Silnik Geely 48% sprawności: przełom czy marketingowy trik?

Chiński gigant motoryzacyjny Geely ogłosił stworzenie seryjnego silnika benzynowego o rekordowej sprawności termicznej wynoszącej 48,41% — wynik, który bije konkurencję japońską na głowę. Czy stoimy u progu nowej ery inżynierii silników spalinowych, czy to sprytny zabieg marketingowy?

Jak wygląda rekord Geely na tle konkurencji?

Nowa jednostka 1.5 I-HEV wyprzedza Toyotę (Dynamic Force: 41%) o 7,4 punktu procentowego i Nissana (e-Power: 42%) o 6,41 punktu. W branży, gdzie poprawa efektywności o każdy kolejny punkt procentowy powyżej 40% wymaga tytanicznej pracy inżynieryjnej, taki skok wydaje się wręcz nierealny. Aby zrozumieć, czy mamy do czynienia z prawdziwą rewolucją, trzeba przyjrzeć się technologicznym szczegółom.

Producent	Silnik	Sprawność termiczna	Technologia
Geely	1.5 I-HEV	48,41%	Cykl Millera + wtrysk 500 barów
Toyota	Dynamic Force	41%	Wtrysk bezpośredni i pośredni
Nissan	e-Power	42%	Specjalistyczne napędy hybrydowe

Niezwykła geometria: undersquare na skalę masową

Kluczem do zrozumienia bazy konstrukcyjnej jest geometria silnika. 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.

Mała średnica cylindra drastycznie zmniejsza obwód pierścieni tłokowych, co poprawia szczelność i minimalizuje przedmuchy gazów spalinowych do skrzyni korbowej. Długa droga, jaką tłok musi pokonać, pozwala na znacznie pełniejsze odzyskanie energii z eksplozji ładunku paliwowo-powietrznego — zanim zawory wydechowe się otworzą, rozprężające się gazy wykonują maksymalną możliwą pracę.

Ale taka konstrukcja wiąże się 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 wtłoczyć do komory, co sprawia, że pojedyncza dawka energii jest stosunkowo niewielka, a silnik charakteryzuje się niską dynamiką i mocą.

Technologia pod barwnym opakowaniem marketingowym

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 określeniami kryją się znane już w branży rozwiązania polegające na optymalizacji geometrii kanałów dolotowych w celu wywołania silnego zawirowania powietrza (tumble). Zwiększenie prędkości i turbulencji zasysanego powietrza pozwala na lepsze wymieszanie go z paliwem, co przekłada się na szybsze i bardziej efektywne spalanie mieszanki.

Aby zmaksymalizować ten efekt, Geely zastosowało wtrysk bezpośredni 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. W głowicy znajdziemy laserowo napawane gniazda zaworowe, które są trwale zintegrowane z elementem aluminiowym, radykalnie poprawiając odprowadzanie ciepła z komory spalania.

Co to oznacza? Gdy 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, 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?

Głębokie cykl Millera: źródło rekordowej sprawności

Prawdziwym źródłem rekordowej sprawności jest zastosowanie tak zwanego głębokiego cyklu Millera, będącego 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, a 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.

Hybrydowa strategia: elektryczność na pierwszym planie

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.

Przełom czy majstersztyk systemowy?

Ostateczna odpowiedź na pytanie o rzeczywisty przełom 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 rekordzistów. Geely nie wynalazła nowe prawa fizyki — ale nauczyła się je wyjątkowo efektywnie wykorzystywać.