Pełna moc

Bilans pośredni po 6 dekadach rozwoju napędu 911: dwukrotnie większa pojemność skokowa, czterokrotnie większa moc, niezmieniona ogólna koncepcja. „Cały czas zaskakują nas możliwości rozbudowy oraz wszechstronność sześciocylindrowego silnika typu bokser”, mówi Thomas Krickelberg, kierownik działu Operating Excellence serii 911/718. W przyszłości będzie to rozwiązanie z elektryczną turbosprężarką zapewniającą większą moc i lepszy napęd przy niższych emisjach. Czym jest ta niezwykła podstawa, którą u progu siódmej dekady można odkrywać ciągle na nowo?

Od początku spełniał surowe normy emisji. „Spoglądając wstecz, można stwierdzić, że turbodoładowanie zrewolucjonizowało cały świat silników spalinowych”, uważa Krickelberg.

Silniki turbo są marzeniem każdego inżyniera, ponieważ wykorzystują energię z gorących spalin, która inaczej zostałaby zmarnowana. Ich serce stanowi turbosprężarka składająca się z trwale połączonych ze sobą wirników: turbiny i sprężarki. Napędzana spalinami silnika turbina osiąga prędkość obrotową na poziomie prawie 200 tys. obr./min. Wirnik sprężarki obraca się z taką samą prędkością i doprowadza sprężone powietrze do cylindrów. Dodatkowa ilość świeżego powietrza poprawia spalanie, zwiększając tym samym moc silnika. Aby nie obciążać nadmiernie elementów silnika, należy ograniczyć w turbosprężarce ciśnienie wytwarzane przez strumień spalin. Gdy ciśnienie doładowania osiąga określoną wartość graniczną, spaliny uchodzą przez zawór obejściowy, tzw. wastegate.

Większa moc dzięki chłodzeniu powietrza doładowującego

Ciągłe prace rozwojowe inżynierów Porsche umożliwiły wprowadzenie dalszych udoskonaleń do konstrukcji turbo. Wysokie temperatury po stronie turbiny oraz sprężanie powietrza powodują jej nagrzewanie. Wpływa to negatywnie na wypełnienie cylindrów i właściwości spalania wtryskiwanego paliwa. Od roku modelowego 1978 sprężone powietrze doładowujące jest chłodzone w drodze do komory spalania – to rozwiązanie zostało wcześniej sprawdzone w sporcie motorowym. Chłodnica montowana jest pod kratką na potężnym spojlerze z tyłu. Takie kompleksowe chłodzenie powietrza doładowującego pozwoliło na zwiększenie mocy do 221 kW (300 KM) oraz niezwykłą elastyczność silnika.

Innym zasadniczym problemem silnika z turbodoładowaniem, początkowo trudnym do rozwiązania, była opóźniona reakcja w trakcie przyspieszania. W dolnym zakresie obrotów 911 Turbo zachowuje się przy dodawaniu gazu podobnie jak jego słabszy odpowiednik z silnikiem wolnossącym. Ale od prędkości około 3500 obr./min moc gwałtownie rośnie. „Tę tzw. turbodziurę musieliśmy zmniejszyć, aby poprawić właściwości jezdne”, wyjaśnia konstruktor Krickelberg.

Biturbo: burzliwy rozwój

Porsche przedstawiło swoje rozwiązanie w modelu 911 Turbo (993) czwartej generacji. Wiosną 1995 roku zaprezentowało najmocniejsze jak dotąd seryjne Porsche: 300 kW (408 KM). Jego 3,6-litrowy silnik wyróżniał się dwiema turbosprężarkami i dwiema chłodnicami powietrza doładowującego. Dwie mniejsze turbiny mogły pracować szybciej podczas przyspieszania niż jedna większa. Korzystny efekt wywierał przede wszystkim niższy moment bezwładności mniejszych wirników. „A żeby bezpiecznie przenieść moc na drogę, 993 Turbo otrzymał seryjnie udoskonalony napęd na wszystkie koła”, dodaje Krickelberg. Postępy poczynione w sterowaniu silnikiem i czujnikach oraz nowoczesny układ oczyszczania spalin czynią ten ostatni model chłodzonej powietrzem generacji 911 pojazdem seryjnym o najniższej w swoim czasie emisji.

Z silnikiem chłodzonym wodą w XXI wiek

„Bilet wstępu do nowej technologii” – tak August Achleitner określił pod koniec lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku przejście z chłodzenia powietrzem na chłodzenie wodą sześciocylindrowego silnika typu bokser w piątej generacji 911 (996). Achleitner to ówczesny kierownik działu technicznego planowania produktów i osoba odpowiedzialna za serię 911 w latach od 2001 do 2018. Chłodzenie wodą było warunkiem dalszego zwiększania mocy, zmniejszania zużycia oraz spełniania norm emisji spalin i hałasu. Konstruktorzy Porsche tworzą głowice cylindrów z czterema zaworami na komorę spalania. „W samochodach wyścigowych już w 1970 roku przy typie 908 wstępnie testowano rozwiązanie czterozaworowe chłodzone powietrzem pod kątem silnika V12 z planowaną kontynuacją w 917. W latach 80. ubiegłego wielu pomysł został wykorzystany podczas prac rozwojowych 911 i wypróbowany na stanowisku testowym w typie 964”, wspomina Albrecht Reustle. „Ale głowica cylindrów stapiała się”. I ponownie z pomocą przyszło rozwiązanie ze sportu wyścigowego: odnoszący sukcesy na długich dystansach prototyp 962 ma już chłodzone wodą głowice cylindrów, podobnie zresztą jak supersportowy model 959. Na przekór całej ówczesnej dyskusji na temat końca epoki chłodzenia powietrzem typ 996 odnosi przełomowy sukces.

„Turbodoładowanie zrewolucjonizowało świat silników spalinowych”.

Thomas Krickelberg

Zmienna geometria turbiny

W 2006 roku odczuwalnie wyższymi osiągami zachwycił 911 Turbo (997): jego moc i moment obrotowy wzrosły o ponad dziesięć procent. To głównie zasługa nowej i unikalnej na skalę światową technologii – zmiennej geometrii łopatek turbiny (VTG). Pozwala ona zoptymalizować wydajność turbosprężarki w szerszym zakresie prędkości obrotowych silnika poprzez dostosowanie kąta, a tym samym przekroju spalin w trakcie ich przepływania przez łopatki turbiny. „Rozwój VTG był przełomem i od prawie 20 lat stanowi unikalną cechę technologii turbodoładowania silników benzynowych”, wyjaśnia Thomas Krickelberg. „Aby przepływ spalin do turbiny mógł odbywać się elastycznie, małe łopatki muszą mieć możliwość precyzyjnej regulacji przy temperaturach powyżej 1000 stopni Celsjusza”. W tym celu używa się materiałów wykorzystywanych również w promach kosmicznych.

Mniejsza pojemność skokowa, większa moc i wydajność

Po wprowadzeniu chłodzenia wodą i VTG kolejnym kamieniem milowym jest rok 2015: turbodoładowanie w podstawowych modelach Carrera i Carrera S generacji 991. Krickelberg wspomina: „Zmniejszyliśmy pojemność skokową, a jednocześnie udało nam się znacząco zwiększyć osiągi”. Nowa generacja silników z doładowaniem biturbo pozwalała uzyskiwać początkowo 20 KM więcej – przy niższym zużyciu paliwa.

Sportowa hybrydyzacja

Wraz z modernizacją obecnej generacji 911 (992) konstruktorzy ponownie wkraczają latem 2024 roku na nowe ścieżki w udoskonalaniu sześciocylindrowego silnika typu bokser (911 Carrera GTS: zużycie paliwa, cykl łączony (WLTP) 11.0 – 10.5 l/100 km, emisja CO₂ średnia (WLTP) 251 – 239 g/km, CO₂ class G ). Nowe Carrera GTS jest pierwszą 911 dopuszczoną do ruchu drogowego wyposażoną w szczególnie lekką i wysokowydajną jednostkę hybrydową. Nowo zaprojektowany, innowacyjny napęd nie tylko pozwala kolejny raz znacznie zwiększyć moc oraz poprawić przyspieszenie, ale także przygotowuje jednostkę napędową do przyszłych standardów emisji. „Zainicjowaliśmy i przetestowaliśmy różnorodne pomysły i sugestie, aby dobrać układ hybrydowy idealnie dopasowany do 911. Efektem jest wyjątkowy napęd idealnie wpasowany w całościową koncepcję modelu 911 i znacząco zwiększający jego osiągi”, mówi Frank Moser, kierownik serii 911 i 718.

Centralnym punktem technologii jest elektryczna turbosprężarka. Między turbiną zasilaną spalinami a sprężarką znajduje się zintegrowany silnik elektryczny. Jego zadanie: podczas przyspieszania błyskawicznie osiąga wysoką prędkość obrotową, zapewniając bezpośrednio, bez opóźnienia, wysokie ciśnienie doładowania. Turbosprężarkę napędza mały silnik elektryczny. „Technologia umożliwia reakcje podobne do tych w silniku wolnossącym”, tłumaczy Matthias Hofstetter, odpowiedzialny za projekt układu spalania i hybrydyzacji 911. „A wartości przyspieszenia są porównywalne z wartościami naszych całkowicie elektrycznych samochodów sportowych”.

Przyspieszenie w dolnym zakresie obrotów jest niesamowite, potwierdza Thomas Krickelberg: „Konwencjonalną techniką nie udałoby się nam osiągnąć zamierzonego wzrostu wydajności przy jednoczesnym utrzymaniu przyszłych norm emisji”. Na wynik złożyło się kilka równoległych zmian. Pojemność skokowa znów wzrasta z 3,0 do 3,6 litra, a jednocześnie dzięki wspomaganiu elektrycznemu silnik spalinowy nie potrzebuje już dwóch turbosprężarek, tylko jedną, przy równoczesnej poprawie czasu reakcji i wzroście dynamiki.

Korzyści wynikają z systemowych zalet wspomaganego elektrycznie doładowania: to rekuperacja, czyli odzyskiwanie energii ze spalin. Silnik elektryczny w turbosprężarce pracuje także jako generator. Osiąga przy tym do 11 kW (15 KM) mocy elektrycznej pobieranej z energii napędowej przepływających spalin.

Równie prosta, co fascynująca zasada. Silnik elektryczny działa jak regulator obrotów. Gdy ciśnienie doładowania zbyt mocno rośnie wskutek wyższych obrotów, hamuje on turbinę. W efekcie wytwarzana jest energia elektryczna, która następnie trafia do akumulatora lub silnika elektrycznego. Dzięki skutecznej rekuperacji wystarcza relatywnie niewielki akumulator do codziennego użytku, szczególnie jeśli uwzględnimy, że skład chemiczny ogniw został zaprojektowany specjalnie pod kątem technologii T-Hybrid. „Technologia sprawia, że akumulator dostarcza dużo energii w krótkim czasie i można go stosunkowo szybko ponownie doładować”, wyjaśnia Hofstetter.

Elektryczna turbosprężarka ma jeszcze jedną zaletę: zbędny staje się stosowany wcześniej zawór wastegate. W tej formie jest to nowość na skalę światową. „Energia, która wcześniej przechodziła przez turbinę, pozostawała niewykorzystana”, tłumaczy Hofstetter. „Teraz energia elektryczna jest efektem regulacji ciśnienia”. Ma to korzystny wpływ na sprawność silnika, a tym samym na zużycie paliwa.

„Turbodoładowanie połączone z hybrydyzacją, odzyskiwaniem energii, optymalną konstrukcją komory spalania, optymalizacją chłodzenia i komory spalania to recepta pozwalająca spełniać również przyszłe przepisy dotyczące spalin i emisji, a jednocześnie sprostać rosnącym wymaganiom w zakresie osiągów i wydajności”, podsumowuje projektant silnika Reustle. Realizacja tej recepty była „wyjątkowym osiągnięciem całego zespołu”.

Sześciocylindrowy silnik typu bokser w modelu 911 to nadal kompaktowy pakiet mocy. Całkowicie w duchu tradycyjnej, innowacyjnej jednostki napędowej, którą Hans Mezger zaprojektował niegdyś dla pierwszej generacji 911.