L'énergie nécessaire à la propulsion des véhicules terrestres et au fonctionnement de leurs systèmes et ensembles est traditionnellement fournie par les moteurs diesel. La réduction de la consommation de carburant augmente non seulement l'autonomie, mais réduit également la logistique, qui est déterminée par le maintien des réserves de carburant, et augmente la protection du personnel de service arrière lors du processus d'entretien de l'équipement.
À cet égard, les forces armées s'efforcent de trouver une solution dans laquelle le rendement élevé et la chaleur spécifique de combustion élevée du carburant diesel inhérents aux systèmes à entraînement électrique fonctionneraient en une seule "équipe". Les nouvelles solutions hybrides et les moteurs à combustion avancés ont le potentiel d'offrir de grands avantages pratiques en plus d'un entraînement monoélectrique silencieux, d'une surveillance silencieuse (capteurs alimentés par batterie à l'arrêt) et de la production d'électricité pour les consommateurs externes.
Potentiel du groupe motopropulseur
Recherche Canada (RDDC), par exemple, étudie la faisabilité de groupes motopropulseurs hybrides diesel-électrique. La FDA a publié ses recherches en 2018, en se concentrant sur les plates-formes tactiques légères telles que le HMMWV, les véhicules de combat ultralégers de classe DAGOR et les petits VTT monoplaces et multiplaces.
Le rapport Feasibility of Hybrid Diesel-Electric Powertrains for Light Tactical Vehicles note que dans la plupart des modes de conduite où les vitesses et les charges varient considérablement (généralement en tout-terrain), les hybrides ont un rendement énergétique 15 à 20 % supérieur en termes d'économie de carburant. machines traditionnelles à entraînement mécanique, en particulier lors de l'utilisation du freinage par récupération. De plus, les moteurs à combustion interne, y compris les moteurs diesel, fonctionnent mieux lorsqu'ils fonctionnent à un régime constant soigneusement sélectionné, ce qui est typique des systèmes hybrides séquentiels dans lesquels le moteur fonctionne uniquement comme un générateur.
Comme le note le rapport, étant donné que la puissance du moteur peut être complétée par des batteries pendant de courtes périodes de consommation de pointe, le moteur peut être réglé pour ne fournir que la puissance moyenne requise, les plus petites centrales utilisant généralement moins de carburant, toutes choses étant égales par ailleurs.
Avec une capacité de batterie suffisante, les hybrides peuvent également rester longtemps en mode de surveillance silencieuse avec le moteur éteint et les capteurs, l'électronique et les systèmes de communication en fonctionnement. De plus, le système peut alimenter des équipements externes, charger des batteries et même alimenter un camp militaire, réduisant ainsi le besoin de générateurs remorqués.
Alors que les entraînements hybrides offrent des performances supérieures en termes de vitesse, d'accélération et d'aptitude en pente, le bloc-batterie peut être lourd et encombrant, ce qui entraîne une charge utile réduite, a déclaré RDDC. Cela peut être un problème pour les véhicules ultralégers et les VTT monoplaces. De plus, à basse température, les caractéristiques des batteries elles-mêmes sont réduites, elles ont souvent des problèmes de charge et de contrôle de la température.
Bien que les hybrides séquentiels éliminent la transmission mécanique, le besoin d'un moteur, d'un générateur, d'une électronique de puissance et d'une batterie les rend inévitablement difficiles et coûteux à acheter et à entretenir.
La plupart des électrolytes de batterie peuvent également présenter des risques lorsqu'ils sont endommagés, par exemple, les cellules lithium-ion sont connues pour s'enflammer lorsqu'elles sont endommagées. Que cela pose un plus grand risque que la fourniture de carburant diesel est peut-être un point discutable, souligne le rapport, mais les hybrides comportent les deux risques.
Sélection de combinaison
Les deux principaux schémas permettant de combiner des moteurs à combustion interne avec des appareils électriques sont en série et en parallèle. Comme mentionné ci-dessus, la plate-forme hybride série est une machine électrique avec un générateur, tandis qu'en parallèle il y a un moteur et un moteur de traction, qui, grâce à une transmission mécanique qui leur est reliée, transmettent la puissance aux roues. Cela signifie que le moteur ou le moteur de traction peut entraîner la machine individuellement ou qu'ils peuvent fonctionner ensemble.
Dans les deux types d'hybrides, le composant électrique est généralement un groupe électrogène (MGU), qui peut convertir l'énergie électrique en mouvement et vice versa. Il peut conduire une voiture, charger une batterie, démarrer un moteur et, si nécessaire, économiser de l'énergie grâce au freinage régénératif.
Les hybrides série et parallèle s'appuient sur l'électronique de puissance pour gérer la puissance de la batterie et réguler la température de la batterie. Ils fournissent également la tension et l'ampérage que le générateur doit fournir aux batteries et les batteries à leur tour aux moteurs électriques.
Cette électronique de puissance se présente sous la forme d'onduleurs à semi-conducteurs à base de semi-conducteurs en carbure de silicium, dont les inconvénients sont généralement une taille et un coût importants, ainsi que des pertes de chaleur. L'électronique de puissance nécessite également une électronique de commande similaire à celle qui alimente un moteur à combustion interne.
Jusqu'à présent, l'histoire des véhicules militaires à propulsion électrique a consisté en des programmes de développement expérimentaux et ambitieux qui ont finalement été clôturés. En fonctionnement réel, il n'existe toujours pas de véhicules militaires hybrides, en particulier, dans le domaine des véhicules tactiques légers, plusieurs problèmes technologiques non résolus subsistent. Ces problèmes peuvent être considérés comme largement résolus pour les véhicules civils car ils fonctionnent dans des conditions beaucoup plus favorables.
Les voitures électriques se sont montrées très rapides. Par exemple, le véhicule expérimental à batterie Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) de Nikola Motor peut accélérer de 0 à 97 km/h en 4 secondes et a une autonomie de 241 km.
« L'aménagement, cependant, est l'un de ces grands défis », dit le rapport de RDDC. La taille, le poids et la dissipation thermique des packs batteries sont assez importants, et un compromis doit être fait entre la capacité énergétique totale et la puissance instantanée qu'ils peuvent délivrer pour une masse et un volume donnés. L'allocation de volume pour les câbles haute tension, leur fiabilité et leur sécurité sont également des goulets d'étranglement ainsi que la taille, le poids, le refroidissement, la fiabilité et l'étanchéité de l'électronique de puissance.
Chaleur et poussière
Le rapport indique que les variations de température auxquelles sont confrontés les véhicules militaires sont peut-être le plus gros problème, car les batteries lithium-ion ne se chargent pas à des températures inférieures à zéro et les systèmes de chauffage ajoutent de la complexité et nécessitent de l'énergie. Les batteries qui surchauffent lors de la décharge sont potentiellement dangereuses, elles doivent être refroidies ou réduites à un mode réduit, tandis que les moteurs et générateurs peuvent également surchauffer, enfin, n'oubliez pas les aimants permanents, sujets à la démagnétisation.
De même, à des températures supérieures à environ 65 ° C, l'efficacité des dispositifs tels que les onduleurs IGBT diminue et nécessite donc un refroidissement, bien que l'électronique de puissance plus récente à base de semi-conducteurs en carbure de silicium ou de nitrure de gallium, en plus de fonctionner à une tension accrue, résiste à des températures plus élevées et, par conséquent, peut être refroidi à partir du système de refroidissement du moteur.
En outre, les chocs et les vibrations dus aux terrains accidentés, ainsi que les dommages potentiels qui pourraient être causés par les bombardements et les explosions, rendent également difficile l'intégration de la technologie de propulsion électrique dans les véhicules militaires légers, note le rapport.
Le rapport conclut que RDDC devrait commander un démonstrateur technologique. Il s'agit d'un véhicule tactique hybride séquentiel léger relativement simple avec des moteurs électriques installés soit dans les moyeux de roues, soit dans les essieux, le moteur diesel est réglé sur la puissance de pointe appropriée, et un ensemble de super ou ultracondensateurs est installé pour améliorer l'accélération et la nivellement.. Les supercondensateurs ou les ultracondensateurs stockent une charge très importante pendant une courte période de temps et peuvent la libérer très rapidement pour générer des impulsions de puissance. La voiture ne sera pas du tout, ou une très petite batterie sera installée, de l'électricité sera générée pendant le processus de freinage régénératif, par conséquent, les modes de mouvement silencieux et d'observation silencieuse sont exclus.
Les câbles d'alimentation allant jusqu'aux roues uniquement, remplaçant la transmission mécanique et les arbres de transmission, réduiront considérablement le poids de la machine et amélioreront la protection contre les explosions, car la dispersion des débris et fragments secondaires est éliminée. Sans batterie, le volume interne pour l'équipage et la charge utile augmentera et deviendra plus sûr, et les problèmes liés à la maintenance et à la gestion thermique des batteries lithium-ion seront éliminés.
En outre, les objectifs suivants sont fixés lors de la création d'un prototype: une consommation de carburant réduite d'un moteur diesel relativement petit fonctionnant à régime constant, combinée à une récupération d'énergie, une production d'énergie accrue pour le fonctionnement des capteurs ou l'exportation d'énergie, une fiabilité accrue et un service amélioré.
Les bosses s'en foutent
Comme Bruce Brandl du Centre de recherche blindé (TARDEC) l'a expliqué lors d'une présentation sur le développement des moteurs, l'armée américaine veut un système de propulsion qui permettra à ses véhicules de combat de se déplacer sur des terrains plus difficiles à des vitesses plus élevées, ce qui réduira considérablement le pourcentage de terrain dans les zones de guerre sur lesquelles les voitures actuelles ne peuvent pas se déplacer. Le terrain dit infranchissable représente environ 22 % de ces zones et l'armée souhaite réduire ce chiffre à 6 %. Ils souhaitent également augmenter la vitesse moyenne dans la majeure partie de la zone de 16 km / h aujourd'hui à 24 km / h.
En outre, Brandl a souligné que la demande d'énergie à bord devrait être augmentée à au moins 250 kW, c'est-à-dire supérieure à ce que les générateurs de la machine peuvent fournir, à mesure que des charges sont ajoutées à partir de nouvelles technologies, par exemple, des tours électrifiées et des systèmes de protection., refroidissement de l'électronique de puissance., exportation d'énergie et armes à énergie dirigée.
L'armée américaine estime que répondre à ces besoins avec la technologie turbodiesel actuelle augmentera le volume du moteur de 56 % et le poids du véhicule d'environ 1400 kg. Par conséquent, lors du développement de sa centrale électrique avancée Advanced Combat Engine (ACE), la tâche principale a été définie - doubler la densité de puissance totale de 3 hp / cu. pi à 6 ch/cu. pied.
Alors qu'une densité de puissance plus élevée et un meilleur rendement énergétique sont très importants pour la prochaine génération de moteurs militaires, il est tout aussi important de réduire la production de chaleur. Cette chaleur générée est de l'énergie gaspillée dissipée dans l'espace environnant, bien qu'elle puisse être utilisée pour propulser ou générer de l'énergie électrique. Mais il est loin d'être toujours possible d'atteindre un équilibre parfait de tous ces trois paramètres, par exemple, le moteur à turbine à gaz AGT 1500 du réservoir M1 Abrams d'une capacité de 1500 ch. a un faible transfert de chaleur et une densité de puissance élevée, mais une consommation de carburant très élevée par rapport aux moteurs diesel.
En fait, les moteurs à turbine à gaz génèrent une grande quantité de chaleur, mais la majeure partie est évacuée par le tuyau d'échappement, en raison du débit élevé de gaz. En conséquence, les turbines à gaz n'ont pas besoin des systèmes de refroidissement dont les moteurs diesel ont besoin. Une puissance spécifique élevée des moteurs diesel ne peut être obtenue qu'en résolvant le problème du contrôle thermique. Brandl a souligné que cela est principalement dû au volume limité disponible pour les équipements de refroidissement tels que les tuyauteries, les pompes, les ventilateurs et les radiateurs. De plus, les structures de protection telles que les grilles pare-balles prennent également du volume et limitent le flux d'air, réduisant ainsi l'efficacité des ventilateurs.
Pistons vers
Comme l'a noté Brandl, le programme ACE se concentre sur les moteurs diesel/multicarburants à deux temps à pistons opposés en raison de leur faible dissipation thermique inhérente. Dans de tels moteurs, deux pistons sont placés dans chaque cylindre, qui forment une chambre de combustion entre eux, par conséquent, la culasse est exclue, mais cela nécessite deux vilebrequins et des orifices d'admission et d'échappement dans les parois du cylindre. Les moteurs Boxer datent des années 1930 et ont été continuellement améliorés au fil des décennies. Cette vieille idée n'a pas été épargnée par la société Achates Power qui, en coopération avec Cummins, a relancé et modernisé ce moteur.
Un porte-parole d'Achates Power a déclaré que leur technologie Boxer a amélioré l'efficacité thermique, ce qui se traduit par des pertes de chaleur plus faibles, une combustion améliorée et des pertes de pompage réduites. La suppression de la culasse a considérablement réduit le rapport surface/volume dans la chambre de combustion et ainsi le transfert et le dégagement de chaleur dans le moteur. En revanche, dans un moteur à quatre temps traditionnel, la culasse contient bon nombre des composants les plus chauds et constitue la principale source de transfert de chaleur vers le liquide de refroidissement et l'atmosphère environnante.
Le système de combustion Achates utilise des injecteurs de carburant jumeaux positionnés diamétralement dans chaque cylindre et une forme de piston brevetée pour optimiser le mélange air/carburant, résultant en une faible combustion de suie et un transfert de chaleur réduit vers les parois de la chambre de combustion. Une nouvelle charge du mélange est injectée dans le cylindre et les gaz d'échappement sortent par les orifices, aidés par un compresseur qui pompe de l'air à travers le moteur. Achates souligne que cette purge à co-courant a un effet bénéfique sur l'économie de carburant et les émissions.
L'armée américaine souhaite que la famille ACE de groupes motopropulseurs modulaires évolutifs inclue des moteurs avec le même alésage et la même course et un nombre de cylindres différent: 600-750 ch. (3 cylindres); 300-1000 CV (4); et 1200-1500 ch. (6). Chaque centrale occupera un volume - une hauteur de 0,53 m et une largeur de 1, 1 m et, par conséquent, une longueur de 1,04 m, 1,25 m et 1,6 m.
Objectifs technologiques
Une étude interne à l'Armée de terre menée en 2010 a confirmé l'intérêt des moteurs boxer, débouchant sur le projet Next-Generation Combat Engine (NGCE) dans lequel des industriels ont présenté leurs développements dans ce domaine. La tâche était d'atteindre 71 ch. par cylindre et une puissance totale de 225 ch. En 2015, ces deux chiffres ont été facilement dépassés sur un moteur expérimental testé au Centre de recherche blindé.
En février de la même année, l'armée confie à AVL Powertrain Engineering et Achates Power des contrats de moteurs monocylindres ACE expérimentaux dans le cadre d'un programme de deux ans, dans le cadre duquel l'objectif est d'atteindre les caractéristiques suivantes: puissance 250 ch, couple 678 Nm, consommation de carburant spécifique 0, 14 kg / ch / h et dissipation thermique inférieure à 0,45 kW / kW. Tous les indicateurs ont été dépassés, à l'exception du transfert de chaleur, ici il n'a pas été possible de descendre en dessous de 0,506 kW/kW.
À l'été 2017, Cummins et Achates ont commencé à travailler dans le cadre d'un contrat ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) pour faire la démonstration d'un moteur quatre cylindres de 1 000 ch. couple de 2700 Nm et les mêmes exigences pour la consommation de carburant spécifique et le transfert de chaleur. Le premier moteur a été fabriqué en juillet 2018 et les premiers tests opérationnels ont été achevés à la fin de la même année. En août 2019, le moteur a été livré à la Direction TARDEC pour installation et essais.
La combinaison d'un moteur boxer et d'un entraînement électrique hybride améliorerait l'efficacité des véhicules de différents types et tailles, à la fois militaires et civils. Dans cette optique, l'Autorité de Recherche et Développement Avancée a octroyé 2 millions de dollars à Achates pour développer un moteur boxer monocylindre avancé pour les futurs véhicules hybrides; dans ce projet, l'entreprise collabore avec l'Université du Michigan et Nissan.
Contrôle des pistons
Conformément au concept, ce moteur a pour la première fois intégré si étroitement le sous-système électrique et le moteur à combustion interne, chacun des deux vilebrequins tourne et peut être entraîné par son propre groupe moto-générateur; il n'y a pas de liaison mécanique entre les arbres.
Achates a confirmé que le moteur n'est conçu que pour les systèmes hybrides séquentiels, car toute la puissance qu'il génère est transmise électriquement et les groupes électrogènes chargent le bloc-batterie pour étendre l'autonomie. Sans liaison mécanique entre les arbres, le moment n'est pas transmis, ce qui entraîne une diminution des charges. En conséquence, ils peuvent être allégés, réduire le poids et la taille globales, la friction et le bruit, et réduire les coûts.
Peut-être plus important encore, les vilebrequins découplés permettent un contrôle indépendant de chaque piston grâce à l'utilisation de l'électronique de puissance. "C'est une partie importante de notre projet, il est important de déterminer comment le développement de moteurs électriques et de commandes pourrait améliorer l'efficacité du moteur à combustion interne." Un porte-parole d'Achates a confirmé que cette configuration permet de contrôler le calage du vilebrequin, ce qui ouvre de nouvelles possibilités. "Nous nous efforçons d'améliorer l'efficacité du contrôle du piston, qui n'est pas disponible avec la communication mécanique traditionnelle."
À ce stade, il y a peu d'informations disponibles sur la façon dont la commande de piston indépendante peut être utilisée, mais en théorie, il est possible de rendre la course plus grande que la course de compression, par exemple, et ainsi extraire plus d'énergie de la charge de l'air / du carburant mélange. Un schéma similaire est mis en œuvre dans les moteurs Atkinson à quatre temps installés dans les voitures hybrides. Dans la Toyota Prius, par exemple, cela est réalisé grâce à un calage variable des soupapes.
Pendant longtemps, il était évident que de grandes améliorations dans les technologies matures, telles que les moteurs à combustion interne, ne sont pas faciles à réaliser, mais les moteurs boxer avancés pourraient être ce qui apporterait de réels avantages aux véhicules militaires, en particulier lorsqu'ils sont combinés avec des systèmes de propulsion électriques. …
