Infiniti upiera się, że japońskim inżynierom udało się stworzyć „Św. Graala” dla silnika spalania wewnętrznego. Jeśli rzeczywiście to będzie działać, istnienie silników spalinowych może się przedłużyć o dobre 20 lat.

Na paryskim salonie samochodowym Mondial de l’Automobile 2016 japońska marka Infiniti (produkuje auta premium w koncernie Nissana) zaprezentowała zupełnie nową konstrukcję. Jest to silnik nazwany VC-Turbo, który ma być pierwszą jednostką o zmiennym stopniu sprężania, jaka wejdzie do seryjnej produkcji.

Wielu producentów i konstruktorów pracowało nad podobnymi projektami, jako że silnik zdolny do zmieniania parametrów pojemności skokowej i stopnia sprężania w trakcie normalnej pracy w zależności od obciążenia i warunków pracy, byłby rozwiązaniem największych problemów związanych z charakterem jednostki spalania wewnętrznego. Bo klasyczny silnik spalinowy albo jest mocny i ma sportowy charakter, albo jest oszczędny. Albo ekonomicznie obchodzi się z paliwem, albo pozwala sobie skutecznie oczyścić spaliny. Czyli – po prostu – albo ma wysoki stopień sprężania, albo niski. Wysoki pozwala mu pracować na dosłownie śladowych ilościach paliwa, ale w zamian w jego spalinach pojawiają się bardzo szkodliwe elementy, których zawartość jest odwrotnie proporcjonalna do ekonomicznej doskonałości i wydajności paliwowej. Niski zaś pozwala zastosować wszelkie metody zwiększania mocy i momentu obrotowego, ale kosztem zdecydowanego obniżenia wydajności paliwowej. W zamian w spalinach silnika o niskim stopniu sprężania niemal nie znajdziemy najbardziej szkodliwych substancji, których usunięcie jest dla katalizatorów niemal niemożliwe, ale trzeba tu wlewać bardzo dużo benzyny.

Konstruktorzy silników od co najmniej 50 lat wiedzieli, że gdyby udało się stworzyć silnik o zmiennym stopniu sprężania, który umiałby pracować w pełni zależnie od warunków i zapotrzebowania, udałoby się obejść problemy związane z zapotrzebowaniem na osiągi przy konieczności redukcji zużycia paliwa i emisji szkodliwych substancji. Kilkakrotnie pojawiały się projekty budzące nadzieje, ale tak naprawdę tylko jeden – Saaba z 1998 r., w którym w silniku V6 odchylano głowice na specjalnych zawiasach – robił wrażenie naprawdę sensownego. Niestety, słynne później na cały świat z umiejętności zepsucia wszystkiego, co się da zepsuć, szefostwo firmy także w tym przypadku pokazało, że potrafi podejmować kompletnie nietrafione decyzje i projektowi ukręcono łeb.

Infiniti podjęło dzieło inżynierów Saaba dokładnie w chwili, gdy Szwedzi porzucili swoją konstrukcję. W tym momencie było na rynku już od niemal 10 lat, ale poza Ameryką Północną marka ta właściwie nie istniała – nawet w Japonii. Niemniej zajmowała się nie tylko przemianowaniem samochodów Nissan na Infiniti, jak by tego chcieli hejterzy. Infiniti było bowiem od początku traktowane przez Nissana jako oddział, który prowadzi projekty nie do końca „po linii” Nissana (a później Aliansu Nissan-Renault). Infiniti pracowało więc nad „kosmicznymi” rozwiązaniami elektronicznymi, nowatorskimi metodami sterowania (w tym „by-wire”, a więc bez mechanicznego połączenia między elementami, tylko w oparciu o impulsy elektroniczne i wykonujące polecenia silniki elektryczne) i… I silnikami, które z różnych powodów nie były mile widziane w Aliansie. Bo za duże, zbyt paliwożerne, niepasujące do image’u… Wśród tych wszystkich eksperymentów pojawił się i ten, by zrealizować „Św. Graala”: silnik o zmiennym stopniu sprężania.

Prace trwały przeszło 20 lat. Przeprowadzono niezliczone próby, stworzono ponad 100 prototypów, w testach drogowych i laboratoryjnych pokonano przeszło 3 mln km. W 1998 r. powstał wstępny szkic konstrukcji wielodźwigniowej, która okazała się najbardziej obiecująca, jako że realizowała wszystkie niezbędne założenia. Jednakże do osiągnięcia fazy przedprodukcyjnej kluczowa okazała się podjęta przez Infiniti współpraca z zespołem Renault F1. Zastosowanie niektórych rozwiązań konstrukcyjnych pochodzących z „Królowej Sportów Motorowych” pozwoliło opanować niektóre aspekty konstrukcyjne. Mówiąc najkrócej i najprościej: technologie stosowane w Formule 1 w zakresie łożysk i zarządzania termicznego okazały się rozwiązaniem największych problemów związanych z nowym silnikiem.

Stopień sprężania to stosunek objętości cylindra w jego największym otwarciu (kiedy tłok w jego wnętrzu osiąga najniższe położenie, tzw. dolny martwy punkt – DMP) do najmniejszej objętości, gdy tłok osiąga najwyższe położenie (górny martwy punkt, GMP). Zmiana tej relacji jest możliwa tylko na 2 sposoby: „szwedzki” (historyczny Saaba), polegający na odchylaniu głowicy od bloku cylindrów, lub hipotetyczny, bo nigdy niezrealizowany, zmieniający wysokość tłoka lub długość korbowodu. Wynaleziony w 1998 r. przez Infiniti sposób rozwiązywał problem na drugiej z tych zasad, obchodząc go dzięki zastosowaniu zespołu dźwigni i siłowników.

Jak widać na ilustracji, w silniku Infiniti VC-Turbo korbowody nie są zamocowane na czopach wykorbień wału korbowego, jak to jest w każdym konwencjonalnym silniku. Na czopach zamocowane są za to dźwignie w formie równoważnych szal, których centralne podparcie stanowi czop korbowodu. Do jednego końca każdej z tych dźwigni mocowana jest stopka korbowodu, zaś drugi połączony jest z siłownikiem mimośrodowym. Każdy ruch mimośrodu powoduje przemieszczenie dźwigni wobec czopu, przez co zamocowany do dźwigni po drugiej jego stronie korbowód zmienia wysokość mocowania stopki – a tym samym zmienia się położenie tłoku wobec cylindra i głowicy. Zakres możliwych zmian to ok. 5 mm, co jednak wystarcza w zupełności, by stopień sprężania mógł się zmieniać w zakresie od 8:1 aż po 14:1 (przy zmianie pojemności skokowej w zakresie 1970-1997 cm3). System popychający lub ściągający dźwignię stopki korbowodu nazywa się Harmonic Drive i dysponuje oddzielnym wysokowydajnym sterownikiem, który współpracuje z jednostką centralną silnika, pozwalając w każdej chwili w czasie rzeczywistym dostosować skok tłoka do potrzeb, warunków pracy silnika, obciążenia i stylu jazdy kierowcy. Aby w pełni wykorzystać potencjał związany z możliwością sterowania stopniem sprężania, Infiniti zastosowało w tym silniku zarówno bezpośredni, jak i pośredni wtrysk benzyny, przełączanie między którymi odbywa się w sposób niezauważalny dla użytkownika. Innym systemem wspierającym maksymalizację wydajności jest w pełni zmienny układ sterowania fazami rozrządowymi. Przy niskim obciążeniu silnik pracuje w cyklu Atkinsona, przy wyższym zaś przechodzi płynnie do trybu wyczynowego, aż po maksymalne wykorzystanie turbodoładowania.

Turbo jest tu także sterowane elektronicznie, w czym wspiera je posiadający własny sterownik zawór wastegate, podtrzymujący ciśnienie doładowania w zależności od potrzeb. Dopełnieniem jest ultrawydajny system zarządzania termicznego, na który składają się zarówno rozdzielone chłodnice (w tym i chłodnica powietrza doładowania), jak też obecność zaworów wielodrożnych, które w fazie rozruchu w ogóle wstrzymują cyrkulację chłodziwa, by rozgrzewanie trwało jak najkrócej. Pomiędzy zarządzaniem termicznym a rozwiązaniami podnoszącymi wydajność plasuje się zupełnie nowy sposób konstruowania gładzi cylindrowych – są one plazmowo pokrywane metalem, by uzyskać idealną gładkość ścianek, co aż o 43% obniża opory tarcia.

Zastosowanie systemu wielodźwigniowego ma jeszcze jedną, ogromną zaletę: pozwala bez sięgania po wałki wyrównoważające drastycznie zredukować wibracje silnika.

Jak z tego wynika, określenie „silnik o zmiennym stopniu sprężania” jest bardzo ogólne, bo raczej chodzi o kompletny system, o czym najlepiej świadczy fakt, że Infiniti opatentowało aż ponad 300 rozwiązań i technologii, które znajdują zastosowanie w tym projekcie. Nie bez znaczenia jest wysoki stopień skomplikowania – wystarczy chyba powiedzieć, że samych łożysk jest tu aż trzykrotnie więcej, niż w konwencjonalnym silniku. Fakt, że ogromna ich większość powstała w oparciu o doświadczenia zdobyte we współpracy z Renault F1, co oznacza, że są niebywale efektywne – jednakże zarazem musi oznaczać też, że nie są to elementy tanie.

Podsumowując, należy złożyć wyrazy najwyższego szacunku marce Infiniti za ogromną konsekwencję w dążeniu do celu, jakim jest silnik wydłużający historię jednostek spalania wewnętrznego mimo coraz bardziej drastycznych ograniczeń nakładanych na producentów przez władze wprowadzające normy spalinowe. Czy jednak rzeczywiście konsekwencja ta przyniesie skutki, jakich wszyscy byśmy oczekiwali? Trudno się wypowiadać, póki silnik nie wejdzie do produkcji seryjnej i po raz pierwszy nie wyląduje w serwisie innym niż przyfabryczny…