Elektryczność jest przyszłością, a przyszłość jest elektryczna, choć nie w takim wydaniu jak obecnie. Dopóki nie doczekamy rewolucji w budowie i parametrach akumulatorów, nie wspominając o infrastrukturze, póki produkcja i eksploatacja pojazdów napędzanych prądem elektrycznym nie stanie się uzasadniona zarówno ekologicznie, jak i ekonomicznie – nie ma alternatywy dla silników spalinowych. I choć nie brakuje zwolenników odesłania tego typu napędów, szczególnie dieslowskich, do lamusa, rzeczywistości nie da się zaczarować.

Ale fakty są takie, że silniki spalinowe – jakkolwiek nowoczesne by były – emitują trucizny, a każde rozwiązanie, które sprawi, że będą zużywać mniej paliwa oraz emitować mniej zanieczyszczeń, powinniśmy witać z entuzjazmem. Stąd i mój entuzjazm wobec zaprezentowanych poniżej w porządku alfabetycznym trzech nowości.

Własna konstrukcja Infiniti. To bardzo istotna informacja – ani Nissan (właściciel Infiniti), ani Renault (de facto właściciel Nissana), ani Mitsubishi (kolejna „przybudówka” francusko-japońskiego koncernu) nie mają z technologią Variable Compression Ratio nic do czynienia.

Silnik jest 4-cylindrową, 16-zaworową, klasyczną jednostką benzynową o pojemności skokowej 2.0 l. Od każdego innego silnika benzynowego 2.0 turbo różni się tym, że między wykorbieniami wału korbowego a korbowodami pojawił się mechanizm wielodźwigniowy. Pozwala on na zmianę odległości między czopem wykorbienia a dolnym mocowaniem korbowodu, a więc de facto długości korbowodu. Efektem zmiany długości korbowodu jest natomiast zmiana fizycznej odległości tłoka od głowicy cylindra – co odpowiada zmianie pojemności skokowej komory spalania oraz stopnia sprężania, ciśnienia, pod jakim sprężana jest w komorze spalania mieszanka paliwowo-powietrzna.

Jakie ma to praktyczne znaczenie? Im wyższe ciśnienie sprężania, tym sprawniejsza praca silnika, tym sprawniej zmienia on teoretyczny potencjał energetyczny mieszanki paliwowo-powietrznej w czystą energię zdolną do wykonania pracy. Można więc stosować tu uboższą mieszankę, czyli zużywać mniej paliwa i emitować mniej trucizn. Jednak od silnika nastawionego wyłącznie na maksymalizację ekonomiczną nie można wymagać wysokich osiągów. Te z kolei uzyskuje się, gdy do komory spalania można wcisnąć jak najwięcej mieszanki tlenu i paliwa – a to jest możliwe przy niskim stopniu sprężania. W pewnym stopniu na połączenie tej „wody i ognia” pozwala doładowanie, ale w praktyce zwiększa ono zużycie paliwa, zaburzając przy tym kulturę pracy silnika. Trzeba więc sięgać po mnóstwo głównie elektronicznych rozwiązań, by doładowany silnik zechciał mieć mniejszy apetyt, a wyższą moc. I by płynnie przyspieszał, bez tzw. dziury turbinowej, która pojawia się zawsze, gdy między wciśnięciem gazu a przyrostem mocy trzeba poczekać, aż turbodoładowanie się rozpędzi…

W przypadku silnika o zmiennej pojemności i zmiennym stopniu sprężania – jak w konstrukcji Infiniti VC-Turbo – wszystkie przeciwstawne elementy i procesy połączono w jedno, nie zaburzając żadnego z działań i uzyskując wszystkie teoretycznie możliwe efekty. Gdy kierowca potrzebuje dużo mocy, gdy gwałtownie wciska gaz, komputer natychmiast rozpoznaje zapotrzebowanie na niższy stopień sprężania, wyższe ciśnienie doładowania i większe dawki paliwa, powodując odciągnięcie tłoka dalej od głowicy cylindra, zmniejszając stopień sprężania oraz fizycznie zwiększając objętość komór spalania. Turbina systemu doładowania przestawi kierownicę swych łopatek w najbardziej agresywne położenie, by pompować maksymalne masy powietrza do cylindrów. Silnik zaczyna się wówczas zachowywać, jak potężna jednostka o co najmniej o połowę większej pojemności i liczbie cylindrów. Czyli jak 3-litrowa jednostka V6, wręcz doładowana jednostka V6. Z wszystkimi tego zaletami, jak maksymalny zryw, zdolność do wytwarzania ogromnej siły napędowej od niskich obrotów.

Ale gdy tylko noga wciskająca pedał gazu się cofnie, gdy samochód zacznie jechać płynnie lub ze stałą prędkością, dźwignie między wałem korbowym a korbowodem się cofną, a skok tłoka się zmniejszy wraz z objętością komory spalania – za to praca silnika odbywać się będzie w warunkach mocno zwiększonego ciśnienia, znacznie wyższego stopnia sprężania. Zapotrzebowanie na paliwo drastycznie zmaleje (nawet o 70 proc!), podobnie jak emisja spalin.

Silnik skonstruowany przez Infiniti (272 KM i 400 Nm) testowałem w nowym modelu marki, QX50 – i w praktyce jazdy po zatłoczonym Manhattanie zaimponował mi ogromną elastycznością, olbrzymią kulturą pracy, zdolnością do potężnych zrywów z każdych obrotów i co najmniej bardzo dobrym poziomem zużycia paliwa. Nie da się jednak ukryć, że jest to jednostka ogromnie skomplikowana i z pewnością nietania w produkcji. Niemniej zapewnia zmniejszenie zużycia paliwa o co najmniej 20 do 30 proc. (a tym samym i emisji spalin) w porównaniu z klasycznymi jednostkami o podobnej mocy.

Ten silnik ma stałą pojemność i stały stopień sprężania, za to na kilka różnych sposobów obchodzi się z mieszanką paliwowo-powietrzną. Chodzi o pracę konwencjonalną (stechiometryczna mieszanka paliwowo-powietrzna – około 14 jednostek powietrza na 1 jednostkę benzyny) przy średnim obciążeniu silnika, pracę wydajną (na ubogiej mieszance) oraz pracę ultrawydajną (na mieszance tak ubogiej, że właściwie odpowiadającej tej z silnika wysokoprężnego, dopuszczającej samozapłon).

Dla wyjaśnienia: praca na mieszance ubogiej to nic nowego, to ten sam tryb, co w Infiniti przy maksymalnym stopniu sprężania – paliwo jest tu wtryskiwane w okolice świecy zapłonowej, by w tym miejscu znalazło się go jak najwięcej, by zapłon był w ogóle możliwy – ale cała reszta komory spalania jest tylko „niemym świadkiem”. Natomiast ultrawydajny proces spalania to coś, czego jeszcze nie uzyskano w seryjnym silniku. Bo wymuszanie na silniku wydajności wyższej niż w przypadku pracy wydajnej (na ubogiej mieszance) powoduje drastyczny wzrost temperatury procesu spalania, a tym samym ogromny, kwantowy wzrost powstawania najbardziej jadowitych produktów spalania – przede wszystkim sadzy i najstraszliwszego „Czarnego Luda” motoryzacji ostatnich lat – tlenków azotu.

Nie było o nich mowy jeszcze 10 lat temu, ale gdy sprawność silników spalinowych zaczęła oscylować wokół 40 proc. (efekt maksymalizacji wydajności, stosowania wysokiego stopnia sprężania, potężnego doładowania, wysokich obrotów i niskich pojemności skokowych – downsizingu!), tlenki azotu nagle wyskoczyły jak diabeł z pudełka od razu na najwyższy stopień podium wśród czynników rakotwórczych. Dlatego najnowsze silniki wyposażane są we wszystkie znienawidzone przez „Cytrynów i Gumiaków” gadżety, jak katalizatory, filtry DPF i GPF, filtry SCR, „pułapki na NOx”, zawory EGR i dodatki AdBlue.

Ale Mazda wymyśliła jeszcze inny sposób. A mianowicie doprowadza do powstania w komorze spalania tak ubogiej mieszanki, że możliwy jest w każdej chwili jej samozapłon. To w silnikach benzynowych zagrożenie – samozapłon potrafi wypalić dziurę w tłoku, a nawet rozerwać cylinder! Ale jeśli jest… kontrolowany? W silniku wysokoprężnym mieszanka paliwowo-powietrzna zapala się samoczynnie – ale nie robi krzywdy! Dlaczego? Bo dochodzi do jednoczesnego, wywołanego jednorodnością ciśnienia, temperatury i rozkładu cząsteczek paliwa w przestrzeni – jednoczesnego zapłonu W całej objętości komory spalania. Nie ma więc tego, co samozapłon oznacza w typowym silniku benzynowym, a więc eksplozji – na mikroskalę, ale zawsze.

U Mazdy samozapłon jest inicjowany. I to w taki sposób, by doszło do jednoczesnego zapłonu w całej komorze spalania, bez rozchodzącej się fali, bez czoła ognia. A wówczas efektywną pracę wykonują wszystkie cząsteczki paliwa. Dochodzi do całkowitego spalenia mieszanki. Nie ma więc mowy, by powstawały trucizny wynikające z łączenia się niespalonego paliwa z produktami spalania, by cząstki azotu wiązały się z niewykorzystanym tlenem.

Oczywiście, nie jest to takie łatwe, jak by się z pozoru wydawało. Tu skomplikowany jest proces nadzorowania wszystkich procesów zachodzących w komorach spalania, momentu i sposobu zapłonu. W efekcie mikroprocesor sterujący tymi procesami jest kilkakrotnie wydajniejszy od i tak wyrafinowanych procesorów w silnikach serii G. Wykorzystany do kontrolowania silnika X, procesor G po prostu się stopił w ciągu kilku sekund…

Pozostający wciąż w fazie prototypowej, ale już oddany do testów dziennikarzom silnik Mazda Skyactiv-X wykazuje się w praktyce (jeździłem po różnych drogach wokół Lizbony) wielką elastycznością, niezachwianą kulturą pracy i ciszą. Wielkość spalania nie jest mi niestety znana – wg Mazdy oszczędności zużycia i emisji przekraczają średnio 35 proc. w porównaniu z konwencjonalnym silnikiem benzynowym 2.0.

Są tacy, którzy Volkswagena nie znoszą. Jest to całkowicie irracjonalne, bo argumentacja, że niemiecka marka mataczyła i oszukiwała to dziecinada. Wszystkie mataczą i oszukują. Jak nie na emisji, to na innych parametrach. Ale gwarantuję – na emisji i zużyciu paliwa oszukują wszyscy. Notabene jest to tylko i wyłącznie wynik naszych, klientów i użytkowników, irracjonalnie wyśrubowanych oczekiwań. Które najłatwiej spełnić… na papierze.

Nikt nie jest jednak w stanie zarzucić tej marce, że nie potrafi skonstruować znakomitych aut, wyśmienitych silników, czy wspaniałych skrzyń biegów i że rodzina silników TSI (pomijając dwie wpadki) to rodzina silników nieudanych, złych, paliwożernych. Nie, bo to wspaniałe jednostki napędowe, należące do absolutnie najlepszych na świecie. Mając taką bazę, Volkswagen stworzył rękami swego szefa silnikowców, Ralfa Budacka, silnik TSI do potęgi. W największym uproszczeniu jest to benzynowy silnik 4-cylindrowy turbodoładowany, z wtryskiem bezpośrednim, wytwarzany w dwóch pojemnościach: 1.5 oraz 2.0. Obie wersje są wyraźnie słabsze od „zwykłych” TSI tej samej generacji i mocy (o ok. 20 KM i ok. 30 Nm), ale obie mają te same cechy: zużywają do 20 proc. paliwa mniej, emitują nawet o 30-34 proc. trucizn mniej, a przy tym nieznacznie tylko odbiegają osiągami od mocniejszych „braci”, za to zapewniają jeszcze wyższą kulturę pracy.

Dr inż. Budack zmusił do współpracy wszystkie znane już i stosowane (niektóre od prawie 100 lat!) metody „wygładzania” pracy silnika benzynowego, wymuszania na nim czystości procesu spalania, podkręcania wydajności bez wytwarzania sadzy i tlenków azotu… I tak mamy tu system odłączania dwóch cylindrów, gdy silnik pracuje w reżimie niskiego zapotrzebowania na moc i przy stałych obrotach. Mamy tu żonglerkę stopniem sprężania bez jakichkolwiek dodatkowych elementów mechanicznych – to połączenie cykli Millera i Atkinsona (cykle, w których zawory dolotowe i wydechowe są sterowane tak, by były otwarte krócej lub dłużej, niżby to wynikało z położenia tłoka). Po prostu w komorze spalania znajduje się albo mniej powietrza przed wtryskiem paliwa (bo wcześniej zamknięto zawór dolotowy), albo jego część wypuszczono praktycznie w tym samym momencie, gdy do wtrysku dochodziło i objętość rozprężna jest znacząco większa od sprężnej, przez co proces spalania obejmuje wszystkie obecne w cylindrze cząsteczki paliwa.

Efekt jest szokujący: nawet nie trzeba zmieniać mikroprocesora, by wszystko to ze sobą współgrało. Jeździłem mniejszym z tych silników (1.5 TSI 130) w Golfie i gdyby mi nie powiedziano, czym jadę, w najlepszym razie zauważyłbym jeszcze większą elastyczność, niż w zwykłym 1.5 TSI (który i tak imponuje niesłychanie wysoką kulturą pracy).