Şi dacă producem curentul la bord, cu pilă de combustie? Dezavantajele faţă de un motor cu ardere, chiar folosind în ambele cazuri hidrogen, le-am arătat în articolul Automobilul cu hidrogen, comparaţia între procesele din baterii, pilele de combustie şi camerele de ardere fiind făcută în Automobilul electric cu şi fără ardere internă. Propulsie electrică pe puntea din faţă şi cu pistoane în spate? Le-am văzut în articolul Automobilul viitorului. Ba am constatat şi idei năstruşnice, ca maşinuţele-balon cu aer comprimat, descrise în articolul Automobilele de la idee până la serie. În Legomobilele viitorului şi în Automobilele viitorului pe făgaşe haotice? am trecut în revistă combinaţiile deloc haotice care vor asigura în viitor propulsia automobilelor de diferite clase şi tipuri.


….chiar aşa flăcări să scoată fiara turbopropulsată? Asta ne mai lipsea!

Pentru ce ne mai trebuie şi turbomotoare? Pentru că atâta timp cât motoarele cu piston mai joacă un rol în sistemele combinate de propulsie descrise în articolele citate mai sus, o comparaţie cu turbomotoarele se impune.

Turbină cu gaze din avion în automobil? Poate fi mai eficientă în combinaţie cu motoarele electrice pentru propulsie decât un motor cu piston?

Motorul cu piston aspiră aer, îl comprimă în cilindru până când pistonul ajunge aproape la chiulasă, împreună cu care formează o cameră de ardere mică şi colţuroasă. Acolo trebuie să injectăm jetul de combustibil, care ori nu se atomizează bine pentru că nu are timp, ori udă pereţii camerei şi gata, pistonul împins de gazele care îşi măresc presiunea datorită arderii vrea înapoi, transmiţând forţa căpătată la bielă. Doar că nu poate depăşi punctul de la care a început aspiraţia, cu toate că presiune ar mai fi destulă – drumul pistonului este egal în ambele direcţii, fiind dictat de legătura dintre bielă şi manivelă. Aşadar, pistonul formează pentru comprimare, ardere şi extindere, care au loc una după alta, când un compresor cam simplu, când o cameră de ardere prea înghesuită, dar cum să mulţumeşti toate procesele?

Hai să mulţumim acum fiecare proces în parte:

Procesele din turbomotor (turbină cu gaze) sunt simultane, cele din motorul cu piston sunt succesive

Turbomotorul execută toate procesele simultan, având un spaţiu separat pentru fiecare. Condiţia primordială, care îl deosebeşte de motorul cu piston, este crearea unui flux de aer, devenit apoi amestec de gaze arse, care trece continuu prin toate compartimentele. Iar pentru un flux continuu o maşină rotativă este absolut cea mai bună alegere, chiar dacă nu unică. Aşadar, compresorul se învârte, ridicând presiunea aerului în cupluri de palete rotor-stator, de exemplu într-o variantă constructivă axială, ca aceea din figură. Vrem presiune mai mare, construim compresorul cu mai multe cupluri (trepte) rotor-stator.

Dar cea mai avantajată în această comparaţie este camera de ardere: jetul de combustibil, care este injectat continuu, nu are cum să ajungă pe pereţi: jet prea lung, facem şi camera mai lungă! Timp de vaporizare şi ardere? Nu se pune problema, pentru că procesul e continuu. În fond, ne putem imagina o flacără dintr-un aparat de sudură, pe care o putem regla după necesităţi. Iar destinderea gazelor arse? Facem atâtea trepte de stator-rotor până ajungem la presiunea atmosferică, folosind în acest fel energia gazelor arse mai mult decât în motorul cu piston.

Arderea în turbomotor? Cu o flacără similară celei din aparatul de sudură, combustibilul se atomizează suficient şi nu atinge nici un perete, ceea ce la motorul cu piston e greu de realizat.

Cum folosim energia gazelor arse în turbina pe care acestea o învârt? O parte o trimitem compresorului printr-o axă de legătură. Ce rămâne este ceea ce ne interesează, adică energia care generează un cuplu motor utilizabil în diferite feluri: îl putem trimite unei elici simple sau uneia carenate, în mai multe trepte, pentru deplasarea unui avion prin aer. Sau îl putem folosi într-un generator de curent, ca la sistemele de propulsie ale vapoarelor moderne. Sau în automobil, unde îl trimitem, pur şi simplu, la roţi. Ideea asta a fascinat dintotdeauna constructorii de automobile.

FIAT Turbina (1956), cu turbomotor de tracţiune directă, de 300 de cai putere

Rover a introdus turbomotoare pentru propulsia directă de automobile începând din 1950, când a fost prezentat modelul Jet 1, cu 74 de kilowaţi (100 cai putere), în care turbina se învârtea cu 26 de mii de ture pe minut. Maşina propulsată astfel atingea 136 de kilometri la oră. Următorul model, cu doi ani mai târziu, ajungea la 169 kilowaţi (230 cai putere) şi 243,5 kilometri la oră. Au urmat modelele T3 (1956) cu tracţiune integrală, T4 cu tracţiune pe puntea din faţă (1961), apoi BRM Type 00 (1963).

FIAT a introdus în 1954 modelul Turbina, cu un turbomotor de 221 de kilowaţi (300 cai putere), alimentat cu kerosină, care atingea 250 de kilometri la oră.

Chrysler a lansat în 1954 modelul Plymouth Sport Coupé, dotat cu un turbomotor, care în 1962 a fost realizat într-o serie de 75 de vehicule. În 1963 a fost introdus Chrysler Turbine Car, cu un turbomotor perfecţionat, realizat ca a patra generaţie, cu o putere de 96 kilowaţi (130 cai putere). Turaţia turbinei atingea 45.700 de rotaţii pe minut, din care la axă ajungeau, prin reductor, 5360 de rotaţii pe minut. Motorul era compus dintr-un compresor radial cu o treaptă şi o turbină axială cu două trepte, una pentru compresor, cealaltă fiind conectată la cutia de viteze automată.

Până şi căldura care rămânea în gazele de ardere după destinderea în turbină era folosită într-un schimbător de căldură, preîncălzind aerul după compresor, înainte de intrarea în camera de ardere. Combustibil? La alegere: benzină, kerosină, motorină, ulei vegetal. Preşedintele de atunci al Mexicului, care era mândru proprietar al unei asemenea turbo-limuzine, o adăpa, să nu vă vină să credeţi, cu tequila!

Preşedintele Mexicului din anii `60, Adolfo Lopez Meteos, îşi adăpa propria turbo-limuzină americană cu tequila mexicană! Turbo-motocicleta din romanul meu Dracfried se cinsteşte mai actual cu ţuică românească!

Zgomot? Deloc! Mulţi clienţi ziceau că Turbo-Plymuth-ul zumzăie ca un aspirator, nu ca un motor zdravăn cu pistoane în opt cilindri!

Emisii de monoxid de carbon, hidrocarburi nearse, funingine, particule? De unde! În schimb, oxizi de azot, pentru că arderea era prea eficientă, la temperatură înaltă. Dar problema asta se poate rezolva elegant la un turbomotor modern.

Consumul? Da, asta a fost o problemă: 16-17 litri de benzină la suta de kilometri. Unde e problema, dacă toate procesele se desfăşoară în regim optim? Unui asemenea motor nu îi prieşte schimbul de sarcină, dar mai ales schimbul brusc al turaţiei, într-un domeniu larg, comparabil cu 1000 până la 8000 de ture pe minut într-un motor cu piston. De ce? Pentru că paletele sau lamelele compresoarelor şi turbinelor au un anumit profil şi un anumit unghi. Dacă schimbăm turaţia, unghiurile din toate treptele ar trebui adaptate proporţional. Cum să faci asta? Ce se poate face este o orientare variabilă a paletelor de direcţionare înainte de intrarea în prima treaptă de compresor sau de turbină. Dar asta nu e de ajuns. La turbomotoarele avioanelor, care sunt mai complexe şi mult mai scumpe, există 2 până la 3 grupuri de compresor-turbină, montate coaxial, unul într-altul. Perechea interioară rămâne la un nivel înalt de turaţie, de obicei constant. Celelalte grupuri se adaptează condiţiilor de funcţionare impuse. Un compromis care duce la îmbunătăţirea eficienţei, dar cu ce preţ. În automobile, de neimaginat.

Păi atunci hai să lăsăm turbomotorul să-şi facă treaba aşa cum îi place cel mai mult, la punct fix de sarcină şi de turaţie. Şi roţile? Nu are treabă cu roţile, el produce doar curent pentru motoarele electrice care acţionează roţile.

De ce nu sunt deja toate automobilele cu propulsie electrică echipate cu  turbomotoare generatoare de curent, în loc de baterii gigantice sau de pile de combustie?

Un exemplu este Jaguar C-X75, prezentat în anul 2010 la Salonul Internaţional de Automobile de la Paris, ale cărui performanţe sunt arătate în figura de mai jos: patru motoare electrice de tracţiune cu o putere totală de 580 kilowaţi (789 cai putere), acceleraţie de 3,4 secunde din start până la 100 de kilometri pe oră. Nu cu 16-17 litri de benzină pe suta de kilometri, ci numai cu 4,3!! De ce nu sunt deja toate automobilele cu propulsie electrică echipate cu asemenea turbomotoare în loc de baterii gigantice sau de pile de combustie? Pentru că sunt încă prea scumpe.

Dar steaua lor va răsări şi se pare că va răsări acolo unde s-a inventat şi praful de puşcă: chinezii au prezentat recent prototipul Techrules GT 96/TREV cu patru motoare electrice compacte pe puntea din spate şi două mai mari pe cea din faţă, curentul fiind produs la bord de un turbomotor. Pe de altă parte, mai nou au fost dezvoltate turbomotoare cu compresor şi turbină radială, extrem de compacte, cum sunt cele produse în serie de compania americană Capstone, la un preţ deja accesibil.

Prototip de automobil Techrules GT 96/TREV, China, 2018, şi turbomotor de serie Capstone, USA

Viitorul propulsiei automobilelor pare să ia o turnură interesantă, nu-i aşa?

Şi totuşi… după ce gazele arse trec printr-o primă turbină, pentru a învârti compresorul, de ce să le trecem şi prin a doua turbină, pentru a învârti roţi sau generatoare? Dacă le ejectăm cu toată energia pe care o mai au? Ne mai trebuiesc doar bretele pentru turbomotor, pe care îl punem în spate, ca pe rucsac, bucurându-ne apoi de toată libertatea din univers.

Salutări de la Superman.