Silnik osiąga 600 KM mocy z 3 cylindrów i 2 litrów pojemności. System Freevalve to przyszłość motoryzacji?

Hybrydowy napęd Koenigsegga Gemera generuje maksymalnie 1724 KM mocy i 3500 Nm momentu obrotowego, co przy napędzie na cztery koła pozwala przyspieszyć do setki w 1,9 s i rozpędzić się z łatwością do 400 km/h. Hybrydowy napęd składa się łącznie z czterech silników – trzech elektrycznych i jednego spalinowego. Ten ostatni generuje blisko 600 KM i 600 Nm z 2 litrów pojemności przy użyciu trzech cylindrów oraz dwóch turbosprężarek. Imponujące, prawda?

To najmocniejszy silnik spalinowy, jaki trafi do samochodu produkcyjnego, biorąc pod uwagę stosunek mocy do pojemności (300 KM z litra). To też najmocniejszy produkcyjny, choć raczej nie wielkoseryjny, silnik 3-cylindrowy. Jednak niektóre cechy tylko na pozór są wyjątkowe. Zacznę więc od kilku faktów, by czar choć trochę prysł.

Do końca 2019 roku tytuł najmocniejszej 2-litrówki świata dzierżył nowy motor Mercedesa-AMG M139, który generuje 421 KM i 500 Nm. Mówimy tu jednak o samochodzie wielkoseryjnym za ok. 250 tys. zł, a nie wyprodukowanym w liczbie 300 egzemplarzy aucie kosztującym kilka milionów. Zwróćcie uwagę, że różnica to raptem 179 KM i 100 Nm, czyli wbrew pozorom nie aż tak dużo - choć wyciskanie więcej z silnika tak małego jest zadaniem wyjątkowo trudnym. Jednak już na początku tego roku niemiecki tuner Renntech udowodnił, że trudne to nie to samo co niemożliwe. Wycisnął z tego silnika 600 KM.

Druga sprawa to pojemność - nie tyle silnika Koenigsegga, co pojedynczych cylindrów, które są całkiem spore. Każdy ma ok. 0,66 l. Przy sześciu takich cylindrach mielibyśmy dość klasyczną pojemność silnika ok. 4,0 l, a przy 8 ponad 5 l. O ile więc sam silnik jest stosunkowo mały, o tyle cylindry są duże jak na dzisiejsze standardy, które obecnie wynoszą ok. 0,5 l na cylinder. Dla porównania, jednostka Formuły 1 o pojemności 1,6 l ma aż 6 cylindrów, więc każdy ma tylko 0,26 l pojemności.

Jest jednak pewne podobieństwo silnika Koenigsegga do F1 – prędkość tłoka w cylindrze, wynosząca w obu ok. 26 m/s. Jak na jednostkę w samochodzie drogowym jest to bardzo wysoka wartość.

Ostatnia rzecz, która może szokować, to doładowanie, które składa się z dwóch turbosprężarek. Wydawać by się mogło, że dwie na trzy cylindry to dużo, ale to nic wyjątkowego. BMW w swoim kultowym 6-cylindrowym dieslu stosowało aż 4 turbosprężarki (motor B57D30C), czyli stosunek jest dokładnie taki sam.

Jeśli liczycie na jakiś genialny dodatek do silnika, który generuje tak wysoką moc, to możecie być rozczarowani. Koenigsegg szukał nieodkrytych rezerw w obszarze, który do tej pory inni producenci – głównie ze względu na koszty – eksplorowali tylko połowicznie. Chodzi o sterowanie zaworami, czyli tzw. rozrząd.

Klasyczny silnik spalinowy jest wyposażony w wałki rozrządu, które za pomocą krzywek popychają zawory. Również mechanicznie, choćby częściowo, steruje się fazami rozrządu, czyli momentem otwarcia i zamknięcia zaworów oraz ich skokiem. Niektóre silniki mają skomplikowane systemy, które regulują i czas, i moment, i skok otwarcia zaworów. Wszystko i tak gdzieś na końcu sprowadza się do czystej mechaniki, czyli pracy odpowiednio ukształtowanego wałka rozrządu, który te zawory popycha. Jeśli praca zaworu zależy od ruchu wałka, a ten z kolei zależy od pracy silnika (napęd wałka pochodzi od wału korbowego), to jest to pewne ograniczenie.

To z kolei powoduje, że nie da się osiągać już dużo wyższej sprawności silnika oraz poprawić procesu spalania mieszanki. Problemem jest też to, że zawór porusza się stosunkowo długo, czyli pomiędzy zamknięciem i otwarciem jest jeszcze częściowe zamknięcie i otwarcie. Ponadto zawory w jednej głowicy są napędzane jednym lub dwoma wałkami rozrządu, a w silniku 3-cylindrowym jest od 6 do 12 zaworów, więc pracują one w pewnej koordynacji, czyli ruch jednego zaworu przekłada się na ruch innego. Nawet gdyby więc w silniku 3-cylindrowym było tylko 6 zaworów i aż dwa wałki, to 3 zawory pracują od siebie zależnie i 3 kolejne także.

W silniku Koenigsegga wyeliminowano całkowicie ten problem, ponieważ konstruktorzy pozbyli się wałka rozrządu. Sterowanie zaworami odbywa się elektronicznie i pneumatycznie. Sam ruch zaworu reguluje się pneumatycznie przez zmianę ciśnienia w komorze, w której umieszczony jest trzonek zaworu, natomiast wszystkim zarządza elektronika, która kieruje powietrze do komory i blokuje ruch zaworu. Co ciekawe, silnik wyposażono w jedno dodatkowe urządzenie, którego nie ma żadna inna jednostka napędowa – to kompresor, który tworzy ciśnienie wyłącznie do sterowania zaworami.

System ten nazwano Freevalve - można przetłumaczyć jako "wolne zawory" - co doskonale oddaje ideę tego rozwiązania. Zawory są bowiem całkowicie uwolnione od ograniczeń wynikających ze współpracy z wałkiem rozrządu. Zarządzanie ich pracą odbywa się niezależnie dla każdego i można nimi zupełnie dowolnie sterować. Co znaczy, że można każdy zawór otworzyć na tak długo, w takim momencie i w takim stopniu, w jakim potrzeba.

Zobaczcie poniższą animację, która z grubsza prezentuje system Freevalve:

Nieocenioną zaletą systemu bez wałków rozrządu jest również szybkość ruchu zaworów. Żeby zrozumieć różnicę na prostym przykładzie, warto sobie porównać sposób odkręcania i zakręcania zwykłego kranu do wody za pomocą tradycyjnych kurków śrubowych (wałek rozrządu) i dźwigni z zaworem kulowym (Freevalve). W pierwszym przypadku woda najpierw się rozpędza albo zwalnia, kiedy odkręcamy lub zakręcamy kran. W bateriach z dźwignią wodę można odkręcić lub zakręcić prawie natychmiast, jednym ruchem. Również bardzo szybko można zmienić jej temperaturę. Dokładnie tak samo jak w systemie Freevalve Koenigsegga - sterowanie jest szybsze i łatwiejsze.

Dzięki temu uzyskano wyjątkowo precyzyjną pracę silnika i niemal pełną kontrolę zjawisk zachodzących w każdym z cylindrów. Chodzi o proces napełniania, wydalania oraz spalania mieszanki paliwa i powietrza. Co więcej, każdym cylindrem można zarządzać zupełnie niezależnie.

Silnik może pracować na 1, 2 lub 3 cylindrach zależnie od zapotrzebowania na moc czy temperatury. Przykładowo przy niskim obciążeniu, zaraz po rozruchu na zimno, jednostka może pracować jako jednocylindrowa, dzięki czemu szybciej wzrośnie temperatura w tym cylindrze i proces spalania szybko stanie się optymalny, a cylinder naturalnie rozgrzeje pozostałe, które mają w tym czasie pozamykane zawory, co też spowoduje wzrost ich temperatury za sprawą ruchu tłoka. Taki proces rozgrzewania silnika skutkuje o 60 proc. niższą emisją najbardziej toksycznych związków, które wydzielają tradycyjne silniki benzynowe zaraz po uruchomieniu.

Jedną z większych zalet - poza niezwykle precyzyjnym sterowaniem pracą zaworów oraz szybkością ich ruchu - jest brak strat energii wynikających z obecności wałka rozrządu, jego napędzania oraz napędu sterowania systemami odpowiedzialnymi za zmienne fazy rozrządu i podobne rozwiązania. Tego wszystkiego po prostu nie ma. Silnik nie ma też przepustnicy, ponieważ jej rolę przejmują zawory. Dzięki temu waży tylko 70 kg.

Podsumowując – system Freevalve daje nie tyle tak wysoką moc, co niezwykłą wydajność silnika nazwanego przez producenta Tiny Friendly Giant (mały przyjazny gigant). Przynajmniej teoretycznie, jest to obecnie najlepiej wykorzystująca paliwo spalinowa jednostka napędowa na świecie, a producent zapewnia, że tylko dzięki systemowi Frevalve uzyskano 50-procentowy spadek emisji szkodliwych substancji. Jednak sama moc bierze się z doładowania i obrotów.

Oczywiście z 2-litrowego silnika nie dałoby się uzyskać tak imponujących wartości momentu obrotowego, gdyby nie doładowanie. To składa się z dwóch niezależnych turbosprężarek, które tłoczą powietrze pod ciśnieniem maksymalnie 2 barów. To o 0,1 mniej niż w przypadku wspomnianego już fabrycznego silnika Mercedesa-AMG.

Każda z turbosprężarek jest połączona z każdym zaworem wydechowym każdego cylindra oddzielnymi kanałami. Każdy cylinder ma po 2 zawory wydechowe, co oznacza, że łącznie do systemu doładowania idzie 6 kanałów - po trzy na turbinę. Już dzięki temu w pełni można kontrolować zjawisko pulsacji spalin, ponieważ spaliny z każdego z cylindrów nie spotykają się na drodze do turbosprężarki w żadnym miejscu - dopiero w samej turbinie.

Ponadto silnik może pracować w trybie pojedynczego lub podwójnego doładowania niezależnie od prędkości obrotowej czy obciążenia, choć naturalnym jest, że przy niskim obciążeniu dwie turbosprężarki nie są potrzebne. Jednak możliwość "włączenia" drugiej do pracy w każdej chwili powoduje, że ta mała jednostka maksimum momentu 600 Nm osiąga od 2000 obr./min i utrzymuje aż do 7000 obr./min. Z tego aż 400 Nm jest dostępne od 1700 obr./min.

Moc bierze się z momentu obrotowego. Najprościej wyjaśnić to w taki sposób, że moment obrotowy pomnożony przez obroty, w jakich dana wartość występuje, daje moc przy tych obrotach. Moc jest więc wyłącznie iloczynem momentu i obrotów . Z kolei moc maksymalna jest najwyższym iloczynem, jaki w całym zakresie obrotów osiąga silnik. To dlatego często się mówi, że " silnik jedzie momentem, a nie mocą ". W praktyce jedzie też mocą, ale nie tą podawaną w katalogu jako maksymalna. Moc maksymalna zawsze występuje później niż maksymalny moment obrotowy. Nawet jeśli wraz ze wzrostem obrotów moment już spada, to moc jeszcze może rosnąć, ponieważ jednym z czynników iloczynu są obroty.

Jeśli więc wysoki moment obrotowy pojawia się przy niskich obrotach (np. diesle i stare amerykańskie V8), a następnie szybko spada, to moc maksymalna jest niska. Jeśli moment obrotowy jest z kolei niewielki, to nawet kiedy pojawia się przy wysokich obrotach i spada powoli (np. dawne japońskie silniki), to moc też jest relatywnie niska. To m.in. dlatego wysokoobrotowy silnik wolnossący z lat 90. o pojemności 1,6 litra generuje blisko 200 KM mocy, a tymczasem amerykańska, wolnoobrotowa jednostka V8 o pojemności 6 litrów… też generuje 200 KM. Różnica jest taka, że mały silnik potrzebuje ok. 4000-5000 obr./min, by zapewnić dynamikę porównywalną z dużym, który pracuje w zakresie 2000-3000 obr./min.

Najlepszy efekt w uzyskiwaniu wysokiej mocy silnika daje połączenie wysokich obrotów i momentu obrotowego.

Jeśli połączony wysoką wartość momentu obrotowego z wysokimi obrotami, to wówczas uzyskamy wysoką moc. I tak właśnie jest w przypadku silnika Koenigsegga, który maksimum 600 Nm utrzymuje aż do 7000 obr./min, co jest praktycznie niespotykane w żadnym silniku spalinowym w samochodach drogowych. Co więcej, z poniższego wykresu wynika (szara linia opisana jako Torque ICE), że wartość bliska maksimum utrzymana jest do odcięcia obrotów, które występuje przy 8500 obr./min. Maksymalna moc pojawia się przy 7500 obr./min.

Podsumowując – wysoka moc wynika tu z dużego doładowania, które generuje wysoki moment obrotowy, ale też z wysokoobrotowego charakteru silnika, który ten wysoki moment utrzymuje w niemal pełnym zakresie obrotów. To jest możliwe za sprawą precyzyjnego sterowania rozrządem bez wałków rozrządu, co byłoby bardzo trudne w tradycyjnym silniku spalinowym. Jest to co prawda do osiągnięcia w sporcie wyczynowym, ale bardzo wysokim kosztem, a ceną byłaby bardzo niska trwałość oraz brak komfortu jazdy z takim silnikiem.

Oczywiście jest to konstrukcja przełomowa, ponieważ pokazuje, że silnik spalinowy nie tylko nie jest rozwiązaniem przestarzałym, ale są także obszary, w których można odnaleźć ogromne, ukryte do tej pory rezerwy: mocy, sprawności, wydajności. Jak twierdzi Christian von Koenigsegg, pracujący na matanolu Tiny Friendly Giant prawie nie emituje szkodliwych spalin, a więc i w zakresie czystości silnika jest jeszcze sporo do zrobienia zanim zrezygnujemy z tej drogi. W samochodzie hybrydowym, jak Koenigsegg Gemera, można mówić praktycznie o napędzie neutralnym pod względem CO2.

Z drugiej strony, ktoś może zadać pytanie: dlaczego nie zrobili tego inni producenci, tylko mały Koenigsegg? Odpowiedź jest banalna - ponieważ inni producenci samochodów są producentami produktów codziennego użytku, na które musi znaleźć się klient. Koenigsegg tworzy auta, które są pokazem technologii, ale nie typowymi produktami. To, że Gemerę kupi 300 osób nie zmienia faktu, że ten wspaniały samochód nie jest takim samym produktem, jak choćby kosztujący ok. 250 tys. zł Mercedes-AMG A45 S z 421-konną jednostką 2.0.

Można się nawet pokusić o stwierdzenie, że Koenigsegg Gemera nie jest produktem użytecznym, choć ma wszelkie jego cechy. Dla klientów będzie to co najwyżej lokata kapitału, a dla producenta sposób na zwrot poniesionych kosztów wdrożenia technologii nie tylko freevalve, ale całego skomplikowanego systemu hybrydowego.

Technologii, która udowadnia, że w silniku spalinowym jest jeszcze sporo do zrobienia i że producenci popularnych samochodów mają jeszcze szerokie pole do popisu - wystarczy takie rozwiązanie jak Freevalve wdrożyć do produkcji masowej. Powoli to się staje rzeczywistością, ponieważ system Freevalve zastosowano już w chińskim aucie Qoros Qamfree, zaprezentowanym w 2016 roku (wróćcie do animacji wideo i zobaczcie, że to nie jest silnik Koenigsegga). Jednak w przeciwieństwie do Koenigsegga, chiński mało znany producent, nie ma takiej siły przebicia i nie zaprezentował tej technologii w sposób tak ciekawy. Teraz tak jest i pewnie zwróci uwagę wielkich graczy.