Czy powinniśmy bać się downsizingu?

Skłaniam się ku ogólnej definicji mówiącej, że jest to zmniejszenie pojemności skokowej skutkujące obniżeniem zużycia paliwa przy jednoczesnym zachowaniu mocy silnika. Turbodoładowanie czy wtrysk bezpośredni są tylko środkami do uzyskania żądanego efektu.

By uzyskać niskie zużycie paliwa, z punktu widzenia konstrukcji silnika, ważne są dwie kwestie:

• należy zminimalizować straty i osiągnąć jak najwyższą sprawność silnika,
• charakterystyka silnika powinna być taka aby pracował jak najczęściej w okolicach punktu o najwyższej sprawności.

Straty mechaniczne zależne są głównie od sił w układzie korbowo-tłokowym. Na tłok działają dwa typy sił: gazowe (od nacisku gazów na denko tłoka) i bezwładności (proporcjonalne do kwadratu obrotów). Siły tarcia będą proporcjonalne do sumy sił gazowych i bezwładności, ale moment generowany przez silnik będzie już tylko zależał od sił gazowych.

Aby uzyskać sprawny silnik, stosunek sił gazowych do bezwładności powinien być jak największy. Teraz widoczny jest sens doładowania - możemy zwiększyć ciśnienia nad tłokiem, a sam silnik może pracować z niższymi prędkościami obrotowymi.

W tym miejscu niektórzy pewnie zadadzą sobie pytanie: "dlaczego sprawność nie jest najwyższa przy bardzo niskich obrotach?" Spieszę z wyjaśnieniem, że przyczyną są straty cieplne. Wtedy suw pracy trwa długo, więc jest dużo czasu na utratę ciepła przez ścianki komory spalania.

Pozostaje kwestia charakterystyki. Typowy wolnossący silnik benzynowy jest najsprawniejszy w okolicach 3000-4000 obr./min przy dużym otwarciu przepustnicy. Na poniższym rysunku obszar o wysokiej sprawności reprezentuje szara elipsa.

Problem w tym, że wtedy najczęściej generuje więcej mocy niż potrzebujemy. W efekcie znajdziemy się gdzieś poniżej optymalnego obszaru. Tymczasem mniejszy turbodoładowany silnik będzie posiadał wysoką sprawność przy niższej prędkości obrotowej (zielona elipsa), gdzie, przy zastosowaniu mniejszego (potocznie mówiąc "dłuższego biegu") przełożenia skrzyni biegów, będzie mógł być wykorzystywany.

Pomimo wyprodukowania milionów silników realizujących ideę downsizingu, nie pojawiają się sygnały o nadmiernym skróceniu żywotności takich jednostek. Prawdą jest, że szczytowe ciśnienia nad tłokiem sięgają 120-130 barów i są dwukrotnie wyższe niż w silnikach wolnossących. Nie jest to przeszkodą dla producentów.

Uzyskali oni odpowiednie doświadczenie podczas projektowania turbodiesli - tam ciśnienia mogą sięgać nawet 200 barów. Nie jest problemem zbudowanie mocnego silnika o dużej trwałości, wszystko rozbija się tylko o koszty dobrych materiałów i procesów obróbki.

Współczesne silniki doładowane znacznie różnią się od swoich wolnossących kuzynów. W tych pierwszych można spotkać m.in.:

• kute wały,
• sztywne, żeliwne kadłuby,
• główki korbowodów o przekroju trapezowym - zwiększenie powierzchni na którą rozkładany jest nacisk,
• zawory wydechowe wypełnione sodem - lepsze odprowadzanie ciepła z grzybka zaworu,
• pokrycia płaszczów tłoków (np. DLC - Diamond-like Carbon),
• natrysk oleju (od spodu) na tłoki,
• chłodnice oleju,

Szerszego omówienia wymaga drugi punkt. Tu producenci nie są zgodni: jedni próbują wykorzystywać silnie użebrowane kadłuby aluminiowe inni skłaniają się ku żeliwnym. Przy czym nie chodzi wyłącznie o wytrzymałość, żeliwo ma mniejszą przewodność cieplną, czyli można oczekiwać mniejszych strat termicznych. Tłumi także lepiej drgania niż aluminium - silnik z kadłubem żeliwnym może być cichszy.

Więcej problemów problemów sprawia osprzęt, sterowanie czy delikatny układ paliwowy (gdy stosowany jest wtrysk bezpośredni). I tak VW 1.4 Twincharger straszył właścicieli głośnym klikaniem sprzęgła sprężarki mechanicznej, a BMW miało poważne problemy z 3.0 Twin Turbo sprzedawanym na rynku amerykańskim. Po prostu zabrakło dostatecznego przebadania pompy paliwa w przypadku zasilania paliwem pochodzącym z amerykańskich dystrybutorów.

Kolejne obawy dotyczyły osiągów oferowanych przez małe doładowane silniki. Okazało się jednak, że zaoferowały one lepsze parametry od poprzedników o większej pojemności. Stało się to za sprawą przyjaznych charakterystyk silników turbodoładowanych. Poniższy wykres przedstawia porównanie przebiegu mocy 1.2 TSI (przedstawiciel downsizingu) i wolnossącego 1.6 16V.

Od większości wykresów ten różni się skalą osi poziomej. Jest ona względna, dzięki czemu ułatwia porównywanie silników osiągających różne prędkości obrotowe. Widzimy przewagę mniejszego silnika w całym zakresie obrotów.

Z premedytacją umieściłem także turbodiesla 1.6 TDI by przy okazji wyjaśnić pewien fenomen. Otóż, gdy pojawiły się turbodiesle zauważono, że samochody w nie wyposażone potrafią mieć lepsze przyspieszenia niż te wyposażone w wolnossące benzyniaki o tej samej mocy. Jednocześnie prędkości maksymalne były porównywalne. Ktoś wtedy puścił błędną plotkę, że przyspieszenie zależy od momentu, a prędkość maksymalna od mocy.

Jedno i drugie zależy od mocy, tylko podczas przyspieszania nie ma możliwości utrzymywania silnika w jednym punkcie. Teraz spójrzcie w jakim zakresie utrzymywane jest ponad 70 kW w przypadku tych trzech silników. Jednostki turbo zdecydowanie wygrywają.

Pojawiły się obawy, że mały wysilony silnik nie będzie oszczędniejszy od większego odpowiednika. Testom NEDC nie wszyscy wierzą. Odpowiedź dają zapisy zużycia paliwa, takie jak np. na stronie spritmonitor.de. Przykład w tabeli poniżej, pod uwagę brałem Volkswageny Golfy ze skrzynią manualną i minimalnym przebiegiem wynoszącym 1500 km.

Niemal dwa litry różnicy są już chyba wynikiem godnym uwagi.

Niestety nie mogę zakończyć optymistycznym akcentem. Niektórzy producenci zaczynają zmniejszać ilość cylindrów w swoich silnikach. Najdobitniejszym przykładem jest dwucylindrowy Fiat Twinair. Nie będzie wibrował tak jak jednostka napędowa 126p, bo posiada potężny wałek wyrównoważający kręcący się w kierunku przeciwnym do wału korbowego.

To pomaga znieść siły bezwładności pierwszego rzędu, a więc osiągnąć poziom silnika czterocylindrowego. Problem jest gdzieś indziej. Twinair musi posiadać potężne koło zamachowe, które zdecydowanie pogarsza reakcję na wciśnięcie pedału gazu. Mówiąc w skrócie: niskie zużycie paliwa i ochrona środowiska: tak, przyjemność z jazdy: nie.