Neki od vas još pamte dizelske motore bez kompresora i benzinske s rasplinjačem. Danas se takvi motori više ne proizvode i više se neće vratiti. Posljednjih godina dizajneri su napravili toliko posla da je čak i usporedba motora od prije desetak godina i onih koji se trenutno koriste praktički nemoguća. Sve u ime ekologije i ekonomije eksploatacije. Šta su donijele promjene i kakvi su danas standardi motora s unutrašnjim sagorijevanjem?
Standardi i zahtjevi
Ključni trenutak u razvoju motora s unutrašnjim sagorijevanjem bila je 2005. godina kada je na snagu stupio standard čistoće izduvnih gasova Euro 4. Već tada je emisija štetnih tvari iz ispušnog sistema radikalno smanjena. Emisione vrijednosti ugljikovodika, dušikovih oksida i ugljičnog monoksida u prosjeku su se smanjile za polovicu, a u dizelu i čestice. Već tada su proizvođači koji nisu imali problema s poštivanjem pravaca razmišljali o nadolazećem Euro 5. Počelo se raditi na tehnologijama i rješenjima koja su motore trebala učiniti još čišćima. Euro 5 standard nije uticao na benzinske motore toliko koliko na dizel motore. Potonji je morao pokazati nešto manju emisiju ugljikovodika i dušikovih oksida, ali je emisiju čestica trebalo smanjiti čak 5 puta. Euro 6 na snazi je od septembra 2014. godine i danas ga moraju ispunjavati svi automobili koji se prodaju u Evropskoj uniji. Koje tehnologije i tehnička rješenja koriste proizvođači za to?
Učinkovitost, performanse i više učinkovitosti
Treba imati na umu da su motor i automobil neodvojivi elementi i ne možemo govoriti o samom motoru osim ako se ne spominju druge komponente. Standardi čistoće izduvnih gasova testiraju se na kompletnim automobilima, a ne na samim motorima, pa je pogrešno reći da motor zadovoljava ove ili druge standarde – zadovoljava ih automobil koji pokreće određeni motor. Učinkovitost motora s unutrašnjim sagorijevanjem je još uvijek relativno niska i došlo je do promjena u dizajnu automobila. Danas proizvođači nastoje postići što manju masu praznog vozila, nizak otpor kotrljanja i dobru aerodinamiku. Vrlo je važno upravljati svim komponentama automobila na način da stvaraju što manji otpor za kretanje vozila, ali i za rad motora. Naravno, sam motor ostaje ključni element.
Učinkovitost je primarni cilj dizajnera motora ovih dana. Sagorijevanje goriva provodi se na način da se smanji gubitak energije sadržane u njemu. Istodobno, korisnik želi voziti automobil s dobrim performansama. Da bi se postigao ovaj cilj, bilo je potrebno započeti s poboljšanjem sistema ubrizgavanja koji opskrbljuju gorivo u komorama za sagorijevanje.
Krajem 1990-ih, dizelski inženjeri su se složili da je budućnost precizno i pod visokim pritiskom dozirano ubrizgavanje goriva, bez obzira radi li se o benzinskom ili dizelskom motoru. Tada je započeo veoma dinamičan razvoj dizelskih motora s Common Rail ubrizgavanjem. Jedan od pionira ovog rješenja bio je Peugeot. Kupci su brzo naučili o prednostima ovog rješenja. Uglađen rad motora, visoka dinamika i veoma niska potrošnja goriva – to je postignuto promjenom načina isporuke goriva. Nakon 2000. godine sve veće automobilske kompanije na tržištu nudile su ili radile dizelske motore s Common Rail ubrizgavanjem.
Razvoj Common Rail sustava omogućio je povećanje pritiska ubrizgavanja s 1.000 bara na preko 2.000 bara u samo 15 godina. Danas je precizno ubrizgavanje goriva moguće zahvaljujući piezoelektričnim, veoma brzim mlaznicama, koje su zamijenile primitivna elektromagnetska rješenja koja nisu išla ukorak s napretkom tehnologije. Uvođenjem naknadnih Euro standarda nisu bile potrebne samo dobre performanse, već i učinkovitost koja se očitovala niskim emisijama. Današnju razinu ne bi bilo moguće postići bez nekoliko, od 5 do 7, doza goriva precizno isporučenih tokom jednog hoda klipa. To je moguće samo zahvaljujući piezoelektričnim injektorima, koje gotovo od početka koriste, između ostalih, Peugeot u motorima s oznakom HDI.
Razvojem dizelskih sistema ubrizgavanja nastavljena su ispitivanja s direktnim ubrizgavanjem na benzinske motore. U početku ne baš uspješan, ali s vremenom sve pouzdaniji i korisniji i s ekonomskog i s ekološkog stajališta. Benzinski motori s direktnim ubrizgavanjem imaju vrlo čiste izduvne gasove. Osim toga, odlikuje ih visoka kultura rada, puno veća učinkovitost nego u slučaju indirektnog ubrizgavanja i povoljna krivulja momenta, dostupna u nižem rasponu okretaja. Druga je stvar što atmosferski motor s indirektnim ubrizgavanjem nije u stanju postići maksimalni zakretni moment jedinice s direktnim ubrizgavanjem. Danas direktno ubrizgavanje postaje standard iako u manjim atmosferskim motorima koji pokreću male automobile to još nije potreba. Ipak, očekuje se da će se u narednim godinama uvesti na sve benzinske motore. U bliskoj budućnosti mogu se očekivati daljnje faze povećanja učinkovitosti benzinskih motora povećanjem pritiska prednabijanja, pritiska ubrizgavanja i omjera kompresije. Kompresijsko paljenje također se ozbiljno razmatra u benzinskim motorima, čak i u određenom rasponu brzina i opterećenja.
Učinkovitost također znači manje gubitke, a u motorima gubitke stvara svaki pribor, svaki ležaj i svaki mehanički, pokretni dio. Dizajneri su imali puno posla u smislu smanjenja trenja i otpora. Danas se u kombinaciji s motornim uljima niske viskoznosti koriste materijali radilice i klipa s niskim trenjem. Ležajevi su dizajnirani da budu što lakši i stvaraju što manje gubitke. Alternator može puniti bateriju samo tokom kočenja, te na taj način obnavlja energiju tokom ovog procesa, a da pritom ne gubi energiju motora prilikom vožnje automobila, što se može nazvati mikrohibridnom tehnologijom koju Peugeot koristi u e-HDI motorima. U takvim konstrukcijama alternator također postaje starter, što omogućuje brzo pokretanje automobila opremljenog Start & Stop sistemom.
Zbog učinkovitosti, pojedine pumpe koje je nekada pokretao motor preko remena ili jednostavnog prijenosa postaju električne. I ovdje posebnu pažnju zaslužuje servo upravljač, čija je hidraulička verzija već historija. U bliskoj budućnosti, inovativno prije 10-15 godina, električna pomoć će postati norma. Sve to kako bi se ograničili gubici snage motora s unutrašnjim sagorijevanjem. Drugi primjer bi bila pumpa za ulje čija se protok i pritisak regulišu na temelju brojnih parametara kao što su temperatura, brzina i opterećenje motora.
Otpad je također gorivo koje se sagorijeva kada nije potrebno. Naravno, isključivanje paljenja kada otpustite papučicu gasa je standard koji postoji već desetljećima, ali danas je većina automobila opremljena Start & Stop sistemom. Sistem isključuje motor kada vozilo miruje, čak i na kratko. To rezultuje mjerljivom uštedom goriva, posebno tokom gradske vožnje, gdje je zaustavljanje na semaforima normalno. Ispravno uključen u neutralnu brzinu omogućuje, između ostalog. u automobilima Peugeot, aktiviranje Start & Stop sistemai, posljedično, gašenje motora pri dolasku na raskrsnice pri maloj brzini. Zahvaljujući električnom servo upravljaču, nema potrebe za brigom da se nećete moći okrenuti.
Drugi gubitak energije je grijanje motora. Toplinske mašine, kao što je motor s unutrašnjim sagorijevanjem, imaju prednost što učinkovito rade samo u uskom temperaturnom rasponu. Zato vožnja s motorom koji nije dosegao optimalnu temperaturu nije učinkovita, a u to vrijeme hladan motor ispušta puno štetnih tvari. Ovdje, između ostalih, fazni termostati koji bolje upravljaju temperaturom motora od konvencionalnih termostata. U motorima s kompresorom postaje uobičajena praksa spajanja komponenti koje međusobno zagrijavaju. Kao rezultat toga, čak i u zimskim uslovima, temperatura rashladne tekućine postiže ispravnu temperaturu nakon samo 1-3 kilometra vožnje.U dizelskim motorima grijači se koriste za zagrijavanje komore za sagorijevanje čak i tokom vožnje, na primjer, na uzbrdici ili usporavanju pri velikoj brzini, kada se proces sagorijevanja goriva ne odvija. Sve to kako motor ne bi izgubio temperaturu u kojoj se najbolje osjeća. Također iz tog razloga, aluminij postaje uobičajen materijal za izradu ne samo glava cilindra, već i trupa motora. Osim toga, sami motori su sve čvršće zbijeni unutra. Već postoje odvojeni sustavi hlađenja za blok motora i glavu.
Važna faza u razvoju motora s unutrašnjim sagorijevanjem je tehnologija smanjenja. Ovaj se pojam može prevesti kao smanjenje veličine motora bez gubitka performansi, što je praksa koja se posljednjih godina provodi u gotovo svim proizvođačima automobila u svijetu. Ideja je jednostavna – mali motor treba manje goriva od velikog. Problem koji je trebalo riješiti bila je naravno izvedba koju je trebalo sačuvati, pa čak i poboljšati u odnosu na veći motor. Ako se dobro sjećamo, downsizing se koristio već 90-ih, ali tada smo takve motore jednostavno nazivali malim i slabim. Moderno smanjenje veličine sastoji se od prilično malih i snažnih pogonskih jedinica.
Ne postoji drugi način za izvlačenje velike snage iz malog motora osim turbo motora. Zato moderni mali motori mogu imati zapremine od 0,8 do 1,2 litre, a s tri cilindra umjesto četiri su još manje pohlepni za gorivom. Međutim, potpuno se razlikuju od starih atmosferskih motora. Može se pretpostaviti da su danas 1,2-litreni motori zamijenili atmosferske 1,6- ili 1,8-litrene motore. Tokom tihog rada postižu puno manju potrošnju goriva, a zahvaljujući većim vrijednostima okretnog momenta ubrzavaju dinamičnije od niskih okretaja. Čak i ako imaju manju maksimalnu snagu, percipirana dinamika će biti slična ili bolja nego u slučaju atmosferskog parnjaka s puno većim kapacitetom. Ideja smanjenja veličine je omogućiti vozaču da vozi pri niskim okretajima bez žrtvovanja dinamike. To nije bilo moguće s atmosferskim motorima.
Međutim, ne treba svaki mali motor nadpuniti. Pokazalo se da je zahvaljujući sistemu promjenjivog vremena ventila i optimizaciji ubrizgavanja goriva moguće dobiti odgovarajuće parametre za motore malog kapaciteta koji pokreću male automobile. Primjer za to je Peugeotova PureTech tehnologija, gdje 1,2-litreni agregati od 82 konjske snage pokreću 208, uspješno zadovoljavajući potrebe prosječnog vozača i uživajući u niskoj potrošnji goriva. Isti motor s kompresorom lako dostiže 130 KS i može pokretati kompaktni Peugeot 308, koji ujedno postaje vrlo dinamičan, ali ipak ekonomičan automobil.
Prednosti smanjenja veličine motora su brže zagrijavanje, veliki zakretni moment pri niskim okretajima zahvaljujući turbo punjenju, niža potrošnja goriva i troškovi servisiranja zbog manjeg broja cilindara i niži troškovi osiguranja.
Očistite izduvne gasove
Takozvani EGR ventili, odnosno uređaji koji omogućuju recirkulaciju izduvnih gasova. Danas su standardni na svim motorima. Izduvni gasovi koji se ispuštaju iz komora za sagorijevanje se u pravom trenutku vraćaju u motor i nekoliko puta se “obrade”. Razvojem Common Rail ubrizgavanja povećala se snaga i dinamika automobila, kao i emisija vrlo štetnih čestica i dušikovih oksida koje EGR ventili nisu mogli eliminisati. Zbog toga su naknadni standardi zahtijevali od proizvođača da eliminišu te tvari. Već početkom prošlog desetljeća neki su proizvođači eksperimentisali s dizelskim filterima česticaa jedan od pionira na ovom polju bio je Peugeot, koji ga je ponudio kao opciju na automobilima s HDI motorima. U vrijeme uvođenja Euro 5 standarda niko nije sumnjao da je dizelski filtar čestica postao standardni uređaj u svakom dizelskom automobilu. Danas su u širokoj upotrebi, ali to nije sve. Od uvođenja Euro 6 standarda, neki dizelaši također ne mogu bez selektivne katalitičke redukcije (SCR)odnosno tehnologija koja još bolje čisti izduvne gasove od dušikovih oksida, koji su rezultat stalnog povećanja pritiska prednabijanja i pritiska ubrizgavanja bez promjene doze goriva, odnosno povećanja učinkovitosti motora. Ovdje, nažalost, imamo zatvoreni krug, iz kojeg je nemoguće izaći promjenom parametara motora – ili ispušta više čvrstih čestica ili više dušikovih oksida. Zato će SCR sistemi uskoro postati standard na svakom dizelskom motoru – nema drugog načina. Motori sa SCR tehnologijom koriste vodenu otopinu uree AdBlue, koja se pohranjuje u posebnom rezervoaru i ubrizgava u izduvni sistem vozila. Urea zatim hemijski reaguje u SCR katalitičkom pretvaraču i pretvara štetne plinove u bezopasni dušik i vodenu paru. U slučaju Peugeota, motori s ovom tehnologijom označeni su kao BlueHDI.
Problem inženjera bit će smanjenje emisije ugljičnog dioksida 2020. godine. Ograničenje od 95 g/km odnosi se na sve modele jednog proizvođača, tako da će većina automobila morati pasti znatno ispod ove granice. Neće bez još radikalnijeg smanjenja i još lakših struktura motora i karoserije. Ovo će biti najveći izazov s kojim će se inženjeri morati suočiti u više od jednog stoljeća.
Udobnost kroz ekonomičnost?
Promjene o kojima ovdje čitate diktirane su zahtjevima za čistoćom izduvnih gasova i činjenicom da kupac sa svakom generacijom automobila želi dobiti bolji proizvod. Proizvođači si ne mogu priuštiti kupovinu automobila koji je ekonomičniji i ekološki, ali manje dinamičan i neudoban. Princip ekonomičnosti goriva nije se mijenjao desetljećima – mali motor sagorijeva najmanje goriva pri najmanjoj mogućoj brzini. Zbog toga ovi današnji, postaju motori s malim brojem okretaja, bilo da rade na benzin ili dizel. Međutim, kako bi vozač mogao sigurno i udobno koristiti male brzine motora, bile su neophodne promjene koje bi mu to omogućile.
Vozačima sada pomažu moderni, brzi i vrlo učinkoviti automatski mjenjači
Jedan od učinaka rada je, naravno, i supercharging, koji otklanja problem manjka momenta u malom motoru pri nižim okretajima. Međutim, samo turbo punjenje je prešlo dug put do onoga što imamo danas. Prve kompresore karakterisao je tzv turbo-lag, tj. dugo vremena potrebno za ubrzanje kompresora. Danas, zahvaljujući sićušnim turbopunjačima s promjenjivom geometrijom lopatica turbine, maksimalnu vrijednost pritiska prednabijanja dobivamo odmah nakon pritiska na papučicu gasa. Često je sistem promjene geometrije lopatica turbopunjača elektronički kontroliran, što dodatno skraćuje vrijeme odziva.
Problem s neugodnim radom pri niskim okretajima, koji je prije nekoliko godina rezultovao trzanjem cijelog automobila, otklonjen je zamajcem sa dvostrukom masom koji apsorbuje te vibracije. Zamajci s dvostrukom masom rade s prigušivačima na remenicama, koji također eliminišu vibracije nastale radom pri brzini od 1200–1600. Čak je i 1990-ih vozač znao da je za benzinski motor potrebno minimalno 2000 o/min. tako da se gas može utisnuti bez pretjeranih vibracija. Danas čak ne morate ići iznad 2000 o/min za prebacivanje u višu brzinu. Isto vrijedi i za dizelaše koji u principu ne zahtijevaju više od 2000 o/min.
Nažalost, nisu svi navikli na takve karakteristike izvedbe, a istovremeno su klasični automatski mjenjači zastarjeli s gledišta performansi. Zato su elektronički upravljani mjenjači i mjenjači s dvostrukim kvačilom sve popularniji koji bez ikakvog gubitka snage savršeno prenose pogon na točkove. Takvi mjenjači savršeno rade s benzinskim motorima, posebno onima manje snage u malim automobilima. Drugi standard, namijenjen uglavnom snažnim motorima, pa tako i dizelskim, su klasični automati, ali s mogućnošću blokiranja pretvarača zakretnog momenta, kroz koji okretni moment inače bježi. U najnovijim projektima blok pretvarača, gubici energije su minimalni. Start/stop sistem u ovakvim mjenjačima također se sve više koristi, što prije nekoliko godina nije bilo moguće. Također se povećava broj prijenosnih omjera kako kod ručnih mjenjača, gdje je trenutno standardno 6 stepeni prijenosa, tako i kod automatskih, gdje je broj stepeni prijenosa do 9. Zahvaljujući velikom izboru dostupnih stepeni prijenosa, gotovo uvijek možete voziti u optimalnom rasponu okretaja motora, bez obzira na ubrzanje.
Rezimirajući, što nam je razvoj motora s unutrašnjim sagorijevanjem u zadnjih 10-15 godina?
Osim manje potrošnje goriva i izuzetno niske emisije, nudi i neviđenu udobnost vožnje. Svako ko je vozio moderan automobil, čak i s malim motorom, brzo će uvidjeti mogućnosti i prednosti vožnje pri niskim okretajima. Udobnost koja proizlazi iz korištenja tehnologije prigušivanja vibracija također je neusporediva. Bez obzira na odabir vrste goriva, doživljaj vožnje automobila opremljenog modernom pogonskom jedinicom neusporedivo je ugodniji nego prije nekoliko ili desetak godina.
