Năng lượng cần thiết để đẩy các phương tiện mặt đất và vận hành các hệ thống và cụm lắp ráp của chúng theo truyền thống được cung cấp bởi động cơ diesel. Giảm tiêu thụ nhiên liệu không chỉ làm tăng tầm bay mà còn giảm lượng hậu cần, được xác định bằng việc duy trì dự trữ nhiên liệu, và tăng khả năng bảo vệ của nhân viên phục vụ phía sau trong quá trình bảo dưỡng thiết bị.
Về vấn đề này, các lực lượng vũ trang đang nỗ lực tìm ra giải pháp trong đó hiệu suất cao và nhiệt lượng riêng cao của quá trình đốt cháy nhiên liệu diesel vốn có trong các hệ thống truyền động điện sẽ hoạt động trong một "nhóm". Các giải pháp hybrid mới và động cơ đốt tiên tiến có khả năng mang lại những lợi ích thiết thực lớn cùng với hệ thống truyền động điện đơn êm ái, giám sát yên tĩnh (cảm biến hoạt động bằng pin khi đứng yên) và sản xuất điện cho người tiêu dùng bên ngoài.
Tiềm năng tàu điện
Ví dụ, Research Canada (DRDC) đang nghiên cứu tính khả thi của hệ thống truyền động hybrid diesel-điện. FDA 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 lớp DAGOR và các ATV nhỏ một và nhiều chỗ ngồi.
Báo cáo Tính khả thi của Hệ truyền động Diesel-Điện hybrid dành cho Xe chiến thuật hạng nhẹ lưu ý rằng ở hầu hết các chế độ lái mà tốc độ và tải trọng thay đổi đáng kể (thường là địa hình), xe hybrid có hiệu suất nhiên liệu tốt hơn 15% -20% về mặt tiết kiệm nhiên liệu. So với máy truyền động bằng cơ khí truyền thống, đặc biệt là khi sử dụng phanh tái sinh. Ngoài ra, động cơ đốt trong, bao gồm cả động cơ diesel, hoạt động tốt nhất khi vận hành ở vòng tua máy không đổi được lựa chọn cẩn thận, đặc trưng của hệ thống hybrid tuần tự trong đó động cơ chỉ hoạt động như một máy phát điện.
Như báo cáo lưu ý, vì công suất động cơ có thể được bổ sung bằng pin trong thời gian ngắn tiêu thụ công suất cao nhất, động cơ có thể được điều chỉnh để chỉ cung cấp công suất trung bình cần thiết, với các loại động cơ nhỏ hơn thường sử dụng ít nhiên liệu hơn, tất cả những thứ khác đều bằng nhau.
Với dung lượng pin vừa đủ, hybrid cũng có thể duy trì ở chế độ giám sát im lặng trong thời gian dài khi động cơ tắt và các cảm biến, điện tử và hệ thống liên lạc đang hoạt động. Ngoài ra, hệ thống có thể cung cấp năng lượng cho thiết bị bên ngoài, sạc pin, và thậm chí cung cấp năng lượng cho trại quân sự, giảm nhu cầu sử dụng máy phát điện.
Trong khi ổ đĩa hybrid mang lại hiệu suất vượt trội về tốc độ, khả năng tăng tốc và khả năng chuyển màu, bộ pin có thể nặng và khó sử dụng, dẫn đến giảm tải trọng, DRDC cho biết. Đây có thể là một vấn đề đối với các loại xe siêu nhẹ và ATV một chỗ ngồi. Ngoài ra, ở nhiệt độ thấp, đặc tính của pin tự giảm đi, chúng thường gặp vấn đề về sạc và kiểm soát nhiệt độ.
Mặc dù hybrid tuần tự loại bỏ khả năng truyền động cơ học, nhưng nhu cầu về động cơ, máy phát điện, thiết bị điện tử và pin chắc chắn khiến việc mua và bảo trì cuối cùng trở nên khó khăn và tốn kém.
Hầu hết các chất điện phân trong pin cũng có thể gây ra rủi ro khi bị hỏng, ví dụ, các tế bào lithium-ion được biết là bắt lửa khi bị hỏng. Báo cáo chỉ ra rằng liệu điều này có gây ra rủi ro lớn hơn so với việc cung cấp nhiên liệu diesel hay không, báo cáo chỉ ra rằng, nhưng xe hybrid có 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 nói ở trên, nền lai nối tiếp là một máy điện có một máy phát, song song đó là một động cơ và một động cơ kéo, thông qua một bộ truyền cơ được nối với chúng sẽ truyền lực đến các bánh xe. Điều này có nghĩa là động cơ hoặc động cơ kéo có thể dẫn động máy riêng lẻ hoặc chúng có thể hoạt động cùng nhau.
Trong cả hai loại hybrid, thành phần điện thường là một tổ máy phát động cơ (MGU), có thể chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động và ngược lại. Nó có thể lái ô tô, sạc pin, khởi động động cơ và nếu cần thiết, tiết kiệm năng lượng thông qua phanh tái tạo.
Cả hai dòng lai và hybrid song song đều dựa vào điện tử công suất để quản lý nguồn pin và điều chỉnh nhiệt độ của pin. Chúng cũng cung cấp điện áp và cường độ dòng điện mà máy phát điện phải lần lượt cung cấp cho pin và pin cho động cơ điện.
Thiết bị điện tử công suất này có dạng bộ nghịch lưu bán dẫn dựa trên chất bán dẫn cacbua silicon, theo quy luật, những nhược điểm của chúng bao gồm kích thước và chi phí lớn, cũng như tổn thất nhiệt. Điện tử công suất cũng yêu cầu điện tử điều khiển tương tự như điện tử cung cấp năng lượng cho động cơ đốt trong.
Cho đến nay, lịch sử của các phương tiện quân sự chạy bằng điện bao gồm các chương trình phát triển thử nghiệm và đầy tham vọng cuối cùng đã bị khép lại. Trong thực tế hoạt động, vẫn chưa có phương tiện quân sự hybrid nào, đặc biệt là trong lĩnh vực xe 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 giải quyết phần lớn cho các phương tiện dân dụng vì chúng hoạt động trong điều kiện thuận lợi hơn nhiều.
Xe điện đã cho thấy mình rất nhanh. Ví dụ, chiếc xe bốn chỗ Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) chạy bằng pin thử nghiệm của Nikola Motor có thể tăng tốc từ 0 đến 97 km / h trong 4 giây và có phạm vi hoạt động 241 km.
Báo cáo của DRDC cho biết: “Bố cục là một trong những thách thức lớn. Kích thước, trọng lượng và khả năng tản nhiệt của các bộ pin khá lớn, và cần phải có sự thỏa hiệp giữa tổng dung lượng năng lượng và công suất tức thời mà chúng có thể cung cấp cho một khối lượng và thể tích nhất định. Phân bổ khối lượng cho cáp cao áp, độ tin cậy và an toàn của chúng cũng là điểm nghẽn cùng với kích thước, trọng lượng, khả năng làm mát, độ tin cậy và chống thấm của thiết bị điện tử công suất.
Nhiệt và bụi
Báo cáo cho biết sự thay đổi nhiệt độ mà các phương tiện quân sự phải đối mặt có lẽ là vấn đề lớn nhất, vì pin lithium-ion sẽ không sạc ở nhiệt độ dưới 0 và hệ thống sưởi ấm thêm phức tạp và cần năng lượng. Pin quá nóng trong quá trình phóng điện tiềm ẩn nhiều nguy cơ, phải làm mát hoặc giảm xuống chế độ giảm, đồng thời động cơ và máy phát điện cũng có thể quá nhiệt, cuối cùng đừng quên nam châm vĩnh cửu dễ bị khử từ.
Tương tự như vậy, ở nhiệt độ trên khoảng 65 ° C, hiệu suất của các thiết bị như bộ biến tần IGBT giảm và do đó cần được làm mát, mặc dù các thiết bị điện tử công suất mới hơn dựa trên chất bán dẫn silicon cacbua hoặc gali nitride, ngoài việc hoạt động ở điện áp tăng, còn chịu được nhiệt độ cao hơn và, do đó, có thể được làm mát từ hệ thống làm mát động cơ.
Ngoài ra, chấn động và rung chấn từ địa hình gồ ghề, cộng với thiệt hại tiềm tàng có thể gây ra do pháo kích và vụ nổ, cũng khiến việc tích hợp công nghệ truyền động điện vào các phương tiện quân sự hạng nhẹ trở nên khó khăn.
Báo cáo kết luận rằng DRDC nên đặt hàng một trình diễn công nghệ. Đây là một chiếc xe chiến thuật lai tuần tự hạng nhẹ tương đối đơn giản với động cơ điện được lắp đặt trong trục bánh xe hoặc trong trục, động cơ diesel được điều chỉnh đến công suất cực đại phù hợp và một bộ siêu tụ điện hoặc siêu tụ điện được lắp đặt để cải thiện khả năng tăng tốc và chuyển màu. Siêu tụ điện hoặc siêu tụ điện lưu trữ một điện tích rất lớn trong một khoảng thời gian ngắn và có thể giải phóng nó rất nhanh để tạo ra xung năng lượng. Chiếc xe sẽ không hoạt động, hoặc một bộ pin rất nhỏ sẽ được lắp đặt, điện sẽ được tạo ra trong quá trình phanh tái tạo, do đó, các chế độ chuyển động im lặng và quan sát im lặng bị loại trừ.
Chỉ riêng dây cáp điện chạy tới các bánh xe, thay thế cho bộ truyền động cơ học và trục truyền động, sẽ giảm đáng kể trọng lượng của máy và cải thiện khả năng chống cháy nổ, vì loại bỏ sự tán xạ của các mảnh vụn và mảnh thứ cấp. Nếu không có pin, khối lượng bên trong cho phi hành đoàn và trọng tải sẽ tăng lên và trở nên 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, các mục tiêu sau được đặt ra khi tạo mẫu thử nghiệm: tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn của một động cơ diesel tương đối nhỏ hoạt động ở vòng tua máy không đổi, kết hợp với khả năng thu hồi năng lượng, tăng sản lượng điện cho các cảm biến vận hành hoặc xuất khẩu năng lượng, tăng độ tin cậy và cải thiện dịch vụ.
Các vết sưng tấy không quan tâm
Như Bruce Brandl của Trung tâm Nghiên cứu Thiết giáp (TARDEC) giải thích tại một buổi thuyết trình về phát triển động cơ, Quân đội Mỹ muốn có một hệ thống động cơ cho phép các phương tiện chiến đấu của họ di chuyển qua các địa hình khó khăn hơn với tốc độ cao hơn, điều này sẽ giảm đáng kể tỷ lệ địa hình. trong vùng chiến sự. mà xe ô tô hiện tại không thể di chuyển. Cái gọi là địa hình không thể vượt qua chiếm khoảng 22% các khu vực này và quân đội muốn giảm con số này xuống còn 6%. Họ cũng muốn tăng tốc độ trung bình trong hầu hết khu vực từ 16 km / h ngày nay lên 24 km / h.
Ngoài ra, Brandl nhấn mạnh rằng nhu cầu năng lượng trên tàu được lên kế hoạch tăng lên ít nhất 250 kW, tức là cao hơn những gì mà máy phát điện của máy có thể cung cấp, khi các phụ tải được bổ sung từ các công nghệ mới, ví dụ, 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.
Lục quân Mỹ ước tính rằng việc đáp ứng những nhu cầu này với công nghệ turbodiesel hiện nay sẽ làm tăng khối lượng của động cơ lên 56% và trọng lượng của xe tăng thêm khoảng 1400 kg. Do đó, khi phát triển nhà máy điện tiên tiến Advanced Combat Engine (ACE), nhiệm vụ chính đã được đặt ra - tăng gấp đôi tổng mật độ công suất từ 3 hp / cu. ft đến 6 hp / cu. Bàn Chân.
Trong khi mật độ công suất cao hơn và hiệu quả sử dụng nhiên liệu tốt hơn là rất quan trọng đối với thế hệ động cơ quân sự tiếp theo, thì việc giảm lượng nhiệt tỏa ra cũng quan trọng không kém. Nhiệt tạo ra này là năng lượng lãng phí bị tiêu tán ra không gian xung quanh, mặc dù nó có thể được sử dụng để đẩy hoặc tạo ra năng lượng điện. Nhưng còn lâu mới có thể đạt được sự cân bằng hoàn hảo của cả ba thông số này, ví dụ như động cơ tuốc bin khí AGT 1500 của xe tăng M1 Abrams có công suất 1500 mã lực. có khả năng truyền nhiệt thấp và mật độ công suất cao, nhưng tiêu hao nhiên liệu rất cao so với động cơ diesel.
Trên thực tế, động cơ tuabin khí tạo ra một lượng nhiệt lớn, nhưng phần lớn được thoát ra ngoài qua ống xả, do tốc độ dòng khí cao. Kết quả là, tuabin khí không cần hệ thống làm mát mà động cơ diesel cần. Chỉ có thể đạt được công suất riêng cao của động cơ diesel bằng cách giải quyết vấn đề kiểm soát nhiệt. Brandl nhấn mạnh rằng điều này chủ yếu là do khối lượng hạn chế dành cho các thiết bị làm mát như đường ống, máy bơm, quạt và bộ tản nhiệt. Ngoài ra, các cấu trúc bảo vệ như lưới chống đạn cũng chiếm thể tích và hạn chế luồng gió, làm giảm hiệu suất của quạt.
Pít tông hướng tới
Như Brandl đã lưu ý, chương trình ACE tập trung vào động cơ diesel / đa nhiên liệu hai thì với các piston đối nghịch do khả năng tản nhiệt thấp vốn có của chúng. Trong các động cơ như vậy, hai pít-tông được đặt trong mỗi xi-lanh, tạo thành một buồng đốt giữa chúng, do đó, đầu xi-lanh bị loại trừ, nhưng điều này cần có hai trục khuỷu và các cổng nạp và xả trong thành xi-lanh. Động cơ Boxer có từ những năm 1930 và liên tục được cải tiến trong nhiều thập kỷ. Ý tưởng cũ kỹ này không bị bỏ qua bởi công ty Achates Power, công ty hợp tác với Cummins, đã hồi sinh và hiện đại hóa động cơ này.
Người phát ngôn của Achates Power cho biết công nghệ boxer của họ đã cải thiện hiệu suất nhiệt, giúp giảm tổn thất nhiệt, cải thiện quá trình đốt cháy và giảm tổn thất bơm. Việc loại bỏ đầu xi lanh làm giảm đáng kể tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích trong buồng đốt và do đó truyền và giải phóng nhiệt trong động cơ. Ngược lại, trong động cơ bốn kỳ truyền thống, đầu xi lanh chứa nhiều thành phần nóng nhất và là nguồn truyền nhiệt chính cho chất làm mát và bầu không khí xung quanh.
Hệ thống đốt cháy Achates sử dụng kim phun nhiên liệu đôi được định vị theo đường kính trong mỗi xi-lanh và hình dạng piston đã được cấp bằng sáng chế để tối ưu hóa hỗn hợp không khí / nhiên liệu, dẫn đến quá trình đốt cháy ít muội than và giảm truyền nhiệt đến thành buồng đốt. Một lượng mới của hỗn hợp được bơm vào xi lanh, và khí thải thoát ra qua các cổng, được hỗ trợ bởi một bộ siêu nạp có chức năng bơm không khí qua động cơ. Achates chỉ ra rằng việc xả đáy đồng dòng điện này có tác động có lợi đối với việc tiết kiệm nhiên liệu và lượng khí thải.
Quân đội Hoa Kỳ muốn dòng hệ thống truyền động có thể mở rộng mô-đun ACE bao gồm các động cơ có cùng đường kính và hành trình và số lượng xi-lanh khác nhau: 600-750 mã lực. (3 xi lanh); 300-1000 HP (4); và 1200-1500 hp. (6). Mỗi nhà máy điện sẽ chiếm một thể tích - chiều cao 0,53 m và chiều rộng 1, 1 m và theo đó, chiều dài 1,04 m, 1,25 m và 1,6 m.
Mục tiêu công nghệ
Một nghiên cứu nội bộ của Quân đội được thực hiện vào năm 2010 đã xác nhận những lợi ích của động cơ boxer, dẫn đến dự án Động cơ Chiến đấu Thế hệ Tiếp theo (NGCE), trong đó các doanh nghiệp công nghiệp trình bày sự phát triển của họ trong lĩnh vực này. Nhiệm vụ là đạt 71 mã lực. mỗi xi-lanh và tổng công suất là 225 mã lực. Đến năm 2015, cả hai con số này đều dễ dàng bị vượt quá trên một động cơ thử nghiệm được thử nghiệm tại Trung tâm Nghiên cứu Thiết giáp.
Vào tháng 2 cùng năm, quân đội đã ký hợp đồng với AVL Powertrain Engineering và Achates Power để thử nghiệm động cơ xi-lanh đơn ACE trong một chương trình kéo dài hai năm, trong khuôn khổ mục tiêu là đạt được các đặc điểm sau: công suất 250 mã lực, mô-men xoắn 678 Nm, mức tiêu thụ nhiên liệu riêng 0,14 kg / hp / h và nhiệt lượng tỏa ra nhỏ hơn 0,45 kW / kW. Tất cả các chỉ số đều vượt quá, ngoại trừ truyền nhiệt, ở đây không thể giảm xuống dưới 0,506 kW / kW.
Vào mùa hè năm 2017, Cummins và Achates bắt đầu làm việc theo hợp đồng ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) để trình diễn động cơ bốn xi-lanh 1.000 mã lực. mô-men xoắn 2700 Nm và các yêu cầu tương tự đối với mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể và truyền nhiệt. Động cơ đầu tiên được sản xuất vào tháng 7 năm 2018 và các thử nghiệm vận hành ban đầu đã được hoàn thành vào cuối năm đó. Vào tháng 8 năm 2019, động cơ đã được giao cho Tổng cục TARDEC để lắp đặt và thử nghiệm.
Sự kết hợp giữa động cơ boxer và hệ dẫn động điện hybrid sẽ nâng cao hiệu quả của các loại xe thuộc nhiều loại và kích cỡ khác nhau, cả quân sự và dân sự. Với suy nghĩ này, Cơ quan Nghiên cứu và Phát triển Nâng cao đã cấp 2 triệu USD cho Achates để phát triển động cơ boxer xi-lanh đơn tiên tiến cho các loại xe hybrid trong tương lai; trong dự án này, công ty hợp tác với Đại học Michigan và Nissan.
Kiểm soát piston
Theo đúng khái niệm, động cơ này lần đầu tiên tích hợp chặt chẽ giữa hệ thống điện phụ và động cơ đốt trong, mỗi trục khuỷu quay và có thể được điều khiển bởi bộ máy phát động cơ riêng của nó; không có kết nối cơ học giữa các trục.
Achates xác nhận rằng động cơ này chỉ được thiết kế cho các hệ thống hybrid tuần tự, vì tất cả năng lượng nó tạo ra đều được truyền bằng điện và các bộ phát điện sẽ sạc bộ pin để mở rộng phạm vi hoạt động. Nếu không có kết nối cơ học giữa các trục, mômen không được truyền dẫn đến giảm tải. Do đó, chúng có thể được làm nhẹ hơn, giảm trọng lượng và kích thước tổng thể, ma sát và tiếng ồn, đồng thời giảm chi phí.
Có lẽ quan trọng nhất, các trục khuỷu được tách rời cho phép điều khiển độc lập từng piston thông qua việc sử dụng điện tử công suất. "Đây là một phần quan trọng trong dự án của chúng tôi, điều quan trọng là phải xác định cách thức phát triển của động cơ điện và điều khiển có thể cải thiện hiệu suất của động cơ đốt trong." Người phát ngôn của Achates xác nhận rằng cấu hình này cho phép điều khiển thời gian trục khuỷu, mở ra nhiều khả năng mới. "Chúng tôi cố gắng cải thiện hiệu quả của việc điều khiển piston, điều không có được với giao tiếp cơ học truyền thống."
Tại thời điểm này, có rất ít thông tin về cách điều khiển piston độc lập có thể được sử dụng, nhưng về lý thuyết, có thể làm cho hành trình lớn hơn hành trình nén, và do đó trích xuất nhiều năng lượng hơn từ việc nạp không khí / nhiên liệu. hỗn hợp. Một chương trình tương tự được thực hiện trong động cơ Atkinson bốn kỳ lắp trên ô tô hybrid. Ví dụ, trong Toyota Prius, điều này đạt được thông qua điều chỉnh van biến thiên.
Trong một thời gian dài, rõ ràng là không dễ đạt được những cải tiến lớn trong các công nghệ trưởng thành, chẳng hạn như động cơ đốt trong, nhưng động cơ boxer tiên tiến có thể là thứ sẽ mang lại lợi thế thực sự cho các phương tiện quân sự, đặc biệt là khi kết hợp với hệ thống động cơ điện. …
