Motory FIREFLY GSE - prehľad

Legenda Fiatu - motory radu FIRE (Fully Integrated Robotized Engine) musela ustúpiť najmä kvôli emisiám. Udialo sa tak po odslúžených tridsiatich piatich rokoch, počas ktorých motory FIRE schádzali z výrobných liniek v Európe a Južnej Amerike. Fiat však nástupcu predstavil už dávnejšie a postupne ho teraz implementuje do svojich nových, ale aj modernizovaných modelov. Nové motory z rodiny GSE (Global Small Engine) sa označujú obchodne ako Firefly a kombinujú hneď niekoľko zaujímavých technologických špecifík. Zároveň Fiat stihol predstaviť viacero verzií a už od začiatku jeho produkcie ide o globálne využívaný motor prispôsobiteľný pre lokálne trhy (emisné predpisy, spaľovanie etanolu, extrémne podmienky). Nová technika je prispôsobená aj pre spoluprácu s elektromotormi.

Emisné normy hýbu automobilovým svetom a výrobcovia sú nútení hľadať riešenia, ako sa predpisom prispôsobiť. Množstvo automobiliek si našlo cestu prostredníctvom použitia motorov s troma valcami. Riešenie nie je nové, veď prvý sériový trojvalec tu bol už v päťdesiatych rokoch 20. storočia v automobile IFA F9. U motoristov prevládajú často oprávnené predsudky o ich výdrži, ale aj o tom, že nie sú pre jazdenie tak príjemné ako štvorvalce z minulých dôb. Vývoj motorov sa však zdokonaľuje rovnako ako technológia výroby. Výrobcovia vedia presne identifikovať nepriaznivé vplyvy a následne ich veľmi dobre eliminovať. Výsledkom je, že s trojvalcami už zažívame rozhodne príjemnejšie chvíle za volantom ako to bolo povedzme pred desiatimi rokmi.

Pokiaľ ide o počet valcov, Fiat bol väčšinou fanúšikom párneho počtu a stále vyrába aj jedinečný preplňovaný dvojvalec SGE (Small Global Engine) s označením TwinAir. Iba nedávno však automobilka začala po prvýkrát vo svojej histórii vyrábať aj trojvalec a vďaka stavebnicovému princípu z neho v súčasnosti už netradične vznikol aj väčší štvorvalec. Unifikované riešenie umožňuje vyrábať oba motory na jednej výrobnej linke. Motory majú zhodný stavebnicový prvok - valec, ktorý má objem 333 cm3. Konštruktéri tu skombinovali riešenia použité v motoroch ako Pentastar V6, Hemi V8 a Tigershark a z každého niečo pridali pre lepšie vlastnosti novej malej svetlušky (z angl. firefly).

Debutoval v Južnej Amerike v roku 2016

Motory nového radu Firefly navrhnuté "na čistom liste papiera" sa prvýkrát verejnosti predstavili v roku 2016. Najprv debutovali v Južnej Amerike ako nástupcovia radu Fire pre tamojší model Fiat Uno. Predstavené boli atmosférické verzie s pomerne zaujímavými parametrami. Trojvalec s objemom 999 cm3 dosahuje výkon 53 kW (72 koní) pri 6000 otáčkach a krútiaci moment 102 Nm pri 3250 otáčkach. Štvorvalec s objemom 1332 cm3 má výkon 74 kW (101 koní) pri 6000 otáčkach a maximum krútiaceho momentu 134 Nm dosiahne pri 3500 otáčkach. Trojvalec aj štvorvalec majú vŕtanie 70 mm a zdvih 86,5 mm.

Tieto verzie dokážu spaľovať nielen benzín, ale aj etanol, ktorý je v Južnej Amerike obľúbeným palivom. Na ten dokonca dosahujú ešte lepšie výkonové parametre - v prípade trojvalca 57 kW (77 koní) a 107 Nm, a v prípade štvorvalca až 80 kW (109 koní) a 139 Nm. Fiat deklaruje výdrž motorov na 240.000 najazdených kilometrov bez servisného zásahu. Toľko má totiž vydržať reťaz poháňajúca rozvodový mechanizmus. Po jej výmene môže motor pokojne fungovať ďalej. Fiat upozorňuje na to, že priebehy krútiaceho momentu a výkonu oboch motorov majú jemnú podobnosť s prepĺňanými agregátmi (obrázky 2 a 3).

Popis obrázkov z ľava: 1. Parametre slabšieho 1.0 Firefly, 2. Parametre silnejšieho 1.3 Firefly, 3. Krivka dostupnosti krútiaceho momentu pri jednotlivých otáčkach (1.0 Firefly) v porovnaní s konkurenciou, 4. Krivka dostupnosti krútiaceho momentu pri jednotlivých otáčkach (1.3 Firefly) v porovnaní s konkurenciou

Zaujímavosťou brazílskych atmosfér je použitie len 2 ventilov na jeden valec. Dôvodom je optimalizácia rýchlosti a stability spaľovania. Spaľovacie komory motorov GSE sú tvarované na základe presných výpočtov a simulácií, vďaka ktorým dosahujú lepší tok vzduchu ako niektoré motory so štyrmi ventilmi na jeden valec. Agregáty, ktoré lepšie "dýchajú", dávajú viac energie a to potvrdzujú výsledné parametre.

Čo najviac hliníka

Blok motora a hlava valcov sú vyrábané z hliníka, vďaka čomu sú v porovnaní s ekvivalentným agregátom vo výsledku o 7 kilogramov ľahšie a svoju optimálnu pracovnú teplotu dosiahnu rýchlejšie. Zberné výfukové potrubie je integrované do hlavy valcov, čo ďalej znižuje náklady na výrobu a v prevádzke urýchľuje zahrievanie katalyzátora na pracovnú teplotu. Skúsenosti s integráciou výfukového potrubia motor preberá z rady Pentastar. Brazílska verzia má kľukovú skriňu a sitko na olej z ocele, aby sa nepoškodili v prípade stretu s prekážkami. Ojnice sú vyrobené zo zliatiny hliníka a grafitu pre nízku hmotnosť a zníženie trenia. Pozrite si rez hlavou motora.

Rovnako ako Hemi V8 a Pentastar V6 používa motor Firefly variabilné časovanie svojho jediného vačkového hriadeľa pomocou systému CVCP (Continuous Variable Cam Phaser). Ten umožňuje lepšie využiť výkon a znížiť tak spotrebu paliva. Systém dokáže pri miernom zaťažení a konštantnej rýchlosti oneskoriť vačkový hriadeľ až o 60°. Takýmto oneskorením sa zvýši expanzný pomer tak, že nasávací ventil ostane dlhšie otvorený aj po spodnej úvrati. Znížia sa tak čerpacie straty. Zmes zapaľujú irídiové sviečky NGK s optimalizovaným tvarom elektródy.

Fiat tieto motory ladil pre čo najlepšie využitie už v nízkych otáčkach. Odpovedá tomu okrem použitia dvojventilovej techniky aj maximum krútiaceho momentu dostupné už v strede použiteľného pásma otáčok. Keďže dostatočnú energiu dodávajú v režime nižších otáčok, sú aj úspornejšie.

Rodina motorov Firefly používa na pohon rozvodového mechanizmu odolnejšiu reťaz. Fiat takto chce dosiahnuť ešte vyššiu spoľahlivosť a nižšiu hlučnosť ako to bolo v prípade motorov FIRE. Hlučnosť Fiat znižuje pre brazílske verzie aj tým, že palivo smerujúce k motoru pri teplotách nižších ako 5° pod nulou ohrieva pomocou výhrevných teliesok v palivovej lište.

Všetky motory GSE Firefly používajú konštrukčné riešenie "open deck". To znamená, že v hlave valcov možno nájsť väčšie chladiace medzery medzi jednotlivými valcami motora. Výhodou je, že valec trpí menej na deformácie v porovnaní s "closed deck" riešením, aký používali motory FIRE. Deformácie by mohli spôsobiť zníženie životnosti piestov a zvýšenie trenia, čím by sa nedosahoval požadovaný výkon.

Ďalším prvkom, ktorý eliminuje deformácie a znižuje trenie medzi piestom a valcom, je vychýlená os kľukového hriadeľa o 10 milimetrov oproti osi valcov. Riešenie pochádza z motorov Tigershark a napomáha tiež v dosiahnutí jedného z najvyšších kompresných pomerov - 13,2:1 v Ottovom cykle bez spôsobenia klepania.

Aktuálne možno doposiaľ popisované agregáty z rodiny GSE Firefly nájsť v brazílskych modeloch Uno, Mobi, Argo, Cronos a Strada.

Vitajte v Európe

Na pokračujúci vývoj motorov v roku 2016 Fiat upozornil už pri debute dvojventilových atmosférických verzií. Onedlho, v roku 2018 sa nový rad motorov GSE Firefly dostal aj na starý kontinent. Vplyvom prísnych emisných limitov boli konštruktéri nútení zapracovať a prišli s niekoľkými technologickými odlišnosťami od juhoamerickej verzie. Vŕtanie, zdvih a objem valca ostali zachované. Pribudlo množstvo komponentov. Okrem turbodúchadla napríklad aj recirkulácia výfukových plynov, dva ventily pre každý valec a MultiAir technológia tretej generácie.

Výroba v Poľsku

Európsky agregát je už celohliníkový vrátane olejovej vane. Na rozdiel od brazílskej verzie však obsahuje tenké oceľové vložky valcov. Trojvalec váži 93 a štvorvalec 100 kilogramov. Výrobu blokov motora zabezpečuje firma Teksid špičkovou technológiou tlakového liatia hliníka v závode Carmagnola na severe Talianska s výrobnou kapacitou 800 000 vyrobených kusov ročne.

Bloky sú následne dodávané do poľského závodu Bielsko-Biala, kde sa kompletizujú všetky európske motory Firefly už od 15. mája 2018. Takto vyzerá preplňovaný štvorvalec 1.33 Firefly, ktorý používajú modely Fiat 500X, Jeep Renegade a Compass.

Aj v prípade štvorventilovej techniky sa zachoval jeden vačkový hriadeľ s variabilným časovaním výfukových ventilov systémom CVCP. Oproti brazílskym motorom je ovládanie sacích ventilov zabezpečené inovatívnym spôsobom. Používa sa tu v súčasnosti už tretia generácia technológie MultiAir, ktorú Fiat predstavil ako revolúciu v zážihových motoroch v roku 2009. Klasický vačkový hriadeľ tu nahrádzajú elektrohydraulické aktuátory, ktoré dokážu otvárať a zatvárať sacie ventily úplne nezávisle od polohy vačkového hriadeľa. Výsledkom je presnejšie nastavená cirkulácia vzduchu vo valcoch, menej pohyblivých častí a vyššia odolnosť a spoľahlivosť.

Európske verzie prišli najprv ako preplňované.

Slabší trojvalcový litrový agregát s objemom 999 cm3 Fiat najskôr predstavil s výkonovými parametrami 88 kW (120 koní) pri 5750 ot./min-1 a 190 Nm krútiaceho momentu pri 1750 ot./min-1. V súčasnosti sa už ponúka aj slabšia verzia pre Fiat Tipo s maximálnym výkonom 74 kW (101 koní) pri 5000 ot./min-1 a 190 Nm krútiaceho momentu dostupného už pri 1500 ot./min-1. A to už sú parametre, ktoré sa zamieňajú s naftovými motormi.

Silnejší štvorvalec s objemom 1332 cm3 existuje vo viacerých verziách. Používa sa ako samostatný pohon alebo v nepriamej kombinácii s elektromotorom. Najslabšou jednotkou je verzia s výkonom 96 kW (130 koní) pri 4750 ot./min-1, strednou verzia s výkonom 110 kW (150 koní) pri 5750 ot./min-1 a najsilnejšou verzia so 132 kW (180 koní) pri 5750 ot./min-1. Všetky 1.33 litrové GSE Firefly motory majú najvyšší krútiaci moment 270 Nm dostupný už pri 1560 otáčkach za minútu. Kombináciu spaľovacej jednotky a elektromotora možno zatiaľ nájsť v plug-in hybridoch Jeep Renegade a Compass.

• Konštruktéri použili pre oba agregáty menšie turbodúchadlo typu "twin scroll" s malou zotrvačnosťou a vlastným chladiacim okruhom, ktorý funguje na batériu aj po vypnutí motora.
  

• Vlastný chladiaci okruh má aj medzichladič stlačeného vzduchu. Ten sa nachádza za motorom, blízko nasávacieho potrubia. Vďaka tomuto umiestneniu urýchľuje reakcie na pokyn plynového pedálu.
  
• Motor disponuje tiež tepelným výmenníkom oleja a vody, čo znamená, že v prípade keď dochádza k zahrievaniu a voda sa zahreje skôr, teplo si z nej odoberá olej. Naopak odovzdáva ho vode v ťažších podmienkach, kedy je potrebné olej chladiť. Chráni sa tým motor najmä pri studených štartoch, kedy dochádza k zníženiu trenia vďaka rýchlejšiemu zahriatiu oleja.
  
• Za účelom dosiahnutia spoľahlivosti a robustnosti boli prototypy motora podrobené viac ako 75 000 hodinám virtuálnej analýzy a 60 000 hodinám testov na skúšobných staniciach. Vývoj tiež zahŕňal päť miliónov najazdených kilometrov po celom svete v rôznych podmienkach.

Motory používajú na rozdiel od predchodcov FIRE už priamy vstrek benzínu, čo vynucuje použitie filtra pevných častíc. Kým motor spaľuje benzín, filter zachytáva sadze. Pri jazde s uvoľneným plynovým pedálom dochádza k samovoľnému vypaľovaniu filtra. Napomáhajú tomu použité technológie časovania ventilov, ktoré umožňujú nasať motoru vzduch a poslať ho až do rozpáleného výfuku. Priebežne sa tak filter regeneruje pri bežnej jazde bez toho, aby o tom vodič vedel.

Atmosférický mild hybrid

Najmenšie modely Fiat 500 a Panda dostali taktiež novinku GSE Firefly obohatenú o elektromotor SAMSUNG. Pre lepší obchodný úspech tu Fiat rovno capol nápisy hybrid, no v skutočnosti sú to najjednoduchšie mild hybridy, ktoré nedokážu jazdiť samostatne na elektrinu.

Princíp hybridnej techniky spočíva v tom, že pri štartovaní a rozjazdoch z križovatiek v mestách spaľovaciemu motoru pomáha BSG (Belt Starter Generator) prenosom energie cez drážkový remeň. Energia pochádza z malej 12V lítium-iónovej batérie s kapacitou 11 Ah, ktorá je umiestnená pod sedadlom vodiča. Tá sa nabíja veľmi rýchlo vďaka rekuperácii počas spomaľovania a brzdenia, a motoru potom pri rozjazde krátkodobo pomáha výkonom 3,6 kW (5 koní) a určitou krútiaceho momentu (výrobca neuvádza presný údaj).

BSG zároveň nahrádza štartér a alternátor. Vďaka tomu je motor ako celok ľahší a štartovanie pri využití systému Štart&Stop plynulejšie a bez vibrácií. Tak ako je už dnes štandardom pri rôznych autách, batéria pre mild hybridnú sústavu a klasická štartovacia batéria sú tu nabíjané len pri spomaľovaní a brzdení motorom pre čo najnižšie jazdné odpory. Preto sa môže stať, že pri veľmi zriedkavej prevádzke hybrid jednoducho prestane fungovať. Môže za to vybitá hlavná batéria. Motor sa snaží najprv dobiť túto hlavnú batériu, až tak nabíja pomocnú. A hybrid opäť funguje.

Európska atmosférická verzia s objemom 999 cm3 používa len 2 ventily na valec. Jej maximálny výkon je 51 kW (70 koní) pri 6000 ot./min-1 a krútiaci moment 92 Nm pri 3200 ot./min-1. Jediný vačkový hriadeľ tu poháňa taktiež reťazový rozvod s životnosťou 240.000 kilometrov. Motor síce nie je tak pružný ako preplňované verzie, no vďaka nadštvorcovej konštrukcii má dostatok sily už v nízkych a stredných otáčkach.

Motor používa nepriame vstrekovanie paliva do dlhého nasávacieho potrubia, ktoré je konštruované tak, aby tok vzduchu impulzívne vstupoval do spaľovacieho priestoru a zaberal svižnejšie. Kompresný pomer je znížený na 12:1 a Fiat sa snažil pružnosť kompenzovať aj štandardne dodávanou 6 stupňovou manuálnou prevodovkou. Šiesty stupeň tak motor robí použiteľným aj na diaľničnú rýchlosť, kde poteší nižšia spotreba paliva vďaka konštrukčnému riešeniu chladenia výfukových zvodov. Spaliny tu vďaka nemu nie je potrebné pred vstupom do katalyzátora chladiť dodatočným obohacovaním zmesi, preto je spotreba nižšia.

Uloženie motora s prevodovkou je v modeloch Panda a 500 posunuté o 45 milimetrov nižšie k ceste, čím konštruktéri znížili aj ťažisko. V kombinácii s ľahším motorom tak zlepšili jazdné vlastnosti.

V súčasnosti už nové motory z rodiny GSE Firefly nájdeme v európskych modeloch Fiat 500, Panda, Tipo a 500X. Okrem nich možno agregáty nájsť aj v Jeepe Renegade a Compass. V príprave je ešte nová objemová verzia motora Firefly s objemom 1.5 litra, ktorá by mala debutovať v novej Alfe Romeo Tonale v marci roku 2022.

Nechajme sa teda prekvapiť, akú kariéru nové motory rozbehnú a do akých modelov sa napokon dostanú. Ich charakter je na jazdu veľmi príjemný, zvlášť pri trojvalcoch sa Fiat výborne popasoval s vibráciami nie len turbo ale aj atmosférickej verzie, preto rozhodne stoja za vyskúšanie. V prípade štvorvalcových verzií ide skutočne o motory so skvelou pružnosťou a ochotou reagovať na pokyn vodiča. V priloženej tabuľke 1 sú všetky doposiaľ predstavené a vyrábané agregáty z rodiny GSE Firefly.