Downsizing w wadze ciężkiej

Inter Cars od wielu lat współpracuje z firmą Mahle, która specjalizuje się w produkcji najwyższej jakości części silnikowych dla wszelkiego rodzaju pojazdów użytkowych oraz osobowych. Poniżej publikujemy przyszłościowe spojrzenie na technologię produkcji silników dla pojazdów użytkowych. Autorem tekstu jest Maciej Haryś, Kierownik Działu Techniczneg MAHLE.

Ciężko oddzielić silnik samochodu ciężarowego od silnika samochodu osobowego z technicznego punktu widzenia. Nie chodzi tylko o fakt, że jeden i drugi ma tłoki, panewki itp. To też. Twórcy jednostek napędowych są sprytni i dobrze, bo technologia, która sprawdziła się w wadze lekkiej, może zostać odpowiednio zaadoptowana do dużych jednostek i odwrotnie. O takich przykładach wspomnimy w poniższym tekście.

Sam tytuł artykułu nadmienia wiele, ale nie zdradza jeszcze nic. Nie chcę tu pisać, czym jest downsizing, ale pokażę, iż ma się on dobrze. Downsizing ma różne oblicza. Może z jednej strony oznaczać zmniejszoną pojemność skokową wyrażoną w Europie w centymetrach sześciennych, przy zachowaniu tej samej mocy. Oznaczać jednak może także podobną pojemność skokową przy znacznym wzroście mocy. To też jest przecież działanie zmierzające w kierunku uzyskania z jednego litra większej ilości koni i kilowatów. Czy ktoś jednak w tych działaniach w ogóle dostrzega fakt, że sam downsizing powinien także prowadzić do mniejszej wagi silników? Myślę, że niewielu.

We wstępie obiecałem przykłady „transferu” technologii z osobówki do ciężarówki i odwrotnie. Zacznę od takiego prostego przykładu – tłoki stalowe zamiast aluminiowych. Przecież w ciężarówkach dzielnie służą już ponad 10 lat albo dłużej. Doczekały się wydań jako stalowa korona z pływającym płaszczem aluminiowym lub cały stalowy (często 2 zgrzane ze sobą elementy). Samo zastosowanie tłoków stalowych w ciężarówce (a więc silniku Diesla) podyktowane jest przede wszystkim faktem, iż korona tłoka w dieslu nagrzewa się do znacznie wyższych temperatur niż w silniku benzynowym. No i tak cudowna technologia zagościła już w osobówce. Ważne w tym wszystkim jest to, że tłok stalowy o umniejszonej o 30% wysokości sprężania (znacznie ważniejszej niż całkowita wysokość tłoka) jako tłok kompletny (tłok + pierścienie + sworzeń + zabezpieczenia sworznia) jest o 5% lżejszy niż aluminiowy, którego zastąpił w silniku. Pomyślmy, że to pięć procent mniej razy ilość obrotów a także pomnożone jeszcze przez ilość cylindrów… To przecież dziesiątki kilogramów mniej obciążenia dla samego silnika.

Pamiętajmy, że lżejszy tłok to też downsizing… Potem wspomnimy jeszcze co np. osobówka dała ciężarówce, ale być może nie będzie to konieczne, bo sam artykuł niedługo odsłoni co chcę, żeby odsłonił. Ciekawe jest w samej motoryzacji to, że z angielskiego słowa truck, Europejczyk wyczytuje ciężarówka, a Amerykanin tym samym słowem opisuje dość dużego pick-up’a. Amerykańska zasada do tej pory mówiła, że lepsze od silnika wolnossącego jest mieć większy silnik wolnossący. Natomiast realia są takie. W tym roku, tj. 2019 po raz pierwszy w konkretnym pick-up’ie na rynku amerykańskim – Chevrolet Silverado zastosowano 2,7-litrowy silnik z 4 cylindrami! Nigdy wcześniej takie rzeczy miejsca nie miały! I ktoś tu jeszcze wątpi w downsizing? Amerykanie także podglądają rynek europejski.

Co jeszcze w downsizingu? Niby tłok już przerobiliśmy, ale ten stalowy. Nie oszukujmy się, gdzie będzie można montować aluminiowy – tam będzie musiało się to dziać. Także w aluminiowym też trzeba ciągle coś poprawiać, by temperatura na denku (która w dieslu dochodzi nawet do 400°C) była zmniejszana. MAHLE wymyśliło coś bardzo trudnego do zrealizowania i to z bardzo dobrym efektem. Proszę rzucić okiem na rysunek 2a i 2b. Przedstawia on przekroje górnej części tłoka z uwzględnieniem kształtu kanału chłodzącego. Należy zwrócić uwagę, iż rysunek 2a pokazuje ewolucję tego kształtu oraz jego wpływ na obniżanie temperatury na powierzchni denka. Kształt standardowy jest tutaj punktem wyjścia. Przekrój „w środku” to już umniejszenie temperatury na denku o 10°C. To dużo, ale coraz mocniejsze silniki diesla potrzebują czegoś więcej. Tak powstał totalnie nowy kanał, który pozwala znacznie większej ilości oleju na wykonanie pracy chłodzenia. Olej dostarczany tam dyszą smarującą wykonuje bardzo dobrą robotę. Kanał o znacznie powiększonym przekroju – pozwala o dalsze obniżenie temperatury na denku tłoka o 25°! To więcej od standardowego o 35°! Na rysunku 2b widać dokładniej przekroje. Idziemy dalej z tą technologią. Mówimy o tłokach stalowych, ewolucji przy tłokach aluminiowych, a wiele technologii prowadzi do umniejszenia tzw. PCU.

To skrót od angielskich słów Power Cell Unit, czyli po naszemu słupek + korbowód (rysunek 3). Widzimy tam, że w silniku 6-cylindrowym można łącznie zyskać oszczędność wagi silnika o 30 kg, m.in. przez lżejsze tuleje oraz lżejsze tłoki. Jeżeli przyjąć iż to, co stało się z Silverado może stać się kiedyś w ciężarówce (już takiej europejskiej), tzn. trafi tam silnik 4-cylindrowy, to sama jednostka może być lżejsza nawet o 100 kg!

Na koniec coś bardzo ciekawego. Nie tyle chodzi o downsizing, ale o poprawę żywotności silnika w jego najgorszych momentach – brak smarowania. Nowa technologia panewek – nie tylko polimerowa powierzchnia, ale polimerowa powierzchnia z ukrytym olejem w środku! Technologia ze względu na patent zwie się Microcapsules®. O co w niej chodzi? Jeżeli nagle zabraknie smarowania na panewkach, to ta ekstra ilość oleju ma doprowadzić do braku zatarcia z fatalnymi skutkami.

I co ma ten silnik ciężarówki z osobówki? Mniej cylindrów, mniejsza waga, ale przede wszystkim samo pojęcie umniejszenia pojemności skokowej. Tego możemy się spodziewać w przyszłości. Z jednej strony nie jest to dobre tzn. kto widział 4 cylindry w ciężarówce? Ale z drugiej strony, kto nie chce diesla w ciężarówce jeszcze przez długie lata, musi iść na pewne kompromisy. Osobiście uważam, że lżejszy silnik to coś dobrego. Za lżejszym silnikiem idzie lżejsza ciężarówka. Dziś omówione technologie, to skomplikowane tematy, ale kto powiedział, że będzie łatwo?