Serwis pod patronatem magazynu
Zanim przesiądziemy się do aut zasilanych wyłącznie energią elektryczną, silniki spalinowe jeszcze nam trochę potowarzyszą. Muszą jednak spełniać coraz surowsze normy, co wymaga od producentów coraz większej kreatywności. Jak sobie z tym radzą – jakie rozwiązania już stosują i czego możemy spodziewać się w przyszłości?
Wejście w elektromobilność nie następuje nagle, ale przebiega stopniowo, co ciągle daje przestrzeń do rozwijania silnika spalinowego. Jednocześnie rozwój ten wymaga większej niż kiedykolwiek kreatywności.
Zdarzają się całkowicie od nowa opracowywane serie silników, choć należą one do rzadkości. Jedną z nich jest gama rzędowych, sześciocylindrowych jednostek Mazdy – niebawem debiutująca benzynowa 3.0 oraz turbodiesel 3.3 w SUV-ie CX-60, który wyróżnia między innymi nowy stopniowy proces spalania. W rezultacie jednostka ta spełnia wyśrubowane normy emisji i pracuje bardzo ekonomicznie, tj. zapewnia umiarkowaną emisję CO2.
Do nowego diesla z serii e-Skyactiv D dołączy wkrótce sześciocylindrowy silnik benzynowy z zapłonem samoczynnym, znanym już z czterocylindrowych silników Mazdy. Technologia e-Skyactiv X łączy w sobie niskoemisyjną pracę silnika benzynowego z wydajnością jednostki wysokoprężnej.
Zupełnie nowe generacje silników powstają nie tylko w Japonii. Ikona z Zuffenhausen – Porsche 911 – będzie jedną z ostatnich serii, które otrzymają całkowicie nowy sześciocylindrowy silnik typu boxer, zanim firma ostatecznie przesiądzie się wyłącznie na napędy elektryczne.
Większość wytwórców silników koncentruje się jednak obecnie na optymalizacji istniejących serii. Wytyczne dla ich rozwoju określają przepisy. W UE są to z jednej strony norma emisji spalin Euro 7, która prawdopodobnie będzie obowiązywać przy rejestracji nowych pojazdów od 2025 r., a z drugiej – stopniowa redukcja średnich emisji CO2 z obecnego limitu 95 g CO2/km do 0 g CO2/km, co zgodnie z rozporządzeniem UE ma obowiązywać od 2035 r.
Rządy Stanów Zjednoczonych i Chin wprowadzają podobne obostrzenia w zakresie emisji, choć niekiedy stawiają nacisk na inne aspekty, obowiązywać też będą różne metody pomiaru.
Nowa norma znacznie rozszerza na przykład warunki temperaturowe panujące podczas przeprowadzania testu emisji spalin. System oczyszczania spalin musi działać bez zarzutu nawet przy temperaturze zewnętrznej wynoszącej 45°C. Precyzyjne dozowanie mieszanki paliwowo-powietrznej i kontrolę nad procesem spalania zapewnia mierząca zawartość tlenu w spalinach sonda lambda.
Spalanie paliwa wiąże się z emisją niespalonych węglowodorów oraz niezwykle małych cząstek stałych. Aby jak najbardziej ograniczyć zawartość związków aromatycznych w spalinach oraz obniżyć temperaturę wrzenia, wprowadzono regulacje jakości paliwa określone normą DIN EN 288. Katalityczne oczyszczanie spalin przebiega bez zarzutu, gdy mieszanka paliwowo-powietrzna jest zrównoważona (stechiometryczna). Aby czujnik regulujący skład mieszanki działał prawidłowo, temperatury spalania i spalin muszą być ściśle kontrolowane.
Do tej pory można było szybko obniżyć temperaturę w komorze spalania silnika benzynowego poprzez chwilowe wzbogacenie mieszanki – zwłaszcza w przypadku silników z turbodoładowaniem.
W przyszłości, poza stosowanym już systemem recyrkulacji spalin, pomocny może się też okazać kontrolowany wtrysk wody. Rozwiązanie nie zostało jeszcze zastosowane na masową skalę, ale trafiło już do limitowanego BMW M4 GTS.
Potencjał w zakresie efektywności i ograniczania emisji tkwi także w doładowaniu – zwykle za pomocą turbosprężarki. Sprężarka w połączeniu z małym silnikiem elektrycznym, w zależności od obciążenia i warunków jazdy, może spontanicznie aktywować funkcję Boost, ale również pobierać energię elektryczną ze spalin i magazynować ją w akumulatorze do późniejszego wykorzystania.
Globalny rynek zbytu silników spalinowych pozostaje duży i trudno będzie to zmienić jeszcze przez dekady.
Te wszystkie działania nie wystarczą jednak, aby w przyszłości spełniać limity emisji CO2 ustanowione przez UE. To, że wszyscy producenci spełniają wymaganą aktualnie normę 95 g CO2/km, częściowo wynika z elastycznej wykładni rozporządzenia.
Ograniczenie 95 g nie dotyczy wszystkich w takim samym stopniu, lecz dla każdego producenta ustalana jest wartość docelowa, przy obliczaniu której bierze się pod uwagę m.in. średnią masę pojazdów we flocie, ale też udział tych elektrycznych. Duże, mocne jednostki mogą przetrwać tylko w wersji zelektryfikowanej.
Każdy gram CO2 powyżej wartości docelowej oznacza grzywnę w wysokości 95 euro za każdy sprzedany samochód, jeśli więc dany model przekracza limit o 10 g i sprzeda się w liczbie 1000 egzemplarzy, wówczas producent zapłaci 950 000 euro kary. Aby temu zapobiec, poddaje się kompleksowej elektryfikacji przede wszystkim duże i mocne silniki spalinowe.
W tym celu modernizuje się je, wprowadzając technologię hybrydową typu plug-in (PHEV). Modele z tego typu napędem, mimo zazwyczaj wysokiej mocy, znacznie zmniejszają emisję CO2 w całej flocie, nie tylko ze względu na możliwość jazdy w uznawanym za bezemisyjny trybie Eco, co przekłada się na niższe zużycie paliwa i ograniczenie emisji CO2. Pod warunkiem oczywiście, że klienci wybiorą pojazdy typu PHEV.
Końca ery silnika spalinowego nie widać przede wszystkim w Ameryce Południowej i w Afryce. W Japonii podchodzi się do tego pragmatycznie.
Ta duża technologiczna inwestycja w napęd PHEV sprawdza się w przypadku droższych samochodów, ale trudno o jej zwrot w przypadku mniejszych, tańszych aut (budowę napędu hybrydowego typu PHEV prezentujemy w dalszej części artykułu).
W tych stosuje się obecnie głównie układy mild hybrid – silnik elektryczny zintegrowany z układem napędowym (np. skrzynią biegów) lub odzyskujący energię hamowania (rekuperacja), która to jest magazynowana w akumulatorze, a następnie może być wykorzystywana do wspomagania jednostki spalinowej np. podczas przyspieszania. Hybryda typu mild hybrid nie może się jednak poruszać na samym napędzie elektrycznym.
Tu wyróżnia się rozwiązanie Toyoty wprowadzające złożoną, ale solidną, w pełni hybrydową technologię we wszystkich klasach. Mówimy o tzw. pełnych hybrydach, umożliwiających jazdę na „samym prądzie”.
Pełna hybryda również czerpie energię tylko z rekuperacji, ale wyrafinowana współpraca elektrotechniki i mechaniki przekłada się na wyższe wartości mocy i momentu obrotowego, co pozwala na pokonywanie krótkich odcinków po mieście wyłącznie na napędzie elektrycznym. Sama w pełni hybrydowa technologia nie sprosta jednak przyszłym ograniczeniom floty w zakresie emisji CO2. Dlatego piąta generacja pioniera napędu hybrydowego wśród aut osobowych, Toyoty Prius, jest „czystą” hybrydą typu plug-in.
Globalnie popyt na silniki spalinowe pozostanie raczej stabilny, a wytwarzanie ich – opłacalne. To jeden z powodów, dla których wiele firm – w tym BMW – nie wyznacza ścisłej daty wycofania się z jednostek spalinowych, jak zrobiły to m.in. Volkswagen i Audi.
Grupa Renault również stawia na otwarte podejście i weszła w spółkę z chińskim gigantem samochodowym, Geely oraz saudyjską grupą naftową, Aramco. Celem tej współpracy jest opracowywanie, produkcja i wprowadzenie na rynek silników spalinowych oraz hybrydowych układów napędowych. Aramco pełni w niej rolę eksperta w dziedzinie e-paliw, bo Saudyjczycy nie bazują już na ropie naftowej, lecz prowadzą intensywne prace nad produkcją odnawialnego („zielonego”, pozyskiwanego z wykorzystaniem energii słonecznej) wodoru.
Dzięki takim paliwom silnik spalinowy mógłby być w przyszłości przyjazny dla klimatu, choć „zielony” wodór jest dostępny obecnie w niewielkich ilościach i pilnie potrzebny zapowiadanej, nowoczesnej produkcji żelaza i stali.
Poniżej – kluczowe obszary, na których udoskonala się konstrukcję silników spalinowych. W sumie nic nowego, ale docieramy do granic współcześnie dostępnej technologii.
Wartości graniczne odpowiadają aktualnej normie Euro 6, przy czym nie ma już rozdziału na rodzaje napędu (benzyna, diesel, silnik elektryczny). Pojawiają się nowe podlegające regulacjom emisje: amoniaku (NH2), pyłu z hamulców i opon oraz drobnych cząstek o wielkości co najmniej 10 nm. Wyniki testu RDE na drodze nie mogą już odbiegać od wartości uzyskanych na stanowisku badawczym, zwiększono zakres temperatur, przy których auto będzie musiało spełniać normy. Euro 7 ma wejść w życie w połowie 2025 r.
Mazda e-Skyactiv D – nowa generacja rzędowego, turbodoładowanego, sześciocylindrowego silnika Mazdy CX-60 o mocy 200 lub 254 KM: 3,3-litrowa jednostka z układem mild hybrid wykorzystuje nowy, stopniowy proces spalania DCPCI i gwarantuje bardzo niską emisję NOx przy wysokiej, sięgającej 40%, sprawności cieplnej. Dzięki temu Mazda należy do najoszczędniejszych i emitujących najmniej CO2 pojazdów w swojej klasie.
Pod koniec roku 2023 Mazda CX-60 otrzyma też całkowicie od nowa opracowany rzędowy, sześciocylindrowy silnik benzynowy. Zastosowana w nim technologia e-Skyactiv X, znana już z czterocylindrowych jednostek Mazdy, sprawia, że silnik benzynowy obchodzi się z paliwem tak oszczędnie jak diesel i emituje podobnie mało CO2.
Dodanie do silnika spalinowego jednostki elektrycznej (np. zamontowanej w skrzyni biegów, jak ma to miejsce w Audi), litowo-jonowej baterii z ładowarką pokładową, złącza ładowania i elektrotechniki jest drogie, zwiększa masę pojazdu i zwykle ogranicza pojemność bagażnika. Za to pojazd typu PHEV może się poruszać na samym napędzie elektrycznym, co znacznie ogranicza szacunkową emisję CO2. Ponadto wydajna elektryfikacja umożliwia zmniejszające emisję dogrzewanie silnika i katalizatora.
Zgodnie z rozporządzeniem UE limit emisji CO2, wynoszący obecnie 95 g/km na pojazd, ma być stopniowo zmniejszany: od 2025 r. o 15% do 80,75 g/km, od 2030 r. o 55% do 42,75 g/km, a od 2035 r. do zera. Jeśli norma zostanie przekroczona, producentowi grożą kary: 95 euro za każdy gram CO2 powyżej limitu ustalonego indywidualnie dla każdego producenta po uwzględnieniu różnych czynników.
