Obrněné vozidlo budoucnosti, část 3, pohonná jednotka

[Pátrač]

OBRNĚNÉ VOZIDLO BUDOUCNOSTI, ČÁST 3, POHONNÁ JEDNOTKA

V tomto bloku se pokusme najít možnosti a vybrat ty optimální varianty pro:

druh pohonu tedy:
- klasický spalovací motor
- plynovou turbínu
- motor - elektrický pohon
- jiné možnosti

Přimlouval bych se, abychom hledali možnost bez rozlišení hmotnosti prostředku pokud je to možné - jde o to, že pohyblivost je z velké části funkcí výkonu, takže pro těžký podvozek je potřeba větší výkon a naopak.

Podněty pro diskusi:

Hledejme jaké je skutečně nejlepší uspořádání:

A/ klasicky, tedy motor vzadu, převodovka, planetová ústrojí a koncové náhony

B/ nebo ho otočíme a bude toto všechno v předu?

[skelet]

Takže navrhuji dieselgenerátor, který by napájel minimálně dva elektromotory. Jaké v tomto pohonu vidím výhody?
- motor bude pracovat stále v optimálním režimu, nemusí být tedy tak výkonný jako u klasického řešení. Z toho plyne, že motor může být menší s menší spotřebou (těžký nákladní automobil HEMTT A3 8x8 má spotřebu nižší oproti klasicky poháněnému HEMTT A4 údajně o 20%).
- z konstrukce můžeme vypustit převodovky, rozvodovky a další mechanické části (brzdy).
- ušetří se vnitřní prostor tanku, díky vypuštění mnoha mechanických částí a zmenšení palivové nádrže
- usnadní se údržba.
- tank by mohl mít stejnou maximální rychlost/akceleraci při jízdě vpřed/vzad
- v případě energeticky náročných nástaveb nebude potřeba další generátor (jedna z výhod HEMTT A3, viz e-brožura níže)
- v neposlední řadě by tank měl kapacity pro budoucí energetické zbraně (bonus do budoucna)

Pro příklad zde dávám odkaz na HEMTT A4 a hybridní HEMTT A3 stejného výrobce. Dle váhy by měl být A3 dokonce o dvě a půl tuny lehčí, při udávané úspoře paliva (dle výrobce) 20%

[cover72]

souhlas se skeletem, akorát elektromotory bych umístil přímo do nábojů hnacích kol - tak bude zajištěna maximální kompatibilita podvozků včetně možnosti změny pásového na kolový.
A dieselagregát s alternátorem udělat jako modul/výměnný blok, aby se dal v polních podmínkách vytáhnout a vyměnit třeba z BVP do tanku.

[skelet]

souhlas se skeletem, akorát elektromotory bych umístil přímo do nábojů hnacích kol - tak bude zajištěna maximální kompatibilita podvozků včetně možnosti změny pásového na kolový.
A dieselagregát s alternátorem udělat jako modul/výměnný blok, aby se dal v polních podmínkách vytáhnout a vyměnit třeba z BVP do tanku.

ano, s myšlenkou "Christie" si hraju, viz. střední podvozek

[sojuz2003]

Prospekty k dieselelektrickým agregátom – pohonom oshkosh.
Oshkosh Truck's Electric Drive Approach to Mobile PowerOshkosh_ProPulse_drive_brochure-2.pdf

[Pátrač]

Já osobně si myslím, že pokud bych se rozhodoval pro druh pohonu, tedy čistě pohonu pez dalších součístí tak nejlepší vyjdou dvě varianty:
- klasický spalovací motor
- motorelektrická sestava.

Pravda je, že vývoj spalovacích motorů klasické konstrukce asi nic nového nebo spíše revolučního nepřinese-je zde pravděpodobné:
- zvyšování účinnosti,
- snižování tepelného vyzařování,
- snížení poruchovosti vlivem působení protivníka,
- vylepšování měrného výkonu v poměru k hmotnosti samotného motoru i celého tanku,
- celkové snížení spotřeby a
- snížení hořlavosti pohonné jednotky.

Pro mě osobně je přitažlivý motor tanku Leclerc. Zde pohon tanku zajišťuje osmiválcový vodou chlazený dieselový motor Wärtsilä NSD V8X Hyperbar o výkonu 1500 ks. Jedná se o tzv. motor s kontinuálním přeplňováním, který dosahuje velmi rychlého nárůstu výkonu - z 0 na 1500k za pouhé 2,8 s, zatímco nejlepší dieselové motory k tomu potřebují minimálně 8 vteřin. Přeplňování zajišťuje turbína TM 307B, která v případě potřeby slouží jako pomocná pohonná jednotka - unikátní řešení.

Ale myslím si, že i motory jiných soudobých tanků vykazují velmi dobré parametry. Je zde ale další zátěž. Tedy převodovka, planetová ústojí a koncové náhony či jiné transmise.

Pohon druhý tedy pomocí diesel elektrického agregátu a elektromotorů - já osobně zde preferuji termín hybridní pohon je tak trochu velkou neznámou. Jde tedy, pokud bych to popsal přesněji o kombinaci:
- spalovací motor nebo turbína,
- propojené přes reduktor na alternátor s usměrňovači.

Vše je doplněno baterií akumulátorů.

Trakci na pásy pak zajistí elektromotory, které při brždění nebo jízdě ze svahu pomocí rekuperačních prvků opět dobíjí akumulátory.
Výhody:
- až o třetinu nižší spotřeba paliva, pohonný motor může mít až o třetinu nižší výkon a navíc po celou dobu pracuje v optimálních provozních podmínkách
- odpadá převodové, směrové a transmisní ústrojí
- při stání na místě nemusí běžet motor - kapacita akumulátorů zajistí i několik hodin činnosti palubních systémů bez potřeby běhu motoru – což zajistí taktické maskování – žádné infračervené záření ani žádný hluk
- již výše zmíněná možnost rekuperace pro doplnění energie akumulátorů a tím odlehčení brzdovému systému
- podstatně jednodušší systém startování motoru

Nevýhody: : není to pro potřebné zátěže vyzkoušeno i když pro výkony kolem 250 až 350 kW už ano a s velkým úspěchem. Ze je vlastně možno s tímto pohonem uvažovat u podvozků střední tonáže.

S počty elktromotorů u kolovýh vozidel nemám problém. Ale velmi opatrný bych byl u počtů elektomotorů u pásových podvozků a proč jsem vysvětlil ve vláknu o středním podvozku.

[lkala]

Klasický motor vs hybrid (motor + generátor):

Klasický motor + spojka, převodovka, hřídele atd. má účinnost asi 98 %. Tedy 2 % mechanických ztrát mezi motorem a kolem.

Motor jako stacioární + generátor (v podobě seriového hybridu), má maximální účinnost (v současné době) asi 55 %. Tedy asi polovinu.

Rozdíl je dán vícenásobnou přeměnou energie v případě seriového hybridu. Jedná se o zásadní problém, prakticky neřešitelný. Je to asi hlavní důvod, proč se dosud seriové hybridy neprosadily (a asi ani neprosadí), výrobci v podstatě čekají, jak to dopadne s palivovými články.

U seriového hybridního konceptu skutečně lze motor provozovat v optimálních otáčkách. Tím skutečně odpadají nehospodárné body otáčkové charakteristiky, zejména volnoběh a spodní rozsah částečných zatížení. Motor tedy lze provozovat s největší účinností (pro spalovací motor), vhodnější je tedy asi vznětový motor.
Tohle téma je ovšem důležité zejména z hlediska emisí. Absence přechodových stavů (tedy prudkého přidání nebo ubrání plynu) nám umožňuje provozovat (zážehový) motor na lambda = 1, aniž bychom se tímto museli zabývat.
Druhá možnost je samozřejmě ignorovat emise a provozovat motor v režimu chudých směsí, tedy u zážehových motorů např. vrstveně (motory VW FSI) a tedy s velmi nízkou spotřebou. Zároveň odpadne dosti složitá problematika přechodů mezi jednotlivými režimy (tedy z homogenního na vrstvený a zpět), která souvisí se změnou zátěže.

Odpadnutí spojky, převodovky apod. je u sériového hybridu kompentováno hmotností baterií a zejména jejich životností (současná). Zda (a případně o kolik) klesne hmotnost si netroufám hodnotit.

Teď budu hovořit o kolových vozidlech:

Hybridné vozidla mohou být brzděna generátorem, ale mechanické brzdy jsou stále nezbytné pro náhlé zastavení. Pro rekuperaci je vhodnější používat mechanických zásobníků energie, tedy setrvačníků, mají výrazně vyšší životnost, než akumulátory. Dnešní setrvačníky pro rekuperaci jsou schopny rozjet plně naložený trolejbus po rovině do vzdálenosti asi 3 km. Problémem zde jsou hlavně dynamické projevy (precese a nutace) a nutnost prostoru.

Všeobecně je v oblasti hybridních pohonů patrná jistá skepse. Výrobci se nechtějí příliš pouštět do vývoje, všichni spíše vyčkávají, případně se věnují jinému vývoji (snad s vyjímkou Toyoty).

[Alchymista]

Pre ťažký obrnený podvozok s hmotnosťou 50-60 ton je treba, aby pohon poskytoval merný výkon aspoň 18-20kW na tonu, takže diesel alebo turbína poháňajúca generátor nemôže byť výrazne slabšia ako diesel či turbína pre mechanický pohon.
Podobný merný výkon vyžadujú aj pohony stredných bojových vozidiel.

Než v úspore hmotnosti by som výhodu motor-generátorového pohonu videl v tom, že motor sa dá jednoduchšie umiestniť tak, aby vedľa neho vznikol priestor použiteľný podľa umiestnenia ako prielez/priechod pre posádku alebo priestor pre vodiča. Toto riešenie je zvlášť zaujímavé pre podporné vozidlá na ťažkom obrnenom podvozku.

EDIT: Lkala - nie je 98% účinnosť prevodov trochu veľa? Zvlášť u pásových podvozkov...

[Pátrač]

Celková účinnost motorpřevodového mechanického ústrojí pásových vozidel, kterou jsi kolego Ikalo udal mi připadá nereálná. Využít 98 % energie získatelné při spalování paliva asi nelze. Já bych to odhadl tak na 25 až 35 procent celkové účinnosti motorpřevodové soustavy a to si myslím, že je už dost.

Ale pokud jsi to myslel tak, že výkon na spojovém hřídeli je 100% tedy využitelný výkon, tak ztráty v mechanických částech by nemusely být tak velké.

Pro těžká bojová vozida dovozuje kolega Alchymista, že by nebyl velký rozdíl mezi motorem trakčním pro dané vozidlo a motorem generátoru stejného vozidla.Ve světle toho co uvádí Ikala má pravdu. Není jiné cesty jak to rozlousknout, než si udělat pořádek.

Zkusím si pomoci vozidlem na které nás odkázal kolega Skelet.

V roce 1981 byl do obrojených sil těžký nákladní vůz, označený M-977 HEMTT (Heavy Expanded Mobility Tactical Truck). Původně s motorem GM Detroit Diesel 327 kW se samočinnou čtyřstupňovou převodovkou GM Allison HT-740. Prošel modernizací označenou později v modernizovaných verzích druhé jako A2 a nakonec se objevil v nové hybridní diesel-elektrické třetí generaci označené A3.
Parametry kasické konstrukce byly a jsou poměrně solidní:
Uvedený motor Detroit Diesel je typu 8V92TA, přeplňovaný osmiválec o objemu 12,1 l a výkonu 327 kW, nyní od varianty A2 spojený se šestistupňovou samočinnou převodovkou a dvoustupňovou rozdělovací zde asi jde podle naší terminologie o přídavnou převodovkou.

Objem nádrže na palivo na 587 litrů vystačí na ujetí 650 km.
Pohotovostní/, respektive celková hmotnost je 17 600 respektive 28 123 kg.
Hmotnost celková s přívěsem může dosáhnout až 45 360 kg.
Maximální rychlost je 100 km/h.
Takže máme parametry základní, nebo chceme-li klasické verze.

Máte někdo možnost sem dodat podobné údaje o variantě A3. Myslím tím výkon jednotlivých elektromotorů - já nějaká data mám ale nejsem si jistý jejich přesností a hlavně potřebuje výkon spalovacího motoru, který pohání elektrický generátor.

Aproximací podobného s podobným si myslím dojdeme dále. Takže prosím o dodání dat, je-li to možné. Odkaz v angličtině nejsem schopen zpracovat.
Potom bychom pokračovali.

Co se týká klasických motorů, neslyšel někdo něco o nějaké novince či nějaké super vychytávce? A je-li mezi námi nějaký přesvědčený příznivec turbín, co by nám asi napsal?

[skelet]

Tak snad se mi to podaří obstojně přeložit:

TTD HEMTT A3 (hybrid) / HEMTT A4 (klasický pohon) - nástavba hákový nosič kontejneru (oba)

Osádka: 2-3 / 2
Pohotovostní hmotnost: 15 876kg / 18 144kg
Maximální hmotnost: 31 751kg / 32 205kg
max.hm. s přívěsem: 46 947kg / 49 441 kg
Motor: 470HP (diesel/JP-8) / 500HP (diesel)
Generátor: 340kW / -
Úschova energie : 1,9MJ v ultrakondenzátorech / -
Elektromotory : 480 VAC (na každé kolo jeden) / -
Maximální rychlost: 105 km/h / 100km/h
Palivová nádrž: 492 litrů / 587 litrů
Dojezd při maximální hmotnosti: ? / 483 km (převážně v terénu)
Nosnost nástavby: 11 793kg / 11 793 kg

Je zajímavé, že ač se Oshkosh "chvástá" 20% úsporou paliva A3 oproti A4, dojezd není u A3 uveden. Jinak je A3 současně schopna dodávat do nástaveb až 100kW střídavého proudu o 480 VAC 60Hz

EDIT: dojezd by se měl pohybovat mezi 400 až 450 mílemi (640 až 720km). Diesel-generátor lze vymontovat a zase zpět namontovat za 30min. Zásoba energie v ultrakondenzátorech vystačí pro dodání energie pro 190HP po dobu 10 sekund nebo 19HP po dobu 100sekund.
http://www.allbusiness.com/transportati ... 926-1.html

[alibaba]

To Ikala:
Dovolil bych si Ti oponovat v nekterych bodech.
Ad baterie. U techto hybridnich pohonu ( narozdil od elektromobilu ) jsou baterie jen jednim ze zdroju energie. Dalsim je samotny generator. A v neposledni rade ultrakapacitory. Dojezd na samotne baterie je pomerne maly. Celkem dobre je to zobrazeno tady.
Zivotnost napriklad u Toyoty Rav byla pres 200000km, ( to nase jednotky nedaji ani za deset let ) a to je technologie stara cca 15 let. Za poslednich nekolik let se vyvinuly baterie, s vetsi proklamovanou zivotnosti.

Ad brzdeni a rekuperace. No nejlepsi "zasobniky" pro energii vzniklou rekuperacnim brzdenim jsou ultrakapacitory. Tento typ rekuperace se zavadi i do automobilovych zavodu ( nahromadena energie je pouzita k pohonu elektromotoru pri zrychleni ) jako Le Manche. Tyto ultrakapacitory nejsou rozmerove narocne, ale hlavni je, ze se daji podobne jako generator a baterie umistit kdekoliv ve vozidle.

Ad skepse. No ja bych spis tvrdil, lobby ropnych spolecnosti. Tyto hybridni systemi jsou jen u nas bezne, denno-denne pouzivane poslednich 50-60 let.

[Pátrač]

Než se pokusím o další souhrn nebo doplněk, počkám na vyjádření kolegy Ikaly- jsem na ně velmi zvědavý. Je to skvělý autor článků o technice a tak se těším na jeho vyjádření.

[knezdub]

To Pátrač: Novinky ve spalovacích motorech: jedna z cest je "lineární spalovací motor" - LCE, který vyrábí přímo elektřinu, při malé měrné hmotnosti, rozměrech a po vychytání much bude zřejmě i schopen pohonu na podřadnější paliva, takže pro naši potřebu ideální zroj energie hybridního pohonu.
Další možnost (navržená v jiné diskuzi): Diesel-hydraulický pohon, kde odpadá citlivá řídící elektronika (jen do chvíle, než se toho chopí páni inženýři), relativně jednoduchý pohon se kterým jsou zkušenosti, schopným přenášet vysoké výkony, snadno opravitelný i v polních podmínkách, jednoduchá možnost zástavby do podvozku, pohon jakýmkoliv motorem (diesel, elektro, turbína). či kombinací, jednodušší umístnění více agregátů kdekoliv v podvozku podle potřeby nástavby nebo prostoru pro osádku, jednodušší "zálohování "pohonu v případě vyřazení jednoho motoru, bezproblémové použití agregátů pro kolové i pásové verze... Jako mínus vidím nutnost dalších výkonných chladičů hydraulických kapalin a nižší účinnost proti dieselelektrice.

[Alchymista]

Nad hydraulikou som sa zamýšľal aj ja - keď som sa pobavil s jedným chlapíkom, čo sa v pohonoch trochu vyzná, celkom rýchlo mi to vysvetlil .
Okrem problému s chladičmi - chladič hydraulickej kvapaliny je cca 2x väčší ako chladič motoru - je i vážny problém s tým, že hydromotory a hydraulické čerpadlá sú veľmi citlivé na čistotu hydraulickej kvapaliny - so znečisteným olejom, s ktorým si diesel bude spokojne mrmlať ešte celé týždne, sa hydropohony, zvlášť rotačné, odrovnajú za pár hodín.
Navyše rotačné hydromotory údajne nie sú vhodné pre rýchle zmeny otáčok a záťaže a vysoké rýchlosti rotácie - stroje s hydraulickým pohonom sú síce silné, ale pomalé až veľmi pomalé, len veľmi málo z nich dosahuje rýchlosť výrazne nad 40km/h.
(Nevyznám sa v tom, takže čo som kúpil, to predávam...)

Ďalšie nevýhody hydropohonu - nie je asi pravdou, že hydraulická hadica alebo trubka vydrží viac ako porovnateľne chránený kábel. Naopak, prieraz plášťa káblu malokalibrovým projektilom alebo črepinou hrozí síce skratom, ale pri rovnakom poškodení je hydraulická hadica už celkom nefunkčná -> únik tlakovej kvapaliny, strata tlaku.
Podobne výmena - u elektropohonu na výmenu prívodného kábla potrebujem obvykle jeden kľúč, núdzovú opravu (obnovenie prerušeného napájania motoru) urobím aj kombinačkami, kladivom a izolepou a potrebný kus prerušeného káblu alebo niečo na jeho spojenie zoženiem takmer kdekoľvek - s hydraulickou hadicou či trubkou je to podstatne horšie.

[knezdub]

S čistotou oleje má pravdu, z praxe ale vím, že pokud se v tom nikdo nevrtá, nebývá s tím problém. Minulý týden jsem vytahl z bagru hyraulický filtr plný špon, které mi nikam nepasovaly. Nakonec jsme se dopracovali k tomu, že strojník si pučil na doplnění oleje kýbl od soustružníků, ve kterém ty špony vynášeli :-)
Je pravda, že rotační hydromotory nejsou příznivci raketového zrychlení, ale to se v paxi řeší další převodovkou mezi kolem a hydromotorem (což může být další zdroj problému a váhy). Rychlost otáček je závislá na druhu použitého hydromotoru, od pomaluběžných, po vysokootáčkové.

[knezdub]

Oprava kabelu není až tak jednoduchá. Určitě bude dobře zakrytý = nepřístupný, kabel k takovému elektromotoru bude mí slušný průměr, takže nejaké zadrátování a omotání izolačkou asi nepujde, nehledě na to, že tam nebude nikde smyčka, o kterou by se dal kabel zkrátit. Řešením by byla izolavaná svorka. Všechno nějak jde
Hadice/trubka ke kolu by musely mít pro tento případ zavírací ventil (ruční, automatický, či dálkově ovládaný), takže se nic neděje a jedeme bál na zbylých 5 (8) kol

[knezdub]

Umístnění chladičů není až takový problém, dají se namontovat i na místa jinak "nepoužitelné" - dveře výstupu posádky... Navíc radši víc malých, než jeden velký, zranitelný

[Alchymista]

... to se v paxi řeší další převodovkou mezi kolem a hydromotorem (což může být další zdroj problému a váhy).

Potom ale hydropohon u pásového vozidla do istej miery stráca zmysel, pretože sa neušetrí ani priestor, ani hmotnosť a komplikuje sa ovládanie.
Nie som si istý, či by hydropohon znamenal nejaké zvláštne výhody pre kolesové vozidlá, oproti elektropohonu alebo mechnickému náhonu - ale skôr nie. Prinajmenšom nie pre bojové vozidlá, ktoré sú vystavené účinkom nepriateľskej paľby - pohony pre "civilné" vozidlá sú značne odlišný problém.

Chladič musí byť dostatočne chránený proti účinkom nepriateľskej paľby - na vstupoch do vozidla zrejme nebude.

[knezdub]

Uznávám, že hydraulika pro armádu asi není. Byl to jen nápad, alternativa k elektrice, která je příliš komplikovaná a závislá na počítačích (ke kterým mám averzi).
Zkusme si shrnout klady a zápory jednotlivých variant:
Mechanické převody, výhody: tradice a zkušenost, jednoduchá výroba bez nároků na drahé a nedostupné materiály, jednoduché opravy výměnou agregátů
Nevýhody: Velká hmotnost a prostorové nároky, nutnost zástavby do vozu v určeném místě a konfiguraci
Elektropohon, výhody: dobré ovládání stroje, relativní jednoduchost, možno umístnit agregát(y) kdekoliv, motory možno umítnit v kole, možnost tichého chodu na baterie, možnost rekuperace
Nevýhody: vysoká hmotnost akumulátorů, citlivá elektronika poškoditelná elmag pulsem, závislost na složité elektronice
Hydropohon, výhody: dobré ovládání stroje, jednoduchost, možnost umístnit agregáty kdekoliv, motory možno umístnit v kole, spolehlivost, jednoduché opravy výměnou agregátů
Nevýhody: nutnost dalších chladičů, citlivost na nečistoty, vysoké nároky na provozní kapaliny
Dveřmi pro výstup posádky jsem myslel zadní vrata u OT

[kopapaka]

knezdub:

Elektropohon.......Nevýhody: vysoká hmotnost akumulátorů, citlivá elektronika poškoditelná elmag pulsem, závislost na složité elektronice

Akumulátory...Ano jsou těžké, ale jdou použít jako pomocné pancéřování, navíc neslouží jen jako vyrovnávací prvek, ale dokáží nouzově udržet vozidlo v pohybu.
Citlivá elektronika....Ano, takový pohon vyžaduje k regulaci citlivou elektroniku, ale není vůbec žádný problém dát do okruhu propojovací vypínače a případně i reostat který poslouží jako nouzové řízení pohonu. Poslední varianta je propojení na tvrdo a ovládání otáčkami generátoru...
ad opravy: náhradní kabely a spojky nejsou problém a nouzově to taky není až takový problém, pokud je okolo aspoň náznak civilizace...
A je nutné o tom něco vědět, ne jako známý který při nouzovém startování svařil dva kamiony kabelem...