26 Noiembrie 2025, 14:38
Redacţia PiataAuto.md
Hidrogenul e un combustibil care are multiple avantaje pentru ingineri, cel mai mare fiind cel că poate fi produs doar din electricitate din surse regenerabile şi apă, consumând circa 52,5-60 kWh de energie pentru a produce 1 kg de hidrogen. Un alt avantaj imens e multitudinea de forme în care poate fi folosit apoi hidrogenul obţinut, principalele două opţiuni din propulsie fiind folosirea în celule electrochimice, numite şi pile de combustie, care generează electricitate pentru electromotoare de tracţiune sau folosirea directă a hidrogenului în combustie, în motoare cu ardere internă. Ultima opţiune e preferată mai ales de fanii motoarelor cu combustie, care văd în această soluţie de a le păstra în continuare, având totodată emisii cu zero CO2. Ei bine, acum o echipă de ingineri din SUA a creat un nou motor cu combustie cu hidrogen pentru camioanele mari americane, iar în încercarea de a atinge randamentul maxim a elaborat o construcţie neobişnuită, în care a conectat turbina la arborele cotit.
Foto: Noul motor cu combustie de hidrogen, dezvoltat de inginerii americani
În mod normal, o turbină are două circuite de aer, conectate mecanic între ele, unde circuitul fierbinte, care propulsează turbina, e cel ce conţine gazele de eşapament ale motorului, iar presiunea acestora pune în mişcare palele turbinei. De cealaltă parte, celălalt circuit conţine aerul de admisie, care e presurizat astfel pentru o combustie mai rapidă şi mai eficientă.
Foto: Construcţia generală a unei turbine
Această construcţie clasică dă şi un efect advers, prin care e nevoie de ceva timp până se formează presiunea necesară de gaze de eşapament, pentru a pune în mişcare turbina. Pentru a minimiza acest efect, motoarele pot avea turbină cu geometrie variabilă, turbine cu fricţiune cât mai redusă, sau două turbine în cascadă, una fiind mai mică şi mai uşor de rotit şi alta mai mare.
Foto: Turbină cu geometrie variabilă
Cei care vor să evite cu totul acest efect aplică compresoarele mecanice, care sunt conectate mecanic cu rolele motorului. Asta le face să se învârtă proporţional cu turaţiile, fără turbolag, dar ele dau şi o rezistenţă parazitară în funcţionare, ceea ce taie din eficienţă şi putere. Mai nou, există şi compresoare cu un soi de ambreiaj, care se includ doar atunci când e nevoie, iar când nu sunt necesare, sunt decuplate şi nu creează rezistenţă.
Foto: Construcţie compresor mecanic
Inginerii din SUA despre care vorbim azi, de la Institutul de Cercetare Southwest (SwRI), au vrut să atingă cel mai mare randament posibil în combustia de hidrogen, luând la bază un motor Cummins X15N, de 15 litri capacitate, care era prevăzut iniţial să funcţioneze cu gaz natural.
Foto: Motorul Cummins X15N
Inginerii americani au evoluat pas cu pas în modificarea acestui motor, adăugând un sistem de injecţie nou, dar au păstrat prezenţa bujiilor, deci hidrogenul trece prin combustie nu prin comprimare, ca motorina, ci prin scânteie.
S-a adăugat şi un sistem activ de ventilare a gazelor din carter, întrucât inginerii au observat că acolo se pot forma gaze de o concentraţie ce poate deveni inflamabilă. Şi, desigur, a fost nevoie şi de un sistem electronic diferit pentru controlul injecţiei şi a funcţionării motorului.
Toate astea au fost făcute iniţial fără o turbină, însă randamentul fără turbină era prea mic, iar puterea prea modestă, de doar 370 CP. Aşa că inginerii de la SwRI au adăugat şi turbină în ecuaţie. Doar că atunci când are loc combustia de hidrogen, volumul de gaze de eşapament generat e mult mai mic decât la combustia motorinei sau gazului. De fapt, dacă a fi să comparăm în masa acestor gaze pentru aceeaşi unitate de funcţionare a motorului, ea e de până la 10 ori mai mică la hidrogen. Iar asta înseamnă că o turbină obişnuită ar avea nevoie de până la 10 ori mai mult timp pentru a-şi face efectul, ceea ce s-ar traduce într-un turbolag uriaş.
Şi aici e curios că în ultimul timp am vorbit despre mai multe alte motoare mari cu combustie de hidrogen, dar nimeni nu se plângea atât de acut pe această problemă. Rolls-Royce a creat motoare V12 imense pe bază de hidrogen, cu rol de generatoare de urgenţă, şi a menţionat că a instalat turbine modificate, dar nu din cauză că gazele de eşapament ar fi prea rarefiate, ci pentru a garanta un flux mai mare de aer spre combustie. Dar, teoretic, una completează pe alta aici. Totuşi, Rolls-Royce a folosit turbine obişnuite, propulsare de fluxul de aer evacuat din cilindri, iar la motoarele mari în rol de generatoare, variaţiile de turaţie sunt mai mici, ele funcţionând de obicei la turaţii constante.
Foto: Motorul V12 cu hidrogen de la Rolls-Royce
Liebherr a creat un încărcător frontal cu motor cu combustie de hidrogen şi a lăsat o turbină clasică în acţiune, doar că a ajustat-o pentru eficienţă în operare în zona cea mai utilă de lucru a motorului.
MAN a creat un camion pe nume hTGX, cu combustie de hidrogen, iar germanii s-au bazat pe un motor diesel când l-au convertit la hidrogen, ceea ce a asigurat o compresie mult mai mare, o injecţie directă de presiune înaltă şi o ajustare a amestecului, astfel încât fluxul de gaze de eşapament să fie suficient pentru o turbină clasică. Inginerii MAN, de fapt, au obţinut deocamdată cel mai mare randament termic din rândul motoarelor cu combustie de hidrogen destinate camioanelor, aflate deja în producţie limitată, la 45%, ceea ce intră în zona celor mai eficiente motoare diesel.
Foto: Camion MAN cu propulsie pe bază de hidrogen
În cazul inginerilor americani de la SwRI, problema fluxului de gaze a fost mai acută pentru că la bază s-a luat un motor optimizat pentru combustia de gaz, cu compresie mai joasă, cu injecţie mai simplă prin portul de admisie şi cu aprindere doar prin bujie. Iar odată ce problema turbinei exista, ea a fost rezolvată ingenios, conectând acea turbină la forţa generată e fulia arborelui cotit. Doar că această legătură mecanică e una cu raport de transmisie variabil, ceea o deosebeşte de un compresor mecanic obişnuit.
Foto: Principiul de transmisie cu raport continuu variabil, folosit de cutiile CVT
Ne putem gândi la ea ca la o cutie de viteze CVT, cu raport continuu variabil, doar că aici mecanismul variabil e conceput prin roţi dinţate conice, nu fulii şi curele, ca la cutiile CVT. Dar principiul este acelaşi, raportul de transmisie a turaţiilor arborelui cotit către axul turbinei poate varia, iar astfel la turaţii mai mici nu se creează acea rezistenţă parazitară la ca compresoare.
În rezultat, noua construcţie a obţinut o eficienţă termică de 44,0%, ceea ce e foarte bine şi e comparabil cu motoare diesel. Nu s-a depăşit recordul celor de la MAN, dar americanii şi-au dorit şi o construcţie mai simplă pe partea de injecţie şi motor propriu-zis, spun ei, care să fie mai ieftină în producţia de serie şi să poată fi mai uşor inclusă în producţia multiplelor modele de camioane, care utilizează motoare Cummins. Un soi de abordare mai simplă şi mai practică, ir mecanismul ăla sofisticat al turbinei ar trebui să fie fiabil, pentru că se bazează doar pe roţi dinţate.
Puterea motorului a crescut de la 370 la 440 CP datorită turbinei, iar cuplul a ajuns la 2.500 Nm. Inginerii americani spun că la asemenea parametri de putere şi randament, motorul cu combustie şi hidrogen e practic gata de producţia de serie.
Şi dacă tot am vorbit de motorul de MAN, care are o eficienţă mai mare, acel propulsor dezvoltă 520 CP şi 2.500 Nm. El are numele de cod H45 şi a fost dezvoltat pe baza motorului diesel D38.
Şi, apropo, cifrele de randament de 44-45% arată efectiv şi rata de convertire a energiei conţinute în hidrogen în forţă de propulsie. Pilele de combustie moderne ating o rată de eficienţă de 55-58%, tocmai de asta adepţii eficientizării maxime preferă convertirea hidrogenului în electricitate şi propulsia cu motoare electrice. Doar că după convertirea electricităţii prin pile de combustie, se mai pierd 8-10% în invertoare şi electromotoare, deci dacă privim tabloul global combustia hidrogenului nu e foarte departe în eficienţa asigurată.
1
7,474
ŞTIRI DE CARE AŢI PUTEA FI INTERESAT