Două echipe de ingineri din SUA au creat împreună primul motor din lume cu combustie de hidrogen în doi timpi

Două echipe de ingineri din SUA, de la Laboratorul Naţional Argonne, pe de o parte, şi de la compania Achates Power de cealaltă parte, au creat împreună primul motor din lume cu combustie de hidrogen în doi timpi, bazându-se pe o construcţie inventată acum mai mult de 100 de ani, a cilindrilor cu pistoane reciprocitare.

Foto: Primul motor cu combustie de hidrogen în doi timpi din lume, instalat în laboratorul Argonne

Hidrogenul e adeseori catalogat ca un combustibil al viitorului, mai viabil în unele cazuri decât propulsia electrică şi stocarea energiei în baterii grele. Dar hidrogenul poate fi utilizat prin două metode în sisteme de propulsie. Una din ele e prin pile de combustie, care reprezintă celule electrochimice în care hidrogenul intră în reacţie chimică de oxidare, cu oxigenul din aer, şi produce electricitate, iar astfel electricitatea produsă e folosită de electromotoare pentru a genera mişcare. În al doilea caz, hidrogenul poate fi folosit direct în combustie în interiorul cilindrilor unui motor cu ardere internă, de obicei ajungând acolo în formă gazoasă, chiar dacă stocarea în rezervor poate fi lichidă sau gazoasă. În ambele cazuri, însă, produsul rezultat la oxidare sau combustie la temperaturi înalte sunt vaporii de apă.

Foto: Instalaţia uriaşă de pile de combustie, care poate produce 1,2 MW de electricitate, creată şi testată în prezent de inginerii Airbus.

Noul motor dezvoltat de inginerii de la Laboratorul Naţional Argonne şi Achates Power foloseşte hidrogenul direct ca şi combustibil în ardere internă. Doar că, spre deosebire de Toyota, spre exemplu — care are un motor V8 pe hidrogen, dezvoltat împreună cu Yamaha şi mai testează şi motoare proprii derivate de pe GR Corolla cu hidrogen pe motoare cu 4 timpi, oarecum similare celor pe benzină, doar cu sistem de injecţie adaptat şi componente ranforsate — inginerii americani au ales să folosească o arhitectură de motor în 2 timpi, cu pistoane reciprocitare.

Construcţia de pistoane reciprocitare înseamnă că un cilindru are două pistoane situate în părţi opuse, simetrice de obicei, poziţionate vertical sau orizontal.

Foto: Construcţia unui motor de locomotivă cu pistoane reciprocitare de acum circa 65 de ani

Iar atunci când combustia se declanşează în centrul cilindrului, ambele pistoane sunt împinse în direcţii opuse, şi pot pune în mişcare câte un arbore cotit propriu sau acelaşi arbore cotit prin construcţii care să transmită mişcarea.

Asemenea construcţii de motoare au fost foarte populare mai ales în jurul perioadei celui de-al doilea război mondial, fiind puse mai ales pe locomotive într-o formă mai simplă şi submarime şi nave în forma mai complexe. Probabil unul din cele mai geniale motoare în doi timpi cu pistoane reciprocitare e Napier Deltic, care avea formă triunghiulară în forma literei delta, şi câte un cilindru cu două pistoane reciprocitare pe fiecare latură a formei triunghiulare.

Foto: Construcţia motorului Napier Deltic, creat acum 80 de ani

Asta făcea ca două pistoane de pe două laturi alăturate să poată pune în mişcare acelaşi arbore cotit împreună. În total, motorul avea 3 arbori cotiţi la cele trei colţuri.

Foto: Modul de funcţionare a motorului triunghiular Napier Deltic

Şi în funcţie de puterea necesară, motorul putea avea mai mulţi cilindri pe lungimea lui, păstrând aceeaşi formă de triunghi. Spre exemplu, dacă avea 6 cilindri în 6 asemenea triunghiuri imaginare, în total rezultau 18 cilindri şi 36 pistoane, tot cu 3 arbori cotiţi. Varianta cu 18 cilindri dădea un eveniment de combustie la fiecare 20 de grade de rotire a arborilor cotiţi, ceea ce aducea o lipsă aproape totală de vibraţie şi un randament excepţional de mare. Pe atunci, acel motor de 88,2 litri cilindree totală, cu 18 cilindri, producea 2.500 CP putere maximă, iar ulterior a apărut şi o versiune cu putere mai mare, la 2.730 CP! Şi toate astea erau cooptate cu o eficienţă foarte bună în consum, datorată ciclului de 2 timpi.

Cei de la Laboratorul Argonne spune că tocmai în asta e genialitate construcţiei motoarelor în 2 cilindri, mai ales cele cu pistoane reciprocitare. Pe atunci, la mijlocul secolului trecut, din cauza restricţiilor de emisii, ele au mai avut o durată de viaţă limitată pe piaţă, apărând şi pe camioane, precum camionul britanic Commer TS3, cu doar 3 cilindri cu pistoane reciprocitare.

Foto: Motorul de pe camionul Commer TS3, cu pistoane reciprocitare poziţionate orizontal

Înlocuirea carburanţilor clasici cu hidrogenul, însă, dă o şansă extraordinară de a renaşte aceste construcţii de mare randament ale motoarelor în doi timpi şi pistoane reciprocitare, întrucât emisiile sunt formate doar de vapori de apă şi nu mai există limitări de CO2 şi noxe de demult, mai spun inginerii. Apropo, cei de la Achates Power şi-au făcut deja un renume din a încerca să reînvie această construcţie, doar că până acum o făceau cu motoare diesel, oarecum experimentale, iar acum, cu ajutorul inginerilor de la Argonne, se deschide o cale absolut nouă pentru această construcţie.

Mai mult ca atât, noul motor dezvoltat de cele două echipe de ingineri va face uz de combustia hidrogenului prin compresie, asemeni combustiei de motorină. Această soluţie e utilă în cazul unui combustibil precum hidrogenul, cu reactivitate mare şi energie mică necesară declanşării combustiei, spun inginerii. Iar folosind două pistoane, nu mai e nevoie de chiulasa clasică, ea fiind una din sursele principale de pierdere de căldură, şi deci de randament. Ciclul de doi timpi îi permite motorului să genereze un număr dublu de cicluri de putere per rotaţie a arborelui cotit, ceea ce măreşte puterea totală şi reduce greutatea motorului. Şi construcţia, în esenţă, e una mai simplă, care dă o fiabilitate sporită în timp. Iar injecţia directă de hidrogen, cu mare precizie şi controlată electronic, ar trebui să permită o combustie mult mai precisă, pentru evitarea oricăror emisii nedorite.

Cele două echipe de ingineri au construit şi instalat în laboratorul Argonne un asemenea motor nou, laborator care e unul specializat în testări corelate cu hidrogenul, întrucât are toate necesare pentru stocare şi transportare interioară prin conducte către asemenea instalaţii de test. Testele de laborator au demonstrat până acum că motorul poate funcţiona excelent folosind hidrogenul drept combustibil şi utilizând combustia prin compresie, dar inginerii vor derula în continuare multe teste repetate, pe diverse cicluri de funcţionare. Se vor aduna date pentru a se observa eventual puncte de uzură sporită, pe baza acestor date urmând a mai fi ranforsate unele componente din motor dacă va fi nevoie.

Scopul final, spun inginerii, e de a crea un motor care ar putea fi aplicabil camioanelor, spre exemplu, livrând putere şi cuplu mai mari decât motoarele diesel, şi făcând hidrogenul o alternativă mai viabilă decât bateriile, inclusiv prin faptul că această construcţie în 2 timpi şi pistoane reciprocitare va avea un consum de hidrogen mult mai mic, şi astfel va face întreaga ecuaţie mult mai logică, la un randament final mult mai mare decât încercările actuale de combustie în 4 timpi.

Ulterior, motorul ar putea fi scalat şi la proporţii mai mari, ajungând şi în domeniul maritim, să propulseze nave de toate dimensiunile.