Mejora de las combinaciones diesel-eléctricas.
La necesidad de electricidad de una complejidad cada vez mayor de los equipos electrónicos a bordo de los vehículos de combate modernos es un incentivo adicional al elegir soluciones con una unidad híbrida, mientras que una serie de características mutuamente contradictorias necesitan un mayor desarrollo.
La energía necesaria para conducir vehículos terrestres y la operación de sus sistemas y ensambles es tradicionalmente provista por motores diesel. Reducir el consumo de combustible no solo aumenta el alcance, sino que también reduce la cantidad de material y soporte técnico, determinado por el mantenimiento de las reservas de combustible, y aumenta la seguridad de los especialistas en servicio trasero en el proceso de servicio del equipo.
A este respecto, las fuerzas armadas se esfuerzan por encontrar una solución en la que un coeficiente de alta eficiencia y un alto calor específico de combustión de combustible diesel inherente a los sistemas con un accionamiento eléctrico funcionen en un "arnés". Las nuevas soluciones híbridas y los motores de combustión interna avanzados prometen grandes beneficios prácticos junto con un movimiento silencioso en una sola unidad, monitoreo silencioso (sensores de batería durante el estacionamiento) y generación de energía para consumidores externos.
Potencial del tren de fuerza
La Autoridad Canadiense de Investigación y Desarrollo (DRDC), por ejemplo, está explorando la posibilidad de implementar accionamientos híbridos de energía diesel-eléctrica. La gerencia publicó su investigación en 2018, enfocándose en plataformas tácticas ligeras, por ejemplo, HMMWV, vehículos de combate ultraligeros como DAGOR, en pequeños ATV de uno o varios asientos.
El informe "La viabilidad de los accionamientos híbridos diesel-eléctricos para vehículos tácticos ligeros" señala que en la mayoría de los modos de conducción en los que la velocidad y las cargas cambian significativamente (generalmente al conducir en la carretera), los híbridos tienen una economía de combustible 15% -20% mejor. En comparación con las máquinas mecánicas tradicionales, especialmente cuando se utiliza el frenado regenerativo. Además, los motores de combustión interna, incluidos los diésel, son más efectivos cuando se trabaja a velocidades constantes cuidadosamente seleccionadas, lo cual es típico en los circuitos híbridos secuenciales en los que el motor solo funciona como generador.
Como se señaló en el informe, dado que la potencia del motor puede complementarse con baterías en períodos cortos de consumo máximo de energía, el motor puede configurarse para proporcionar solo la potencia promedio requerida, mientras que las plantas de energía más pequeñas, ceteris paribus, generalmente consumen menos combustible.
Con suficiente capacidad de batería, los híbridos también pueden permanecer en modo de monitoreo silencioso durante mucho tiempo con el motor apagado y los sensores, la electrónica y los sistemas de comunicación en funcionamiento. Además, el sistema puede alimentar equipos externos, recargar baterías e incluso alimentar el campamento militar, reduciendo la necesidad de generadores remolcados.
Si bien las unidades híbridas brindan un rendimiento superior en términos de velocidad, aceleración y capacidad de escalada, los paquetes de baterías pueden ser pesados y voluminosos, lo que resulta en menores cargas útiles, dice el informe DRDC. Esto puede ser un problema para los vehículos ultraligeros y los ATV de un solo asiento. Además, a bajas temperaturas, las características de las baterías en sí mismas se reducen, a menudo tienen problemas con la carga y el control de la temperatura.
Aunque las transmisiones mecánicas se eliminan en los híbridos de circuito secuencial, la necesidad de un motor, generador, electrónica de potencia y batería inevitablemente los hace en última instancia complejos y costosos de comprar y mantener.
La mayoría de los electrolitos de la batería también pueden presentar un riesgo de daño, por ejemplo, las células de iones de litio son conocidas por su tendencia a encenderse cuando se dañan. El informe dice que si esto representa un riesgo mayor que el suministro de combustible diesel es quizás un tema polémico, pero los híbridos conllevan ambos riesgos.
Selección combinada
Los dos esquemas principales para combinar motores de combustión interna con dispositivos eléctricos son seriales y paralelos. Como se mencionó anteriormente, una plataforma híbrida en serie es una máquina eléctrica con un generador, mientras que en un circuito paralelo hay un motor y un motor de tracción, que transmiten energía a las ruedas a través de una transmisión mecánica conectada a ellas. Esto significa que el motor o el motor de tracción pueden conducir la máquina individualmente o pueden trabajar juntos.
En ambos tipos de híbridos, el componente eléctrico, como regla, es el grupo motor-generador (MSU), que puede convertir la energía eléctrica en movimiento y viceversa. Puede poner en marcha la máquina, cargar la batería, arrancar el motor y, si es necesario, ahorrar energía debido al frenado regenerativo.
Tanto los híbridos en serie como en paralelo dependen de la electrónica de potencia para controlar la carga de la batería y regular su temperatura. También proporciona voltaje y corriente, que el generador debe suministrar a las baterías, y las baterías a su vez a los motores eléctricos.
Esta electrónica de potencia viene en forma de inversores semiconductores basados en semiconductores de carburo de silicio, cuyas desventajas, por regla general, incluyen el gran tamaño y el costo, así como la pérdida de calor. La electrónica de potencia también necesita electrónica de control, similar a la que garantiza el funcionamiento del motor de combustión interna.
Hasta la fecha historia Los vehículos militares accionados eléctricamente consistieron en programas de desarrollo experimentales y ambiciosos, que finalmente fueron cerrados. En la operación real, todavía no hay vehículos militares híbridos, en particular en el campo de los vehículos tácticos ligeros, quedan varios problemas tecnológicos sin resolver. Estos problemas pueden considerarse principalmente resueltos para automóviles civiles, ya que funcionan en condiciones mucho más favorables.
Los autos eléctricos han demostrado ser muy rápidos. Por ejemplo, el vehículo táctico experimental de cuatro plazas Reckless Utility Tactical (UTV) de Nikola Motor puede acelerar de 0 a 97 km / h en 4 segundos y tiene un alcance de 241 km.
"El diseño, sin embargo, es uno de esos problemas complejos", dijo el informe DRDC. Las dimensiones, el peso y la disipación de calor de la batería son bastante grandes, y también es necesario comprometer el consumo total de energía y la potencia instantánea que pueden producir para datos de masa y volumen. La asignación de volumen para cables de alto voltaje, su confiabilidad y seguridad también son cuellos de botella junto con las dimensiones, peso, enfriamiento, confiabilidad e impermeabilización de la electrónica de potencia.
Calor y polvo
El informe dice que las diferencias de temperatura encontradas por los vehículos militares son quizás el mayor problema, ya que las baterías de iones de litio no se cargarán a temperaturas bajo cero, y los sistemas de calefacción aumentan la complejidad y necesitan energía. Las baterías que se sobrecalientan durante una descarga son potencialmente peligrosas, deben enfriarse o reducirse a un modo inferior, mientras que los motores y generadores también pueden sobrecalentarse, por último, no se olvide de los imanes permanentes, que son propensos a la desmagnetización.
De manera similar, a temperaturas superiores a aproximadamente 65 ° C, la eficiencia de dispositivos tales como, por ejemplo, inversores basados en la tecnología de transistores bipolares semiconductores con puerta aislada disminuye, y por lo tanto necesitan refrigeración, aunque la nueva electrónica de potencia basada en semiconductores hechos de carburo de silicio o El nitruro de galio, además de funcionar a alto voltaje, puede soportar temperaturas más altas y, por lo tanto, puede enfriarse mediante el sistema de enfriamiento del motor.
Como se señaló en el informe, además, los golpes y las vibraciones al conducir sobre terreno irregular, más el daño potencial que puede resultar de los bombardeos y explosiones, también complican significativamente la integración de las tecnologías de propulsión eléctrica en vehículos militares ligeros.
El informe concluye que el DRDC debería ordenar un demostrador de tecnología. Esta es una máquina táctica ligera relativamente simple con un circuito híbrido en serie, en el que los motores eléctricos se instalan en los cubos de las ruedas o en los ejes, el motor diesel se ajusta a la potencia máxima correspondiente y se instala un conjunto de super o ultracondensadores para mejorar el proceso de aceleración y superar las pendientes. Los súper o ultracondensadores acumulan una carga muy grande durante un corto período de tiempo y pueden liberarla muy rápidamente para recibir pulsos de energía. La máquina no se instalará en absoluto, o se instalará una batería muy pequeña, se generará electricidad durante el frenado regenerativo, como resultado, se excluyen los modos de movimiento silencioso y monitoreo silencioso.
Solo los cables de alimentación tendidos a las ruedas, que reemplazan la transmisión mecánica y los ejes de transmisión, reducirán significativamente el peso de la máquina y mejorarán la protección contra explosiones, ya que se excluye la expansión de escombros y fragmentos secundarios. Sin una batería, el volumen interno para la tripulación y la carga útil aumentará y será más seguro, se eliminarán los problemas asociados con el mantenimiento y la gestión térmica de las baterías de iones de litio.
Además, al crear una máquina experimental, se establecen los siguientes objetivos: menor consumo de combustible de un motor diesel relativamente pequeño que funciona a velocidades constantes, combinado con recuperación de energía, mayor generación de energía para la operación de sensores o exportación de energía, mayor confiabilidad y mejor servicio.
No te preocupes
Como explicó Bruce Brandl, del Centro de Investigación de Vehículos Blindados (TARDEC) en una presentación sobre el desarrollo de la construcción de motores, el Ejército de EE. UU. Quiere obtener una planta de energía que permita a sus vehículos de combate navegar por terrenos más difíciles a velocidades más altas, lo que reducirá significativamente el porcentaje de terreno en zonas de combate. en el cual los autos actuales no pueden moverse. El llamado terreno intransitable es aproximadamente 22% de estas zonas y el ejército quiere reducir esta cifra a 6%. También quieren aumentar la velocidad promedio en la mayor parte de esta área desde 16 km / ha 24 km / h de hoy.
Además, Brandl enfatizó que está planeado aumentar los requisitos de energía a bordo por lo menos a 250 kW, es decir, más de lo que los generadores de la máquina pueden producir, ya que la carga se agrega a partir de nuevas tecnologías, por ejemplo, torres electrificadas y sistemas de protección, refrigeración electrónica de potencia. , exportaciones de energía y armamento de energía dirigida.
Según lo calculado en el Ejército de EE. UU., Satisfacer estas necesidades con la tecnología turbo-diesel actual aumentará el volumen ocupado del motor en un 56% y el peso del vehículo en aproximadamente 1400 kg. Por lo tanto, al desarrollar su prometedora planta de energía Advanced Combat Engine (ACE), la tarea principal era duplicar la potencia específica con 3 hp / cc. pies a 6 hp / cc pie
Aunque una mayor densidad de potencia y una mejor economía de combustible son muy importantes para una nueva generación de motores del ejército, es igualmente importante reducir la pérdida de calor. Este calor generado representa la energía perdida disipada en el espacio circundante, aunque podría usarse para impulsar o generar energía eléctrica. Pero no siempre es posible lograr un equilibrio perfecto de estos tres parámetros, por ejemplo, el motor de turbina de gas AGT 1500 del tanque M1 Abrams con la potencia de 1500 hp Tiene baja disipación de calor y alta densidad de potencia, pero un consumo de combustible muy alto en comparación con los motores diesel.
De hecho, los motores de turbina de gas generan una gran cantidad de calor, pero la mayor parte se elimina a través del tubo de escape, debido a la alta intensidad de la corriente de gas. Como resultado, las turbinas de gas no necesitan los sistemas de enfriamiento que requieren los motores diesel. La alta potencia específica de los motores diesel solo se puede lograr resolviendo el problema del control térmico. Brandl enfatizó que esto se debe principalmente al volumen limitado disponible para equipos de enfriamiento, como tuberías, bombas, ventiladores y radiadores. Además, las estructuras protectoras, como las parrillas a prueba de balas, también ocupan volumen y limitan el flujo de aire, reduciendo la eficiencia de los ventiladores.
Pistones hacia
Como señaló Brandl, el programa ACE se enfoca en motores diesel / multicombustible de dos tiempos con pistones opuestos, lo que está asociado con su inherente baja disipación de calor. Para tales motores, se colocan dos pistones en cada cilindro, que forman una cámara de combustión entre ellos, como resultado, se excluye la culata, pero se requieren dos cigüeñales y un puerto de entrada y salida en las paredes del cilindro. Los motores Boxer aparecieron en el 30 del siglo pasado y se han mejorado constantemente durante décadas. Achates Power, que en colaboración con Cummins revitalizó y modernizó este motor, no pasó por alto esta vieja idea.
El portavoz de Achates Power dijo que su tecnología opuesta se caracteriza por una mayor eficiencia térmica, que está determinada por menores pérdidas de calor, mejor combustión y menores pérdidas de bombeo. La excepción de la culata hizo posible reducir significativamente la relación del área superficial al volumen en la cámara de combustión y, por lo tanto, la transferencia y la transferencia de calor en el motor. En contraste, en un motor tradicional de cuatro tiempos, la culata incluye muchos de los componentes más calientes y es la principal fuente de transferencia de calor al refrigerante y la atmósfera circundante.
El sistema de combustión Achates utiliza inyectores de combustible gemelos ubicados diametralmente en cada cilindro y una forma de pistón patentada para optimizar la mezcla de aire y combustible, lo que resulta en una combustión de bajo hollín y una transferencia de calor reducida a las paredes de la cámara de combustión. Se inyecta una carga nueva de la mezcla en el cilindro, y los gases de escape salen a través de los puertos, lo cual es facilitado por un sobrealimentador que bombea aire a través del motor. Achates señala que esta purga de flujo directo tiene un efecto positivo en la economía de combustible y las emisiones.
El Ejército de EE. UU. Quiere que la familia ACE de plantas de energía escalables modulares incluya motores con el mismo diámetro y carrera del cilindro y diferentes números de cilindros: 600-750 hp (Cilindro 3); 300-1000 HP (4); y 1200-1500 hp (Xnumx) Cada planta de energía ocupará un volumen: altura 6 my ancho 0,53 my, en consecuencia, longitud 1,1 m, 1,04 my 1,25 m.
Objetivos tecnológicos
Un estudio interno del ejército realizado en 2010 confirmó los beneficios de los motores boxer, como resultado de lo cual se lanzó el proyecto Next-Generation Combat Engine (NGCE), en el que las empresas industriales presentaron sus desarrollos en esta área. La tarea se estableció para lograr el poder de 71 hp por cilindro y potencia total 225 hp Por 2015, ambos números fueron superados fácilmente por un motor experimental que fue probado en el Centro de Investigación Blindado.
En febrero del mismo año, el ejército otorgó a las compañías AVL Powertrain Engineering y Achates Power contratos para motores experimentales ACE de un solo cilindro bajo un programa de dos años, en el que el objetivo era lograr las siguientes características: potencia 250 hp, par 678 Nm, consumo específico de combustible 0,14 kg / hp / hy transferencia de calor inferior a 0,45 kW / kW. Se superaron todos los indicadores, excepto la transferencia de calor, aquí no fue posible caer por debajo de 0,506 kW / kW.
En el verano de 2017, Cummins y Achates comenzaron a trabajar bajo el contrato ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) para demostrar el motor 1000 de cuatro cilindros. 2700 Nm y los mismos requisitos para el consumo específico de combustible y la transferencia de calor. El primer motor se fabricó en julio 2018, y las pruebas operativas iniciales se completaron a finales de ese año. En agosto 2019, el motor fue entregado a la oficina de TARDEC para su instalación y prueba.
La combinación del motor boxer y la transmisión eléctrica híbrida mejoraría la eficiencia de los vehículos de varios tipos y tamaños, tanto militares como civiles. Consciente de esto, la Oficina de Investigación y Desarrollo Avanzado ha otorgado a Achates dos millones de dólares para desarrollar un motor avanzado de un solo cilindro opuesto para automóviles híbridos avanzados; En este proyecto, la compañía colabora con la Universidad de Michigan y Nissan.
Control de pistón
De acuerdo con el concepto, el subsistema eléctrico y el motor de combustión interna están tan estrechamente integrados por primera vez en este motor, que cada uno de los dos cigüeñales gira y puede ser accionado por su propio grupo motor-generador; No hay conexión mecánica entre los ejes.
Achates confirmó que el motor fue diseñado solo para sistemas híbridos secuenciales, ya que toda la potencia que genera se transmite electrónicamente, y los conjuntos motor-generador cargan la batería para aumentar el alcance. Sin acoplamiento mecánico entre los ejes, el momento no se transmite, lo que conduce a cargas más bajas. Como resultado, pueden hacerse más livianos, reducir la masa total y las dimensiones, la fricción y el ruido, y también reducir el costo.
Quizás lo más importante, los cigüeñales desconectados permiten un control independiente de cada pistón mediante el uso de electrónica de potencia. "Esta es una parte importante de nuestro proyecto, es importante determinar cómo el desarrollo de motores y controles eléctricos podría aumentar la eficiencia del motor de combustión interna". El portavoz de Achates confirmó que esta configuración le permite controlar la sincronización del cigüeñal, lo que abre nuevas posibilidades. "Nos esforzamos por aumentar la eficiencia del control del pistón, que no está disponible en el caso del acoplamiento mecánico tradicional".
Por el momento, hay poca información disponible sobre cómo se puede usar el control independiente del pistón, pero en teoría es posible hacer que la carrera sea más larga que la carrera de compresión, por ejemplo, y así extraer más energía de la carga de la mezcla de aire y combustible. Un esquema similar se implementa en los motores Atkinson de cuatro tiempos instalados en automóviles híbridos. En el Toyota Prius, por ejemplo, esto se logra mediante el control de la sincronización de la válvula.
Durante mucho tiempo fue obvio que las grandes mejoras en tecnologías probadas, por ejemplo, en motores de combustión interna, no eran tan fáciles de lograr, pero los motores opuestos avanzados podrían convertirse en lo que proporcionaría ventajas reales a los vehículos militares, especialmente en combinación con plantas de energía eléctrica. .
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