L'energia necessaria per azionare i veicoli terrestri e per far funzionare i loro sistemi e gruppi è tradizionalmente fornita dai motori diesel. La riduzione del consumo di carburante non solo aumenta l'autonomia, ma riduce anche la quantità di logistica, che è determinata dal mantenimento delle riserve di carburante, e aumenta la protezione del personale di servizio posteriore nel processo di manutenzione delle attrezzature.
A questo proposito, le forze armate stanno cercando di trovare una soluzione in cui l'alta efficienza e l'alto calore specifico della combustione del gasolio inerente ai sistemi con azionamento elettrico funzionino in una "squadra". Le nuove soluzioni ibride e i motori a combustione avanzati hanno il potenziale per offrire grandi vantaggi pratici insieme alla silenziosa guida monoelettrica, al monitoraggio silenzioso (sensori a batteria quando sono fermi) e alla generazione di energia per i consumatori esterni.
Potenziale dell'apparato propulsore
Research Canada (DRDC), ad esempio, sta studiando la fattibilità di propulsori ibridi diesel-elettrici. La FDA ha pubblicato la sua ricerca nel 2018, concentrandosi su piattaforme tattiche leggere come l'HMMWV, veicoli da combattimento ultraleggeri di classe DAGOR e piccoli ATV monoposto e multiposto.
Il rapporto Fattibilità dei propulsori ibridi diesel-elettrici per veicoli tattici leggeri rileva che nella maggior parte delle modalità di guida in cui velocità e carichi variano in modo significativo (tipicamente fuoristrada), gli ibridi hanno un'efficienza del carburante migliore del 15% -20% in termini di risparmio di carburante. macchine tradizionali ad azionamento meccanico, soprattutto quando si utilizza la frenata rigenerativa. Inoltre, i motori a combustione interna, compresi i motori diesel, danno le migliori prestazioni se utilizzati a un numero di giri costante accuratamente selezionato, tipico dei sistemi ibridi sequenziali in cui il motore funziona solo come generatore.
Come osserva il rapporto, poiché la potenza del motore può essere integrata da batterie durante brevi periodi di consumo di potenza di picco, il motore può essere sintonizzato per fornire solo la potenza media richiesta, con i propulsori più piccoli che generalmente utilizzano meno carburante, a parità di altre condizioni.
Con una capacità della batteria sufficiente, gli ibridi possono anche rimanere a lungo in modalità di monitoraggio silenzioso con il motore spento e sensori, elettronica e sistemi di comunicazione funzionanti. Inoltre, il sistema può alimentare apparecchiature esterne, caricare batterie e persino alimentare un campo militare, riducendo la necessità di generatori trainati.
Mentre le unità ibride offrono prestazioni superiori in termini di velocità, accelerazione e pendenza superabile, il pacco batteria può essere pesante e ingombrante, con conseguente riduzione del carico utile, ha affermato DRDC. Questo può essere un problema per i veicoli ultraleggeri e gli ATV monoposto. Inoltre, a basse temperature, le caratteristiche delle batterie stesse si riducono, spesso hanno problemi di carica e controllo della temperatura.
Sebbene gli ibridi sequenziali eliminino la trasmissione meccanica, la necessità di un motore, generatore, elettronica di potenza e batteria li rende inevitabilmente difficili e costosi da acquistare e mantenere.
La maggior parte degli elettroliti delle batterie può anche comportare rischi se danneggiati, ad esempio, è noto che le celle agli ioni di litio si accendono quando vengono danneggiate. Se ciò rappresenti un rischio maggiore rispetto alla fornitura di carburante diesel è forse un punto controverso, sottolinea il rapporto, ma gli ibridi comportano entrambi i rischi.
Selezione della combinazione
I due schemi principali per combinare i motori a combustione interna con dispositivi elettrici sono seriali e paralleli. Come accennato in precedenza, la piattaforma ibrida seriale è una macchina elettrica con un generatore, mentre in parallelo sono presenti un motore e un motore di trazione, che, tramite una trasmissione meccanica ad essi collegata, trasmettono potenza alle ruote. Ciò significa che il motore o il motore di trazione possono azionare la macchina individualmente oppure possono lavorare insieme.
In entrambi i tipi di ibridi, il componente elettrico è tipicamente un gruppo motogeneratore (MGU), che può convertire l'energia elettrica in movimento e viceversa. Può guidare un'auto, caricare una batteria, avviare un motore e, se necessario, risparmiare energia attraverso la frenata rigenerativa.
Sia gli ibridi serie che quelli paralleli si affidano all'elettronica di potenza per gestire la carica della batteria e regolare la temperatura della batteria. Forniscono anche la tensione e l'amperaggio che il generatore deve fornire alle batterie e le batterie a loro volta ai motori elettrici.
Questa elettronica di potenza si presenta sotto forma di inverter a semiconduttore basati su semiconduttori in carburo di silicio, i cui svantaggi, di regola, includono grandi dimensioni e costi, nonché la perdita di calore. L'elettronica di potenza richiede anche un'elettronica di controllo simile a quella che alimenta un motore a combustione interna.
Fino ad ora, la storia dei veicoli militari ad alimentazione elettrica è stata costituita da programmi di sviluppo sperimentali e ambiziosi che alla fine sono stati chiusi. Nel funzionamento reale, non esistono ancora veicoli militari ibridi, in particolare, nel campo dei veicoli tattici leggeri, rimangono diversi problemi tecnologici irrisolti. Questi problemi possono essere considerati largamente risolti per i veicoli civili in quanto operano in condizioni molto più favorevoli.
Le auto elettriche si sono dimostrate molto veloci. Ad esempio, la quattro posti sperimentale Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) alimentata a batteria di Nikola Motor può accelerare da 0 a 97 km/h in 4 secondi e ha un'autonomia di 241 km.
"Il layout, tuttavia, è una di quelle grandi sfide", afferma il rapporto DRDC. Le dimensioni, il peso e la dissipazione del calore dei pacchi batteria sono piuttosto grandi e deve essere fatto un compromesso tra la capacità energetica totale e la potenza istantanea che possono fornire per una data massa e volume. L'allocazione del volume per i cavi ad alta tensione, la loro affidabilità e sicurezza sono anche colli di bottiglia insieme a dimensioni, peso, raffreddamento, affidabilità e impermeabilità dell'elettronica di potenza.
Calore e polvere
Il rapporto afferma che gli sbalzi di temperatura affrontati dai veicoli militari sono forse il problema più grande, poiché le batterie agli ioni di litio non si caricano a temperature sotto lo zero e i sistemi di riscaldamento aggiungono complessità e richiedono energia. Le batterie che si surriscaldano durante la scarica sono potenzialmente pericolose, devono essere raffreddate o ridotte in modo ridotto, mentre anche motori e generatori possono surriscaldarsi, infine, non dimenticare i magneti permanenti, che sono soggetti a smagnetizzazione.
Allo stesso modo, a temperature superiori a circa 65 °C, l'efficienza di dispositivi come gli inverter IGBT diminuisce e quindi necessita di raffreddamento, sebbene la nuova elettronica di potenza basata su semiconduttori in carburo di silicio o nitruro di gallio, oltre a funzionare a tensione maggiore, resista a temperature più elevate e, quindi, può essere raffreddato dal sistema di raffreddamento del motore.
Inoltre, gli urti e le vibrazioni del terreno accidentato, oltre ai potenziali danni che potrebbero essere causati da bombardamenti ed esplosioni, rendono anche difficile l'integrazione della tecnologia di azionamento elettrico nei veicoli militari leggeri, osserva il rapporto.
Il rapporto conclude che il DRDC dovrebbe ordinare un dimostratore tecnologico. È un veicolo tattico ibrido sequenziale relativamente semplice e leggero con motori elettrici installati nei mozzi delle ruote o negli assi, il motore diesel è sintonizzato sulla potenza di picco appropriata e un set di super o ultracondensatori è installato per migliorare l'accelerazione e la pendenza superabile. I supercondensatori o ultracondensatori immagazzinano una carica molto grande per un breve periodo di tempo e possono rilasciarla molto rapidamente per generare impulsi di potenza. L'auto non lo sarà affatto o verrà installata una batteria molto piccola, l'elettricità verrà generata durante il processo di frenata rigenerativa, di conseguenza, le modalità di movimento silenzioso e osservazione silenziosa sono escluse.
I cavi di alimentazione che corrono solo alle ruote, sostituendo la trasmissione meccanica e gli alberi di trasmissione, ridurranno significativamente il peso della macchina e miglioreranno la protezione contro le esplosioni, poiché viene eliminata la dispersione di detriti e frammenti secondari. Senza una batteria, il volume interno per l'equipaggio e il carico utile aumenterà e diventerà più sicuro e verranno eliminati i problemi associati alla manutenzione e alla gestione termica delle batterie agli ioni di litio.
Inoltre, durante la creazione di un prototipo vengono fissati i seguenti obiettivi: minor consumo di carburante di un motore diesel relativamente piccolo funzionante a regime costante, combinato con il recupero di energia, maggiore generazione di energia per i sensori operativi o esportazione di energia, maggiore affidabilità e servizio migliorato.
I dossi non si preoccupano
Come ha spiegato Bruce Brandl dell'Armored Research Center (TARDEC) durante una presentazione sullo sviluppo del motore, l'esercito degli Stati Uniti vuole un sistema di propulsione che consenta ai suoi veicoli da combattimento di muoversi su terreni più difficili a velocità più elevate, il che ridurrà significativamente la percentuale di terreno nelle zone di guerra su cui le auto attuali non possono circolare. Il cosiddetto terreno impraticabile costituisce circa il 22% di queste zone e l'esercito vuole ridurre questa cifra al 6%. Vogliono anche aumentare la velocità media nella maggior parte dell'area dagli odierni 16 km/h a 24 km/h.
Inoltre, Brandl ha sottolineato che la richiesta di energia a bordo è prevista per essere aumentata ad almeno 250 kW, cioè superiore a quella che i generatori della macchina possono fornire, poiché vengono aggiunti carichi da nuove tecnologie, ad esempio torri elettrificate e sistemi di protezione, raffreddamento dell'elettronica di potenza., esportazione di energia e armi a energia diretta.
L'esercito americano stima che soddisfare queste esigenze con l'attuale tecnologia turbodiesel aumenterà il volume del motore del 56% e il peso del veicolo di circa 1400 kg. Pertanto, durante lo sviluppo della sua avanzata centrale elettrica Advanced Combat Engine (ACE), è stato impostato il compito principale: raddoppiare la densità di potenza totale da 3 CV / cu. piedi a 6 cv / cu. piede.
Mentre una maggiore densità di potenza e una migliore efficienza del carburante sono molto importanti per la prossima generazione di motori militari, è altrettanto importante ridurre la produzione di calore. Questo calore generato è energia sprecata dissipata nello spazio circostante, sebbene possa essere utilizzata per azionare o generare energia elettrica. Ma è tutt'altro che sempre possibile ottenere un perfetto equilibrio di tutti questi tre parametri, ad esempio il motore a turbina a gas AGT 1500 del serbatoio M1 Abrams con una capacità di 1500 CV. ha un basso trasferimento di calore e un'elevata densità di potenza, ma un consumo di carburante molto elevato rispetto ai motori diesel.
I motori a turbina a gas, infatti, generano una grande quantità di calore, ma la maggior parte di esso viene asportato attraverso il tubo di scarico, a causa dell'elevata portata del gas. Di conseguenza, le turbine a gas non necessitano dei sistemi di raffreddamento di cui hanno bisogno i motori diesel. Un'elevata potenza specifica dei motori diesel può essere raggiunta solo risolvendo il problema del controllo termico. Brandl ha sottolineato che ciò è dovuto principalmente al volume limitato disponibile per le apparecchiature di raffreddamento come tubazioni, pompe, ventilatori e radiatori. Inoltre, anche le strutture protettive come le griglie antiproiettile occupano volume e limitano il flusso d'aria, riducendo l'efficienza delle ventole.
pistoni verso
Come notato da Brandl, il programma ACE si concentra sui motori diesel/multicombustibile a due tempi con pistoni contrapposti a causa della loro intrinseca bassa dissipazione del calore. In tali motori, in ciascun cilindro sono posizionati due pistoni, che formano una camera di combustione tra loro, di conseguenza la testata è esclusa, ma ciò richiede due alberi a gomiti e porte di aspirazione e scarico nelle pareti del cilindro. I motori Boxer risalgono agli anni '30 e sono stati continuamente migliorati nel corso dei decenni. Questa vecchia idea non è stata risparmiata dalla società Achates Power, che, in collaborazione con Cummins, ha rianimato e modernizzato questo motore.
Un portavoce di Achates Power ha affermato che la loro tecnologia boxer ha migliorato l'efficienza termica, che si traduce in minori perdite di calore, migliore combustione e ridotte perdite di pompaggio. L'eliminazione della testata ha ridotto significativamente il rapporto tra superficie e volume nella camera di combustione e quindi il trasferimento e il rilascio di calore nel motore. Al contrario, in un tradizionale motore a quattro tempi, la testata contiene molti dei componenti più caldi ed è la principale fonte di trasferimento di calore al liquido di raffreddamento e all'atmosfera circostante.
Il sistema di combustione Achates utilizza due iniettori di carburante posizionati diametralmente in ciascun cilindro e una forma brevettata del pistone per ottimizzare la miscela aria/carburante, con conseguente bassa combustione di fuliggine e ridotto trasferimento di calore alle pareti della camera di combustione. Una nuova carica della miscela viene iniettata nel cilindro e i gas di scarico escono dalle luci, aiutati da un compressore che pompa aria attraverso il motore. Achates sottolinea che questo spurgo co-corrente ha un effetto benefico sul risparmio di carburante e sulle emissioni.
L'esercito degli Stati Uniti vuole che la famiglia ACE di propulsori modulari e scalabili includa motori con lo stesso alesaggio e corsa e diversi conteggi dei cilindri: 600-750 CV. (3 cilindri); 300-1000 HP (4); e 1200-1500 CV. (6). Ogni centrale occuperà un volume: un'altezza di 0,53 me una larghezza di 1, 1 me, di conseguenza, una lunghezza di 1,04 m, 1,25 me 1,6 m.
Obiettivi tecnologici
Uno studio interno dell'esercito condotto nel 2010 ha confermato i vantaggi dei motori boxer, dando vita al progetto Next-Generation Combat Engine (NGCE), in cui le imprese industriali hanno presentato i loro sviluppi in questo settore. Il compito era raggiungere i 71 CV. per cilindro e una potenza totale di 225 CV. Entro il 2015, entrambi questi numeri sono stati facilmente superati su un motore sperimentale testato presso l'Armored Research Center.
Nel febbraio dello stesso anno, l'esercito ha assegnato contratti ad AVL Powertrain Engineering e Achates Power per motori monocilindrici ACE sperimentali nell'ambito di un programma biennale, nell'ambito del quale l'obiettivo era quello di raggiungere le seguenti caratteristiche: potenza 250 CV, coppia 678 Nm, consumo specifico 0, 14 kg/cv/he dissipazione termica inferiore a 0,45 kW/kW. Tutti gli indicatori sono stati superati, ad eccezione del trasferimento di calore, qui non è stato possibile scendere al di sotto di 0,506 kW/kW.
Nell'estate del 2017, Cummins e Achates hanno iniziato a lavorare nell'ambito di un contratto ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) per dimostrare un motore a quattro cilindri da 1.000 CV. coppia di 2700 Nm e gli stessi requisiti per il consumo specifico di carburante e il trasferimento di calore. Il primo motore è stato prodotto a luglio 2018 e i primi test operativi sono stati completati entro la fine dello stesso anno. Ad agosto 2019 il motore è stato consegnato alla Direzione TARDEC per l'installazione e il collaudo.
La combinazione di un motore boxer e di una trazione elettrica ibrida migliorerebbe l'efficienza di veicoli di vario tipo e dimensione, sia militari che civili. Con questo in mente, l'Advanced Research and Development Authority ha emesso $ 2 milioni ad Achates per sviluppare un motore boxer monocilindrico avanzato per futuri veicoli ibridi; in questo progetto l'azienda collabora con l'Università del Michigan e Nissan.
Controllo pistone
In accordo con il concetto, questo motore per la prima volta integra così strettamente il sottosistema elettrico e il motore a combustione interna, ciascuno dei due alberi a gomiti ruota e può essere azionato dal proprio gruppo elettrogeno; non vi è alcun collegamento meccanico tra gli alberi.
Achates ha confermato che il motore è progettato solo per sistemi ibridi sequenziali, poiché tutta la potenza generata viene trasmessa elettricamente e i gruppi elettrogeni caricano il pacco batteria per estendere l'autonomia. Senza una connessione meccanica tra gli alberi, il momento non viene trasmesso, il che porta a una diminuzione dei carichi. Di conseguenza, possono essere alleggeriti, ridurre il peso e le dimensioni complessivi, l'attrito e il rumore e ridurre i costi.
Forse ancora più importante, gli alberi a gomiti disaccoppiati consentono il controllo indipendente di ciascun pistone attraverso l'uso dell'elettronica di potenza. "Questa è una parte importante del nostro progetto, è importante determinare come lo sviluppo di motori elettrici e controlli potrebbe migliorare l'efficienza del motore a combustione interna". Un portavoce di Achates ha confermato che questa configurazione consente il controllo della fasatura dell'albero motore, che apre nuove possibilità. "Ci sforziamo di migliorare l'efficienza del controllo del pistone, che non è disponibile con la comunicazione meccanica tradizionale".
A questo punto, ci sono poche informazioni disponibili su come utilizzare il controllo del pistone indipendente, ma in teoria è possibile rendere la corsa più grande della corsa di compressione, ad esempio, e quindi estrarre più energia dalla carica dell'aria / carburante miscela. Uno schema simile è implementato nei motori Atkinson a quattro tempi installati nelle auto ibride. Nella Toyota Prius, ad esempio, ciò si ottiene grazie alla fasatura variabile delle valvole.
Per molto tempo era ovvio che i grandi miglioramenti nelle tecnologie mature, come i motori a combustione interna, non fossero facili da ottenere, ma i motori boxer avanzati potrebbero essere ciò che fornirebbe reali vantaggi ai veicoli militari, specialmente se combinati con i sistemi di propulsione elettrica. …
