Жер үсті көліктерін жылжытуға және олардың жүйелері мен тораптарын басқаруға қажетті энергия дәстүрлі түрде дизельді қозғалтқыштармен қамтамасыз етіледі. Жанармай шығынын азайту тек ассортиментін ғана емес, сонымен қатар отын қорының сақталуымен анықталатын логистика көлемін де азайтады, ал жабдықтарға қызмет көрсету процесінде артқы қызмет көрсетуші персоналдың қорғанысын арттырады.
Осыған байланысты, қарулы күштер электр жетегі бар жүйелерге тән дизель отынының жоғары тиімділігі мен жоғары жану жылуы бір «командада» жұмыс істейтін шешімді табуға тырысады. Жаңа гибридті шешімдер мен жану қозғалтқыштарының бір электрлі жетекпен, тыныш бақылауымен (аккумулятормен жұмыс жасайтын сенсорлар) және сыртқы тұтынушылар үшін энергия өндірумен қатар үлкен практикалық артықшылықтарды ұсынуға мүмкіндігі бар.
Электр пойызының әлеуеті
Канада зерттеулері (DRDC), мысалы, дизельді-электрлік гибридті агрегаттардың орындылығын зерттейді. FDA HMMWV, DAGOR сыныбындағы аса жеңіл жауынгерлік машиналар, шағын бір және көп орындық АТВ сияқты жеңіл тактикалық платформаларға назар аудара отырып, өз зерттеулерін 2018 жылы жариялады.
Есепте жеңіл тактикалық көліктерге арналған гибридті дизельді-электрлік қозғалтқыштардың орындылығы туралы есепке сәйкес, жылдамдықтары мен жүктемелері айтарлықтай өзгеретін (әдетте жолдан тыс) жүріс режимдерінің көпшілігінде гибридтер отын үнемдеу тұрғысынан 15% -20% -ға жақсы жанармай үнемдейді. дәстүрлі механикалық жетекті машиналар, әсіресе регенеративті тежеу кезінде. Сонымен қатар, іштен жанатын қозғалтқыштар, соның ішінде дизельді қозғалтқыштар, қозғалтқыш тек генератор ретінде жұмыс істейтін жүйелі гибридті жүйелерге тән, мұқият таңдалған тұрақты айн / мин жылдамдықпен жұмыс істегенде жақсы жұмыс істейді.
Есепте айтылғандай, қозғалтқыш қуатын максималды қуатты тұтыну кезінде батареялармен толықтыруға болатындықтан, қозғалтқышты тек орташа қуатты қамтамасыз ету үшін баптауға болады, ал кіші қондырғылар әдетте отынды аз пайдаланады, ал басқалары тең.
Аккумулятордың жеткілікті сыйымдылығымен гибридтер қозғалтқышты өшіріп, датчиктер, электроника мен байланыс жүйелерімен ұзақ уақыт үнсіз бақылау режимінде бола алады. Сонымен қатар, жүйе сыртқы жабдықты қоректендіре алады, аккумуляторларды зарядтайды, тіпті әскери қалашықты қуаттандырады, бұл тартылатын генераторларға қажеттілікті азайтады.
Гибридті дискілер жылдамдық, жеделдету және сұрыптылық тұрғысынан жоғары өнімділікті ұсынса да, аккумуляторлық пакет ауыр және қолайсыз болуы мүмкін, бұл пайдалы жүктемені азайтады, - деді DRDC. Бұл жеңіл автокөліктер мен бір орындық автокөліктер үшін қиындық тудыруы мүмкін. Сонымен қатар, төмен температурада аккумуляторлардың сипаттамалары төмендейді, олар жиі зарядтау мен температураны бақылауда қиындықтарға тап болады.
Кезекті гибридтер механикалық берілісті жояды, бірақ қозғалтқышқа, генераторға, қуатты электроникаға және аккумуляторға қажеттілік оларды түпкілікті сатып алу мен қызмет көрсетуді қиындатады.
Аккумуляторлық электролиттердің көпшілігі зақымданған кезде қауіп төндіруі мүмкін, мысалы, литий-иондық жасушалар зақымдалған кезде тұтанатыны белгілі. Бұл дизель отынын жеткізуден гөрі үлкен қауіп төндіре ме, жоқ па, бұл есепте көрсетілген, бірақ будандар екі тәуекелді де көтереді.
Комбинациялық таңдау
Іштен жану қозғалтқыштарын электр құрылғыларымен біріктірудің екі негізгі схемасы сериялық және параллель болып табылады. Жоғарыда айтылғандай, сериялық гибридті платформа - бұл генераторы бар электр машинасы, ал параллельде оларға қосылған механикалық беріліс арқылы дөңгелектерге қуат беретін қозғалтқыш пен тартқыш қозғалтқыш бар. Бұл дегеніміз, қозғалтқыш немесе тартқыш қозғалтқыш машинаны жеке басқара алады немесе олар бірге жұмыс жасай алады.
Гибридтердің екі түрінде де электрлік компонент әдетте электр энергиясын қозғалысқа және керісінше түрлендіре алатын қозғалтқыш-генераторлық қондырғы болып табылады. Ол автокөлікті басқара алады, аккумуляторды зарядтайды, қозғалтқышты іске қосады және қажет болған жағдайда регенеративті тежеу арқылы энергияны үнемдей алады.
Сериялы да, параллельді будандар да батарея қуатын басқару және батареяның температурасын реттеу үшін қуатты электроникаға сүйенеді. Олар сонымен қатар генератор батареяларға және батареяларды электр қозғалтқыштарына беруі керек кернеу мен амперді қамтамасыз етеді.
Бұл күштік электроника кремний карбидті жартылай өткізгіштерге негізделген жартылай өткізгішті инверторлар түрінде келеді, олардың кемшіліктері, әдетте, үлкен өлшемі мен құнын, сондай -ақ жылу шығынын қамтиды. Қуат электроникасы сонымен қатар ішкі жану қозғалтқышын басқаратынға ұқсас басқару электроникасын қажет етеді.
Осы уақытқа дейін электрмен жабдықталған әскери техниканың тарихы ақырында жабылған эксперименттік және өршіл даму бағдарламаларынан тұрды. Нақты жағдайда гибридті әскери машиналар әлі жоқ, атап айтқанда жеңіл тактикалық машиналар саласында бірнеше шешілмеген технологиялық проблемалар қалады. Бұл проблемалар азаматтық көліктер үшін шешілген деп санауға болады, өйткені олар әлдеқайда қолайлы жағдайларда жұмыс істейді.
Электромобильдер өте жылдам екенін көрсетті. Мысалы, Nikola Motor компаниясының аккумулятормен жұмыс жасайтын эксперименталды Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) төрт орындық жылдамдығы 0-ден 97 км / сағ-қа дейін 4 секундта жылдамдыққа жетеді және 241 км қашықтыққа жетеді.
DRDC есебінде: «Алайда, орналасу - бұл үлкен қиындықтардың бірі», - делінген. Аккумуляторлық пакеттердің мөлшері, салмағы мен жылудың таралуы өте үлкен және жалпы энергия сыйымдылығы мен олар берілген масса мен көлемге жеткізе алатын лездік қуат арасында ымыраға келу керек. Жоғары вольтты кабельдердің көлемін бөлу, олардың сенімділігі мен қауіпсіздігі сонымен қатар электрлік электрониканың өлшемі, салмағы, салқындатылуы, сенімділігі мен гидроизоляциясымен қатар қиындықтар болып табылады.
Жылу мен шаң
Есепте әскери көліктердің температуралық ауытқуы ең үлкен проблема болуы мүмкін, себебі литий-ионды аккумуляторлар нөлден төмен температурада зарядталмайды, ал жылыту жүйелері күрделілік пен энергияны қажет етеді. Зарядсыздану кезінде қызып кететін аккумуляторлар қауіпті болуы мүмкін, оларды салқындату немесе төмендетілген режимге келтіру керек, ал қозғалтқыштар мен генераторлар қызып кетуі мүмкін, ақырында магниттенуге бейім тұрақты магниттер туралы ұмытпаңыз.
Сол сияқты, шамамен 65 ° C жоғары температурада, IGBT инверторлары сияқты құрылғылардың тиімділігі төмендейді, сондықтан кремний карбиді жартылай өткізгіштер немесе галлий нитридтеріне негізделген жаңа қуатты электроника жоғары кернеуде жұмыс істеуге қосымша температураға төзеді және сондықтан қозғалтқышты салқындату жүйесінен салқындатуға болады.
Сонымен қатар, кедір -бұдырлы жердің соққысы мен дірілі, снарядтар мен жарылыстардан туындауы мүмкін ықтимал зақым, сонымен қатар, электр жетегі технологиясын жеңіл әскери көліктерге енгізуді қиындатады.
Есеп DRDC технологиялық демонстрантқа тапсырыс беруі керек деген қорытындыға келеді. Бұл электр қозғалтқыштары бар дөңгелектерге немесе осьтерге орнатылған, дизельді қозғалтқыш тиісті максималды қуатқа бейімделген, жылдамдық пен сұрыптылықты жақсарту үшін супер немесе ультраконденсаторлар жиынтығы орнатылған салыстырмалы түрде қарапайым жеңіл гибридті тактикалық көлік.. Суперконденсаторлар немесе ультраконденсаторлар қысқа уақыт ішінде өте үлкен зарядты сақтайды және қуат импульсін шығару үшін оны өте тез босата алады. Автокөлік мүлде болмайды, немесе өте кішкентай аккумулятор орнатылады, регенеративті тежеу кезінде электр қуаты пайда болады, нәтижесінде үнсіз қозғалыс және үнсіз бақылау режимдері алынып тасталады.
Механикалық беріліс пен жетек біліктерін алмастыратын доңғалақтарға ғана жүретін қуат кабельдері машинаның салмағын едәуір азайтады және жарылудан қорғауды жақсартады, өйткені екінші қоқыстар мен сынықтардың шашырауы жойылады. Аккумуляторсыз экипаждың ішкі көлемі мен пайдалы жүктемесі артады және қауіпсіз болады, литий-ионды аккумуляторларға техникалық қызмет көрсету мен жылуды басқарумен байланысты мәселелер жойылады.
Сонымен қатар, прототипті құру кезінде келесі мақсаттар қойылады: тұрақты айналу жиілігінде жұмыс істейтін салыстырмалы түрде шағын дизельді қозғалтқыштың отын шығынын азайту, энергияны қалпына келтірумен бірге, сенсорлардың жұмыс істеуі немесе энергия экспорты үшін қуат өндіру, сенімділікті жоғарылату және қызмет көрсетудің жақсаруы.
Соққылар маңызды емес
Бронетехникалық зерттеулер орталығының (TARDEC) Брюс Брандл қозғалтқышты дамытуға арналған презентацияда түсіндіргендей, АҚШ армиясы өзінің жауынгерлік машиналарына қиын жерлерден жоғары жылдамдықпен өтуге мүмкіндік беретін қозғалтқыш жүйесін қалайды, бұл рельефтің пайызын едәуір төмендетеді. соғыс аймақтарында, онда қазіргі машиналар қозғала алмайды. Өтуге болмайтын жер бұл аймақтардың шамамен 22% құрайды және армия бұл көрсеткішті 6% -ға дейін төмендеткісі келеді. Олар сондай -ақ көптеген аудандардағы орташа жылдамдықты қазіргі 16 км / сағтан 24 км / сағ дейін арттырғысы келеді.
Сонымен қатар, Брэндл борттағы энергияға деген сұранысты кем дегенде 250 кВт -қа дейін ұлғайтуды жоспарлап отырғанын, яғни жүктеме жаңа технологиялардан, мысалы, электрлендірілген мұнаралар мен қорғаныс жүйелерінен қосылғандықтан, машинаның генераторлары қамтамасыз ететіннен жоғары болатынын айтты., қуатты электрониканы салқындату., энергия экспорты және бағытталған энергетикалық қару.
АҚШ армиясының есептеуінше, бұл қажеттіліктерді турбодизельдің қазіргі технологиясымен қанағаттандыру қозғалтқыштың көлемін 56% -ға және көлік құралының салмағын шамамен 1400 кг -ға арттырады. Сондықтан Advanced Advanced Combat Engine (ACE) озық электр станциясын әзірлеу кезінде негізгі міндет - жалпы қуаттылықты 3 а.к. / кубадан екі есе арттыру болды. фут - 6 ат күші / куб. аяқ.
Қуаттың жоғары тығыздығы мен отынның тиімділігі әскери қозғалтқыштардың келесі буыны үшін өте маңызды болғанымен, жылу шығынын азайту да маңызды. Бұл өндірілген жылу қоршаған ортаға таралады, бірақ оны электр энергиясын жылжыту немесе өндіру үшін қолдануға болады. Бірақ бұл үш параметрдің тамаша тепе -теңдігіне қол жеткізу әрқашан мүмкін емес, мысалы, қуаты 1500 а.к. болатын M1 Abrams резервуарының AGT 1500 газ турбиналы қозғалтқышы. жылу өткізгіштігі төмен және қуат тығыздығы жоғары, бірақ дизельді қозғалтқыштармен салыстырғанда отын шығыны өте жоғары.
Іс жүзінде газ турбиналы қозғалтқыштар үлкен мөлшерде жылу шығарады, бірақ оның көп бөлігі газ шығысының жоғары жылдамдығына байланысты шығатын құбыр арқылы шығарылады. Нәтижесінде газ турбиналарына дизельді қозғалтқыштар қажет салқындату жүйелері қажет емес. Дизельді қозғалтқыштардың жоғары меншікті қуатына тек термиялық реттеу мәселесін шешу арқылы қол жеткізуге болады. Брандл бұл негізінен құбырлар, сорғылар, желдеткіштер мен радиаторлар сияқты салқындату қондырғыларының шектеулі көлеміне байланысты екенін баса айтты. Сонымен қатар, оқ өткізбейтін торлар сияқты қорғаныс құрылымдары көлемді алады және ауа ағынын шектейді, бұл желдеткіштердің тиімділігін төмендетеді.
Поршеньдер қарай
Брэндл атап өткендей, ACE бағдарламасы төмен жылудың таралуына байланысты қарама-қарсы поршенді екі дизельді / көп отынды қозғалтқыштарға бағытталған. Мұндай қозғалтқыштарда әр цилиндрге екі поршень орналастырылады, олар бір -бірімен жану камерасын құрайды, нәтижесінде цилиндрдің басы алынып тасталады, бірақ бұл үшін цилиндр қабырғаларында екі иінді білік пен кіріс және шығыс порты қажет. Бокс қозғалтқыштары 1930 жылдардан бастау алады және ондаған жылдар бойы үздіксіз жетілдіріліп отырады. Бұл ескі идеяны Cummins -пен бірлесе отырып, бұл қозғалтқышты жандандырып, жаңартқан Achates Power компаниясы да аяған жоқ.
Achates Power өкілі олардың боксшы технологиясы жылу тиімділігін жоғарылатқанын айтты, бұл жылу шығынын төмендетуге, жануды жақсартуға және сорғы шығынын азайтуға әкеледі. Цилиндр басының жойылуы жану камерасындағы бетінің көлеміне қатынасын едәуір азайтты және осылайша қозғалтқыштағы жылуды беру мен босатуды қамтамасыз етті. Керісінше, дәстүрлі төрт тактілі қозғалтқышта цилиндрдің басы ең ыстық компоненттерден тұрады және салқындатқыш пен қоршаған атмосфераға жылу берудің негізгі көзі болып табылады.
Achates жану жүйесінде ауа / отын қоспасын оңтайландыру үшін диаметрі әр цилиндрде орналасқан қос поршенді инжекторлар мен поршеньдік пішін қолданылады, бұл күйенің төмен жануына және жану камерасының қабырғаларына жылу берудің төмендеуіне әкеледі. Қоспаның жаңа заряды цилиндрге енгізіледі, ал шығатын газдар порттар арқылы шығады, оған қозғалтқыш арқылы ауаны сорып алатын суперкүшейткіш көмектеседі. Achates бұл бір мезгілде ағып кетудің отын үнемдеуге және шығарындыларға тиімді әсер ететінін көрсетеді.
АҚШ армиясы ACE модульдік масштабталатын күштік қондырғылардың қозғалтқышы бірдей саңылауы мен соққысы бар және цилиндрлері әртүрлі: 600-750 а.к. (3 цилиндр); 300-1000 ат (4); және 1200-1500 а.к. (6). Әрбір электр станциясы көлемді алады - биіктігі 0,53 м және ені 1, 1 м, тиісінше ұзындығы 1,04 м, 1,25 м және 1,6 м.
Технологиялық мақсаттар
Ішкі армияның 2010 жылы жүргізген зерттеулері боксшы қозғалтқыштарының артықшылықтарын растады, нәтижесінде өнеркәсіптік кәсіпорындар осы саладағы жетістіктерін таныстырды. Тапсырма 71 ат күшіне жету болды. цилиндрге және жалпы қуаты 225 а.к. 2015 жылға қарай бронетехникалық зерттеу орталығында сыналған эксперименталды қозғалтқышта бұл екі сан да оңай асып түсті.
Сол жылдың ақпанында армия AVL Powertrain Engineering және Achates Power компанияларына екі жылдық бағдарлама бойынша ACE эксперименттік бір цилиндрлі қозғалтқыштар үшін келісімшарттар берді, оның шеңберінде келесі сипаттамаларға қол жеткізу мақсаты қойылды: қуаты 250 а.к. момент 678 Нм, отынның меншікті шығыны 0, 14 кг / л / сағ және жылу шығыны 0,45 кВт / кВт төмен. Жылу беруді қоспағанда, барлық көрсеткіштер асып түсті, мұнда 0,506 кВт / кВт төмен түсу мүмкін болмады.
2017 жылдың жазында Cummins and Achates компаниясы ACE көп цилиндрлі қозғалтқышпен (MCE) келісім бойынша 1000 ат күші бар төрт цилиндрлі қозғалтқышты көрсету бойынша жұмысты бастады. айналу моменті 2700 Нм және отынның нақты шығыны мен жылу берілуіне қойылатын талаптар. Алғашқы қозғалтқыш 2018 жылдың шілдесінде шығарылды және сол жылдың аяғында бастапқы сынақтар аяқталды. 2019 жылдың тамызында қозғалтқыш TARDEC дирекциясына монтаждау және сынау үшін жеткізілді.
Боксерлік қозғалтқыш пен гибридті электр жетегінің комбинациясы әскери және азаматтық мақсаттағы әр түрдегі және көлемдегі көліктердің тиімділігін арттырады. Осыны ескере отырып, Advanced Research and Development Authority Achates компаниясына болашақ гибридті автокөліктерге арналған жетілдірілген бір цилиндрлі боксерлік қозғалтқышты жасау үшін 2 миллион доллар берді; Бұл жобада компания Мичиган университетімен және Ниссанмен ынтымақтасады.
Поршенді басқару
Тұжырымдамаға сәйкес, бұл қозғалтқыш бірінші рет электр қосалқы жүйесі мен ішкі жану қозғалтқышын соншалықты тығыз біріктірді, екі иінді біліктің әрқайсысы айналады және оларды жеке қозғалтқыш-генераторлық қондырғымен басқаруға болады; біліктер арасында механикалық байланыс жоқ.
Achates қозғалтқыш тек дәйекті гибридті жүйелерге арналғанын растады, себебі ол шығаратын барлық қуат электрмен беріледі, ал генетиктер диапазонды кеңейту үшін аккумуляторлық батареяны зарядтайды. Біліктер арасындағы механикалық байланыс болмаса, момент берілмейді, бұл жүктемелердің төмендеуіне әкеледі. Нәтижесінде оларды жеңілдетуге, жалпы салмақ пен өлшемді, үйкеліс пен шуды азайтуға және шығындарды азайтуға болады.
Мүмкін, ең бастысы, ажыратылған иінді біліктер электрлік электрониканы қолдану арқылы әрбір поршенді тәуелсіз басқаруға мүмкіндік береді. «Бұл біздің жобаның маңызды бөлігі, электр қозғалтқыштары мен басқару элементтерінің дамуы ішкі жану қозғалтқышының тиімділігін қалай жақсартатынын анықтау маңызды». Achates өкілі бұл конфигурация иінді біліктің уақытын басқаруға мүмкіндік беретінін растады, бұл жаңа мүмкіндіктерге жол ашады. «Біз поршеньді басқару тиімділігін арттыруға тырысамыз, бұл дәстүрлі механикалық байланыста жоқ».
Бұл кезде поршенді басқаруды қалай тәуелсіз қолдану керектігі туралы ақпарат аз, бірақ теория бойынша инсультті қысу соққысынан үлкен етіп жасауға болады, осылайша ауа / отын зарядынан көбірек энергия алуға болады. қоспасы Ұқсас схема гибридті автомобильдерге орнатылған төрт сатылы Аткинсон қозғалтқыштарында енгізілген. Мысалы, Toyota Prius -та ауыспалы клапанның уақытылы арқылы қол жеткізіледі.
Ұзақ уақыт бойы ішкі жану қозғалтқыштары сияқты жетілген технологиялардың үлкен жетілдірулеріне қол жеткізу оңай емес екені анық болды, бірақ алдыңғы қатарлы боксерлік қозғалтқыштар әскери көліктерге, әсіресе электр қозғалтқыш жүйелерімен үйлескенде, нақты артықшылықтар береді. …
