La energía requerida para propulsar vehículos terrestres y operar sus sistemas y ensamblajes es proporcionada tradicionalmente por motores diesel. La reducción del consumo de combustible no solo aumenta el alcance, sino que también reduce la cantidad de logística, que está determinada por el mantenimiento de las reservas de combustible, y aumenta la protección del personal de servicio trasero en el proceso de mantenimiento del equipo.
En este sentido, las Fuerzas Armadas se esfuerzan por encontrar una solución en la que la alta eficiencia y el alto calor específico de combustión del combustible diesel inherente a los sistemas con propulsión eléctrica funcionen en un solo "equipo". Las nuevas soluciones híbridas y los motores de combustión avanzados tienen el potencial de ofrecer grandes beneficios prácticos junto con un accionamiento eléctrico único silencioso, un monitoreo silencioso (sensores operados por batería mientras está parado) y la generación de energía para consumidores externos.
Potencial del tren de fuerza
Research Canada (DRDC), por ejemplo, está investigando la viabilidad de los sistemas de propulsión híbridos diésel-eléctricos. La FDA publicó su investigación en 2018, centrándose en plataformas tácticas ligeras como el HMMWV, los vehículos de combate ultraligeros clase DAGOR y los ATV pequeños de uno y varios asientos.
El informe Factibilidad de los trenes de potencia híbridos diésel-eléctricos para vehículos tácticos ligeros señala que en la mayoría de los modos de conducción donde las velocidades y las cargas varían significativamente (normalmente fuera de la carretera), los híbridos tienen entre un 15% y un 20% más eficiencia de combustible en términos de ahorro de combustible. Máquinas tradicionales de accionamiento mecánico, especialmente cuando se utiliza frenado regenerativo. Además, los motores de combustión interna, incluidos los motores diésel, funcionan mejor cuando se operan a rpm constantes cuidadosamente seleccionadas, que es típico de los sistemas híbridos secuenciales en los que el motor funciona solo como un generador.
Como señala el informe, debido a que la potencia del motor se puede complementar con baterías durante períodos cortos de consumo máximo de energía, el motor se puede ajustar para proporcionar solo la potencia promedio requerida, con centrales eléctricas más pequeñas que generalmente usan menos combustible, en igualdad de condiciones.
Con suficiente capacidad de batería, los híbridos también pueden permanecer en modo de monitoreo silencioso durante mucho tiempo con el motor apagado y los sensores, la electrónica y los sistemas de comunicación en funcionamiento. Además, el sistema puede alimentar equipos externos, cargar baterías e incluso alimentar un campamento militar, lo que reduce la necesidad de generadores remolcados.
Si bien las unidades híbridas ofrecen un rendimiento superior en términos de velocidad, aceleración y capacidad de subida en pendientes, la batería puede ser pesada y difícil de manejar, lo que reduce la carga útil, dijo DRDC. Esto puede ser un problema para los vehículos ultraligeros y los ATV monoplaza. Además, a bajas temperaturas, las características de las propias baterías se reducen, a menudo tienen problemas con la carga y el control de la temperatura.
Aunque los híbridos secuenciales eliminan la transmisión mecánica, la necesidad de un motor, generador, electrónica de potencia y batería inevitablemente los hace, en última instancia, difíciles y costosos de comprar y mantener.
La mayoría de los electrolitos de las baterías también pueden presentar riesgos cuando se dañan, por ejemplo, se sabe que las celdas de iones de litio se encienden cuando se dañan. Si esto representa un riesgo mayor que el suministro de combustible diesel es quizás un punto discutible, señala el informe, pero los híbridos conllevan ambos riesgos.
Selección de combinación
Los dos esquemas principales para combinar motores de combustión interna con dispositivos eléctricos son en serie y en paralelo. Como se mencionó anteriormente, la plataforma híbrida en serie es una máquina eléctrica con un generador, mientras que en paralelo hay un motor y un motor de tracción, que a través de una transmisión mecánica conectada a ellos, transmiten potencia a las ruedas. Esto significa que el motor o el motor de tracción pueden accionar la máquina individualmente o pueden trabajar juntos.
En ambos tipos de híbridos, el componente eléctrico suele ser un grupo motor-generador (MGU), que puede convertir la energía eléctrica en movimiento y viceversa. Puede conducir un automóvil, cargar una batería, arrancar un motor y, si es necesario, conservar energía mediante el frenado regenerativo.
Tanto los híbridos en serie como en paralelo se basan en la electrónica de potencia para administrar la energía de la batería y regular la temperatura de la batería. También proporcionan el voltaje y el amperaje que el generador debe suministrar a las baterías y las baterías a su vez a los motores eléctricos.
Esta electrónica de potencia se presenta en forma de inversores semiconductores basados en semiconductores de carburo de silicio, cuyas desventajas, por regla general, incluyen un gran tamaño y costo, así como la pérdida de calor. La electrónica de potencia también requiere una electrónica de control similar a la que alimenta un motor de combustión interna.
Hasta ahora, la historia de los vehículos militares de propulsión eléctrica ha consistido en programas de desarrollo experimentales y ambiciosos que finalmente se cerraron. En funcionamiento real, todavía no hay vehículos militares híbridos, en particular, en el campo de los vehículos tácticos ligeros, quedan varios problemas tecnológicos sin resolver. Estos problemas pueden considerarse resueltos en gran medida para los vehículos civiles, ya que operan en condiciones mucho más favorables.
Los coches eléctricos han demostrado ser muy rápidos. Por ejemplo, el vehículo de cuatro plazas Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) experimental de Nikola Motor puede acelerar de 0 a 97 km / h en 4 segundos y tiene un alcance de 241 km.
"El diseño, sin embargo, es uno de esos grandes desafíos", dice el informe DRDC. El tamaño, el peso y la disipación de calor de los paquetes de baterías son bastante grandes, y se debe hacer un compromiso entre la capacidad total de energía y la potencia instantánea que pueden entregar para una masa y volumen determinados. La asignación de volumen para cables de alto voltaje, su confiabilidad y seguridad también son cuellos de botella junto con el tamaño, peso, enfriamiento, confiabilidad e impermeabilización de la electrónica de potencia.
Calor y polvo
El informe dice que los cambios de temperatura que enfrentan los vehículos militares son quizás el mayor problema, ya que las baterías de iones de litio no se cargan en temperaturas bajo cero y los sistemas de calefacción agregan complejidad y necesitan energía. Las baterías que se sobrecalientan durante la descarga son potencialmente peligrosas, deben enfriarse o reducirse a un modo reducido, mientras que los motores y generadores también pueden sobrecalentarse, por último, no te olvides de los imanes permanentes, que son propensos a la desmagnetización.
Asimismo, a temperaturas superiores a unos 65 ° C, la eficiencia de dispositivos como los inversores IGBT disminuye y, por tanto, necesita refrigeración, aunque la electrónica de potencia más nueva basada en semiconductores de carburo de silicio o nitruro de galio, además de funcionar a mayor voltaje, soporta temperaturas más elevadas y, por lo tanto, se puede enfriar desde el sistema de enfriamiento del motor.
Además, el impacto y la vibración del terreno accidentado, más el daño potencial que podrían causar los bombardeos y explosiones, también dificulta la integración de la tecnología de propulsión eléctrica en vehículos militares ligeros, señala el informe.
El informe concluye que DRDC debería solicitar un demostrador de tecnología. Es un vehículo táctico híbrido secuencial liviano relativamente simple con motores eléctricos instalados en los cubos de las ruedas o en los ejes, el motor diesel está sintonizado a la potencia máxima adecuada y se instala un conjunto de supercondensadores o ultracondensadores para mejorar la aceleración y la capacidad de subida. Los supercondensadores o ultracondensadores almacenan una carga muy grande durante un corto período de tiempo y pueden liberarla muy rápidamente para generar pulsos de energía. El automóvil no funcionará en absoluto o se instalará una batería muy pequeña, se generará electricidad durante el proceso de frenado regenerativo, como resultado, se excluyen los modos de movimiento silencioso y observación silenciosa.
Los cables de alimentación que van solo a las ruedas, reemplazando la transmisión mecánica y los ejes de transmisión, reducirán significativamente el peso de la máquina y mejorarán la protección contra explosiones, ya que se elimina la dispersión de escombros y fragmentos secundarios. Sin una batería, el volumen interno para la tripulación y la carga útil aumentará y será más seguro, y se eliminarán los problemas asociados con el mantenimiento y la gestión térmica de las baterías de iones de litio.
Además, se establecen los siguientes objetivos al crear un prototipo: menor consumo de combustible de un motor diesel relativamente pequeño que opera a rpm constantes, combinado con recuperación de energía, mayor generación de energía para sensores operativos o exportación de energía, mayor confiabilidad y mejor servicio.
A los golpes no les importa
Como explicó Bruce Brandl del Centro de Investigación Blindado (TARDEC) en una presentación sobre el desarrollo de motores, el Ejército de los EE. UU. Quiere un sistema de propulsión que permita a sus vehículos de combate moverse a través de terrenos más difíciles a velocidades más altas, lo que reducirá significativamente el porcentaje de terreno. en zonas de guerra en las que los coches actuales no pueden moverse. El llamado terreno intransitable constituye aproximadamente el 22% de estas zonas y el ejército quiere reducir esta cifra al 6%. También quieren aumentar la velocidad media en la mayor parte del área de los 16 km / h actuales a los 24 km / h.
Además, Brandl enfatizó que se planea aumentar la demanda de energía a bordo a al menos 250 kW, es decir, superior a lo que pueden proporcionar los generadores de la máquina, ya que se agregan cargas de nuevas tecnologías, por ejemplo, torres electrificadas y sistemas de protección., refrigeración de la electrónica de potencia., exportación de energía y armas de energía dirigida.
El Ejército de EE. UU. Estima que satisfacer estas necesidades con la tecnología turbodiésel actual aumentará el volumen del motor en un 56% y el peso del vehículo en aproximadamente 1400 kg. Por lo tanto, al desarrollar su avanzada planta de energía Advanced Combat Engine (ACE), se estableció la tarea principal: duplicar la densidad de potencia total de 3 hp / cu. pies a 6 hp / cu. pie.
Si bien una mayor densidad de potencia y una mejor eficiencia del combustible son muy importantes para la próxima generación de motores militares, es igualmente importante reducir la producción de calor. Este calor generado es energía desperdiciada que se disipa en el espacio circundante, aunque podría usarse para propulsar o generar energía eléctrica. Pero está lejos de ser siempre posible lograr un equilibrio perfecto de estos tres parámetros, por ejemplo, el motor de turbina de gas AGT 1500 del tanque M1 Abrams con una capacidad de 1500 hp. tiene una baja transferencia de calor y una alta densidad de potencia, pero un consumo de combustible muy alto en comparación con los motores diésel.
De hecho, los motores de turbina de gas generan una gran cantidad de calor, pero la mayor parte se elimina a través del tubo de escape, debido a la alta tasa de flujo de gas. Como resultado, las turbinas de gas no necesitan los sistemas de enfriamiento que necesitan los motores diesel. Una alta potencia específica de los motores diesel solo se puede lograr resolviendo el problema del control térmico. Brandl enfatizó que esto se debe principalmente al volumen limitado disponible para equipos de enfriamiento como tuberías, bombas, ventiladores y radiadores. Además, las estructuras de protección como las rejillas a prueba de balas también ocupan volumen y restringen el flujo de aire, reduciendo la eficiencia de los ventiladores.
Pistones hacia
Como señaló Brandl, el programa ACE se centra en motores diésel / multicombustible de dos tiempos con pistones opuestos debido a su baja disipación de calor inherente. En tales motores, se colocan dos pistones en cada cilindro, que forman una cámara de combustión entre ellos, como resultado, se excluye la culata, pero esto requiere dos cigüeñales y puertos de admisión y escape en las paredes del cilindro. Los motores Boxer se remontan a la década de 1930 y se han mejorado continuamente a lo largo de las décadas. Esta vieja idea no se libró de la empresa Achates Power, que, en cooperación con Cummins, revivió y modernizó este motor.
Un portavoz de Achates Power dijo que su tecnología boxer ha mejorado la eficiencia térmica, lo que se traduce en menores pérdidas de calor, mejor combustión y menores pérdidas de bombeo. La eliminación de la culata redujo significativamente la relación superficie-volumen en la cámara de combustión y, por lo tanto, la transferencia y liberación de calor en el motor. Por el contrario, en un motor tradicional de cuatro tiempos, la culata contiene muchos de los componentes más calientes y es la principal fuente de transferencia de calor al refrigerante y la atmósfera circundante.
El sistema de combustión Achates utiliza dos inyectores de combustible colocados diametralmente en cada cilindro y una forma de pistón patentada para optimizar la mezcla de aire / combustible, lo que resulta en una combustión baja de hollín y una transferencia de calor reducida a las paredes de la cámara de combustión. Se inyecta una nueva carga de la mezcla en el cilindro y los gases de escape salen a través de los puertos, con la ayuda de un sobrealimentador que bombea aire a través del motor. Achates señala que esta purga en co-corriente tiene un efecto beneficioso sobre la economía de combustible y las emisiones.
El ejército de los EE. UU. Desea que la familia ACE de trenes de potencia escalables modulares incluya motores con el mismo diámetro y carrera y diferentes recuentos de cilindros: 600-750 hp. (3 cilindros); 300-1000 CV (4); y 1200-1500 CV. (6). Cada planta de energía ocupará un volumen: una altura de 0,53 my un ancho de 1, 1 my, en consecuencia, una longitud de 1,04 m, 1,25 my 1,6 m.
Objetivos tecnológicos
Un estudio interno del Ejército realizado en 2010 confirmó los beneficios de los motores boxer, dando como resultado el proyecto Next-Generation Combat Engine (NGCE), en el que empresas industriales presentaron sus desarrollos en esta área. La tarea era llegar a los 71 CV. por cilindro y una potencia total de 225 CV. Para 2015, ambos números se superaron fácilmente en un motor experimental probado en el Centro de Investigación Blindado.
En febrero del mismo año, el ejército adjudicó contratos a AVL Powertrain Engineering y Achates Power para motores monocilíndricos ACE experimentales bajo un programa de dos años, en el marco del cual el objetivo era lograr las siguientes características: potencia 250 hp, par motor 678 Nm, consumo específico de combustible 0, 14 kg / hp / hy disipación de calor inferior a 0,45 kW / kW. Se superaron todos los indicadores, excepto la transferencia de calor, aquí no fue posible caer por debajo de 0,506 kW / kW.
En el verano de 2017, Cummins y Achates comenzaron a trabajar bajo un contrato ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) para demostrar un motor de cuatro cilindros de 1,000 hp. par de 2700 Nm y los mismos requisitos para el consumo específico de combustible y la transferencia de calor. El primer motor se fabricó en julio de 2018 y las pruebas operativas iniciales se completaron a fines del mismo año. En agosto de 2019, el motor se entregó a la Dirección de TARDEC para su instalación y prueba.
La combinación de un motor bóxer y un propulsor eléctrico híbrido mejoraría la eficiencia de vehículos de varios tipos y tamaños, tanto militares como civiles. Con esto en mente, la Autoridad de Investigación y Desarrollo Avanzado otorgó $ 2 millones a Achates para desarrollar un motor bóxer avanzado de un solo cilindro para futuros vehículos híbridos; en este proyecto la empresa colabora con la Universidad de Michigan y Nissan.
Control de pistón
De acuerdo con el concepto, este motor por primera vez integrado tan estrechamente el subsistema eléctrico y el motor de combustión interna, cada uno de los dos cigüeñales gira y puede ser accionado por su propio grupo motor-generador; no hay conexión mecánica entre los ejes.
Achates confirmó que el motor solo está diseñado para sistemas híbridos secuenciales, ya que toda la potencia que genera se transmite eléctricamente y los grupos electrógenos cargan la batería para ampliar la autonomía. Sin una conexión mecánica entre los ejes, el momento no se transmite, lo que conduce a una disminución de las cargas. Como resultado, se pueden hacer más livianos, reducir el peso y el tamaño generales, la fricción y el ruido, y reducir los costos.
Quizás lo más importante es que los cigüeñales desacoplados permiten el control independiente de cada pistón mediante el uso de electrónica de potencia. "Esta es una parte importante de nuestro proyecto, es importante determinar cómo el desarrollo de motores y controles eléctricos podría mejorar la eficiencia del motor de combustión interna". Un portavoz de Achates confirmó que esta configuración permite el control de la sincronización del cigüeñal, lo que abre nuevas posibilidades. "Nos esforzamos por mejorar la eficiencia del control del pistón, que no está disponible con la comunicación mecánica tradicional".
En este punto, hay poca información disponible sobre cómo se puede usar el control de pistón independiente, pero en teoría es posible hacer que la carrera sea mayor que la carrera de compresión, por ejemplo, y así extraer más energía de la carga de aire / combustible. mezcla. Un esquema similar se implementa en motores Atkinson de cuatro tiempos instalados en automóviles híbridos. En el Toyota Prius, por ejemplo, esto se logra mediante la sincronización variable de válvulas.
Durante mucho tiempo, fue obvio que las grandes mejoras en tecnologías maduras, como los motores de combustión interna, no son fáciles de lograr, pero los motores bóxer avanzados podrían ser los que proporcionarían ventajas reales a los vehículos militares, especialmente cuando se combinan con sistemas de propulsión eléctrica. …
