Recordul pentru cel mai eficient motor cu ardere internă din lume îi aparţine unui propulsor naval Wartsila cu o inginerie fascinantă

Motoarele cu ardere internă au evoluat mult pe parcursul a 100 peste un secol de când există şi au ajuns să producă un randament de multe ori mai mare decât o făceau câteva decenii în urmă. Iar prin randament aici avem în vedere cantitatea de energie consumată din combustibil şi cantitatea de energie mecanică de propulsie generată în rezultat. Poate părea surprinzător, dar motoarele de maşini cu cel mai mare randament din lume ajung abia către 41%, acele motoare aparţinându-le celor de la Toyota şi Hyundai, cu valori apropiate între ele. Nissan anunţa că lucrează la un motor cu randament şi mai mare, dar deocamdată acel propulsor nu e în producţie curentă. De cealaltă parte, din lumea navelor cu motoare uriaşe — considerate de multe ori consumatoare de mari cantităţi de combustibil şi ineficiente — vine şi motorul care are cel mai mare randament din lume dintre toate motoarele cu ardere internă, atingând 50%! Şi e un motor uriaş, cu o inginerie fascinantă mai ales prin scara sa imensă şi randamentul obţinut la această scară.

Să facem o mică detaliere despre acest parametru al randamentului. Pe de o parte, poate suna impresionant că cele mai eficiente motoare cu ardere internă au 40-41% randament, iar deţinătorul recordului mondial are doar 50%. Înseamnă asta că 50% de energie se iroseşte? Da, cam asta înseamnă, ea irosindu-se în mişcări reciprocitare, rezistenţă la forţă de frecare şi căldură degajată. Însăşi construcţia unui motor cu ardere internă cu 4 timpi face imposibilă atingerea măcar şi teoretică a unui randament de 100%. Aşa că jumătate din energia conţinută în benzină sau diesel se iroseşte. Combustia are loc, benzina poate arde complet, dar doar jumătate din acea energie ajunge să contribuie la mişcarea finală a arborelui cotit şi a roţilor. Tocmai de asta, pe fundalul unei asemenea eficienţe, motoarele electrice şi maşinile electrice par superioare, întrucât eficienţa celor mai avansate motoare electrice ajunge la 95% şi mai mult, dar există şi motoare a căror eficienţă se apropie de 97-99%, iar suedezii de la ABB au şi unul care depăşeşte 99%. Asta înseamnă că aproape toată energia primită de electromotor e transformată în lucru mecanic, cu pierderi minime. Aici de fapt se ascunde principalul argument al trecerii spre mobilitate electrică şi despre acest aspect vom vorbi mai detaliat în alt articol. Acum să revenim la cel mai eficient motor cu ardere internă din lume.

Surprinzător, dar el nu e un motor de 1,0 litri, sau 2,0 litri, ci unul de-a dreptul uriaş, naval, cu o cilindree care poate ajunge la 519,3 litri! Spunem că „poate ajunge” deoarece, fiind un motor naval, a fost proiectat modular cu un număr variabil de cilindri, prin urmare cilindreea depinde de numărul de cilindri. Dar eficienţa e aceeaşi, pentru că în cazul lui fiecare cilindru în plus însumează pur şi simplu un plus de putere şi un plus de consum similar.

Motorului îi spune Wartsila 31 şi a fost proiectat în Finlanda, cu ajutorul filialelor Wartsila din întreaga lume. E un motor diesel în 4 timpi, prefaţat în 2015 şi pus în producţie în 2017, dar a fost adaptat şi perfecţionat ulterior, sporindu-şi şi mai mult randamentul şi devenind capabil să ruleze pe mai multe tipuri de combustibil.

Eficienţa a fost atinsă datorită faptului că Wartsila a proiectat de la zero acest motor din start, folosind experienţa sa de decenii în motoare navale, or, până şi cel mai puternic motor naval din lume, de 109.000 CP, a fost proiectat tot de Wartsila, fiind un diesel în 2 timpi, şi rămâne şi azi cel mai puternic motor cu ardere internă din lume.

Motorul despre care vorbim azi, Wartsila 31, poate opera atât cu diesel, cât şi cu combustibil derivaţi marini, dar există şi versiuni care folosesc gazul natural lichefiat drept combustibil, având şi bujii, putând schimba tipul de combustibil pe care rulează. Mai mult ca atât, există şi sistem de tratare a gazelor de eşapament, pentru filtrarea lor, ca la maşinile diesel moderne, doar că la acest motor naval sistemul e activ doar atunci când el operează pe bază de diesel sau combustibil marin, nu şi atunci când foloseşte gaz. În ambele cazuri combustibil e injectat în cilindri cu injectoare de ultimă generaţie, proiectate şi ele special pentru acest motor.

Fiecare cilindru al motorului Wartsila 31 are un alezaj de 31 cm şi o cursă de 43 cm, deci are 32,46 litri de volum. Şi puterea generată de un singur cilindru e de 650 kW în regim de operare pe diesel, ceea ce înseamnă 883,75 CP per cilindru. Operarea pe gaz natural lichefiat asigură o putere de 550 kW per cilindru, echivalentul a 747,80 CP. Iar operarea în regim dual cu combustibil marin de calitate mai joasă asigură 600 kW putere per cilindru, sau 815,77 CP.

Foto: Navă echipată cu motorul Wartsila 31

Motorul mai foloseşte turboaspirare în două nivele, o tehnologie despre care se considera demult că ar aduce avantaje de eficienţă, dar care nu fusese anterior implementată la motoare navale, din cauza problemelor aferente ce apărea la schimbările de presiune. Finlandezii au proiectat noul motor cu o structură mai robustă, care să facă faţă acestor provocări şi astfel au reuşit să implementeze cu succes tuboaspirarea în două trepte.

Pe lângă asta, metodele vechi de acţionare a valvelor cu braţe acţionate mecanic au fost înlocuite cu un sistem hidraulic, similar celor din construcţia motoarelor de pe unele maşini. Asta a permis o precizie mult mai înaltă a controlului valvelor, cu timpi de deschidere şi precizia formării amestecului, ceea ce a sporit eficienţa. Şi asta a permis să se facă uz şi mai mult de turboaspirarea în două trepte, motorul rămânând eficient şi la sarcini mai mici.

Parametrii de putere per cilindru, pe care i-am menţionat mai sus, sunt valabili pentru versiunea actuală a motorului, dar ei nu variază deloc la putere faţă de cele lansate iniţiate, ci doar la consum. Acest motor consumă între 165 şi 169,4 grame de combustibil la fiecare kWh de energie generată. În regim de rulare pe gaz natural lichefiat, acesta consumă 7.243 kJ de gaz pentru fiecare kWh generat în rezultat.

Aici putem face nişte calcule interesante. Ştim că într-un metru cub de gaz natural se conţin 38.638 kJ. De asemenea, echivalentul energetic direct conţinut în acelaşi metru cub de gaz e de 10,55 kWh. Întrucât acest motor naval consumă 7.243 kJ pentru a genera un kWh de energie, asta înseamnă 0,187 m3 consumaţi pentru un kWh, iar dintr-un metru cub complet s-ar genera 5,35 kWh de energie. Şi întrucât într-un metru cub de gaz se conţin 10,55 kWh, iar la final motorul generează 5,35 kWh de energie, asta înseamnă că randamentul final, calculat ca 5,35 / 10,55 = 0,507, ceea ce înseamnă un randament de 50,7%! Anume de aici vine randamentul record al acestui motor, cu o mică variaţie în funcţie de turaţiile la care lucrează, de combustibilul pe care-l foloseşte şi numărul de cilindri pe care îi are.

Iar la numărul de cilindri vin şi ultimele curiozităţi interesante. Motorul este unul cu cilindrii poziţionaţi în formă de V, deci poate avea doar un număr par de cilindri. În prezent, Wartsila 31 e produs în configuraţii V8, V10, V12, V14 şi V16. Pentru toate cazurile, volumul unui cilindru e cel menţionat la mai sus în articol, de 32,46 litri. Respectiv, motorul V8 are 8x32,46 litri, ceea ce rezultă în 259,68 litri, iar motorul V16 are 16x32,46 litri, ceea ce e egal cu 519,36 litri. Puterea motorului V16 e de 10.400 kW, sau 14.140 CP, ceea ce rezultă în aceeaşi 883,75 CP/cilindru menţionaţi mai sus. Şi e fascinant că motorul cu ardere internă cu cel mai mare randament din lume e unul cu o cilindree imensă şi cu putere de peste 10 mii CP!

Apropo, motorul Wartsila 31 a avut şi o configuraţie de 20 de cilindri, care pare să nu mai fie produsă azi. Întrucât turaţiile lui nominale sunt de 720 sau 750 rpm, iar motorul e unul cu 4 timpi, rezulta că acel motor de 20 cilindri făcea 12 turaţii pe secundă la 720 rpm. Iar asta însemna o combustie destul de rară pentru fiecare din cei 20 de cilindri, teoretic vizibilă şi cu ochiul liber. Motorul de 20 cilindri, aparent, e produs doar dacă există comenzi speciale pentru el şi nu atât pentru a propulsa nave, ci pentru a servi drept generator de rezervă la unele centrale electrice de diferit tip. Motoarele cu configuraţii de la 8 la 16 cilindri, însă, sunt produse în continuare, iar Wartsila 31 continuă de deţină recordul mondial de cele mai eficient motor cu ardere internă din lume!