Čo je to downsizing?

V posledných rokoch vládne v európskej kotline zmenšovanie všeličoho, s čím obyčajný človek príde do kontaktu. Týka sa to najmä reálnych platov, mobilov, notebookov, firemných nákladov alebo objemu motorov a ich škodlivých emisií. Bohužiaľ, toľko omieľanej verejnej alebo štátnej správy sa downsizing zatiaľ netýka. Význam slova downsizing však v motorovej branži nie je taký nový ako by sa na prvý pohľad mohlo zdať. Koncom minulého storočia si svoj downsizing odkrútili v prvej etape aj dieselové motory, ktoré si vďaka preplňovaniu a modernému priamemu vstrekovaniu udržali alebo znížili objem, avšak pri značnom náraste dynamických parametrov motora.

Novodobá éra benzínových „davnsajzingových“ motorov sa začala predstavením agregátu 1,4 TSi. Sám o sebe na prvý pohľad ničím nepripomína downsizing, čo potvrdzovalo aj jeho zaradenie do ponuky Golfa, Leonu či Octavie. Zmena pohľadu nastala až v momente, keď Škoda začala motor 1,4 TSi s výkonom 90 kW montovať do svojho najväčšieho modelu Superb. Ozajstný prelom ale znamenala montáž motora 1,2 TSi s výkonom 77 kW do relatívne veľkých vozidiel ako Octavia, Leon či dokonca VW Caddy. Až vtedy sa rozbehli tie pravé a ako to už býva, najmúdrejšie krčmové reči. Výrazy typu: „to nemôže utiahnuť, to dlho nevydrží, objem ničím nenahradíš, oktáfka má motor z fábie, počul si to?“ boli viac ako časté nielen v zariadeniach štvrtej cenovej, ale aj na internetových diskusiách. V downsizingu treba vidieť logickú snahu výrobcov vozidiel, ako sa popasovať s neustálym tlakom na znižovanie spotreby a toľko nenávidených emisií. Samozrejme nič nie je zadarmo a ani downsizing neprináša len samé pozitíva. Preto si v nasledujúcich riadkoch  podrobnejšie rozoberieme čo sa pod názvom downsizing skrýva, ako funguje a aké su jeho výhody či nevýhody.

Čo je  to downsizing a príčiny vzniku

Downsizing znamená zmenšovanie zdvihového objemu spaľovacieho motora pri súčasnom zachovaní rovnakého alebo dokonca vyššieho výkonu agregátu. Ruka v ruke so zmenšovaním objemu ide preplňovanie či už pomocou turbodúchadla alebo mechanického kompresora, prípadne kombináciou oboch spôsobov (VW 1,4 TSi – 125 kW). Rovnako tak priameho vstreku paliva, variabilného časovania, zdvihu ventilov atď. Vďaka týmto doplňujúcim technológiám sa dostáva do valcov viac vzduchu (kyslíka) pre spaľovanie a úmerne možno zvýšiť aj množstvo dodávaného paliva. Takto stlačená zmes vzduchu s palivom obsahuje samozrejme viac energie. Priame vstrekovanie v kombinácii s variabilným časovaním a zdvihom ventilov zase optimalizuje vstrekovanie paliva a vírenie zmesi, čo ďalej vplýva na zvýšenie efektivity spaľovacieho procesu. Celkovo tak na uvoľnenie rovnakej energie stačí menší objem valca ako pri väčších a výkonovo porovnateľných motoroch bez downsizingu.

Ako už bolo v úvode článku naznačené, za vznikom downsizingu stojí hlavne sprísňujúca sa európska legislatíva. Jedná sa hlavne o znižovanie emisií, pričom najviditeľnejšia je snaha o plošné znižovanie emisií CO₂. Emisné limity sa však postupne sprísňujú na celom svete. Z dôvodu nariadenia európskej komisie sa európske automobilky zaviazali do roku 2015 splniť emisný limit 130 g CO₂ na 1 km, pričom táto hodnota je počítaná ako priemer pre flotilu vozidiel uvedených na trh počas jedného roka. V downsizingu hrajú prím benzínové motory, napriek tomu, že z hľadiska účinnosti majú lepšie predpoklady na nižšiu spotrebu (teda aj emisie CO₂) ako tie dieselové. Tým však sťažuje pozíciu nielen vyššia cena, ale aj pomerne problematické a drahé eliminovanie škodlivých emisií vo výfukových plynoch ako sú oxidy dusíka – NO_x, oxid uhoľnatý – CO, uhľovodíky – HC, či sadze, na ktorých elimináciu sa používa drahý a stále pomerne problematický DPF (FAP) filter. Maloobjemové diesely sa tak postupne dostávajú do stále ťažšej pozície a v menších vozidlách hrajú druhé husle. Konkurenciu downsizingu predstavujú aj hybridné vozidlá či elektromobily. Táto technológia je síce perspektívna, ale oproti pomerne jednoduchému downsizingu podstatne komplikovanejšia a stále ešte pre bežných občanov príliš drahá.

Trocha teórie

Úspešnosť downsizingu závisí od dynamických parametrov motora, spotrebe a celkového komfortu jazdy. Ako prvý na rad prichádza výkon a krútiaci moment. Výkon je práca odvedená za čas. Práca odovzdaná počas jedného cyklu zážihového motora s vnútorným spaľovaním je daná tzv. Ottovým cyklom.

Na zvislej osi je tlak nad piestom a na vodorovnej osi je objem valca. Práca je daná plochou ohraničenou krivkami. Tento diagram je idealizovaný, pretože neuvažujeme o výmene tepla s okolím, svoju rolu hrá zotrvačnosť vzduchu, ktorý prúdi do valca a tiež straty vzniknuté pri nasávaní (mierny podtlak oproti atmosférickému tlaku) alebo výfuku (mierny pretlak). A teraz už popis samotného deja znázornenom v p(V) diagrame. Medzi bodmi 1-2 sa valec plní zmesou – rastie objem. Medzi bodmi 2-3 sa odohrá kompresia, piest koná prácu a stláča zmes paliva so vzduchom. Medzi bodmi 3-4 sa odohrá spaľovanie, objem je konštantný (piest je v hornej úvrati) a zmes paliva horí. Chemická energia paliva sa premení na teplo. Medzi bodmi 4-5 koná prácu spálená zmes paliva so vzduchom – expanzia a pôsobí tlakom na piest. V bodoch 5- 6-1 sa deje opak nasávania, teda výfuk.

Keď nasajeme viac zmesi paliva so vzduchom, tým viac chemickej energie sa uvoľní, plocha pod krivkou sa zväčší. Tento efekt môžeme dosiahnuť viacerými spôsobmi. Prvá možnosť je zväčšiť adekvátne objem valca, resp. celého motora, čím za rovnakých podmienok dosiahneme väčšieho výkonu – krivka porastie smerom doprava. Ďalšími možnosťami ako posúvať rast krivky smerom nahor sú napríklad zvýšenie kompresného pomeru alebo zvýšenie výkonu na prácu za čas a v rovnakom čase vykonať viac menších cyklov, teda zvýšiť otáčky motora. Obe popisované metódy majú veľa negatív (samovznietenie, vyššia pevnosť hlavy valcov a jej tesnenia, pri zvýšených otáčkach zvýšené trenie – popíšeme neskôr, vyššie emisie, sila na piest je stále približne rovnaká), pričom automobil má na papieri relatívne veľký výkonový nárast, ale krútiaci moment sa príliš nemení. Nedávno sa síce japonskej Mazde podarilo dotiahnuť do sériovej podoby benzínový motor s nezvyčajne veľkým kompresným pomerom (14,0:1) s názvom Skyactive-G, ktorý sa pýši veľmi dobrými dynamickými parametrami pri priaznivej spotrebe, napriek tomu sa väčšina výrobcov uberá ďalšou možnosťou zväčšovania objemu plochy pod krivkou. A tou je stlačiť vzduch ešte pred vstupom do valca pričom objem zostane zachovaný – preplňovanie.

Potom p(V) diagram Ottovho cyklu vyzerá nejako takto:

Pretože sa plnenie 7-1 odohrá za iného (vyššieho) tlaku ako výfuk 5-6, vznikne ďalšia uzavretá krivka, čo znamená, že je vykonaná dodatočná práca v mimopracovnom zdvihu piesta. Toho sa dá využiť v prípade ak je zariadenie čo stláča vzduch poháňané z nejakej odpadovej energie, čo je v našom prípade kinetická energia výfukových spalín. Takýmto zariadením je turbodúchadlo. Používa sa aj mechanický kompresor, pri ktorom však musíme brať do úvahy určité spotrebované percento (15-20%) na jeho prácu (najčastejšie je poháňané od kľukového hriadeľa), teda časť z hornej krivky sa posunie do dolnej bez žiadneho efektu.

Pri preplňovaní sa ešte chvíľu pristavíme. Preplňovanie benzínového motora sa používa už dlhšiu dobu, avšak hlavnou úlohou bolo zvýšenie výkonu, pričom spotreba sa príliš neriešila. Benzínové turbá teda ťahali o život, ale pri dupaní na plyn zožrali aj trávu vedľa cesty. Dôvodov bolo niekoľko. Prvým bol znížený kompresný pomer týchto motorov z dôvodu eliminácie klepania – detonačného horenia. Taktiež bol problém v chladení turba. Pri veľkej záťaži sa totiž musela obohacovať zmes palivom, aby sa ochladili výfukové plyny a turbodúchadlo sa tak chránilo pred vysokou teplotou spalín. Aby toho nebolo dosť, pri čiastočnom zaťažení sa energia dodaná plniacemu vzduchu turbom čiastočne stráca brzdením prúdenia vzduchu na škrtiacej klapke. Našťastie moderné technológie už umožňujú znižovať spotrebu aj pri preplňovaní motora turbodúchadlom, čo je jedna zo základných podmienok downsizingu.

Konštruktéri moderných benzínových motorov sa snažia inšpirovať z tých dieselových, ktoré pracujú s vyšším kompresným pomerom a pri čiastočnom zaťažení nie je prúdenie vzduchu sacím potrubím brzdené škrtiacou klapkou. Nebezpečenstvo detonačného horenia-klepania spôsobeného vysokým kompresným pomerom, ktoré môže motor veľmi rýchlo zničiť, je eliminované modernou elektronikou, ktorá ďaleko presnejšie riadi okamih zážihu ako tomu bolo donedávna. Veľkou výhodou je aj použitie priameho vstreku paliva, kedy sa benzín odparuje priamo vo valci. Palivová zmes je tak účinne ochladzovaná a zvyšuje sa aj hranica samovznietenia. Spomenúť treba aj dnes už rozšírené premenlivé časovanie ventilov, ktoré umožňuje v istom rozsahu ovplyvňovať skutočný kompresný pomer. Využíva sa tu tzv. Millerov cyklus (nerovnako dlhý kompresný a expanzný zdvih). Okrem premenlivého časovania ventilov pomáha znižovať spotrebu aj premenlivý zdvih ventilov, ktorý dokáže nahradiť reguláciu škrtiacou klapkou a redukovať tak sacie straty – brzdenie prúdenia vzduchu škrtiacou klapkou (napr. Valvetronic od BMW).

Preplňovanie, variabilné časovanie a zdvih ventilov, či kompresný pomer nie sú všeliekom, a tak sa konštruktéri musia zapodievať aj ďalšími faktormi ovplyvňujúcimi najmä výslednú spotrebu. Medzi ne patrí  najmä znižovanie trenia a samotná príprava a spaľovanie zápalnej zmesi.

O znižovanie trenia pohyblivých častí motora sa snažia konštruktéri už desaťročia. Treba uznať, že urobili veľké pokroky v oblasti materiálov a materiálových povlakov, ktoré v súčasnosti disponujú lepšími trecími vlastnosťami. To isté sa dá napísať aj o oblasti olejov a mazív. Bokom neostala ani samotná konštrukcia motorov, kde sa optimalizujú rozmery pohyblivých súčastí, ložísk, zmeny neobišli ani tvarovanie piestnych krúžkov a samozrejme počet valcov. Asi najznámejšie motory s „menším“ počtom valcov sú v súčasnosti jednolitrový trojvalec EcoBoost od Fordu, či dvojvalec TwinAir od Fiatu. Menej valcov totiž znamená menej piestov, ojníc, ložísk či ventilov, a teda logicky celkového trenia. Určite aj v tejto oblasti existujú určité obmedzenia. Prvým je trenie, ktoré je síce ušetrené na chýbajúcom valci, ale do určitej miery sa vykompenzuje na dodatočnom trení v ložiskách vyvažovacieho hriadeľa. Ďalšie obmedzenie je dané samotným počtom valcov, či kultúrou chodu, ktoré majú značný vplyv na výber kategórie vozidla, ktorú bude daný motor poháňať. Zatiaľ je totiž nemysliteľné, aby napr. BMW, známe svojimi špičkovými motormi, poháňal hrkajúci dvojvalec. Ale ktohovie čo bude za pár rokov. Keďže trenie rastie s druhou mocninou otáčok, výrobcovia sa okrem samotného znižovania trenia snažia navrhnúť motory tak, aby dostatok dynamiky poskytovali v čo najnižších otáčkach. Keďže pri atmosférickom plnení maloobjemového motora je zvládnutie tejto úlohy nerealizovateľné, na pomoc prichádza opäť turbodúchadlo, resp, turbodúchadlo kombinované s mechanickým kompresorom. V prípade preplňovania len samotným turbodúchadlom sa však nejedná o ľahkú úlohu. Treba si uvedomiť, že turbodúchadlo má značnú zotrvačnosť roztočenia turbíny, čím vzniká tzv. turbodiera. Turbína turbodúchadla je poháňaná výfukovými plynmi a tie musí motor najskôr vyprodukovať, takže existuje určité oneskorenie od momentu zošliapnutia akcelerátora po očakávaný nástup ťahu motora. Rôzne moderné regulačné systémy turba sa samozrejme snažia tento neduh viac či menej úspešne kompenzovať a na pomoc prichádzajú aj nové konštrukčné vylepšenia turbodúchadiel. Turbodúchadlá sú tak čím ďalej menšie a ľahšie, reagujú čoraz rýchlejšie ruka v ruke s vyššími otáčkami. Športovo orientovaný vodiči odchovaný na otáčkových motoroch vyčítajú takýmto „nízkootáčkovým“ turbomotorom slabú resp. žiadnu gradáciu výkonu so stúpajúcimi otáčkami. Motor teda ťahá pocitovo stále rovnako dobre v nízkych, stredných aj vysokých otáčkach, bohužiaľ bez výkonovej špičky.

Bokom neostáva ani samotné zloženie zápalnej zmesi. Ako je známe, zážihový motor spaľuje takzvanú homogénnu – stechiometrickú zmes vzduchu a paliva. To znamená, že na 14,7 kg vzduchu pripadá 1 kg paliva – benzínu. Tento pomer sa tiež udáva ako lambda = 1. Uvedená zmes benzínu a vzduchu sa môže spaľovať aj pri iných pomeroch. Ak použijeme množstvo vzduchu 14,5 až 22:1, vtedy je veľký prebytok vzduchu – hovoríme o tzv. chudobnej zmesi. Ak obrátime pomer, množstvo vzduchu je menšie než stechionometrické a benzín je v prebytku (pomer vzduchu k benzínu je v rozmedzí 14 až 7:1), táto zmes sa označuje ako tzv. bohatá zmes. Ďalšie pomery mimo uvedenej hranice je obtiažne zapáliť, pretože sú príliš zriedené alebo naopak majú príliš málo vzduchu. V každom prípade obidva uvedené limity majú protichodný vplyv na výkon, spotrebu a tvorbu emisií. Z hľadiska emisií je v prípade bohatej zmesi značná tvorba CO a HC_x, produkcia NO_x je vplyvom nižších teplôt pri spaľovaní bohatej zmesi relatívne malá. Naopak pri spaľovaní chudobnej zmesi je vyššia najmä produkcia NO_x, vplyvom vyššej teploty horenia. Netreba zabúdať ani na rýchlosť horenia, ktorá je iná pre každé zloženie zmesi. Práve rýchlosť horenia je veľmi dôležitým faktorom, ktorý je však ťažko ovplyvniteľný. Na rýchlosť horenia zmesi má vplyv tiež teplota, stupeň vírenia (podporované otáčkami motora), vlhkosť vzduchu a zloženie paliva. Každý z týchto faktorov sa inak podieľa, najvyšší vplyv má vírenie a bohatosť zmesi. Bohatá zmes horí rýchlejšie ako chudobná, pri príliš bohatej zmesi však rýchlosť horenia výrazne klesá. Pri zapálení zmesi prebieha horenie najprv pomaly, s narastajúcim tlakom a teplotou sa rýchlosť horenia zvyšuje, k čomu napomáha aj narastajúce vírenie zmesi. Spaľovanie chudobnej zmesi prispieva ku zvýšeniu účinnosti spaľovania až o 20%, pričom podľa súčasných možností je najvyššia zhruba v pomere 16,7 až 17,3:1. Pretože pri pokračujúcom ochudobňovaní sa zhoršuje homogenizácia zmesi, čo vedie k výraznému poklesu rýchlosti horenia, poklesu účinnosti a tiež výkonu, prišli výrobcovia s tzv. vrstvením zmesi. Inými slovami, zápalná zmes je v spaľovacom priestore rozvrstvená tak, aby okolo sviečky bol pomer stechiometrický, teda ľahko zapáliteľný a vo zvyšnom okolí práve naopak aby bolo zloženie zmesi s podstatne vyšším podielom vzduchu. Táto technológia sa už používa v praxi (TSi, JTS, BMW), bohužiaľ, zatiaľ len do určitých otáčok resp. v režime malého zaťaženia. Vývoj však ide rýchlym krokom vpred.

Výhody downsizingu

• Takýto motor je nielen objemovo, ale  aj rozmerovo menší, takže ho možno vyrobiť s menším množstvom surovín a menšou spotrebou energie.
• Nakoľko sa pri výrobe motorov používajú ak nie rovnaké, tak podobné suroviny, bude teda motor v dôsledku menších rozmerov aj ľahší.  Celá konštrukcia auta môže byť menej robustná a tým ľahšia a lacnejšia, resp. pri stávajúcej ľahší motor menej zaťažuje nápravu. Jazdné vlastnosti sú potom tiež lepšie, pretože ich toľko neovplyvňuje ťažký motor.
• Takýto motor je menší a výkonnejší a nebude preto problém postaviť malé a výkonné auto, čo niekedy práve v dôsledku obmedzeného motorového priestoru nešlo.
• Menší motor má aj menšie zotrvačné hmoty, takže pri výkonovej zmene nespotrebováva toľko energie na rozhýbanie seba samého, ako  objemnejší motor.

Nevýhody downsizingu

• Takýto motor je podstatne viac tepelne aj mechanicky namáhaný.
• Objemovo aj hmotnostne je síce motor ľahší, ale z dôvodu prítomnosti rôznych pridaných častí, napríklad turbodúchadla, medzichladiča alebo vysokotlakového vstrekovania benzínu, sa zvyšuje celková hmotnosť motora, tiež sa zvyšuje cena motora, celý takýto komplet vyžaduje zvýšenú údržbu a riziko poruchy je vyššie, obzvlášť pri turbodúchadle, ktoré je vysoko teplotne i mechanicky namáhaným dielom.
• Niektoré prídavné systémy odoberajú motoru energiu (napríklad piestové čerpadlo priameho vstrekovania u motorov TSI).
• Vývoj a tiež výroba takéhoto motora je podstatne prácnejšia a náročnejšia ako v prípade atmosféricky plneného motora.
• Výsledná spotreba je stále ešte pomerne výrazne závislá na štýle jazdy.
• Vnútorné trenie. Na pamäti treba mať skutočnosť, že trenie v motore závisí na otáčkach. Relatívne zanedbateľné je to pri vodnej pumpe alebo alternátore, kde rastie trenie s otáčkami lineárne. Trenie vačkov alebo piestnych krúžkov však rastie s druhou mocninou, čo môže mať za následok, že rýchlootáčkový malý motor bude vykazovať vyššie vnútorné trenie ako objemovo väčší, bežiaci v nižších otáčkach. Ako však bolo uvedené, veľa záleží na konštrukčnom riešení a prevádzkových vlastnostiach daného motora.

Takže má downsizing budúcnosť? Napriek určitým nevýhodám si myslím, že jednoznačne áno. Avšak atmosféricky plnené motory hneď tak nevymiznú, už len z dôvodu ekonomiky výroby, pokroku technológii (Mazda Skyactive-G) alebo z dôvodu nostalgie či zvyku. Neprajníkom, ktorí výkonom malého motora nedôverujú odporúčam naložiť takéto vozidlo štyrmi dostatočne živenými osobami, následne vyhľadať kopec, predbiehať a testovať. Podstatne viac komplikovanejšou otázkou ostáva spoľahlivosť. Pre kupcov jazdenky síce existuje riešenie, aj keď zaberie viac času ako skúšobná jazda. Počkať si pár rokov ako sa daný motor prejaví, a potom sa rozhodnúť. Celkovo však možno zhrnúť riziká nasledovne. Oproti objemnejšiemu atmosférickému motoru s rovnakým výkonom je turbom dopovaný menší motor oveľa viac namáhaný tlakom vo valcoch a aj teplotne. Takéto motory majú teda podstatne viac namáhané ložiská, kľukový hriadeľ, hlavu valcov, rozvody a pod. Riziko zlyhania pred ukončením plánovanej životnosti je však pomerne malé, keďže výrobcovia motory na také namáhanie patrične dimenzujú. Stanú sa však aj chybičky, spomeniem napr. problémy s preskakujúcou rozvodovou reťazou pri motoroch TSi. Všeobecne však možno povedať, že životnosť týchto motorov asi nebude tak veľkoryso dimenzovaná ako v prípade atmosféricky plnených motorov. Tento fakt sa tak bude týkať najmä jazdených vozidiel s vyšším počtom kilomerov. Zvýšenú pozornosť treba venovať aj spotrebe. Oproti starším turbobenzínom sa s tými modernými preplňovanými dá jazdiť podstatne viac úspornejšie, pričom tie najlepšie sa pri úspornej prevádzke približujú spotrebe porovnateľne výkonných turbodieselov. Nevýhodou je stále vyššia závislosť na jazdnom štýle vodiča, a tak ak chcete jazdiť úsporne, musíte citlivo narábať s akcelerátorom. Tento handicap oproti dieselom však benzínové turbomotory kompenzujú lepšou kultivovanosťou, nižším hlukom, širším rozsahom využiteľných otáčok alebo absenciou toľko kritizovaného DPF filtra.