Die Energie, die zum Antrieb von Landfahrzeugen und zum Betrieb ihrer Systeme und Aggregate benötigt wird, wird traditionell von Dieselmotoren bereitgestellt. Die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erhöht nicht nur die Reichweite, sondern reduziert auch den Logistikaufwand, der durch die Vorhaltung von Kraftstoffreserven bestimmt wird, und erhöht die Sicherheit des Servicepersonals im Fond bei der Wartung von Geräten.
Hier strebt die Bundeswehr eine Lösung an, bei der der hohe Wirkungsgrad und die hohe spezifische Verbrennungswärme von Dieselkraftstoff, die Systemen mit Elektroantrieb innewohnen, in einem „Team“zusammenwirken. Neue Hybridlösungen und fortschrittliche Verbrennungsmotoren haben neben dem leisen Einzel-Elektroantrieb, der leisen Überwachung (batteriebetriebene Sensoren im Stand) und der Stromerzeugung für externe Verbraucher das Potenzial, große praktische Vorteile zu bieten.
Potenzial im Antriebsstrang
Research Canada (DRDC) beispielsweise untersucht die Machbarkeit von hybriden dieselelektrischen Antriebssträngen. Die FDA veröffentlichte ihre Forschung im Jahr 2018 und konzentrierte sich auf leichte taktische Plattformen wie das HMMWV, ultraleichte Kampffahrzeuge der DAGOR-Klasse und kleine ein- und mehrsitzige ATVs.
Der Bericht „Feasibility of Hybrid Diesel-Electric Powertrains for Light Tactical Vehicles“stellt fest, dass Hybride in den meisten Fahrmodi, in denen Geschwindigkeiten und Lasten erheblich variieren (typischerweise im Gelände), eine um 15 bis 20 % bessere Kraftstoffeffizienz in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch aufweisen traditioneller mechanisch angetriebener Maschinen, insbesondere wenn regeneratives Bremsen verwendet wird. Darüber hinaus arbeiten Verbrennungsmotoren, einschließlich Dieselmotoren, am besten, wenn sie mit sorgfältig ausgewählten konstanten Drehzahlen betrieben werden, was für sequentielle Hybridsysteme typisch ist, bei denen der Motor nur als Generator arbeitet.
Wie der Bericht feststellt, kann der Motor so abgestimmt werden, dass er nur die durchschnittlich benötigte Leistung liefert, da die Motorleistung durch Batterien während kurzer Zeiträume mit Spitzenstromverbrauch ergänzt werden kann, wobei kleinere Triebwerke im Allgemeinen weniger Kraftstoff verbrauchen, wenn alle anderen Bedingungen gleich sind.
Bei ausreichender Batteriekapazität können Hybride auch bei ausgeschaltetem Motor und funktionierender Sensorik, Elektronik und Kommunikationssystemen lange Zeit im Silent-Monitoring-Modus bleiben. Darüber hinaus kann das System externe Geräte mit Strom versorgen, Batterien aufladen und sogar ein Militärlager mit Strom versorgen, wodurch der Bedarf an gezogenen Generatoren reduziert wird.
Während Hybridantriebe eine überlegene Leistung in Bezug auf Geschwindigkeit, Beschleunigung und Steigfähigkeit bieten, kann der Akkupack schwer und unhandlich sein, was zu einer geringeren Nutzlast führt, sagte DRDC. Dies kann bei Ultraleichtfahrzeugen und einsitzigen ATVs ein Problem sein. Außerdem werden bei niedrigen Temperaturen die Eigenschaften der Batterien selbst reduziert, sie haben oft Probleme beim Laden und der Temperaturregelung.
Obwohl sequentielle Hybride das mechanische Getriebe überflüssig machen, macht die Notwendigkeit von Motor, Generator, Leistungselektronik und Batterie sie letztendlich unweigerlich schwierig und teuer in der Anschaffung und Wartung.
Auch von den meisten Batterieelektrolyten können bei Beschädigung Risiken ausgehen, beispielsweise entzünden sich Lithium-Ionen-Zellen bekanntlich bei Beschädigung. Ob dies ein größeres Risiko darstellt als die Versorgung mit Dieselkraftstoff, ist vielleicht strittig, weist der Bericht darauf hin, aber Hybride bergen beide Risiken.
Kombinationsauswahl
Die beiden Hauptschemata zum Kombinieren von Verbrennungsmotoren mit elektrischen Geräten sind seriell und parallel. Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der seriellen Hybridplattform um eine elektrische Maschine mit Generator, während parallel ein Verbrennungsmotor und ein Fahrmotor vorhanden sind, die über ein mit ihnen verbundenes mechanisches Getriebe die Kraft auf die Räder übertragen. Das bedeutet, dass der Motor oder Fahrmotor die Maschine einzeln antreiben oder zusammenarbeiten können.
Bei beiden Hybridtypen handelt es sich bei der elektrischen Komponente typischerweise um einen Motor-Generator-Satz (MGU), der elektrische Energie in Bewegung umwandeln kann und umgekehrt. Es kann ein Auto fahren, eine Batterie laden, einen Motor starten und bei Bedarf durch regeneratives Bremsen Energie sparen.
Sowohl Reihen- als auch Parallelhybride verlassen sich auf die Leistungselektronik, um die Batterieleistung zu verwalten und die Batterietemperatur zu regulieren. Sie liefern auch die Spannung und Stromstärke, die der Generator an die Batterien und die Batterien wiederum an die Elektromotoren liefern muss.
Bei dieser Leistungselektronik handelt es sich um Halbleiter-Wechselrichter auf Basis von Siliziumkarbid-Halbleitern, deren Nachteile in der Regel Größe und Kosten sowie Verlustwärme sind. Leistungselektronik erfordert auch eine Steuerelektronik, die derjenigen ähnlich ist, die einen Verbrennungsmotor antreibt.
Bisher bestand die Geschichte elektrisch angetriebener Militärfahrzeuge aus experimentellen und ehrgeizigen Entwicklungsprogrammen, die schließlich abgeschlossen wurden. Im Realbetrieb gibt es noch keine hybriden Militärfahrzeuge, insbesondere im Bereich der leichten taktischen Fahrzeuge bleiben einige ungelöste technologische Probleme. Für zivile Fahrzeuge können diese Probleme als weitgehend gelöst betrachtet werden, da sie unter wesentlich günstigeren Bedingungen betrieben werden.
Elektroautos haben sich als sehr schnell erwiesen. Zum Beispiel kann der experimentelle batteriebetriebene Viersitzer Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) von Nikola Motor in 4 Sekunden von 0 auf 97 km / h beschleunigen und hat eine Reichweite von 241 km.
„Das Layout ist jedoch eine dieser großen Herausforderungen“, heißt es im DRDC-Bericht. Die Größe, das Gewicht und die Wärmeableitung von Batteriepacks sind ziemlich groß, und es muss ein Kompromiss zwischen der Gesamtenergiekapazität und der momentanen Leistung eingegangen werden, die sie bei einer gegebenen Masse und einem gegebenen Volumen liefern können. Die Volumenzuweisung für Hochspannungskabel, ihre Zuverlässigkeit und Sicherheit sind ebenso Engpässe wie Größe, Gewicht, Kühlung, Zuverlässigkeit und Wasserdichtigkeit der Leistungselektronik.
Hitze und Staub
Der Bericht sagte, dass die Temperaturschwankungen, denen Militärfahrzeuge ausgesetzt sind, vielleicht das größte Problem sind, da Lithium-Ionen-Batterien bei Minustemperaturen nicht aufgeladen werden und Heizsysteme die Komplexität erhöhen und Energie benötigen. Batterien, die beim Entladen überhitzen, sind potenziell gefährlich, sie müssen gekühlt oder auf einen reduzierten Modus reduziert werden, während Motoren und Generatoren auch überhitzen können, vergessen Sie schließlich nicht die zur Entmagnetisierung neigenden Permanentmagnete.
Ebenso sinkt bei Temperaturen über etwa 65 °C der Wirkungsgrad von Geräten wie IGBT-Wechselrichtern und muss daher gekühlt werden, obwohl neuere Leistungselektronik auf Basis von Siliziumkarbid-Halbleitern oder Galliumnitrid neben dem Betrieb mit erhöhter Spannung auch höheren Temperaturen standhält und kann daher vom Motorkühlsystem gekühlt werden.
Darüber hinaus erschweren die Stöße und Vibrationen durch unwegsames Gelände sowie die möglichen Schäden, die durch Beschuss und Explosionen verursacht werden könnten, die Integration elektrischer Antriebstechnologie in leichte Militärfahrzeuge, heißt es in dem Bericht.
Der Bericht kommt zu dem Schluss, dass DRDC einen Technologiedemonstrator bestellen sollte. Es handelt sich um ein relativ einfaches, leichtes, sequentielles taktisches Hybridfahrzeug mit Elektromotoren, die entweder in den Radnaben oder in den Achsen installiert sind, der Dieselmotor ist auf die entsprechende Spitzenleistung abgestimmt und ein Satz Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren sind installiert, um die Beschleunigung und das Steigen zu verbessern. Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren speichern für kurze Zeit eine sehr große Ladung und können diese sehr schnell abgeben, um Leistungsimpulse zu erzeugen. Das Auto wird entweder gar nicht oder eine sehr kleine Batterie installiert, beim regenerativen Bremsen wird Strom erzeugt, wodurch die Modi der stillen Bewegung und der stillen Beobachtung ausgeschlossen sind.
Allein zu den Rädern geführte Stromkabel, die das mechanische Getriebe und die Antriebswellen ersetzen, reduzieren das Gewicht der Maschine erheblich und verbessern den Explosionsschutz, da die Streuung von Sekundärschmutz und Fragmenten vermieden wird. Ohne Batterie wird das Innenvolumen für Besatzung und Nutzlast größer und sicherer, und die Probleme bei der Wartung und dem Wärmemanagement von Lithium-Ionen-Batterien entfallen.
Darüber hinaus werden bei der Erstellung eines Prototyps folgende Ziele gesetzt: geringerer Kraftstoffverbrauch eines relativ kleinen Dieselmotors mit konstanter Drehzahl kombiniert mit Energierückgewinnung, erhöhte Stromerzeugung für den Betrieb von Sensoren oder Energieexport, erhöhte Zuverlässigkeit und verbesserter Service.
Den Beulen ist es egal
Wie Bruce Brandl vom Armored Research Center (TARDEC) bei einem Vortrag zur Motorenentwicklung erklärte, will die US-Armee ein Antriebssystem, das es ihren Kampffahrzeugen ermöglicht, sich mit höheren Geschwindigkeiten durch schwierigeres Gelände zu bewegen, wodurch der Geländeanteil deutlich reduziert wird in Kriegsgebieten, auf denen sich aktuelle Autos nicht bewegen können. Das sogenannte unpassierbare Gelände macht etwa 22% dieser Zonen aus und die Armee will diese Zahl auf 6% reduzieren. Außerdem wollen sie die Durchschnittsgeschwindigkeit in den meisten Bereichen von heute 16 km/h auf 24 km/h erhöhen.
Darüber hinaus betonte Brandl, dass der Energiebedarf an Bord auf mindestens 250 kW gesteigert werden soll, also über dem, was die Generatoren der Maschine leisten können, da Lasten aus neuen Technologien wie elektrifizierten Türmen und Schutzsystemen hinzukommen, Kühlung von Leistungselektronik., Energieexport und gerichtete Energiewaffen.
Die US-Armee schätzt, dass die Erfüllung dieser Anforderungen mit der aktuellen Turbodiesel-Technologie das Motorvolumen um 56 % und das Fahrzeuggewicht um etwa 1400 kg erhöhen wird. Daher wurde bei der Entwicklung seines fortschrittlichen Kraftwerks Advanced Combat Engine (ACE) die Hauptaufgabe gestellt - die Gesamtleistungsdichte von 3 PS / cu zu verdoppeln. ft bis 6 PS / cu. Fuß.
Während eine höhere Leistungsdichte und eine bessere Kraftstoffeffizienz für die nächste Generation von Militärmotoren sehr wichtig sind, ist es ebenso wichtig, die Wärmeabgabe zu reduzieren. Diese erzeugte Wärme ist verschwendete Energie, die an den umgebenden Raum abgegeben wird, obwohl sie zum Antrieb oder zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden könnte. Aber es ist bei weitem nicht immer möglich, eine perfekte Balance all dieser drei Parameter zu erreichen, zum Beispiel das AGT 1500 Gasturbinentriebwerk des M1 Abrams Panzers mit einer Leistung von 1500 PS. hat eine geringe Wärmeübertragung und eine hohe Leistungsdichte, aber einen sehr hohen Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu Dieselmotoren.
Tatsächlich erzeugen Gasturbinentriebwerke eine große Wärmemenge, die jedoch aufgrund des hohen Gasdurchsatzes größtenteils über das Abgasrohr abgeführt wird. Dadurch benötigen Gasturbinen nicht die Kühlsysteme, die Dieselmotoren benötigen. Eine hohe spezifische Leistung von Dieselmotoren kann nur durch die Lösung des Problems der thermischen Kontrolle erreicht werden. Brandl betonte, dass dies vor allem auf das begrenzte Volumen für Kühlgeräte wie Rohrleitungen, Pumpen, Lüfter und Radiatoren zurückzuführen sei. Darüber hinaus nehmen Schutzstrukturen wie kugelsichere Gitter auch Volumen auf und schränken den Luftstrom ein, wodurch die Effizienz der Lüfter reduziert wird.
Kolben in Richtung
Wie Brandl feststellte, konzentriert sich das ACE-Programm aufgrund der inhärent geringen Wärmeableitung auf Zweitakt-Diesel-/Mehrstoffmotoren mit gegenläufigen Kolben. Bei solchen Motoren sind in jedem Zylinder zwei Kolben angeordnet, die zwischen sich einen Brennraum bilden, dadurch wird der Zylinderkopf ausgenommen, dies erfordert jedoch zwei Kurbelwellen und eine Ein- und Auslassöffnungen in den Zylinderwänden. Boxermotoren stammen aus den 1930er Jahren und wurden über die Jahrzehnte kontinuierlich verbessert. Diese alte Idee blieb auch von der Firma Achates Power nicht verschont, die in Zusammenarbeit mit Cummins diesen Motor wiederbelebte und modernisierte.
Ein Sprecher von Achates Power sagte, dass ihre Boxer-Technologie einen verbesserten thermischen Wirkungsgrad hat, was sich in geringeren Wärmeverlusten, verbesserter Verbrennung und reduzierten Pumpverlusten niederschlägt. Durch den Wegfall des Zylinderkopfes wurde das Oberflächen-Volumen-Verhältnis im Brennraum und damit die Wärmeübertragung und -abgabe im Motor deutlich reduziert. Im Gegensatz dazu enthält der Zylinderkopf bei einem herkömmlichen Viertaktmotor viele der heißesten Komponenten und ist die Hauptquelle für die Wärmeübertragung an das Kühlmittel und die umgebende Atmosphäre.
Das Achates-Verbrennungssystem verwendet zwei diametral in jedem Zylinder positionierte Kraftstoffeinspritzdüsen und eine patentierte Kolbenform, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu optimieren, was zu einer rußarmen Verbrennung und einer reduzierten Wärmeübertragung an die Brennkammerwände führt. Eine neue Ladung des Gemischs wird in den Zylinder eingespritzt und Abgase treten durch die Öffnungen aus, unterstützt von einem Kompressor, der Luft durch den Motor pumpt. Achates weist darauf hin, dass sich diese Direktstromabschlämmung positiv auf den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen auswirkt.
Die US-Armee möchte, dass die ACE-Familie modular skalierbarer Antriebsstränge Motoren mit gleicher Bohrung und gleichem Hub und unterschiedlicher Zylinderzahl umfasst: 600-750 PS. (3 Zylinder); 300-1000 PS (4); und 1200-1500 PS. (6). Jedes Kraftwerk nimmt ein Volumen ein - eine Höhe von 0,53 m und eine Breite von 1, 1 m und dementsprechend eine Länge von 1, 04 m, 1, 25 m und 1,6 m.
Technologische Ziele
Eine armeeinterne Studie aus dem Jahr 2010 bestätigte die Vorteile von Boxermotoren und mündete in das Projekt Next-Generation Combat Engine (NGCE), in dem Industrieunternehmen ihre Entwicklungen in diesem Bereich präsentierten. Die Aufgabe bestand darin, 71 PS zu erreichen. pro Zylinder und einer Gesamtleistung von 225 PS. Bis 2015 wurden diese beiden Zahlen an einem experimentellen Triebwerk, das im Armored Research Center getestet wurde, leicht übertroffen.
Im Februar desselben Jahres vergab die Armee AVL Powertrain Engineering und Achates Power im Rahmen eines zweijährigen Programms Aufträge für experimentelle ACE-Einzylindermotoren, in deren Rahmen folgende Eigenschaften erreicht werden sollten: Leistung 250 PS, Drehmoment 678 Nm, spezifischer Kraftstoffverbrauch 0,14 kg / PS / h und Wärmeabgabe weniger als 0,45 kW / kW. Alle Indikatoren wurden überschritten, mit Ausnahme der Wärmeübertragung, hier war eine Unterschreitung von 0,506 kW / kW nicht möglich.
Im Sommer 2017 begannen Cummins und Achates im Rahmen des ACE Multi-Cylinder Engine (MCE)-Vertrags mit der Demonstration eines 1.000 PS starken Vierzylindermotors. Drehmoment von 2700 Nm und die gleichen Anforderungen an spezifischen Kraftstoffverbrauch und Wärmeübertragung. Der erste Motor wurde im Juli 2018 gefertigt und Ende desselben Jahres wurden erste Betriebstests abgeschlossen. Im August 2019 wurde der Motor zum Einbau und Test an TARDEC geliefert.
Die Kombination aus Boxermotor und Hybrid-Elektroantrieb würde die Effizienz von Militär- und Zivilfahrzeugen unterschiedlicher Art und Größe verbessern. Vor diesem Hintergrund hat die Advanced Research and Development Authority Achates 2 Millionen US-Dollar für die Entwicklung eines fortschrittlichen Einzylinder-Boxermotors für zukünftige Hybridfahrzeuge gewährt; bei diesem Projekt arbeitet das Unternehmen mit der University of Michigan und Nissan zusammen.
Kolbensteuerung
Dem Konzept entsprechend sind bei diesem Motor erstmals das elektrische Teilsystem und der Verbrennungsmotor so eng integriert, dass jede der beiden Kurbelwellen rotiert und von einem eigenen Motor-Generator-Satz angetrieben werden kann; zwischen den Wellen besteht keine mechanische Verbindung.
Achates bestätigte, dass der Motor nur für sequentielle Hybridsysteme ausgelegt ist, da die gesamte erzeugte Leistung elektrisch übertragen wird und die Aggregate den Akkupack laden, um die Reichweite zu erhöhen. Ohne mechanische Verbindung zwischen den Wellen wird das Moment nicht übertragen, was zu einer Verringerung der Belastungen führt. Als Ergebnis können sie leichter gemacht werden, das Gesamtgewicht und die Größe, Reibung und Geräusche reduzieren und die Kosten senken.
Am wichtigsten ist vielleicht, dass die entkoppelten Kurbelwellen durch den Einsatz von Leistungselektronik eine unabhängige Steuerung jedes Kolbens ermöglichen. "Dies ist ein wichtiger Teil unseres Projekts, es ist wichtig herauszufinden, wie die Entwicklung von Elektromotoren und Steuerungen die Effizienz des Verbrennungsmotors verbessern könnte." Ein Achates-Sprecher bestätigte, dass diese Konfiguration eine Kurbelwellen-Timing-Steuerung ermöglicht, die neue Möglichkeiten eröffnet. "Wir bemühen uns, die Effizienz der Kolbensteuerung zu verbessern, die mit herkömmlicher mechanischer Kommunikation nicht verfügbar ist."
Derzeit gibt es nur wenige Informationen darüber, wie eine unabhängige Kolbensteuerung verwendet werden kann, aber theoretisch ist es möglich, den Hub beispielsweise größer als den Kompressionshub zu machen und dadurch mehr Energie aus der Ladung des Luft-Kraftstoff-Gemisches zu gewinnen. Ein ähnliches Schema wird in Viertakt-Atkinson-Motoren implementiert, die in Hybridautos eingebaut sind. Beim Toyota Prius wird dies beispielsweise durch variable Ventilsteuerung erreicht.
Lange Zeit war klar, dass große Verbesserungen bei ausgereiften Technologien wie Verbrennungsmotoren nicht einfach zu erreichen sind, aber fortschrittliche Boxermotoren könnten Militärfahrzeuge echte Vorteile bringen, insbesondere in Kombination mit elektrischen Antriebssystemen. …
