Motowynalazki
Ci, którzy wieścili szybką śmierć silników spalinowych, mogą się srodze zawieść. Napędy ekologiczne wciąż są za mało wydajne i zbyt kosztowne, aby zdominować rynek, a tymczasem tradycyjne silniki kontratakują. Tyle że diametralnie się zmieniają, o czym świadczą rewolucyjne pomysły takich producentów, jak Mazda, Infiniti czy Mercedes.
Silnik spalinowy - reaktywacja
Niezwykły silnik Mazdy, który łączy cechy motorów benzynowych i Diesla, zadebiutuje w nowej Mazdzie 3 w 2019 r. Skyactiv-X jest modelem nowej generacji, wykorzystującym całkowicie nowatorską technikę SPCCI (zapłon samoczynny sprężonej mieszanki sterowany świecą).
Komorę spalania wypełnia tu bardzo uboga mieszanka paliwowo-powietrzna, która spala się dopiero, gdy wytworzy się dodatkowe ciśnienie - zbliżone do działania dodatkowego tłoka (stopień sprężania tego silnika to 16:1). Ciśnienie to powstaje na skutek zapłonu małej ilości bogatej mieszanki, która gromadzi się wokół klasycznej świecy zapłonowej. Zjawisko to inżynierowie Mazdy nazwali fireball - czyli kula ognia. Mamy więc nadal do czynienia z zapłonem samoczynnym, bowiem zadaniem iskry nie jest podpalenie całej mieszanki, a jedynie kontrolowanie momentu powstania samozapłonu. Dopiero przy bardzo dużym obciążeniu silnika przechodzi on na klasyczny zapłon iskrowy.
Silnik zasilany jest benzyną, ale pracuje bardzo podobnie do diesla. I ma zalety obu napędów. Mazda zapowiada, że spalanie takiej jednostki powinno być o ok. 30% mniejsze niż tradycyjnych silników benzynowych, przy jednoczesnym wzroście momentu obrotowego od 10 do 30%. Co więcej, jako że przepustnica jest przez większość czasu otwarta, system ten odznacza się lepszą pierwszą reakcją na dodanie gazu, czyli cechą silników dieslowskich, które nie mają przepustnicy. Z drugiej strony, przyrost mocy jest równie efektywny, co w benzyniakach. Ponieważ nic nie może być idealne, Skyactiv-X ma także pewną wadę - nie da się w nim w łatwy sposób zwiększyć mocy z litra pojemności.
Inne rewolucyjne rozwiązanie mogące odmienić los silników spalinowych, a które powinno pojawić się na rynku już w tym roku, to motor o zmiennym stopniu sprężania VC-T (Variable Compression-Turbocharged). Jego powstanie to efekt dwudziestu lat wytężonej pracy inżynierów Infiniti, marki należącej do Nissana. Ponad sto skonstruowanych prototypów i ponad trzysta zarejestrowanych patentów, które przyznano w trakcie jego opracowywania, pokazuje, o jak bardzo nowatorskim, a przy tym dopracowanym rozwiązaniu mówimy. W odróżnieniu od pierwszej tego typu konstrukcji, jaką przed laty zbudował Saab, nie jest ono przesadnie skomplikowane.
Jak działa taki silnik? Dwulitrowa, czterocylindrowa jednostka VC-T nieustannie dopasowuje się do zmieniającego się zapotrzebowania na moc i płynnie zmienia stopień sprężania w zakresie od 8:1 (osiągi sportowe) do 14:1 (niskie zużycie paliwa). Komputer steruje elektryczną przekładnią Harmonic Drive, wprawiającą w ruch skomplikowany układ wielodźwigniowy, co przekłada się na zróżnicowany skok tłoka w cylindrze. Korbowód nie wykonuje ruchu kolistego, jak w tradycyjnych silnikach, ale eliptyczny. Dodatkowo silnik wyposażono w podwójny układ wtryskowy - wielopunktowy, działający podczas pracy przy niskim stopniu sprężania, i bezpośredni, aktywny przy wysokim stopniu sprężania.
Nowatorski napęd trafi najpierw pod maskę nowego modelu QX50. Jednostka ma rozwijać moc 272 KM i maksymalny moment obrotowy 390 Nm. Jak obiecuje producent, nowy motor zapewni podobną dynamikę, jak silnik V6 o pojemności 3,6 l, ale zużyje o 27% mniej paliwa. Co ciekawe, choć jest to dość złożona konstrukcja, jego produkcja ma być tańsza niż nowoczesnych diesli!
Własny projekt benzynowego silnika o zmiennym stopniu sprężania opracowała również Toyota. Opiera się on na koncepcji hydraulicznego systemu zmiany wysokości pracy sworznia tłokowego, co umożliwia płynną regulację sprężania. Na jego wdrożenie do produkcji poczekamy jednak nieco dłużej niż w przypadku Nissana.
48 V
Możliwości silników spalinowych zwiększą się także dzięki 48-woltowej instalacji elektrycznej, która już teraz instalowana jest w wielu nowych autach. Umożliwia ona m.in. zastosowanie układu tzw. miękkiej hybrydy (mild hybrid). To coraz popularniejsze rozwiązanie, ponieważ, wykazując wiele zalet silników hybrydowych, jest dużo tańsze i prostsze konstrukcyjnie.
Mild hybrid, w odróżnieniu od klasycznej hybrydy, nie może samodzielnie napędzać samochodu, pełni tylko funkcję pomocniczą - przede wszystkim podczas ruszania i przyspieszania, czyli w sytuacjach, kiedy silnik spalinowy pozostaje najmniej ekonomiczny. Dzięki miękkiej hybrydzie moc jest rozwijana płynniej, systemy start-stop w końcu działają, jak należy, kierowca cieszy się z niższego zużycia paliwa, a ekolodzy - z obniżonej emisji zanieczyszczeń.
Miękka hybryda opiera się na module rozrusznika zintegrowanego z alternatorem (ISG - Integrated Starter Generator). Wykorzystuje on energię zgromadzoną podczas hamowania, która magazynowana jest w niewielkiej baterii litowo-jonowej, np. w nowej Kii Sportage z systemem EcoDynamics+ wynosi ona 0,46 kWh. Jeden z najbardziej rozbudowanych systemów 48-woltowych zastosował Mercedes w nowym rzędowym silniku benzynowym 3.0 M256. Wyposażono go nie tylko w alternator zintegrowany z rozrusznikiem (ISG), ale również w elektryczny kompresor (eZV). ISG to w praktyce elektryczny silnik o mocy 20 KM i 220 Nm momentu obrotowego, zainstalowany pomiędzy jednostką spalinową a skrzynią biegów, którego zadaniem jest rozruch zimnego silnika, odzyskiwanie energii hamowania i wspomaganie silnika spalinowego podczas przyspieszania.
Dodatkowo elektrycznie napędzane są m.in. pompa wody oraz kompresor klimatyzacji, niepotrzebny jest więc pasek klinowy. Z kolei eZV rozpędza się do 70 tys. obr./min w zaledwie 300 milisekund, zapewniając potężny przyrost siły napędowej pomiędzy 1 tys. a 3 tys. obr./min i to niezależnie od prędkości obrotowej silnika i jego obciążenia. W ten sposób udało się całkowicie wyeliminować zjawisko tzw. turbodziury.
Trzy sprzęgła i kilkanaście biegów
Całkiem niedawno standardem była czterobiegowa automatyczna przekładnia hydrokinetyczna. Dziś normą stają się skrzynie o siedmiu i ośmiu przełożeniach, a Ford, GM i Lexus montują w swoich autach nawet dziesięciobiegowe automaty. Coraz większą popularnością cieszą się także skrzynie dwusprzęgłowe, łączące najlepsze cechy skrzyni manualnej i klasycznej skrzyni automatycznej.
Jednak coraz bardziej wyśrubowane normy emisji spalin zmuszają producentów aut do szukania jeszcze nowocześniejszych rozwiązań - powstały już prototypy skrzyń z aż jedenastoma przełożeniami (w tym dwa biegi wsteczne) oraz takich, które wyposażone są w trzy sprzęgła. Duża liczba biegów pozwala silnikowi na pracę na jeszcze niższych obrotach przy wyższej prędkości, co oczywiście znajduje odzwierciedlenie w wynikach spalania, natomiast trzecie sprzęgło ma zapobiegać efektowi spadku momentu obrotowego przy zmianach przełożeń, który nadal pojawia się w dwusprzęgłówkach. Możliwe jest to dzięki temu, że niektóre przełożenia podczas sekwencji zmiany biegów są po prostu pomijane.
Producenci szukają także nowych rozwiązań, które będą mogli zastosować w hybrydach. Powód jest oczywisty - pojazdy o takim napędzie cieszą się coraz większym zainteresowaniem klientów, a współczesna technologia skrzyni biegów nie nadąża za postępem w tej dziedzinie.
Firma GNK opracowała przekładnię eTwinsterX - dwa elektrohydrauliczne sprzęgła montowane na tylnej osi, które wektorują moment obrotowy, pełnią rolę mechanizmów różnicowych i odzyskują energię. Dzięki temu, że pojazd wyposażony w eTwinsterX może przez krótki czas poruszać się wyłącznie na prądzie, nie jest potrzebny ciężki i skompilowany układ 4×4.
Z kolei brytyjska firma Magnomatics pracuje nad rozwiązaniem, które nazwała Magsplit. To nowatorska przekładania magnetyczna, która wykorzystuje pole magnetyczne do przełączania napędu między silnikiem elektrycznym i spalinowym.
À propos pojazdów elektrycznych - w nowym Nissanie Leaf Japończycy zastosowali jeszcze jedną ciekawą technologię związaną z kierowaniem autem. e-Pedal, bo taką nosi marketingową nazwę, umożliwia ruszanie, zmianę prędkości oraz zatrzymywanie przy użyciu wyłącznie pedału przyspieszenia, bez konieczności naciskania hamulca. Wystarczy zdjąć nogę z gazu, aby samochód płynnie wytracił prędkość, a następnie zatrzymał się i nie ruszył z miejsca, nawet na wzniesieniu.
Oświetlają - wyświetlają
Rewolucja technologiczna dotyczy także oświetlenia. Reflektory LED powoli stają się standardem, ale za chwilę ich miejsce zajmą światła laserowe, stosowane już w tej chwili przez niektórych producentów marek premium (BMW i8, Audi R8 LMX i nowe BMW serii 7).
Światła laserowe to jednak raczej ewolucja niż rewolucja. Do tej drugiej kategorii możemy zaliczyć takie rozwiązania, jak Digital Light - system zaprezentowany przez Mercedesa na tegorocznych targach w Genewie. To nieoślepiające światła drogowe o wysokiej rozdzielczości wykorzystuje czipy z ponad milionem mikroluster na jeden reflektor. Sterujące nimi algorytmy otrzymują szczegółowe informacje o otoczeniu z czujników pojazdu, a następnie obliczają w czasie rzeczywistym wartość jasności dla każdego z ponad dwóch milionów pikseli.
Najbardziej innowacyjne jest jednak to, że Digital Light umożliwia również rzutowanie symboli świetlnych na drodze. W ten sposób samochód może wysyłać różne informacje - np. płatek śniegu ostrzeże nas przed śliską nawierzchnią, a kierunkowe strzałki poinformują innych kierowców, w którą stronę zamierzamy skręcić.
"Zielone" opony
W motoryzacji przyszłości wszystko ma być eko. Jeśli wszystko, to także takie podzespoły auta, jak opony. Pomysłów na "zielone" koła było już co najmniej kilka, ale chyba nikt nie zaprezentował tak odważnej koncepcji, jak Goodyear. Koncern stworzył opony Oxygene, które zielone są nie tylko z nazwy, bowiem ich ażurową ścianę boczną pokrywa prawdziwy, żywy mech, który wytwarza tlen i energię.
Specjalna konstrukcja bieżnika nie tylko zwiększa przyczepność, ale i przechwytuje wodę z powierzchni drogi, ułatwiając fotosyntezę. Powstająca w tym procesie energia jest wykorzystywana do zasilania wbudowanych w oponę podzespołów elektronicznych: czujników, modułu sztucznej inteligencji i pasków świetlnych umieszczonych w bocznej ścianie opony, które, zmieniając kolory, informują innych użytkowników drogi o wykonywanych przez nas manewrach.
Oxygene wykorzystuje również system komunikacji światłem widzialnym lub LiFi, zapewniający łączność o dużej przepustowości z prędkością światła. W ten sposób opona może łączyć się z Internetem Rzeczy, umożliwiając wymianę danych między pojazdami (V2V) oraz pojazdem i miejską infrastrukturą (V2I). Do produkcji opon Oxygene wykorzystane zostaną drukarki 3D i proszek gumowy, pochodzący z recyklingu.
"Przezroczysta" karoseria i "inteligentny" fotel
Najnowsze motoryzacyjne wynalazki nie są oczywiście związane wyłącznie z nowoczesnymi napędami lub elementami zewnętrznymi samochodu. Wiele z nich ma przede wszystkim zwiększać komfort użytkowania auta przez kierowcę.
Już kilka lat temu Land Rover zaprezentował koncepcję tzw. przezroczystej maski. Rozwiązanie oparto o układ kamer zamontowanych w przednim zderzaku, połączonych z kolorowym wyświetlaczem typu HUD. Za jego pośrednictwem oczom kierowcy ukazywała się wizualizacja tego, co znajduje się bezpośrednio pod podwoziem auta.
Niedawno podobną koncepcję opatentowała Toyota, a dotyczy ona słupków karoserii samochodu, które we współczesnych autach są ze względów bezpieczeństwa coraz szersze, co znacznie zmniejsza pole widzenia kierowcy i przyczynia się do większej liczby kolizji. Co ciekawe, inżynierowie Toyoty nie sięgnęli tym razem po elektronikę, ale wykorzystali prawa fizyki, projektując specjalny układ zwierciadeł, który kieruje światło dookoła słupka, tak, aby obraz był widoczny po jego drugiej stronie.
"Przezroczystość" słupków jest zatem swego rodzaju złudzeniem optycznym - kierowca ma wrażenie, że patrzy na wskroś przez słupek, a tak naprawdę jego wzrok prześlizguje się wokół niego.
Innym ciekawym pomysłem inżynierów Toyoty (nota bene koncern ten zdecydowanie dominuje w ostatnich latach pod względem zgłoszonych patentów na nowe technologie motoryzacyjne) jest np. inteligentny fotel samochodowy, którego oparcie może dowolnie zmieniać kształt, automatycznie dostosowując się do sylwetki użytkownika. Staje się to możliwe dzięki zastąpieniu zwartego oparcia zestawem trzystu niezależnych, ruchomych bloczków z elastomeru.
Toyota pracuje nad aplikacją na smartfon, która przekaże dane o wymiarach i sylwetce użytkownika do komputera sterującego fotelem w samochodzie i w ten sposób błyskawicznie dostosuje jego kształt do konkretnej osoby, jeszcze zanim ta wsiądzie do auta.
Muzyka bez głośników
Współczesne systemy nagłośnieniowe w samochodach generują coraz lepszy dźwięk, ale jednocześnie wzrasta ich masa. Dla przykładu, 20-głośnikowy system audio może ważyć ok. 15 kg i zajmować ok. 30 l przestrzeni. A to duży problem w sytuacji, kiedy producenci aut muszą maksymalnie redukować wagę pojazdów, aby zmniejszyć zużycie paliwa i spełnić wyśrubowane normy ekologiczne.
Firma Continental znalazła na to sposób - po prostu z samochodów muszą zniknąć głośniki! Brzmi absurdalnie? Tylko z pozoru, o czym świadczy przedstawiony przez niemieckiego producenta system Ac2ated Sound, który do przenoszenia dźwięku wykorzystuje elementy wnętrza pojazdu. Zastępują one membrany głośników, natomiast odpowiednikiem rdzenia głośnika są niewielkie przetworniki wibracyjne, składające się z magnesu i wibrującej cewki, przetwarzającej elektryczny sygnał na ruch.
Według Dimitriosa Patsourasa z firmy Continental działanie systemu można porównać do skrzypiec.
"Smyczkiem i strunami są w nim przetworniki wibracyjne, mostek skrzypcowy to miejsce umieszczenia przetworników, a pudłem rezonansowym jest wnętrze samochodu. Słupki w aucie są przystosowane do generowania dużych częstotliwości, a panele drzwiowe mają odpowiednie właściwości do tworzenia średnich częstotliwości", twierdzi.
Rolę subwoofera generującego niskie częstotliwości pełnią zaś największe powierzchnie w aucie, np. podsufitka czy tylna półka. Ci, którzy mieli już okazję ten system przetestować, twierdzą, że jakość dźwięku jest pierwszorzędna.
Samochód, który czyta w myślach kierowcy
Najnowsze systemy multimedialne i elektroniczne zmieniają nasze samochody w jeżdżące komputery. Ich następne generacje będą przede wszystkim oparte na sztucznej inteligencji, uczącej się naszych zachowań, zapamiętującej nasze preferencje, przejechane trasy, odwiedzone miejsca, ulubioną muzykę, styl jazdy i wiele innych podobnych danych - dostosowującej na bieżąco ustawienia auta albo proponującej jakieś konkretne rozwiązania lub czynności.
Niektóre firmy, zamiast tworzyć własne rozwiązania od zera, sięgają po te, które już dobrze funkcjonują na rynku. Przykładowo, Ford, Hyundai i Volkswagen nawiązały współpracę z Amazonem, który rozwija systemy Echo oraz Alexa, wykorzystywane w domach inteligentnych. To zresztą daje duże możliwości integrowania tych systemów.
Docelowo samochód ma być tylko jednym z elementów osobistego ekosystemu urządzeń i rozwiązań smart. Nie tylko utniemy sobie pogawędkę z naszym elokwentnym autem, ale skomunikuje się ono za nas z inteligentnym domem, który otworzy bramę wjazdową, włączy ogrzewanie i zaparzy kawę. Za pomocą Aleksy częściowo jest to już zresztą możliwe.
A może samochód powinien czytać w naszych myślach? Choć brzmi to jak pieśń odległej przyszłości (i zarazem nieco złowrogo), producenci aut już pracują nad takimi projektami.
Inżynierowie Nissana przeprowadzili pierwsze testy technologii Brain-to-Vehicle (B2V), umożliwiającej stworzenie samochodów mających zdolności przewidywania naszych zachowań za kółkiem. Kierowcy testowi mieli na głowach urządzenia mierzące aktywność fal mózgowych, analizowanych następnie przez autonomiczne systemy pojazdu. Antycypując zamiar wykonania ruchu, mogły one przystąpić do wykonania niektórych czynności - takich jak przekręcenie kierownicy czy zmniejszenie prędkości - o 0,2 do 0,5 sek. szybciej od kierowcy.
W przyszłości B2V będzie także potrafiło wykryć i ocenić dyskomfort kierowcy. Jeśli np. zacznie on zasypiać za kierownicą, sztuczna inteligencja przełączy się w tryb jazdy autonomicznej.
***
Powyższe przykłady nowatorskich wynalazków w dziedzinie motoryzacji to tylko skromny fragment długiej listy opracowywanych lub wdrażanych obecnie technologii. O tym, czy pomysły te sprawdzą się w codziennej eksploatacji, przekonamy się w ciągu kilku najbliższych lat, ale z pewnością przyszłość zapowiada się niezwykle interesująco. Pasjonująca będzie przede wszystkim rywalizacja o prymat na rynku pomiędzy napędami ekologicznymi a spalinowymi. Dzięki takim rozwiązaniom jak Skyactiv-X Mazdy czy VC-T Infiniti, te ostatnie zyskują w tej konfrontacji nowe, bardzo silne argumenty.
Krzysztof Jóźwiak
