Inginerii elveţieni şi sud-coreeni au fabricat primul motor naval din lume cu compresie variabilă, în doi timpi

Motoarele cu combustie funcţionează de obicei cu un raport de compresie predefinit, dat de raportul dintre volumul cilindrului în poziţia maximă, cea mai coborâtă, a pistonului şi volumul în poziţia cea mai sus, minimă, a acestuia. Cât de mare e această diferenţă depinde de când de jos coboară pistonul în procesul combustiei şi întrucât majoritatea absolută a motoarelor au bielele fixe, acest raport e proiectat la început şi rămâne nemodificat pe toată durata de viaţă a motorului. E la fel de adevărat, însă, că diferite tipuri de combustibil şi diferite amestecuri de ardere pot avea raporturi diferite de compresie drept cele mai preferabile pentru eficienţă şi randament, tocmai de asta motoarele diesel au de obicei un raport de compresie mai mare, inclusiv datorită faptului că e nevoie de o comprimare mai puternică a amestecului pentru aprindere. În aceleaşi timp, la maşini reducerea ratei de compresie poate determina sporirea turaţiilor şi ceva mai multă putere scoasă din acelaşi motor. Inginerii din lumea auto au cochetat mai mult timp cu ideea de a crea motoare cu compresie variabilă, care să-şi poată modifica lungimea bielei, iar primii care au dus-o mai departe de schiţe şi teste de laborator au fost cei de la Saab prin anii 2000. Ulterior, Nissan a fost primul producător auto care a implementat-o în producţia de serie pe motoarele VC-Turbo, începând cu 2018, doar că un număr mare din acele motoare s-au dovedit a fi ulterior problematice şi acum există un recall major la ele. Ei bine, acum inginerii elveţieni de la WinGD şi cei sud-coreeni de la Hanwha au produs şi primul motor naval din lume cu compresie variabilă.

Foto: Noul motor în doi timpi cu raport de compresie variabil

Şi mai impresionant e că noul motor cu compresie variabilă e unul în doi timpi, din categoria celor uriaşe şi oarecum lente în modul de operare, dar extrem de puternice. Zicem lente, pentru că noul motor poate opera fie la 69 rpm, fie la 79 rpm, ceea ce înseamnă că într-o secundă el face fie 1,15 turaţii, fie 1,32 turaţii.

Noul tip de motor WinGD poate avea fie 5, fie 6 cilindri în linie, iar primul exemplar construit e unul în configuraţie de 5 cilindri. Întrucât vorbim de un motor în doi timpi, unde fiecare turaţie a arborelui cotit înseamnă un eveniment de combustie, într-o turaţie se produc 5 evenimente de combustie. Iar asta însemnă că dacă într-o secundă au loc 1,15-1,32 turaţii, în decursul unei secunde se fac auzite cam 6-7 evenimente de combustie. Fiind atât de puţine, ele se aud distinct dacă se stă lângă acest motor. Pentru comparaţie, un motor de maşină cu 4 cilindri, care funcţionează la ralanti la 750 rpm şi funcţionează în 4 timpi, are câte două evenimente de combustie per turaţie, ceea ce înseamnă 1.500 evenimente de combustie per minut sau 25 evenimente de combustie pe secundă.

Motorul de 5 cilindri are 7,88 metri lungime şi 13,66 metri înălţime de la nivelul de fixare, plus alţi 2,46 metri adâncime sub podea. Fiecare cilindru are 72 cm în alezaj şi o cursă standard de 3,09 metri! Deci, fiecare piston circulă peste 3 metri în jos la fiecare eveniment de combustie. Iar aici ajungem şi la compresia variabilă.

La motoarele Nissan VC-Turbo s-a adăugat o bielă suplimentară, în ecuaţie, atât biela principală, cât şi cea suplimentară, fiind fixate de o piesă circulară care comunică direct cu arborele cotit şi care e la mijloc între cele două. Biela suplimentară mai e legată de o bieletă, acest mecanism având rolul de a împinge şi roti acea piesă circulară centrală din jurul arborelui cotit, iar astfel se modifică poziţia bielei principale şi implicit a pistonului, mai jos sau mai sus în cilindru. Tocmai astfel are loc modificarea variabilă a compresiei, prin modificarea poziţiei pistonului şi respectiv schimbarea raportului dintre volumul maxim şi minim.

Foto: Constucţia motorului cu raport de compresie variabil Nissan VC-Turbo

La noul motor naval elveţian, lucrurile au putut fi făcute mult mai simplu, pentru că pistoanele motoarelor navale, la cursa imensă de peste 3 metri pe care o fac, nu au doar o singură bielă conectată de piston şi de arbore cotit, ci au şi un component intermediar, sub forma unei articulaţii, chiar şi în construcţia lor standard. Această articulaţie permite ca tija conectată direct de piston să circule doar vertical, într-un cilindru al cărui raport de cursă faţă de alezaj e mult mai mare, iar această tijă împinge articulaţia, de care a conectată biela propriu-zisă. Biela pune la rândul ei în mişcare arborele cotit. Motoarele navale au de obicei şi canale mobile speciale de lubrifiere a acestor articulaţii, dar ele sunt absolut necesare, pentru că altfel, dacă biela ar fi unitară, ea nu ar încăpea geometric în interiorul pereţilor cilindrului atunci când pistonul urcă sus, din cauza faptului că cilindrii acestor motoare navale au o lungime mult mai mare faţă de diametrul lor.

Ei bine, acum tocmai această articulaţie a facilitat transformarea motorului într-unul cu compresie variabilă. Inginerii elveţieni au proiectat o articulaţie diferită, cu un sistem hidraulic în ea, ce poate ridica baza tijei superioare verticale, conectată de piston. Cât de mult e ridicată tija şi, în rezultat, cât de mult e modificată compresia, e un proces dirijat electronic, o altă inovaţie pentru un motor maritim. Iar lubrifierea articulaţiei a fost şi ea modificată pentru a putea funcţiona ireproşabil în tot diapazonul de poziţii.

De ce ar avea nevoie un motor naval în doi timpi de compresie variabilă? În primul rând pentru că acest motor e unul dual-fuel, la fel ca multe alte motoare moderne, putând opera atât pe gaz natural lichefiat LNG, cât şi pe diesel maritim. Motoarele navale au nevoie de acest dualism de combustibil pentru fi mai eficiente şi mai versatile, putând funcţiona cu mai puţine emisii, dar cele două tipuri de combustibil au valori de compresie ideale diferite. Asta face ca aceste motoare să reprezinte un compromis, de obicei adaptate mai mult pentru operarea pe LNG sau undeva la mijloc, fără a atinge punctul ideal pentru niciunul din combustibile. Dieselul are nevoie de o rată de compresie mai mare, în timp LNG-ul necesită una mai mică. Dacă motorul e unul dualist, atunci el nu poate atinge compresia ideală în ambele regimuri de funcţionare şi de obicei are de suferit şi eficienţa, şi emisiile. Spre exemplu, în regim de operare cu LNG, aceste motoare pot avea emisii de metan nears mai mare, ceea ce e mult mai dăunător pentru ecologie decât CO2, întrucât efectul de seră al metanului e mult mai mare.

Ceea ce au făcut acum inginerii elveţieni şi sud-coreeni e să rezolve complet această problemă. Motorul lor poate atinge compresia ideală atât în regim de operare pe gaz, cât şi pe diesel maritim, iar astfel combustia e mult mai completă, cu eficienţă mult mai mare şi cu emisii mult mai mici. Emisiile de metan de ars sunt reduse cu 50% graţie acestei tehnologii, spre exemplu.

Foto: Construcţia noului motor naval cu compresie variabilă

Impactul e atât de mare, încât elveţienii de la WinGD au anunţat că au primit comenzi pentru 160 de asemenea motoare navale cu combustie variabilă, or, transportatorii maritimi pot economisi astfel enorm în taxele de mediu, datorită reducerii emisiilor cu noul motor.

Primul motor naval cu compresie variabilă a fost construit în Coreea de Sud la o fabrică a celor de la Hanwha Engine, companie care construieşte în baza licenţelor de parteneriat atât motoare WinGD, cât şi MAN B&W. Conform elveţienilor, de această dată şi sud-coreenii au participat în elaborarea noului motor, venind cu expertiza lor. Din cele 160 de comenzi primite, circa 70 de motoare cu compresie variabilă vor fi fabricate la Hanwha.

Primul motor naval cu compresie variabilă va fi instalat pe un transportator de gaz LNG, construit tot în Coreea de Sud, de către cei de la Samsung Heavy Industries.

În mediu, un asemenea motor naval elveţian costă între 7 şi 9 milioane de dolari în funcţie de numărul de cilindri şi dotări adiţionale cu sisteme de tratare ecologică. Prin urmare, odată ce inginerii elveţieni au desăvârşit această elaborare, ei şi-au asigurat deja comenzi de peste 1,4-1,5 miliarde de dolari doar pentru acest nou tip de motoare navale în doi timpi, cu compresie variabilă. Iar în viitorul apropiat tehnologia va fi extinsă spre mai multe segmente de motoare din gama WinGD.