Гамата четирицилиндрови бензинови мотори използва вече утвърдени технологични решения
Гамата четирицилиндрови бензинови мотори на Mercedes използва вече утвърдени в големите агрегати на компанията технологични решения. Архитeктурата включва централно разположени пиезоинжектори и интегриран турбокомпресор.
С двигателната линия M 270, включваща агрегати с 1,6- и 2,0-литров работен обем, Mercedes показа, че традицията да бъде авангард на моторостроенето продължава. Тези машини се разполагат както напречно (M 270), така и надлъжно (M 274), със съответните промени по периферията им и ще разполагат с мощност от 122 к.с. (200 Нм) до 211 к.с.(350 Нм). Тази гама наследи използваното повече от десетилетие предишно поколение мотори на компанията с работен обем от 1,6 и 1,8 литра с кодово наименование М 271. Компановката му първоначално включваше механичен компресор и бележеше завръщането на директното впръскване в гамата на Mercedes. Последното използваше странично разположени инжектори, а в една от разновидностите на мотора функционираше дори със разслояване на заряда. През 2009 г. последва логичната еволюция на мотора в която механичният компресор бе заменен с турбоагрегат, но останалата част от компановката на агрегатите бе запазена. В това отношение той бе подобен на директния му конкурент с работен обем от 1,6 литра в гамата на баварците, използван за Серия 1, Серия 3 и Mini.
Баварците обаче предприеха драстични мерки в областта на даунсайзинга, насочвайки се към трицилиндрови машини в подобните класове на работен обем при пълно запазване на архитектурата на всеки един от цилиндрите (директно впръскване с централно разположен пиезоинжектор и турбопълнене). По този начин те улеснят и оптимизират разходите по производствения процес като използват различен брой цилиндри. Инженерите от Щутгарт поеха подобна посока, но при реализацията на проектите има някои доста различни нюанси. Като начало те не се придържат директно към правилото налагано напоследък от Мюнхен за използване на цилиндри с оптимален работен обем от 0,5 литра. Двигателят M 270 на Mercedes с обем от 1,6 литра запазва четирите си цилиндъра и едновременно с това служи като основа за агрегата с двулитров работен обем като последният има същия диаметър на цилиндрите, но увеличен ход на буталото. Най-важната промяна в актуалното поколение бензинови мотори на Mercedes обаче е преминаването към централно разположен в горивната камера пиезоинжектор. Маркетинговите специалисти наричат пренесената от по-големите V6 и V8 агрегати технология BlueDIRECT, а благодарение именно на нея тази моделна линия вече покрива стандартите за емисии на отработилите газове Euro 6 за бензинови мотори без при това да се използват допълнителни системи за дообработването им. Според Mercedes именно това е била и основната причина за въвеждането и създаването на напълно новото поколение.
Като основа и на трите версии на мотора служи напълно алуминиева конструкция с два разпределителни вала и четири клапана на цилиндър. Агрегатът е изключително гъвкав като конструкция и се въвежда (във версията за надлъжно разположение) в по-големите модели, съчетаван с предно, задно или двойно предаване, както и с механична, класическа автоматична или предавателна кутия с два съединителя. За резултатите постигнати от инженерите от Щутгарт, могат да се приведат няколко примера в цифри – версията на двигателя с работен обем от 1595 кб. см със 122 к.с. постига максималния си въртящ момент от 200 нютонметра в диапазона 1250- 4000 об./мин. Оборудван с този двигател, Mercedes CLA постига среден разход по европейския тестови цикъл от едва 5,0 литра, който е само с 0,8 литра по-висок от този на дизеловата версия изпитвана в същите условия. Подобни параметри показват нито повече нито по-малко триумфалното завръщане на бензиновия мотор и навлизането му зони на разход на гориво които само допреди няколко години бяха запазена територия за двигателите със самовъзпламеняване. По-мощната версия на агрегата със същия работен обем от 1,6 литра разполага със 156 к.с. и въртящ момент от 250 Нм в диапазона от 1250-4000 об./мин. Вариантът за CLA 250 с работен обем от 2,0 литра (както казахме с увеличен ход на буталото) с 211 к.с., постига стойността на въртящ момент от 350 Нм още по-рано – при 1200 об./мин, задържайки го на това ниво до 4000 об./мин. За европейските потребители важен факт е и функционалността на работа на мотора със смес от етанол Е10 (до 10 процента) и бензин. При работа изцяло с бензин моторът се задоволява с такъв с октаново число 95.
Директно впръскване с реакция от 0,1 милисекунди
Архитектурата на главата и буталото от една страна и реализацията на впръскването от друга са базирани на вече утвърдения процес на Mercedes, който бе въведен през 2006 година и сега е в третото си поколение. В 3,5 литровия V6 агрегат той дори работи с бедни смеси в режими на частично натоварване на принципа spray-guided (M 272 и M 276). Последният агрегат е може би единственият в света в момента, който не само използва работа с така нареченото разслояване на заряда, но го реализира чрез този специфичен вариант с оформена като конус струя впръскано гориво и разположена прецизно в периферията му запалителна свещ. Новият 5,5 литров битурбо V8 мотор на компанията М 157 също е оборудван с директно впръскване с централно разположен пиезоинжектор, но не използва подобни режими на работа.
Погледнато от този ракурс, гамата четирицилиндрови агрегати определено има солидна основа. Поради изключително бързата си работа пиезоинжекторите дават възможност за извършване на до пет впръсквания на цикъл. В процеса на загряване на мотора до достигане на работна температура този факт позволява намаляване на емисиите на твърди частици с 90 процента и постигане на стандартна Euro 6. Пиезоинжекторите имат значителни предимства пред конвенционалните инжектори със соленоидни клапани. Поради голямото налягане на впръскване (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 причин се предотвратява достигането им до стените на камерата с което значително се повишава ефективността на процесите. Така, при изпарението си, горивото 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 милисекунда, поради което впръскването на гориво може да се настрои много прецизно в зависимост от натоварването и оборотите на двигателя.
Запалване с генериране на множество последователни искри
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 «пробие» сместа между електродите на свещта, запалителната бобина се «презарежда» отново и възпроизвежда нова 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 огромната значимост за по-нататъшното оптимално горене на сместа в цилиндъра. Системата постоянно варира продължителността и вида на искрите в зависимост от оперативната работа на двигателя.
Третият важен елемент за повишаване на ефективността на моторите е системата за променливо управление на хода и фазата на отваряне на клапаните CAMTRONIC, която спомага за намаляване на загубите от дроселиране. В режими на работа с ниско ниво на натоварване (със силно притворена дроселова клапа) само благодарение на нея намаляването на разхода на гориво може да достигне 10 процента. Тя използва специфични водещи канали и щифтове с които се осъществява осево изместване на вала с гърбиците и активиране на различни гърбици в зависимост от режимите. Това устройство е дело изцяло на инженерите от Mercedes и по-специално на конструкторите от Mercedes-Benz Technology Center в Щутгарт и на тези в завода за двигатели на Daimler в Берлин.
Намалено турбозакъснение благодарение на продухването
Налягането на турбокомпресора за принудително пълнене е с максимална стойност от 1,9 бара, като оборотите на турбинното колело достигат 230 000. Той е конструиран така че да осигурява висок въртящ момент още при ниски обороти на двигателя. За целта е използвана обща отливка на изпускателните тръби и корпуса на турбината, като последната е разположена пред двигателя за да се охлажда допълнително. Тръбите за отделните двойки цилиндри са разделени вътрешно и са с двойни стени за намаляване на топлинните загуби и оптимално използване на енергията на отработилите газове с цел постигане на изключително бърза реакция на турбината. Благодарение на гъвкавите възможности на системата CAMTRONIC е станало възможно по-продължително едновременно отваряне на всмукателните и изпускателните клапани (така наречено припокриване на фазите) така че въздухът който нахлува под налягане в цилиндъра да изтласква отработилите газове и да се насочва към изпускателните тръби. По този начин се подобрява пълненето, намалява се вероятността за детонации поради по-малкото количество остатъчни отработили газове в цилиндъра и се понижава температурата на тези преминаващи през турбината. В резултат от това се намалява термичното и натоварване и се подобрява реакцията и. Гаранция за пълноценното осъществяване на този процес поема системата за директво впръскване, като подаването на горивото започва едва след като и двата клапана са затворени. Подобно нещо не би било възможно с впръскване във всмукателните колектори. Високото ниво на въртящ момент достиган при изключително ниски оборотни режими на всичките описани дотук версии на двигателите дава възможност за ранно превключване на по-висока предавка или използване на програма с подобни режими в трансмисията с два съединителя, което също е предпоствака за намаляване на разхода на гориво. Принос за това има и фактът че е почти напълно е избегната необходимостта от обогатяване на сместа (това става едва при скорости над 200 км/ч).
Особено внимание е обърнато на температурния мениджмънт на двигателите. Водната риза, разделена на две части е с оптимизиран кръстосан поток и изключително прецизни охлаждащи канали с ширина от 3 мм между свещите и инжекторите и има грижата за осигуряване на оптимална циркулация в зависимост от работата на двигателя. При студен двигател например, управляемата водна помпа напълно се изключва и охладителната течност въобще не циркулира, с което се ускорява процесът на загряване. Термостатът е електронно контролиран, а температурата се променя в зависимост натоварването на двигателя и външната температура. Подобен е контролът на двустепенната маслена пампа – при ниски обороти и натоварване тя работи с налягане от два бара, а дюзите впръскващи масло върху дъната на буталата се изключват. При по-високи обороти и натоварване се активира втората степен на помпата, а благодарение на този алгоритъм на контрол се намалява разходът на енергия в сравнение с конвенционална помпа. Инжерените напълно са променили конструкцията на охлаждането на главата в сравнение с предишните поколения двигатели, като благодарение на интелигентно разпределения поток са успели да намалят капацитета на водната помпа въпреки увеличената мощност на двигателя. При нормални условия на работа термостатът се отваря при 105 градуса по Целзий и 85 градуса при високо натоварване.
Интелигенто е и решението на старт-стоп системата чиято контролна електроника установява най-подходящия за стартиране цилиндър и към него се подава надеждна искра и впръскване. В името на намаляване на вибрациите на двигателя се използват два балансиращи вала в долната част на цилиндровия блок. Mercedes е първият производител, който използва за целта антифрикционни лагери за балансиране на масите – дисбалансите се компенсират с ролкови лагери, а аксиалните сили чрез сачмени лагери. По този начин не само се подобрява работата на двигателя, но се намалява и триенето. Поради по-малките маси и различната траектория на движение мотовилките, по-малкият 1,6 литров мотор не се нуждае от динамично балансиране.
Инженерите на компанията са обърнали специално внимание на намаляването на триенето. Освен гореспоменатите мерки, те са използвали нискофрикционни бутала, бутални пръстени и цилиндрови стени и задвижването на разпределителните валове.
AMG версиите
Компанията засега се отказа от проекта за използване на принудително пълнене Hypex (Compex) и се насочи към класическо турбопълнене. Версията на двулитровия двигател с мощност от 360 к.с. и 450 Нм за A 45 AMG и CLA 45 AMG е напълно преработена. Блок е излят с използване на различен процес и от различни материали в името на усилването му – това е било необходимо защото максималното налягане в цилиндъра е нараснало от 90 на 140 бара, като за целта е използван голям двуструен компресор с налягане на пълнене от до 2,8 бара. Системата за променливо разпределение се разделила с възможността за регулиране на хода на клапаните, различни са главата, буталата, мотовилките и коляновия вал, променена е охладителната система и прочее.
Текст: Георги Колев
(следва)