يتم توفير الطاقة اللازمة لدفع المركبات الأرضية وتشغيل أنظمتها وتجميعاتها بشكل تقليدي بواسطة محركات الديزل. لا يؤدي تقليل استهلاك الوقود إلى زيادة النطاق فحسب ، بل يقلل أيضًا من كمية الخدمات اللوجستية ، والتي يتم تحديدها من خلال صيانة احتياطيات الوقود ، ويزيد من حماية موظفي الخدمة الخلفية في عملية خدمة المعدات.
في هذا الصدد ، تسعى القوات المسلحة جاهدة لإيجاد حل تكون فيه الكفاءة العالية والحرارة النوعية العالية لاحتراق وقود الديزل المتأصل في الأنظمة ذات المحرك الكهربائي تعمل في "فريق" واحد. تتمتع الحلول الهجينة الجديدة ومحركات الاحتراق المتقدمة بإمكانية تقديم فوائد عملية كبيرة إلى جانب محرك كهربائي واحد هادئ ، ومراقبة هادئة (أجهزة استشعار تعمل بالبطارية أثناء الثبات) ، وتوليد الطاقة للمستهلكين الخارجيين.
إمكانات مجموعة نقل الحركة
تقوم مؤسسة الأبحاث الكندية (DRDC) ، على سبيل المثال ، بالتحقيق في جدوى المحركات الهجينة التي تعمل بالديزل والكهرباء. نشرت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية بحثها في عام 2018 ، مع التركيز على المنصات التكتيكية الخفيفة مثل HMMWV ، والمركبات القتالية خفيفة الوزن من فئة 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 حيث تختلف السرعات والأحمال بشكل كبير (عادةً على الطرق الوعرة) ، تتمتع السيارات الهجينة بكفاءة أفضل في استهلاك الوقود بنسبة 15٪ إلى 20٪ من حيث الاقتصاد في استهلاك الوقود. الآلات التقليدية التي يتم تشغيلها ميكانيكيًا ، خاصة عند استخدام الكبح المتجدد. بالإضافة إلى ذلك ، تعمل محركات الاحتراق الداخلي ، بما في ذلك محركات الديزل ، على أفضل وجه عند تشغيلها عند سرعة دوران ثابتة مختارة بعناية ، وهو ما يعتبر نموذجيًا للأنظمة الهجينة المتسلسلة التي يعمل فيها المحرك كمولد فقط.
كما يشير التقرير ، نظرًا لأنه يمكن استكمال طاقة المحرك بالبطاريات خلال فترات قصيرة من ذروة استهلاك الطاقة ، يمكن ضبط المحرك لتوفير متوسط الطاقة المطلوبة فقط ، مع استخدام محطات طاقة أصغر بشكل عام وقودًا أقل ، مع تساوي جميع الأشياء الأخرى.
مع سعة البطارية الكافية ، يمكن أيضًا أن تظل الهجينة في وضع المراقبة الصامت لفترة طويلة 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.
في حين 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 الحمولة الصافية ، كما قال DRDC. قد يكون هذا مشكلة للمركبات خفيفة الوزن ومركبات الدفع الرباعي ذات المقعد الواحد. بالإضافة إلى ذلك ، في درجات الحرارة المنخفضة ، يتم تقليل خصائص البطاريات نفسها ، وغالبًا ما تواجه مشاكل في الشحن والتحكم في درجة الحرارة.
على الرغم من أن السيارات الهجينة المتسلسلة تلغي ناقل الحركة الميكانيكي ، إلا أن الحاجة إلى محرك ومولد وإلكترونيات للطاقة وبطارية تجعل شراءها وصيانتها أمرًا صعبًا ومكلفًا.
يمكن أن تشكل معظم إلكتروليتات البطارية أيضًا مخاطر عند تلفها ، على سبيل المثال ، من المعروف أن خلايا الليثيوم أيون تشتعل عند تلفها. ويشير التقرير إلى أن ما إذا كان هذا يمثل خطرًا أكبر من توفير وقود الديزل ربما يكون نقطة خلافية ، لكن السيارات الهجينة تحمل كلا الخطرين.
اختيار المجموعة
المخططان الرئيسيان للجمع بين محركات الاحتراق الداخلي والأجهزة الكهربائية هما مخططان تسلسليان ومتوازيان. كما ذكرنا أعلاه ، فإن المنصة الهجينة التسلسلية عبارة عن آلة كهربائية مزودة بمولد ، بينما يوجد بالتوازي محرك ومحرك جر ، والذي ينقل الطاقة إلى العجلات من خلال ناقل حركة ميكانيكي متصل بهما. هذا يعني أن المحرك أو محرك الجر يمكنه قيادة الماكينة بشكل فردي ، أو يمكنهما العمل معًا.
في كلا النوعين من المركبات الهجينة ، يكون المكون الكهربائي عادةً عبارة عن مجموعة مولدات بمحرك (MGU) ، والتي يمكنها تحويل الطاقة الكهربائية إلى حركة والعكس صحيح. يمكنه قيادة السيارة ، وشحن البطارية ، وتشغيل المحرك ، وإذا لزم الأمر ، الحفاظ على الطاقة من خلال الكبح المتجدد.
تعتمد كل من السلسلة الهجينة والمتوازية على إلكترونيات الطاقة لإدارة طاقة البطارية وتنظيم درجة حرارة البطارية. كما أنها توفر الجهد وقوة التيار التي يجب أن يزودها المولد بالبطاريات والبطاريات بدورها إلى المحركات الكهربائية.
تأتي إلكترونيات الطاقة هذه في شكل محولات شبه موصلة تعتمد على أشباه موصلات كربيد السيليكون ، والتي تشمل عيوبها ، كقاعدة عامة ، الحجم الكبير والتكلفة ، فضلاً عن فقدان الحرارة. تتطلب إلكترونيات الطاقة أيضًا إلكترونيات تحكم مماثلة لتلك التي تشغل محرك الاحتراق الداخلي.
حتى الآن ، تألف تاريخ المركبات العسكرية التي تعمل بالكهرباء من برامج تطوير تجريبية وطموحة تم إغلاقها في النهاية. في العملية الحقيقية ، لا توجد حتى الآن مركبات عسكرية هجينة ، على وجه الخصوص ، في مجال المركبات التكتيكية الخفيفة ، لا تزال هناك العديد من المشكلات التكنولوجية التي لم يتم حلها. يمكن اعتبار هذه المشكلات محلولة إلى حد كبير للمركبات المدنية لأنها تعمل في ظروف أكثر ملاءمة.
أظهرت السيارات الكهربائية أنها سريعة جدًا. على سبيل المثال ، يمكن للمركبة التكتيكية Reckless Utility ذات الأربعة مقاعد التجريبية التي تعمل بالبطارية من Nikola Motor أن تتسارع من 0 إلى 97 كم / ساعة في 4 ثوانٍ ويبلغ مداها 241 كم.
"التخطيط ، مع ذلك ، هو واحد من تلك التحديات الكبيرة ،" كما يقول تقرير DRDC. إن حجم حزم البطاريات ووزنها وتبديدها الحراري كبير جدًا ، ويجب التوصل إلى حل وسط بين سعة الطاقة الإجمالية والقوة اللحظية التي يمكن أن توفرها لكتلة وحجم معينين. تخصيص حجم الكابلات ذات الجهد العالي ، وموثوقيتها وسلامتها هي أيضًا اختناقات إلى جانب الحجم والوزن والتبريد والموثوقية والعزل المائي لإلكترونيات الطاقة.
الحرارة والغبار
يقول التقرير إن التقلبات في درجات الحرارة التي تواجهها المركبات العسكرية ربما تكون المشكلة الأكبر ، حيث لا يتم شحن بطاريات الليثيوم أيون في درجات حرارة دون الصفر وتضيف أنظمة التدفئة التعقيد وتحتاج إلى الطاقة.البطاريات التي ترتفع درجة حرارتها أثناء التفريغ من المحتمل أن تكون خطرة ، يجب تبريدها أو تقليلها 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 تزيد عن 65 درجة مئوية ، تنخفض كفاءة الأجهزة مثل محولات IGBT وبالتالي تحتاج إلى 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 من نظام تبريد المحرك.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن الصدمات والاهتزازات من الأراضي الوعرة ، بالإضافة إلى الأضرار المحتملة التي قد تسببها القذائف والانفجارات ، تجعل من الصعب أيضًا دمج تقنية القيادة الكهربائية في المركبات العسكرية الخفيفة ، كما يشير التقرير.
ويخلص التقرير إلى أن DRDC يجب أن تطلب عرضًا للتكنولوجيا. إنها مركبة تكتيكية هجينة متسلسلة وخفيفة الوزن نسبيًا مع محركات كهربائية مثبتة إما في محاور العجلات أو في المحاور ، ويتم ضبط محرك الديزل على طاقة الذروة المناسبة ، ويتم تثبيت مجموعة من المكثفات الفائقة أو الفائقة لتحسين التسارع والقدرة على الصعود. تقوم المكثفات الفائقة أو المكثفات الفائقة بتخزين شحنة كبيرة جدًا لفترة قصيرة من الوقت ويمكن إطلاقها بسرعة كبيرة لتوليد نبضات طاقة. لن تكون السيارة على الإطلاق ، أو سيتم تركيب بطارية صغيرة جدًا ، وسيتم توليد الكهرباء أثناء عملية الكبح التجديدي ، ونتيجة لذلك ، يتم استبعاد أوضاع الحركة الصامتة والمراقبة الصامتة.
تعمل كبلات الطاقة التي تعمل على العجلات وحدها ، لتحل محل ناقل الحركة الميكانيكي وأعمدة القيادة ، على تقليل وزن الماكينة بشكل كبير وتحسين الحماية من الانفجار ، حيث يتم التخلص من تشتت الحطام الثانوي والشظايا. بدون بطارية ، سيزداد الحجم الداخلي للطاقم والحمولة وسيصبح أكثر أمانًا ، وسيتم التخلص من المشاكل المرتبطة بالصيانة والإدارة الحرارية لبطاريات الليثيوم أيون.
بالإضافة إلى ذلك ، يتم تحديد الأهداف التالية عند إنشاء نموذج أولي: استهلاك أقل للوقود لمحرك ديزل صغير نسبيًا يعمل عند عدد دورات ثابت في الدقيقة ، جنبًا إلى جنب مع استعادة الطاقة ، وزيادة توليد الطاقة لأجهزة استشعار التشغيل أو تصدير الطاقة ، وزيادة الموثوقية وتحسين الخدمة.
المطبات لا تهتم
كما أوضح بروس براندل من مركز الأبحاث المدرعة (TARDEC) في عرض تقديمي حول تطوير المحرك ، يريد الجيش الأمريكي نظام دفع يسمح لمركباته القتالية بالتحرك عبر التضاريس الأكثر صعوبة بسرعات أعلى ، مما يقلل بشكل كبير من نسبة التضاريس. في مناطق الحرب ، حيث لا تستطيع السيارات الحالية التحرك. وتشكل التضاريس الوعرة المزعومة 22٪ من هذه المناطق ويريد الجيش خفض هذه النسبة إلى 6٪. كما يريدون زيادة متوسط السرعة في معظم المنطقة من 16 كم / ساعة اليوم إلى 24 كم / ساعة.
بالإضافة إلى ذلك ، أكد براندل أنه من المخطط زيادة الطلب على الطاقة على متن السفينة إلى 250 كيلوواط على الأقل ، أي أعلى مما يمكن أن توفره مولدات الماكينة ، حيث يتم إضافة الأحمال من التقنيات الجديدة ، على سبيل المثال ، الأبراج المكهربة وأنظمة الحماية وتبريد إلكترونيات القوى وتصدير الطاقة وأسلحة الطاقة الموجهة.
ويقدر الجيش الأمريكي أن تلبية هذه الاحتياجات بتقنية التوربينات النفاثة الحالية سيزيد حجم المحرك بنسبة 56٪ ويزيد وزن السيارة بنحو 1400 كجم.لذلك ، عند تطوير محطة توليد الطاقة المتقدمة Advanced Combat Engine (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 للجيل القادم من المحركات العسكرية ، فمن المهم أيضًا تقليل ناتج الحرارة. هذه الحرارة المتولدة هي طاقة مهدرة يتم تبديدها في الفضاء المحيط ، على الرغم من أنه يمكن استخدامها لدفع أو توليد الطاقة الكهربائية. لكن ليس من الممكن دائمًا تحقيق توازن مثالي لجميع هذه المعلمات الثلاثة ، على سبيل المثال ، محرك التوربينات الغازية AGT 1500 لخزان M1 Abrams بسعة 1500 حصان. تتميز بنقل حرارة منخفض وكثافة طاقة عالية ، ولكنها تستهلك وقودًا مرتفعًا جدًا مقارنة بمحركات الديزل.
في الواقع ، تولد المحركات التوربينية الغازية قدرًا كبيرًا من الحرارة ، ولكن تتم إزالة معظمها من خلال أنبوب العادم ، نظرًا لارتفاع معدل تدفق الغاز. نتيجة لذلك ، لا تحتاج توربينات الغاز إلى أنظمة التبريد التي تحتاجها محركات الديزل. لا يمكن تحقيق قدرة عالية محددة لمحركات الديزل إلا من خلال حل مشكلة التحكم الحراري. وأكد براندل أن هذا يرجع أساسًا إلى الحجم المحدود المتاح لمعدات التبريد مثل الأنابيب والمضخات والمراوح والرادياتيرات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الهياكل الواقية مثل الشبكات المقاومة للرصاص تستهلك أيضًا الحجم وتحد من تدفق الهواء ، مما يقلل من كفاءة المراوح.
باتجاه المكابس
كما أشار براندل ، يركز برنامج ACE على محركات الديزل ثنائية الأشواط / متعددة الوقود ذات المكابس المتقابلة بسبب تبديد الحرارة المنخفض المتأصل فيها. في مثل هذه المحركات ، يتم وضع مكبسين في كل أسطوانة ، والتي تشكل غرفة احتراق فيما بينها ، ونتيجة لذلك ، يتم استبعاد رأس الأسطوانة ، ولكن هذا يتطلب وجود عمودين مرفقيين ومنافذ سحب وعادم في جدران الأسطوانة. يعود تاريخ محركات Boxer إلى الثلاثينيات من القرن الماضي ، وقد تم تحسينها باستمرار على مر العقود. هذه الفكرة القديمة لم تسلم من قبل شركة Achates Power ، التي قامت بالتعاون مع Cummins بإحياء هذا المحرك وتحديثه.
قال متحدث باسم Achates Power إن تقنية الملاكم الخاصة بهم قد حسنت الكفاءة الحرارية ، والتي تُترجم إلى فقدان حرارة أقل واحتراق محسّن وتقليل خسائر الضخ. أدى التخلص من رأس الأسطوانة إلى انخفاض كبير في نسبة مساحة السطح إلى الحجم 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 موضوعة بشكل قطري في كل أسطوانة وشكل مكبس حاصل على براءة اختراع لتحسين خليط الهواء / الوقود ، مما يؤدي إلى انخفاض احتراق السخام وتقليل نقل 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 التفجير الحالي له تأثير مفيد على الاقتصاد في استهلاك الوقود والانبعاثات.
يريد الجيش الأمريكي أن تشتمل عائلة ACE من مجموعات نقل الحركة المعيارية القابلة للتطوير على محركات لها نفس التجويف والسكتة الدماغية وعدد الأسطوانات المختلفة: 600-750 حصان. (3 اسطوانات) ؛ 300-1000 حصان (4) ؛ و 1200-1500 حصان. (6). ستشغل كل محطة طاقة حجمًا - يبلغ ارتفاعه 0.53 مترًا وعرضه 1 مترًا واحدًا ، وبالتالي بطول 1.04 مترًا و 1.25 مترًا و 1.6 مترًا.
الأهداف التكنولوجية
أكدت دراسة داخلية للجيش أجريت في عام 2010 فوائد محركات الملاكمين ، مما أدى إلى مشروع الجيل التالي من المحرك القتالي (NGCE) ، والذي عرضت فيه المؤسسات الصناعية تطوراتها في هذا المجال. كانت المهمة للوصول إلى 71 حصان. لكل اسطوانة وبقوة إجمالية 225 حصان. بحلول عام 2015 ، تم تجاوز هذين الرقمين بسهولة في محرك تجريبي تم اختباره في مركز الأبحاث المدرعة.
في فبراير من نفس العام ، منح الجيش عقودًا لشركة AVL Powertrain Engineering و Achates Power لمحركات ACE التجريبية أحادية الأسطوانة في إطار برنامج مدته سنتان ، كان الهدف في إطاره هو تحقيق الخصائص التالية: قوة 250 حصان ، عزم الدوران 678 نيوتن متر ، استهلاك الوقود المحدد 0 ، 14 كجم / حصان / ساعة وتبديد الحرارة أقل من 0.45 كيلو واط / كيلو واط. تم تجاوز جميع المؤشرات ، باستثناء انتقال الحرارة ، هنا لم يكن من الممكن الانخفاض إلى أقل من 0.506 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 مديرية TARDEC للتركيب والاختبار.
سيؤدي الجمع بين محرك بوكسر ومحرك كهربائي هجين إلى تحسين كفاءة المركبات من مختلف الأنواع والأحجام ، العسكرية والمدنية على حد سواء. مع أخذ ذلك في الاعتبار ، أصدرت هيئة البحث والتطوير المتقدمة 2 مليون دولار لشركة Achates لتطوير محرك بوكسر متقدم أحادي الأسطوانة للمركبات الهجينة المستقبلية ؛ في هذا المشروع تتعاون الشركة مع جامعتي ميشيغان ونيسان.
التحكم في المكبس
وفقًا للمفهوم ، تم دمج هذا المحرك لأول مرة بشكل وثيق مع النظام الفرعي الكهربائي ومحرك الاحتراق الداخلي ، حيث يدور كل من أعمدة الكرنك ويمكن تشغيله 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 كهربائيًا وتقوم مجموعات المولدات بشحن حزمة البطارية لتوسيع النطاق. بدون اتصال ميكانيكي بين الأعمدة ، لا تنتقل اللحظة ، مما يؤدي إلى انخفاض الأحمال. نتيجة لذلك ، يمكن جعلها أخف وزنا ، وتقليل الوزن والحجم العام ، والاحتكاك والضوضاء ، وتقليل التكاليف.
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 تحسين كفاءة محرك الاحتراق الداخلي." أكد متحدث باسم Achates أن هذا التكوين يسمح بالتحكم في توقيت العمود المرفقي ، مما يفتح إمكانيات جديدة. "نحن نسعى جاهدين لتحسين كفاءة التحكم في المكبس ، والذي لا يتوفر مع الاتصالات الميكانيكية التقليدية."
في هذه المرحلة ، هناك القليل من المعلومات المتاحة فيما يتعلق بكيفية استخدام التحكم المستقل في المكبس ، ولكن من الناحية النظرية ، من الممكن جعل الشوط أكبر من ضربة الانضغاط ، على سبيل المثال ، وبالتالي استخراج المزيد من الطاقة من شحنة الهواء / الوقود خليط. 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.
لفترة طويلة ، كان من الواضح أن التحسينات الكبيرة في التقنيات الناضجة ، مثل محركات الاحتراق الداخلي ، ليس من السهل تحقيقها ، لكن محركات الملاكم المتقدمة يمكن أن تكون هي ما يمكن أن يوفر مزايا حقيقية للمركبات العسكرية ، خاصة عند دمجها مع أنظمة الدفع الكهربائية. …
