Rozwój silników spalinowych na przestrzeni ostatnich lat

Niektórzy z Was jeszcze pamiętają silniki wysokoprężne bez doładowania oraz benzynowe z gaźnikiem. Dziś takich jednostek już się nie produkuje i one nigdy nie wrócą. Na przestrzeni ostatnich lat konstruktorzy wykonali tak dużo pracy, że nawet porównanie silnika sprzed dekady i tych, które obecnie są stosowane jest w zasadzie niemożliwe. Wszystko w imię ekologii i ekonomii eksploatacji. Co przyniosły zmiany i jakie są dziś standardy silników spalinowych?

Kluczowym momentem w rozwoju silników spalinowych był rok 2005 kiedy zaczęła obowiązywać norma czystości spalin Euro 4. Już wtedy radykalnie ograniczono emisję szkodliwych dla nas substancji wydobywających się z układu wydechowego. Średnio o połowę miały spaść wartości emisji węglowodorów, tlenków azotu i tlenków węgla, a w dieslach również cząstek stałych. Już wtedy producenci, którzy nie mieli żadnych problemów z zastosowaniem się do wytycznych myśleli o zbliżającej się Euro 5. Rozpoczęły się prace nad technologiami i rozwiązaniami, które miały sprawić, że silniki staną się jeszcze czystsze. Norma Euro 5 nie dotknęła tak bardzo silników benzynowych jak Diesla. Te drugie musiały się wykazać nieco niższą emisją węglowodorów i tlenków azotu, ale emisja cząstek stałych musiała zostać ograniczona aż 5-krotnie. Wprowadzenie tej normy w 2009 roku wyznaczyło nowe standardy w konstrukcji silników zasilanych olejem napędowym i zgodnie z nimi inżynierowie musieli się spieszyć, by przygotować się na Euro 6 ograniczającą przede wszystkim emisję tlenków azotu. Euro 6 obowiązuje od września 2014 roku i dziś wszystkie sprzedawane w Unii Europejskiej samochody muszą ją spełniać. Jakimi technologiami i rozwiązaniami technicznymi posługują się producenci, by tego dokonać?

Trzeba pamiętać, że silnik i samochód to nieodłączne elementy i nie można mówić o samym silniku jeżeli nie wspomni się o pozostałych podzespołach. Badania norm czystości spalin prowadzi się bowiem na kompletnych samochodach, a nie samych silnikach, więc błędem jest mówienie, że takie czy inne normy spełnia silnik – to samochód napędzany konkretnym silnikiem je spełnia. Wydajność silników spalinowych wciąż pozostaje stosunkowo niska i nie obyło się bez zmian w konstrukcji aut. Dziś producenci dążą do uzyskania możliwie niskiej masy własnej i niskich oporów toczenia oraz dobrej aerodynamiki. Bardzo ważne jest zarządzanie wszystkimi podzespołami samochodu w taki sposób, by generowały one możliwie mały opór dla ruchu pojazdu, ale też dla pracy silnika. Oczywiście wciąż kluczowym elementem pozostaje sam silnik.

Wydajność, to w dzisiejszych czasach podstawowy cel konstruktorów silnika. Spalanie paliwa ma się odbywać w taki sposób, by ograniczyć do minimum straty energii w nim zawartej. Jednocześnie użytkownik chce jeździć samochodem o dobrych osiągach. By osiągnąć ten cel, trzeba było zacząć od udoskonalenia układów wtryskowych podających paliwo do komór spalania.

Pod koniec lat 90. ubiegłego wieku konstruktorzy silników Diesla doszli zgodnie do wniosku, że przyszłością jest wysokociśnieniowy, precyzyjnie dawkowany wtrysk paliwa niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z silnikiem benzynowym czy Diesla. Wówczas rozpoczął się niezwykle dynamiczny rozwój silników wysokoprężnych z wtryskiem Common Rail. Jednym z pionierów tego rozwiązania był Peugeot. Klienci szybko przekonali się o zaletach tego rozwiązania. Gładka praca silnika, wysoka dynamika i niezwykle niskie zużycie paliwa – to udało się osiągnąć przez zmianę sposobu podawania paliwa. Po roku 2000 już wszystkie liczące się na rynku firmy motoryzacyjne miały w ofercie lub pracowały nad dieslami z wtryskiem Common Rail.

Rozwój systemu Common Rail pozwolił na zwiększanie ciśnienia wtrysku z wartości rzędu 1000 barów do ponad 2000 barów w ledwie 15 lat. Dziś, precyzyjny wtrysk paliwa jest możliwy dzięki piezoelektrycznym, niezwykle szybkim wtryskiwaczom, które zastąpiły prymitywne rozwiązania elektromagnetyczne, nie nadążające za postępem techniki. Wraz z wprowadzaniem kolejnych norm Euro wymagano już nie tylko dobrych osiągów, ale i wydajności objawiającej się niską emisją szkodliwych substancji. Nie można byłoby osiągnąć dzisiejszego poziomu bez kilku - od 5 do 7 - dawek paliwa precyzyjnie podawanych w czasie jednego suwu pracy tłoka. Jest to możliwe tylko i wyłącznie dzięki piezoelektrycznym wtryskiwaczom, które niemal od początku stosuje m. in. Peugeot w jednostkach o oznaczeniu HDI.

Wraz z rozwojem układów wtryskowych silników Diesla, trwały próby z wtryskiem bezpośrednim w silnikach benzynowych. Na początku niezbyt udane, ale z czasem coraz bardziej niezawodne i korzystniejsze zarówno z punktu widzenia ekonomii jak i ekologii. Silniki benzynowe z wtryskiem bezpośrednim mają bardzo czyste spaliny. Ponadto, wyróżniają się wysoką kulturą pracy, dużo wyższą wydajnością niż w przypadku wtrysku pośredniego oraz korzystnym przebiegiem momentu obrotowego, dostępnego w niższym zakresie obrotów. Inna sprawa, że silnik wolnossący z wtryskiem pośrednim nie jest w stanie osiągnąć maksymalnego momentu obrotowego o wartości takiej jak jednostka z wtryskiem bezpośrednim. Dziś wtrysk bezpośredni staje się standardem, choć w mniejszych silnikach wolnossących napędzających małe samochody nie jest jeszcze koniecznością. Mimo to, przewiduje się wprowadzenie go we wszystkich silnikach benzynowych w ciągu najbliższych lat. W niedługim czasie można się spodziewać kolejnych etapów zwiększenia wydajności silników benzynowych poprzez podniesienie ciśnienia doładowania, ciśnienia wtrysku i zwiększenia stopnia sprężania. Poważnie myśli się również o zapłonie samoczynnym w silnikach benzynowych, choćby w pewnym zakresie obrotów i obciążeń.

Wydajność to również mniejsze straty, a w silnikach straty generuje każdy element osprzętu, każde łożysko i każda mechaniczna, ruchoma część. I w temacie ograniczenia tarcia oraz oporów ruchu konstruktorzy mieli wiele do zrobienia. Dziś niemal powszechnie stosuje się materiały układu korbowo-tłokowego o niskim tarciu współpracujące z olejami silnikowymi o niskiej lepkości. Łożyska konstruuje się tak, by były możliwie lekkie i generowały jak najmniej strat. Alternator potrafi już ładować akumulator tylko podczas hamowania, tym samym odzyskiwać energię w trakcie tego procesu, nie tracąc energii silnika gdy ten napędza auto, co można nazwać technologią mikrohybrydową, którą Peugeot stosuje w silnikach e-HDI. W takich konstrukcjach alternator staje się jednocześnie rozrusznikiem, pozwalającym na szybkie uruchamianie samochodu wyposażonego w system Start&Stop.

Ze względu na wydajność, poszczególne pompy, które niegdyś napędzał silnik za pośrednictwem paska lub prostej przekładni stają się elektryczne. I tu na szczególną uwagę zasługuje wspomaganie kierownicy, którego wersja hydrauliczna już przechodzi do historii. W najbliższym czasie, innowacyjne 10-15 lat temu wspomaganie elektryczne stanie się normą. Wszystko po to, by ograniczyć straty mocy silnika spalinowego. Innym przykładem może być pompa oleju, która jest regulowana pod względem wydatku i ciśnienia w zależności od szeregu parametrów, takich jak temperatura, obroty czy też stopień obciążenia silnika.

Straty, to również paliwo, które spala się wtedy, gdy nie jest to potrzebne. Oczywiście odcięcie zapłonu w momencie puszczenia pedału gazu to standard znany od dziesięcioleci, ale obecnie większość samochodów jest wyposażona w system Start&Stop. Układ wyłącza silnik podczas postoju, nawet krótkotrwałego. Powoduje to wymierne oszczędności paliwa zwłaszcza podczas jazdy miejskiej, gdzie postoje na światłach to rzecz normalna. Odpowiednio wczesne włączenie biegu neutralnego umożliwia m. in. w samochodach Peugeota aktywację systemu Start&Stop i w konsekwencji wyłączenie silnika już podczas dojeżdżania do skrzyżowania z niewielką prędkością. Dzięki elektrycznemu wspomaganiu kierownicy nie ma obaw o brak możliwości skręcania.

Kolejne straty energii to rozgrzewanie silnika. Maszyny cieplne, a taką jest silnik spalinowy, mają to do siebie, że pracują wydajnie tylko w wąskim zakresie temperatur. Zatem jazda z silnikiem, który nie osiągnął optymalnej dla siebie temperatury nie należy do wydajnych, a w tym czasie nierozgrzany silnik emituje dużo szkodliwych substancji. Tu z pomocą przychodzą m. in. termostaty fazowe, które lepiej zarządzają temperaturą silnika od termostatów konwencjonalnych. W silnikach z doładowaniem powszechna staje się praktyka zbliżania do siebie elementów, które wzajemnie się ogrzewają. Dzięki temu, nawet w warunkach zimowych, temperatura płynu chłodzącego osiąga właściwą temperaturę już po 1-3 kilometrach jazdy. W silnikach Diesla stosuje się świece żarowe, które dogrzewają komorę spalania nawet podczas jazdy, na przykład ze wzniesienia czy zwalniania z dużej prędkości, gdy nie zachodzi proces spalania paliwa. Wszystko po to, by silnik nie stracił temperatury, w której czuje się najlepiej. Również z tego powodu, aluminium staje się powszechnie stosowanym materiałem do budowy nie tylko głowic, ale i kadłubów silnika. W dodatku ścianki korpusu silników stają się coraz cieńsze, a same silniki w środku coraz ciaśniej upakowane. Są już systemy oddzielnego chłodzenia kadłuba silnika i głowicy.

Ważnym etapem w rozwoju silników spalinowych jest technologia downsizingu. Określenie to można tłumaczyć jako zmniejszanie rozmiarów silnika bez utraty osiągów i jest to praktyka, która przez ostatnie kilka lat została wprowadzona w życie u niemal wszystkich producentów samochodów na świecie. Idea jest prosta – mały silnik potrzebuje mniej paliwa niż duży. Problemem do rozwiązania były oczywiście osiągi, które trzeba było zachować, a nawet poprawić względem większego motoru. Gdyby dobrze sięgnąć pamięcią, to downsizing stosowano już w latach 90., ale wówczas nazywaliśmy takie silniki po prostu małymi i słabymi. Współczesny downsizing to raczej małe i mocne jednostki napędowe.

Nie ma innej drogi do wykrzesania dużej mocy z małego silnika jak turbodoładowanie. Dlatego współczesne, małe silniki mogą mieć pojemność skokową od 0,8 do 1,2 litra, a przy trzech, a nie czterech cylindrach są jeszcze mniej pazerne na paliwo. Są jednak zupełnie inne od dawnych silników wolnossących. Można przyjąć, że dziś jednostki o pojemności 1,2 litra zastąpiły wolnossące silniki 1,6- czy 1,8-litrowe. Podczas spokojnej pracy uzyskują dużo niższe zużycie paliwa, a dzięki wyższym wartościom momentu obrotowego dynamiczniej przyspieszają od niskich obrotów. Nawet jeżeli mają niższą moc maksymalną, to odczuwalna dynamika będzie podobna lub lepsza niż w przypadku wolnossącego odpowiednika o dużo wyższej pojemności. Ideą downsizingu jest właśnie umożliwienie kierowcy jazdy na niskich obrotach bez wyrzeczeń w kwestii dynamiki. To nie było możliwie przy silnikach wolnossących.

Jednak nie każdy mały silnik musi mieć doładowanie. Okazało się, że dzięki systemowi zmiennych faz rozrządu i optymalizacji wtrysku paliwa udaje się uzyskać odpowiednie parametry dla silników o małej pojemności napędzających nieduże samochody. Przykładem może być technologia PureTech Peugeota, gdzie 82-konne jednostki o pojemności 1,2 litra napędzają model 208 z powodzeniem zaspokajając potrzeby przeciętnego kierowcy i ciesząc go niskim zużyciem paliwa. Ten sam silnik w wersji doładowanej bez trudu osiąga 130 KM i może napędzać kompaktowego Peugeota 308, który jednocześnie staje się bardzo dynamicznym, ale wciąż ekonomicznym autem.

Zalety downsizingu jednostek napędowych to przede wszystkim szybsze rozgrzewanie, wysoki moment obrotowy na niskich obrotach dzięki turbodoładowaniu, niższe zużycie paliwa i koszty serwisowania dzięki mniejszej liczbie cylindrów oraz niższe opłaty ubezpieczeniowe.

Już od dawna powszechnie stosuje się tzw. zawory EGR, czyli urządzenia pozwalające na recyrkulację spalin. Dziś są standardem w każdym silniku. Spaliny wydalane z komór spalania w odpowiednim momencie wracają z powrotem do silnika i są „przetwarzane” kilkukrotnie. Wraz z rozwojem wtrysku Common Rail rosła moc i dynamika samochodów, ale też emisja bardzo szkodliwych cząstek stałych i tlenków azotu, których zawory EGR nie mogły wyeliminować. To dlatego kolejne normy wymagały od producentów eliminacji tych substancji. Już na początki minionej dekady niektórzy producenci eksperymentowali z filtrami cząstek stałych, a jednym z pionierów w tej dziedzinie był Peugeot, który proponował go jako opcję w samochodach z silnikami HDI. W momencie wprowadzenia normy Euro 5 już nikt nie miał wątpliwości, że filtr cząstek stałych staje się urządzeniem standardowym w każdym samochodzie z silnikiem Diesla. Dziś stosuje się je powszechnie, ale to nie wszystko. Od momentu wprowadzenia normy Euro 6 niektóre diesle nie mogą się obejść również bez selektywnej redukcji katalitycznej (SCR) czyli technologii jeszcze lepiej oczyszczającej spaliny z tlenków azotu, które są efektem stałego podnoszenia ciśnienia doładowania i ciśnienia wtrysku bez zmiany dawki paliwa, czyli słowem, podnoszenia wydajności silników. Tu niestety mamy zamknięte koło, z którego nie da się wyjść poprzez zmianę parametrów silnika – albo emituje on więcej cząstek stałych, albo więcej tlenków azotu. Dlatego też systemy SCR niebawem staną się standardem w każdym silniku diesla – nie ma innej drogi. Silniki z technologią SCR wykorzystują wodny roztwór mocznika AdBlue który jest magazynowany w oddzielnym zbiorniku i wtryskiwany do układu wydechowego pojazdu. Następnie w katalizatorze SCR mocznik reaguje chemicznie i przekształca szkodliwe gazy w nieszkodliwy azot i parę wodną. W przypadku Peugeota silniki z tą technologią oznaczane są jako BlueHDI.

Problemem konstruktorów będzie wejście w 2020 roku ograniczenia emisji dwutlenku węgla. Limit rzędu 95 g/km dotyczy bowiem wszystkich modeli jednego producenta, a zatem większość samochodów osobowych będzie musiało zejść dużo poniżej tej granicy. Nie obejdzie się bez jeszcze bardziej radykalnego downsizingu i jeszcze lżejszych konstrukcji silnika i nadwozia. To będzie największe wyzwanie jakiemu na przestrzeni ponad wieku będą musieli stawić czoło inżynierowie.

Zmiany, o których tu czytacie podyktowane są wymaganiami dotyczącymi czystości spalin oraz tym, że klient z każdą generacją samochodu chce otrzymać produkt lepszy. Producenci nie mogą sobie pozwolić na to, by klient kupił samochód bardziej ekonomiczny i ekologiczny, ale mniej dynamiczny i niekomfortowy. Zasada dotycząca zużycia paliwa nie zmienia się od dziesięcioleci – najmniej paliwa spala mały silnik na możliwie niskich obrotach. Dlatego też dzisiejsze motory stają się silnikami niskoobrotowymi, niezależnie od tego, czy są zasilane benzyną czy olejem napędowym. Jednak by kierowca mógł bezpiecznie i komfortowo korzystać z niskich prędkości obrotowych, konieczne były zmiany, które mu to umożliwią.

Jednym z efektów prac jest oczywiście doładowanie, które eliminuje problem niedoboru momentu obrotowego w małym silniku na niższych obrotach. Jednak i samo turbodoładowanie przeszło długą drogę do tego, co mamy dziś. Pierwsze sprężarki charakteryzowała tzw. turbodziura, czyli długi czas potrzebny na rozpędzenie sprężarki. Dziś, dzięki maleńkim turbosprężarkom ze zmienną geometrią łopatek turbiny otrzymujemy maksymalną wartość ciśnienia doładowania już po chwili od naciśnięcia pedału gazu. Nierzadko system zmiany geometrii łopatek turbosprężarki sterowany jest elektronicznie, co jeszcze bardziej skraca czas reakcji.

Problem z niekomfortową pracą na niskich obrotach, która kilkanaście lat temu skutkowała szarpaniem całym samochodem wyeliminowało koło dwumasowe, które absorbuje te drgania. Koła dwumasowe współpracują z tłumikami na kołach pasowych, które również eliminują wibracje wynikające z pracy na obrotach rzędu 1200-1600. Jeszcze w latach 90. kierowca wiedział, że silnik benzynowy potrzebuje minimum 2000 obr./min. by można było wcisnąć gaz bez nadmiernych wibracji. Dziś nie trzeba nawet przekraczać 2000 obr./min. by zmienić bieg na wyższy. To samo dotyczy diesli, które w zasadzie nie wymagają wkręcania na obroty wyższe niż 2000.

Niestety nie każdy jest przyzwyczajony do takiej charakterystyki pracy, a jednocześnie klasyczne skrzynie automatyczne są z punktu widzenia wydajności przestarzałe. Dlatego coraz popularniejsze stają się przekładnie sterowane elektronicznie i dwusprzęgłowe, które bez żadnych strat mocy znakomicie przenoszą napęd na koła. Takie przekładnie doskonale współpracują z silnikami benzynowymi, zwłaszcza o mniejszej mocy w małych samochodach. Drugim standardem, przeznaczonym głównie dla mocnych silników, w tym dla Diesli są klasyczne automaty, ale z możliwością blokowania sprzęgła hydrokinetycznego, przez które normalnie ucieka moment obrotowy. W najnowszych konstrukcjach konwerterów z blokadą straty energii są minimalne. Coraz częściej stosuje się również system start/stop w takich przekładniach, co jeszcze kilka lat temu nie było możliwe. Obserwuje się także wzrost liczby przełożeń zarówno w przekładniach manualnych, gdzie obecnie standardem jest 6 biegów, a także automatycznych, gdzie liczba biegów dochodzi do 9. Dzięki dużemu wyborowi dostępnych przełożeń można niemal zawsze jechać w optymalnym zakresie obrotów silnika niezależnie od prędkości.

Podsumowując, co dał nam rozwój silników spalinowych na przestrzeni ostatnich 10-15 lat? Poza niższym zużyciem paliwa i niezwykle niską emisją szkodliwych substancji również niespotykany wcześniej komfort jazdy. Każdy kto jeździł nowoczesnym autem nawet z niedużym silnikiem szybko doceni możliwości i korzyści, jakie daje jazda na niskich obrotach. Nieporównywalny jest również komfort wynikający z zastosowania technologii wytłumiania wibracji. Niezależnie od wyboru rodzaju zasilania przyjemność jazdy samochodem wyposażonym w nowoczesną jednostkę napędową jest nieporównywalnie przyjemniejsza niż kilka czy kilkanaście lat temu.

Materiał powstał przy współpracy z marką Peugeot.