Совершенствование дизель-электрических комбинаций
Чисто электрические машины, как например, Reckless, имеют очень высокие характеристики и могут быть переделаны в гибридные платформы последовательной схемы с интеграцией двигателя внутреннего сгорания и генератора, позволяющих увеличить запас хода
Потребность в электроэнергии непрерывно усложняющегося бортового электронного оборудования современных боевых машин является дополнительным стимулом при выборе решений с гибридным приводом, при этом в дальнейшей проработке нуждается ряд взаимно противоречащих характеристик.
Энергию, необходимую для приведения в движение наземных машин и работы их систем и агрегатов, традиционно обеспечивают дизельные двигатели. Снижение расхода топлива не только увеличивает запас хода, но также сокращает объем материально-технического обеспечения, определяемый поддержанием запасов топлива, и повышает защищенность специалистов службы тыла в процессе обслуживания техники.
В связи с этим вооруженные силы стремятся найти такое решение, в котором бы в одной «упряжке» работали присущий системам с электроприводом высокий коэффициент полезного действия и высокая удельная теплота сгорания дизельного топлива. Новые гибридные решения и продвинутые двигатели внутреннего сгорания потенциально обещают большие практические преимущества наряду с бесшумным движением на одном электроприводе, бесшумным наблюдением (работа сенсоров от аккумуляторов во время стоянки), а также генерированием энергии для внешних потребителей.
Потенциал силовой передачи
Канадское научно-исследовательское управление (DRDC), например, изучает возможность реализации гибридных дизель-электрических силовых приводов. Управление в 2018 году опубликовало свои исследования, сосредоточившись в них на легких тактических платформах, например, HMMWV, сверхлегких боевых машинах типа DAGOR, на небольших одно- и многоместных квадроциклах.
В докладе «Осуществимость гибридных дизель-электрических силовых приводов для легких тактических машин» отмечается, что в большинстве режимов движения, в которых скорость и нагрузки меняются значительно (типично при движении по бездорожью), гибриды имеют на 15%-20% лучшую топливную экономичность по сравнению с традиционными машинами с механическим приводом, особенно при использовании рекуперативного торможения. Кроме того, двигатели внутреннего сгорания, включая дизельные, эффективнее всего показывают себя при работе на тщательно подобранных постоянных оборотах, что характерно для последовательных гибридных схем, в которых двигатель работает только как генератор.
Как отмечается в докладе, поскольку мощность двигателя может быть дополнена за счет аккумуляторов в короткие периоды времени пикового энергопотребления, двигатель может быть настроен так, чтобы обеспечивать только среднюю необходимую мощность, при этом силовые установки меньшего размера при прочих равных условиях в целом потребляют меньше топлива.
При достаточной емкости аккумуляторов гибриды также могут продолжительное время оставаться в режиме бесшумного наблюдения с заглушенным двигателем и работающими сенсорами, электроникой и системами связи. Кроме того, система может питать внешнее оборудование, заряжать аккумуляторы и даже снабжать энергией военный лагерь, уменьшая потребность в буксируемых генераторах.
В то время как гибридные приводы обеспечивают превосходные характеристики касательно скорости, ускорения и способности преодолевать склоны, батарея аккумуляторов может быть тяжелой и громоздкой, что влечет за собой снижение грузоподъемности, говорится в докладе DRDC. Это может стать проблемой для сверхлегких транспортных средств и одноместных квадроциклов. К тому же при низких температурах характеристики самих аккумуляторов снижаются, у них часто возникают проблемы с зарядкой и терморегулированием.
Хотя в гибридах последовательной схемы исключается механическая трансмиссия, необходимость в двигателе, генераторе, силовой электронике и аккумуляторной батарее неизбежно делает их в конечном счете сложными и дорогими при покупке и в обслуживании.
Большая часть электролитов аккумуляторов также может создавать риски при повреждении, например, литий-ионные элементы известны своей склонностью воспламеняться при повреждении. Представляет ли это больший риск, чем поставка дизельного топлива, возможно спорный вопрос, указывается в докладе, но гибриды несут оба этих риска.
Выбор комбинации
Двумя основными схемами комбинации двигателей внутреннего сгорания с электрическими устройствами являются последовательная и параллельная. Как уже говорилось выше, последовательная гибридная платформа представляет собой электрическую машину с генератором, в параллельной же схеме присутствуют двигатель и тяговый электродвигатель, которые через подсоединенную к ним механическую трансмиссию передают мощность на колеса. Это означает, что двигатель или тяговый электродвигатель может приводить в движение машину по отдельности или они могут работать вместе.
В обоих типах гибридов электрическим компонентом, как правило, является мотор-генераторная установка (МГУ), которая может преобразовывать электрическую энергию в движение и наоборот. Она может приводить в движение машину, заряжать батарею, запускать двигатель и при необходимости сохранять энергию за счет рекуперативного торможения.
Как последовательные, так и параллельные гибриды полагаются на силовую электронику для того, чтобы управлять зарядом батареи и регулировать ее температуру. Она также обеспечивают напряжение и силу тока, которые генератор должен подавать на аккумуляторы, а аккумуляторы свою очередь на электродвигатели.
Эта силовая электроника идет в виде полупроводниковых инверторов, базирующихся на карбидокремниевых полупроводниках, к недостаткам которых, как правило, можно отнести большие размеры и стоимость, а также теплопотери. Силовой электронике необходима также управляющая электроника, схожая с той, что обеспечивает работу двигателя внутреннего сгорания.
До настоящего времени история военных машин с электрическим приводом состояла из экспериментальных и амбициозных программ разработки, которые в конечном счете все были закрыты. В реальной эксплуатации до сих пор нет в гибридных военных машин, в частности в сфере легких тактических машин остается несколько нерешенных технологических проблем. Эти проблемы могут считаться в основном решенными для гражданских автомобилей, поскольку они работают в гораздо более благоприятных условиях.
Электрические машины показали себя очень скоростными. Например, экспериментальный четырехместный автомобиль Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) от Nikola Motor, работающий от аккумуляторов, способен ускориться с 0 до 97 км/ч за 4 секунды и имеет запас хода 241 км.
«Компоновка, однако, является одной из тех сложнейших проблем», — говорится в докладе DRDC. Размеры, масса и тепловыделение блока батарей довольно большие, также необходимо добиться компромисса между общей энергоемкостью и мгновенной мощностью, которую они могут выдать для данных массы и объема. Выделение объема под высоковольтные кабели, их надежность и безопасность также являются узкими местами наряду с размерами, массой, охлаждением, надежностью и гидроизоляцией силовой электроники.
Американская армия изучает, как регулировками силового привода добиться того, чтобы боевые машины двигались по пересеченной местности на более высоких скоростях
Жара и пыль
В докладе сказано, что перепады температур, с которыми сталкиваются военные машины, являются, пожалуй, самой большой проблемой, поскольку литий-ионные аккумуляторы не будут заряжаться при температурах ниже нуля, а системы обогрева повышают сложность и им необходима энергия. Батареи, перегревающиеся во время разряда, потенциально несут опасность, они должны охлаждаться или переводиться на пониженный режим, при этом двигатели и генераторы также могут перегреваться, наконец, не стоит забывать о постоянных магнитах, которые склонны к размагничиванию.
Подобным же образом, при температурах выше примерно 65°С снижается кпд таких устройств, как например, инверторы на основе технологии полупроводниковых биполярных транзисторов с изолированным затвором, в связи с чем им необходимо охлаждение, хотя более новая силовая электроника на основе полупроводников из карбида кремния или нитрида галлия помимо работы на повышенном напряжении выдерживает более высокие температуры и, следовательно, может охлаждаться от системы охлаждения двигателя.
Как отмечается в докладе, кроме того, удары и вибрации при движении по пересеченной местности плюс потенциально возможные повреждения, которые могут быть получены в результате обстрелов и взрывов, также существенно усложняют интеграцию технологий электрического привода в легкие военные машины.
В докладе делается вывод, что Управление DRDC должно заказать демонстратор технологий. Это относительно простая легкая тактическая машина с последовательной гибридной схемой, у которой электродвигатели установлены либо в ступицах колес, либо в мостах, дизельный двигатель отрегулирован под соответствующую пиковую мощность, при этом установлен комплект супер- или ультраконденсаторов для улучшения процесса ускорения и преодоления склонов. Супер- или ультраконденсаторы аккумулируют очень большой заряд на короткий период времени и могу отдавать его очень быстро для получения силовых импульсов. На машине либо совсем не будет, либо будет установлена очень небольшая батарея, электроэнергия будет генерироваться в процессе рекуперативного торможения, как следствие, исключены режимы бесшумного движения и бесшумного наблюдения.
Одни только проложенные к колесам силовые кабели, заменяющие механическую трансмиссию и приводные валы, позволят значительно уменьшить массу машины и улучшить противовзрывную защиту, поскольку исключается разлет вторичных обломков и осколков. Без аккумулятора внутренний объем для экипажа и полезной нагрузки увеличится и станет безопаснее, проблемы, связанные с обслуживанием и терморегулированием литий-ионных батарей, будут исключены.
Кроме того, при создании опытной машины ставятся следующие цели: меньшее потребление топлива сравнительно небольшого дизеля, работающего на постоянных оборотах, в сочетании с рекуперацией энергии, увеличенная выработка электроэнергии для работы сенсоров или экспорта энергии, повышенная надежность и улучшенное обслуживание.
Двигатель AGT 1500 танка М1 Abrams отличается высокой удельной мощностью в сравнении с дизельными двигателями и не нуждается в специальной системе охлаждения
Ухабы нипочем
Как пояснил Брюс Брендл из Научно-исследовательского бронетанкового центра (TARDEC) на презентации развития двигателестроения, американская армия хочет получить силовую установку, которая позволит ее боевым машинам перемещаться по более сложной местности на более высоких скоростях, что значительно уменьшит процент местности в зонах боевых действий, по которой нынешние машины не могут двигаться. Так называемая непроходимая местность составляет порядка 22% этих зон и армия хочет уменьшить эту цифру до 6%. Там также хотят увеличить среднюю скорость на большей части этой местности с сегодняшних 16 км/ч до 24 км/ч.
Кроме того, Брендл подчеркнул, что потребности в энергии на борту планируется повысить по меньшей мере до 250 кВт, то есть выше того, что могут выдать генераторы машины, поскольку добавляется нагрузка от новых технологий, например, электрифицированных башен и систем защиты, охлаждения силовой электроники, экспорта энергии и вооружения направленной энергии.
Как подсчитали в американской армии, удовлетворение этих потребностей за счет нынешней турбодизельной технологии увеличит занимаемый двигателем объем на 56% и массу машины примерно на 1400 кг. Поэтому при разработке ее перспективной силовой установки Advanced Combat Engine (АСЕ) была поставлена основная задача — удвоить в совокупности удельную мощность с 3 л.с./куб. фут до 6 л.с./куб. фут.
Хотя более высокая удельная мощность и лучшая топливная экономичность очень важны для армейских двигателей нового поколения, не менее важно уменьшение отдачи тепла. Это генерируемое тепло представляет собой потерянную энергию, рассеиваемую в окружающее пространство, хотя она могла бы быть использована для приведения в движение или выработки электрической энергии. Но далеко не всегда можно добиться совершенного баланса всех этих трех параметров, например, газотурбинный двигатель AGT 1500 танка М1 Abrams мощностью 1500 л.с. имеет низкую теплоотдачу и высокую удельную мощность, но очень большой расход топлива по сравнению с дизельными двигателями.
В действительности, газотурбинные двигатели вырабатывают большое количество тепла, но большая его часть выводится через выхлопную трубу, что связано с высокой интенсивностью газового потока. Вследствие этого газовым турбинам не нужны системы охлаждения, которые необходимы дизельным двигателям. Высокой удельной мощности дизелей можно добиться, только решив проблему терморегулирования. Брендл подчеркнул, что это в основном связано с ограниченным объемом, доступным для охлаждающего оборудования, например, трубопроводов, насосов, вентиляторов и радиаторов. Кроме того, защитные конструкции, например, противопульные решетки также занимают объем и ограничивают воздушные потоки, снижая эффективность вентиляторов.
Поршни навстречу
Как заметил Брендл, в программе АСЕ акцент делается на двухтактных дизельных/многотопливных двигателях с оппозитными поршнями, что связано с присущей им низкой теплоотдачей. У таких двигателей, в каждом цилиндре размещается по два поршня, которые образуют между собой камеру сгорания, как следствие, исключается головка цилиндра, но при этом необходимо два коленвала и впускной и выпускной порты в стенках цилиндров. Оппозитные двигатели появились еще в 30-х годах прошлого века и на протяжении десятилетий постоянно совершенствовались. Не обошла стороной эту старую идею и компания Achates Power, которая в сотрудничестве с Cummins оживила и модернизировала этот двигатель.
Представитель Achates Power сообщил, что их оппозитная технология отличается повышенным тепловым кпд, что определяется меньшими потерями тепла, улучшенным сжиганием и уменьшенными насосными потерями. Исключение головки цилиндра позволило значительно уменьшить в камере сгорания отношение площади поверхности к объему и тем самым перенос и отдачу тепла в двигателе. Напротив, в традиционном четырехтактном двигателе головка блока цилиндра включает многие из самых горячих компонентов и является главным источником переноса тепла в охлаждающую жидкость и окружающую атмосферу.
В системе сгорания разработки Achates используются сдвоенные топливные форсунки, диаметральным образом расположенные в каждом цилиндре, и патентованная форма поршня для оптимизации смеси воздушно-топливной смеси, следствием чего является сгорание с низким выделением сажи и уменьшение переноса тепла на стенки камеры сгорания. Свежий заряд смеси впрыскивается в цилиндр, а отработанные газы выходят через порты, чему способствует нагнетатель, прокачивающий воздух через двигатель. В компании Achates указывают, что эта прямоточная продувка благоприятно сказывается на топливной экономичности и токсичности выбросов.
Армия США хочет, чтобы в семейство модульных масштабируемых силовых установок АСЕ входили двигатели с одинаковым диаметром цилиндров и ходом и разным числом цилиндров: 600-750 л.с. (3 цилиндра); 300-1000 л.с. (4); и 1200-1500 л.с. (6). Каждая силовая установка будет занимать объем — высота 0,53 м и ширина 1,1 м и соответственно длина 1,04 м, 1,25 м и 1,6 м.
Оппозитный двухтактный двигатель от компаний Achates Power и Cummins должен стать основой семейства АСЕ американской армии
Технологические цели
Внутреннее исследование армии, проведенное в 2010 году, подтвердило преимущества оппозитных двигателей, в результате чего был начат проект Next-Geneiation Combat Engine (NGCE), в рамках которого промышленные предприятия представили свои разработки в этой области. Была поставлена задача достичь мощности 71 л.с. на цилиндр и общей мощности 225 л.с. К 2015 году обе эти цифры были достаточного легко превышены на экспериментальном двигателе, прошедшем испытания в Научно-исследовательском бронетанковом центре.
В феврале того же года армия выдала компаниям AVL Powertrain Engineering и Achates Power контракты на опытные одноцилиндровые двигатели АСЕ по двухлетней программе, в рамках которой была поставлена цель достичь следующих характеристик: мощность 250 л.с., момент 678 Нм, удельный расход топлива 0,14 кг/л.с./ч и теплоотдача менее 0,45 кВт/кВт. Все показатели были превышены, кроме теплоотдачи, здесь не удалось опуститься ниже 0,506 кВт/кВт.
Летом 2017 года компании Cummins и Achates начали работы по контракту АСЕ Multi-Cylinder Engine (MCE) по демонстрации четырехцилиндрового двигателя мощностью 1000 л.с. моментом 2700 Нм и таким же требованиями к удельному расходу топлива и теплоотдаче. Первый двигатель был изготовлен в июле 2018 года, а начальные эксплуатационные испытания были завершены к концу этого же года. В августе 2019 года двигатель был поставлен в Управление TARDEC для установки и испытаний.
Комбинация оппозитного двигателя и гибридного электропривода позволила бы повысить эффективность транспортных средств разных типов и размеров, как военного, так и гражданского назначения. Сознавая это, Управление по перспективным исследованиям и разработкам выдало два миллиона долларов компании Achates на разработку продвинутого оппозитного одноцилиндрового двигателя для перспективных гибридных машин; в этом проекте компания сотрудничает с Университетом Мичигана и фирмой Nissan.
Управление поршнями
В соответствии с концепцией в этом двигателе впервые так тесно интегрированы электрическая подсистема и двигатель внутреннего сгорания, каждый из двух коленчатых валов вращает и может приводиться во вращение своей собственной мотор-генераторной установкой; между валами нет механической связи.
В компании Achates подтвердили, что двигатель спроектирован только для последовательных гибридных систем, поскольку вся мощность, которую он генерирует, передается электрическим способом, а мотор-генераторные установки заряжают батарею аккумуляторов для увеличения запаса хода. Без механической связи между валами момент не передается, что ведет к снижению нагрузок. Как следствие, их можно сделать более легкими, уменьшить общую массу и размеры, трение и шум а, также снизить стоимость.
Возможно, самым важным является то, что разъединенные коленвалы позволяют осуществлять независимый контроль каждого поршня за счет использования силовой электроники. «Это важная часть нашего проекта, важно определить то, как могло бы повысить эффективность двигателя внутреннего сгорания развитие электродвигателей и средств управления». Представитель компании Achates подтвердил, что эта конфигурация позволяет управлять синхронизацией коленвалов, что открывает новые возможности. «Мы стремимся повысить эффективность управления поршнями, что недоступно в случае с традиционной механической связью».
На данный момент доступно немного информации касательно того, как может быть использовано независимое управление поршнями, но теоретически можно сделать рабочий ход больше, чем ход сжатия, например, и тем самым извлечь больше энергии из заряда топливовоздушной смеси. Похожая схема реализована в четырехтактных двигателях Аткинсона, устанавливаемых в гибридные автомобили. В Toyota Prius, например, это достигнуто за счет управления фазами газораспределения.
Долгое время было очевидно, что больших улучшений в отработанных технологиях, например, в двигателях внутреннего сгорания, не так-то просто достичь, но продвинутые оппозитные двигатели могли бы стать тем, что обеспечило бы реальные преимущества военным машинам, особенно в комбинации с электрическими силовыми установками.
Информация