تحسين تركيبات الديزل والكهرباء
تتمتع المركبات الكهربائية البحتة مثل Reckless بأداء عالٍ جدًا ويمكن تحويلها إلى منصات هجينة متسلسلة مع دمج محرك احتراق داخلي ومولد لزيادة المدى.
تعد الحاجة إلى الكهرباء من المعدات الإلكترونية الأكثر تعقيدًا الموجودة على متن المركبات القتالية الحديثة حافزًا إضافيًا عند اختيار الحلول باستخدام محرك هجين ، بينما هناك عدد من الخصائص المتناقضة التي تحتاج إلى مزيد من التطوير.
يتم توفير الطاقة اللازمة لقيادة المركبات الأرضية وتشغيل أنظمتها ووحداتها بشكل تقليدي بواسطة محركات الديزل. لا يؤدي تقليل استهلاك الوقود إلى زيادة النطاق فحسب ، بل يقلل أيضًا من كمية الخدمات اللوجستية التي يتم تحديدها من خلال الحفاظ على احتياطيات الوقود ، ويزيد من أمان المتخصصين في الخدمات اللوجستية في عملية خدمة المعدات.
في هذا الصدد ، تسعى القوات المسلحة جاهدة لإيجاد حل يمكن أن تعمل فيه الكفاءة العالية المتأصلة في أنظمة الدفع الكهربائي والحرارة العالية النوعية لاحتراق وقود الديزل في "فريق" واحد. تتمتع الحلول الهجينة الجديدة ومحركات الاحتراق الداخلي المتقدمة بإمكانية تقديم فوائد عملية كبيرة إلى جانب القيادة الكهربائية الفردية الصامتة والمراقبة الصامتة (أجهزة الاستشعار التي تعمل بالبطارية أثناء الوقوف) وتوليد الطاقة خارج الموقع.
إمكانية نقل الطاقة
هيئة البحث والتطوير الكندية (DRDC) ، على سبيل المثال ، تستكشف إمكانية تنفيذ محركات ديزل وكهرباء هجينة. نشرت الوكالة بحثها في عام 2018 ، مع التركيز على المنصات التكتيكية الخفيفة مثل HMMWV ، والمركبات القتالية خفيفة الوزن من نوع DAGOR ، والمركبات الصغيرة ذات المقاعد الفردية والمتعددة.
يشير تقرير "جدوى المحركات الهجينة التي تعمل بالديزل والكهرباء للمركبات التكتيكية الخفيفة" إلى أنه في معظم أوضاع القيادة التي تختلف فيها السرعة والأحمال بشكل كبير (عادةً القيادة على الطرق الوعرة) ، تتمتع السيارات الهجينة بكفاءة وقود أفضل بنسبة 15٪ إلى 20٪ مقارنةً بـ الآلات التقليدية التي تعمل ميكانيكيًا ، خاصة عند استخدام الكبح المتجدد. بالإضافة إلى ذلك ، تعمل محركات الاحتراق الداخلي ، بما في ذلك محركات الديزل ، بشكل أفضل عند تشغيلها بسرعات ثابتة محددة بعناية ، وهو أمر نموذجي للأنظمة الهجينة المتسلسلة التي يعمل فيها المحرك كمولد فقط.
نظرًا لأنه يمكن استكمال طاقة المحرك بواسطة البطاريات خلال فترات قصيرة من ذروة الطلب على الطاقة ، يشير التقرير إلى أنه يمكن ضبط المحرك لتوفير متوسط الطاقة المطلوبة فقط ، حيث تستهلك محطات الطاقة الأصغر وقودًا أقل بشكل عام ، وتكون الأشياء الأخرى متساوية.
مع سعة البطارية الكافية ، يمكن أيضًا أن تظل الهجينة في وضع المراقبة الصامت لفترات طويلة من الوقت مع إيقاف تشغيل المحرك وتشغيل أجهزة الاستشعار والإلكترونيات وأنظمة الاتصالات. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للنظام تشغيل المعدات الخارجية ، وشحن البطاريات ، وحتى تشغيل معسكر للجيش ، مما يقلل من الحاجة إلى المولدات المقطوعة.
بينما توفر محركات الأقراص الهجينة أداءً فائقًا من حيث السرعة والتسارع والقدرة على الصعود ، يمكن أن تكون حزمة البطارية ثقيلة وغير عملية ، مما يؤدي إلى تقليل سعة الحمولة ، كما يقول تقرير DRDC. يمكن أن يكون هذا مشكلة للمركبات خفيفة الوزن ورباعية المقعد الفردي. بالإضافة إلى ذلك ، في درجات الحرارة المنخفضة ، ينخفض أداء البطاريات نفسها ، وغالبًا ما تواجه مشاكل في الشحن والإدارة الحرارية.
على الرغم من أن الهجينة المتسلسلة تلغي ناقل الحركة اليدوي ، إلا أن الحاجة إلى محرك ومولد وإلكترونيات طاقة وبطارية تجعلها في النهاية صعبة ومكلفة في النهاية للشراء والصيانة.
يمكن أن تشكل معظم إلكتروليتات البطارية أيضًا مخاطر عند تلفها ، على سبيل المثال ، تُعرف خلايا الليثيوم أيون بميلها إلى الاشتعال عند تلفها. يقول التقرير إن ما إذا كان هذا يشكل خطرًا أكبر من توصيل الديزل قد يكون محل نقاش ، لكن الهجينة تحمل كلا الخطرين.
اختيار المجموعة
المخططان الرئيسيان للجمع بين محركات الاحتراق الداخلي والأجهزة الكهربائية متسلسل ومتوازي. كما ذكرنا سابقًا ، فإن المنصة الهجينة التسلسلية عبارة عن سيارة كهربائية مزودة بمولد ، بينما يوجد في الدائرة الموازية محرك ومحرك جر ، ينقلان الطاقة إلى العجلات من خلال ناقل حركة ميكانيكي متصل بهما. هذا يعني أن المحرك أو محرك الجر يمكنه قيادة الآلة بشكل منفصل أو يمكنهما العمل معًا.
في كلا النوعين من المركبات الهجينة ، يكون المكون الكهربائي عادةً عبارة عن مجموعة مولدات بمحرك (MGU) يمكنها تحويل الطاقة الكهربائية إلى حركة والعكس صحيح. يمكنه دفع السيارة ، وشحن البطارية ، وتشغيل المحرك ، وإذا لزم الأمر ، الحفاظ على الطاقة من خلال الكبح المتجدد.
تعتمد كل من السلسلة والهجينة المتوازية على إلكترونيات الطاقة لإدارة شحن البطارية وتنظيم درجة حرارة البطارية. كما أنه يوفر الجهد والتيار الذي يجب أن يزوده المولد بالبطاريات ، والبطاريات بدورها إلى المحركات الكهربائية.
تأتي إلكترونيات الطاقة هذه في شكل محولات الحالة الصلبة القائمة على أشباه موصلات كربيد السيليكون ، والتي تشمل عيوبها ، كقاعدة عامة ، الحجم الكبير والتكلفة ، فضلاً عن فقدان الحرارة. تحتاج إلكترونيات الطاقة أيضًا إلى إلكترونيات تحكم ، مماثلة لتلك التي تشغل محرك الاحتراق.
حتى الآن تاريخ تتألف المركبات العسكرية التي تعمل بالكهرباء من برامج تطوير تجريبية وطموحة تم التخلي عنها جميعًا في النهاية. في العملية الحقيقية ، لا توجد حتى الآن مركبات عسكرية هجينة ، على وجه الخصوص ، في مجال المركبات التكتيكية الخفيفة ، هناك العديد من المشاكل التكنولوجية التي لم يتم حلها. يمكن اعتبار هذه المشكلات محلولة إلى حد كبير للمركبات المدنية ، لأنها تعمل في ظروف أكثر ملاءمة.
أثبتت السيارات الكهربائية أنها سريعة جدًا. على سبيل المثال ، يمكن للمركبة التكتيكية Reckless Utility Utility (UTV) التجريبية ذات الأربعة مقاعد من نيكولا موتور ، والتي تعمل بالبطاريات ، التسارع من 0 إلى 97 كم / ساعة في 4 ثوانٍ ويبلغ مداها 241 كم.
"التخطيط ، مع ذلك ، هو واحد من تلك المشاكل الصعبة" ، كما يقول تقرير DRDC. حجم حزمة البطارية ووزنها وتبديدها الحراري كبير جدًا ، ويجب إجراء مفاضلة بين سعة الطاقة الإجمالية والقوة اللحظية التي يمكن أن توفرها لكتلة وحجم معينين. تخصيص مساحة للكابلات عالية الجهد ، وموثوقيتها وسلامتها هي أيضًا اختناقات إلى جانب الحجم والوزن والتبريد والموثوقية والعزل المائي لإلكترونيات الطاقة.
يدرس الجيش الأمريكي كيفية ضبط محرك الطاقة لضمان تحرك المركبات القتالية فوق التضاريس الوعرة بسرعات أعلى.
الحرارة والغبار
يقول التقرير إن تقلبات درجات الحرارة التي تواجهها المركبات العسكرية ربما تكون التحدي الأكبر ، حيث لا يتم شحن بطاريات الليثيوم أيون في درجات حرارة أقل من درجة التجمد ، وتزيد أنظمة التدفئة من التعقيد وتتطلب الطاقة. البطاريات التي ترتفع درجة حرارتها أثناء التفريغ من المحتمل أن تكون خطرة ، يجب تبريدها أو تحويلها إلى وضع مخفض ، في حين أن المحركات والمولدات يمكن أن ترتفع درجة حرارتها ، أخيرًا ، لا تنسَ المغناطيس الدائم ، المعرضة لإزالة المغناطيسية.
وبالمثل ، في درجات حرارة أعلى من 65 درجة مئوية ، تنخفض كفاءة الأجهزة مثل المحولات القائمة على تقنية IGBT وتتطلب التبريد ، على الرغم من أن إلكترونيات الطاقة الأحدث القائمة على أشباه موصلات كربيد السيليكون أو نيتريد الغاليوم ، بالإضافة إلى التشغيل عند زيادة الجهد ، تتحمل درجات حرارة أعلى و لذلك ، يمكن تبريده بواسطة نظام تبريد المحرك.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن صدمة واهتزاز الأراضي الوعرة ، بالإضافة إلى الأضرار المحتملة التي يمكن أن تنجم عن القصف والانفجارات ، تزيد من صعوبة دمج تقنية القيادة الكهربائية في المركبات العسكرية الخفيفة ، كما يشير التقرير.
ويخلص التقرير إلى أن DRDC يجب أن تكلف عارض التكنولوجيا. إنها مركبة تكتيكية خفيفة نسبيًا ذات تصميم هجين متسلسل ، مع محركات كهربائية إما في محاور العجلات أو في المحاور ، ومحرك ديزل تم ضبطه للحصول على طاقة الذروة المناسبة ، ومجموعة من المكثفات الفائقة أو الفائقة لتحسين التسارع والتلال التسلق. تخزن المكثفات الفائقة أو الفائقة شحنة كبيرة جدًا لفترة زمنية قصيرة ويمكن أن تطلقها بسرعة كبيرة لإنتاج نبضات طاقة. لن تحتوي السيارة على بطارية على الإطلاق ، أو سيتم تركيب بطارية صغيرة جدًا ، وسيتم توليد الكهرباء في عملية الكبح المتجدد ، ونتيجة لذلك ، يتم استبعاد أوضاع الحركة الصامتة والمراقبة الصامتة.
ستعمل كبلات الطاقة الموضوعة على العجلات وحدها ، لتحل محل ناقل الحركة الميكانيكي وأعمدة القيادة ، على تقليل وزن الماكينة بشكل كبير وتحسين الحماية ضد الانفجار ، حيث يتم التخلص من تشتت الحطام الثانوي والشظايا. بدون بطارية ، سيزداد الحجم الداخلي للطاقم والحمولة وسيصبح أكثر أمانًا ، وسيتم التخلص من المشكلات المرتبطة بالصيانة والإدارة الحرارية لبطاريات الليثيوم أيون.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن أهداف النموذج الأولي للمركبة هي: تقليل استهلاك الوقود لمحرك ديزل صغير نسبيًا يعمل بسرعة ثابتة ، جنبًا إلى جنب مع استعادة الطاقة ، وزيادة توليد الطاقة لتشغيل المستشعر أو تصدير الطاقة ، وزيادة الموثوقية وتحسين الصيانة.
المحرك AGT 1500 خزان تتميز M1 Abrams بكثافة طاقة عالية مقارنة بمحركات الديزل ولا تتطلب نظام تبريد خاص
الحفر تطغى
كما أوضح بروس بريندل من مركز الأبحاث المدرعة (TARDEC) في عرض تقديمي لتطوير الدفع ، يريد الجيش الأمريكي الحصول على محطة طاقة تسمح لمركباته القتالية بالتحرك عبر التضاريس الأكثر صعوبة بسرعات أعلى ، مما سيقلل بشكل كبير من نسبة التضاريس في مناطق الحرب ، حيث لا تستطيع السيارات الحالية التحرك. تشكل التضاريس الوعرة المزعومة حوالي 22٪ من هذه المناطق ويريد الجيش خفض هذه النسبة إلى 6٪. كما يريدون زيادة متوسط السرعة في معظم هذه المنطقة من 16 كم / ساعة اليوم إلى 24 كم / ساعة.
بالإضافة إلى ذلك ، أكد بريندل أنه من المخطط زيادة متطلبات الطاقة على متن الطائرة إلى ما لا يقل عن 250 كيلوواط ، أكثر مما يمكن أن تنتجه مولدات السيارة ، مثل الحمل من التقنيات الجديدة ، مثل الأبراج المكهربة وأنظمة الحماية ، وإلكترونيات طاقة التبريد ، يضاف ، تصدير الطاقة والطاقة الموجهة للأسلحة.
وقد قدر الجيش الأمريكي أن تلبية هذه الاحتياجات بتقنية التوربينات النفاثة الحالية سيزيد من حجم المحرك بنسبة 56 في المائة ووزن السيارة بنحو 1400 كجم. لذلك ، عند تطوير محطة توليد الطاقة المتقدمة ذات المحرك القتالي المتقدم (ACE) ، تم تعيين المهمة الرئيسية - لمضاعفة كثافة الطاقة الإجمالية من 3 حصان / متر مكعب. قدم إلى 6 حصان / متر مكعب. قدم.
في حين أن كثافة الطاقة العالية وكفاءة الوقود الأفضل أمران مهمان للغاية بالنسبة للجيل الجديد من المحركات العسكرية ، فإن تقليل نقل الحرارة له نفس الأهمية. هذه الحرارة المتولدة هي طاقة مهدرة يتم تبديدها في الفضاء المحيط ، على الرغم من أنه يمكن استخدامها للدفع أو توليد الطاقة الكهربائية. ولكن ليس من الممكن دائمًا تحقيق توازن مثالي لجميع هذه المعلمات الثلاثة ، على سبيل المثال ، محرك التوربينات الغازية AGT 1500 لخزان M1 Abrams بقوة 1500 حصان. تتميز بنقل حرارة منخفض وكثافة طاقة عالية ، ولكنها تستهلك وقودًا مرتفعًا جدًا مقارنة بمحركات الديزل.
في الواقع ، تولد المحركات التوربينية الغازية كمية كبيرة من الحرارة ، ولكن يتم استنفاد معظمها عبر أنبوب العادم ، بسبب الكثافة العالية لتدفق الغاز. نتيجة لذلك ، لا تحتاج توربينات الغاز إلى أنظمة التبريد التي تتطلبها محركات الديزل. لا يمكن تحقيق الطاقة النوعية العالية لمحركات الديزل إلا من خلال حل مشكلة التحكم الحراري. وأكد برندل أن هذا يرجع أساسًا إلى الحجم المحدود المتاح لمعدات التبريد مثل الأنابيب والمضخات والمراوح والرادياتيرات. بالإضافة إلى ذلك ، تشغل الهياكل الواقية مثل الشبكات المقاومة للرصاص أيضًا مساحة وتحد من تدفق الهواء ، مما يقلل من كفاءة المراوح.
باتجاه المكابس
كما أشار Brendle ، يركز برنامج ACE على محركات الديزل ثنائية الأشواط والمكبس المتقابل بسبب ناتجها الحراري المنخفض المتأصل. في مثل هذه المحركات ، تحتوي كل أسطوانة على مكبسين يشكلان غرفة احتراق بينهما ، ونتيجة لذلك يتم استبعاد رأس الأسطوانة ، ولكنها تتطلب عمودان مرفقيان ومنافذ سحب وعادم في جدران الأسطوانة. ظهرت محركات بوكسر في الثلاثينيات من القرن الماضي وتم تحسينها باستمرار على مر العقود. لم يتم تجاوز هذه الفكرة القديمة من قبل شركة Achates Power ، التي قامت بالتعاون مع Cummins بإحياء هذا المحرك وتحديثه.
قال المتحدث باسم Achates Power إن تقنية الملاكم الخاصة بهم حسنت الكفاءة الحرارية ، مما أدى إلى تقليل فقد الحرارة ، وتحسين الاحتراق وتقليل خسائر الضخ. جعل استبعاد رأس الأسطوانة من الممكن تقليل نسبة مساحة السطح إلى الحجم بشكل كبير في غرفة الاحتراق وبالتالي نقل وإطلاق الحرارة في المحرك. في المقابل ، في المحرك التقليدي رباعي الأشواط ، يحتوي رأس الأسطوانة على العديد من المكونات الأكثر سخونة وهو المصدر الرئيسي لانتقال الحرارة إلى المبرد والجو المحيط.
يستخدم نظام الاحتراق Achates حاقنات وقود مزدوجة موجودة في كل أسطوانة وشكل مكبس حاصل على براءة اختراع لتحسين خليط الوقود والهواء ، مما يؤدي إلى انخفاض احتراق السخام وتقليل انتقال الحرارة إلى جدران غرفة الاحتراق. تُحقن شحنة جديدة من الخليط في الأسطوانة ، وتخرج غازات العادم عبر المنافذ بمساعدة شاحن فائق يضخ الهواء عبر المحرك. يشير Achates إلى أن هذا الكسح مرة واحدة مفيد للاقتصاد في استهلاك الوقود والانبعاثات.
يريد الجيش الأمريكي أن تشتمل عائلة مجموعة نقل الحركة المعيارية القابلة للتطوير من ACE على محركات لها نفس التجويف والسكتة الدماغية وأعداد مختلفة من الأسطوانات: 600-750 حصان. (3 اسطوانات) ؛ 300-1000 حصان (أربعة) ؛ و 4-1200 حصان (1500). ستشغل كل محطة طاقة حجمًا - يبلغ ارتفاعه 6 مترًا وعرضه 0,53 مترًا ، وبطول 1,1 مترًا و 1,04 مترًا و 1,25 مترًا على التوالي.
يجب أن يصبح محرك Boxer ثنائي الأشواط من Achates Power و Cummins أساسًا لعائلة ACE التابعة للجيش الأمريكي
الأهداف التكنولوجية
أكدت دراسة داخلية للجيش في عام 2010 فوائد محركات الملاكمين ، مما أدى إلى إطلاق مشروع المحرك القتالي التالي (NGCE) ، والذي عرضت فيه المؤسسات الصناعية تطوراتها في هذا المجال. كانت المهمة هي تحقيق قوة تبلغ 71 حصانًا. لكل اسطوانة وبقوة إجمالية 225 حصان. بحلول عام 2015 ، تم تجاوز هذين الرقمين بسهولة إلى حد ما في محرك تجريبي تم اختباره في مركز الأبحاث المدرعة.
في فبراير من نفس العام ، منح الجيش AVL Powertrain Engineering و Achates Power عقود لمحركات ACE التجريبية أحادية الأسطوانة في إطار برنامج مدته سنتان ، والذي يهدف إلى تحقيق الخصائص التالية: قوة 250 حصان ، عزم دوران 678 نيوتن متر ، استهلاك وقود محدد 0,14 ، 0,45 كجم / حصان / ساعة وتبديد حرارة أقل من 0,506 كيلو واط / كيلو واط. تم تجاوز جميع المؤشرات ، باستثناء انتقال الحرارة ، هنا لم يكن من الممكن الانخفاض إلى أقل من XNUMX كيلو واط / كيلو واط.
في صيف عام 2017 ، بدأت Cummins و Achates العمل بموجب عقد ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) لإظهار محرك رباعي الأسطوانات بقوة 1000 حصان. عزم الدوران 2700 نيوتن متر ونفس المتطلبات لاستهلاك الوقود المحدد ونقل الحرارة. تم تصنيع المحرك الأول في يوليو 2018 ، وتم الانتهاء من الاختبارات التشغيلية الأولية بنهاية العام نفسه. في أغسطس 2019 ، تم تسليم المحرك إلى شركة TARDEC للتركيب والاختبار.
سيؤدي الجمع بين محرك بوكسر ومحرك كهربائي هجين إلى تحسين كفاءة المركبات من مختلف الأنواع والأحجام ، العسكرية والمدنية على حد سواء. وإدراكًا لذلك ، منح مكتب البحث والتطوير المتقدم مليوني دولار لشركة Achates لتطوير محرك بوكسر متقدم أحادي الأسطوانة للمركبات الهجينة المتقدمة ؛ في هذا المشروع ، تتعاون الشركة مع جامعتي ميشيغان ونيسان.
التحكم في المكبس
وفقًا للمفهوم ، لأول مرة في هذا المحرك ، تم دمج النظام الفرعي الكهربائي ومحرك الاحتراق الداخلي بشكل وثيق للغاية ، حيث يدور كل من عمودي الكرنك ويمكن تشغيلهما بواسطة مجموعة المولدات الخاصة به ؛ لا يوجد اتصال ميكانيكي بين الأعمدة.
أكد Achates أن المحرك مصمم فقط للأنظمة الهجينة المتسلسلة ، حيث يتم نقل كل الطاقة التي يولدها كهربائياً وتقوم مجموعات المولدات بمحرك بشحن حزمة البطارية لنطاق ممتد. بدون اتصال ميكانيكي بين الأعمدة ، لا تنتقل اللحظة ، مما يؤدي إلى انخفاض الأحمال. ونتيجة لذلك ، يمكن جعلها أخف وزنًا وتقليل الوزن والحجم الإجمالي وتقليل الاحتكاك والضوضاء وتقليل التكلفة.
ولعل الأهم من ذلك هو أن أعمدة الكرنك المنفصلة تسمح بالتحكم المستقل في كل مكبس من خلال استخدام إلكترونيات الطاقة. "هذا جزء مهم من مشروعنا ، من المهم تحديد كيف يمكن أن يؤدي تطوير المحركات الكهربائية وأجهزة التحكم إلى زيادة كفاءة محرك الاحتراق الداخلي." أكد متحدث باسم Achates أن هذا التكوين يسمح بالتحكم في مزامنة العمود المرفقي ، مما يفتح إمكانيات جديدة. "نحن نتطلع إلى تحسين كفاءة التحكم في المكبس ، وهو أمر غير ممكن مع الوصلات الميكانيكية التقليدية."
يتوفر القليل من المعلومات حاليًا حول كيفية استخدام التحكم المستقل في المكبس ، ولكن من الممكن نظريًا جعل شوط الطاقة أكبر من شوط الانضغاط ، على سبيل المثال ، وبالتالي استخراج المزيد من الطاقة من شحنة خليط الهواء والوقود. يتم تنفيذ مخطط مماثل في محركات Atkinson رباعية الأشواط المثبتة في السيارات الهجينة. في Toyota Prius ، على سبيل المثال ، يتم تحقيق ذلك من خلال توقيت الصمام المتغير.
لقد كان من الواضح منذ فترة طويلة أن التحسينات الكبيرة في التقنيات الراسخة مثل محركات الاحتراق الداخلي ليس من السهل تحقيقها ، لكن محركات الملاكم المتقدمة يمكن أن تكون شيئًا من شأنه أن يوفر مزايا حقيقية للمركبات العسكرية ، خاصة عند دمجها مع الدفع الكهربائي.
معلومات