Newsletter

Regulamin

Reklama

Mechanika - Żródła napędu - silniki stosowane obecnie oraz w przyszłości

Genewa 2016 - Przyszłość jednostek wysokoprężnych

Genewa 2016 - Przyszłość jednostek wysokoprężnych

Przyjęło się twierdzenie, że przyszłość to hybrydy. Jednakże Mercedes od kilku lat utrzymuje, iż będzie to silnik Diesla

Nowa, 4-cylindrowa jednostka wysokoprężna z oznaczeniem OM 654 to pierwszy z rodziny przełomowych silników Diesla opracowanych przez Mercedes-Benz. Jej cele rozwojowe wyznaczono ponad 4 lata temu. W rezultacie powstała modułowa koncepcja ze szczególnym naciskiem na integrację z układami napędowymi różnych modeli oraz serią innowacji w samym silniku. Wzorowa efektywność paliwowa i emisyjność potwierdzają, że ta wyrafinowana konstrukcja jest przygotowana na przyszłość, a jednocześnie podkreślają kluczową rolę silników Diesla w osiąganiu ambitnych globalnych celów klimatycznych. Pierwszy całkowicie aluminiowy, 4-cylindrowy motor wysokoprężny firmy Mercedes-Benz swoją premierę świętuje pod maską nowej Klasy E.

Ambitne cele, w 2011 roku zdefiniowane w specyfikacjach technicznych dla nowej architektury układów napędowych Mercedesa, zostały zrealizowane zarówno w zakresie rozwoju, jak i konstrukcji. „Nasza nowa rodzina silników odzwierciedla ponad 80-letnie doświadczenie Mercedes-Benz w konstruowaniu jednostek wysokoprężnych. Nowe motory premium są oszczędniejsze i mocniejsze, lżejsze i bardziej kompaktowe. Zaprojektowano je z myślą o spełnieniu wszystkich przyszłych globalnych norm spalin” - mówi prof. Thomas Weber, Członek Zarządu Daimler AG odpowiedzialny za badania grupowe i szef pionu rozwoju osobowych Mercedesów. „W naszej opinii silnik Diesla jest niezbędny w pojazdach ciężarowych i osobowych, jeśli chcemy w dalszym stopniu ograniczać emisję dwutlenku węgla w transporcie drogowym”. Zasadniczą kwestią w przypadku nowych jednostek jest zapewnienie niższego zużycia paliwa i emisji CO2 (spadek o około 13%) przy wyższej mocy (143 kW/195 KM zamiast 125 kW/170 KM).

Najważniejsze innowacje wprowadzone w nowej jednostce:
• pierwsza całkowicie aluminiowa konstrukcja wśród 4-cylindrowych silników Diesla
• stalowe tłoki ze schodkowymi misami spalania, gładzie cylindrowe z powłoką NANOSLIDE®, czwarta generacja wtrysku common rail
• wszystkie technologie oczyszczania spalin instalowane bezpośrednio na silniku
• znacznie lżejszy i bardziej kompaktowy: 168,4 zamiast 202,8 kg
(-17%), pojemność: 2 zamiast 2,15 l, odstęp między osiami cylindrów: 90 zamiast 94 mm
• liczne zabiegi zapewniają niższy poziom hałasu i niezrównany stopień ograniczenia wibracji

Produkowany od 2008 roku, stosowany obecnie 4-cylindrowy silnik Diesla firmy Mercedes-Benz - OM 651 - jest najpopularniejszą jednostką w historii Mercedes-Benz. Jest montowana w licznych seriach modelowych, od Klasy A do S, a także w Klasie V oraz użytkowym Sprinterze. To również podkreśla znaczenie nowej konstrukcji - poprawa efektywności paliwowej będzie miała bowiem bezpośredni wpływ na zużycie paliwa całej floty modeli z gwiazdą. Nowy, 4-cylindrowy silnik OM 654 będzie świętować swoją premierę w najnowszej Klasie E - wiosną 2016 roku trafi pod maskę modelu E 220 d. Stopniowo będzie wprowadzany w kolejnych seriach modelowych Mercedes-Benz, w różnych wersjach mocy i wariantach. Oto dane techniczne nowej jednostki w porównaniu z poprzednikiem:
Silnik
 
220 d
OM 654
220 d
poprzednik
OM 651
Liczba i ukł. cylindrów
 
4/R
Liczba zaworów na cyl.
 
4
Pojemność na cyl.
ccm
487,5
537
Pojemność skokowa
ccm
1950
2143
Rozstaw cylindrów
mm
90
94
Średnica
mm
82
83
Skok
mm
92,3
99
Średnica/skok
 
1,12
1,193
Długość korbowodu
mm
140
144
Moc maksymalna
kW/KM
143/195
125/170
przy
obr./min
3800
3000-4200
Maks. moment obrotowy
Nm
400
400
przy
obr./min
1600-2400
1400-2800
Wskaźnik mocy
kW/l
72
58,3
Stopień kompresji
1:
15,5
16,2
Norma emisji spalin
 
EU6
EU6
Masa jednostki (DIN)
kg
168
199

Konsekwentna, lekka konstrukcja: w pełni aluminiowy silnik
W wersji o mocy 143 kW/195 KM pierwszy całkowicie aluminiowy, 4-cylindrowy silnik wysokoprężny firmy Mercedes-Benz waży 168,4 kg, czyli o 35,4 kg mniej od swojego poprzednika rozwijającego 125 kW/170 KM (-17%). To nowy wzorzec w tej klasie mocy. Jeśli zaś, zamiast masy według normy DIN, porównać jednostki gotowe do uruchomienia, ze wszystkimi akcesoriami, ich waga różni się aż o 46 kg - co przynosi wyraźne korzyści w zakresie zwinności prowadzenia i zużycia paliwa.

Kluczowymi czynnikami, jeśli chodzi o redukcję masy, były: zmniejszenie pojemności skokowej, przejście z dwustopniowego turbodoładowania do pojedynczego oraz zastosowanie aluminiowej skrzyni korbowej z tulejami cylindrowymi pokrytymi powłoką NANOSLIDE® i dwóch plastikowych mocowań silnika.

Kompaktowe wymiary: kluczowy cel konstruktorów
Główne wymiary „gołego” silnika - średnica i skok tłoka oraz odległość między osiami cylindrów - determinują jego całkowitą długość i wysokość. W porównaniu z poprzednikiem rozstaw osi cylindrów został skrócony z 94 do 90 mm. Średnica (82,0 mm) i skok (92,3 mm) nowej jednostki przekładają się na korzystną pojemność pojedynczych cylindrów - tuż poniżej 500 ccm - i zapewniają optymalny współczynnik korbowodowy w odniesieniu do spalania i tarcia. Aluminiową skrzynię korbową zaprojektowano tak, aby poradzić sobie z bardzo wysoką mocą (wytrzymuje maksymalne ciśnienie do 205 barów).
Aby ograniczyć całkowitą wysokość silnika, napęd rozrządu - tak jak w poprzedniku - zlokalizowano w tylnej części jednostki (od strony przekładni). Z tyłu, w obszarze chronionym przed skutkami zderzeń, znajduje się również wysokociśnieniowa pompa wtryskowa, napędzana łańcuchem rozrządu (po lewej stronie silnika).

Aby zamocować silnik w pojeździe możliwie nisko, wałki wyrównoważające Lancestera umieszczono nie poniżej, ale po lewej i prawej stronie wału korbowego. Obok wału, podobnie jak w OM 651, została zlokalizowana pompa oleju - ułatwia to montaż w pojazdach budowanych na różnych architekturach.
Kompaktowe wymiary jednostki zapewniają jeszcze większą elastyczność przy adaptowaniu jej w różnych modelach i pozwalają na pionowy montaż silnika. Dzięki przesunięciu zespołu korbowego wygospodarowano dodatkową przestrzeń z prawej strony: pionowe osie cylindra zostały przesunięte względem środka wału korbowego o 12 mm w lewo, w kierunku strony wlotowej. Przy okazji pozwoliło to na ograniczenie tarcia między tłokami a powierzchnią gładzi tulei cylindrowych.

Niższe zużycie paliwa: mniejsze tarcie, lepsze spalanie
Zamontowany w porównywalnym pojeździe, nowy silnik zużywa o około 13% mniej oleju napędowego od poprzednika. Poza zoptymalizowanym przepływem ładunku oraz zastosowaniem czwartej generacji wtrysku common rail z ciśnieniem do 2050 barów do oszczędności paliwa przyczynia się około 25-proc. redukcja strat wynikających z tarcia wewnętrznego. To zasługa:
• płaskich, stalowych tłoków z innowacyjnymi, stopniowanymi misami spalania i długimi korbowodami
• tulei cylindrowych pokrytych powłoką NANOSLIDE®
• ograniczonej pojemności skokowej
• licznych drobniejszych zabiegów, zastosowanych między innymi w napędzie rozrządu

Nietypowa kombinacja: aluminiowa skrzynia korbowa i stalowe tłoki
Na pierwszy rzut oka połączenie aluminiowej skrzyni korbowej i stalowych tłoków wydaje się nietypowe - w wysokiej temperaturze stal ma mniejszą rozszerzalność od aluminium, słabiej od niego przewodzi ciepło i jest cięższa. To wyjaśnia, dlaczego dotychczas stosowano tłoki aluminiowe. Konstruktorzy silników ze Stuttgartu z sukcesem zamienili jednak pozorne wady stali w zalety. Przykładowo, dzięki mniejszej rozszerzalności cieplnej stali w miarę wzrostu temperatury operacyjnej rośnie odległość między stalowym tłokiem a aluminiową skrzynią korbową - co pozwala zmniejszyć tarcie o 40-50%. Fakt, że przy porównywalnych gabarytach konstrukcji stal jest wytrzymalsza od aluminium, pozwolił zaprojektować bardzo zwarte, lekkie tłoki, i to z zapasem wytrzymałości. Mniejsza przewodność cieplna stali prowadzi z kolei do wyższych temperatur elementów, co pozwala podnieść wydajność termodynamiczną, zwiększyć palność i ograniczyć czas trwania procesu spalania.

Zastosowanie płaskich stalowych tłoków umożliwiło wydłużenie korbowodów do 154 mm. W połączeniu z przesunięciem zespołu korbowego doprowadziło to do zredukowania sił bocznych oddziałujących na tłoki - zależnie od punktu pracy - nawet o 75%.

Połączenie innowacyjnych, stalowych tłoków z udoskonaloną w dalszym stopniu powłoką tulei cylindrowych NANOSLIDE® pozwoliło ograniczyć zapotrzebowanie na olej napędowy i emisję dwutlenku węgla nawet o 4%. W zakresie niższych i średnich obrotów silnika - czyli najczęściej wykorzystywanych w codziennej jeździe - redukcja zużycia paliwa jest jeszcze bardziej wyraźna.

Światowa premiera w aucie osobowym: stopniowana misa spalania
OM 654 to pierwszy stosowany w samochodzie osobowym silnik, w którym zastosowano tłoki z opracowaną przez Mercedes-Benz stopniowaną misą spalania. Nazwa ta wzięła się od kształtu denka w koronie tłoka. Stopniowana misa ma korzystny wpływ na proces spalania i ogranicza obciążenie cieplne w krytycznych obszarach tłoka oraz dostawanie się cząstek sadzy do oleju. Wyższe tempo spalania w porównaniu ze stosowaną wcześniej misą spalania omega przekłada się na wzrost efektywności. Specjalna konfiguracja połączenia kształtu misy, przepływu powietrza i wtryskiwacza wyróżnia się bardzo skutecznym wykorzystaniem powietrza, co umożliwia pracę w obliczu bardzo wysokiego współczynnika nadmiaru powietrza. Rezultat: emisja cząstek stałych mogła zostać ograniczona do szczególnie niskiego poziomu.

Emisja spalin: silnik gotowy na przyszłość
Nowy silnik Diesla zaprojektowano pod kątem spełnienia przyszłych standardów emisji spalin (RDE – Real Driving Emissions, czyli emisja w warunkach rzeczywistych). Prace rozwojowe koncentrowały się również na cyklu WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure, czyli globalnie zharmonizowana procedura testowa lekkich pojazdów), który - w przeciwieństwie do stosowanego obecnie cyklu pomiarowego NEDC (New European Driving Cycle, czyli Nowy Europejski Cykl Jazdy) - ma na zbliżenie wyników standaryzowanych do zużycia paliwa w warunkach rzeczywistych.
Wszystkie elementy istotne z punktu widzenia skutecznej redukcji emisji spalin są zamontowane bezpośrednio przy silniku. Nową konfigurację uzupełniają udoskonalone powłoki katalityczne i odpowiednia izolacja. W efekcie absolutnie nie ma potrzeby zarządzania temperaturą silnika podczas rozruchu na zimno lub przy niewielkim obciążeniu. Poza korzyściami w postaci obniżenia emisji spalin pozwala to ograniczyć zużycie paliwa, zwłaszcza na krótkich dystansach. Dzięki przysilnikowej konfiguracji układ oczyszczania spalin legitymuje się małymi stratami ciepła i pracuje w optymalnych warunkach.
Nowy silnik został wyposażony w wielodrożny układ recyrkulacji spalin (EGR), łączący chłodzone układy EGR wysoko- i niskociśnieniowy. Umożliwia to znaczną redukcję ilości nieoczyszczonych spalin z silnika w całym zakresie mapy jego pracy, przy czym proces spalania zostaje zoptymalizowany pod kątem mniejszego zużycia paliwa.
Spaliny z turbosprężarki w pierwszej kolejności trafiają do katalizatora utleniającego. Następnie przechodzą przez mieszalnik, gdzie za pomocą chłodzonego wodą układu dawkującego wtryskiwany jest czynnik AdBlue®. Dzięki specjalnie zaprojektowanej komorze mieszania AdBlue® ze spalinami czynnik odparowuje najkrótszą możliwą drogą w strumieniu spalin i bardzo równomiernie pokrywa czynną powierzchnię zlokalizowanego dalej filtra sDPF (filtr cząstek stałych z powłoką do redukcji tlenków azotu). Za nim znajduje się katalizator SCR służący do dalszej redukcji tlenków azotu. Dopiero wtedy oczyszczone spaliny trafiają do układu wydechowego.

Poziom hałasu: cichsza praca i mniej wibracji
Silniki Diesla w autach osobowych imponują niskim zużyciem paliwa i wysokim momentem obrotowym. Także pod względem komfortu reprezentują poziom coraz bliższy jednostkom benzynowym. Już w fazie koncepcyjnej nowego silnika wysokoprężnego uwzględniono zabiegi optymalizacyjne m.in. w strukturze bloku silnika i połączenia z przekładnią. Udoskonalenia objęły też koła zębate oraz kanały powietrzne. Również nowe, plastikowe mocowanie silnika w istotny sposób przyczynia się do zapewnienia nowego poziomu komfortu.

Mniej złożona konstrukcja: warianty łatwiejsze w produkcji
W ciągu ostatnich 25 lat nastąpił gwałtowny wzrost liczby wariantów silników wysokoprężnych Mercedes-Benz, różniących się mocą, standardem emisji oraz przystosowaniem do różnych modeli i rynków ze względu na odmienne przepisy i warunki techniczne, takie jak jakość dostępnego paliwa. Ich liczba wzrosła w tym czasie z zaledwie kilkudziesięciu do ponad 1000 obecnie. Jednym z celów przyświecających projektantom nowej jednostek generacji było maksymalne ograniczenie liczby dostępnych wariantów. Nowy silnik Diesla realizuje to założenie na dwóch frontach, a równocześnie zapewnia elastyczność pozwalającą na regulację wielkości produkcji poszczególnych odmian w krótkim czasie, w odpowiedzi na aktualne wymagania rynku.

  • Rodzina silników ma modułową budowę: prosta wymiana poszczególnych modułów umożliwia konfigurowanie wariantów bez konieczności opracowywania nowej jednostki
    W całej gamie modelowej zastosowano standaryzowane interfejsy między jednostką napędową a pojazdem. Co więcej, wszystkie elementy układu oczyszczania spalin są teraz instalowane bezpośrednio na silniku, a nie na pojeździe, jak dotychczas.

Zasoby powiązane


Reklama