Odłączanie cylindrów w silnikach - po co się stosuje i jak to działa?

Jak już mogliście przeczytać w naszym artykule o downsizingu silników, pojemność skokowa to jeden z ważniejszych czynników wpływających na zużycie paliwa. Im jest wyższa, tym silnik potrzebuje więcej paliwa do wykonania swojej pracy, nawet jeżeli pracuje praktycznie bez obciążenia, np. na biegu jałowym.

Sprawa jest prosta – cylindry trzeba czymś wypełnić, a nieznaczny udział w tym napełnianiu ma również paliwo. Od lat trwa więc powolne zmniejszanie pojemności silników i zastępowanie jej innymi rozwiązaniami, np. doładowaniem. Jednak już w latach 80. Amerykanie pracowali nad rozwiązaniem mającym zmniejszyć pojemność silnika, ale nie na stałe, lecz na żądanie. Jak to możliwe, by zmniejszyć pojemność silnika wtedy, gdy się tego chce?

Wydaje się, że pojemność skokowa to wielkość stała. Składają się na nią trzy wielkości: średnica cylindrów, skok tłoków i liczba cylindrów. Teoretycznie nie da się niczego zmienić, ale już dawno temu wymyślono, że można. Wystarczy wyłączyć z pracy część cylindrów, zmniejszając pojemność silnika nawet o połowę.

Prosty przykład: 4-cylindrowy silnik o pojemności 2 litrów ma pojemność 4 x 0,5 l. Jeżeli wyłączymy połowę cylindrów, uzyskujemy pojemność 1 litra, co zmienia silnik dość duży w mały i ekonomiczny. Co ważne, w wielu sytuacjach drogowych, połowa mocy generowanej przez większość jednostek napędowych to i tak za dużo.

Samochód nie potrzebuje jej w ogóle gdy kierowca puszcza gaz i potrzebuje jej naprawdę niewiele, gdy auto jedzie z górki z lekko wciśniętym gazem. Nawet jadąc ze stałą prędkością na równej drodze, do sprawnego napędzania samochodu wystarczy około 10-30 KM mocy. Po co więc cztery cylindry mają pracować na pół gwizdka, skoro tylko dwa z nich wystarczą, a i tak nie będą pracowały pełną parą?

Do takiego wniosku doszli już m. in. Amerykanie i Niemcy, a konkretnie współpracujący jeszcze ze sobą Daimler i Chrysler oraz Chevrolet. Dołączyła również Honda, ale ich system nie został tak rozpowszechniony jak amerykański i niemiecki.

Wpadli na pomysł przywrócenia idei Cadillaca z lat 80. w silnikach V8 i zastosowano pierwsze udane systemy wyłączania cylindrów i jednocześnie zmniejszania pojemności skokowej o połowę. Cztery pracujące cylindry z powodzeniem napędzały jeepy i mercedesy, a także corvetty, zużywając przy tym mniej paliwa.

Nie o połowę mniej, ale o około 20 proc. Przy zużyciu na poziomie minimum kilkunastu litrów na 100 km da się to odczuć. Swoją drogą, konstruktorzy silnika HEMI 5,7 litra wprost określili swoje rozwiązanie systemem zmiennej pojemności (Multi Displacement System) bez mącenia klientom w głowie jakimś odłączaniem cylindrów. Używano również określenia Displacement on Demand, czyli pojemność na żądanie, co moim zdaniem jest strzałem w samo sedno.

Wraz z rosnącymi wymaganiami odnośnie emisji CO2, idea wyłączania cylindrów przeszła na mniejsze silniki. Audi jako pierwsze odważyło się na zastosowanie systemu własnej konstrukcji w jednostce 4-cylindrowej, a konkretnie w znanym motorze 1.4 TSI.

Już wcześniej sprawdzili to rozwiązanie w V8, więc nie można powiedzieć by eksperymentowali, ale odłączanie cylindrów w tak małym silniku było o tyle kontrowersyjne, że nie wiadomo jakie przyniesie korzyści. Niezależne testy wykazały, że korzyści rzeczywiście są, ale minimalne. Gra nie warta świeczki? Niekoniecznie.

Jak to mówią, pierwsze koty za płoty i to co sprawdziło się w jednostkach 1.4 TSI, pewnie sprawdzi się również w innych, na przykład większych, ale wciąż czterocylindrowych. Może się to stać koniecznością w przyszłości, bo silników nie można zmniejszać bez końca, a nie każdy producent może sobie pozwolić na wypuszczanie na rynek sedana z jednostką 3-cylindrową o pojemności 1 litra.

Zamiast zmniejszać cylindry do minimum, które i tak już w niektórych jednostkach zostało przekroczone, lepiej poszczególne cylindry wyłączać. W ten sposób można sprzedawać silnik 4-cylindrowy i 2-litrowy, który w każdej możliwej sytuacji będzie tak naprawdę litrowy i 2-cylindrowy. Inna sprawa, że optymalna pojemność cylindra dla silnika spalinowego to około 400-600 cm3 i jeszcze kilkanaście lat temu niemal wszyscy producenci się tego trzymali.

Dziś już nie ma takiej możliwości. 1-litrowy EcoBoost Forda ma niewiele ponad 0,3 l na cylinder. Podobną pojemność mają cylindry popularnych silników 4-cylindrowych o pojemności 1,2 l. Jeżeli mają być naprawdę wydajne, to trzeba zwiększyć pojemność cylindra bez zwiększania pojemności silnika. Odjęcie cylindra okazuje się więc jedynym rozwiązaniem.

Ford powraca do optimum i pracuje obecnie nad 3-cylindrowym EcoBoostem o pojemności 1,5 litra, czyli 0,5 l na cylinder, który zastąpi teoretycznie taki sam silnik, ale 4-cylindrowy. Najprawdopodobniej zastosuje jeszcze system wyłączania jednego cylindra.

Wbrew pozorom jest to proste rozwiązanie, choć konstrukcja całego układu nie jest wcale banalna. Jak wyłączyć z pracy cylinder, by był dostępny "pod ręką" kiedy tylko zajdzie taka potrzeba? Teoretycznie wystarczyłoby wyłączyć zapłon i dopływ paliwa, ale wciąż jałowo pracowałyby zawory, a cylindry byłyby napełniane powietrzem.

Generowałoby to spore straty, więc posłużono się systemami oddziałującymi na rozrząd, czymś na zasadzie systemu zmiennych faz rozrządu, ale zamiast przestawiać zawory w inny tryb, wyłącza się je i pozostawia zamknięte. Każdy z producentów stosował własne pomysły, a jednym z nich jest system Audi Active Cylinder Technology.

Zasada działania jest niezwykle prosta. Na wałku rozrządu są dodatkowe krzywki, których celem jest wyłączanie cylindrów. Specjalne nastawniki zamontowane przy wałku rozrządu po uruchomieniu przestawiają krzywki zaworów w taki sposób, by wybrane zawory, a tym samym cylindry przestawały pracować. Sprężyny zaworowe dbają o to, by zawory pozostawały zamknięte.

Wszystko trwa milisekundy i jest nieodczuwalne przez kierowcę. W tym czasie następuje odcięcie zapłonu i wtrysku paliwa, oraz zmiana parametrów pracy silnika w komputerze sterującym. Podczas jazdy, silnik przechodzi w tryb 2-cylindrowy nawet kilkanaście razy na minutę. W systemie MDS silnika HEMI zastosowano natomiast aktywne popychacze, które są włączana i wyłączane. Generalnie chodzi o to, by zamknąć zawory i nie doprowadzać do nich mieszanki paliwa z powietrzem.

Tego tak naprawdę nie wiemy, bo choć idea jest bardzo dobra, nawet lepsza niż downsizing, to wciąż producenci podchodzą do tego sceptycznie. Można przyjąć, że system odłączania cylindrów to nic innego jak downsizing na żądanie. Niestety w małych silnikach nie przynosi on większych korzyści, ale w większych już tak.

Przyczyna jest prosta – wciąż pracują tłoki, które generują opory. Wyłączanie tłoków jest o tyle skomplikowaną sprawą, że raczej nikt tą drogą nie pójdzie. Okazuje się jednak, że nawet w silnikach trzycylindrowych można zastosować odłączanie cylindrów, pod warunkiem, że będą wyłączane wszystkie, ale na przemian.

Zatem zmniejszenie pojemności silnika z 1,5 litra do 1,0 litra również jest na wyciągnięcie ręki. Być może takie właśnie rozwiązanie trafi do jednostki Forda 1.5 EcoBoost i stanie się kierunkiem, w którym pójdą inni producenci nawet z jednostkami 4-cylindrowymi.

Moim zdaniem nie przyszedł jeszcze czas, by masowo stosować odłączanie cylindrów i konstruktorzy mają jeszcze pewne rezerwy i niewielkie pole do popisu w dziedzinie downsizingu i podnoszenia wydajności tego, co jest obecnie. Jednak w niedalekiej przyszłości rozwiązanie takie jak ACT Audi może stać się powszechne. Sprawa jest prosta.

Klienci nie będą bez końca godzić się na mniejszą moc maksymalną, która i tak w wielu samochodach jest już zbyt mała. By sprzedawać swoje produkty, producenci będą zmuszeni oferować dużą moc na życzenie, czyli nic innego jak większą pojemność na życzenie. Możliwe, że w przyszłości system odłączania cylindrów będzie pracował na innej zasadzie, odwrotnie.

Normalnie auto będzie używało 2-cylindrów swojego 4-cylindrowego silnika, a w sytuacji, gdy kierowca będzie potrzebował większej mocy, dołączą się dwa dodatkowe cylindry i silnik litrowy o mocy około 100 KM zamieni się w 2-litrowy o mocy około 200 KM. W ten sposób będzie można również łatwiej homologować samochody i "oszukiwać" podczas testów zużycia paliwa.