Do niedawna wszystko było oczywiste. Mieliśmy "wątłe" wolnossące silniki ZI o maksymalnych prędkościach obrotowych rzędu 6500-7000 obr./min. i maksymalnych ciśnieniach w cylindrze wynoszących około 60 barów. Po drugiej stronie mieliśmy potężne odlewy silników ZS, które to silniki, osiągały tylko ok. 5000 obr./min., ale maksymalne ciśnienia w ich cylindrach dochodziły nawet do 200 barów.
Sprawy się skomplikowały wraz z nastaniem turbodoładowanych silników benzynowych, które pomimo doładowania zachowywały wysoki stopień sprężania. Z jednej strony muszą one dalej osiągać wysokie prędkości obrotowe, a z drugiej konstrukcja musi być odporna na ciśnienia spalania rzędu 120-130 barów. Wymaga to zarazem lekkiej jak i wytrzymałej budowy.
Silnik rokuW konkursie na silnik roku 2009, 2.0 TSI drugiej generacji wygrał klasę do dwóch litrów, a 1.8 TSI był trzeci w klasie do 1,8 litra. Co ciekawe w rankingu znalazł się też 2.0 TSI pierwszej generacji, zajmując trzecie miejsce w klasie do dwóch litrów.
Zamieszanie z nazwamiNa fali popularności 1.4 TSI Twincharger postanowiono przemianować także turbodoładowane TFSI na TSI. Co zabawniejsze, nazwa TFSI dalej funkcjonuje w ramach marki Audi. Skrót ten jest przez większość osób rozwijany jako Turbocharged Fuel Stratified Injection. Problem w tym, że Stratified oznacza "uwarstwiony" a w tych silnikach nie ma uwarstwiania mieszanki - jest ona homogeniczna. Dlatego znacznie bardziej prawidłowym rozwinięciem jest TFSI - Turbocharged Fuel Straight Injection.
Owszem mieszanka uwarstwiona występowała w niektórych silnikach FSI (i to głównie tych na rynek europejski, ale już nie na np. amerykański), ale wycofano się z tego rozwiązania. Problemem była nadmierna emisja tlenków azotu. W mieszance uwarstwionej, są zarówno obszary bogate w paliwo jak i ubogie. W tych ostatnich dochodzi do dużego wytwarzania NOx. W tym przypadku zwykły katalizator trójfunkcyjny nie wystarcza - trzeba stosować bardziej zaawansowane układy oczyszczania spalin. Nawiasem mówiąc to jest problem, który obecnie dotyczy silników Diesla i po wprowadzeniu bardziej surowych ograniczeń emisji, może spowodować ich całkowite wykluczenie, z rynku silników do samochodów osobowych...
Trochę historii współczesnejPierwsza generacja 2.0 TSI pochodziła od wolnossącego 2.0 FSI, którego korzenie sięgały jeszcze głębiej - rodzinę EA113 wprowadzono już w 1993 roku. Takie rozwiązanie miało kilka wad - choćby napęd rozrządu paskiem zębatym czy niezbyt już nowoczesny projekt kadłuba. Później pojawił się 1.8 TSI, należący do całkiem nowej rodziny EA888. Pomimo podobieństwa wymiarów (ta sama odległość pomiędzy osiami cylindrów: 88 mm) uzyskał on całkiem nowy kadłub, a praktycznie wszystkie układy zaprojektowano od nowa. Niedawno wprowadzono do produkcji drugą generację 2.0 TSI, która wygląda bardzo podobnie do 1.8 TSI. Widać, że silnik 2.0 był równolegle projektowany do 1.8 - zwłoka przy wprowadzaniu do produkcji musiała być sztuczna. Pewnie chodziło o wysondowanie trwałości EA888 i o wykorzystanie linii produkcyjnych pierwszej generacji 2.0 TSI, tak by się zwróciły (w znaczeniu ekonomicznym) przed demontażem lub przebudową.
Parametry1.8 i 2.0 TSI występują w wielu wersjach, najczęściej spotykane:
- 1.8 TSI 160 KM przy 5000-6200 obr./min., 250 Nm przy 1500-4200 obr./min., przy 2000 obr./min. uzyskuje 71 KM (44% mocy maksymalnej), elastyczność całkowita 5,7;
- 2.0 TSI 200 KM przy 5100-6000 obr./min., 280 Nm przy 1700-5000 obr./min., przy 2000 obr./min. uzyskuje 80 KM (40 % mocy maks.), elastyczność 4,22 ;
- 2.0 TSI z Valvelift 211 KM przy 4300-6000 obr./min., 350 Nm przy 1500-4200 obr./min., przy 2000 obr./min. uzyskuje 100 KM (47 % mocy maks.), elastyczność 5,67.
Widać, że silniki te nadają się zarówno dla ludzi młodych duchem (szerokie zakresy stałej mocy), jak i emerytów (duża elastyczność, wysoka moc przy niskich prędkościach obrotowych).
Unifikacja1.8 TSI i 2.0 TSI drugiej generacji mają praktycznie identyczną konstrukcję. Ta sama odległość między osiami cylindrów (88 mm), średnica cylindrów (wynosząca 82,5 mm) a nawet masa - 144 kg (poprzednio 152 kg). Rożnica dotyczy tylko skoku tłoka, odpowiednio 84,1 i 92,8 mm. Najbardziej szokującym elementem unifikacji są korbowody o jednakowej odległości pomiędzy osiami otworów: 148 mm. Iloraz promienia wykorbienia wału (połowa skoku tłoka*) do długości korbowodu** jest jednym z najważniejszych parametrów silnika. Mały (długi korbowód) oznacza że silnik będzie wyższy, duży (krótki korbowód) spowoduje powiększenie przyspieszeń i sił bezwładności drugiego rzędu, a także zwiększenie siły poprzecznej, którą tłok naciska na cylinder. Zwykle ten iloraz wynosi ok. 0,3. W przypadku 1.8 TSI ma on wartość 0,284, a 2.0 TSI 0,314. Widać, że tylko w tym drugim przypadku bardzo wskazane są wałki wyrównoważające siły drugiego rzędu - dzięki unifikacji otrzymał je także mniejszy silnik.
Wojna stopów lekkich z żeliwemWiększość firm buduje kadłuby silników ZI z aluminium, zostawiając żeliwo dla bardziej obciążonych ZS. Motywują to niższą masą silnika, ale to tylko jedna strona medalu.
Niższą wytrzymałość aluminium, względem żeliwa, da się nadrobić stosowaniem większych przekrojów. Problemem stają się za to np. gniazda łożysk głównych (niektórzy stosują stalowe wkładki) czy połączenia gwintowe. Dochodzi do tego, że wielu producentów nie pozwala na demontaż wału korbowego, bo uznają gwinty w kadłubie za jednorazowe.
Dodatkowo aluminium charakteryzuje się ograniczoną odpornością na powtarzające się cykle zginania - kadłub wysokowysilonego silnika może być po prostu nie trwały.
Żeliwo nie ma tego typu problemów. Już wytrzymałość na rozciąganie (szczególnie w wysokich temperaturach) jest wyższa niż w przypadku stopów aluminium. Jak już kiedyś wspominałem, cyferka w nazwie określa właśnie wytrzymałość na rozciąganie w MPa (N/mm^2). Mało tego, żeliwo jest nietypowym materiałem - jego wytrzymałość na ściskanie jest znacznie wyższa niż na rozrywanie. Jest także odporne na powtarzające się cykle zginania, a zawarty w nim grafit powoduje dobre tłumienie drgań - silniki o żeliwnych kadłubach są cichsze.
Dobre wartości ślizgowe i wysoka odporność na ścieranie, pozwalają na bezpośredni ruch tłoka w żeliwnym kadłubie - bez dodatkowych powłok. Korzyścią z takiego rozwiązania jest mała odległość między cylindrami i długość silnika.
Jest jedna cecha żeliwa, którą można jednocześnie uznać za wadę jak i za zaletę: mała przewodność cieplna. Z jednej strony sprzyja spalaniu stukowemu, ale z drugiej powoduje mniejsze straty ciepła, owocując niższym zużyciem paliwa. Na szczęście, w zapobieganiu spalaniu stukowemu, większy udział ma aluminiowa głowica, oraz odparowywanie benzyny na skutek wtrysku do komory spalania.
Warto też wspomnieć o tym, że rozszerzalność cieplna takiego kadłuba jest zbliżona do rozszerzalności wału korbowego. Pozwala to na ograniczenie luzów montażowych i podniesienie trwałości.
Wykonany z popularnego i taniego żeliwa szarego GJL-250 blok silników 1.8 i 2.0 TSI waży tylko 33 kg. Wszystko dzięki postępowi w technikach projektowania (np. oprogramowanie MES) i dobremu rozmieszczeniu żeber wzmacniających. Przy okazji zredukowano podstawową grubość ścianek do 3,5 mm. Między cylindrami nie ma płaszcza wodnego - grubość ścianki wynosi tu tylko 5,5 mm. Kadłub ten jest projektowany na średnie ciśnienie użyteczne 25 barów, co w przypadku silnika o pojemności 1798 ccm odpowiada momentowi obrotowemu 358 Nm, a dla 1984 ccm - 395 Nm. Dopuszczalna moc generowana przez silnik może przekraczać 100 kW (136 KM) na litr pojemności.
Obecnie popularne są dwie metody zwiększania sztywności silnika: stosowanie wspólnej pokrywy łożysk głównych lub obniżenie płaszczyzny podziału poniżej osi wału korbowego. Wspólna pokrywa łożysk głównych jest dobrym rozwiązaniem, gdy zarówno ona jak i kadłub są aluminiowe. Zastosowanie żeliwnej pokrywy podniosłoby znacznie masę silnika - dlatego np. Fiat w silniku 1.3 SDE*** zastosował aluminiową pokrywę przykręcaną do żeliwnego kadłuba. Jest to pomysł nowatorski, ale ryzykowny (odmienna rozszerzalność cieplna, trwałość gniazd łożysk).
VW zdecydował się na hybrydowe rozwiązanie: pokrywy łożysk są osobne, płaszczyzna podziału przesunięta w dół (co już gwarantuje wysoką sztywność), ale poniżej przykręcana jest jeszcze aluminiowa płyta - pomiędzy kadłubem a miską olejową. Mało tego, głęboko wchodzące w kadłub pokrywy łożysk, zostały usztywnione poprzez dodatkowe, poziomo wkręcane śruby. Każdą pokrywę trzymają cztery śruby, typowe pionowo ustawione i dodatkowe poziomo.
Układ korbowo-tłokowy - bez oszczędnościZ punktu widzenia kierowcy, silnik czterocylindrowy rzędowy nie potrzebuje żadnych przeciwwag na wale korbowym, siły pierwszego rzędu równoważą się dzięki kątowemu przesunięciu wykorbień o 180 stopni. W przypadku takiego silnika stosuje się przeciwwagi tylko by odciążyć łożyska główne (panewki). Najbardziej obciążone jest łożysko środkowe, bo oba, umieszczone obok niego, tłoki poruszają się w tym samym kierunku. By nie zaburzyć wyrównoważenia całego silnika, "dokłada" się jeszcze dwie przeciwwagi na skraju wału, które mają równoważyć te przy łożysku środkowym i tak otrzymuje się popularny układ z czterema przeciwwagami. Bardziej ambitne silniki mają układ z ośmioma przeciwwagami, po jednej na każde ramię wału, dzięki czemu nie dochodzi do powstawania dodatkowych sił zginających.
VW 1.8 i 2.0 TSI posiadają osiem przeciwwag, ale o różnych wymiarach. Największe znajdują się przy łożysku środkowym, pozostałe to już odpowiednia kombinacja uwarunkowane miejscem, które do dyspozycji posiadali konstruktorzy.
Czopy główne mają średnicę 58 mm a korbowodowe 47,8 mm, co można uznać za dość duże wartości.
Chłodzone natryskiem oleju tłoki posiadają zatopiony stalowy pierścień w kształcie przewróconego U. Pełni on funkcję rowka dla górnego pierścienia uszczelniającego, co zapobiega szybkiemu zużyciu przez wybijanie. Wystarczy sobie uświadomić, z jaką siłą górny pierścień działa na rowek - w komorze spalania może panować ciśnienie rzędu 120 barów, czyli ok. 120 kG/cm^2.
Korbowód posiada główkę w kształcie trapezowym, co jest kolejnym rozwiązaniem zaczerpniętym z silników Diesla. Umożliwia ono zwiększenie powierzchni na tulejce korbowodu na którą się rozkłada siła ściskająca, pochodząca od ciśnienia gazów. Odbywa się to kosztem powierzchni na którą działa mniejsza siła rozciągająca będąca sumą sił bezwładności.
Ruch osiowy sworzni jest zablokowany przez pierścienie zabezpieczające, czyli sworznie mogą się obracać nie tylko w tulejce korbowodu ale i w tłoku. Nie musi się to dziać podczas normalnej eksploatacji, ale w wyjątkowym przypadku, gdy sworzeń zatrze się w tulejce, może dalej obracać się w tłoku. To tradycjonalistyczne rozwiązanie może uchronić silnik przed katastrofą.
W krainie łańcuchów zębatychW pierwszej generacji 2.0 TSI występował pasek zębaty, napędzający "wylotowy" wałek rozrządu i pompę cieczy chłodzącej. Drugi wałek był napędzany, od pierwszego, przez krótki łańcuch rolkowy - przesunięcie prowadnic zmieniało czasy otwarcia zaworów dolotowych. Było to rozwiązanie proste, ale nieprzyszłościowe - nie umożliwiało łatwej mechanizmu rozrządu, tak by można uzyskać także zmienne fazy zaworów wylotowych. Kolejny łańcuch rolkowy napędzał pompę oleju i wałki wyrównoważające znajdujące się w misce olejowej.
W drugiej generacji 2.0 TSI (i oczywiście 1.8 TSI) większość funkcji przejęły łańcuchy zębate. Nie posiadają one wad łańcuchów rolkowych: hałaśliwej i nierównomiernej pracy, pogarszającej się współpracy z kołami na skutek zużycia, ani wad pasków zębatych: dużej szerokości, konieczności stosowania dodatkowych uszczelnień czy znacznej awaryjności.
Najdłuższy łańcuch napędza oba wałki rozrządu, wałek dolotowy ma hydrauliczny "wariator" faz rozrządu, może on się przestawiać o 60 stopni, w poprzednim rozwiązaniu były to 42 stopnie.
Zmienne fazy rozrządu zaworów dolotowych mają także sens w silnikach doładowanych. Przy dużych obciążeniach mogą zwiększyć przekrycie, polepszając wymianę ładunku i chłodząc silnik przez przepłukiwanie. Przy mniejszych mogą pozwolić części spalin pozostać w cylindrze, realizując tzw. "wewnętrzny EGR", z korzyścią dla ekologii i zużycia paliwa.
Sam napęd zaworów jest typowy dla współczesnych konstrukcji - jednostronne dźwigienki z rolkami i kompensacją luzu zaworowego w podpórkach. Taka konstrukcja charakteryzuje się małymi stratami tarcia (ograniczenie zużycia paliwa), niską masą (możliwość stosowania w wysokoobrotowych silnikach) i bezobsługowym działaniem. Na razie chyba nie opracowano bardziej praktycznego rozwiązania.
Zawory wydechowe są wypełnione sodem, jego temperatura topnienia to zaledwie 98 stopni Celsjusza. Podczas pracy silnika sód znajduje się w stanie płynnym i, przemieszczając się wzdłuż trzonka zaworu, polepsza jego chłodzenie.
W 1.8 TSI i 2.0 TSI bez Valvelift, wznios zaworów wydechowych to 8 mm, a dolotowych aż 10,7 mm. Wersja 211-konna, dedykowana większym modelom Audi, otrzymała prosty mechanizm zmiennych wzniosów zaworów dolotowych, nazwany Valvelift. Cała sztuczka polega na podwojeniu ilości krzywek i umieszczeniu ich na przesuwnej tulei. O ich przełączeniu decydują trzpienie, które podczas normalnej pracy nawet nie dotykają tulei. Całość jest bardzo prosta i nie wymaga nawet stosowania silników elektrycznych - jak w wielu konkurencyjnych pomysłach. Układ pracuje w dwóch trybach, albo oba zawory dolotowe mają wznios 11 mm, albo (przy małych obciążeniach) jeden ma wznios 5,7 a drugi 2 mm.
Kolejny łańcuch zębaty napędza pompę oleju o zazębieniu zewnętrznym. Takie, tradycyjne podejście do tematu, ma jedną zasadniczą zaletę - pozwala zamontować pompę bardzo nisko. Ułatwia to jej zassanie oleju z miski. Warto zauważyć, że przy przeciążeniu bocznym 9,81 m/s^2 (1 G), które da się wygenerować w samochodach o lekko sportowych ambicjach, lustro oleju pochyla się o 45 stopni! Oczywiście, bardziej wyrafinowanym rozwiązaniem, jest zastosowanie tzw. suchej miski olejowej, z dodatkową pompą odsysającą olej do dodatkowego zbiornika, ale to się kłoci z próbami ograniczania zużycia paliwa - druga pompa musi pobierać pewną moc. W silniku "popularnym" wystarczy prostsze rozwiązanie.
Trzeci łańcuch zębaty napędza wałki wyrównoważające. Kręcą się one z dwukrotną**** prędkością wału, jeden jest bezpośrednio napędzany przez łańcuch, drugi przez łańcuch i przekładnię zębatą - musi się obracać w przeciwnym kierunku. Niwelują one pionowe siły bezwładności, ale wytwarzają także poziome, po to są przeciwne kierunki obrotów by poziome składowe sił, od wałków, się znosiły.
Tym razem wałki powędrowały bezpośrednio do kadłuba, dzięki temu silnik jest niższy, ale szerszy (większa szerokość oznacza także większą sztywność). Dodatkowo, siły od wałków nie obciążają już żadnych połączeń śrubowych, jak to było gdy montowano je w osobnym, przykręcanym odlewie.
Znalazło się jednak miejsce dla jednego, krótkiego paska zębatego. Napędza od pompę cieczy chłodzącej od wałka wyrównoważającego. Jest to pewniejsze rozwiązanie niż napęd paskiem osprzętu, w końcu pompa wody ma znaczenie krytyczne, w przeciwieństwie do alternatora czy sprężarki klimatyzacji.
Napęd od któregoś z łańcuchów nie wchodził w grę - groziłoby to, gdyby nastąpił przeciek, mieszaniem się oleju z cieczą chłodzącą, a także utrudniało demontaż pompy.
Obok niej znajduje się chłodnica oleju, który intensywnie się nagrzewa podczas natrysku na tłoki.
KonsumpcjaStopień sprężania zredukowano do 9,6, teraz zalecanym paliwem jest benzyna 95. Jest to bardziej opłacalne rozwiązanie niż utrzymywanie wyższego stopnia sprężania przy jednoczesnej konieczności stosowanie benzyny 98. I nie chodzi tu tylko o cenę - silnik o wyższym stopniu sprężania ma większą sprawność, ale benzyna 98 posiada niższą wartość opałową***** od 95. W efekcie, pomimo mniejszych strat energii, jej zużycie może być większe. Omawianymi silnikami można też jeździć na benzynie 91 - godząc się na pewną utratę mocy.
Wysokociśnieniowa pompa paliwa jest napędzana od wydechowego wałka rozrządu, zamiast dotychczasowej, eliptycznej krzywki, zastosowano "zaokrąglony kwadrat". Tłoczek pompy wykonuje teraz cztery, zamiast dwóch, krótsze skoki na obrót wałka rozrządu. Owocuje to mniejszymi wymiarami i mniejszymi wahaniami ciśnienia we wspólnej szynie. Przy okazji cykle pracy pompy współgrają z otwarciem wtryskiwaczy. Ciśnienie paliwa jest regulowane od 50 barów, przy niskich obciążeniach, do 150 barów przy wysokich. Dzięki temu nie tracona jest zbyt wysoka moc****** na pompowanie paliwa, pod wysokim ciśnieniem, gdy to nie jest potrzebne.
Elektromagnetyczne, pochylone pod dużym kątem (ułożone niemal poziomo) wtryskiwacze, posiadają po sześć otworków. Strumienie paliwa tworzą coś podobnego do stożka o kącie rozwarcia 50 stopni. Tradycyjnie dla FSI, w kolektorze dolotowym znajdują się specjalne klapy odpowiadające za zawirowanie powietrza. Do 3000 obr./min. zamykają one część przekroju kanałów dolotowych. Zawirowanie jest tu bardzo ważne, z uwagi na późny wtrysk benzyny - czas na jej odparowanie jest krótki. O tym, że problem istnieje i nie każdy potrafi sobie z nim poradzić, może świadczyć silnik 2GR-FSE (3.5 V6), zastosowany w Lexusie. Tam posunięto się aż do zastosowanie podwójnego układu wtryskowego, bezpośredniego i do kolektora dolotowego. Paliwo wtryśnięte do kolektora dolotowego ma znacznie więcej czasu na odparowanie - choć jak widać po TSI, nie każdy musi uciekać się do takich sztuczek...
Za tłoczenie powietrza odpowiada dobrze znana, zintegrowana z kolektorem wydechowym, turbosprężarka Borg Warner K03. Jest ona chłodzona cieczą, nie zapomniano także o dodatkowej pompce, wymuszającej ruch cieczy tuż po wyłączeniu silnika. Ma to zabezpieczyć turbosprężarkę przed uszkodzeniem, szczególnie po jeździe z intensywnym wykorzystywaniem osiągów.
Zagadka hamulcowa...Z silnikami turbodoładowanymi wiąże się pewna ciekawostka. W wolnossących ZI, podciśnienie w kolektorze dolotowym służyło do zasilania serwa hamulcowego. Ale jak wzmacniać siłę, działającą na pompę hamulcową, w silniku doładowanym? W silnikach 1.8 i 2.0 TSI, do wytwarzania podciśnienia stosowana jest dodatkowa, napędzana od wydechowego wałka rozrządu, pompa próżniowa. Oprócz serwa zasila ona także siłowniki podciśnieniowe - np. od klap w kolektorze dolotowym.
Tu już koniec bajki o silnikach EA888, które mają turbodoładowanie, bezpośredni wtrysk i bardzo solidną konstrukcję - niczym turbodiesel, tylko jakimś dziwnym trafem, w komorach spalania, znajdziemy świece zapłonowe, a nie żarowe...
Szczególnie atrakcyjny jest 1.8 TSI 160 KM, bo jest on (obok 1.4 122 KM), promowany jako "silnik dla ludu", można go otrzymać w popularnych modelach samochodów. Póki co, mniejszy brat (1.4 TSI) cieszy się większą popularnością wśród nabywców np. Skody Octavii, ale czy całkiem zasłużenie?
W ramach porównania:
- 1.8 TSI 160 KM przy 5000-6200 obr./min., 250 Nm przy 1500-4200 obr./min., przy 2000 obr./min. uzyskuje 71 KM (44% mocy maksymalnej), elastyczność całkowita 5,7;
- 1.4 TSI 122 KM przy 5000-5500 obr./min., 200 Nm przy 1500-4000 obr./min., przy 2000 obr./min. uzyskuje 57 KM (47% mocy maksymalnej), elastyczność całkowita 4,7;
- [UPDATE - na życzenie 1.4 160 KM, choć nie występuje razem z 1.8 (w tych samych modelach)]
- 1.4 TSI 160 KM przy 5800 obr./min., 240 Nm przy 1500-4500 obr./min., przy 2000 obr./min. uzyskuje 68 KM (43% mocy maksymalnej), elastyczność całkowita 4,8.
* ale tylko gdy nie ma przesunięcia płaszczyzny pionowej cylindrów względem osi wału korbowego
** skrót myślowy - odległości pomiędzy osiami otworów
*** Small Diesel Engine - lub handlowo 1.3 JTD Multijet
**** wynika ze wzoru siła_bezwładności=masa*omega^2*r(cos(alfa)+(r/l)cos(2*alfa)), gdzie r - to promień wykorbienia, l - długość korbowodu, alfa - kąt OWK. Wałki wyrównoważają siłę wynikającą z drugiego członu wzoru. Tak nawiasem mówiąc, siła bezwładności w rzeczywistości nie istnieje, to sztuczny twór pomagający zrozumieć mechanikę klasyczną:)
***** benzyna 98 zawiera duże ilości dodatków podnoszących liczbę oktanową. Konkretnie jest to ok. 10% eteru metylo-tert-butylowego o liczbie oktanowej (badawczej) 116. Jednocześnie jego wartość opałowa wynosi zaledwie 35 MJ/kg, podczas gdy benzyny 43 MJ/kg. Mówiąc obrazowo "jest mniej benzyny w benzynie".
****** moc traconą na pompowanie jest łatwo ocenić - moc [W]=ciśnienie [Pa]*prędkość przepływu [m^3/s]
