改善柴电组合


鲁machines(Ruckless)等纯电机具有很高的特性,并且可以通过集成内燃机和发电机将其转换为时序电路的混合平台,从而扩大了范围

当选择混合动力驱动解决方案时,对现代作战车辆的车载电子设备不断增加的复杂性的电力需求是一个额外的动机,而许多相互矛盾的特性需要进一步发展。

传统上,由柴油发动机提供驱动地面车辆及其系统和组件运行所需的能量。 减少油耗不仅增加了航程,而且还减少了通过维持燃料储备而确定的材料和技术支持量,并提高了维修设备过程中后勤服务专家的安全性。


在这方面,武装部队正在努力寻找一种解决方案,在该解决方案中,具有电驱动系统中固有的高效率系数和高柴油燃烧比热将在一个“线束”中发挥作用。 新的混合动力解决方案和先进的内燃发动机有望带来巨大的实际好处,以及单驱动器上的静音运动,静音监控(停车期间的电池传感器)以及外部消费者的发电。

动力总成潜力


例如,加拿大研究与发展局(DRDC)正在探索实施混合动力柴油-电力驱动装置的可能性。 管理层在2018上发表了他们的研究,重点是小型单人和多座ATV的轻型战术平台,例如HMMWV,超轻型战车,例如DAGOR。

报告“轻型战术车辆用混合动力柴油电力驱动器的可行性”指出,在大多数速度和负载发生明显变化的驾驶模式中(通常在公路上行驶时),混合动力汽车的燃油经济性提高了15%-20%与传统的机械驱动机械相比,尤其是在使用再生制动时。 此外,内燃发动机(包括柴油发动机)在以精心选择的恒定速度工作时最为有效,这对于顺序混合动力电路(其中发动机仅用作发电机)是典型的。

如报告中所述,由于可以在峰值功率消耗的短时间内通过电池补充发动机功率,因此可以将发动机配置为仅提供平均所需功率,而较小的发电厂,鸡冠花等通常消耗较少的燃料。

具有足够的电池容量,混合动力车还可以在发动机关闭且传感器,电子设备和通信系统正常工作的情况下长时间保持静音监控模式。 此外,该系统还可以为外部设备供电,为电池充电甚至为军营供电,从而减少了对牵引发电机的需求。

DRDC报告称,虽然混合动力驱动器在速度,加速度和爬坡能力方面均具有出色的性能,但电池组却又笨重,导致有效载荷更低。 对于超轻型车辆和单座ATV,这可能是一个问题。 而且,在低温下,电池本身的特性降低,它们经常在充电和温度控制方面存在问题。

尽管在顺序电路混合动力系统中取消了机械变速器,但对发动机,发电机,电力电子设备和电池的需求不可避免地使它们最终变得复杂且购买和维护昂贵。

大多数电池电解质也可能带来损坏的风险,例如,锂离子电池因损坏而着火的趋势众所周知。 报告说,这是否构成比柴油燃料更大的风险,这可能是一个有争议的问题,但是混合动力汽车同时承担着这两种风险。

组合选择


组合内燃机和电气设备的两个主要方案是串行和并行。 如上所述,串联混合动力平台是带有发电机的电机,而在并联电路中则有发动机和牵引电动机,它们通过与车轮相连的机械传动装置将动力传递给车轮。 这意味着引擎或牵引电机可以单独驱动机器,也可以一起工作。

通常,在两种类型的混合动力汽车中,电气组件都是电动发电机组(MSU),它可以将电能转换成运动,反之亦然。 它可以使机器运动,给电池充电,启动发动机,并在必要时通过再生制动节省能量。


串联和并联混合动力汽车均依靠电力电子设备来控制电池充电并调节其温度。 它还提供发电机必须提供给电池的电压和电流,电池又提供给电动机。

该功率电子器件以基于碳化硅半导体的半导体逆变器的形式出现,其缺点通常包括大尺寸和成本以及热损失。 电力电子设备还需要控制电子设备,类似于确保内燃机运行的电子设备。

迄今为止 故事 电动军车包括实验性和雄心勃勃的开发计划,最终都被关闭了。 在实际操作中,仍然没有混合动力军车,特别是在轻型战术车领域,仍然存在一些尚未解决的技术问题。 这些问题可以认为主要是针对民用车解决的,因为它们在更有利的条件下工作。

电动汽车已经证明自己非常快。 例如,尼古拉汽车公司(Nikola Motor)生产的电池驱动的四人座鲁V实用战术车辆(UTV)可以在0秒内从97加速至4 km / h,并具有241 km的范围。

DRDC报告说:“但是,布局是那些复杂的问题之一。” 电池组的尺寸,重量和散热量非常大,并且有必要在总能量消耗和它们可为质量和体积数据产生的瞬时功率之间折衷。 高压电缆的体积分配,其可靠性和安全性也是功率电子设备的尺寸,重量,冷却,可靠性和防水性的瓶颈。

改善柴电组合

美国陆军正在研究如何调整动力驱动装置,以确保作战车辆以更高的速度在崎move的地形上行驶

热量和灰尘


该报告说,军用车辆遇到的温差可能是最大的问题,因为锂离子电池不会在低于零的温度下充电,并且加热系统会增加复杂性并需要能源。 在放电过程中过热的电池有潜在的危险,必须将其冷却或降低到较低的模式,而电动机和发电机也可能过热,最后,不要忘记容易退磁的永磁体。

同样,在高于65°C的温度下,诸如基于具有绝缘栅的半导体双极晶体管技术的逆变器之类的设备的效率会降低,因此它们需要冷却,尽管基于碳化硅或碳化硅制成的半导体的新型功率电子器件氮化镓除了在高压下工作外,还可以承受更高的温度,因此可以通过发动机冷却系统进行冷却。

如该报告所述,此外,在崎terrain的地形上行驶时的冲击和振动,加上炮击和爆炸可能造成的潜在损害,也使电驱动技术与轻型军车的集成大大复杂化。

该报告得出结论,DRDC应该订购技术演示器。 这是一种相对简单的轻型战术机器,带有串联混合电路,其中将电动机安装在轮毂或轮轴中,将柴油发动机调节至相应的峰值功率,并安装一组超级电容器或超级电容器以改善加速过程并克服坡度。 超级电容器或超级电容器会在短时间内积聚大量电荷,并且可以非常快地发出电荷以接收电源脉冲。 机器根本不会安装,或者会安装很小的电池,在再生制动期间会产生电能,因此,无声运动和无声监视模式被排除在外。

由于不包括二次碎屑和碎屑的膨胀,只有铺设在车轮上的动力电缆代替了机械传动和驱动轴,才能显着减轻机器的重量并提高防爆性能。 没有电池,乘员和有效载荷的内部体积将增加并变得更安全,与锂离子电池的维护和热管理相关的问题将消除。

此外,在创建实验机器时,要设定以下目标:降低以恒定速度运行的相对较小的柴油机的燃油消耗,并结合能量回收,增加传感器运行或能量输出的发电量,提高可靠性并改善服务质量。


与柴油发动机相比,M1500艾布拉姆斯油箱的AGT 1发动机具有较高的功率密度,并且不需要特殊的冷却系统

不用担心


正如装甲车辆研究中心(TARDEC)的布鲁斯·布兰德尔(Bruce Brandl)在有关发动机制造发展的演讲中所解释的那样,美国陆军希望建立一个发电厂,以使其战斗车辆能够以更高的速度航行在更困难的地形上,这将大大减少战斗区域的地形比例。当前汽车无法行驶的地方。 所谓的不可逾越的地形大约占这些区域的22%,而陆军希望将此数字减少到6%。 他们还希望将大部分地区的平均速度从今天的16公里/小时提高到24公里/小时。

此外,布兰德尔强调,计划将船上的能源需求提高到至少250 kW,即高于机器发电机的发电量,因为负荷是通过新技术增加的,例如,电塔和保护系统,电力电子冷却,能源出口和定向能源的武器装备。

按照美国陆军的计算,用当前的涡轮柴油技术满足这些需求将使发动机占用体积增加56%,车辆重量增加约1400 kg。 因此,在开发其有前途的高级战斗机(ACE)动力装置时,主要任务是通过3 hp / cc将比功率提高一倍。 ft至6 hp / cc 脚

尽管更高的功率密度和更好的燃油经济性对于新一代军用发动机非常重要,但减少热量损失也同样重要。 尽管可以将其用于推进或产生电能,但这种产生的热量表示耗散到周围空间中的能量损失。 但是,要实现这三个参数的完美平衡并非总是可行的,例如,具有1500 hp功率的M1 Abrams储油罐的AGT 1500燃气涡轮发动机 它具有低散热和高功率密度,但与柴油发动机相比,燃油消耗非常高。

实际上,燃气涡轮发动机会产生大量的热量,但由于气流强度高,大部分热量会通过排气管排出。 结果,燃气轮机不需要柴油发动机所需的冷却系统。 柴油机的高比功率只能通过解决热控制问题来实现。 布兰德强调,这主要是由于冷却设备(例如管道,泵,风扇和散热器)的可用空间有限。 另外,诸如防弹格栅之类的防护结构也占据了体积并限制了气流,从而降低了风扇的效率。

活塞朝


正如布兰德(Brandl)所指出的那样,ACE计划着重于具有对置活塞的二冲程柴油/多燃料发动机,这与它们固有的低散热性有关。 对于这种发动机,在每个气缸中放置两个活塞,这两个活塞之间形成一个燃烧室,因此排除了气缸盖,但是需要两个曲轴以及气缸壁中的进气口和排气口。 Boxer引擎出现在上个世纪的30中,并且几十年来一直在不断改进。 与康明斯(Cummins)合作使Achates Power焕然一新并现代化的引擎,并没有放弃这个古老的想法。

Achates Power发言人说,他们反对的技术的特征是提高了热效率,这是由较低的热损失,改善的燃烧和减少的泵送损失决定的。 除气缸盖外,它可以显着减小燃烧室中的表面积与体积之比,从而降低发动机中的热量传递和传递。 相反,在传统的四冲程发动机中,汽缸盖包括许多最热的部件,并且是向冷却剂和周围环境传递热量的主要来源。

Achates燃烧系统使用沿直径分布在每个气缸中的双燃料喷射器,并获得专利的活塞形状,以优化空气-燃料混合物,从而实现低烟尘燃烧,并减少了向燃烧室壁的热传递。 混合物的新鲜进料注入气缸,废气通过端口排出,这是通过增压器将空气泵送通过发动机来实现的。 Achates指出,这种直流吹扫对燃油经济性和排放有积极影响。

美国陆军希望ACE系列模块化可扩展发电厂包括具有相同缸径和冲程和不同缸数的发动机:600-750 hp (3圆柱); 300-1000惠普 (4); 和1200-1500 hp (Xnumx) 每个发电厂将占据一个体积-高度6 m和宽度0,53 m,并因此占据长度1,1 m,1,04 m和1,25 m。


Achates Power和Cummins的盒装二冲程发动机应成为美国陆军ACE家族的基础

技术目标


在2010进行的一项陆军内部研究证实了拳击手发动机的好处,因此启动了下一代战斗发动机(NGCE)项目,工业企业在该项目中展示了他们在这一领域的发展。 该任务旨在实现71 hp的强大功能 每缸总功率225 hp 通过2015,在装甲研究中心测试的实验引擎很容易超过了这两个数字。

同年2月,军队根据一项为期两年的计划,向AVL动力总成工程公司和Achates Power公司授予了实验性ACE单缸发动机合同,目标是实现以下特征:动力250 hp,扭矩678 Nm,比油耗0,14 kg / hp / h和传热小于0,45 kW / kW。 除了传热以外,所有指标均超过了极限,此处不可能降至0,506 kW / kW以下。

在2017的夏天,康明斯和Achates根据ACE多缸发动机(MCE)合同开始工作,以演示四缸1000发动机。 与2700 Nm和相同的特定燃料消耗和热传递要求相同。 2018于7月制造了第一台发动机,并于当年年底完成了初始运行测试。 2019于8月将引擎交付给TARDEC办公室进行安装和测试。

义和团发动机与混合动力驱动的结合将提高军用和民用各种类型和尺寸的车辆的效率。 意识到这一点,高级研究与发展办公室已向Achates拨款200万美元,用于开发用于先进混合动力汽车的先进对置单缸发动机。 在该项目中,该公司与密歇根大学和日产公司合作。

活塞控制


根据该概念,在该发动机中,电气子系统和内燃机首次如此紧密地集成在一起,两个曲轴中的每一个都旋转,并且可以由其自己的电动发电机组驱动旋转。 轴之间没有机械连接。

Achates确认该引擎仅设计用于串行混合动力系统,因为它产生的所有动力都是通过电子方式传输的,并且电动发电机组会为电池充电以增加续航里程。 如果轴之间没有机械联接,则力矩不会传递,从而导致较低的负载。 结果,它们可以做得更轻,减少总质量和尺寸,减少摩擦和噪音,还降低成本。

也许最重要的是,断开的曲轴允许通过使用电力电子设备独立控制每个活塞。 “这是我们项目的重要组成部分,确定电动马达和控制装置的开发如何提高内燃机的效率非常重要。” Achates的发言人证实,这种配置使您可以控制曲轴的正时,从而开辟了新的可能性。 “我们正在努力提高活塞控制的效率,这在传统的机械联轴器中是无法实现的。”

目前,关于如何使用独立的活塞控制的信息很少,但是从理论上讲,可以使冲程比压缩冲程更长,从而从混合气中提取更多的能量。 安装在混合动力汽车中的阿特金森四冲程发动机也采用了类似的方案。 例如,在丰田普锐斯中,这是通过控制气门正时来实现的。

长期以来,很明显,在内燃机等成熟技术上进行的重大改进并不容易实现,但是先进的对置发动机可能会为军车提供真正的优势,尤其是与发电厂结合使用时。
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