(VIDEO) O echipă de ingineri din SUA a creat motorul genial în doi timpi, care nu mai consumă ulei şi poate opera cu combustibilii sintetici ai viitorului

Motoarele în doi timpi nu sunt cele mai răspândite din lume, dar totuşi ele încă sunt prezente în aplicaţii foarte contrastante, atât la motociclete şi motorete, în formă foarte compactă, cât şi la motoarele navale uriaşe, unele cât un bloc de 6 etaje, precum în motorul despre care scriam acum o săptămână. Motivul din care aceste motoare încă persistă în producţie vine din avantajele lor inginereşti mari, unde fiecare mişcare în jos a pistonului coincide cu un eveniment de combustie, spre deosebire de cele în 4 timpi, unde fiecare a doua mişcare în jos coincide cu combustia. Mai multe impulsuri de putere într-o unitate de timp şi de turaţie a arborelui cotit înseamnă mai multă putere, obţinută dintr-un motor mai mic, tocmai de asta motorul e ales atât în cele mai compacte forme, cât şi în cele mai mari, unde acest ciclu de funcţionare avantajează motoarele care au biele de câţiva metri în lungime, de greutate imensă, şi unde masele mari inerte dau efecte secundare. Ei bine, aceleaşi motoare în doi timpi au şi multiple dezavantaje, precum consumul obligatoriu de ulei, din cauza metodei diferite de lubrifiere, şi emisiile mult mai impure, motiv din care ele au rămas produse de nişă. Dar o echipă de ingineri din SUA a creat un nou motor genial în doi timpi, care nu mai consumă ulei şi care poate opera cu combustibilii sintetici ai viitorului.

Foto: Noul motor în doi timpi, elaborat de inginerii americani

Motoarele în doi timpi nu au valve obişnuite, deasupra cilindrului, acţionate de arbori cu came, ca şi cele în patru timpi, pentru că nu există o parte din ciclu dedicată admisiei separate, şi apoi o altă parte pentru evacuare separată. Motoare în doi timpi au galerii de admisie şi evacuare, care ajung direct în pereţii cilindrului, doar că la o înălţime diferită una faţă de alta.

Foto: Galeriile de admisie şi evacuare la un motor în doi timpi

De fapt, când pistonul unui motor în doi timpi se mişcă în sus, el creează o presiune negativă sub el, care trage aerul prin admisie, dacă partea inferioară e una ce comunică direct cu admisia. La unele motoare aerul de admisie e livrat prin inducţie forţată cu un compresor mecanic. Însă atunci când pistonul se mişcă în jos sub acţiunea combustiei, el compresează şi împinge acel aer spre galeria de admisie în cilindru. În mişcarea sa în jos, cilindrul lasă descoperit întâi galeria de evacuare, după care şi cea de admisie. Cele două galerii sunt situate în părţi diferite şi într-o fracţiune de secundă are loc evacuarea, urmată de noua admisie, cei doi curenţi de aer fiind concepuţi să creeze un mic vârtej pentru a mişcare cât mai eficientă a lor şi o separare cât mai bună a aerului de evacuare şi a celui de admisie.

Toate astea se întâmplă la fiecare mişcare a cilindrului, iar de fiecare dată când pistonul ajunge sus, cu amestecul comprimat, are loc şi combustia. Doar că atunci când pistonul se deplasează din jos în sus, există un scurt moment când aerul de admisie cu combustibil a intrat deja în cilindru dar mişcarea pistonului încă n-a ajuns să închid galeria de evacuare, ceea ce face ca o mică parte din amestec să iasă prin galeria de evacuare, înrăutăţind emisiile şi consumul.

Consumul obligatoriu de ulei rezidă din acea parte inferioară a pistonului, din zona bielei, care comunică şi cu admisia şi are rol de compresare şi pompare a aerului în cilindru, prin galeria de admisie. Această construcţie face ca acolo să nu poate exista prea mult ulei, pentru că el ar fi împins direct, în cantităţi mari, în cilindru spre combustie. La motoarele în 4 timpi, însă, în zona bielei există mai mult ulei, cale ajunge şi pe pereţii cilindrilor, creându-se acea peliculă de lubrifiere, menajată de semeringuri. Pentru că motoarele în doi timpi nu pot să facă uz de acest efect în aceeaşi măsură, ele au nevoie de o cantitate minimă de ulei, amestecat direct în combustibil, care să asigure lubrifierea pistoanelor faţă de pereţii cilindrului. De obicei, raportul e de 1 la 50. Iar această lubrifiere mai precară scurtează durata de viaţă a motoarelor în doi timpi, în timp ce combustia uleiului împreună cu benzina le face fumul de o culoare albăstruie adeseori.

Ceea ce a făcut acum echipa de ingineri din SUA a fost să creeze un motor în doi timpi care să păstreze beneficiile, ba chiar să mai adauge câteva, în timp ce ar rezolva toate aceste probleme inginereşti intrinseci.

Noul motor are numele de REV Force şi a fost creat de John Krzeminski şi echipa sa de ingineri, conturaţi într-o companie numită Strange Development, şi redenumită apoi Alpha-Otto Technologies, care a colaborat intens şi cu Centrul de Cercetare a Sistemelor de Propulsie Avansată de la Universitatea Tehnică din Michigan (MTU). Motorul REV Force a fost anunţat de ei pentru prima dată în 2021 pe baza unor machete mai mult teoretice. Însă între timp inginerii au tot făcut teste de laborator şi de diverse regimuri de funcţionale, confirmând teoria prin practică. Şi astfel aflăm că noul lor motor în doi timpi e cu adevărat genial, şi nu doar ca o idee teoretică, ci şi ca una absolut practică deja.

Foto: John Krzeminski şi David Dusseau, ingineriul inventator şi şeful actual al companiei Alpha-Otto

În primul rând, noul motor exclude galeria clasică de admisie a motoarelor în doi timpi, pentru ca partea inferioară a pistonului să nu mai fie responsabilă de pomparea aerului în cilindru şi să poată fi eventual lubrifiată în mod similar unui motor cu 4 timpi.

Asta înseamnă automat că acest motor mai are nevoie de ulei amestecat în carburant, deoarece bielele sale vor beneficia de ulei din belşug, la fel ca şi la un motor în 4 timpi. Mai mult ca atât, noul motor are şi un carter sec, cu rezervor adiţional de ulei, similar motoarelor de pe maşinile spot, care sunt supuse forţelor gravitaţionale mari. Acest tip de carter asigură lubrifierea bună indiferent de poziţia unghiulară a motorului şi de intensitatea şi lungimea virajelor.

Cum are loc admisia, atunci, în noul motor dacă nu mai există galeria clasică? Printr-o galerie care nu mai comunică nicicum cu zona bielelor şi a arborelui cotit şi care e poziţionată mai sus. Dar astfel dispare efectul de vacuum la mişcarea pistonului, ceea ce face ca admisia să aibă nevoie de o pompă de aer, sub forma unui compresor mecanic. Doar că aici s-a ales un compresor cu forţă variabilă de inducţie.

Poziţionarea galeriei de admisie mai sus ar creşte riscul ca amestecul de aer cu combustibil să iasă prin galeria de evacuare. Aşa că inginerii au decis să scoată cu totul galeria de evacuare din perete colindului şi să monteze o singură valvă. Aparent, amplasarea cea mai logică ar fi deasupra, în locul în care stau de obicei valvele la motoarele în 4 timpi.

Doar că o simplă valvă n-ar funcţiona, pentru că ea ar trebui deschisă când pistonul e aproape jos, însă atunci s-ar descoperi şi galeria de admisie. Gazele de evacuare ar fi încă în cilindru, fără o presiune care să le împingă în afară. De asta, e nevoie ca aerul să ajungă în cilindru cu presiune, şi de asta e nevoie de acel compresor mecanic.

Doară că formula de până aici, e foarte similară cu cea pe care am menţionat-o mai sus, aplicată la motoarele navale mari sau la locomotive diesel în doi timpi, unde spuneam că asemenea compresoare mecanice deja există, cu acelaşi rol.

Foto: Motor naval imens

Dacă ar fi aplicat doar aceste elemente, noul motor n-ar fi adus prea multe lucruri cu adevărat inovatoare, pentru că acea valvă de sus ar fi necesitat arbori cu came şi ar fi ruinat densitatea de putere raportată la kilograme şi dimensiune. Şi apoi, mai există şi limitarea de turaţii din cauza acelei faze scurte a ciclului în care admisia e descoperită.

Aşa că inginerii au creat o valvă rotativă de evacuare, de aici venind şi denumirea motorului de REV Force. Acea valvă nu e poziţionată deasupra, ci e integrată într-o galerie de evacuare, fiind compusă dintr-o piesă rotativă cu un canal existent în ea, rotindu-se în sincronizare cu arborele cotit. Valva devine aliniată după combustie, când pistonul descoperă galeria de evacuare şi permite evacuarea aerului.

Apoi, aerul de admisie intră în poziţia cea mai joasă a cilindrului, însă fără amestec de combustibil în el, şi presurizează cilindrul, impunând evacuarea gazelor rezultate din cilindru. Apoi, valva rotativă se închide şi abia apoi are loc injecţia de carburant, care nu mai are pe unde evada din cilindru. Pistonul se mişcă apoi în sus şi comprimă amestecul după care are loc combustia.

Astfel, combustibilul nu mai e pierdut prin evacuare şi randamentul creşte foarte mult. Şi emisiile sunt bune datorită acestui fapt, şi datorită lipsei de consum de ulei. Pe lângă asta, motorul e bine lubrifiat, iar datorită inducţiei de aer respiră bine şi poate atinge turaţii înalte, deci poate livra o putere bună.

Şi datorită lipsei necesităţii de a adăuga ulei, motorul poate funcţiona cu mai multe tipuri de combustibili, de la benzina obişnuită, sau una sintetică, precum cea pe care a reuşit de curând un profesor universitar elveţian şi echipa sa să o producă într-o fabrică pilot, până la hidrogen, amoniac sau etanol, toate putând fi produse din energie regenerabilă, sintetic. Mai mult ca atât, motorul poate opera şi cu gaz metan, extras din pământ sau produs sintetic, cum o fac finlandezii.

Motorul elaborat acum de echipa de ingineri din SUA ca prototip de testare are doi cilindri linie şi 587 cm cubi, fiind răcit cu lichid. Acesta cântăreşte 49,89 kg. Însă puterea pe care o livrează e de-a dreptul incredibilă, ajungând la 164 kW, sau 220 CP în unităţi americane şi 223 CP în unităţi europene! Cuplul maxim ajunge la 176,26 Nm!

Toate aceste cifre au fost validate în laborator, până la 7.000 rpm, iar motorul e aşteptat să fie perfecţionat până la 8.000 rpm. În momentul dezvoltării puterii maxime, motorul are un consum de 221 g/kWh.

Inginerii mai spun că valve rotative sunt acţionate electronic, nu mecanic, şi pot exista ajustări infinite ale timpilor acestora, oarecum similar cu ce se întâmplă într-un sistem VVT-i, spre exemplu, doar că acolo de obicei contează mai mult valvele de admisie. În acest motor şi compresorul mecanic e acţionat electronic, aşa că şi forţa de inducţie e ajustată. Dirijarea electronică a acestor componente permite atingerea unei compresii dinamice variabile, acest element fiind exact partea care-i permite motorului să funcţioneze cu atât de multe tipuri de combustibil.

Vezi mai jos şi un video cu multe explicaţii şi demonstraţii vizuale are acestui motor, însoţit de un alt video cu motorul în funcţionare cu diferite tipuri de combustibil.