Chiński gigant motoryzacyjny Geely ogłosił stworzenie seryjnego silnika benzynowego o rekordowej sprawności termicznej wynoszącej 48,41%. Czy stoimy u progu nowej ery inżynierii, czy to jedynie sprytny zabieg marketingowy?

Świat motoryzacji przyzwyczaił nas do tego, że liderami w dziedzinie wydajności napędów spalinowych są koncerny japońskie. Toyota ze swoimi silnikami Dynamic Force osiąga sprawność termiczną na poziomie 41%, a Nissan w układach e-Power deklaruje 42%. Tymczasem najnowsza jednostka 1.5 I-HEV z Chin bije te rezultaty na głowę, wyprzedzając Toyotę o niewiarygodne 7,4 punktu procentowego. W branży, gdzie poprawa efektywności o każdy kolejny punkt procentowy powyżej 40% graniczy z cudem i wymaga tytanicznej pracy inżynieryjnej, taki skok wydaje się wręcz nierealny. Aby zrozumieć, czy mamy do czynienia z prawdziwą rewolucją, należy przyjrzeć się technologicznym szczegółom tej konstrukcji.

Anatomia ekstremalnego zmniejszenia średnicy cylindra

Kluczem do zrozumienia bazy konstrukcyjnej nowego silnika Geely jest jego niezwykła geometria. Choć producent nie podał wprost oficjalnych wymiarów, to na podstawie pojemności skokowej, liczby cylindrów oraz proporcji skoku tłoka do średnicy cylindra wynoszącej 1,39:1, można precyzyjnie wyliczyć, że średnica wynosi 70 mm, a skok tłoka to aż 97,4 mm. Oznacza to, że jest to jedna z najbardziej podkwadratowych (undersquare) jednostek benzynowych w historii masowej motoryzacji. Taki zabieg ma bardzo silne uzasadnienie i bezpośrednio przekłada się na redukcję strat energii oraz emisji spalin.

Mała średnica cylindra drastycznie zmniejsza obwód pierścieni tłokowych, co zmienia na plus szczelność i minimalizuje zjawisko przedmuchów gazów spalinowych do skrzyni korbowej, poprawiając tym samym ogólny profil emisji. Ponadto, długa droga, jaką tłok musi pokonać w dół, pozwala na znacznie pełniejsze odzyskanie energii z eksplozji ładunku paliwowo-powietrznego. Zanim zawory wydechowe się otworzą, rozprężające się gazy wykonują maksymalną możliwą pracę, co pozwala wycisnąć z każdej kropli benzyny tyle energii, ile to tylko możliwe.

Taka konstrukcja wiąże się jednak z poważnymi kompromisami. Ponieważ tłok ma do pokonania długi dystans, przy wyższych obrotach jego prędkość liniowa rośnie do niebezpiecznych wartości, grożąc mechanicznym zniszczeniem silnika. Z tego powodu jednostka ta nie jest w stanie pracować na wysokich obrotach. Dodatkowo, mała średnica cylindra ogranicza ilość powietrza i paliwa, jaką można jednorazowo wtłoczyć do komory, co sprawia, że pojedyncza dawka energii jest stosunkowo niewielka, a silnik sam w sobie charakteryzuje się niską dynamiką i mocą.

Agresywny marketing i zapożyczona technologia

W materiałach promocyjnych chiński producent chętnie chwali się chwytliwymi nazwami systemów, takimi jak system spalania „Fire Tornado” czy profilowany dolot „Duckbill”. W rzeczywistości pod tymi barwnymi określeniami kryją się znane już w branży rozwiązania polegające na optymalizacji geometrii kanałów dolotowych w celu wywołania silnego zawirowania powietrza (tumble). Zwiększenie prędkości oraz turbulencji zasysanego powietrza pozwala na lepsze wymieszanie go z paliwem, co z kolei przekłada się na szybsze i bardziej efektywne spalanie mieszanki.

Aby zmaksymalizować ten efekt, Geely zastosowało układ wtrysku bezpośredniego pracujący pod ogromnym ciśnieniem 500 barów, co pozwala na idealne rozpylenie paliwa. Całość dopełnia ekstremalnie wysoki stopień sprężania wynoszący 15,5:1, zbliżający tę konstrukcję do współczesnych silników Diesla. Co więcej, w głowicy znajdziemy laserowo napawane gniazda zaworowe, które są trwale zintegrowane z elementem aluminiowym, co radykalnie poprawia odprowadzanie ciepła z komory spalania i daje inżynierom większą swobodę w projektowaniu kształtu kanałów dolotowych.

Gdy jednak zestawimy te innowacje z rozwiązaniami konkurencji, okazuje się, że nowy chiński silnik pod wieloma względami nie przynosi rewolucji technicznej. Bardzo podobne rozwiązania – od laserowo napawanych gniazd zaworowych, przez powłoki DLC zmniejszające tarcie na ruchomych elementach, aż po zaawansowane kształty dolotów – z powodzeniem stosuje Toyota w swoich napędach Dynamic Force. Różnica polega na tym, że Japończycy zamiast 500-barowego wtrysku bezpośredniego używają kombinacji wtrysku bezpośredniego i pośredniego. Wszystkie te mechaniczne modyfikacje uzasadniają wzrost sprawności o około 1%, skąd więc bierze się brakująca reszta spektakularnego wyniku?

Głęboki cykl Millera i filozofia odwróconej hybrydy

Prawdziwym źródłem rekordowej sprawności jest zastosowanie tak zwanego głębokiego cyklu Millera, będącego w realiach tego wolnossącego silnika skrajną odmianą cyklu Atkinsona. Istota tego rozwiązania polega na celowym i bardzo późnym zamykaniu zaworów dolotowych, nawet po przejściu przez tłok 50% lub 60% suwu sprężania. W efekcie część powietrza jest cofana do kolektora, co sprawia, że rzeczywisty suw rozprężania (pracy) jest o wiele dłuższy niż suw sprężania. Pozwala to na fenomenalne wykorzystanie energii gazów spalinowych, ale drastycznie obniża moc generowaną przez sam silnik.

Tak głębokie przesunięcie faz rozrządu sprawia, że silnik bez zewnętrznego wsparcia byłby całkowicie bezużyteczny i ospały w codziennej jeździe. Klucz do sukcesu leży zatem w odmiennym podejściu do samej koncepcji hybrydy. W układach Toyoty to silnik spalinowy jest głównym źródłem napędu, a komponent elektryczny jedynie mu pomaga. W przypadku nowej konstrukcji Geely role zostały całkowicie odwrócone – to pojazd elektryczny, w którym potężny silnik elektryczny i duża bateria napędzają koła, a silnik spalinowy pełni funkcję pomocniczą, skrojoną wyłącznie pod optymalne warunki generowania prądu.

Zmienienie proporcji i postawienie na większe komponenty elektryczne pozwoliło na bezkompromisowe odciążenie silnika benzynowego i zmuszenie go do pracy w ekstremalnie wąskim, ale ultrasprawnym zakresie. Ceną za to jest zachowanie pojazdu po rozładowaniu akumulatorów – na długich, autostradowych podjazdach mały, pozbawiony wigoru silnik nie nadąża jednocześnie napędzać kół i ładować baterii, co skutkuje nagłym spadkiem dynamiki. Aby temu zaradzić, producent musiał zaprząc do pracy sztuczną inteligencję, która analizuje trasę w chmurze i z wyprzedzeniem nakazuje silnikowi doładowywanie baterii na płaskich odcinkach dróg.

Ostateczna odpowiedź na pytanie zawarte w tytule leży pośrodku. Z punktu widzenia czystej teorii silników spalinowych, sprawność 48,41% to w dużej mierze systemowy majstersztyk oparty na radykalnym przesunięciu granic cyklu Atkinsona, a nie na przełomowych odkryciach naukowych w dziedzinie mechaniki. Podobną jednostkę mogłyby stworzyć koncerny z Europy, Japonii czy USA, gdyby zdecydowały się na budowę hybryd tak mocno zorientowanych na napęd elektryczny. Nie zmienia to jednak faktu, że dla chińskiego przemysłu motoryzacyjnego, który jeszcze niedawno uczył się od globalnych potęg, jest to gigantyczny krok naprzód. Pokazuje on, że producenci z Państwa Środka w pełni dogonili światową czołówkę i potrafią sprytnie żonglować technologiami napędowymi, tworząc konstrukcje rekordowe, nawet jeśli wymagają one stałego wsparcia ze strony algorytmów sztucznej inteligencji.

Kwestię jakości wykonania i żywotności silników z dalekiego wschodu pozwolimy sobie przemilczeć.