Statyczny i dynamiczny downsizing silników spalinowych

BOROWSKI Przemysław 1 PIELECHA Ireneusz 2 CIEŚLIK Wojciech 3 BUESCHKE Wojciech 4 CZAJKA Jakub 5 Statyczny i dynamiczny downsizing silników spalinowych WSTĘP Współczesne wymagania dotyczące zmniejszenia zuŝycia paliwa oraz emisji spalin z pojazdów osobowych wymuszają ciągłe dąŝenie do doskonalenia konstrukcji silnika spalinowego. Dalszemu ulepszaniu podlegają kolejne systemy silnika spalinowego, a w tym: system doprowadzania ładunku do cylindra i spalania mieszanki, system doładowania silnika oraz system oczyszczania spalin. Obecnie coraz częściej pojawia się konieczność optymalizacji przepływu ciepła w silniku, co prowadzi do powstania nowego systemu w silniku spalinowym zwanego systemem zarządzania przepływem ciepła. Modyfikacje tych systemów prowadzą zarówno do ograniczenia emisji dwutlenku węgla i zuŝycia paliwa a takŝe do zwiększenia sprawności jednostki napędowej. Najnowszą tendencją do ograniczania zuŝycia paliwa jest downsizing, polegający w głównej mierze na zmniejszaniu pojemności skokowej silnika bez pogorszenia wskaźników pracy silnika spalinowego lub nawet z ich polepszeniem. 1. KIERUNKI ZMIAN SILNIKÓW SPALINOWYCH Analiza systemów spalania silników spalinowych nie pozwala na wyłonienie dominującego rodzaju zapłonu: zapłonu iskrowego lub zapłonu samoczynnego; oba te systemy zapłonu (wymuszony, samoczynny), a tym samym typy silników (ZI oraz ZS) utrzymują poziom około 40% udział w rynku, z niewielkimi zmianami w ciągu ostatnich kilku lat [6]. Ciągłe doskonalenie systemów spalania i rozwój pozostałych układów silnika spalinowego powoduje, Ŝe wskaźniki operacyjne z tych jednostek uzyskiwane w ciągu ostatnich dziesięciu lat są coraz większe, a oba rodzaje silników (ZI i ZS) stają się wobec siebie coraz bardziej konkurencyjne [4]. Doskonalenie technologii wytwarzania jednostek napędowych pozwala na zwiększenie obciąŝeń mechanicznych i cieplnych, a stosowanie downsizingu (rozumianego jako ograniczenie pojemności skokowej silnika bez pogarszania wskaźników jego pracy) wpływa na poprawę ich wskaźników energetycznych. Wykorzystanie nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych w budowie silników spalinowych (lekkich materiałów kompozytowych, stopów aluminium) umoŝliwiło w ostatnich latach zwiększenie masowego wskaźnika mocy N G od około 0,8 kw/kg (np. silnik M70 firmy BMW: 220 kw/280 kg lata produkcji 1990-1998) do około 1,5 kw/kg masy silnika w konstrukcjach współczesnych (np.: Mazda RX-8, silnik Wankla 2 x 650 cm 3, 184 kw/122 kg oraz Maybach 62, 405 kw/270 kg silnik V12, 5,5 dm 3 ). Główne wskaźniki pracy silników spalinowych to średnie ciśnienie uŝyteczne p e oraz objętościowy wskaźnik mocy N V, czasami wykorzystuje się takŝe masowy wskaźnik mocy N m lub moc z cylindra N C. W ciągu ostatnich 10 lat uzyskano więc dwukrotne zwiększenie masowego wskaźnika mocy, co oznacza przyrost mocy silników spalinowych przy jednoczesnej redukcji ich 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3, tel. 61-665-59-66, fax. 61-665-2204, Przemyslaw.T.Borowski@doctorate.put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3, tel. 61-224-45-02, fax. 61-665-2204, Ireneusz.Pielecha@.put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3, tel. 61-224-45-02, fax. 61-665-2204, Wojciech.M.Cieslik@doctorate.put.poznan.pl 4 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3, tel. 61-665-59-66, fax. 61-665-2204, Wojciech.E.Bueschke@doctorate.put.poznan.pl 5 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3, tel. 61-665-59-66, fax. 61-665-2204, Jakub.Czajka@put.poznan.pl 671

masy. Parametry współcześnie rozwijanych konstrukcji silników spalinowych kilkakrotnie przewyŝszają te osiągane w połowie XX wieku. Obecnie średnie ciśnienie uŝyteczne p e w silnikach o zapłonie iskrowym przekroczyło wartość 1,3 MPa (np. Mercedes Benz 350 CGI bezpośredni wtrysk benzyny: Vss = 3,498 dm 3, Mo = 365 N m), a w silnikach o zapłonie samoczynnym 2,2 MPa (np. silnik N47D20 firmy BMW: 1,995 dm 3 /350 N m); jeszcze kilkanaście lat temu wartości tych wskaźników wynosiły 0,7 1,0 MPa. Objętościowy wskaźnik mocy wynosi obecnie około 70 90 kw/dm 3, co stanowi ponad 200-procentowy przyrost w stosunku do silników z drugiej połowy XX wieku. Objętościowe wskaźniki mocy silników ZI i ZS są obecnie bardzo zbliŝone. Wynika to ze stosowania róŝnorodnych konstrukcji m.in. układów doładowania (wielozakresowego, podwójnego) i chłodnic powietrza doładowującego, zmiennych faz i wzniosów zaworów w układzie rozrządu. Rezultaty tych działań w znacznym stopniu zaleŝą od konstrukcji systemu spalania, który jest podstawowym wyznacznikiem jakości opracowanej konstrukcji. Analiza zmian mocy, przedstawiona na rysunku 1, wskazuje na jej ciągłe zwiększanie z jednoczesnym ograniczaniem pojemności skokowej tych silników. Przedstawiając dla wybranych producentów średnie moce silników i zmiany ich pojemności, naleŝy zauwaŝyć ciągłe zmniejszanie średnich pojemności silników po roku 2007 z jednoczesną tendencją wzrostową średnich mocy. Jedynie średnie moce silników Audi były w ostatnich latach (do 2011 roku) nieco mniejsze i nie potwierdzały tej tendencji. Silniki koncernu Volkswagena wykazują podobne wartości zmian mocy i pojemności silników jak średnia europejska, co wskazuje na ich znaczny udział w rynku jednostek napędowych. Istotne jest równieŝ, Ŝe e trzy marki: Audi, BMW i Mercedes uzyskują znacząco większe moce silników i jednocześnie nie stosują większe pojemności silników. Średnia moc silnika tych producentów wynosi ponad 100 kw, natomiast pojemność silnika przekracza 2000 cm 3. Sugeruje to jednocześnie zwiększone wartości emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Rys. 1. Tendencje zmian mocy (a) oraz pojemności (b) silników spalinowych w latach 2001-2012 z podziałem na europejskich waŝniejszych producentów pojazdów [6] 2. POJĘCIE DOWNSIZINGU Obecnie moŝliwe jest wyróŝnienie dwóch typów downsizingu: statycznego lub dynamicznego [1, 8]. Pierwszy z nich polega na zmniejszeniu wymiarów silnika przez ograniczenie pojemności skokowej (realizowanej przez zmniejszenie liczby cylindrów) [3]. Metoda ta powoduje oszczędności w zakresie zuŝycia paliwa do 20%. Nieodłącznym elementem downsizingu statycznego jest odpowiedni system stem doładowania silnika powodujący zwiększenie wskaźników pracy silnika pogorszonych zmniejszeniem pojemności skokowej. Zastosowanie odpowiedniego systemu doładowania zwiększa równocześnie obciąŝenia cieplne i mechaniczne układów silnika spalinowego stawiając przed nimi coraz większe wymagania wytrzymałościowe. 672

Metoda polegająca na zmniejszeniu pojemności skokowej silnika przez odłączanie cylindrów stanowi downsizing dynamiczny. Był on stosowany dotychczas w nielicznych przypadkach i dotyczył głównie silników wielocylindrowych. Dotychczas uwaŝano, Ŝe stosowanie jego jest celowe w silnikach o duŝych pojemnościach skokowych i duŝej liczbie cylindrów (6 i więcej), jednak obecnie systemy wyłączania cylindrów znajdują zastosowanie takŝe w silnikach czterocylindrowych montowanych w samochodach osobowych. 3. SPOSOBY REALIZACJI DOWNSIZINGU DYNAMICZNEGO Downsizing dynamiczny, czyli deaktywacja cylindrów jest realizowana obecnie w jednostkach wielocylindrowych oraz teŝ w silnikach czterocylindrowych. Na rysunku 2 przedstawiono moŝliwości wyłączania cylindrów podczas pracy silnika. W silnikach typu W (np. W12 firmy VW) moŝliwe jest wyłączenie jednego rzędu cylindrów (praca silnika 6-cylindrowego), w silnikach 8-cylindrowych wyłączeniu ulegają cylindry 2, 3, 5 oraz 8. W silnikach 6-cylindrowych moŝliwa jest kombinacja wyłączenia rzędu cylindrów, a takŝe tylko dwóch cylindrów. W silnikach 4-cylindrowych wyłączeniu podlegają cylindry drugi i trzeci. W badaniach firmy Fiat proponuje się zmienne wyłączanie róŝnych cylindrów ze względu na dąŝenie do zachowania równowagi cieplnej. Silniki W12 Silniki V8 np. AMG W12, 5,5 L [2] np. VW 4.0 TFSI V8, Bentley 6.75L V8 [5, 7] Silniki V6 Silniki R4 np. Honda V6 3,5 L VCM [11] np. VW 1,4 TFSI [5] Rys. 2. Systemy downsizingu dynamicznego w silnikach spalinowych 4. PRZYKŁADY DOWNSIZINGU W SILNIKACH SPALINOWYCH Analizę downsizingu statycznego oparto na analizie silników producentów europejskich silników: firm Opel oraz Volkswagen. Przedstawiono współczesne jednostki napędowe, które zastąpiły wcześniejsze generacje silników. Porównano ze sobą niedoładowane silniki o znacznych pojemnościach skokowych z układami wyposaŝonymi w systemy doładowania o znacząco zmniejszonej pojemności skokowej. Dane techniczne wraz datami produkcji analizowanych jednostek 673

zestawiono w tablicy 1. Charakterystykę downsizingu dynamicznego przedstawiono na przykładzie silników firmy Volkswagen oraz AMG o zróŝnicowanej liczbie cylindrów tablica 2. Downsizing dynamiczny oferowany jest m.in. obecnie przez firmę Audi w trzech silnikach o pojemnościach 1,4 TFSI, 4.0 TFSI V8 oraz W12 5.0. W wielocylindrowych silnikach firmy Audi deaktywacja polega na wyłączeniu z pracy części (połowy) cylindrów przy małej prędkości obrotowej i niewielkim obciąŝeniu. Zwiększenie sprawności uzyskuje się przez przesunięcie punktu pracy w kierunku większych obciąŝeń jednostki napędowej. W silniku 1.4 TFSI z systemem deaktywacji cylindrów wyłączeniu podlega drugi i trzeci cylinder. W silniku V8 deaktywacja polega na wyłączeniu drugiego, trzeciego, piątego i ósmego cylindra. W silniku W12 układ wyłączania cylindrów działa odmiennie. System wyłącza wtrysk paliwa i układ zapłonowy we wszystkich cylindrach lewej części, co pozwala na pracę układu sześciu cylindrów. W celu ograniczenia zmniejszenia temperatury reaktora katalitycznego tej części cylindrów lewy rząd cylindrów zostaje uaktywniony, a deaktywacji podlega prawa część silnika. DłuŜsza praca silnika z wykorzystaniem deaktywacji skutkuje naprzemiennym wyłączaniem części cylindrów z pracy [8]. Tab. 1. Downsizing statyczny w wybranych jednostkach napędowych producentów silników [5, 9, 10] Producent Opel Volkswagen Model Insignia Golf Silnik A18XER (2H0) A14NET (LUJ) 1.6 06B AHP 1.2 TSI Pojemność 1796 cm 3 1364 cm 3 1595 cm 3 1197 cm 3 Układ R4 R4 R4 R4 D x S 80,5 x 88,2 72,5 x 82,6 81 x 77,4 71 x 75,6 Stopień spręŝania 10,5 9,5 10,3 10,5 Moc maksymalna Moment maksymalny 103 kw przy 6300 obr/min 175 N m przy 3800 obr/min 103 kw przy 4900-6000 obr/min 200 N m przy 1850-4900 obr/min 75 kw przy 5800 obr/min 135 N m przy 3500 obr/min 77 kw przy 5000 obr/min 175 N m przy 1550-4100 obr/min Widok silnika Tab. 2. Downsizing dynamiczny w wybranych jednostkach napędowych [2, 5] Producent Audi Mercedes AMG Silnik 1.4 TFSI M152 5.5 L Pojemność 1395 cm 3 5461cm 3 Układ R4 V8 D x S 74,5 x 80 98 x 90,5 Stopień spręŝania 10,5 12,6 Moc maksymalna 103 kw przy 310 kw przy 6800 obr/mib Moment maksymalny 250 Nm przy 1500-3500 obr/min 540 Nm przy 4500 obr/min Masa silnika 106 kg 187 kg Nazwa systemu Cylinder On Demand (COD) AMG Cylinder Management Wyłączane cylindry 2, 3 2, 3, 5, 8 Zakres deaktywacji cylindrów 1250-4000 obr/min max do 100 Nm 800-3600 obr.min max do 230 Nm Czas aktywacji 13-36 ms < 30 ms Widok silnika 674

Deaktywacja cylindrów we wszystkich typach przedstawionych silników rozpoczyna się od wyłączenia zapłonu i wtrysku paliwa. Komora spalania zawiera powietrze, które zostaje w niej zamknięte w wyniku braku otwierania i zamykania zaworów. Zawory te są zamknięte przez elektromagnetycznie uruchamiane dźwignie mające na celu przesunięcie krzywek na wałku rozrządu. Pojazd Audi A3 wyposaŝone w silnik 1.4 TFSI z układem deaktywacji cylindrów uzyskuje średnie zuŝycie w paliwa na poziomie 4,7 dm 3 /100 km. W teście NEDC wykorzystując system deaktywacji uzyskano ograniczenie zuŝycia o około 0,4 dm 3 /100 km. Zmiana stylu jazdy umoŝliwia osiągnięcie wartości 20% oszczędności zuŝycia paliwa [5, 10]. Zastosowanie takiego silnika w Volkswagenie Polo GT przy stałej prędkości pojazdu 50 km/h na trzecim lub piątym biegu pozwala na ograniczenie zuŝycia paliwa o około 1 dm 3 /100 km. Podczas jazdy przy prędkości 70 km/h na piątym biegu z aktywnym systemem wyłączania cylindrów uzyskuje się ograniczenie zuŝycia paliwa o 0,7 dm 3 /100 km [10]. W silniku AMG układ deaktywacji cylindrów (nazywany jako AMG Cylinder Management) wyłącza drugi, trzeci, piaty i ósmy cylinder. Funkcja wyłączania cylindrów dostępna jest w szerokim zakresie prędkości obrotowej: od 800 obr/min do 3600 obr/min. W trybie V4 silnik pozwala na uzyskanie do 230 Nm. Przy prędkości obrotowej 3600 obr/min ponowna aktywacja cylindrów nie trwa dłuŝej niŝ 30 ms [2, 10]. Za deaktywację cylindrów odpowiada system szesnastu hydraulicznych elementów wykonawczych umieszczonych w głowicach uniemoŝliwiając otwieranie zaworów wyłączonych cylindrów. 5. ANALIZA WSKAŹNIKÓW DOWNSIZINGU W SILNIKACH SPALINOWYCH Obecnie uŝywane jest pojęcie wskaźnika downsizingu D V zdefiniowanego jako stosunek róŝnicy pojemności podstawowej silnika i pojemności po downsizingu do pojemności silnika bazowego: gdzie: V podst pojemność silnika bazowego, V down pojemność silnika po downsizingu. D V Vpodst Vdown = (1) V Podejście takie pozwala jedynie na uzyskanie informacji o stopniu ograniczenia pojemności skokowej silnika. Brak jest natomiast tutaj informacji o zmianie ciśnienia uŝytecznego (p e ) silnika poddanego downsizingowi. Ciśnienie uŝyteczne p e zdefiniowane jest jako: p N V podst gdzie: N e moc silnika w danym punkcie pracy, V ss pojemność silnika, n prędkość obrotowa silnika, τ cykliczność pracy silnika spalinowego (τ = 1 lub 2). τ n e e = (2) ss Wykorzystanie takiego zapisu powoduje uzyskanie informacji dotyczącej wysilenia silnika spalinowego po dokonaniu downsizingu. MoŜliwe jest więc podanie wskaźnika downsizingu ciśnienia uŝytecznego D p jako stosunku średniego ciśnienia uŝytecznego silnika po downsizingu do takiego samego ciśnienia silnika bazowego: gdzie: D p p p e _ down e _ podst = (3) pe _ podst 675

p e_down ciśnienie uŝyteczne silnika po downsizingu, p e_podst ciśnienie uŝyteczne silnika bazowego. Lepszym wskaźnikiem wydaje się jednakŝe zastąpienie dwóch powyŝszych jednym wskazującym na rzeczywiste korzyści wynikające ze stosowania downsizingu, czyli ilorazu downsizingu ciśnienia uŝytecznego do downsizingu objętościowego określonym jako downsizing silnika D s : D p D s = (4) DV Wskaźniki D V oraz D p przyjmują wartości poniŝej jedności. MoŜe się zdarzyć, Ŝe wskaźnik D p przyjmie wartość równą zero, jednakŝe wtedy nie moŝna mówić o typowym downsizingu (wtedy D s = 0). Uzyskanie przez wskaźnik D s wartości powyŝej jedności świadczy o tym, Ŝe względny przyrost ciśnienia uŝytecznego jest większy niŝ względne zmniejszenie objętości. Oznacza to, Ŝe zmiana (zwiększenie) ciśnienia uŝytecznego jest większe niŝ redukcja pojemności silnika. Uzyskanie wskaźnika poniŝej jedności świadczy o większym udziale redukcji objętości niŝ zwiększenia ciśnienia uŝytecznego. W celu określenia wskaźników downsizingu przedstawiono charakterystyki silników poddane downsizingowi statycznemu. Oznacza to zmianę (redukcję) pojemności silnika przy jednoczesnej zmianie (najczęściej poprawie) jego wskaźników eksploatacyjnych. Na rysunku 3 przedstawiono charakterystyki silników Opla i Volkswagena wraz z charakterystycznymi wskaźnikami ich pracy. Z analizy wynika, Ŝe silniki przed i po downsizingu mają podobne wartości ciśnienia uŝytecznego. Mimo zróŝnicowanych wartości momentu maksymalnego, w obu przypadkach uzyskano zbliŝone wartości ciśnienia uŝytecznego przypadającego na maksymalne wartości momentu obrotowego w zakresie małych wartości prędkości obrotowej (p e = 1,84 MPa). 250 p e = 1,85 MPa 125 200 p e = 1,84 MPa 80 200 Silnik 1,4 dm 3 100 160 Silnik 1,2 TSI 60 Mo [Nm] 150 100 p e = 1,23 MPa 75 50 Ne [kw] Mo [Nm] 120 p e = 1,17 MPa 40 Ne [kw] 50 25 80 Silnik 1,6 MPI 20 0 0 0 40 Silnik 1,8 dm 3 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Rys. 3. Charakterystyki silników jako przykłady downsizingu statycznego Analiza silników wskazuje na istnienie podobnych wartości zmian pojemności silnika, gdyŝ wskaźnik downsizingu pojemnościowego wynosi 0,24 lub 0,249, co oznacza zmniejszenie pojemności silników o około 25% (rysunek 4). Przy zmniejszeniu pojemności silników o 25% nastąpił przyrost maksymalnego ciśnienia uŝytecznego o około 51% (w przypadku silników firmy Opel) oraz o około 56% w przypadku silników firmy Volkswagen. Uzyskanie wskaźnika D (na podstawie wzoru (4) o wartościach odpowiednio 2,11 (Opel) oraz 2,26 (Volkswagen) wskazuje na ponad dwukrotną przewagę zwiększenia ciśnienia uŝytecznego w stosunku do zmniejszenia pojemności silnika. Istnienie wskaźnika D jako ilorazu downsizingu ciśnienia uŝytecznego do downsizingu pojemności silnika rozszerza zakres zastosowania pojęcia downsizingu, a jednocześnie stanowi informację dotyczącą zmiany (zwiększenia) stopnia wysilenia jednostki napędowej. Downsizing dynamiczny przedstawiono z wykorzystaniem charakterystyk silników cztero- oraz ośmiocylindrowych. Na charakterystykach naniesiono dodatkowo obszary, w których następuje deaktywacja cylindrów. W silniku firmy Volkswagen (rysunek 5) uzyskiwane są znacznie większe 676

maksymalne ciśnienia uŝyteczne niŝ w przypadku silnika firmy AMG (rysunek 6). Wartości te wynoszą odpowiednio p e = 2,25 MPa oraz p e = 1,24 MPa (co stanowi względny przyrost o 81% w stosunku do mniejszej wartości ciśnienia uŝytecznego). RóŜnice wynikają m.in. z wykorzystania systemu doładowania silnika VW. TakŜe punkty maksymalnego obciąŝenia silnika podczas deaktywacji cylindrów charakteryzują się większymi wartościami ciśnienia uŝytecznego wynoszącymi p e = 1,80 MPa (silnik VW) w stosunku do p e = 1,08 MPa (silnik AMG). p e [MPa] 2,0 1,6 1,2 0,8 Silnik 1,2 TSI VW +56% pe Downsizing (OPEL): Dv = 0,240 Dp = 0,506 D = 2,104 +50% p e 0 1000 2000 3000 4000 5000 Silnik 1,4 dm 3 OPEL Downsizing (VW): Dv = 0,249 Dp = 0,565 D = 2,264 Downsizing statyczny Silnik 1,8 dm 3 OPEL Silnik 1,6 MPI VW Rys. 4. Wskaźniki silników downsizing statyczny 300 250 p e = 2,25 MPa p e = 2,25 MPa 200 p e = 1,21 MPa Mo [Nm] 150 100 50 p e = 1,35 MPa p e = 1,80 MPa obszarpracy z deaktywacją cylindrów 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Rys. 5. Charakterystyka silnika 1,4 TFSI firmy VW jako przykład downsizingu dynamicznego 600 500 p e = 1,05 MPa p e = 1,24 MPa Mo [Nm] 400 300 200 100 p e = 0,9 MPa p e = 0,92 MPa p e = 1,06 MPa obszarpracy z deaktywacją cylindrów 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Rys. 6. Downsizing dynamiczny silnika AMG V8 5,5 L Mając określone charakterystyki pracy silnika oraz pola pracy silnika podczas deaktywacji cylindrów, na podstawie wzorów (1) (4) wyznaczono wskaźniki downsizingu dynamicznego (rysunek 7). Analiza uzyskanych wskaźników wskazuje na istnienie znacznego zmniejszenia objętości, co wynika z wyłączenia części cylindrów z pracy. JednakŜe uzyskano wskaźniki downsizingu ciśnienia o wartościach poniŝej zera. Świadczy to nie o zwiększeniu ciśnienia uŝytecznego, lecz o jego zmniejszeniu. Wartości ujemne pozwalają na szerszą interpretację 677

downsizingu dynamicznego, z którego wynika, Ŝe nie jest moŝliwe (lub wskazane) uzyskanie wartości p e większych podczas stosowania downsizingu dynamicznego. Z tego względu podczas stosowania tego typu downsizingu uzyskiwane wartości D p będą mniejsze od zera. Wartości wynikowe wskaźników downsizingu D o wartościach ujemnych świadczą o tym, Ŝe jeden ze wskaźników nie ulega poprawie zgodnie z załoŝeniami trendu downsizingu (czyli nie uległo albo zmniejszenie pojemności, albo zwiększenie p e ). W obu analizowanych przypadkach uzyskano wskaźnik downsizingu ciśnienia uŝytecznego poniŝej zera, odpowiednio D p = 0,25 (silnik VW) oraz D p = 0,17 (silnik AMG). Uwzględnienie tych wyników w całkowitym wskaźniku downsizingu pozwala na uzyskanie wartości D = 0,50 (silnik VW), co oznacza, Ŝe jeden ze składników nie został uzyskany zgodnie z zasadami typowego downsizingu (występująca wartości ujemna), oraz Ŝe uzyskano o 50% mniejszą redukcję ciśnienia uŝytecznego w stosunku do zmiany objętości. W przypadku silnika AMG uzyskano wartość wskaźnika downsizingu D = 0,34, co oznacza, Ŝe uzyskano o 34% mniejszą redukcję ciśnienia uŝytecznego w stosunku do redukcji objętości (gdyŝ ten wskaźnik był dodatni). Analiza downsizingu dynamicznego wskazuje na istnienie ujemnych wartości wskaźnika downsizingu, który oznacza, Ŝe im wartość ta jest bliŝsza zeru, tym uzyskano lepsze parametry jednostki napędowej wynikające z zastosowania np. systemu wyłączania cylindrów. 2,5 Downsizing dynamiczny p e [MPa] 2,0 1,5 Silnik 1,4 TFSI VW Downsizing (VW): Dv = 0,50 Dp = -0,25 D = -0,50-20% p e Rys. 7. Wskaźniki downsizingu dynamicznego PODSUMOWANIE 1,0 Downsizing (AMG): Dv = 0,50 Dp = -0,17 D = -0,34 0,5 1000 2000 3000 4000 5000-15% p e Silnik 5,5 AMG Przedstawione powyŝej wskaźniki downsizingu przyjmują zróŝnicowane wartości w stosunku do downsizingu statycznego oraz dynamicznego. Wskazuje to na istnienie znacznie korzystniejszego zapisu wskaźników niŝ stosowanie tylko i wyłącznie wskaźnika dotyczącego zmniejszenia objętości. 0 < D p < 1 0 < D V < 1 Downsizing statyczny D > 1 VW 1,4 TFSI AMG 5,5 Opel 1,8-->1,4 VW 1,6-->1,4 D p < 0 Downsizing dynamiczny D < 0 0 < D V < 1-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 wskaźnik downsizingu D Rys. 8. Zestawienie wskaźników downsizingu statycznego i dynamicznego 678

Na podstawie proponowanego wskaźnika downsizingu moŝliwa jest ocena kierunku zmian jednostki napędowej. Z tego względu przedstawiono zestawienie, które sankcjonuje nomenklaturę dotyczącą uzyskanych wartości wskaźników downsizingu z uwzględnieniem downsizingu statycznego i dynamicznego (rysunek 8). Streszczenie W artykule przedstawiono kierunki zmian silników spalinowych w aspekcie downsizingu. Zdefiniowano i rozróŝniono pojęcia downsizingu statycznego oraz dynamicznego. Zaprezentowano sposoby realizowania downsizingu dynamicznego. Zestawiono silniki spalinowe produkowane na początku XXI wieku z silnikami, które je zastąpiły, wykazując róŝnice określające downsizing. Określono parametry pracy silników, przy których występuje dezaktywacja cylindrów. Zestawiono zaleŝności średnich ciśnień efektywnych w zaleŝności od dezaktywacji cylindrów określając wskaźniki downsizingu silników. Przedstawiono wskaźniki downsizingu statycznego i dynamicznego oraz ich zaleŝności. Static and dynamic downsizing of combustion engines Abstract This paper presents the trends of internal combustion engines in the aspect of downsizing. The concepts of static and dynamic downsizing are defined and distinguished. The ways to implement dynamic downsizing are presented. Set-combustion engines produced at the beginning of the twenty-first century are juxtaposed to engines that have replaced them, showing the differences determining downsizing. The Engine operating parameters by which there is the cylinder deactivation are defined. Summarized Indicated Mean Effective Pressure depending on the cylinder deactivation specifying the ratio of engine downsizing. Indicators of static and dynamic downsizing, and their dependencies are presented. BIBLIOGRAFIA 1. BrzeŜański M., Śliwiński K., Downsizing nowy kierunek rozwoju silników samochodowych. Combustion Engines 2 (119), 3-11, 2004. 2. m.mercedes-amg.com/pdf/eng/road_to_sustainability_en.pdf (dostęp z dnia 15.01.2014). 3. Merkisz J., Pielecha I., Borowski P., Parametry eksploatacyjne silników spalinowych w pojazdach typu Range Extender. Autobusy: technika, eksploatacja, systemy transportowe, 4/2013. 4. Merkisz J., Pielecha I., Markowski J., Wskaźniki pracy silników pojazdów wyczynowych. Combustion Engines 4 (131), 3-18, 2007. 5. Middendorf H., Theobald J., Lang L., Hartel K., Der 1,4-L-TSI-Ottomotor mit Zylinderabschaltung. Motortechnische Zeitschrift, 2012, Volume 73, Issue 3, pp 186-193. 6. Mock P., European vehicle market statistics, 2013, published 2013.10.28, International Council on Clean Transportation, http://www.theicct.org 7. Senapati U., McDevitt I., Hankinson, A., Vehicle refinement challenges for a large displacement engine with cylinder deactivation capability. SAE Technical Paper 2011-01-1678, 2011. 8. Weissbäck M., Howlett M., Ausserhofer N., Krapf S., The efficiency engine cost-effective alternative to downsizing. Combustion Engines 2 (149), 3-9, 2012. 9. www.gmpowertrain.com (dostęp z dnia 15.01.2014). 10. www.greencarcongress.com (dostęp z dnia 15.01.2014). 11. www.team-bhp.com (dostęp z dnia 15.01.2014). 679