Energi yang dibutuhkan untuk mendorong kendaraan darat dan untuk mengoperasikan sistem dan rakitannya secara tradisional disediakan oleh mesin diesel. Mengurangi konsumsi bahan bakar tidak hanya meningkatkan jangkauan, tetapi juga mengurangi jumlah logistik, yang ditentukan oleh pemeliharaan cadangan bahan bakar, dan meningkatkan perlindungan personel servis belakang dalam proses servis peralatan.
Dalam hal ini, angkatan bersenjata berusaha untuk menemukan solusi di mana efisiensi tinggi dan panas spesifik tinggi pembakaran bahan bakar diesel yang melekat pada sistem dengan penggerak listrik akan bekerja dalam satu "tim". Solusi hibrid baru dan mesin pembakaran canggih memiliki potensi untuk menawarkan manfaat praktis yang luar biasa di samping penggerak listrik tunggal yang senyap, pemantauan yang senyap (sensor yang dioperasikan dengan baterai saat tidak bergerak), dan pembangkit listrik untuk konsumen eksternal.
Potensi kereta listrik
Research Canada (DRDC), misalnya, sedang menyelidiki kelayakan powertrains diesel-listrik hibrida. FDA menerbitkan penelitiannya pada tahun 2018, dengan fokus pada platform taktis ringan seperti HMMWV, kendaraan tempur ultralight kelas DAGOR, dan ATV kecil tunggal dan multi-kursi.
Laporan Kelayakan Hybrid Diesel-Electric Powertrains untuk Kendaraan Taktis Ringan mencatat bahwa di sebagian besar mode mengemudi di mana kecepatan dan beban sangat bervariasi (biasanya off-road), hibrida memiliki efisiensi bahan bakar 15% -20% lebih baik dalam hal penghematan bahan bakar. mesin tradisional yang digerakkan secara mekanis, terutama saat menggunakan pengereman regeneratif. Selain itu, mesin pembakaran internal, termasuk mesin diesel, bekerja paling baik bila dioperasikan pada rpm konstan yang dipilih dengan cermat, yang merupakan tipikal sistem hybrid sekuensial di mana mesin hanya beroperasi sebagai generator.
Sebagai catatan laporan, karena tenaga mesin dapat dilengkapi dengan baterai selama periode singkat konsumsi daya puncak, mesin dapat disetel hanya untuk memberikan daya rata-rata yang dibutuhkan, dengan pembangkit listrik yang lebih kecil umumnya menggunakan lebih sedikit bahan bakar, semua hal lain dianggap sama.
Dengan kapasitas baterai yang memadai, hibrida juga dapat tetap dalam mode pemantauan diam untuk waktu yang lama dengan mesin dimatikan dan sensor kerja, elektronik, dan sistem komunikasi. Selain itu, sistem ini dapat memberi daya pada peralatan eksternal, mengisi baterai, dan bahkan memberi daya pada kamp militer, sehingga mengurangi kebutuhan akan generator derek.
Sementara drive hibrid menawarkan kinerja yang unggul dalam hal kecepatan, akselerasi, dan kemampuan menanjak, paket baterai bisa menjadi berat dan berat, sehingga mengurangi muatan, kata DRDC. Ini bisa menjadi masalah untuk kendaraan ultraringan dan ATV satu tempat duduk. Selain itu, pada suhu rendah, karakteristik baterai itu sendiri berkurang, mereka sering mengalami masalah dengan pengisian daya dan kontrol suhu.
Meskipun hibrida sekuensial menghilangkan transmisi mekanis, kebutuhan akan mesin, generator, elektronika daya, dan baterai pasti membuat mereka pada akhirnya sulit dan mahal untuk dibeli dan dirawat.
Sebagian besar elektrolit baterai juga dapat menimbulkan risiko saat rusak, misalnya, sel lithium-ion diketahui menyala saat rusak. Apakah ini menimbulkan risiko yang lebih besar daripada memasok bahan bakar diesel mungkin masih diperdebatkan, laporan itu menunjukkan, tetapi hibrida membawa kedua risiko tersebut.
Pilihan kombinasi
Dua skema utama untuk menggabungkan mesin pembakaran internal dengan perangkat listrik adalah serial dan paralel. Seperti disebutkan di atas, platform hibrida serial adalah mesin listrik dengan generator, sedangkan secara paralel ada mesin dan motor traksi, yang, melalui transmisi mekanis yang terhubung dengannya, mentransmisikan daya ke roda. Ini berarti bahwa mesin atau motor traksi dapat menggerakkan mesin secara individual, atau mereka dapat bekerja bersama.
Pada kedua jenis hybrid tersebut, komponen kelistrikan biasanya berupa motor-generator set (MGU), yang dapat mengubah energi listrik menjadi gerak dan sebaliknya. Itu dapat mengendarai mobil, mengisi baterai, menyalakan mesin dan, jika perlu, menghemat energi melalui pengereman regeneratif.
Baik hibrida seri maupun paralel mengandalkan elektronika daya untuk mengelola daya baterai dan mengatur suhu baterai. Mereka juga menyediakan tegangan dan arus listrik yang harus disuplai generator ke baterai dan baterai pada gilirannya ke motor listrik.
Elektronik daya ini hadir dalam bentuk inverter semikonduktor berdasarkan semikonduktor silikon karbida, yang kerugiannya, sebagai aturan, termasuk ukuran dan biaya besar, serta kehilangan panas. Elektronika daya juga memerlukan elektronik kontrol yang serupa dengan yang menggerakkan mesin pembakaran internal.
Hingga saat ini, sejarah kendaraan militer bertenaga listrik terdiri dari program pengembangan eksperimental dan ambisius yang akhirnya ditutup. Dalam operasi nyata, masih belum ada kendaraan militer hibrida, khususnya di bidang kendaraan taktis ringan, masih ada beberapa masalah teknologi yang belum terselesaikan. Masalah-masalah ini dapat dianggap sebagian besar diselesaikan untuk kendaraan sipil karena mereka beroperasi dalam kondisi yang jauh lebih menguntungkan.
Mobil listrik telah menunjukkan diri mereka sangat cepat. Misalnya, Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) empat tempat duduk bertenaga baterai eksperimental Nikola Motor dapat berakselerasi dari 0 hingga 97 km / jam dalam 4 detik dan memiliki jangkauan 241 km.
"Tata letak, bagaimanapun, adalah salah satu tantangan besar itu," kata laporan DRDC. Ukuran, berat, dan pembuangan panas dari kemasan baterai cukup besar, dan kompromi harus dibuat antara kapasitas energi total dan daya sesaat yang dapat mereka berikan untuk massa dan volume tertentu. Alokasi volume untuk kabel tegangan tinggi, keandalan dan keamanannya juga merupakan hambatan bersama dengan ukuran, berat, pendinginan, keandalan, dan kedap air elektronika daya.
Panas dan debu
Laporan tersebut mengatakan perubahan suhu yang dihadapi oleh kendaraan militer mungkin merupakan masalah terbesar, karena baterai lithium-ion tidak akan terisi daya dalam suhu di bawah nol dan sistem pemanas menambah kerumitan dan membutuhkan energi. Baterai yang terlalu panas selama pelepasan berpotensi berbahaya, mereka harus didinginkan atau dikurangi ke mode yang dikurangi, sementara motor dan generator juga dapat menjadi terlalu panas, akhirnya, jangan lupakan magnet permanen, yang rentan terhadap demagnetisasi.
Demikian juga, pada suhu di atas sekitar 65 ° C, efisiensi perangkat seperti inverter IGBT menurun dan oleh karena itu membutuhkan pendinginan, meskipun elektronika daya yang lebih baru berdasarkan semikonduktor silikon karbida atau galium nitrida, selain beroperasi pada tegangan yang meningkat, tahan terhadap suhu yang lebih tinggi dan, oleh karena itu, dapat didinginkan dari sistem pendingin mesin.
Selain itu, goncangan dan getaran dari medan yang kasar, ditambah potensi kerusakan yang dapat disebabkan oleh penembakan dan ledakan, juga menyulitkan untuk mengintegrasikan teknologi penggerak listrik ke dalam kendaraan militer ringan, catat laporan itu.
Laporan tersebut menyimpulkan bahwa DRDC harus memesan demonstran teknologi. Ini adalah kendaraan taktis hibrida sekuensial ringan yang relatif sederhana dengan motor listrik dipasang baik di hub roda atau di gandar, mesin diesel disetel ke daya puncak yang sesuai, dan satu set super atau ultrakapasitor dipasang untuk meningkatkan akselerasi dan kemampuan menanjak.. Superkapasitor atau ultrakapasitor menyimpan muatan yang sangat besar untuk waktu yang singkat dan dapat melepaskannya dengan sangat cepat untuk menghasilkan pulsa daya. Mobil tidak akan mati sama sekali, atau baterai yang sangat kecil akan dipasang, listrik akan dihasilkan selama proses pengereman regeneratif, akibatnya, mode gerakan diam dan pengamatan diam dikecualikan.
Kabel daya yang mengalir ke roda saja, menggantikan transmisi mekanis dan poros penggerak, akan secara signifikan mengurangi bobot alat berat dan meningkatkan perlindungan ledakan, karena hamburan serpihan dan serpihan sekunder dihilangkan. Tanpa baterai, volume internal untuk kru dan muatan akan meningkat dan menjadi lebih aman, dan masalah yang terkait dengan pemeliharaan dan manajemen termal baterai lithium-ion akan dihilangkan.
Selain itu, tujuan berikut ditetapkan saat membuat prototipe: konsumsi bahan bakar yang lebih rendah dari mesin diesel yang relatif kecil yang beroperasi pada rpm konstan, dikombinasikan dengan pemulihan energi, peningkatan pembangkit listrik untuk sensor operasi atau ekspor energi, peningkatan keandalan, dan peningkatan layanan.
Benjolan tidak peduli
Seperti yang dijelaskan Bruce Brandl dari Pusat Penelitian Lapis Baja (TARDEC) pada presentasi tentang pengembangan mesin, Angkatan Darat AS menginginkan sistem propulsi yang memungkinkan kendaraan tempurnya bergerak melalui medan yang lebih sulit dengan kecepatan lebih tinggi, yang secara signifikan akan mengurangi persentase medan. di zona perang di mana mobil saat ini tidak bisa bergerak. Apa yang disebut medan yang tidak dapat dilewati membentuk sekitar 22% dari zona ini dan tentara ingin mengurangi angka ini menjadi 6%. Mereka juga ingin meningkatkan kecepatan rata-rata di sebagian besar wilayah dari 16 km/jam saat ini menjadi 24 km/jam.
Selain itu, Brandl menekankan bahwa permintaan energi di kapal direncanakan untuk ditingkatkan menjadi setidaknya 250 kW, yaitu, lebih tinggi dari yang dapat disediakan oleh generator mesin, karena beban ditambahkan dari teknologi baru, misalnya, menara berlistrik dan sistem perlindungan., pendinginan elektronika daya., ekspor energi dan senjata energi terarah.
Angkatan Darat AS memperkirakan bahwa memenuhi kebutuhan ini dengan teknologi turbodiesel saat ini akan meningkatkan volume mesin sebesar 56% dan bobot kendaraan sekitar 1400 kg. Oleh karena itu, ketika mengembangkan pembangkit listrik canggihnya Advanced Combat Engine (ACE), tugas utama ditetapkan - untuk menggandakan kepadatan daya total dari 3 hp / cu. kaki sampai 6 hp / cu. kaki.
Sementara kepadatan daya yang lebih tinggi dan efisiensi bahan bakar yang lebih baik sangat penting untuk mesin militer generasi berikutnya, sama pentingnya untuk mengurangi keluaran panas. Panas yang dihasilkan ini adalah energi yang terbuang yang dibuang ke ruang sekitarnya, meskipun dapat digunakan untuk mendorong atau menghasilkan energi listrik. Tetapi jauh dari selalu mungkin untuk mencapai keseimbangan sempurna dari ketiga parameter ini, misalnya, mesin turbin gas AGT 1500 dari tangki M1 Abrams dengan kapasitas 1500 hp. memiliki perpindahan panas yang rendah dan kepadatan daya yang tinggi, tetapi konsumsi bahan bakar yang sangat tinggi dibandingkan dengan mesin diesel.
Faktanya, mesin turbin gas menghasilkan sejumlah besar panas, tetapi sebagian besar dikeluarkan melalui pipa knalpot, karena laju aliran gas yang tinggi. Akibatnya, turbin gas tidak membutuhkan sistem pendingin yang dibutuhkan mesin diesel. Daya spesifik yang tinggi dari mesin diesel hanya dapat dicapai dengan memecahkan masalah kontrol termal. Brandl menekankan bahwa ini terutama disebabkan oleh terbatasnya volume yang tersedia untuk peralatan pendingin seperti perpipaan, pompa, kipas, dan radiator. Selain itu, struktur pelindung seperti kisi-kisi anti peluru juga mengambil volume dan membatasi aliran udara, sehingga mengurangi efisiensi kipas.
Piston ke arah
Seperti yang dicatat oleh Brandl, program ACE berfokus pada mesin diesel / multi-bahan bakar dua langkah dengan piston yang berlawanan karena disipasi panas yang rendah. Pada mesin seperti itu, dua piston ditempatkan di setiap silinder, yang membentuk ruang bakar di antara mereka sendiri, sebagai akibatnya, kepala silinder dikeluarkan, tetapi ini membutuhkan dua poros engkol dan port intake dan exhaust di dinding silinder. Mesin Boxer berasal dari tahun 1930-an dan terus ditingkatkan selama beberapa dekade. Ide lama ini tidak luput dari perusahaan Achates Power, yang bekerja sama dengan Cummins, menghidupkan kembali dan memodernisasi mesin ini.
Seorang juru bicara Achates Power mengatakan teknologi petinju mereka telah meningkatkan efisiensi termal, yang diterjemahkan menjadi kehilangan panas yang lebih rendah, meningkatkan pembakaran dan mengurangi kerugian pemompaan. Penghapusan kepala silinder secara signifikan mengurangi rasio luas permukaan terhadap volume di ruang bakar dan dengan demikian transfer dan pelepasan panas di mesin. Sebaliknya, dalam mesin empat langkah tradisional, kepala silinder mengandung banyak komponen terpanas dan merupakan sumber utama perpindahan panas ke pendingin dan atmosfer sekitarnya.
Sistem pembakaran Achates menggunakan injektor bahan bakar kembar yang diposisikan secara diametris di setiap silinder dan bentuk piston yang dipatenkan untuk mengoptimalkan campuran udara/bahan bakar, menghasilkan pembakaran jelaga yang rendah dan mengurangi perpindahan panas ke dinding ruang bakar. Muatan baru dari campuran disuntikkan ke dalam silinder, dan gas buang keluar melalui port, dibantu oleh supercharger yang memompa udara melalui mesin. Achates menunjukkan bahwa co-current blowdown ini memiliki efek menguntungkan pada penghematan bahan bakar dan emisi.
Angkatan Darat AS menginginkan keluarga ACE dari powertrain terukur modular untuk memasukkan mesin dengan bore dan stroke yang sama dan jumlah silinder yang berbeda: 600-750 hp. (3 silinder); 300-1000 HP (4); dan 1200-1500 hp. (6). Setiap pembangkit listrik akan menempati volume - tinggi 0,53 m dan lebar 1, 1 m dan, karenanya, panjang 1,04 m, 1,25 m, dan 1,6 m.
Tujuan teknologi
Sebuah studi internal Angkatan Darat yang dilakukan pada tahun 2010 mengkonfirmasi manfaat mesin boxer, menghasilkan proyek Next-Generation Combat Engine (NGCE), di mana perusahaan industri mempresentasikan perkembangan mereka di bidang ini. Tugasnya mencapai 71 hp. per silinder dan tenaga total 225 hp. Pada tahun 2015, kedua angka ini dengan mudah dilampaui pada mesin eksperimental yang diuji di Pusat Penelitian Lapis Baja.
Pada bulan Februari tahun yang sama, tentara memberikan kontrak kepada AVL Powertrain Engineering dan Achates Power untuk mesin silinder tunggal ACE eksperimental di bawah program dua tahun, dalam kerangka yang tujuannya adalah untuk mencapai karakteristik berikut: daya 250 hp, torsi 678 Nm, konsumsi bahan bakar spesifik 0, 14 kg / hp / jam dan pembuangan panas kurang dari 0,45 kW / kW. Semua indikator terlampaui, kecuali untuk perpindahan panas, di sini tidak mungkin turun di bawah 0,506 kW / kW.
Pada musim panas 2017, Cummins dan Achates mulai bekerja di bawah kontrak ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) untuk mendemonstrasikan mesin empat silinder 1.000 hp. torsi 2700 Nm dan persyaratan yang sama untuk konsumsi bahan bakar spesifik dan perpindahan panas. Mesin pertama diproduksi pada Juli 2018 dan tes operasional awal selesai pada akhir tahun yang sama. Pada Agustus 2019, mesin dikirim ke Direktorat TARDEC untuk pemasangan dan pengujian.
Kombinasi mesin boxer dan penggerak listrik hibrida akan meningkatkan efisiensi kendaraan dari berbagai jenis dan ukuran, baik militer maupun sipil. Dengan pemikiran ini, Advanced Research and Development Authority mengeluarkan $ 2 juta untuk Achates untuk mengembangkan mesin boxer satu silinder canggih untuk kendaraan hibrida masa depan; dalam proyek ini perusahaan bekerjasama dengan University of Michigan dan Nissan.
Kontrol piston
Sesuai dengan konsepnya, mesin ini untuk pertama kalinya begitu erat mengintegrasikan subsistem listrik dan mesin pembakaran internal, masing-masing dari dua poros engkol berputar dan dapat digerakkan oleh set motor-generatornya sendiri; tidak ada hubungan mekanis antara poros.
Achates menegaskan bahwa mesin hanya dirancang untuk sistem hybrid berurutan, karena semua daya yang dihasilkannya ditransmisikan secara elektrik dan genset mengisi baterai untuk memperluas jangkauan. Tanpa koneksi mekanis antara poros, momen tidak ditransmisikan, yang menyebabkan penurunan beban. Akibatnya, mereka dapat dibuat lebih ringan, mengurangi berat dan ukuran keseluruhan, gesekan dan kebisingan, dan mengurangi biaya.
Mungkin yang paling penting, poros engkol yang dipisahkan memungkinkan kontrol independen dari setiap piston melalui penggunaan elektronika daya. "Ini adalah bagian penting dari proyek kami, penting untuk menentukan bagaimana pengembangan motor listrik dan kontrol dapat meningkatkan efisiensi mesin pembakaran internal." Seorang juru bicara Achates menegaskan bahwa konfigurasi ini memungkinkan kontrol waktu poros engkol, yang membuka kemungkinan baru. "Kami berusaha untuk meningkatkan efisiensi kontrol piston, yang tidak tersedia dengan komunikasi mekanis tradisional."
Pada titik ini, ada sedikit informasi yang tersedia mengenai bagaimana kontrol piston independen dapat digunakan, tetapi secara teori dimungkinkan untuk membuat langkah lebih besar dari langkah kompresi, misalnya, dan dengan demikian mengekstrak lebih banyak energi dari muatan udara / bahan bakar. campuran. Skema serupa diterapkan pada mesin Atkinson empat langkah yang dipasang di mobil hibrida. Di Toyota Prius, misalnya, ini dicapai melalui variable valve timing.
Untuk waktu yang lama, jelas bahwa peningkatan besar dalam teknologi dewasa, seperti mesin pembakaran internal, tidak mudah dicapai, tetapi mesin boxer canggih dapat memberikan keuntungan nyata bagi kendaraan militer, terutama bila dikombinasikan dengan sistem propulsi listrik. …
