Downsizing, czyli ile wytrzyma silnik?

Stopień wysilenia silników budowanych według zasad downsizingu i ogólnego skomplikowania pojazdów jest już na tyle wysoki, że za kilka lat wiele egzemplarzy debiutujących obecnie modeli będzie wymagało takiego wkładu finansowego, że sensowniejsze będzie wzięcie kredytu na nowe auto – może przynajmniej kilka pierwszych lat przejeździ bez większych awarii. I o to chodzi producentom samochodów.

Każdy z nich chce sprzedawać jak najwięcej, a na przeszkodzie stoi dobrze funkcjonujący rynek wtórny. Jednak czynniki wpływające na konstrukcję współczesnych samochodów są bardziej złożone. Paradoksalnie, poziom ich skomplikowania rośnie m.in. pod wpływem oczekiwań dużej części klientów, którzy chętniej kupują oszczędne, a zarazem mocne, dobrze wyposażone auta naszpikowane nowinkami technologicznymi.

Najważniejszym zespołem każdego pojazdu jest jednak napęd, a jego tendencje rozwojowe są ksztaltowane przedewszystkim przez normy czystości spalin. Te w Europie są inne niż np. w USA czy w Chinach, więc auta produkowane na te rynki są podobne tylko z zewnątrz. W Europie normy dotyczące emisji spalin, a zwłaszcza dwutlenku węgla są coraz bardziej rygorystyczne – jego ilość w spalinach ściśle zależy od ilości spalonego paliwa.

Zużycie paliwa można ograniczać m.in. przez zmniejszenie masy pojazdu, oporów ruchu, ale przede wszystkim – stosując oszczędniejsze silniki. Żeby nie było za łatwo, ich konstruktorzy muszą jeszcze pamiętać o redukcji tlenków azotu, wodorotlenków, cząstek stałych itp., a w perspektywie kilku lat mogą pojawić się kolejne związki, które trzeba będzie wykluczyć ze spalin.

To wymusza zmniejszanie silników, co jak na razie jest najłatwiejszym sposobem dostosowywania ich do coraz ostrzejszych norm. Zmniejszaniu pojemności skokowej towarzyszy redukcja liczby cylindrów, przy zachowaniu lub zwiększeniu osiągów. Niestety, ma to swoje ciemne strony, o których raczej nie dowiemy się od producentów aut.

Mimo nowych, wytrzymalszych materiałów silniki zbudowane według zasad downsizingu coraz częściej mają problemy z trwałością. Gdybyśmy porównali obciążenia, jakie występują w wolnossącym silniku BMW 3.5 V8 sprzed kilkunastu lat z jego współczesnym odpowiednikiem 2.0 Turbo R4/245 KM, okazałoby się, że w niektórych miejscach są one kilkakrotnie większe.

Po co w takim razie producenci rezygnują z dużych, niewysilonych jednostek? Nie mają wyboru, a przynajmniej obierają łatwiejszą drogę. Muszą sprostać nie tylkoostrym normom, ale też ciąć koszty produkcji, a temu sprzyja tworzenie mniejszej liczby silników, za to w licznych wersjach mocy. Mniejsze doładowane silniki są znacznie sprawniejsze, zwłaszcza w przedziale niższych obrotów.

Downsizing poprzez ograniczenie pojemności i liczby cylindrów, przy małych obciążeniach silnika, pozwala uzyskać oszczędności paliwa przekraczające 20 proc. Wynika to z mniejszego tarcia wewnętrznego.

Jeśli weźmiemy pod uwagę, że większość cykli pomiarowych sprawdzających zużycie paliwa i emisję szkodliwych substancji wymaga pracy silnika tylko na małych i średnich obrotach, to nic dziwnego, że mniejsze jednostki napędowe są w stanie łatwiej sprostać obowiązującym normom.

Z drugiej strony trzeba sprostać też oczekiwaniom klientów, którzy chcą mieć nie tylko oszczędny silnik, ale też dobre osiągi. I tu zaczyna się problem. Mały silnik pracujący pod dużym obciążeniem okazuje się bardziej paliwożerny niż duży! Aby uzyskać bardzo wysoką moc, trzeba solidnnego doładowania. Jednak przy wysokim ciśnieniu spalania rośnie również temperatura spalania, która m.in. powoduje niepożądany wzrost emisji tlenków azotu.

Żeby to ograniczyć, doskonali się proces spalania, ale jednocześnie komplikując i wysilając do granic możliwości osprzęt silnika. Zwarta budowa silnika o mniejszej liczbie cylindrów pozwala uzyskać wyższą sprawność, ale też stwarza trudne do rozwiązania problemy termiczne.

Jednym z nich jest odprowadzenie nadmiaru ciepła z okolicy zaworów – downsizing spowodował, że komora spalania jest mniejsza, za to panują w niej dużo wyższe temperatury. Jaki może mieć to wpływ na głowicę, najlepiej pokazują pęknięcia tego elementu w wysilonych dieslach.

Optymalizacja konstrukcji silnika, skupiająca się na uzyskaniu wysokiej sprawności, na ogół nie idzie w parze z jego trwałością. Zmniejszanie oporów wewnętrznych przy jednoczesnym podnoszeniu mocy sprzyja oszczędności paliwa, ale powoduje znaczny wzrost jednostkowych nacisków na tłoki i korbowody.

Największe siły działają przy dużym obciążeniu silnika, a takie warunki są typowe dla dużych aut z małymi motorami. Jaka w praktyce okaże się żywotność wysilonych jednostek? Trudno być optymistą. Już teraz mają one szereg różnych problemów, do których producenci niechętnie się przyznają, np. wypalone tłoki czy nietrwałe wtryskiwacze.

Downsizing wymusza m.in. wzrost ciśnienia doładowania oraz zaawansowaną kontrolę procesu spalania i oczyszczania spalin. To z kolei powoduje, że osprzęt silników osiąga absurdy skomplikowania i jest poddany skrajnie wysokim obciążeniom. Wszystko to odbija się na niezawodności i trwałości. Najgorsze jestjednak to, że ceny części również coraz częściej osiągają poziom absurdalny, czyniąc potencjalną naprawę nieopłacalną.

Downsizing jest najłatwiejszym, ale nie jedynym sposobem dostosowania silników do restrykcyjnych norm emisji spalin. Tam gdzie nie ma wymogu osiągania ogromnych mocy, można pracować nad podwyższeniem sprawności silników wolnossących, jak pokazuje przykład Hondy. Inżynierowie pracują też nad alternatywnymi sposobami spalania, m.in. nad technologią HCCI polegającą na spalaniu mieszanki jednorodnej pod wpływem samozapłonu.