디젤-전기 조합 개선
현대식 전투 차량의 온보드 전자 장비의 복잡성이 지속적으로 증가하는 전기의 필요성은 하이브리드 드라이브를 갖춘 솔루션을 선택할 때 추가 인센티브이며, 서로 상충되는 많은 특성은 추가 개발이 필요합니다.
지상 차량을 운전하는 데 필요한 에너지와 시스템 및 어셈블리의 작동은 전통적으로 디젤 엔진에 의해 제공됩니다. 연료 소비를 줄이면 범위가 증가 할뿐만 아니라 연료 비축량을 유지함으로써 결정되는 재료 및 기술 지원의 양이 줄어들고 장비 정비 과정에서 후방 서비스 전문가의 보안이 향상됩니다.
이와 관련하여, 군대는 전기 구동 시스템에 고유 한 디젤 연료의 고효율 계수 및 높은 비열 연소가 하나의 "하네스"에서 작동 할 수있는 해결책을 찾기 위해 노력하고있다. 새로운 하이브리드 솔루션과 고급 내연 기관은 단일 전기 드라이브의 자동 이동, 자동 모니터링 (주차 중 배터리 센서) 및 외부 소비자를위한 에너지 생성과 함께 실질적인 이점을 약속합니다.
동력 전달 장치 잠재력
예를 들어, 캐나다 연구 개발국 (DRDC)은 하이브리드 디젤-전력 구동 장치의 구현 가능성을 모색하고 있습니다. 경영진은 2018에 대한 연구를 발표했으며 소형 단일 및 다중 좌석 ATV에서 DAGOR와 같은 초경량 전투 차량과 같은 가벼운 전술 플랫폼에 중점을 둡니다.
“경 전술 차량용 하이브리드 디젤-전력 드라이브의 타당성”보고서에 따르면 속도와 부하가 크게 (일반적으로 도로 주행시) 변경되는 대부분의 주행 모드에서 하이브리드는 연비가 15 % -20 % 더 우수합니다. 특히 회생 제동을 사용할 때 기존의 기계 구동 식 기계와 비교할 때. 또한 디젤 엔진을 포함한 내연 기관은 엄선 된 일정한 속도로 작업 할 때 가장 효과적이며, 이는 엔진이 발전기로만 작동하는 순차 하이브리드 회로에 일반적입니다.
보고서에 언급 된 바와 같이, 엔진 전력은 짧은 최대 전력 소비 시간에 배터리로 보충 될 수 있기 때문에, 엔진은 평균 요구 전력만을 제공하도록 구성 될 수있는 반면, 소규모 발전소, 세테리스 파리 부 (cateris paribus)는 일반적으로 적은 연료를 소비한다.
배터리 용량이 충분하면 엔진을 끄고 센서, 전자 및 통신 시스템이 작동하면서 하이브리드가 장시간 무음 모니터링 모드로 유지 될 수 있습니다. 또한이 시스템은 외부 장비에 전력을 공급하고 배터리를 재충전하며 심지어 군사 캠프에 전력을 공급하여 견인 발전기의 필요성을 줄입니다.
DRDC 보고서에 따르면 하이브리드 드라이브는 속도, 가속 및 언덕 오르기 능력면에서 우수한 성능을 제공하지만 배터리 팩은 무겁고 부피가 커 페이로드가 줄어들 수 있다고 DRDC 보고서는 말합니다. 초경량 차량 및 단일 좌석 ATV의 경우 문제가 될 수 있습니다. 또한, 저온에서는 배터리 자체의 특성이 저하되어 충전 및 온도 제어에 문제가있는 경우가 많습니다.
순차 회로 하이브리드에서는 기계적 변속기가 제거되지만, 엔진, 발전기, 전력 전자 장치 및 배터리가 필요하기 때문에 필연적으로 구매 및 유지 보수 비용이 복잡하고 비쌉니다.
대부분의 배터리 전해질은 또한 손상의 위험이 있습니다. 예를 들어, 리튬 이온 전지는 손상 될 때 발화하는 경향이있는 것으로 알려져 있습니다. 이것이 디젤 연료의 공급보다 더 큰 위험을 초래하는지 여부는 논쟁의 여지가 있지만 하이브리드는 이러한 위험을 모두 가지고 있습니다.
조합 선택
내연 기관과 전기 장치를 결합하는 두 가지 주요 방식은 직렬 및 병렬입니다. 위에서 언급했듯이 직렬 하이브리드 플랫폼은 발전기가있는 전기 기계이며, 병렬 회로에는 엔진과 트랙션 모터가 있으며, 엔진과 트랙션 모터는 연결된 기계식 변속기를 통해 바퀴에 동력을 전달합니다. 이는 엔진 또는 트랙션 모터가 기계를 개별적으로 구동하거나 함께 작동 할 수 있음을 의미합니다.
두 가지 유형의 하이브리드에서 전기 부품은 일반적으로 모터 발전기 세트 (MSU)로 전기 에너지를 운동으로 또는 그 반대로 변환 할 수 있습니다. 기계를 작동시키고 배터리를 충전하며 엔진을 시동하고 필요에 따라 회생 제동으로 에너지를 절약 할 수 있습니다.
직렬 및 병렬 하이브리드는 배터리 충전을 제어하고 온도를 조절하기 위해 전력 전자 장치에 의존합니다. 또한 발전기가 배터리에 공급해야하는 전압 및 전류와 배터리를 전기 모터에 공급해야합니다.
이 전력 전자 장치는 탄화 규소 반도체를 기반으로 한 반도체 인버터 형태로 제공되며, 단점은 일반적으로 열 손실뿐만 아니라 큰 크기와 비용을 포함합니다. 전력 전자 장치는 또한 내연 기관의 작동을 보장하는 것과 유사한 제어 전자 장치를 필요로한다.
현재까지 역사 전기로 구동되는 군용 차량은 실험적이고 야심 찬 개발 프로그램으로 구성되어 있었으며 궁극적으로 모두 폐쇄되었습니다. 실제 작전에서, 특히 경전차 분야에서는 여전히 하이브리드 군용 차량이 없으며, 해결되지 않은 여러 기술적 문제가 남아있다. 이러한 문제는 훨씬 유리한 조건에서 작동하기 때문에 민간 차량에 대해 주로 해결 된 것으로 간주 될 수 있습니다.
전기 자동차는 매우 빠른 것으로 나타났습니다. 예를 들어, Nikola Motor의 배터리로 구동되는 실험용 4 인승 무차별 유틸리티 차량 (UTV)은 0 초에서 97에서 4km / h까지 가속 할 수 있으며 241km 범위에 있습니다.
DRDC 보고서는“하지만 레이아웃은 복잡한 문제 중 하나입니다. 배터리 팩의 크기, 무게 및 열 소산은 상당히 크며, 총 에너지 소비와 대량 및 볼륨 데이터를 위해 생성 할 수있는 순간 전력 간의 절충이 필요합니다. 고압 케이블의 볼륨 할당, 신뢰성 및 안전성은 전력 전자 장치의 크기, 무게, 냉각, 신뢰성 및 방수와 함께 병목 현상이 발생합니다.
열과 먼지
이 보고서는 리튬 이온 배터리가 영하의 온도에서 충전되지 않고 난방 시스템이 복잡성을 증가시키고 에너지를 필요로하기 때문에 군용 차량에서 발생하는 온도 차이가 가장 큰 문제 일 수 있다고 밝혔다. 방전 중에 과열되는 배터리는 잠재적으로 위험하므로, 냉각하거나 더 낮은 모드로 줄여야합니다. 모터와 발전기도 과열 될 수 있으며, 마지막으로 자석이있는 영구 자석을 잊어서는 안됩니다.
마찬가지로, 약 65 ° C 이상의 온도에서 절연 게이트가있는 반도체 바이폴라 트랜지스터 기술을 기반으로 한 인버터와 같은 장치의 효율이 떨어 지므로 냉각이 필요합니다. 최신 전력 전자 장치는 탄화 규소 또는 질화 갈륨은 고전압에서 작동 할뿐만 아니라 고온에서도 견딜 수 있으므로 엔진 냉각 시스템으로 냉각 될 수 있습니다.
이 보고서에서 언급 한 바와 같이 거친 지형을 주행 할 때의 충격과 진동과 함께 포격 및 폭발로 인한 잠재적 손상은 전기 구동 기술을 경미 군용 차량에 통합하는 것을 상당히 복잡하게 만듭니다.
이 보고서는 DRDC가 기술 시연자를 주문해야한다는 결론을 내렸다. 이것은 직렬 하이브리드 회로가있는 비교적 간단한 가벼운 전술 기계로, 전기 모터가 휠 허브 또는 차축에 설치되고 디젤 엔진이 해당 피크 전력으로 조정되며 가속 또는 가속을 향상시키고 경사를 극복하기 위해 슈퍼 커패시터 또는 울트라 커패시터 세트가 설치됩니다. 수퍼 커패시터 또는 울트라 커패시터는 짧은 시간 동안 매우 큰 전하를 축적하여 전력 펄스를 수신하기 위해 매우 빠르게 줄 수 있습니다. 기계가 전혀 작동하지 않거나 매우 작은 배터리가 설치되거나 회생 제동 중에 전기가 생성되므로 자동 이동 및 자동 모니터링 모드가 제외됩니다.
기계식 변속기와 구동축을 대체하는 바퀴에 설치된 전원 케이블만이 2 차 파편 및 파편의 팽창이 배제되므로 기계의 무게를 크게 줄이고 방폭 보호를 향상시킵니다. 배터리가 없으면 승무원 및 탑재량의 내부 볼륨이 증가하고 더 안전 해지며 리튬 이온 배터리의 유지 관리 및 열 관리와 관련된 문제가 제거됩니다.
또한 실험 기계를 만들 때 다음과 같은 목표가 설정됩니다. 일정 속도로 작동하는 비교적 작은 디젤 엔진의 낮은 연료 소비, 에너지 회수, 센서 작동을위한 발전량 증가 또는 에너지 수출, 신뢰성 향상 및 서비스 개선.
걱정마
엔진 빌딩 개발에 관한 프레젠테이션에서 TARDEC (Reded Armored Vehicles) 연구소의 Bruce Brandl이 설명했듯이, 미 육군은 전투 차량이 더 어려운 지형을 더 빠른 속도로 탐색 할 수있는 발전소를 갖기를 원하며 이는 전투 지역의 지형 비율을 크게 줄입니다. 현재 자동차가 움직일 수없는 소위 통과 할 수없는 지형은이 지역의 약 22 %이며 군대는이 수치를 6 %로 낮추려고합니다. 또한이 지역 대부분의 평균 속도를 오늘의 16 km / h에서 24 km / h로 증가시키고 싶습니다.
또한 Brandl은 전기 타워 및 보호 시스템, 전력 전자 냉각과 같은 새로운 기술을 통해 부하가 추가되므로 기내의 에너지 요구 사항을 최소 250 kW, 즉 기계의 발전기에서 생산할 수있는 것보다 증가시킬 계획이라고 강조했습니다. , 에너지 수출 및 유도 에너지 무장.
미 육군에서 계산 된 바와 같이, 현재의 터보 디젤 기술로 이러한 요구를 충족 시키면 엔진 점유량이 56 % 증가하고 차량 중량은 약 1400 kg 증가합니다. 따라서 유망한 ACE (Advanced Combat Engine) 발전소를 개발할 때 주요 작업은 3 hp / cc로 특정 전력을 두 배로 늘리는 것이 었습니다. 피트에서 6 hp / cc로 발
차세대 군대 엔진에는 더 높은 출력 밀도와 더 나은 연비가 중요하지만 열 손실을 줄이는 것도 중요합니다. 이 생성 된 열은 전기 에너지를 추진하거나 생성하는 데 사용될 수 있지만 주변 공간으로 손실 된 손실 된 에너지를 나타냅니다. 그러나 1500 hp의 힘을 가진 M1 Abrams 탱크의 AGT 1500 가스 터빈 엔진과 같이이 세 가지 파라미터의 완벽한 균형을 달성하는 것은 항상 가능하지 않습니다. 열 방출이 적고 전력 밀도가 높지만 디젤 엔진에 비해 연료 소비가 매우 높습니다.
실제로, 가스 터빈 엔진은 많은 양의 열을 발생 시키지만, 대부분 가스 스트림의 강도로 인해 배기관을 통해 제거된다. 결과적으로 가스 터빈에는 디젤 엔진에 필요한 냉각 시스템이 필요하지 않습니다. 디젤 엔진의 높은 비 출력은 열 제어 문제를 해결해야만 달성 할 수 있습니다. Brandl은 주로 배관, 펌프, 팬 및 라디에이터와 같은 냉각 장비에 사용할 수있는 수량이 한정되어 있기 때문이라고 강조했습니다. 또한 방탄 그릴과 같은 보호 구조도 부피를 차지하고 공기 흐름을 제한하여 팬의 효율성을 떨어 뜨립니다.
향해 피스톤
Brandl이 지적했듯이 ACE 프로그램은 피스톤이 반대 인 2 행정 디젤 / 다중 연료 엔진에 중점을두고 있으며, 이는 저열 방출과 관련이 있습니다. 이러한 엔진의 경우, 각각의 실린더에 2 개의 피스톤이 배치되어 그들 사이에 연소실을 형성하므로 실린더 헤드는 제외되지만 실린더 벽에 2 개의 크랭크 샤프트와 입구 및 출구 포트가 필요하다. 복서 엔진은 지난 세기의 30에 나타 났으며 수십 년 동안 지속적으로 개선되었습니다. Cummins와 협력하여이 엔진을 활성화하고 현대화 한 Achates Power는이 오래된 아이디어를 지나치지 않았습니다.
Achates Power 대변인은이 기술의 반대 기술은 열 효율을 높이고 열 손실을 낮추고 연소를 개선하며 펌핑 손실을 줄임으로써 특징이 있다고 밝혔다. 실린더 헤드를 제외하고는 연소실에서 부피 대 표면적의 비를 현저히 감소시켜 엔진의 열 전달 및 전달을 가능하게 하였다. 대조적으로, 전통적인 4 행정 엔진에서 실린더 헤드는 가장 뜨거운 구성 요소를 많이 포함하며 냉각수 및 주변 대기로의 주요 열 전달 원입니다.
Achates 연소 시스템은 각 실린더에 직경 방향으로 위치한 트윈 연료 인젝터와 특허받은 피스톤 형태를 사용하여 공기-연료 혼합물을 최적화하여 그을음 연소를 낮추고 연소실 벽으로의 열 전달을 줄입니다. 혼합물의 신선한 충전물이 실린더에 주입되고, 배기 가스는 포트를 통해 배출되며, 이는 엔진을 통해 공기를 펌핑하는 과급기에 의해 촉진된다. Achates는이 직접 흐름 퍼지가 연비와 배출량에 긍정적 인 영향을 미친다고 지적했다.
미 육군은 실린더 보어와 스트로크가 동일하고 다른 실린더 번호를 가진 엔진을 포함하기 위해 모듈 식 확장 가능 발전소의 ACE 제품군을 원합니다. 600-750 hp (3 실린더); 300-1000 HP (4); 및 1200-1500 hp (Xnumx) 각 발전소는 체적-높이 6 m 및 너비 0,53 m, 따라서 길이 1,1 m, 1,04 m 및 1,25 m을 차지합니다.
기술적 목표
2010에서 수행 된 내부 군대 연구는 복서 엔진의 이점을 확인했으며 그 결과 산업 기업이이 분야에서 개발을 발표 한 NGCE (Next-Generation Combat Engine) 프로젝트가 시작되었습니다. 이 작업은 71 hp의 성능을 달성하도록 설정되었습니다 실린더 당 및 총 전력 225 hp 2015는이 두 수치를 Armored Research Center에서 테스트 한 실험 엔진으로 쉽게 초과했습니다.
같은 해 2 월, 육군은 AVL Powertrain Engineering 및 Achates Power 사에 2 년간의 프로그램으로 실험용 ACE 단일 실린더 엔진에 대한 계약을 수여했으며, 목표는 다음과 같은 특성을 달성하는 것이 었습니다. / hp / h 및 250 kW / kW 미만의 열 전달. 열 전달을 제외하고 모든 표시기가 초과되었으므로 678 kW / kW 아래로 떨어질 수 없습니다.
2017의 여름에 Cummins와 Achates는 ACE MCE (Multi-Cylinder Engine) 계약에 따라 4 기통 1000 엔진을 시연하기 시작했습니다. 2700 Nm 및 특정 연료 소비 및 열 전달에 대한 동일한 요구 사항. 첫 번째 엔진은 7 월 2018에서 제조되었으며 그해 말까지 초기 작동 테스트가 완료되었습니다. 8 월 2019에서 엔진은 설치 및 테스트를 위해 TARDEC 사무소에 제공되었습니다.
복서 엔진과 하이브리드 전기 구동 장치의 조합은 군사 및 민간인 모두 다양한 유형 및 크기의 차량의 효율을 향상시킵니다. 이를 염두에두고, 고급 연구 개발국은 Achates에게 고급 하이브리드 자동차 용 고급 대향 단일 실린더 엔진을 개발하기 위해 2 백만 달러를 제공했습니다. 이 프로젝트에서 회사는 미시간 대학교 및 닛산과 협력합니다.
피스톤 제어
개념에 따르면,이 엔진에서 전기 서브 시스템 및 내연 기관이 처음으로 매우 밀접하게 통합되어 있고, 2 개의 크랭크 샤프트 각각이 회전하고 자체 모터-제너레이터 세트에 의해 회전으로 구동 될 수있다. 샤프트 사이에 기계적 연결이 없습니다.
Achates는 엔진이 직렬 하이브리드 시스템 전용으로 설계되었음을 확인했다. 엔진이 생성하는 모든 전력이 전자적으로 전송되고 모터 제너레이터 세트가 배터리를 충전하여 범위를 증가시키기 때문이다. 샤프트 사이에 기계적 결합이 없으면 모멘트가 전달되지 않아 하중이 낮아집니다. 결과적으로, 더 가벼워지고 총 질량 및 치수, 마찰 및 소음이 줄어들며 비용도 절감됩니다.
아마도 가장 중요한 것은 분리 된 크랭크 샤프트는 파워 일렉트로닉스를 사용하여 각 피스톤을 독립적으로 제어 할 수있게하는 것입니다. "이것은 우리 프로젝트의 중요한 부분입니다. 전기 모터 및 제어 장치의 개발로 내연 기관의 효율을 높일 수있는 방법을 결정하는 것이 중요합니다." Achates 대변인은이 구성을 통해 크랭크 샤프트 타이밍을 제어 할 수있어 새로운 가능성을 열었다 고 확인했습니다. "우리는 전통적인 기계식 커플 링의 경우에는 사용할 수없는 피스톤 제어의 효율성을 높이기 위해 노력하고 있습니다."
현재로서는 독립적 인 피스톤 제어 사용 방법에 대한 정보는 거의 없지만 이론적으로 압축 행정보다 행정을 길게하여 공기 연료 혼합물의 전하에서 더 많은 에너지를 추출 할 수 있습니다. 하이브리드 차량에 설치된 Atkinson 4 행정 엔진에서도 비슷한 방식이 구현됩니다. 예를 들어 Toyota Prius에서는 밸브 타이밍 제어를 통해이 작업을 수행합니다.
오랫동안 내연 기관과 같은 입증 된 기술의 큰 개선은 달성하기 쉽지 않았지만, 발전된 반대 엔진은 군용 차량, 특히 발전소와 결합하여 실제 이점을 제공 할 수있는 것으로 나타났습니다. .
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