Newsletter

Regulamin

Reklama

Mechanika - Żródła napędu - silniki stosowane obecnie oraz w przyszłości

Genewa 2016 - Nowy silnik wysokopężny Mercedesa pod mikroskopem: czyli testy silnikowe koncernu

dokument
pobierz +

 

Nim nowy silnik Mercedes-Benz zostanie przetestowany na drodze, ma już za sobą szeroki program testów - w tym prób przeprowadzonych na hamowni w ośrodku testowym w Stuttgarcie-Untertürkheim. Na każdym z trzech pięter budynku znajdują się 24 najnowocześniejsze hamownie silnikowe. Każde z tych 72 stanowisk testowych pracuje przez całą dobę, 365 dni w roku. Zanim nowy silnik wysokoprężny OM 654 został zatwierdzony do użytku w najnowszej Klasie E, spędził tam łącznie ponad 25 tysięcy godzin.

W celu uwzględnienia wszystkich możliwych zastosowań na stanowiskach testowych można symulować wiele zróżnicowanych sytuacji drogowych i obciążeń - takich jak uruchamianie na zimno i na gorąco oraz jazda na krótkich i długich dystansach. W laboratorium odtwarzane są nawet strome podjazdy: na tzw. stanowisku obrotowym silniki są ustawiane pod kątem do 40 stopni w celu sprawdzenia obciążenia np. układu smarowania.

Na etapach rozwoju jednostki poddawane są przyspieszonym testom obciążeniowym. Programy na stanowiskach trwają od 500 do 2400 godzin i obejmują zarówno cykle jazdy z pełnym, jak i z częściowym obciążeniem. Zachowanie termiczne oraz trwałość podzespołów badane są przy pełnym obciążeniu, jednak symulacja jazdy przy niewielkim obciążeniu również może być dla silnika wyzwaniem - taki tryb eksploatacji sprzyja bowiem powstawaniu tzw. czarnego szlamu w oleju. Uwzględniane są także przypadki wysokiego obciążenia, takie jak znaczny spadek temperatury cieczy chłodzącej - ze 110 do około 25 stopni Celsjusza w ciągu maksymalnie 60 sekund - oraz szybkie „wkręcenie” silnika na obroty znamionowe przy pełnym obciążeniu i zimnym chłodziwie.

Poza trwałością podzespołów głównymi celami rozwojowymi są: zużycie paliwa, emisja spalin oraz właściwości jezdne w interakcji pomiędzy silnikiem, przekładnią i pojazdem. Wymaga to podjęcia licznych szczegółowych działań, najpierw na hamowni podwoziowej, a później w trakcie testów drogowych. Obejmują one jazdy testowe w północnej Szwecji, w temperaturze -30°C, oraz na górzystych drogach Hiszpanii, na wysokości 2500 m n.p.m. przy ponad 40°C. Ponadto przeprowadza się szereg innych prób, takich jak testy w tunelu klimatycznym i komorze wysokościowej, która może symulować wysokość do 4000 m n.p.m. Osobną kwestią są testy długodystansowe - np. przyspieszona próba na torze wyścigowym, symulująca pokonanie przez statystycznego kierowcę przebiegu 250 tys. km.

Odzyskiwanie energii: stanowisko testowe, które generuje moc
Energia generowana przez silniki podczas testów jest w maksymalnie możliwym stopniu odzyskiwana. Stanowisko do testowania silników w Untertürkheim zostało bowiem certyfikowane jako połączenie ciepłowni i elektrowni. W przeciwieństwie do użytkowania w pojeździe moc silnika nie jest tu wykorzystywana do wprawiania go w ruch, ale zamienia się w energię elektryczną i trafia z powrotem do źródła zasilania.

Pod mikroskopem: opracowanie i produkcja

Nowa architektura pozwala na elastyczną produkcję

Opracowanie silników o modułowej konstrukcji jest dziś ważniejsze niż kiedykolwiek przedtem. To dlatego, że rosnąca wciąż liczba wersji mocy, modeli, rynków i standardów emisyjnych szybko prowadzi do wzrostu liczby wariantów jednostek napędowych oraz ich komponentów. Poza tym elementy systemu oczyszczania spalin były jak dotychczas montowane głównie w pojeździe. Wymagało to opracowania odpowiedniej liczby układów wydechowych i generowało wysokie koszty. W konsekwencji jednym z założeń, jakie stoją za nową generacją silników, było znaczne ograniczenie liczby wytwarzanych wariantów w celu zwiększenia elastyczności produkcji. Wdrożenie do produkcji seryjnej zostało wsparte w pełni cyfrowym łańcuchem procesów.

Jednym z kluczowym wymogów w odniesieniu do nowej, modułowej architektury napędu Mercedes-Benz była zwarta konstrukcja „gołego” silnika - jego całkowitą długość i wysokość determinują średnica i skok tłoka oraz odległość między osiami cylindrów. W porównaniu z poprzednikiem rozstaw osi cylindrów skrócono z 94 do 90 mm. W rezultacie jednostka ma całkowitą długość dotychczas typową dla motorów widlastych.

Efektem jest architektura napędu z:
• jednakowym pozycjonowaniem silników w różnych seriach modelowych
• kołnierzem skrzyni biegów zawsze umieszczonym w tym samym miejscu w pojeździe
• jednakową konfiguracją układu wydechowego - blisko silnika
• jednakowymi interfejsami osprzętu (podciśnienie, chłodziwo, paliwo, powietrze)
• dużym udziałem wspólnych elementów w ramach całej rodziny silników

Cyfrowy łańcuch procesów: szybsza produkcja bez objazdów
Cyfryzacja w Mercedes-Benz idzie już pełną parą: w obszarze układów napędowych całkowicie cyfrowy łańcuch procesów rozciąga się od konstrukcji aż do obróbki części i ich montażu. Po pierwsze, projektanci tworzą trójwymiarowy, cyfrowy model silnika ze wszystkimi danymi rysunkowymi. Nim prawdziwy model 3D powstaje jako próbny dla odlewni, koncepcja odlewania jest weryfikowana poprzez przeprowadzenie licznych symulacji. W przypadku odlewów z otworami niezbędne są rdzenie odlewnicze. Wytwarzanie rdzeni polega na „wstrzeliwaniu” mieszaniny piasku i spoiwa do rdzeniarki. Symulacje pozwalają wirtualnie zwizualizować ten proces w czasie, uwzględniając czynniki takie jak różnica w przepływie piasku i powietrza. Po etapie symulacji „szybkie prototypowanie” pozwala dosłownie z dnia na dzień wyprodukować pierwsze formy za pomocą piaskowej drukarki 3D.

Przy wykorzystaniu technik cyfrowych odbywa się również planowanie i wdrażanie kolejnych etapów produkcji. Przykładowo, także faza obróbki bazuje na modelu 3D. Symulacje obejmują poszczególne etapy obróbki i pozwalają na optymalizację kolejności, czasu trwania poszczególnych cykli oraz wymiany narzędzi. Uwzględnia się też różnice w rodzaju montażu. Później następuje generowanie programu NC (kontroli numerycznej) do sterowania maszynami. Dodatkowo, sam proces obróbki jest sprawdzany za pomocą symulacji sekwencji i narzędzi (dostępność narzędzi, kolizje z osprzętem mocującym, problematyczne kontury). Kolejnym etapem jest wizualizacja i wirtualny rozruch gniazd obróbkowych oraz transfer programów NC do odpowiednich urządzeń.

Po uruchomieniu produkcji seryjnej przeprowadza się analizę danych procesowych, prowadzącą do stałej optymalizacji procesów. Również instalacja poszczególnych elementów jest szczegółowo planowana z wykorzystaniem symulacji cyfrowych. Obejmują one, na przykład, przyporządkowanie narzędzi i uchwytów montażowych do poszczególnych stanowisk, organizację przepływu materiałów (w tym koncepcję dostaw, ergonomiczne rozmieszczenie) oraz ocenę całego etapu instalacji w kontekście symulacji procesów cyfrowych.

Koncepcja elastycznej produkcji: określony udział jednostek benzynowych i wysokoprężnych
W połączeniu z elastyczną koncepcją produkcji modułowa architektura silników tworzy podstawę do „oddychającego”, rynkowo ukierunkowanego trybu produkcji, skoncentrowanego na wydajności i wysokiej elastyczności.

System ten pozwala wytwarzać jednostki benzynowe i wysokoprężne o różnej liczbie cylindrów w określonych proporcjach. Wielkość produkcji nowych silników można dynamicznie dostosowywać do potrzeb rynku.

Wszystko to dzięki nowej, modułowej technologii produkcji. Maszyny są odłączone od obrabianych elementów za pomocą tzw. płyt przejściowych. Prowadzi to do znacznego zwiększenia elastyczności produkcji - zarówno jeśli chodzi o jej wielkość, jak i o liczbę wytwarzanych wariantów.

Główne komponenty nowego, 4-cylindrowego silnika wysokoprężnego powstają w fabryce Mercedes-Benz w Untertürkheim, a ich montaż odbywa się w zakładach w Kölledzie.

Nowy cykl pomiarowy WLTP

Zużycie paliwa: bliżej rzeczywistych wyników

Na rok 2017 zaplanowano wprowadzenie nowej procedury pomiaru zużycia paliwa i emisji spalin dla branży motoryzacyjnej. Celem nowego cyklu WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure, czyli globalnie zharmozniowana procedura testowa lekkich pojazdów) jest harmonizacja procedur testowania zużycia paliwa w samochodach sprzedawanych na całym świecie. Ma on dostarczać bardziej realistyczne wyniki niż stosowany obecnie cykl NEDC (New European Driving Cycle, czyli Nowy Europejski Cykl Jazdy), przyjęty w 1992 roku i wprowadzony przez Komisję Europejską 4 lata później.

Cykl NEDC po raz pierwszy obejmował precyzyjnie określone cykle jazdy, realizowane na standaryzowanych i kalibrowanych stanowiskach badawczych. Po metodzie Euromix odziedziczył etapy stałej jazdy z prędkościami 90 oraz 120 km/h. Poza pomiarem zużycia paliwa służy on także do mierzenia emisji spalin, w tym tlenków azotu oraz cząstek stałych. Dzięki temu możliwe było wprowadzenie pierwszych, określonych przepisami limitów w tym zakresie.

Cykl NEDC ma jednak szereg wad. Przykładowo, wpływ efektu aerodynamicznego - kluczowego czynnika w rzeczywistych warunkach jazdy drogami pozamiejskimi - jest tu ograniczony z uwagi na niewielkie prędkości rozwijane podczas pomiarów. NEDC nie stosuje się też na głównych rynkach pozaeuropejskich. Podczas gdy inne ważne regiony, takie jak USA i Kanada oraz Japonia, stosują własne cykle, Chiny uzupełniły NEDC o dodatkowe procedury. W przypadku globalnego producenta samochodów skutkuje to ogromnymi wydatkami na testowanie i rozwój, jak również wielością wariantów - pod każdym względem identycznych - aut.

Z tych wszystkich powodów Mercedes-Benz od samego początku wspierał wysiłki na rzecz wprowadzenia bardziej realistycznej, a jeśli to możliwe, obowiązującej na całym świecie procedury pomiarowej.

Porównanie cykli WLTP oraz NEDC

Cykl

 

WLTP

NEDC

Temperatura rozruchu

 

na zimno

na zimno

Czas trwania cyklu

min

30

20

% postoju

%

13

25

Odległość pokonywana w czasie cyklu

km

23,5

11

Średnia prędkość

km/h

46,6

34

Maks. prędkość

km/h

131

120

Średnia moc jazdy

kW

7

4

Maks. moc jazdy

kW

47

34

Opcjonalne wyposażenie testowanego modelu

 

uwzględnia się masę, aerodynamikę, opory toczenia

tylko koła i opony

Klimatyzacja

 

nie

nie

Temperatura testowa

°C

23

25 +/- 5

Temperatura dla dodatkowego testu w UE

°C

14

-

Waga testowa

 

masa pojazdu plus reprezentatywne obciążenie

klasy bezwładności

Inne zmiany w porównaniu do NEDC

 

przygotowanie wstępne, opory jazdy, hybrydy plug-in

-

Ograniczenia znormalizowanego cyklu pomiarowego: między wymogami lokalnymi a globalnymi
WLTP jest bliższy temu, co dzieje się w rzeczywistych warunkach drogowych, i oferuje precyzyjniejszą metodę pomiarową niż obecny NEDC. Ponieważ definiuje jasne warunki testowe, wyniki pomiaru są tu dokładniejsze, spójniejsze, a do tego bardziej powtarzalne. Trzeba jednak uwzględnić, że jako cykl znormalizowany, nie będzie mógł w pełni odzwierciedlić warunków panujących we wszystkich regionach świata. Przykładowo, zbyt duże różnice dotyczą:

• warunków klimatycznych pomiędzy tropikalnymi regionami Azji i długimi zimami w Rosji; do tego należy dodać sezonowe wahania temperatury
• warunków drogowych i gęstości ruchu w megamiastach względem rzadko uczęszczanych autostrad lub dróg pozamiejskich
• profili dróg w górzystych regionach Szwajcarii w porównaniu do równinnych terenów w północnych Niemczech
• pojazdów - od małych aut w Indiach do pełnowymiarowych SUV-ów i pikapów
• zwyczajów kierowców i ich temperamentów
• stosowania dodatkowego wyposażenia, takiego jak klimatyzacja czy oświetlenie

Ponadto, w Europie planowane jest wprowadzenie procedury pomiarowej RDE (Real Driving Emissions, czyli emisja w warunkach rzeczywistych). Wykorzystuje ona przenośny układ mierzenia emisji spalin (PEMS - portable emissions measurement system) w celu określenia ilości zanieczyszczeń podczas eksploatacji pojazdów w warunkach rzeczywistych. Również te zamierzenia aktywnie wspiera Mercedes-Benz.

Emisja CO2 we flocie modeli Mercedes-Benz: niemal o połowę niższa niż w 1995 roku
Ustawodawstwo europejskie wyznaczyło ambitne cele dalszego ograniczania zużycia paliwa i emisji CO2 w ruchu drogowym: do 2020 roku średnia emisja floty nowych aut musi spaść do 95 g CO2/km (co odpowiada zużyciu 4,0 l benzyny lub 3,5 l oleju napędowego na 100 km) - według pomiaru w cyklu NEDC. Sposób przeliczenia celów zgodnie z mającym wejść w życie cyklem WLTP jest aktualnie opracowywany pod patronatem Komisji Europejskiej. Obowiązuje tu zasada „porównywalnej rygorystyczności”, co oznacza, że wprowadzenie WLTP nie powinno zaowocować jakimkolwiek zaostrzeniem celów dla producentów.

Mercedes-Benz jest na właściwej drodze. W ciągu 20 lat, od 1995 roku, średnie zużycie paliwa całej floty osobowych modeli z gwiazdą spadło niemal o połowę, z 9,2 l/100 km (230 g CO2/km) do 5,0 l/100 km (125 g CO2/km). Już dziś gama osobowych Mercedesów liczy 68 modeli emitujących poniżej 120 g dwutlenku węgla na 1 km oraz 108 modeli spełniających wymagania klasy efektywności A+ lub A.


Reklama