Четирицилиндрови CNG, турбо шест- и осемцилиндрови агрегати на фирмата от Щутгарт
Газови версии на новото поколение четирицилиндрови агрегати
За разлика от колегите от BMW, които изоставиха производството на моделите 518g и 316g през деветдесетте години, Mercedes-Benz започна с това начинание… преди повече от 130 години. Няма шега – фабриката за газови двигатели Deutz в края на XIX век се ръководи за известен период от време от самия Готлиб Даймлер. Но това е друга история. В наши дни Mercedes-Benz има сериозен опит в производството на товарни автомобили, задвижвани от природен газ (като например комуналния Econic), а от 1997 г. използва това гориво и в лекотоварни автомобили. През 2004 г. с такива се сдоби и гамата от леки автомобили. Ако тогава „газовият“ двигател за Е-класата бе базиран на 1,8-литровата машина, която разчиташе на пълненето си на механичен компресор, днес за основа служи новият мотор с турбопълнене с работен обем от два литра M270/M272. CNG версиите на Е- и B-класата, обозначени като NGD (Natural Gas Drive) са съответно бивалетна и моновалентна, като компактния автомобил разчита на 14-литров бензинов резервоар, служещ като резерва. При Е200 NGT резервоарите са разположени в долната и задната част на автомобила зад задния мост и са изработени от усилени с въглеродни нишки полимери. Базираният на бензиновия мотор BlueDirect е с директно впръскване с пиезоинжектори, използва последователност от запалителни импулси, управление на разпределителните валове на всмукателните и изпускателните клапани, както и стар-стоп система. Във версията, захранвана с природен газ, степента на сгъстяване е увеличена от 9,8:1 на 11:1, тъй като благодарение на високото октаново число на метана, това не води до създаване на предпоставки за детонации. Разликите в този двигател при захранване с природен газ включват също турбокомпресор, чийто работни компоненти са с увеличена температурна издръжливост (до 1050 градуса), цилиндрова глава с променени легла на клапаните, както и самите клапани, бутала осигуряващи по-висока степен на сгъстяване с променени бутални пръстени, всмукателен колектор с газови инжектори и газова рейка, датчик за температура и налягане и допълнителна управляваща електроника за работата на газ.
Високотехнологичният спестовник
Двулитровият агрегат с диаметър на цилиндрите от 83 мм и ход на буталото от 92 мм определено може да разчита на предимствата на този архитектура с дълъг ход. Максималната му мощност от 156 к.с. в режим на работа на газ се постига при сравнително умерените 5000 об/мин, същото важи в особена сила за въртящия момент от 270 Нм, който е налице при изключително ниските 1250 об/мин и се запазва до 4000 об/мин. С тези си параметри двигателят M274 (M270 във версията за напречно разполагане) на Mercedes дори в газова версия е достоен конкурент на двулитровия на BMW. От базовата конструкция на M274 са заимствани също и кованият колянов вал и кованите мотовилки. Буталата с по-висок профил заради по-високата степен на сгъстяване са от алуминиеви сплави изработени чрез високотемпературно леене. Поради спецификите на процеса на горене на природния газ максималното налягане в цилиндрите достига 100 бара или е с 30 процента по-високо от това при работа на бензин. Температурата на буталото е с 40 градуса по-висока от тази на бензиновия вариант, поради което, както казахме, се налага да се преработят буталните пръстени, а температурата на изпускателните клапани се повишава с 10 градуса. Температурният мениджмънт включва отделни контури за охлаждане на блока и главата, като последната е с напречен охлаждащ поток. Специална част от конструкцията на водната риза осигурява охлаждане на бензиновите инжектори за високо налягане, когато те не функционират, а конструкцията им и впръскването са такива, че да се избегне коксуването на гориво в отворите им. От своя страна клапаните за впръскване на газ се управляват с намотки, през които протича ток от 6 ампера – по този начин се осигурява нормална работа на системата при температури до минус 25 градуса. В името на защитата на газовия регулатор на налягането при температури под минус 15 градуса стартирането на двигателя става автоматично в режим за бензиново захранване и след това също автоматично преминава към газово. Ако по някаква причина при работата на двигателя на газ се увеличи температурата управляващата електроника също превключва към бензиново захранване.
Нов шестцилиндров битурбо мотор
Други съществени промени в гамата на Mercedes включват замяната едновременно на шестцилиндровите агрегати M272 KE35 с впръскване във всмукателните колектори (KE-kanaleinspritzung) с ъгъл между цилиндровите редове от 90 градуса и M276 DE 35 с директно впръскване (DE-direkteinspritzung) с ъгъл от 60 градуса, чиято базова архитектура бе заимствана от двигателите Pentastar на Chrysler. Наследник на двата агрегата с атмосферно пълнене станат M276 DELA30 с работен обем от три литра и принудително пълнене с два турбокомпресора. Трябва да се отбележи, че сред факторите, предизвикали намаляването на работния обем, освен естествената тенденция към даунсайзинг и в този сегмент са данъчните ограничения в Китай. Двигателят е със сравнително високата за агрегат с принудително пълнене степен на сгъстяване от 10,7:1, мощността е 333 к.с., а въртящият момент от 450 Нм се постига в интервала от 1500 до 4000 об/мин.
Едно от най-авангардните решения в новия мотор е обработката на цилиндровите стени. Новият технологичен процес е дело на Daimler и се нарича Nanoslide. При него двойни желязно-въглеродни нишки се стопяват и инжектират върху предварително обработените цилиндровите стени с помощта на поток от инертен газ. По този начин върху стените се оформя свърхфина пореста повърхност от нанокристали, осигуряваща отлични предпоставки за задържане на тънък повърхностен слой от моторно масло. Това от своя страна създава резерви по отношение на масления слой и възможност за използване на нисковискозно масло с което се намалява триенето, както и бензини с по-ниско качество, и биогорива. Повърхностният слой Nanoslide има значителни предимства по отношение на триенето между цилиндъра и буталото дори пред най-прецизно хонингованите повърхности на чугунени втулки.В името на запазването на качествата на моторното масло и избягване на необходимостта от добавяне на масло в процеса на експлоатация е създадена двустепенна вентилация на картера с използване на различни сепариращи устройства в различните части на картера – динамични (с помощта на специална центрофуга) и статични които функционират ефективно независимо от оборотите и натоварването на двигателя.
Авангардно турбопълнене и система за впръскване на горивото
Стремежът на инженерите от Mercedes е бил максимално да скъсят пътя на газовия поток към компресорите, за да постигнат бърза реакция на двигателя при необходимост от ускоряване. За целта се използват пулсациите на газовете като източник на кинетична енергия, при което турбината и изпускателните колектори се интегрират в общ стоманен корпус с висока термична издръжливост и материал осигуряващ по-лека конструкция. В името на прецизността на работата и изравняването на оборотите на двете турбини управлението на байпасните им клапани е базирано на предварителна CFD симулация и изключително прецизна организация на аеродинамиката на тръбите които шунтират турбината.
По подобие на всички модерни бензинови двигатели на Mercedes Benz – от 1,6 литровия четирицилиндров агрегат до M278 (4,6 литра битурбо) и M157(5,5 литра битурбо) V8 в новия M276 DELA 30 се използва третото поколение на системата за директно впръскване, използващо така наречения spray-guided процес с централно разположен в цилиндровата глава пиезоинжектор и намираща се в непосредствена близост запалителна свещ. В Mercedes наричат този процес BlueDirect. Архитектурата на свързване на рейките е променена в сравнение с тази на M276 с атмосферно пълнене, а капацитет е значително увеличен предвид значително по-големия въртящ момент на турбо агрегата. За целта е взета назаем непроменена помпата за високо налягане от по-големия M278, като системата е оптимизирана за работа с горива с различно качество, включително 85 процентно ниво на етанол (E85). Бързите инжектори, които обаче генерират и шум, са изолирани с помощта на акустични монтажни елементи, а помпата за високо налягане е обвита в пяна. Управлението на двигателя се осъществява от използвания и в M276 контролен блок MED 17 на Bosch. Тактовата честота на процесора обаче е увеличена с 20 процента до 180 мегахерца, като е добавена е допълнителна флаш памет.
Горивният процес на бъдещето
След въвеждането на новите V6 и V8 двигатели и новия четирицилиндров агрегат M270/M274 през миналата година, M276 DELA 30 използва същия горивен процес в съчетание с принудително пълнене с два турбо компресора. Базовата архитектура включва впръскване и централно разположен инжектор който се отваря навън, създава изтънена конусовидна струя с максимално ниво на налягане от 200 бара и така наречената spray guided композиция на инжектора и свещта. За разлика от някои от версиите на атмосферните агрегати M276 DELA 30 не разчита на тази технология за организиране на горивен процес с бедни смеси (при въпросните агрегати в режим на работа на бедни смеси кухата конусовидна струя на инжектора се запалва в своята периферия от прецизно позиционираната за целта свещ). Той работи само в режими на хомогенни смеси за да може да се използва в глобален мащаб с различно качество на въздуха и горивата. Благодарение обаче на изключителните качества на пиезоинжекторите по отношение на оформянето на гориво-въздушна смес с минимално обливане на стените с гориво и високо ниво на прецизност при впръскване, този процес може стабилно да запалва и минимални порции гориво, независимо от момента на впръскване. На практика поради голямото използвано налягане от до 200 бара и финото разпрашаване на горивото, последното се изпарява до четири пъти по-бързо, а поради по-малкия размер и тегло на капките те не проникват дълбоко в обема на камерата. По тази причина се предотвратява достигането им до стените на камерата с което значително се повишава ефективността на процесите. Така то охлажда обема на камерата, а не стените на цилиндрите като по този начин се повишава ефективността и същевременно с това не се отмива масления слой по време на работата на студен двигател. Работата на пиезо пакета във всеки един от инжекторите е толкова бърза че позволява време на реакция от 0,1 милисекунди, поради което впръскването на гориво може да се настрои много прецизно в зависимост от натоварването и оборотите на двигателя. Споменатите качества и особено възможността за многократно впръскване са от особена важност при студен старт на двигателя (когато се извършват до пет такива) и преходни режими и спомагат за безпроблемното постигане на нивата Euro 6 без необходимост от някакви допълнителни устройства за обработка на газовете. В процеса на загряване на мотора до достигане на работна температура този факт позволява намаляване на емисиите на твърди частици с 90 процента спрямо двигатели с впръскване във всмукателните колектори. В зависимост от условията на работа се извършва впръскване на по-голяма или по-малка част от горивото по време на процеса всмукване и друга по време на процеса сгъстяване създаваща по-добри условия за запалване около свещта. Балансът между тях се определя от условията на работа и вида на горивото.
Пиезоинжекторите имат значителни предимства и пред конвенционалните инжектори за директно впръскване със соленоидни клапани. Според инженерите от Mercedes именно комбинацията от многократно впръскване и запалване с от голям брой последователни запалвания ще е в основата на намаляването на разхода на гориво в следващите поколения бензинови двигатели.
Естествено като всеки високотехнологичен турбо агрегат и M276 DELA 30 използва междинен охладител от типа вода-въздух, като за целта е осигурен отделен охлаждащ кръг с ниска температура и друг разширителен съд. Благодарение на него се скъсява пътя на сгъстения въздух (и съответно реакцията на двигателя) с по-ниско динамично съпротивление постига се по-добър баланс в тесен температурен диапазон.
Значителни предимства в сравнение с предшественика
На пръв показателите на мощността на предишния агрегат с атмосферно пълнене и новия мотор с битурбо пълнене са близки – съответно 306 к.с. и 333 к.с. На практика обаче нещата стоят по коренно различен начин. Докато турбо машината постига мощността си още при 5250 об./мин и я задържа до 6000 об./мин, то на атмосферната за целта са и необходими 6500 об./мин. При 4000 об./мин първият има мощност от 272 к.с., а вторият едва 209, като макар и в по-малка относителна степен разликата се запазва съществена и при по-ниски оборотни режими. Това разбира се дължи на съществените разлики в стойността и развитието на кривата на въртящия момент. Още при 1600 об./мин турбоагрегатът достига максималната стойност от 480 Нм и я задържа до 4000 об./мин, като дори при 5000 об./мин запазва стойност от 455 Нм, докато при 1600 об./мин атмосферният разполага с 325 Нм които се увеличават до 370 Нм в интервала 3500-5250 об./мин. Въпреки иначе отличните си параметри за машина с атмосферно пълнене и по-големия работен M276 не може да постигне изключителната характеристика на турбо мотора, които от своя страна са предпоставки за по-оптимална работа на последния при ниски предавки и намаляване на разхода на гориво. Във всички автомобилни версии той се комбинира с оптимизираната от гледна точка на разхода на гориво автоматична трансмисия 7G-Tronic с старт-стоп функция с изключително кратко време за стартиране
Вторият много важен компонент за постигане на висока ефективност на новите бензиновите двигатели на Mercedes е процес на запалване, наречен rapid multi spark ignition (MSI). След като първата искра премине през сместа между електродите на свещта, запалителната бобина възпроизвежда следваща искра. В рамките на една милисекунда системата MSI позволява реализиране на до четири искри в бърза последователност, създавайки по този начин плазма с по-голямо обемно разширение, постигано от това на конвенционалните системи за запалване. Първоначалната енергия и обем на запалената смес има огромно значение за по-нататъшното оптимално горене на сместа в цилиндъра. Системата постоянно варира продължителността и вида на искрите в зависимост от оперативната работа на двигателя.
Екстремна версия на двулитровия мотор от AMG
Бензинови агрегати на Mercedes M270/M274 използват базовата архитектура с централно разположен инжектор, разделена охладителна система с термостат с различни температури на отваряне, продухване на цилиндрите от отработилите газове с помощта на гъвкавата система за променливо газоразпределение Camtronic, многократно запалване и прочее. Докато този агрегат обаче се предлага в различни нива на мощност достигащи до 211 к.с. инженерите от подразделението AMG създадоха версия с мощност от 360 к.с. и въртящ момент от 450 Нм за модели като A 45 AMG и CLA 45 AMG. Двигателят с моделно наименование M133 е базиран на версията с напречно разположение на двулитровия двигател M270 и е конструиран така че издържа максимални нива на налягане от 150 бара които в немалка степен се дължат и възможностите на системата за турбопълнене с налягане от до 2,8 бара. Предизвикателството за инженерите обаче е било наистина сериозно предвид факта, че заданието включва максимално ниво на унифицираност на двата агрегата. Въпреки че блокът има същата архитектура като базовия агрегат, за него и използван различен метод за леене, различен и начинът на и прикрепване на главата. И тук цилиндрите са с Nanoslide покритие, а в името на защитата на буталните пръстени те, подобно на газовата версия, са с PVD (Physical Vapour Deposition) покритие. Балансиращите валове са били елиминирани, а това е компенсирано с монтиране на двумасов маховик. Заради по-голямото натоварване е променена също сплавта от която е изработена цилиндровата глава, която включва и цирконий. Значителни промени са извършени в охлаждането на базата на компютърен анализ, като е създадена охладителна система с капацитет за поддържане на температура не по-висока от 110 градуса при всякакви условия на експлоатация. За целта е използвана водна помпа с увеличен капацитет, увеличен е и този на отделния кръг за охлаждане на сгъстения въздух, като се гарантира, че температурата му никога няма да надвиши с повече от 25 градуса тази на околния въздух. В основния охлаждащ контур е интегриран и маслен топлообменник. Самата маслена система осигурява смазване на две степени с налягане от 2 и 4 бара. В този агрегат се използва същата система за впръскване, която разполага с голям резерв по отношение на капацитета си. Турбокомпресорът е с двуструйна конструкция с минимално противоналягане.
Текст: Георги Колев
Людмил Попов
Абе Георги, абе Колев! За каква архитектура на двигателите пишеш? Да не би да мислиш, че двигателите се конструират от архитекти? Моят брат е архитект, но нищо не разбира от двигатели. А пък аз си мислех, че двигателите се конструират от инженери-конструктори.