Nie tylko downsizing

Coraz nowocześniejsza technika zmienia oblicze współczesnej motoryzacji. Około 20 lat temu z 4-litrowych jednostek uzyskiwano moc na poziomie 300 KM. Dziś można dwukrotnie więcej.

2017-07-11 00:00:00
Poziom :

Wszystko za sprawą nowoczesnych systemów wtrysku paliwa, nowych, precyzyjniejszych technologii produkcji silników, dokładniejszego wykonania i spasowania elementów jednostek napędowych, a przede wszystkim – turbosprężarek, których stosowanie jest już powszechne. Z cenników nowych modeli znikają stopniowo jednostki wolnossące o dużych pojemnościach. Coraz częściej silniki mają zaledwie po trzy cylindry.

Dobrym pytaniem jest: czy chodzi tu o postęp na polu inżynieryjnym, czy raczej o oszczędności i większe zyski producentów? Odpowiedź nie jest jednoznaczna, bo z jednej strony nowoczesne konstrukcje silników pozwalają uzyskać z jednostek o małej pojemności duże moce. Z drugiej, stosowanie takich rozwiązań jest podyktowane unifikowaniem i upraszczaniem konstrukcji. Im mniejszy blok silnika, tym mniej materiału trzeba do jego wytworzenia. Przede wszystkim jednak chodzi o spełnianie coraz surowszych norm emisji spalin. Niektórzy twierdzą, że stoi za tym również projektowanie, a dokładniej rzecz biorąc – skracanie życia produktu, by nowe jednostki nie osiągały przebiegów na poziomie pół miliona kilometrów, co nie stanowiło problemu dla wielu starszych konstrukcji.

Poważne zmiany, nazywane dziś downsizingiem, zaczęły się ok. 10 lat temu. Producenci aut zaczęli ścigać się w uzyskiwaniu coraz wyższych mocy z coraz mniejszych, turbodoładowanych jednostek, odejmując im przy okazji cylindrów. Daleko im do aksamitnej kultury pracy potężnych jednostek V6, 8 i 12 lub choćby R5. Dziś pod maską wielu samochodów sportowych znajdziemy co najwyżej 2-litrowe, czterocylindrowe jednostki, a popularne samochody segmentu B zadowalają się silnikami 3-cylindrowymi o pojemności ok. 1 l. Co więcej, litrowe jednostki zdarzają się już nawet w samochodach klasy średniej i SUV-ach. Producentów aut do takich działań zmusiły brutalne reguły ekonomii i regulacje Unii Europejskiej, coraz mocniej ograniczające dopuszczalną emisję spalin. Warto jednak dodać, że z 2 l pojemności silnika możemy uzyskać moc kilkuset koni, a z jednego – grubo ponad 100.

Niepokojąca przyszłość

Obecnie średnia emisja nowych samochodów nie przekracza 130 g CO2/km, co powinno przekładać się na średnie spalanie na poziomie 5,6 l/100 km w silnikach benzynowych i 4,9 l/100 km w jednostkach Diesla. Trudno oczekiwać, by trend zmniejszania silników miał się odwrócić w sytuacji, gdy w 2021 r. normy średniej emisji mają zostać ograniczone do zaledwie 95 g CO2/km i odpowiednio 4,1 i 3,6 l/100 km. Strach pomyśleć, co będzie napędzać miejskie samochody przyszłości.

Nim doczekamy półlitrowych, jedno- i dwucylindrowych jednostek z arcypotężną turbiną, pociąg producentów do zmniejszania silników na pewien czas się zatrzyma. Pojawiają się optymistyczne wieści o rightsizingu, który ma oznaczać właściwe dobieranie pojemności silnika do wielkości samochodu i – w miarę możliwości – niestosowanie w nich turbo. Tym tropem stara się podążać Mazda, szukając oszczędności w spalaniu poprzez zmniejszanie masy silnika, jak również całego samochodu (tzw. technologia Skyactiv). Toyota w niektórych modelach wróciła do większych jednostek wolnossących, czego przykładem może być Yaris. Z drugiej jednak strony od pewnego czasu ma już w ofercie silnik 1.2 turbo. Ten największy producent samochodów na świecie szuka jednak innych dróg. Pierwszą są powszechnie stosowane w modelach tej marki hybrydy, drugą – wprowadzony do seryjnej produkcji napęd wykorzystujący ogniwa wodorowe, o którym nieco szerzej będzie na końcu.

Dekalog downsizingu

Przepis na silnik spełniający wyśrubowane normy emisji spalin jest dosyć prosty, ma zaledwie kilka składników. Pierwszym jest ograniczenie pojemności skokowej – im mniejsza komora, tym niższe spalanie, ale też mniejsza moc. Dlatego trzeba dodatkowo sięgnąć po turbodoładowanie, które – tylko w razie potrzeby – dostarczy więcej powietrza do cylindrów. Zaletą jest to, że podczas wolnej jazdy sprężarka podaje minimalne ciśnienie. Zużycie paliwa pozostaje więc niskie.

To jednak teoria, bo styl miejskiej jazdy w Polsce wymusza częste i dość mocne przyspieszenia, a to już nie jest ani trochę ekonomiczne – zwłaszcza przy takiej konstrukcji silnika. Na trasie też trzeba czasem wyprzedzać, a jazda z prędkością autostradową zmusza sprężarkę do intensywnej pracy. Kolejny składnik to zredukowana liczba cylindrów. Mniej tłoków oznacza mniejszą liczbę ruchomych elementów, zatem niższe tarcie. Na koniec, dla zwiększenia efektywności zapłonu i lepszej kontroli nad przepływem paliwa, dodajemy jeszcze bezpośredni wtrysk. I gotowe.

Jak każde rozwiązanie, downsizing ma swoje wady i zalety. Małe silniki z turbo są żwawsze od swoich wolnossących odpowiedników, ale bardzo wrażliwe na syndrom „ciężkiej nogi” kierowcy. Traktowane ostro są w stanie zużyć nawet dwukrotnie więcej paliwa niż obiecuje producent. To jedna z przyczyn popularności szkoleń z ekojazdy dla kierowców flotowych.

Ważne jest pytanie o trwałość takich jednostek. Pierwsze konstrukcje poddane downsizingowi miały problemy z trwałością turbosprężarek, zwłaszcza gdy były eksploatowane w miastach. Przypominają się tutaj nieszczęsne silniki 1.4 TSI, które potrafiły odmówić posłuszeństwa po 40 tys. km. Wiązało się to z dużą liczbą zimnych rozruchów i gaszeniem silnika, gdy turbina nie zdążyła się jeszcze ostudzić, co było dla niej zabójcze. W najnowszych jednostkach instalowane są ograniczniki obrotów na jałowym biegu i mocy – przed optymalnym rozgrzaniem jednostki. Elektrycznie napędzane pompy cieczy chłodzącej częściowo rozwiązały problem z szybkim rozgrzaniem i schłodzeniem turbiny oraz całej jednostki. Nie udało się jednak wyeliminować podwyższonego zużycia oleju, typowego dla wyżyłowanych silników.

Możemy już zapomnieć o silnikach, które bez problemów wytrzymywały przebiegi ponad pół miliona kilometrów. Współczesne jednostki znoszą bez remontu eksploatację w połowie tego dystansu. Nie jest to jednak problem flot eksploatujących nowe samochody i zmieniających je przed osiągnięciem takiego przebiegu. To raczej zmartwienie kolejnych właścicieli tych aut.

Pozytywny argument za zmniejszonymi silnikami to zniżki w ubezpieczalniach, ponieważ pojemność wciąż jeszcze jest brana pod uwagę przy szacowaniu ryzyka i kalkulacji składek.

Udane konstrukcje

Na rynku mamy wybór mniej lub bardziej udanych poddanych downsizingowi konstrukcji. Jedną z lepszych jest np. nagrodzony tytułem Silnika Roku 1-litrowy EcoBoost znany z Forda Fiesty, produkowany w wersjach o mocy 100, 125, 140, a nawet 180 KM (w rajdowej wersji Fiesty R2). Jego 140-konna odmiana oferuje lepszy stosunek mocy do pojemności niż silnik Bugatti Veyrona. Drogowa odmiana modelu Formula Ford z silnikiem EcoBoost 1,0 o mocy aż 205 KM pokonała okrążenie północnej pętli słynnego toru Nürburgring w czasie 7 minut i 22 sekund, wyprzedzając supersamochody z silnikami o mocy ponad 600 KM, jak Lamborghini Aventador, Ferrari Enzo czy Pagani Zonda. A przecież to odpowiednik dawnych jednostek o pojemnościach 1.5-1.8 l. Znak czasu.

Tytułu Silnika Roku dorobił się także najmniejszy i ekstremalny przykład współczesnego downsizingu. To znana z Fiata 500 dwucylindrowa jednostka 0,9 TwinAir produkowana od 14 czerwca 2010 r. w zakładzie Fiat Powertrain Technologies w Bielsku-Białej. Włosi zainwestowali w nią około 300 mln euro – przy znaczącym wkładzie polskiego rządu, który udzielił ulg podatkowych i zdobył dodatkowe fundusze z Unii Europejskiej. Jedną z jego największych zalet jest kompaktowa konstrukcja. W porównaniu z silnikiem 4-cylindrowym o takich samych osiągach i pojemności jest o 23% mniejszy i 10% lżejszy. W zależności od wersji może dysponować mocą do 105 KM. To imponujące wartości jak na jednostkę o pojemności zaledwie 900 cm3.

Emisję dwutlenku węgla w przypadku TwinAir’a udało się ograniczyć do poziomu 95 g/km. Dwucylindrowa jednostka turbo w Fiacie 500 jest dostępna z systemem start & stop, który pozwala zaoszczędzić dodatkowe 12% paliwa podczas jazdy w mieście. Fiat 500 z silnikiem Twin Air rozwija maksymalną prędkość 173 km/h i przyspiesza do setki w 11 s. Według danych producenta średnie zużycie paliwa w cyklu mieszanym powinno wynieść zaledwie 4,1 l benzyny na 100 km. W praktyce absolutnym minimum są okolice 4,4 l. Przeciętnie można liczyć na 6,2 l/100 km.

Inny przykład udanej konstrukcji silnika o małej pojemności to, nagrodzony w kategorii „Biznes i innowacje” w tegorocznym plebiscycie Fleet Awards Polska 2017, trzycylindrowy silnik 1.2 PureTech koncernu PSA. Jednostka ta, stosowana w samochodach Peugeot, Citroën i DS, zdobyła również tytuł Engine of The Year 2016. Występuje w dwóch wariantach mocy: 110 i 130 KM. Znajdziemy ją pod maską należących do segmentu B i C modeli, jak Peugeot 208 i 308, Citroën C4 i C4 Cactus oraz DS3 i DS4. Pomimo niewielkiej pojemności, ma duży moment obrotowy.

Wirnik zamontowanej w silniku 1.2 PureTech turbosprężarki pracuje z prędkością do 240 tys. obr./min. Jednostka ma bezpośredni wtrysk paliwa o ciśnieniu do 200 barów. Benzynowy PureTech został opracowany przy wykorzystaniu 120 patentów, co – w porównaniu z czterocylindrową jednostką poprzedniej generacji – pozwoliło na obniżenie emisji aż o 18%. Silnik PureTech ma również na koncie dwa rekordy niskiego zużycia paliwa. Pierwszy ustanowiono w 2014 r. w Europie. Drugi pobito w Chinach, gdzie wyposażony w jednostkę 1.2 pojazd pokonał na jednym zbiorniku 1878 km, osiągając wynik 2,93 l/100 km.

Udanym przykładem downsizingu jest także 3-cylindrowy silnik 1.0 TSI, występujący z powodzeniem nie tylko w małych autach Grupy Volkswagena, ale też dużej Škodzie Octavii w wersji kombi.

Więcej znaczy mniej?

Bezpowrotnie minęły już czasy, gdy dużą moc generowano z silników o wielkiej pojemności. Przed dziesiątkami lat 200 KM uzyskiwano z 6 lub nawet 8 l. Takie jednostki były bardzo trwałe, ale paliły tyle, ile się do nich wleje. Stosowane niegdyś w Audi 2.5-litrowe silniki mają dziś pojemność 2 l, a moc wyższą o kilkadziesiąt koni. Do sporych Fordów Mondeo zaczęto montować silniki 1.5 EcoBoost rozwijające 160 KM. Legenda motoryzacji, Ferrari Testarossa, produkowała 390 KM z silnika o pojemności 5 l. Współczesne Ferrari 488 GTB ma silnik 3.9 l i uzyskuje z niego 661 KM. Zmniejszone diesle też dają radę, 4.2 l pod maską Porsche Cayenne wytwarza moc 385 KM.

Producentom udało się połączyć kilka celów. Spełniono wyśrubowane normy emisji, a w określonych warunkach ograniczono znacząco zużycie paliwa kosztem długowieczności silników. Światowa motoryzacja weszła w nowy etap, a stare już nie powróci. Radość z eksploatacji samochodu na dystansie miliona kilometrów pozostała już tylko użytkownikom young- i oldtimerów. W zamian dostaliśmy dynamiczne i ekonomiczne w eksploatacji auta. Zarówno stare, jak i nowe rozwiązania mają swoich zwolenników. Nie warto się jednak do nich przywiązywać. Przed nami zupełnie nowa era samochodów elektrycznych. Bliższa, niż może się wydawać.

Przyszłość to elektryczność

Już dziś na popularności zyskują samochody z napędem hybrydowym. Początkowo na masową skalę sprzedawała je tylko Toyota. Dziś w swoim portfolio ma je każdy wiodący producent, jak Audi, BMW czy Volkswagen. Hybrydy w miastach są lepszym rozwiązaniem od silników po downsizingu. W najnowszej Toyocie Prius Plug-In możliwe jest uzyskanie spalania na poziomie zaledwie 1,5 l/100 km. To oczywiście zasługa elektrycznych silników, na których można pokonywać coraz dłuższe dystanse. Nawet potężne Volvo XC90 TwinEngine (napędzane 400-konną hybrydą) jest w stanie przejechać na prądzie 40 km. To jednak zaledwie przystanek w długiej drodze do samochodów w pełni elektrycznych. Duże sukcesy ma na tym polu Nissan z modelem Leaf oraz Tesla – największy pionier branży elektryków.

Problemem dla hybryd, a także samochodów elektrycznych, pozostają ciężkie i niezbyt pojemne baterie. Alternatywą mogą być zatem ogniwa wodorowe. Na całym świecie trwają równoległe prace nad udoskonalaniem baterii oraz nad rozwijaniem innych sposobów magazynowania i transportu energii. Jednym z nich jest właśnie wodór. Niedawno powstała nawet „Rada Wodorowa”, zrzeszająca szefów koncernów paliwowych, energetycznych, produkcyjnych i wydobywczych. Należą do nich m.in. Air Liquide, Alstom, BMW, Daimler, Honda, Hyundai, Kawasaki, Shell, Total i Toyota. W ciągu najbliższych pięciu lat rada przeznaczy 5 mld dolarów na działania mające na celu koordynowanie i przyspieszanie inwestycji w przedsięwzięcia związane z wdrażaniem wodoru.

Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym we wszechświecie pierwiastkiem, a pod względem gęstości energii ustępuje tylko reaktorom jądrowym. Jest niewyczerpalny i nietoksyczny, można go wytwarzać za pomocą elektrolizy, z wykorzystaniem energii odnawialnej. Potrzeba tylko wody i prądu. Prowadzone są nawet próby nad samolotami zasilanymi wodorem. Toyota Mirai jest pierwszym na świecie masowo produkowanym samochodem z wodorowymi ogniwami paliwowymi. Może przejechać ponad 500 km na 5 kg wodoru wytworzonego z 50 l wody. Na tym dystansie samochód emituje… dokładnie 50 l wody.

W krótszym okresie prawdopodobnie dominować będą jednak silniki benzynowe i napędy benzynowo-elektryczne w pojazdach plug-in. Samochody w pełni elektryczne przez dłuższy czas pozostaną rozwiązaniem niszowym. Dlatego ogniwa wodorowe mają spory potencjał – w prywatnych samochodach i transporcie masowym. Wymagają jednak znacznych inwestycji i wykorzystania zaawansowanych technologii.

Marek Wieliński

 

patroni merytoryczni
  • Piszcz i Wspolnicy
  • GFP Legal
  • PZPO
  • PZWLP
  • PZPM
  • SPRM
  • SKFS
  • Partnerstwo dla bezpieczenstwa drogowego
  • PSPA
  • ITS
  • PGM
  • ZPL
ZNAJDŹ NAS: