreny impracticable representa aproximadament el 22% d'aquestes zones i l'exèrcit vol reduir aquesta xifra al 6%. També volen augmentar la velocitat mitjana a la major part de la zona dels 16 km / h actuals als 24 km / h.
A més, Brandl va destacar que es preveu augmentar la demanda d’energia a bord fins a 250 kW com a mínim, és a dir, superior al que poden proporcionar els generadors de la màquina, ja que s’afegeixen càrregues de les noves tecnologies, per exemple, torres electrificades i sistemes de protecció., refrigeració de l'electrònica de potència., exportació d'energia i armes d'energia dirigida.
L'exèrcit nord-americà calcula que el fet de satisfer aquestes necessitats amb la tecnologia actual del turbodièsel augmentarà el volum del motor un 56% i el pes del vehicle uns 1400 kg. Per tant, en desenvolupar la seva avançada central de potència Advanced Combat Engine (ACE), es va establir la tasca principal: duplicar la densitat de potència total de 3 CV / cu. peus a 6 CV / cu. peu.
Tot i que la densitat de potència i una millor eficiència de combustible són molt importants per a la propera generació de motors militars, és igualment important reduir la producció de calor. Aquesta calor generada és una energia malbaratada dissipada a l’espai circumdant, tot i que es podria utilitzar per impulsar o generar energia elèctrica. Però és lluny de ser sempre possible aconseguir un equilibri perfecte de tots aquests tres paràmetres, per exemple, el motor de turbina de gas AGT 1500 del tanc M1 Abrams amb una capacitat de 1500 CV. té una baixa transferència de calor i una alta densitat de potència, però un consum de combustible molt elevat en comparació amb els motors dièsel.
De fet, els motors de turbina de gas generen una gran quantitat de calor, però la major part s’elimina a través del tub d’escapament a causa de l’alta velocitat de flux de gas. Com a resultat, les turbines de gas no necessiten els sistemes de refrigeració que necessiten els motors dièsel. Una alta potència específica dels motors dièsel només es pot aconseguir resolent el problema del control tèrmic. Brandl va destacar que això es deu principalment al volum limitat disponible per a equips de refrigeració com ara canonades, bombes, ventiladors i radiadors. A més, les estructures de protecció com les reixes antibales també agafen volum i restringeixen el flux d’aire, reduint l’eficiència dels ventiladors.
Pistons cap a
Com va assenyalar Brandl, el programa ACE se centra en motors dièsel / multi-combustible de dos temps amb pistons oposats a causa de la seva baixa dissipació de calor inherent. En aquests motors, es col·loquen dos pistons a cada cilindre, que formen una cambra de combustió entre ells, per la qual cosa s’exclou la culata, però això requereix dos cigonyals i orificis d’admissió i d’escapament a les parets del cilindre. Els motors Boxer es remunten als anys 30 i s’han anat millorant contínuament al llarg de les dècades. Aquesta vella idea no va ser estalviada per l'empresa Achates Power, que, en cooperació amb Cummins, va revifar i modernitzar aquest motor.
Un portaveu d'Achates Power va dir que la seva tecnologia de boxers ha millorat l'eficiència tèrmica, cosa que es tradueix en pèrdues de calor menors, combustió millorada i pèrdues de bombament. L'eliminació de la culata va reduir significativament la relació superfície / volum a la cambra de combustió i, per tant, la transferència i l'alliberament de calor al motor. En canvi, en un motor tradicional de quatre temps, la culata conté molts dels components més calents i és la principal font de transferència de calor al refrigerant i a l’atmosfera circumdant.
El sistema de combustió Achates utilitza dos injectors de combustible posicionats diametralment a cada cilindre i una forma patentada de pistó per optimitzar la barreja d’aire / combustible, donant com a resultat una baixa combustió de sutge i una reducció de la transferència de calor a les parets de la cambra de combustió. Una nova càrrega de la mescla s’injecta al cilindre i els gasos d’escapament surten pels ports, ajudats per un sobrealimentador que bombeja aire al motor. Achates assenyala que aquest descens simultani té un efecte beneficiós sobre l’economia de combustible i les emissions.
L’exèrcit nord-americà vol que la família de motors motores escalables modulars ACE inclogui motors amb el mateix diàmetre i carrera i un nombre de cilindres diferents: 600-750 CV. (3 cilindres); 300-1000 CV (4); i 1200-1500 CV. (6). Cada central elèctrica ocuparà un volum: una alçada de 0,53 mi una amplada d'1, 1 mi, per tant, una longitud d'1,04 m, 1,25 m i 1,6 m.
Objectius tecnològics
Un estudi intern de l'exèrcit realitzat el 2010 va confirmar els beneficis dels motors boxers, cosa que va donar lloc al projecte del motor de combat de nova generació (NGCE), en què les empreses industrials van presentar els seus desenvolupaments en aquesta àrea. La tasca era arribar als 71 CV. per cilindre i una potència total de 225 CV. El 2015, aquestes dues xifres es van superar fàcilment en un motor experimental provat al Armored Research Center.
El febrer del mateix any, l'exèrcit va adjudicar contractes a AVL Powertrain Engineering i Achates Power per a motors monocilíndrics ACE experimentals en el marc d'un programa de dos anys, en el marc del qual l'objectiu era aconseguir les següents característiques: potència 250 CV, parell 678 Nm, consum específic de combustible 0, 14 kg / CV / hi dissipació de calor inferior a 0,45 kW / kW. Es van superar tots els indicadors, a excepció de la transferència de calor, aquí no va ser possible baixar de 0,506 kW / kW.
L’estiu del 2017, Cummins i Achates van començar a treballar sota un contracte ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) per demostrar un motor de quatre cilindres de 1.000 CV. parell de 2700 Nm i els mateixos requisits per al consum específic de combustible i la transferència de calor. El primer motor es va fabricar el juliol de 2018 i les proves operatives inicials es van completar a finals del mateix any. L’agost de 2019, el motor es va lliurar a la direcció de TARDEC per a la seva instal·lació i prova.
La combinació d’un motor boxer i una transmissió elèctrica híbrida milloraria l’eficiència de vehicles de diversos tipus i mides, tant militars com civils. Amb això en ment, l'Autoritat de Recerca i Desenvolupament Avançat va emetre 2 milions de dòlars a Achates per desenvolupar un motor boxer monocilíndric avançat per a futurs vehicles híbrids; en aquest projecte, la companyia col·labora amb la Universitat de Michigan i Nissan.
Control de pistons
D'acord amb el concepte, aquest motor va integrar per primera vegada tan de prop el subsistema elèctric i el motor de combustió interna, cadascun dels dos cigonyals gira i pot ser accionat pel seu propi grup generador de motors; no hi ha cap connexió mecànica entre els eixos.
Achates va confirmar que el motor només està dissenyat per a sistemes híbrids seqüencials, ja que tota la potència que genera es transmet elèctricament i els grups electrògens carreguen la bateria per ampliar el rang. Sense una connexió mecànica entre els eixos, el moment no es transmet, cosa que comporta una disminució de les càrregues. Com a resultat, es poden fer més lleugers, reduir el pes i la mida generals, la fricció i el soroll i reduir els costos.
Potser el més important és que els cigonyals desacoblats permeten un control independent de cada pistó mitjançant l’ús d’electrònica de potència. "Aquesta és una part important del nostre projecte, és important determinar com el desenvolupament de motors i controls elèctrics podria millorar l'eficiència del motor de combustió interna". Un portaveu d'Achates va confirmar que aquesta configuració permet controlar el temps del cigonyal, cosa que obre noves possibilitats. "Ens esforcem per millorar l'eficiència del control del pistó, que no està disponible amb la comunicació mecànica tradicional".
En aquest punt, hi ha poca informació disponible sobre com es pot utilitzar un control de pistó independent, però en teoria és possible fer la carrera més gran que la de compressió, per exemple, i així extreure més energia de la càrrega de l’aire / combustible barreja. Un esquema similar s’implementa en motors Atkinson de quatre temps instal·lats en cotxes híbrids. Al Toyota Prius, per exemple, això s’aconsegueix mitjançant una sincronització variable de les vàlvules.
Durant molt de temps, era obvi que les grans millores en les tecnologies madures, com ara els motors de combustió interna, no són fàcils d’aconseguir, però els motors boxers avançats podrien ser el que proporcionarien avantatges reals als vehicles militars, especialment quan es combinen amb sistemes de propulsió elèctrica. …
