Ostatnie prawie 30 lat przebiegło dla motorów benzynowych pod znakiem totalnej rewolucji technologicznej. Chociaż jednostki sprzedawane jeszcze pod koniec lat dziewięćdziesiątych miały 8-zaworową głowicę i prostą konstrukcję, szybko zostały naszpikowane nowoczesną technologią. Ta jednak nie do końca sprawdziła się. A to sprawiło, że inżynierowie z nową siłą postanowili powrócić do punktu wyjścia. Bo jednak siła leży w prostocie!
Jednym z ważniejszych punktów prowadzących do silnika benzynowego przyszłości jest rok 1981. To wtedy w Alfie Romeo Spider zadebiutował pierwszy system zmiennych faz rozrządu. O co chodziło w tym rozwiązaniu? Za pomocą systemu hydraulicznego inżynierowie byli w stanie sterować momentem otwarcia i zamknięcia zaworów ssących. Na niskich obrotach cykl był opóźniany, a na wysokich przyspieszany. Ingerencja pozwoliła na zwiększenie efektywności procesu spalania. A to oznaczało większą moc, przy jednoczesnym obniżeniu zapotrzebowania na paliwo.
Choć pionierem w kwestii zmiennych faz rozrządu była Alfa Romeo, tak naprawdę popularyzacja systemu przyszła z Japonii. Pierwszą marką, która na szeroką skalę zaczęła stosować regulację otwarcia zaworów w swoich autach, stała się Honda. Silnik o oznaczeniu VTEC trafił na rynek w roku 1989. Rozwiązanie bardzo szybko zostało okrzyknięte przez specjalistów motoryzacyjnych mianem nowoczesnego. W końcu zostawiało za sobą przepaść, której większość marek stawiających głównie na proste silniki 8-zaworowe nie mogła przeskoczyć.
VTEC i VVT-i były rewolucją lat dziewięćdziesiątych
W zmiennych fazach rozrządu zauroczyli się również inżynierowie BMW. Właśnie dlatego zbudowali system o nazwie Vanos. W roku 1991 do wyścigu technologicznego dołączyła Toyota ze swoim VVT. System VVT spisywał się dosyć dobrze, jednak był oferowany wyłącznie w Japonii w jednym motorze benzynowym. W roku 1996 gdy na rynku pojawiło się inteligentniejsze rozwiązanie VVT-i, Japończycy zdecydowali się na europejską i amerykańską ekspansję. Kolejna modyfikacja systemu Toyoty zadebiutowała w roku 1998. Funkcjonalnością rozwiązania Dual VVT-i objęte zostały zawory ssące i wydechowe.
Zmienne fazy rozrządu były w latach dziewięćdziesiątych wyśmienitym rozwiązaniem. Gwarantowały moc, rasowy warkot silnika oraz oszczędność. Mimo wszystko już na początku nowego millenium okazały się niewystarczające. W dobie rosnących cen paliw benzyniaki musiały stać się oszczędniejsze. Poza tym Unia Europejska zaczęła mocno zaostrzać normy emisji spalin. Firmy motoryzacyjne zdały sobie sprawę z tego, że dalsze ograniczenia prędzej lub później zmarginalizują motory wysokoprężne. A w takiej perspektywie warto mieć alternatywę.
Alternatywą miał się stać silnik benzynowy przyszłości. Benzynowy, bo spalanie benzyny emituje mniej toksycznych związków, a przyszłości, bo miał czerpać inspirację dotyczącą zarówno o osiągów, jak i wyników spalania z nowoczesnych diesli. Mało realny scenariusz? Inżynierowie postanowili udowodnić, że lubią ambitne wyzwania. Pierwsze próby były nie do końca udane. Wystarczy wspomnieć o serii jednostek FSI wyposażonych w bezpośredni wtrysk paliwa i sprzedawanych przez Grupę Volkswagena. Silniki o pojemności 1,6 i 2-litrów nigdy nie stały się hitem sprzedaży. Poza tym miały dwie poważne wady. Po pierwsze nie były wcale oszczędne i dynamiczne. Po drugie na ich zaworach zbierał się nagar.
Bo w końcu mniejszy silnik pali mniej!
Z czasem i kolejnymi przemyśleniami inżynierowie dopracowali swój pomysł na silnik benzynowy przyszłości. Nowy plan był prosty – chodziło o połączenie kilku czynników w jedno. Podstawą innowacyjnej jednostki napędowej miało się stać obniżenie pojemności skokowej. W końcu mniejszy silnik ma niższe zapotrzebowanie na paliwo. Mniejszy silnik to niestety także gorsze osiągi. Pomysł na wypełnienie luki był już jednak gotowy. Moc miała zagwarantować turbosprężarka.
Bardzo ważnym aspektem nowoczesnych silników benzynowych miała być też gospodarka cieplna. Chodziło o minimalizowanie strat podczas pracy. Poza tym kluczem do sukcesu stało się maksymalne skrócenie czasu potrzebnego na osiągnięcie temperatury roboczej. Pomogło nie tylko przeprojektowanie zasady działania systemu chłodzenia, ale też zastosowanie dużo nowocześniejszych termostatów. Skutkiem ubocznym prac nad gospodarką cieplną stało się obniżenie masy motorów. Dzięki temu benzyniaki zyskały dużo bardziej kompaktową formę.
Jednymi z pionierów na rynku downsizingowanych silników benzynowych ponownie był koncern Volkswagena. Niemieccy inżynierowie chcieli pokazać swój kunszt, zatem pierwotną i dosyć prostą koncepcję uzupełnili kilkoma dodatkowymi rozwiązaniami. Przede wszystkim w jednostkach TSI standardem stał się bezpośredni wtrysk paliwa, w niektórych wariantach turbosprężarka była parowana z kompresorem oraz pojawiło się dwumasowe koło zamachowe. Pierwszy motor z serii TSI otrzymał pojemność 2-litrów i zadebiutował w roku 2004. Silniki 1,4 TSI i 1,2 TSI były pokazane rok później.
Minimalizować można, ale do pewnego czasu…
Już w roku 2007 na rynku pojawił się konkurent dla serii TSI. Fiat pokazał światu swój silnik 1,4 T-Jet. Koncepcja jednostki jest nieco prostsza niż w przypadku Niemców. W konstrukcji stosowany jest wielopunktowy wtrysk paliwa oraz nie pojawia się kompresor. Mimo wszystko Włochom udało się wygenerować 120 lub 150 koni mechanicznych mocy oraz obniżyć wyniki spalania do naprawdę zadowalającego poziomu.
O ile na początku nowego millenium downsizing i towarzyszące mu zjawiska wydawały się jedyną drogą do budowy silnika benzynowego przyszłości, o tyle teraz inżynierowie coraz częściej mają wątpliwości. Szaleńcze obniżanie pojemności jest ślepą uliczką. Pozwala bowiem na podejmowanie działań, jednak do pewnego poziomu. Nie da się zmniejszać silników w nieskończoność. Ale normy emisji spalin prawdopodobnie będą się dalej zaostrzały. I co wtedy?
Inżynierowie mają już nowy pomysł. Odkryli, że wyścig na małą pojemność komplikuje konstrukcję jednostek napędowych. A skomplikowanie – co widać chociażby na przykładzie awaryjności diesli czy silników TSI – nigdy nie prowadzi w dobrą stronę. Stąd narodziła się nowa koncepcja. Marki motoryzacyjne powili zaczynają odwracać się od idei downsizingu. Oczywiście to nie oznacza, że wrócimy do czasów, w których w Golfie montowany był motor o pojemności 3-litrów. Mimo wszystko wielkości jednostek napędowych będą optymalizowane pod kątem rozmiarów samochodu. A w praktyce oznacza to mniej więcej tyle, że benzyniak TSI w nowym Golfie otrzymał zastrzyk 0,1 litra.
Silnik benzynowy przyszłości – fazy rozrządu po nowemu
Wszystko wskazuje też na to, że silnik benzynowy przyszłości może powrócić do korzeni. Brytyjscy inżynierowie zaprezentowali właśnie swój najnowszy wynalazek, czyli elektroniczny system zmiennych faz rozrządu IVA. Siłą układu jest przekazanie kontroli nad momentem otwarcia i zamknięcia zaworów ssących oraz wydechowych inteligentnemu sterownikowi. Ten współpracuje z zestawem siłowników, których obecność wyklucza potrzebę stosowania wałków sterujących zaworami w układzie rozrządu.
System IVA stanowi przyszłość bowiem mocno poprawia osiągi, a jednocześnie nie winduje wyników spalania. Poza tym w zasadniczy sposób nie komplikuje budowy silnika i pozwala na zmniejszenie, a nie zwiększenie ilości elementów nowoczesnego osprzętu. Grupa badawcza pracowała nad rozwiązaniem od sześciu lat. Teraz trwają rozmowy z firmami motoryzacyjnymi na temat programów testowych. Jak zapewniają Brytyjczycy, system IVA spokojnie może być stosowany zarówno w konwencjonalnych silnikach benzynowych, jak i jednostkach hybrydowych.
Historia lubi zatoczyć koło. I wszystko wskazuje na to, że zasada ta znajdzie zastosowanie także w przypadku poszukiwania silnika benzynowego przyszłości. Choć inżynierowie komplikowali budowę motorów i szpikowali je nowoczesnym osprzętem, z czasem zrozumieli że siła leży w prostocie. Właśnie dlatego powrócili do punktu wyjścia z roku 1989, a jedynie nieco dostosowali jego funkcjonalność do wymogów stawianych w XXI wieku. Czy to dobry pomysł? Jeżeli przy jego okazji ilość nowoczesnego osprzętu benzyniaków zostanie zredukowana, z całą pewnością tak.