Automobilový konstruktér: Downsizing? Zákazníci se děsí

Navíc se zvyšuje složitost pohonných jednotek tak, že ze všech těch turbodmychadel, EGR ventilů, chladičů, mezichladičů a počítačů jde hlava kolem i mechanikům v autorizovaných servisech. Máme se tedy skutečně obávat nebo mají výrobci pravdu a čekají nás světlé zítřky pohádkově nízkých spotřeb?

Co to je downsizing
Jednoduchý překlad tohoto slova do češtiny jako zmenšování objemu motoru tuto konstrukční filozofii nevystihuje. Maloobjemové motory nejsou ničím novým. Z poslední doby připomeňme motor 1.2HTP. Každý, kdo vlastnil Fabii s tímto motorem, ví, že motor byl dostatečně silný a spořivý ve městě nebo na okresních silničkách, ale dálnice byla nad jeho možnosti. Motor bylo třeba neúměrně vytáčet a spotřeba rostla do oblačných výšin.
Filozofie downsinzingu hovoří o snižování objemu a spotřeby, ale nikoliv na úkor uživatelského komfortu, tedy ani výkonových parametrů. Jedná se o cestu, kdy se zároveň se snižováním objemu a počtu válců také použijí moderní metody přeplňování, přímého vstřiku paliva, variabilního časování a zdvihu ventilů a případně další technologie.
Tento konstrukční přístup je spojován s benzínovými motory, je však třeba předeslat, že diesely si svou éru downsizingu prožily též. Neklesal však příliš jejich objem, ale po zavedení přeplňování stoupl dramaticky jejich výkon a kroutící moment. Přeplňování bylo tehdy vynuceno emisními limity Euro 3 a odstartovalo v Evropě „tédéíčkovou“ mánii.

TIP:Extrém downsizingu: 200 kW z litru

Není jiné cesty
Zrovna tak jako v případě přeplňovaných dieselů, i v případě downsizingu zážehových motorů za vším stojí legislativa. Celý vyspělý svět totiž přijímá opatření na snížení emisí CO2. V Evropě se automobilky zavázaly do roku 2015 splnit limit 130 g/km počítaný jako průměr pro flotilu vozidel uvedených během jednoho roku na trh. Podobné limity zavádí USA, Japonsko nebo Čína.
V době dieselománie to vypadalo, že Evropa půjde cestou přeplňovaných vznětových motorů a že ji svět bude následovat. I když se diesely jeví svou vysokou účinností jako vhodný kandidát, nepodařilo se dosud úspěšně a levně vyřešit čištění jeho výfukových plynů. A jelikož se zpřísňují také limity škodlivin ve výfukových plynech (NOx, HC, CO a saze), počáteční nadšení výrobců pro diesely upadá. Osobně si myslím, že diesel bude mít v osobních vozech své místo, ale spíše v těžkých a drahých vozidlech. Malým dieselům věštím pomalou smrt, protože jejich cena nebude akceptovatelná.
Kromě ještě problematičtějších cest hybridizace či elektromobilů je momentálně nejsnazší cestou zvýšit účinnost zážehového motoru. Moderní technologie mají potenciál dosáhnout zajímavých výsledků.

Jak na to?
Vyšší účinnost vznětového motoru tkví ve dvou oblastech. Vznětový motor pracuje s vyšším kompresním poměrem a při částečném zatížení není sání škrceno klapkou. To je cesta i pro zážehový motor. Nebezpečím vysokého kompresního poměru je klepání (samozápaly), které může motor velice rychle zničit. Naštěstí je dnes elektronika tak daleko, že dovoluje daleko přesněji řídit okamžik zážehu. Dále máme dnes k dispozici přímý vstřik paliva, kdy se palivo odpařuje přímo ve válci. Směs je tak účinně ochlazována a hranice pro samozápaly se posouvá. V neposlední řadě pomáhá proměnlivé časování ventilů, které umožňuje v jistém rozsahu skutečný kompresní poměr redukovat. Zde se využívá Atkinsonova nebo Millerova cyklu (nestejně dlouhý kompresní a expanzní zdvih).
Proměnlivé časování a zdvih ventilů dále redukuje škrcení, když dokáže nahradit regulaci škrticí klapkou a redukovat pumpovní ztráty. Průkopníkem na tomto poli je BMW se systémem Valvetronik a zajímavě se jeví například Multi Air od Fiatu.

A hlavně nafouknout
Přeplňování zážehového motoru turbodmychadlem není nic nového. I když teorie hovoří o využití energie výfukových plynů a z toho plynoucí úspoře paliva, v praxi se toto příliš neprokazovalo a až na výjimky byla benzínová „turba“ spíše rozežranými bumbrlíčky. Příčin bylo několik. Předně kompresní poměr těchto motorů byl snížen právě proto, aby se předešlo klepání. Dále při částečném zatížení se energie dodaná plnicímu vzduchu turbem částečně zmařila ve škrticí klapce. V neposlední řadě dostala spotřeba paliva ránu z milosti, když se při vysokém zatížení schválně obohacovala směs, aby se ochladily výfukové plyny a turbo se tak chránilo před vysokou teplotou.
S ohledem na předchozí odstavce je zřejmé, že tato strategie je minulostí. Dnešní technologie konečně dovolují přenést teorii o úspoře paliva prostřednictvím turbodmychadla do praxe a slouží jako základní kámen downsizingu.

Strašák jménem tření
Velkým nepřítelem účinnosti motoru je pochopitelně tření a není tedy divu, že vývojáři vedou s tímto fenoménem nekonečnou bitvu. A bojuje se jak v oblasti materiálů a materiálových povlaků s lepšími třecími vlastnostmi nebo v oblasti olejů a maziv, ale také na poli konstrukce. Optimalizují se velikosti ložisek či tvary a rozměry těsnicích kroužků. Downsizing však dovoluje ještě radikálnější změny, a to v redukci pohyblivých dílů. Konkrétně se snižuje počet válců a potažmo tedy počet pístových skupin, ojnic, ložisek či ventilů. Samozřejmě jsou zde hranice a ty jsou dány především kategorií vozu, kterou bude motor pohánět. Zatímco v indické rikše může bez problémů kloktat spoře vyvážený dvouválec, v evropském malém autě již těžko obstojí tříválec bez vyvažovacích hřídelů a BMW si bez vyvažovacích hřídelů nedovolí pustit na trh ani čtyřválec. Je potřeba si uvědomit, že tření ušetřené na chybějícím válci se nám bohužel částečně vrátí na tření v ložiscích vyvažováku.

A toč se pomalu
Tření roste s druhou mocninou otáček, a proto je logické, že se výrobci snaží dostat z motorů to nejlepší už lehce nad volnoběžnými otáčkami. Této filozofii se poněkud bez nápadu říká downspeeding. To je zhola nemožné bez patřičně naddimezovaného turbodmychadla, popřípadě bez kombinace turbodmychadla s mechanickým kompresorem. I když takto navržené motory postrádají sportovní gradaci výkonu, je potřeba přiznat, že se z nízkých otáček dokáží sbírat poměrně svižně a dech jim narozdíl od dieselů nedochází ani za hranicí maximálního výkonu.

Chudá směs = bohatý řidič?
Velká budoucnost se očekává od spalování chudé směsi. Běžný zážehový motor spaluje tak zvanou homogenní, stechiometrickou směs vzduchu a paliva. To znamená, že vzduchu je ve směsi přesně tolik, kolik je ke spálení paliva potřeba (tj. přibližně 14 kg vzduchu na 1 kg benzínu). Tento poměr se také udává jako lambda = 1. Benzín je těžké zapálit, pokud je tento poměr jiný. Ovšem řídit motor složením směsi (jako u dieselu), nikoliv jen jejím množstvím, by přineslo další značné úspory paliva. Trik tkví v tom, že směs je ve spalovacím prostoru rozvrstvena tak, aby kolem svíčky byla stechiometrická a dala se tak snadno zapálit a v okolí pak směs chudá (lambda větší než 1).
Někteří výrobci již mají tuto technologii hrdě v názvu, třeba VW a jeho TSI (Turbocharged Stratified Injection), kde "stratified" je anglický výraz pro vrstvenou směs. Ovšem motory dnes pracují převážně s homogenní směsí a chudou směs spalují jen ve velmi úzkém spektru zatížení. TSI je momentálně jen marketingová značka, která v praxi vrstvenou směs nepoužívá.
Nicméně pokrok jde v dané oblasti poměrně rychle dopředu a spalování chudé směsi v širším spektru zatížení se snad v sériovém autě brzy dočkáme. Kalit radost nám možná bude skutečnost, že na takovém motoru začne být čištění výfukových motorů o něco složitější, tak snad ta úspora paliva bude za zvýšenou složitost (a cenu) motoru stát.

A funguje to?
Pokud jde o snižování emisí CO2 v testovacím cyklu (v Evropě NEDC), je downsizing zaručeným receptem. Motor je zkrátka navržen a naladěn tak, aby testy dopadly dobře.
Horší to bývá s reálným provozem. Oproti stejně silným atmosférickým jednotkám je zde výrazná úspora, ovšem málokdy se podaří dosáhnout spotřeby udávané výrobcem. Na vině je zde především jistá zastaralost testovacího režimu NEDC, který obsahuje mnohem slabší akcelerace, než jakých dosahují dnešní moderní vozy v běžném provozu. A jelikož řidiči si dynamiku svých vozů rádi dopřejí, disproporce mezi udávanou a skutečnou spotřebou není žádným velkým překvapením.
Má zkušenost je vesměs pozitivní. S moderními přeplňovanými benzínovými motory lze jezdit úsporně, takřka na úrovni vznětových motorů. Oproti vznětovým motorům ovšem musíte více krotit svou pravou nohu na plynovém pedálu. Na druhou stranu jsou pro mne tyto motory v porovnání s diesely mnohem příjemnější. Rychle dosahují maximálního krouticího momentu a momentová křivka bývá velice plochá, ovšem rozsah použitých otáček je mnohem širší a výkon neuvadá tak náhle jako u dieselu.
Velice pozitivně vnímám nízkou hodnotu hluku. Stejně jako u dieselu točí motory při dálniční rychlosti v oblasti pod 3 000 otáček, ale zároveň jsou narozdíl od nich tichošlápky hned po nastartování. Příjemná je též menší setrvačnost motoru a s ní spojená rychlejší odezva na plyn, a to nemluvím o tom, že přední náprava je mnohem méně zatížena, z čehož těží jízdní vlastnosti vozu. Ovšem pokud toužíte po sportovnějším svezení, chybí zde jasná výkonová špička a s ní spojená gradace výkonu, která je vlastní některým atmosférickým jednotkám. Celkově však považuji chování těchto jednotek za slušný kompromis mezi ekonomičností provozu a jízdním projevem.

Čeho se bát?
V porovnání s atmosférickými motory je přeplňovaný motor postavený podle filozofie downsizingu mnohem více namáhán jak tlakem ve válcích, tak teplotně. Z toho mohou plynout obavy ze zvýšeného opotřebení ložisek, praskání hlav válců, odfouklých těsnění atd. Myslím, že tyto obavy nejsou na místě, protože jsou motory na takové namáhání patřičně dimenzovány. Na druhou stranu pokročilé výpočetní metody dneska umožňují mnohem přesněji „trefit“ plánovanou životnost motoru, která bývá například 200 tisíc km. Jinými slovy, dnešní motory jsou méně předimenzovány v porovnání s robustními staršími bratříčky a otázka je, jak se budou vypořádávat s vysokými nájezdy ve vozidlech z druhé ruky. Ale to se netýká jen downsizingu, ale moderních vozidel obecně.
Zatím mají například motory TSI špatnou pověst zrychleným opotřebením rozvodových řetězů. Ať se jedná o chybu konstrukční nebo technologickou, nevidím zde žádnou spojitost s downsinzingem. Stejná závada by mohla zrovna tak postihnout motor TDI nebo atmosférickou jednotku. To zanášení benzínových motorů koncernu PSA (konstrukce BMW) sazemi již jistou spojitost s novou konstrukční filozofií mít může, neboť přímovstřikový benzínový motor přeci jen produkuje více sazí v porovnání s klasickým benzínovým motorem.

Koupit či nekoupit?
Tak toto dilema u nového vozu bude brzy vyřešeno, jelikož jiný motor jednoduše nekoupíte. Popravdě, věčným nářkům některých motoristů nerozumím. Všichni by chtěli výkonné, ale spořivé motory, ale zároveň se bojí každé novoty a obracejí v kapse každou korunu.
Nedá se nic dělat, éra parního stroje je za námi a stejně tak se blíží ke konci éra atmosférických motorů. Já osobně cestě malých přeplňovaných benzínů věřím. Jde podle mého názoru o přijatelný kompromis.
Otázkou zůstává koupě ojetého vozidla, a to s ohledem na zatím omezené zkušenosti s novými pohonnými jednotkami. Léty osvědčený atmosférický zážehový motor je z ohledu spolehlivosti asi nejjistější volbou. To ovšem jen pokud vás nelimituje spotřeba paliva nebo výkonové možnosti. Pokud chcete více muziky, musíte jít do většího rizika, ať už v podobě dieselu s common railem, nebo do přeplňované benzínové jednotky.