Downsizing silników - czy trzeba się go obawiać?

Wbrew pozorom, definicją downsizingu nie jest instalowanie "małych silników w dużych samochodach", jak mogłoby się wydawać gdy otwieramy cenniki takich modeli jak Ford Mondeo napędzany motorem 1.5 EcoBoost czy Škody Superb z dieslem 1.6 TDI. Za chwilę dowiecie się, że 3 i 4-litrowe silniki też podlegają downsizingowi, a przecież taki motor nie jest zbyt mały w żadnym samochodzie osobowym.

Najprostszym i trafnym sposobem na zdefiniowanie downsizingu byłoby napisanie, że jest to maksymalne wysilenie silnika produkcyjnego, czyli uzyskanie możliwie wysokiej mocy jednostkowej (liczba KM z 1 litra pojemności) przy zachowaniu koniecznej trwałości. Jednak i to nie oddaje istoty sprawy. Czym zatem jest downsizing?

Downsizing to zastąpienie większego silnika mniejszym, bardziej wysilonym i tym samym wydajniejszym (sprawniejszym), o podobnych lub lepszych parametrach mocy i momentu obrotowego, uzyskującym jednocześnie lepsze wyniki w testach zużycia paliwa i badaniach czystości spalin. To bodaj najpełniejsza i najlepiej oddająca istotę rzeczy definicja downsizingu.

Nie można powiedzieć, że silniki zbudowane w tej technologii* są małe, ponieważ trudno jednoznacznie zdefiniować silniki małe i duże. Czy jednostka o pojemności 1,6 litra w samochodzie kompaktowym jest mała? Oczywiście, że nie, ale czy o aucie klasy średniej powiemy to samo? To zależy od tego, do czego jesteśmy przyzwyczajeni.

Dla Amerykanów każdy silnik europejski czy japoński jest mały, choć i oni coraz częściej mają pod maską swoich aut, motory o dwukrotnie czy nawet trzykrotnie mniejszej pojemności niż w latach 60. Inna sprawa, że dla Europejczyków 3-litrowy diesel to silnik duży, nawet w aucie klasy wyższej, a to również świetny przykład downsizingu.

Wróćmy zatem do naszej definicji, którą potwierdzi poniższa tabelka. Ona najlepiej pokaże wam, na czym polega idea downsizingu oraz dlaczego silniki postrzegane nawet dziś jako duże, też są wynikiem stosowania tej idei. Prezentujemy w niej porównanie samochodów starszej i nowszej generacji oraz modeli tej samej generacji w różnych wersjach silnikowych.

Jeżeli pamiętacie jeszcze takie motory jak 3-litrowy diesel Mercedesa W124, to doskonale wiecie, że przy dzisiejszych standardach nie jest to ani dynamiczny, ani ekonomiczny silnik. Jeszcze lepszym przykładem są konstrukcje amerykańskie, które generowały moc 150-200 KM z pojemności 6-8 litrów.

Bardzo niewielkie wysilenie (czyt. niewielka moc jednostkowa) przekłada się na ogromną trwałość, ale nie dało się takimi samochodami nawet przy najbardziej umiejętnej jeździe osiągnąć niskiego zużycie paliwa. Duży silnik nawet do napędzania samego siebie potrzebuje go sporo, ponieważ czymś trzeba te wielkie cylindry napełnić. Ponadto, duża jednostka generuje duże opory, a także zwiększa masę pojazdu.

Dziś dąży się do tego, by przy niewielkim obciążeniu silniki były maksymalnie ekonomiczne, jakby pracowały bez oporów, a przy średnim wciąż zaspokajały apetyt niewielkimi ilościami paliwa. Jak to osiągnąć? Pierwszy cel można osiągnąć zwyczajnie zmniejszając silnik, ale trzeba nim jeszcze sprawnie napędzać samochód.

Odpowiednie osiągi i ekonomiczność uzyskuje się więc przez osiągnięcie możliwie najlepszego jednostkowego zużycia paliwa, mówiąc prościej, maksymalnej wydajności, rozumianej jako ilość paliwa potrzebnego do uzyskania określonej mocy.

Do tego potrzebne są duże wartości momentu obrotowego, dostępnego już w niskim i średnim zakresie obrotów, ponieważ najkorzystniejsze jednostkowe zużycie paliwa uzyskuje się przy stosunkowo dużym wykorzystaniu momentu (duże obciążenie) na poziomie ok. 70-80 proc., ale im niższe są przy tym obroty, tym lepiej. Pomaga w tym również wysoka temperatura pracy.

To kolejny aspekt, bardzo ważny w dzisiejszych czasach. Optymalna temperatura pracy jest kluczowa dla wydajności silnika, a ta jest bliska maksimum, jakie na jakie można sobie pozwolić. Niewielką ilość płynu chłodzącego, krążącego w małym silniku łatwiej kontrolować niż dużą ilość w wielkim bloku.

Duże wartości momentu obrotowego w niskim zakresie obrotów potrzebne są również w testach homologacyjnych. Nie od dziś wiadomo, że zużycie paliwa wynika z dwóch najistotniejszych czynników: pojemności silnika i prędkości obrotowej. Im wartości tych parametrów są większe, tym gorzej. Jeżeli silnik zostanie już zmniejszony, to naturalnie traci moment obrotowy, który generuje duża pojemność.

Trzeba to w jakiś sposób zrekompensować, dlatego stosuje się różne rozwiązania techniczne, z których najpopularniejsze to bezpośredni wtrysk paliwa i turbodoładowanie. Oba te zabiegi przybliżają charakterystykę silnika benzynowego do wysokoprężnego i jednocześnie poprawiają znacząco osiągi diesli.

W tych drugich, ogromny wpływ na przebieg momentu obrotowego w funkcji obrotów ma turbodoładowanie o zmiennej geometrii. Niskie obroty, których używa się w testach zużycia paliwa realnie zmniejszają spalanie, ale by silnik mógł w nich normalnie pracować, potrzebny jest wysoki moment obrotowy. Skoro nie można go osiągnąć poprzez zwiększenie pojemności, to zwiększa się wysilenie silnika przez doładowanie.

Dzięki powyższym zabiegom, jazda samochodem jest możliwa przy bardzo niskich obrotach dzięki dużemu momentowi obrotowemu, generowanemu już poniżej 2000 obr./min, a nawet poniżej 1500 obr./min. Taka technika przekłada się na realne oszczędności paliwa, ponieważ silnik kręci się bardzo wolno.

By jednak wyeliminować negatywne skutki takiej techniki jazdy, stosuje się liczne rozwiązania techniczne eliminujące wibracje silnika, takie jak koła dwumasowe, tłumiki drgań na kołach pasowych oraz specjalne, olejowe zawieszenia silników. Z kolei by silnik pracował jak najczęściej w niskich obrotach, zwiększa się liczbę przełożeń skrzyń biegów, ale to już oddzielny temat.

Efektem ubocznym downsizingu jest zmniejszenie masy jednostek napędowych, a tym samym całego samochodu. Dzięki temu, identyczna moc silnika mniejszego w porównaniu z większym odpowiednikiem, powoduje wzrost osiągów samochodu przy jednoczesnym obniżeniu zużycia paliwa.

Downsizing, choć generalnie postrzegany jest raczej negatywnie, to nic innego jak jedna z form tuningu, ale przy jednoczesnym uzyskaniu wyższej wydajności. Są trzy podstawowe, znane od lat proste sposoby na zwiększenie mocy silnika: zwiększenie pojemności skokowej, zwiększenie obrotów lub zwiększenie napełniania cylindrów powietrzem przy zachowaniu stałej pojemności i obrotów.

Tylko ten ostatni sposób wpływa pozytywnie nie tylko na poprawę dynamiki samochodu, ale także jego ekonomiczność. Nic więc dziwnego, że downsizing polega głównie na doładowaniu.

Jeżeli nie zrozumieliście powyższego, nie martwcie się. Teraz wyjaśnimy to w sposób przystępny dla każdego, nawet nie znającego wielu z powyższych pojęć.

Wyobraźcie sobie dwa silniki. Pierwszy o pojemności 1,2 litra z turbodoładowaniem i mocą 120 KM oraz momentem obrotowym o wartości około 200 Nm. Drugi, tradycyjny ma pojemność 2,0 litra, nie ma doładowania i osiąga identyczne 120 KM oraz 200 Nm. Pierwszy, maksymalną wartość momentu obrotowego osiąga przy 1800 obr./min, drugi przy 3000 obr./min.

Pamiętając o zasadzie, że na zużycie paliwa niekorzystnie wpływa pojemność i wysokie obroty, który z silników będzie bardziej ekonomiczny przy spokojnej jeździe na niskich obrotach? Oczywiście ten pierwszy. Teoretycznie parametry mocy i momentu obrotowego się nie różnią, ale wyższą wartością momentu przy niższych obrotach legitymuje się mniejszy silnik, a ponadto osiąga z litra 100 KM, a ten większy tylko 60 KM. Jak zatem widać, wyższe wysilenie jest korzystniejsze dla zużycia paliwa.

Typowe jednostki napędowe, nazwijmy je downsizingowe, mają bardzo specyficzną charakterystykę pracy. Jeżeli przyjąć, że nie są to silniki do samochodów sportowych – niezależnie od stosowanego paliwa – najlepiej czują się w dolnym i średnim zakresie obrotów.

Oczywiście nie mówimy tu o ich rzeczywistym "samopoczuciu", bo w rzeczywistości żaden silnik spalinowy nie lubi niskich obrotów, ale mowa o tym, jak odbiera to kierowca. Tym samym, zmienia się technika jazdy kierowcy, który przesiada się z silnika tradycyjnego na downsizingowy.

Wcześniej zmienia biegi i jeżeli potrafi korzystać z tego, co oferuje producent, mocniej wciska gaz w zakresie obrotów 1500-2500 obr./min. W latach 80., a nawet początku 90. byłoby to nie do pomyślenia w tradycyjnych silnikach, ponieważ albo generowałyby ogromne wibracje odbierając komfort jazdy, albo nie miałyby w ogóle chęci do przyspieszania.

Dziś jest zupełnie inaczej, wręcz odwrotnie, ponieważ spora część silników traci subiektywnie odczuwaną dynamikę wraz ze wzrostem obrotów, czego świetnym przykładem jest silnik 1.2 TSI lub 1.5 EcoBoost. To oczywiście tylko iluzja, ale odczucia kierowcy są w niektórych sytuacjach kluczowe i ważniejsze od rzeczywistych osiągów.

To dlatego pod koniec lat 90. i przez kolejne kilka lat można było odnieść wrażenie, że to diesle są silnikami, które oferują lepsze osiągi i umożliwiają dynamiczniejszą jazdę – ze względu na wysoki moment obrotowy przy niskich obrotach.

Podsumowując, silniki stworzone zgodnie z ideą downsizingu mają charakterystykę polegającą na oddaniu kierowcy niemal wszystkiego czym dysponują do połowy skali obrotomierza, a resztki mocy rozumianej jako odczucie, a nie wielkość fizyczna, znajdują się powyżej tych obrotów.

Duże wysilenie i wysokie obciążenie to określenia nieustannie towarzyszące downsizingowi. Jednocześnie niezmiennie kojarzą się z niską trwałością i usterkowością. Czy silniki zbudowane w tej technologii rzeczywiście takie są? Niestety nie da się tego stwierdzić jednoznacznie, ponieważ w pierwszej kolejności należałoby zdefiniować niską i wysoką trwałość.

Jest to cecha indywidualna dla każdego, więc nie można powiedzieć, że resurs wynoszący 200 tys. km jest niski, skoro ktoś kupuje nowe auto co 5-7 lat i przejeżdża nim 15 tys. km rocznie. Dla innego użytkownika resurs 300 tys. km będzie niski, jeżeli jego pojazd rocznie przejeżdża 100 tys. km.

Dopóki nie zrozumie się, że producenci samochodów robią auta tylko dla swoich klientów, nie można pojąć, dlaczego trwałość współczesnych silników jest niska. Dawno temu budowano samochody wytrzymałe, ponieważ auto było produktem luksusowym, kupowanym nierzadko na kilkanaście lat.

Dziś samochód jest zwykłym urządzeniem codziennego użytku, co prawda kosztownym, ale w podejściu użytkownika nie różniącym się od telefonu komórkowego czy zegarka. Pralki czy lodówki zmieniamy dopiero gdy się popsują. Tak samo będzie niebawem z samochodami.

Zatem trwałość określona na 200-300 tys. km jest wbrew pozorom wystarczająca i optymalna, pod warunkiem, że do tego czasu silnikowi wystarczy jedynie przewidziany przez producenta serwis okresowy. W rzeczywistości, znaczna większość nowoczesnych konstrukcji bez trudu wytrzymuje takie przebiegi, bez żadnych poważniejszych napraw.

Klienci producentów samochodów, to osoby kupujące nowe auta z salonu, a nie te, które odkupują je od pierwszego lub drugiego właściciela. Zadowolenie użytkowników kupujących auta używane nie ma dla producentów dużego znaczenia, ponieważ jedyny efekt jaki przynosi to efekt marketingowy. To dlatego marki, których jedną z najważniejszych cech jest trwałość (przede wszystkim japońskie) dbają o to, by ich silniki wytrzymywały wyższe przebiegi.

Inne, które opierają się na nowoczesnych technologiach i liczą przede wszystkim na wysoką sprzedaż, same próbują definiować swoje produkty jako gadżety, a nie samochody same w sobie, nie przejmując się specjalnie wysokimi resursami silników.

Jeżeli silnik benzynowy wytrzyma 200-250 tys. km, a diesel 300-350 tys. km do pierwszej poważniejszej, nieopłacalnej naprawy (patrz pralka lub lodówka), to producent ma prawo być zadowolony ze swojego produktu. Niestety nie zawsze tak jest.

Producenci silników przez ostanie lata eksperymentowali z downsizingiem, a efektem tych eksperymentów są liczne wpadki konstrukcyjne, które nieco psują obraz tej idei. Okazało się, że stworzenie silnika o wysokiej sprawności, dużej mocy jednostkowej i jednocześnie niezawodnego nie jest takie łatwe, nawet jeśli nie musi być specjalnie trwały.

Co ciekawe, większość z problemów dotyczy układu napędu rozrządu, który w małym, ale mocno obciążonym silniku teoretycznie powinien być łańcuchowy. Niektórzy producenci na tyle odeszli od napędu łańcuchowego w swoich silnikach, że tworząc nowe konstrukcje trochę się pogubili, nie biorąc pod uwagę mniejszych rozmiarów elementów i innego niż dawniej sposobu eksploatacji samochodów. Wielu z nich powróciło do techniki klasycznego paska, który okazuje się nadal bardzo dobrym sposobem na napędzanie wałków rozrządu.

Były jednak inne wpadki, polegające na nadmiernym zużyciu oleju silnikowego, awarii głowic czy układów tłokowo-korbowych. Wszystko wynika z dużego wysilenia. Silniki Diesla borykały się z usterkami układów wtryskowych czy układów doładowania. Prawda jest jednak taka, że większość z tych błędów konstrukcyjnych została wyeliminowana i dziś wiele silników okrytych złą sławą nie ma już problemów z niezawodnością.

Przykładem na powyższe niech będą okryte naprawdę złą sławą jednostki napędowe z rodziny TSI Volkswagena, które na początku swojej kariery musiały być naprawiane już po 30-40 tys. km, podczas gdy dziś są praktycznie bezawaryjne. Najnowsze wersje niesławnych silników 1.4 TSI są już praktycznie pozbawione wad poprzedników, a 1.2 TSI spokojnie wytrzymuje założony przebieg około 200 tys. km, czyli tyle, ile ma wytrzymać.

To samo można powiedzieć o dieslach 2.0 TDI, które na początku były zlepkiem wad fabrycznych, dziś to jedne z najlepszych silników w swojej klasie. Nie inaczej jest w przypadku niemiecko-francuskiej konstrukcji 1.6 THP – dawniej bardzo wadliwej, dziś niezawodnej. Sami Francuzi zaliczyli wpadkę w postaci diesla 1.5 dCi, który jest idealnym przykładem downsizingu, ale był obarczony poważnymi błędami konstrukcyjnymi.

Są jednak producenci, którym udało się od razu, co nie oznacza, że ich silniki były od początku pozbawione wad. Trudno jednak powiedzieć o nich jako o nieudanych. Przykładem może być seria motorów Ford EcoBoost, z litrowym, bardzo kontrowersyjnym w momencie debiutu, trzycylindrowym benzyniakiem.

Co ciekawe, Ford wprost powiedział, że resurs tego silnika to około 240 tys. km i wcale nie przeszkodziło to w sprzedaży. Nie obchodziło to klientów zmieniających samochód co 5 lat. Ten sam producent skorzystał ze świetnego silnika 1.6 HDI koncernu PSA, który stworzył jednego z najpopularniejszych, małych, współczesnych diesli. Udany jest też włoski motor wysokoprężny, produkowany w Polsce o oznaczeniu 1.3 MultiJet. Kolejne udane konstrukcje to 1.4 Turbo Opla i 1.4 T-Jet Fiata.

Jeżeli masz stosunkowo małą jednostkę napędową powinieneś pamiętać o jej regularnym serwisowaniu – tylko to sprawi, że twój silnik będzie niezawodny przez cały okres eksploatacji. Warto też korzystać z niego w taki sposób, by nie przeciążyć go termicznie. Jeżeli masz taki silnik w swoim aucie lub zamierzasz kupić samochód z silnikiem zbudowanym zgodnie z ideą downsizingu, przestrzegaj poniższych zaleceń, a nie powinieneś mieć problemów:

• Podstawą niezawodności jest regularny serwis silnika i dokonywanie przeglądów zgodnie z zaleceniami producenta – nie oznacza to konieczności odwiedzania serwisu autoryzowanego,
• zmieniaj olej silnikowy częściej niż zaleca producent – najlepiej skrócić ten okres dwukrotnie. Stosuj olej odpowiedni dla danego silnika, najlepiej o niskiej lepkości,
• sprawdzaj poziom oleju silnikowego regularnie, zwłaszcza w małych konstrukcjach o pojemności bliskiej 1 litra,
• twój silnik szybko się rozgrzewa, ale nie należy go mocno obciążać przed osiągnięciem właściwej temperatury pracy. Jeżeli nie masz wskaźnika temperatury silnika możesz przyjąć, że olej rozgrzewa się średnio 10 minut w silniku benzynowym i 15 minut w dieslu przy nieustannej pracy. Temperatury ujemne wydłużają ten czas, upały skracają,
• staraj się nie korzystać nadmiernie z układu start/stop,
• jeżeli jeździsz dynamicznie, nie kupuj jednostki napędowej o pojemności mniejszej niż 1,5-1,6 litra. To samo dotyczy dużego obciążenia samochodu osobami lub ładunkiem,
• nawet jeżeli wydaje się to naturalne i nieszkodliwe dla silnika, nie korzystaj nadmiernie z niskich i bardzo niskich obrotów.

• mniejsze rozmiary
• niska masa
• możliwość lepszego rozkładu masy samochodu
• szybkie osiąganie temperatury roboczej
• mniejsza ilość płynów eksploatacyjnych
• niższe zużycie paliwa
• wyższa kultura pracy przy niskich obrotach - nie w każdym przypadku

• wysoki stopień skomplikowania konstrukcji
• niewielka podatność na bezpieczny tuning*
• niższa trwałość
• wyższa podatność na kosztowne awarie
• często brak sportowego charakteru

• Technologia to dobre i właściwe określenie dla downsizingu, ponieważ downsizing to odmienny sposób projektowania i budowania silników niż tradycyjny - znany od lat.

Resurs - ustalona teoretycznie lub doświadczalnie miara zdolności użytkowej urządzenia, wyrażona w odpowiednich dla tego urządzenia jednostkach. Przyjmuje się, że w tym okresie zagwarantowane jest bezpieczeństwo i sprawność eksploatacji. Przeważnie resurs określa się w godzinach pracy urządzenia. Dla pojazdów resurs określany jest "przebiegiem", czyli liczbą przejechanych kilometrów. Natomiast dla statków powietrznych resurs określa się w godzinach bądź latach. (źródło: Wikipedia)

* Bezpieczny tuning, rozumiany jako modyfikacja polegająca na zwiększeniu mocy bez zmniejszania trwałości silnika.

Sportowy charakter, rozumiany jako odczuwalny przyrost mocy wraz ze wzrostem prędkości obrotowej oraz naturalne, tzw. rasowe brzmienie bez akustycznych wspomagaczy.