Downisizing – na czym polega i jak wpływa na resurs silnika?

W Europie już w latach 90. zaczęto zwracać większą uwagę na normy emisji spalin. Śrubowanie ich, celem powstawania mniejszych ilości szkodliwych związków, wpłynęło na konstruowanie jednostek napędowych w pojazdach. Downsizing – bo właśnie o nim mowa – dotknął niemal każdą markę pojazdów i jest widoczny w dzisiejszej ofercie rynkowej. Czym tak naprawdę jest? Kiedy można mówić o downsizingu silników? Jaki to ma wpływ na trwałość jednostki?

Co to jest downsizing – definicja pojęcia

Tłumacząc wprost pojęcie z języka angielskiego, downsizing jest zmniejszaniem rozmiaru. Nie chodzi jednak tylko o to, by projektować jednostki spalinowe o mniejszej pojemności skokowej. Celem tego zabiegu jest utrzymanie osiągów silnika na poziomie poprzednika z zachowaniem mniejszej liczby cylindrów lub zmniejszonego litrażu. Poza tym o downsizingu w motoryzacji mowa jest nie tylko wtedy, gdy omawia się najmniejsze jednostki, np. 1.2 Tce 120 KM, Suzuki 1.4 140 KM, czy 1.4 TFSI 160 KM. Czasem są to również jednostki V6, które zastąpiły modele V8 lub V12.

Po co robi się downsizing silników?

Jak już wspomnieliśmy, głównym powodem downsizingu silników jest zmniejszenie emitowanych spalin do atmosfery. Chociaż nie zawsze tak było. W USA, gdzie jeszcze w latach 60. i 70. powszechne były wielkie silniki o pojemności 5, a nawet 7 litrów, dużo wcześniej niż w Europie zaczęto zmniejszać jednostki. Powodem był kryzys paliwowy i rosnące jego ceny. Jednostka spalinowa o sporej pojemności zawsze będzie potrzebowała do działania dużo paliwa, bo jej wewnętrzne opory, liczba sporych cylindrów i waga całej konstrukcji muszą mieć energię do poruszania się i napędzania samochodu.

Kolejnym powodem downsizingu jest sukcesywne zmniejszanie miejsca przeznaczonego na silnik. Dzięki temu zyskuje się większą przestrzeń dla pasażerów i strefy bagażowej. Downsizing w motoryzacji jest odpowiedzią na potrzebę klientów, którzy niekoniecznie chcą mieć długie i wielkie samochody, w których sporą część zajmuje silnik. Dlatego w autach miejskich, klasie średniej, premium i limuzynach jednostki są zmniejszane dla uzyskania mniejszej masy pojazdu i zwiększenia komfortu wewnątrz auta.

Co tak naprawdę daje wtłaczanie powietrza do komory spalania pod ciśnieniem?

Z matematycznego punktu widzenia, turbodoładowanie umożliwia dostanie się do cylindra większej ilości tlenu, potrzebnego do przeprowadzenia procesu spalania. Jednak silniki nie są zasilane tlenem, lecz paliwem i z niego mają energię. Dlatego w momencie wtłaczania powietrza do komory spalania pod ciśnieniem zwiększa się też dawka podawanego paliwa. W konsekwencji silnik może osiągać wyższy moment obrotowy i moc.

Sprężanie powietrza celem wytworzenia większej ilości mieszanki paliwowo-powietrznej zastępuje dodatkową pojemność jednostki. Dlatego niekiedy silniki z downsizingu posiadają tę samą moc przy litrażu obniżonym o 0,5 litra. Należy pamiętać, że uzyskanie odpowiednich warunków spalania wymaga zastosowania dodatkowego systemu schładzania powietrza dostającego się do komory silnika.

W jaki sposób robi się downsizing silników?

Do downsizingu potrzebnych jest kilka parametrów i dodatkowy osprzęt silnika. W jednostkach benzynowych w latach 90. bardzo rzadko stosowano turbodoładowanie. Powszechne było raczej w silnikach wysokoprężnych lub sportowych. Jednak downsizing spowodował konieczność ich zastosowania również w autach wyposażonych w konstrukcje benzynowe. 

Zwiększenie ciśnienia wtryskiwanego paliwa

Zarówno jednostki benzynowe, jak i zasilane olejem napędowym mogą przeprowadzać zaplanowany proces spalania w momencie wtrysku dawki paliwa do cylindra. Downsizing wymusił jednak podniesienie parametru ciśnienia wtrysku paliwa, który ma wpływ bezpośrednio na ilość spalanego paliwa i jakość samego procesu. Szczególnie w jednostkach diesla widać ogromny rozwój układów zasilania paliwem.

W jednostkach z lat 90. np. w starym i poczciwym AUDI 80 B3 z jednostką 1.6 TD, ciśnienie wtrysku w na pojedynczym wtryskiwaczu mogło wynosić między 135 a 155 barów. Dzisiaj takie wartości są uważane za niezwykle niskie. Systemy common rail w obecnie stosowanych jednostkach wtryskują paliwo do komory spalania pod ciśnieniem rzędu 1600-1800 barów. Pozwala to na zmniejszenie emisji spalin i lepszą sprawność termodynamiczną.

Sposób zasilania silnika w paliwo

W starych jednostkach, których downsizing jeszcze nie dotyczył, paliwo najczęściej podawane było przez wtryskiwacze (jednostki wysokoprężne) lub gaźnik (benzyniaki) do kolektora ssącego, gdzie mieszało się z powietrzem. Generowanie mocy odpowiednich do napędzania aut było możliwe przez wykorzystanie sporych pojemności, a to powodowało konieczność podawania większych ilości paliwa. 

Teraz stosuje się wtrysk bezpośredni zarówno w dieslach (common rail), jak i jednostkach benzynowych. Paliwo zostaje podane pod niezwykle wysokim ciśnieniem do komory spalania i tam miesza się z powietrzem. Dzięki temu możliwy jest downsizing silników przy jednoczesnym zachowaniu ich sprawności. Dla podniesienia jakości procesu spalania stosuje się też wielowtrysk.

Od czego zależy spalanie w jednostce napędowej?

Przede wszystkim zapotrzebowanie na paliwo generowane jest przez dwa parametry:

• pojemność silnika;
• obroty jednostki.

Zależność jest taka, że im większe są powyższe parametry, tym większą ilość paliwa potrzebuje silnik do prawidłowego spalania. Dlatego stare jednostki benzynowe niewyposażone w turbodoładowanie, jadą najlepiej w odczuciu kierowcy, w wysokim zakresie obrotów. Utrzymywanie ich na wartościach z zakresu 1200-2000 rpm jest nie tylko niekorzystne, ale też mocno niekomfortowe ze względu na emitowane wibracje.

Jak downsizing w motoryzacji wpływa na spalanie?

Obniżenie pojemności skokowej nie ma wielkiego wpływu na zachowanie jednostki na wolnych obrotach i w niskim ich zakresie. Zmniejsza oczywiście zużycie paliwa, ale nie umożliwia uzyskiwanie wysokich mocy w przedziale 1000-2500 rpm. Dlatego do takich jednostek dodaje się turbodoładowanie i podnosi ciśnienie wtrysku paliwa. Downsizing umożliwia zwiększenie sprawności jednostki w dolnym zakresie obrotów, dlatego dla uzyskania wysokiej mocy  silnika nie potrzeba wkręcać go w zakres czerwonego pola na obrotomierzu. 

Downsizing silników a komfort jazdy

W konstrukcjach tego typu powszechne jest wykorzystywanie koła dwumasowego dla eliminowania wibracji, olejowych poduszek silnika tłumiących więcej drgań i tłumików drgań skrętnych. Dzięki takim rozwiązaniom konstrukcyjnym, auta benzynowe mogą swobodnie poruszać się w dolnym i średnim zakresie obrotów, generując odpowiednie ilości momentu obrotowego i niski poziom hałasu. Dlatego downsizing miał nie tylko pomóc osiągnąć niższe spalanie, ale też umożliwić jazdę w dolnym zakresie obrotów przy zachowaniu komfortu podróżnych. 

Downsizing w dieslu i benzyniaku

Chociaż downsizing dotyczy też diesla, główna różnica w charakterystyce jazdy dotyczy konstrukcji benzynowych. Te do tej pory najlepiej czuły się w średnim i górnym zakresie obrotów. Jednostki wysokoprężne z powodzeniem jednak wykorzystywały najniższe przedziały rpm, by generować wysoki moment obrotowy użyteczny podczas jazdy. Dlatego nowoczesnymi autami wyposażonymi w jednostki benzynowe jeździ się bardzo podobnie jak dieslem.

Użyteczne wartości momentu obrotowego są utrzymywane w dolnym i średnim zakresie obrotów. Silniki nie emitują hałasu ani wibracji podczas jazdy na niskich obrotach, chętnie przyspieszają, dzięki obecności sprężarek powietrza (często ze zmienną geometrią) i mocno hałasują w górnych zakresach obrotów. To sprawiło, że downsizing wpłynął na ujednolicenie stylu jazdy aut benzynowych i diesla.

Jak downsizing wpływa na żywotność jednostek?

Przeciwnicy takiego trendu podkreślają, że resurs silnika został znacznie zmniejszony. Bardzo często na tapetę brane są przykłady nieudanych konstrukcji z pierwszych lat wprowadzania na rynek takich modeli. Klasycznym przykładem jest jednostka 1.4 TSI EA111 w wariancie turbo i kompresor. Takie połączenie gwarantowało świetne osiągi liczone w 140 KM i 220 maksymalnego momentu obrotowego.

Wszystko było dobrze w momencie, gdy jednostka była jeszcze sprawna. Jednak klienci zgłaszali awarie niekiedy już po 10 tysiącach kilometrów. Powszechne problemy to:

• nieprawidłowa praca łańcucha rozrządu;
• szybkie zużycie sprzęgła kompresora;
• wypalanie dziur w tłokach;
• pobieranie wielkich ilości oleju. 

Późniejsze odmiany tego silnika były już lepsze, jednak przeciwnicy dowsizingu otrzymali sporą pożywkę dla swoich poglądów.

Oczywiście nie jest tak, że zmniejszanie jednostek przy jednoczesnym zachowaniu ich parametrów zawsze jest złe. Zdarzają się konstrukcje nieudane również wśród jednostek, które z założenia nie miały być produkowane w nurcie downsizingu silników. Przykładem jest legendarne 2.0 TDCI od Forda, które od lat omijane jest przez kierowców szerokim łukiem.

Udane konstrukcje z ery downsizingu

Poniżej podajemy kilka udanych jednostek wyprodukowanych jako pełnoprawne modele downsizingowe. Ich trwałość jest ceniona przez użytkowników i wpływa na pozytywne postrzeganie zmniejszania wielkości jednostek.

Renault 1.2 Tce D4FT

Jednostka montowana w modelach Clio III czy Twingo II, która skutecznie konkuruje z większymi 1.6 16 V. Osiąga 101 KM i 145 Nm oraz jest wyposażona w 4 cylindry i pośredni wtrysk paliwa umożliwiający zastosowanie sekwencyjnej instalacji gazowej. Współpracuje z nią z resztą bardzo dobrze. Ten przykład downsizingu pokazuje, że nawet małe jednostki o rozsądnym wysileniu mogą być trwałe. Prawidłowe serwisowanie pozwala na przejechanie 200 tysięcy kilometrów, a nawet więcej bez poważniejszych awarii.

Fiat 1.4 T–Jet

Prezentowany egzemplarz wyparł konstrukcje o pojemności nawet 2 litrów i z powodzeniem napędza wiele modeli od miejskich po sportowe odmiany Abarth/500. W podstawowej wersji rozwija 105 KM i 206 Nm, natomiast topowe posiadały fabrycznie nawet 180 KM i 250 Nm. Trwała konstrukcja zyskała uznanie nie tylko wśród codziennych użytkowników, ale też fanów tuningu, którzy podziwiają jego możliwości. Przebiegi aut używanych, zdolnych do dalszej eksploatacji, oscylują w granicach 200-300 tysięcy kilometrów i są jak najbardziej akceptowalne.