100 koni z litra. Czy bać się downsizingu?

W ciągu ostatnich kilku lat możemy zaobserwować zastępowanie wolnossących silników benzynowych jednostkami turbodoładowanymi o rozmiar mniejszymi. Dysponują one wysokim wskaźnikiem mocy jednostkowej, często przekraczającym 100 KM/l, dotychczas zarezerwowanym tylko dla silników samochodów sportowych. Wśród wielu osób wywołuje to obawy o trwałość takiej jednostki napędowej.

Spróbujmy przeanalizować wpływ zwiększonej mocy jednostkowej wywołany turbodoładowaniem i spowodowany przez to wzrost obciążeń na trwałość takiego silnika. Obawy mogą dotyczyć pękania elementów silnika, ich przyśpieszonego zużycia, stopienia elementów czy awarii osprzętu.

Obciążenia mechaniczne:

Nimi tak na prawdę nie ma się co przejmować. W przypadku układu korbowego naprężenia spowodowane wzrostem ciśnienia w komorze spalania można łatwo sprowadzić do bezpiecznego poziomu zwiększając przekroje elementów, a miejsca na takie działania jest aż nadto. Zresztą nie licząc ekstremalnie odchudzonych wyczynowych silników nie kojarzę przypadków masowego pękania wałów korbowych czy gięcia korbowodów.

Siły występujące w układzie rozrządu ze względu na niższą prędkość obrotową są nawet niższe niż w silniku pełnowymiarowym.

Zagadnienia tribologii:

Większość obrotowych elementów silnika (wał korbowy, wałki rozrządu) wykorzystuje łożyska hydrodynamiczne, które charakteryzują się wysoką nośnością. Warstwa oleju oddziela współpracujące elementy, więc nie dochodzi do zużycia mechanicznego.

Najtrudniejsze warunki pracy występują pomiędzy tłokiem a cylindrem oraz pomiędzy głową korbowodu a sworzniem tłokowym. W obu tych skojarzeniach występuje ruch przemienny. Ponieważ proces smarowania hydrodynamicznego wymaga pewnej minimalnej prędkości względnej elementów konieczne dobór odpowiednich materiałów jest krytyczny. Od wielu lat następuje rozwój w dziedzinie materiałów konstrukcyjnych, np: dziś często stosuje się pokrywanie gładzi cylindra i koszulki tłoka materiałami o lepszych właściwościach tribologicznych (mniejsze zużycie, lepsza zwilżalność olejem) od klasycznego żeliwa szarego a oleje posiadają wiele skutecznych dodatków przeciwzużyciowych.

Obciążenia cieplne:

Większa moc oznacza generowanie większych ilości ciepła, które z mniejszego silnika trudniej odprowadzić. Do tego dochodzi jeszcze stosowanie ubogich mieszanek dodatkowo podnoszących temperaturę. Wymaga to zastosowania rozwiązań poprawiających odprowadzenie ciepła. Poza wydajniejsza pompą wody i większą chłodnicą konieczne może być zastosowanie chłodnicy oleju oraz zaworów wydechowych wypełnionych sodem. Zastosowanie natrysku oleju na denka tłoków nie tylko pozwala obniżyć ich temperaturę ale również poprawia smarowanie gładzi cylindra oraz sworznia tłokowego.

Osprzęt:

Czyli układ wtryskowy, turbodoładowanie, pompy wody/oleju o zmiennym wydatku - czyli cała przerażająca drobnica.

Układ wtrysku bezpośredniego - wtrysk bezpośredni od wielu lat radzi sobie w silnikach wysokoprężnych, w silniku benzynowym z jednej strony narażony jest na wyższą temperaturę, z drugiej ciśnienie wtrysku jest dużo niższe. Problemy mogą stwarzać korozyjne dodatki do benzyny (np. lubiany w USA etanol). Część zagrożeń można wyeliminować stosując odpowiednie materiały, inne poprzez zapewnienie odpowiedniej filtracji paliwa.

Kolejnym problemem jest osiadanie nagaru na zaworach ssących, które nie są myte przez natryskiwaną na nie benzynę. Nagar ten powstaje z węglowodorów trafiających do kolektora ssącego z układu odpowietrzania skrzyni korbowej oraz układu EGR. Można go dość łatwo wyeliminować stosując np: filtry z węglem aktywnym.

Turbosprężarka jest dosyć prosta w budowie. W wielu starszych silnikach prawidłowo eksploatowane turbosprężarki osiągają duże przebiegi bez problemów. Warunek - dać jej czas na rozgrzanie i wystudzić przez te pół minuty po jeździe. Odsunie to ryzyko uszkodzenia uszczelniaczy i łożysk.

Pompy - pompy hydrauliczne o zmiennym wydatku są stosowane w wielu maszynach od dziesięcioleci i generalnie odznaczają się wysoką trwałością. Większy niepokój mogą budzić elementy sterowania - z drugiej strony w silniku krokowym poza łożyskami nie ma się co zużywać, a i te są raczej trwałe.

Moda na wykonane z tworzyw sztucznych wirniki pomp wodnych może przerażać, ale w wielu pełnowymiarowych silnikach i tak przewidziano wymianę pompy wody razem z paskiem rozrządu.

Silniki elektryczne, prądnica - stosowane do napędu wielu elementów, od przepustnicy po pompę wody. Silniki bezszczotkowe właściwie nie mają elementów które ulegają zużyciu.

Komputer, elektronika - ponieważ elementy elektroniczne nie posiadają żadnych ruchomych elementów ich trwałość powinna być praktycznie nie ograniczona. Oczywiście jeśli nie dojdzie do przegrzania czy korozji przewodów.

Koło dwumasowe. Zmniejszanie ilości cylindrów razem z dążeniem do pracy przy niższych prędkościach obrotowych generuje problemy z drganiami skrętnymi. Tłumiki drgań skrętnych, czyli popularne "dwumasy" nie słyną z wielkiej trwałości, zwłaszcza jeśli są brutalnie traktowane.

Wnioski?

Zasadnicze elementy silnika można w procesie projektowania tak zwymiarować, aby wzrost mocy względem poprzedniej generacji silników nie wpływał negatywnie na trwałość. Wydaje się, że większy problem stanowią tzw. pierdółki, których we współczesnych silnikach jest coraz więcej - setki sensorów mierzących Bóg wie co i aktuatorów ruszających też nie wiadomo czym. I problem nie leży nawet w tym, że nie da się ich zrobić tak, aby były trwałe - po prostu ich ilość jest tak duża a cena jednostkowa tak niska, że nie opłaca się gruntowne sprawdzanie każdego elementu. Zaświeciła się zielona lampka na pulpicie kontrolera jakości? To montuj. Z tym, że będzie to dotyczyć też "pełnowymiarowych" silników.