Seat Leon 1,4 TSI - ma talent, cz. II

1,4 TSI - rodzina z tradycjami

Po okresie bardzo dynamicznego rozwoju silników o zapłonie samoczynnym przyszedł czas na opracowanie nowych technologii zasilania silników benzynowych, czego znakomitym przykładem jest zastosowany w testowym Seacie Leonie silnik 1,4 TSI.

Należy on do volkswagenowskiej rodziny EA111, obejmującej silniki o pojemnościach skokowych od 1,0 do 1,6 l, charakteryzującej się zunifikowaną odległością pomiędzy cylindrami, wynoszącą 82 mm. Są to silniki 3- i 4-cylindrowe wyposażone w rozrząd z 2 lub 4 zaworami w każdym cylindrze.

fot. VolkswagenOd 2006 r. silnik 1,4 TSI jest liderem konkursu International Engine of the Year w klasie pojemnościowej od 1,0 do 1,4 l

Rodzina tych silników obejmuje jednostki napędowe o niewielkich pojemnościach skokowych i niskiej emisji spalin. Z tego powodu jest ona bardzo istotna dla koncernu VW, ponieważ przyczynia się do obniżenia średniej emisji dwutlenku węgla w produkowanych samochodach, która już w 2012 r. ma wynosić 130 g/km.

Wielokrotnie nagradzany

fot. VolkswagenWtryskiwanie benzyny bezpośrednio do komór spalania powoduje, że są one skutecznie chłodzone, co zapobiega spalaniu stukowemu

Silnik 1,4 TSI był wielokrotnie nagradzany, choćby w ramach konkursu International Engine of the Year. W 2011 r. uplasował się na drugim miejscu w kategorii głównej i odniósł kolejne zwycięstwo w swej klasie pojemnościowej (od 1 do 1,4 l). Jego supremacja w tym segmencie trwa nieprzerwanie od 2006 r., czyli właściwie od momentu wprowadzenia na rynek pierwszej jego wersji o mocy 125 kW. W latach 2009-2010 silnik zdobywał tytuł International Engine of the Year w głównej kategorii konkursu.

Bezpośredni wtrysk benzyny i downsizing

Koncepcja bezpośredniego wtrysku benzyny nie jest nowa i była już wykorzystywana w motoryzacji, np. w latach 50. ubiegłego wieku (Mercedes 300 SL) czy w samochodzie Mitsubishi Carisma z silnikiem GDI (połowa lat 90. XX w.). Obecnie, w dobie zmniejszania pojemności skokowych w ramach downsizingu, pojawia się coraz większa liczba jednostek napędowych wyposażonych w bezpośredni wtrysk benzyny, ponieważ zmniejszanie pojemności skokowej przy jednoczesnym zwiększaniu parametrów silników ma swój kres w postaci granicy spalania stukowego. Po jej przekroczeniu proces spalania przebiega w sposób niekontrolowany - czoło płomienia przemieszcza się z dużo wyższymi prędkościami i odbijając się od ścian komory spalania wywołuje charakterystyczne stuki w silniku. Skutecznym sposobem na znaczne podniesienie tej granicy jest właśnie zastosowanie bezpośredniego wtrysku benzyny. Wtryskiwana wprost do komór spalania benzyna skutecznie je chłodzi, a przepływające powietrze odpowiada za dobre przepłukiwanie. Dzięki temu silnik jest w stanie pracować pod znacznie wyższym obciążeniem przy wyższym stopniu doładowania i stopniu sprężania. Efektem są uzyskiwane wysokie wartości momentu obrotowego, dotychczas zarezerwowane dla jednostek napędowych o zapłonie samoczynnym.

Koncepcja downsizingu jest zatem idealnym rozwiązaniem dla doładowanych silników z bezpośrednim wtryskiem benzyny, pozwalając na spełnienie obowiązujących wymagań emisyjnych oraz zapewnienie niskiego zużycia paliwa, co wynika z cech silników o niewielkiej pojemności skokowej. Charakteryzują się one niskimi oporami wewnętrznymi, zarówno w zakresie występującego tarcia, jak również oporów związanych z bezwładnością elementów wirujących oraz wykonujących ruch posuwisty.

Wiodącą rolę we wprowadzaniu downsizingu i związanego z nim bezpośredniego wtrysku benzyny odgrywa Volkswagen, który już w 2001 r., w modelu Lupo, zaoferował 4-cylindrowy w ten sposób zasilany silnik (1,4 FSI - Fuel Stratified Injection). Silnik dysponował mocą 105 KM i momentem obrotowym 130 Nm.

Rozwinięciem tej jednostki napędowej jest silnik 1,4 TSI, który zadebiutował na targach IAA we Frankfurcie w 2005 r. Był to pierwszy silnik z bezpośrednim wtryskiem benzyny wyposażony w podwójne doładowanie (sprężarka Rootsa napędzana mechanicznie i turbosprężarka). Wersja ta dysponuje mocą 125 kW (170 KM) przy 6000 obr./min. i maksymalnym momentem obrotowym 240 Nm, który jest uzyskiwany w zakresie 1750-4500 obr/min. Silnik 1,4 TSI zastąpił oferowaną w tym okresie jednostkę napędową 2,0 FSI, oferując 14-procentowy wzrost mocy przy jednoczesnej redukcji zużycia paliwa o 5%.

fot. gazeo.plElementy gazowego układu zasilania w komorze silnikowej Seata 1,4 TSI

Silnik samochodu testowego

Silnik 1,4 TSI o mocy 90 kW był kolejną odmianą wprowadzoną na rynek. Zadebiutował w 2007 r., zastępując silnik 1,6 FSI (85 kW). W odróżnieniu od mocniejszej wersji silnika 1,4 TSI, zastosowano doładowanie z wykorzystaniem wyłącznie turbosprężarki (bez użycia kompresora mechanicznego).

Stosowane w Seatach wersje tego silnika mają nieco większą moc - 92 kW (125 KM) przy 5000-5500 obr/min oraz maksymalny moment obrotowy - 200 Nm, który jest dostępny już od 1500 obr/min i utrzymuje stałą wartość do 4500 obr/min. Wymiary główne silnika (średnica cylindra x skok tłoka) wynoszą 76,5 x 75,6 mm (pojemność skokowa 1390 cm³). Stosunek skoku tłoka do średnicy cylindra (wskaźnik skokowości) wynosi blisko 1 (tzw. kwadratowy cylinder), co sprzyja uzyskiwaniu wysokich prędkości obrotowych (niższe siły masowe), przy zachowaniu odpowiedniej trwałości silnika, którą producent ocenia na 300 tys. km.

Silnik jest oczywiście zasilany z wykorzystaniem bezpośredniego wtrysku benzyny. Pozwoliło to na zastosowanie, w doładowanym silniku o zapłonie iskrowym, wysokiego stopnia sprężania (10), bez obawy o wystąpienie spalania stukowego.

Wysokie maksymalne ciśnienia w komorach spalania wymagają zastosowania materiałów i rozwiązań zapewniających odpowiednią wytrzymałość. Muszą one być na tyle wytrzymałe, aby sprostać parametrom podwójnie doładowanych jednostek napędowych (ciśnienie doładowania do 2,5 bara), ponieważ kadłub, wał korbowy i korbowody są identyczne dla wszystkich wersji tego silnika.

O stopniu wysilenia poszczególnych wersji silnika 1,4 TSI świadczą pojemnościowe wskaźniki mocy. W silniku testowego Leona parametr ten osiąga wartość blisko 90 KM/l, wersje z podwójnym doładowaniem 121 KM/l, a silnik Seata Ibizy Cupra o mocy 180 KM legitymuje się pojemnościowym wskaźnikiem mocy o wartości 129 KM/l.

fot. VolkswagenNa głowicy silnika 1,4 TSI znajdują się dwa wałki rozrządu, które poprzez wyposażone w rolki dźwigienki napędzają po 4 zawory w każdym cylindrze. Pod dźwigienkami znajdują się hydrauliczne kompensatory luzów zaworowych

Głowica

Głowicę cylindrów wykonano ze stopów aluminium. Zamontowane na niej dwa wałki krzywkowe uruchamiają po 4 zawory w każdym cylindrze, a dodatkowa krzywka służy do napędu wysokociśnieniowej pompy benzyny.

Zadbano o zredukowanie tarcia pomiędzy wałkiem rozrządu a dźwigienkami, które wyposażono w rolki. Z uwagi na niższe temperatury gazów spalinowych w stosunku do silnika 1,4 TSI podwójnie doładowanego, zastosowano „zwykłe”, pełne zawory wylotowe. Wersja z podwójnym doładowaniem ma drążone trzonki zaworów wypełnione sodem, który pozwala na skuteczniejszy odbiór ciepła od grzybków i jego przekazywanie przez trzonki do umieszczonych w chłodzonej przestrzeni głowicy prowadnic zaworowych. Odpowiedni luz w układzie rozrządu zapewniają hydrauliczne kompensatory.

Napęd rozrządu

Do napędu mechanizmu rozrządu zastosowano praktycznie bezobsługową przekładnię łańcuchową, a wałek rozrządu zaworów dolotowych wyposażono w mechanizm regulacji czasów otwarcia (zmienne fazy rozrządu), współpracujący z układem zasilania.