Innowacyjne rozwiązania Mercedes-Benz po raz kolejny torują drogę ku przyszłości w rozwoju jednostek wysokoprężnych. Firma jako pierwsza wymienia stosowane dotychczas w osobowych modelach z silnikami Diesla tłoki aluminiowe na tłoki wykonane z wysokowytrzymałej stali. W połączeniu z unikalną technologią powlekania gładzi cylindrowych NANOSLIDE® przyczyniają się one do jeszcze niższego zużycia paliwa i emisji spalin.
W 1936 roku Mercedes-Benz jako pierwszy producent na świecie zaprezentował samochód osobowy zasilany silnikiem o zapłonie samoczynnym. Od tamtej pory marka ze Stuttgartu konsekwentnie wprowadza innowacje technologiczne, które w znacznym stopniu przyczyniły się do rozwoju i popularyzacji diesli.
Teraz inżynierowie Mercedes-Benz po raz kolejny dokręcają śrubę. We wrześniu br. Klasa E 350 BlueTEC jako pierwsze auto osobowe otrzyma wysokoprężną jednostkę V6 z nowymi tłokami, wykonanymi z wysokowytrzymałej stali. Model będzie legitymować się taką samą mocą jak wcześniej - 190 kW (258 KM), ale jego zużycie paliwa spadnie o około 3 proc., do zaledwie 5,0 l/100 km.
Stalowe tłoki można już spotkać w wielu pojazdach użytkowych, gdzie stosuje się je wraz z żeliwnymi skrzyniami korbowymi. Tłoki aluminiowe przez lata upowszechniły się w natomiast silnikach montowanych w autach osobowych. Zaprojektowane przez Mercedes-Benz tłoki z wysokowytrzymałej stali doskonale współpracują z lekkim kadłubem silnika z aluminium oraz wielokrotnie nagradzaną technologią powlekania gładzi cylindrowych NANOSLIDE®, również opracowaną przez inżynierów ze Stuttgartu.
Korzyści płynące z zastosowania stali i aluminium
Stal i aluminium znacząco różnią się własnościami: stal w mniejszym od aluminium stopniu rozszerza się pod wpływem temperatury, słabiej przewodzi ciepło, a do tego jest cięższa. Choć w pierwszej chwili połączenie aluminiowego kadłuba ze stalowymi tłokami nie wydaje się korzystne, to inżynierowie Mercedes-Benz odkryli możliwości wspólnego zastosowania tych materiałów poprzez odpowiednie wykorzystanie różniących ich cech.
W praktyce rozgrzany stalowy tłok rozszerza się w stopniu czterokrotnie mniejszym od jego aluminiowego odpowiednika i może być ciaśniej osadzony w cylindrze. W miarę wzrostu temperatury operacyjnej silnika wzrasta jednak luz między nim a aluminiowym kadłubem, co skutkuje mniejszym tarciem. A ponieważ na zespół tłok-cylinder przypada 40-50 proc. tarcia mechanicznego, jego ograniczenie może znacząco przyczynić się do poprawy wydajności.
Bardziej wytrzymały, mniejszy i lżejszy
Jak dotąd, stalowe tłoki nie były przystosowane do pracy z aluminiowymi kadłubami. Mercedes-Benz opracował nowy typ takich tłoków - wykonanych z kutej, wysokowytrzymałej stali. Jako pierwszy otrzyma je model E 350 BlueTEC z turbodieslem V6 zaopatrzonym w aluminiową skrzynię korbową oraz technologię powlekania gładzi cylindrowej NANOSLIDE®.
Nowe tłoki powstają w złożonym procesie produkcji, rezultat wart jest jednak zaangażowania. Zastosowanie wytrzymalszej stali pozwoliło na opracowanie bardziej zwartej konstrukcji, co mniej więcej równoważy fakt, że nowy materiał jest trzykrotnie gęstszy od aluminium. Konkretnie, nowe tłoki stalowe są o 13 mm niższe od aluminiowych (58,6 mm wobec 71,6 mm). Za sprawą zmienionej geometrii, waga tłoka ze sworzniem i pierścieniami jest porównywalna z jego aluminiowym odpowiednikiem. Tym samym inżynierowie Mercedes-Benz zdołali niemal całkowicie zniwelować różnice w masie stali i aluminium, a przy okazji zapewnić dodatkowe rezerwy wytrzymałości na wypadek wzrostu ciśnienia szczytowego w nowszych konstrukcjach.
Wyższa wydajność, niższe zużycie paliwa
Równocześnie, zastosowanie stalowych tłoków pozwoliło zwiększyć poziom wydajności - stal ma mniejszą od aluminium przewodność cieplną, co oznacza, że w komorze spalania osiągane są wyższe temperatury. Rezultatem jest lepsza jakość zapłonu i krótszy czas spalania, a co za tym idzie - niższe zużycie paliwa oraz emisja spalin. Mercedes-Benz uwzględnił mniejszą przewodność cieplną stali przy projektowaniu tłoków. Otrzymały one m.in. zmodyfikowane kanały chłodzące.
Doświadczenia wykazały, że tłoki z wysokowytrzymałej stali przyczyniają się do optymalizacji procesu spalania, a jednocześnie - do ograniczenia tarcia. Co więcej, według pomiarów ich zastosowanie przyczynia się do odczuwalnego zmniejszenia zużycia paliwa w zakresie niskich i średnich prędkości obrotowych - czyli najczęściej spotykanych w codziennej eksploatacji.
Zalety stali
Specjaliści od silników Mercedes-Benz dostrzegają kolejne zalety nowych tłoków do wykorzystania w przyszłości:
• stal nie tylko pozwala konstruować mniejsze tłoki, ale ma też większe zdolności do radzenia sobie z obciążeniami mechanicznymi. To szczególnie korzystne pod kątem dalszego downsizingu silników.
• ponieważ stalowe tłoki są bardziej wytrzymałe od aluminiowych, zaopatrzone w nie silniki Diesla mogą osiągać wyższe temperatury pracy i wyższy poziom wydajności termodynamicznej;
• mniejsza przewodność cieplna stali w porównaniu z aluminium pozwala także ograniczać odległość pomiędzy tłokiem a krawędzią cylindra nad pierścieniem uszczelniającym, co przyczynia się do zmniejszenia ilości zanieczyszczeń i nieoczyszczonych spalin.
Konsekwentny postęp
Innowacyjne tłoki z wysokowytrzymałej stali stanowią kolejny etap ewolucji silników Diesla firmy Mercedes-Benz. Podobnie jak w przyszłości, inżynierowie ze Stuttgartu pracują nad tym, aby jednostki wysokoprężne stanowiły realną alternatywę dla pozostałych źródeł napędu.
Wysokoprężna, widlasta "szóstka", która trafi teraz pod maskę E 350 BlueTEC, od czasów debiutu w typoszeregu 212 w 2008 roku przeszła liczne stadia rozwoju. Korzysta ona z technologii powlekania gładzi cylindrowych NANOSLIDE®, po raz pierwszy wprowadzonej przez Daimlera w benzynowym silniku AMG V8 siedem lat temu. Technologia ta wykorzystuje powłokę TWAS (twin-wire arc-sprayed coating) - żelazo i węgiel roztapiane są w łuku elektrycznym, a następnie natryskiwane w postaci kropel, pod wpływem strumienia gazu, na wewnętrzne ścianki cylindrów. Tak powstaje nanokrystaliczna warstwa o ekstremalnie gładkiej, niemal lustrzanej powierzchni z drobnymi porami. W porównaniu do konwencjonalnych rozwiązań znacznie ograniczono tu tarcie pomiędzy tłokiem a gładzią cylindra, a dodatkowo uzyskano wyjątkowo wysoką odporność na ścieranie.
Efekt? Niższe zapotrzebowanie na paliwo oraz emisja szkodliwych spalin, a także mniejsza masa jednostki napędowej.
W rezultacie turbodiesel V6 w Klasie E zużywa dziś odczuwalnie mniej oleju napędowego niż wcześniej. W 2009 roku średnie zużycie paliwa modelu E 320 CDI wynosiło 6,8 l/100 km, a jego nowego wcielenia z roku 2013 - już tylko 5,4 l/100 km. Za sprawą nowych tłoków wartość ta spadnie poniżej 5,3 l/100 km. A warto dodać, że w ciągu ostatnich sześciu lat moc jednostki wzrosła ze 155 kW (211 KM) do obecnych 190 kW (258 KM).
Przewiduje się, że nowe tłoki niebawem trafią do 4-cylindrowych turbodiesli Mercdes-Benz. „Zakładamy, że stalowe tłoki będą w przyszłości stosowane w osobowych modelach z silnikami Diesla na szeroką skalę” - powiedział Joachim Schommers, szef działu rozwoju silników Mercedes-Benz.
