A energia necessária para impulsionar os veículos terrestres e operar seus sistemas e conjuntos é tradicionalmente fornecida por motores a diesel. A redução do consumo de combustível não só aumenta o alcance, mas também reduz a quantidade de logística, que é determinada pela manutenção das reservas de combustível, e aumenta a proteção do pessoal de serviço traseiro no processo de manutenção do equipamento.
A este respeito, as Forças Armadas procuram encontrar uma solução em que a elevada eficiência e o elevado calor específico de combustão do gasóleo inerentes aos sistemas com accionamento eléctrico funcionem numa só "equipa". Novas soluções híbridas e motores de combustão avançados têm o potencial de oferecer grandes benefícios práticos ao lado de acionamento elétrico único e silencioso, monitoramento silencioso (sensores operados por bateria enquanto estacionários) e geração de energia para consumidores externos.
Potencial de trem de força
A Research Canada (DRDC), por exemplo, está investigando a viabilidade de motores híbridos diesel-elétricos. O FDA publicou sua pesquisa em 2018, com foco em plataformas táticas leves, como o HMMWV, veículos de combate ultraleves da classe DAGOR e pequenos ATVs de um ou vários lugares.
O relatório Viabilidade de trens de força híbridos diesel-elétricos para veículos táticos leves observa que, na maioria dos modos de condução onde as velocidades e cargas variam significativamente (normalmente fora de estrada), os híbridos têm eficiência de combustível 15% -20% melhor em termos de economia de combustível. máquinas tradicionais com acionamento mecânico, especialmente ao usar frenagem regenerativa. Além disso, os motores de combustão interna, incluindo motores a diesel, têm melhor desempenho quando operados em rpm constantes cuidadosamente selecionadas, o que é típico de sistemas híbridos sequenciais em que o motor opera apenas como gerador.
Como observa o relatório, como a potência do motor pode ser complementada por baterias durante curtos períodos de consumo de potência de pico, o motor pode ser ajustado para fornecer apenas a potência média necessária, com motores menores geralmente usando menos combustível, todas as outras coisas sendo iguais.
Com capacidade de bateria suficiente, os híbridos também podem permanecer em modo de monitoramento silencioso por um longo tempo com o motor desligado e sensores, eletrônicos e sistemas de comunicação funcionando. Além disso, o sistema pode alimentar equipamentos externos, carregar baterias e até alimentar um acampamento militar, reduzindo a necessidade de geradores rebocados.
Embora os drives híbridos ofereçam desempenho superior em termos de velocidade, aceleração e capacidade de nivelamento, a bateria pode ser pesada e difícil de manejar, resultando em carga útil reduzida, disse o DRDC. Isso pode ser um problema para veículos ultraleves e ATVs de um lugar. Além disso, em baixas temperaturas, as características das próprias baterias são reduzidas, muitas vezes têm problemas com o carregamento e controle de temperatura.
Embora os híbridos sequenciais eliminem a transmissão mecânica, a necessidade de um motor, gerador, eletrônica de potência e bateria inevitavelmente os torna difíceis e caros de comprar e manter.
A maioria dos eletrólitos da bateria também pode representar riscos quando danificados, por exemplo, células de íon-lítio costumam inflamar quando danificadas. Se isso representa um risco maior do que o fornecimento de óleo diesel, talvez seja um ponto discutível, aponta o relatório, mas os híbridos carregam os dois riscos.
Seleção de combinação
Os dois esquemas principais para combinar motores de combustão interna com dispositivos elétricos são seriais e paralelos. Conforme mencionado acima, a plataforma híbrida serial é uma máquina elétrica com gerador, enquanto em paralelo há um motor e um motor de tração, que, por meio de uma transmissão mecânica conectada a eles, transmitem potência às rodas. Isso significa que o motor ou motor de tração pode acionar a máquina individualmente ou trabalhar juntos.
Em ambos os tipos de híbridos, o componente elétrico é normalmente um conjunto motor-gerador (MGU), que pode converter energia elétrica em movimento e vice-versa. Ele pode dirigir um carro, carregar uma bateria, dar partida no motor e, se necessário, conservar energia por meio da frenagem regenerativa.
Tanto os híbridos em série quanto os paralelos contam com eletrônicos de potência para gerenciar a energia da bateria e regular a temperatura da bateria. Eles também fornecem a tensão e a amperagem que o gerador deve fornecer às baterias e as baterias, por sua vez, aos motores elétricos.
Essa eletrônica de potência vem na forma de inversores semicondutores baseados em semicondutores de carboneto de silício, cujas desvantagens, via de regra, incluem grande tamanho e custo, bem como perda de calor. A eletrônica de potência também requer uma eletrônica de controle semelhante àquela que aciona um motor de combustão interna.
Até agora, a história dos veículos militares movidos a eletricidade consistia em programas de desenvolvimento experimentais e ambiciosos que acabaram sendo encerrados. Em operação real, ainda não existem veículos militares híbridos, em particular, no campo dos veículos táticos leves, permanecem vários problemas tecnológicos não resolvidos. Esses problemas podem ser considerados amplamente resolvidos para veículos civis, pois operam em condições muito mais favoráveis.
Os carros elétricos têm se mostrado muito rápidos. Por exemplo, o Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) experimental da Nikola Motor de quatro lugares pode acelerar de 0 a 97 km / h em 4 segundos e tem um alcance de 241 km.
"Layout, no entanto, é um desses grandes desafios", diz o relatório do DRDC. O tamanho, peso e dissipação de calor das baterias são bastante grandes, e um compromisso deve ser feito entre a capacidade total de energia e a potência instantânea que elas podem fornecer para uma dada massa e volume. A alocação de volume para cabos de alta tensão, sua confiabilidade e segurança também são gargalos junto com o tamanho, peso, resfriamento, confiabilidade e impermeabilização da eletrônica de potência.
Calor e poeira
O relatório diz que as oscilações de temperatura enfrentadas pelos veículos militares são talvez o maior problema, já que as baterias de íon-lítio não carregam em temperaturas abaixo de zero e os sistemas de aquecimento adicionam complexidade e precisam de energia. Baterias que superaquecem durante a descarga são potencialmente perigosas, devem ser resfriadas ou reduzidas a um modo reduzido, enquanto motores e geradores também podem superaquecer, por fim, não se esqueça dos ímãs permanentes, que estão sujeitos à desmagnetização.
Da mesma forma, em temperaturas acima de cerca de 65 ° C, a eficiência de dispositivos como inversores IGBT diminui e, portanto, precisa de resfriamento, embora a eletrônica de potência mais recente baseada em semicondutores de carboneto de silício ou nitreto de gálio, além de operar em tensão elevada, resiste a temperaturas mais altas e, portanto, pode ser resfriado a partir do sistema de resfriamento do motor.
Além disso, o choque e a vibração do terreno acidentado, além dos danos potenciais que poderiam ser causados por bombardeios e explosões, também tornam difícil integrar a tecnologia de acionamento elétrico em veículos militares leves, observa o relatório.
O relatório conclui que o DRDC deve solicitar um demonstrador de tecnologia. É um veículo tático híbrido sequencial relativamente simples e leve com motores elétricos instalados nos cubos das rodas ou nos eixos, o motor a diesel é ajustado para a potência de pico apropriada e um conjunto de super ou ultracapacitores é instalado para melhorar a aceleração e a capacidade de nivelamento. Supercapacitores ou ultracapacitores armazenam uma carga muito grande por um curto período de tempo e podem liberá-la muito rapidamente para gerar pulsos de energia. O carro não estará de todo, ou será instalada uma bateria muito pequena, a eletricidade será gerada durante o processo de frenagem regenerativa, como resultado, os modos de movimento silencioso e observação silenciosa são excluídos.
Cabos de força que vão apenas para as rodas, substituindo a transmissão mecânica e os eixos de transmissão, irão reduzir significativamente o peso da máquina e melhorar a proteção contra explosão, uma vez que a dispersão de detritos secundários e fragmentos são eliminados. Sem uma bateria, o volume interno da tripulação e da carga útil aumentará e se tornará mais seguro, e os problemas associados à manutenção e gerenciamento térmico das baterias de íon-lítio serão eliminados.
Além disso, os seguintes objetivos são definidos ao criar um protótipo: menor consumo de combustível de um motor diesel relativamente pequeno operando em rpm constante, combinado com recuperação de energia, maior geração de energia para sensores operacionais ou exportação de energia, maior confiabilidade e melhor serviço.
Os solavancos não se importam
Como Bruce Brandl, do Centro de Pesquisa Blindado (TARDEC) explicou em uma apresentação sobre o desenvolvimento de motores, o Exército dos EUA quer um sistema de propulsão que permita que seus veículos de combate se movam por terrenos mais difíceis em velocidades mais altas, o que reduzirá significativamente a porcentagem de terreno em zonas de guerra, nas quais os carros atuais não podem se mover. O chamado terreno intransitável representa cerca de 22% dessas zonas e o exército quer reduzir esse número para 6%. Eles também querem aumentar a velocidade média na maior parte da área dos atuais 16 km / h para 24 km / h.
Além disso, Brandl destacou que a demanda de energia a bordo está prevista para ser aumentada para, no mínimo, 250 kW, ou seja, superior ao que os geradores da máquina podem fornecer, à medida que são adicionadas cargas de novas tecnologias, por exemplo, torres eletrificadas e sistemas de proteção, resfriamento de eletrônica de potência., exportação de energia e armas de energia dirigida.
O Exército dos EUA estima que atender a essas necessidades com a atual tecnologia turbodiesel aumentará o volume do motor em 56% e o peso do veículo em cerca de 1400 kg. Portanto, ao desenvolver sua usina de energia avançada Advanced Combat Engine (ACE), a tarefa principal foi definida - dobrar a densidade de energia total de 3 hp / cu. ft a 6 hp / cu. pé.
Embora maior densidade de potência e melhor eficiência de combustível sejam muito importantes para a próxima geração de motores militares, é igualmente importante reduzir a produção de calor. Este calor gerado é energia desperdiçada e dissipada no espaço circundante, embora pudesse ser usado para impulsionar ou gerar energia elétrica. Mas está longe de ser possível alcançar um equilíbrio perfeito entre todos esses três parâmetros, por exemplo, o motor de turbina a gás AGT 1500 do tanque M1 Abrams com uma capacidade de 1500 cv. tem baixa transferência de calor e alta densidade de potência, mas um consumo de combustível muito alto em comparação com os motores a diesel.
Na verdade, os motores de turbina a gás geram uma grande quantidade de calor, mas a maior parte dele é removida pelo tubo de escape, devido à alta taxa de fluxo de gás. Como resultado, as turbinas a gás não precisam dos sistemas de resfriamento de que os motores a diesel precisam. Uma alta potência específica dos motores a diesel pode ser alcançada apenas resolvendo o problema do controle térmico. Brandl enfatizou que isso se deve principalmente ao volume limitado disponível para equipamentos de refrigeração, como tubulações, bombas, ventiladores e radiadores. Além disso, estruturas de proteção, como grades à prova de balas, também aumentam o volume e restringem o fluxo de ar, reduzindo a eficiência dos ventiladores.
Pistões para
Como Brandl observou, o programa ACE se concentra em motores diesel de dois tempos / multicombustível com pistões opostos devido à baixa dissipação de calor inerente. Em tais motores, dois pistões são colocados em cada cilindro, que formam uma câmara de combustão entre si, como resultado, a cabeça do cilindro é excluída, mas isso requer dois virabrequins e portas de admissão e escape nas paredes do cilindro. Os motores Boxer datam da década de 1930 e têm sido continuamente melhorados ao longo das décadas. Esta velha ideia não foi poupada pela empresa Achates Power, que, em cooperação com a Cummins, reviveu e modernizou este motor.
Um porta-voz da Achates Power disse que a tecnologia do boxer melhorou a eficiência térmica, o que se traduz em menores perdas de calor, melhor combustão e redução nas perdas por bombeamento. A eliminação da cabeça do cilindro reduziu significativamente a proporção entre a área de superfície e o volume na câmara de combustão e, portanto, a transferência e liberação de calor no motor. Em contraste, em um motor tradicional de quatro tempos, a cabeça do cilindro contém muitos dos componentes mais quentes e é a principal fonte de transferência de calor para o refrigerante e a atmosfera circundante.
O sistema de combustão Achates usa injetores duplos de combustível diametralmente posicionados em cada cilindro e um formato de pistão patenteado para otimizar a mistura ar / combustível, resultando em combustão de baixa fuligem e transferência de calor reduzida para as paredes da câmara de combustão. Uma nova carga da mistura é injetada no cilindro e os gases de exaustão saem pelas portas, auxiliados por um superalimentador que bombeia o ar pelo motor. Achates aponta que esta redução simultânea tem um efeito benéfico na economia de combustível e nas emissões.
O Exército dos EUA deseja que a família ACE de conjuntos de força modulares escalonáveis inclua motores com o mesmo diâmetro e curso e diferentes contagens de cilindros: 600-750 hp. (3 cilindros); 300-1000 HP (4); e 1200-1500 cv. (6). Cada usina ocupará um volume - uma altura de 0,53 me uma largura de 1, 1 me, consequentemente, um comprimento de 1,04 m, 1,25 me 1,6 m.
Objetivos tecnológicos
Um estudo interno do Exército realizado em 2010 confirmou os benefícios dos motores boxer, resultando no projeto Next-Generation Combat Engine (NGCE), em que empresas industriais apresentaram seus desenvolvimentos nesta área. A tarefa era atingir 71 cv. por cilindro e uma potência total de 225 cv. Em 2015, esses dois números foram facilmente excedidos em um motor experimental testado no Armored Research Center.
Em fevereiro do mesmo ano, o exército adjudicou contratos à AVL Powertrain Engineering e Achates Power para motores experimentais ACE monocilíndricos ao abrigo de um programa de dois anos, no âmbito do qual o objetivo era atingir as seguintes características: potência 250 CV, torque de 678 Nm, consumo específico de combustível 0, 14 kg / hp / he dissipação de calor inferior a 0,45 kW / kW. Todos os indicadores foram ultrapassados, exceto para transferência de calor, aqui não foi possível cair abaixo de 0,506 kW / kW.
No verão de 2017, Cummins e Achates começaram a trabalhar sob um contrato ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) para demonstrar um motor de quatro cilindros de 1.000 HP. torque de 2700 Nm e os mesmos requisitos para consumo específico de combustível e transferência de calor. O primeiro motor foi fabricado em julho de 2018 e os testes operacionais iniciais foram concluídos no final do mesmo ano. Em agosto de 2019, o motor foi entregue à Diretoria TARDEC para instalação e teste.
A combinação de um motor boxer e um acionamento elétrico híbrido melhoraria a eficiência de veículos de vários tipos e tamanhos, militares e civis. Com isso em mente, a Autoridade de Pesquisa e Desenvolvimento Avançado emitiu US $ 2 milhões para Achates para desenvolver um motor boxer de cilindro único avançado para futuros veículos híbridos; neste projeto a empresa colabora com a Universidade de Michigan e a Nissan.
Controle de pistão
De acordo com o conceito, este motor pela primeira vez integrou tão intimamente o subsistema elétrico e o motor de combustão interna, cada um dos dois virabrequins gira e pode ser acionado por seu próprio conjunto motor-gerador; não há conexão mecânica entre os eixos.
Achates confirmou que o motor é projetado apenas para sistemas híbridos sequenciais, já que toda a energia que ele gera é transmitida eletricamente e os grupos geradores carregam a bateria para estender o alcance. Sem uma conexão mecânica entre os eixos, o momento não é transmitido, o que leva a uma diminuição das cargas. Como resultado, eles podem ser mais leves, reduzir o peso e o tamanho geral, o atrito e o ruído e reduzir os custos.
Talvez o mais importante, os virabrequins desacoplados permitem o controle independente de cada pistão por meio do uso de eletrônica de potência. "Esta é uma parte importante do nosso projeto, é importante determinar como o desenvolvimento de motores e controles elétricos pode melhorar a eficiência do motor de combustão interna." Um porta-voz do Achates confirmou que essa configuração permite o controle de temporização do virabrequim, o que abre novas possibilidades. "Nós nos esforçamos para melhorar a eficiência do controle de pistão, o que não está disponível com a comunicação mecânica tradicional."
Neste ponto, há pouca informação disponível sobre como o controle de pistão independente pode ser usado, mas em teoria é possível tornar o curso maior do que o curso de compressão, por exemplo, e assim extrair mais energia da carga do ar / combustível mistura. Um esquema semelhante é implementado em motores Atkinson de quatro tempos instalados em carros híbridos. No Toyota Prius, por exemplo, isso é conseguido por meio de um sincronismo de válvula variável.
Por muito tempo, era óbvio que grandes melhorias em tecnologias maduras, como motores de combustão interna, não eram fáceis de alcançar, mas motores boxer avançados poderiam ser o que proporcionaria vantagens reais aos veículos militares, especialmente quando combinados com sistemas de propulsão elétrica. …
