Platforma MQB, element który rozpoczął przyszłość : SILNIKI

Wysokoefektywne silniki spalinowe i nowe, alternatywne rozwiązania napędów już dawno odgrywają ważną rolę na drodze ku przyszłości. Aby także w najbliższych dziesięcioleciach zapewnić indywidualną mobilność, jaką obecnie znamy i cenimy, muszą być spełnione trzy warunki:
• konsekwentna poprawa efektywności napędów;
• wykorzystanie energii ze źródeł alternatywnych, w szczególności energii odnawialnej;
• opracowanie koncepcji pojazdów neutralnych pod względem emisji CO2.

Koncern Volkswagen odpowiedział na to wyzwanie, postawione wszystkim producentom samochodów, wprowadzając innowacje technologiczne w różnych dziedzinach. Przykładem może być marka Volkswagen i produkowane już od 2006 roku modele BlueMotion. Na ich czele znajduje się obecnie Polo BlueMotion ze średnim zużyciem paliwa wynoszącym zaledwie 3,3 l/100 km (emisja CO2: 87 g/km).

Ponadto do produkcji seryjnej wprowadzane są systematycznie nowe systemy napędowe. I znów przykładem jest Volkswagen: w 2010 roku zaprezentowany został Touareg Hybrid – pierwszy Volkswagen napędzany silnikiem benzynowym i elektrycznym. W 2012 roku dołączy do niego jeden z najczęściej kupowanych modeli – Jetta – przedstawiona w Detroit w wersji Hybrid. Jej silnik TSI o mocy 110 kW/150 KM będzie wspierany silnikiem elektrycznym 20 kW, zasilanym z litowo-jonowego akumulatora o pojemności 1,1 kWh. W 2013 roku Volkswagen rozpocznie erę elektrycznej mobilności, wprowadzając na rynek e-up! i Golfa Blue-e-Motion.

Wraz z wprowadzeniem nowej modułowej platformy podłogowej dla samochodów z silnikiem montowanym poprzecznie Volkswagen demonstruje, jak wielki potencjał jeszcze tkwi w konwencjonalnych jednostkach benzynowych i wysokoprężnych. Zupełnie nowe rodziny silników EA211 (benzynowe) i EA288 (wysokoprężne) zostały udoskonalone wieloma innowacyjnymi rozwiązaniami technicznymi. Na przykład w silnikach benzynowych debiutuje aktywny system zarządzania pracą cylindrów ACT, dostępny po raz pierwszy na świecie dla wielkoseryjnych silników czterocylindrowych, który poprzez odłączanie i dołączanie cylindrów znacznie poprawia efektywność napędu. To kolejny kamień milowy w technologii napędów Volkswagena.

Nowe silniki benzynowe serii EA211 

Dla MQB i New Small Family. Za kodem EA211 kryje się nowa rodzina silników benzynowych. Obejmuje ona jednostki z trzema i z czterema cylindrami. Silniki serii EA211 zadebiutowały wraz z rozpoczęciem produkcji up! (nie należy do MQB), jako silniki trzycylindrowe MPI. Wraz z czterocylindrowym, czterozaworowym TSI (bezpośredni wtrysk i turbodoładowanie) o mocy 63 kW/85 KM i 77 kW/105 KM (pojemność obu wariantów 1,2 litra) oraz 90 kW/122 KM i 103 kW/140 KM (pojemność 1,4 litra) silniki EA211 weszły także do systemu MQB i wyznaczają standardy w kwestii efektywności, lekkiej konstrukcji i siły ciągu.

Mocne silniki benzynowe. Wartości momentu obrotowego silników o sprężaniu 10,5:1 pozwalają poruszać się zarówno w sposób dystyngowany, jak i dynamiczny. Maksymalne momenty obrotowe 165 Nm i 175 Nm jednostek 1,2-litrowych oraz 200 Nm lub 250 Nm obu wariantów 1,4-litrowych są dostępne już od 1.400 obr./min i utrzymują się na maksymalnym poziomie do 4.000 obr./min.

Oszczędne silniki benzynowe. Wartości zużycia paliwa przez silniki EA211 obniżyły się od 8 do 10 procent między innymi dzięki redukcji tarcia wewnętrznego, mniejszej masie i zoptymalizowanemu zarządzaniu temperaturą. W połączeniu z innowacyjnym systemem odłączania cylindrów (ACT) możliwość oszczędności wynosi nawet do 20 procent. Proporcjonalnie zmniejszyła się także emisja CO2.

Światowa premiera systemu odłączania cylindrów w 1.4 TSI. Aktywny system zarządzania pracą cylindrów (ACT) wyznacza nowe standardy w motoryzacji. Volkswagen jako pierwszy producent na świecie zastosował, tę pozwalającą zaoszczędzić paliwo innowację technologiczną w wielkoseryjnym silniku czterocylindrowym. Początkowo będzie to TSI o mocy 103 kW/140 KM. Zasada aktywnego zarządzania pracą cylindrów wygląda następująco: przy niskich i średnich obciążeniach dwa cylindry zostają wyłączone, przez co spalanie w znormalizowanym cyklu obniża się o 0,4 l/100 km. Cylindry są odłączane przy prędkości obrotowej między 1.250 a 4.000 obr./min i momencie obrotowym między 25 Nm a 100 Nm.

Nowy kąt pochylenia. Ponadto nowe silniki serii EA211 charakteryzuje nowa pozycja wbudowania. Przy znanych silnikach benzynowych poprzedniej serii EA111 „gorąca” strona wylotowa znajdowała się z przodu, a silniki były montowane z nachyleniem ku przodowi. Poprzez odwrócenie głowicy cylindrów w nowej generacji EA211, w związku z wprowadzeniem MQB, wylot spalin znajduje się po stronie przegrody czołowej (ściany między komorą silnika a kabiną pasażerską), tak jak w silnikach wysokoprężnych. Taka sama, jak w silnikach wysokoprężnych serii EA288, jest także pozycja wbudowania nowych silników benzynowych z pochyleniem 12 stopni do tyłu. Dzięki temu możliwe jest ujednolicenie układu wydechowego, wałów napędowych i pozycji wbudowania skrzyni biegów.

BlueMotion Technology. Dostosowany specjalnie do silników benzynowych EA211 pakiet BlueMotion Technology (system Start-Stop z rekuperacją) pozwolił na dalsze zmniejszenie emisji CO2.

 

Nowe silniki benzynowe serii EA211 – szczegóły techniczne

 

Tylko odległość między cylindrami pozostała bez zmian. Seria EA211 to zupełnie nowa konstrukcja, z serii EA111 przejęty została jedynie odstęp cylindrów wynoszący 82 milimetry. Aby umożliwić ujednoliconą pozycję wbudowania w MQB wszystkich silników, inżynierowie odwrócili głowicę cylindrów silnika benzynowego. Jednocześnie zmienili jego pochylenie – teraz jest pochylony do tyłu. Silnik ten jest także bardzo zwarty, o czym świadczy skrócona o 50 mm długość montażowa. Korzyść dla pasażerów: więcej przestrzeni w kabinie.

Aluminiowy blok obniża masę jednostek napędowych. Dzięki ultrasztywnemu kadłubowi silnika z aluminiowego odlewu ciśnieniowego, nowe jednostki benzynowe ważą 112 lub 114 kilogramów. W przypadku 1.4 TSI masa zmniejszyła się w stosunku do silnika z żeliwa szarego EA111 o 22 kg. Pieczołowicie kultywowana przez Volkswagena zasada lekkiej konstrukcji nie pomija nawet najmniejszych detali. I tak konstruktorzy silników zmniejszyli średnicę łożysk głównych wału korbowego w 1.4 TSI z 54 do 48 milimetrów, sam wał korbowy został „odchudzony” o 20 procent, a korbowody nawet o 25 procent. Lżejsze są także aluminiowe tłoki (z płaskimi denkami).

Kolektor wydechowy zintegrowany z głowicą. Podczas prac projektowych i konstrukcyjnych duży nacisk został położony także na kwestię zarządzania temperaturą. Aby optymalnie wykorzystać energię spalin podczas pracy przy rozgrzanym silniku, a z drugiej strony umożliwić jeszcze skuteczniejsze chłodzenie przy dużych obciążeniach, kolektor wydechowy nowych silników EA211 został całkowicie zintegrowany z głowicą cylindrów i zaopatrzony we własny płaszcz chłodzący. To jeszcze nie wszystko: inżynierowie Volkswagena zaprojektowali dwuobwodowy układ chłodzenia. Podczas gdy silnik podstawowy jest chłodzony wysokotemperaturowym obwodem chłodzącym z mechanicznie napędzaną pompą, obwód niskotemperaturowy, z pompą regulowaną elektrycznie w zależności od zapotrzebowania, opływa chłodnicę powietrza doładowującego i obudowę turbosprężarki. Do ogrzewania wnętrza wykorzystywany jest obwód głowicy cylindrów tak, że temperatura w kabinie, podobnie jak w silniku, rośnie bardzo szybko.

Mała turbosprężarka, duża skuteczność. Dzięki dobrze przemyślanej konstrukcji kolektora wydechowego Volkswagen mógł wybrać bardzo smukłą sprężarkę Single-Scroll. W efekcie obniżona została masa zespołu głowicy cylindrów i turbosprężarki. Chłodnica powietrza doładowującego w EA211 połączona jest z rurą dolotową z tworzywa sztucznego. Takie rozwiązanie znacznie przyspieszyło wzrost ciśnienia, co odbija się na prędkości reakcji na pedał gazu silników o niewielkiej – zgodnie z zasadą downsizingu – pojemności skokowej.

Renesans paska zębatego. Volkswagenowi udało się zmniejszyć także tarcie wewnętrzne nowej generacji silników. Na przykład umieszczone na górze wałki rozrządu (DOHC) nie są napędzane łańcuchem, lecz jednostopniowym mechanizmem z paskiem zębatym o niewielkim tarciu. Pasek ma szerokość 20 mm, a kołom nadano profil redukujący obciążenia. Przy tym pasek zębaty dzięki wysokiej jakości materiałów ma trwałość równą zakładanemu okresowi eksploatacji całego samochodu. Także sposób uruchamiania mechanizmu zaworowego przy użyciu popychaczy rolkowych i łożyska tocznego dla pierwszego, mocno obciążonego łożyska wałka korbowego pozwoliły zmniejszyć opory tarcia. Aby silnik zajmował możliwie jak najmniej miejsca, agregaty pomocnicze, jak pompa wody, kompresor klimatyzacji i prądnica zostały zamocowane bez dodatkowych wsporników bezpośrednio do silnika i miski olejowej i są napędzane przez pojedynczy pasek zębaty.

Regulacja wałka rozrządu dla jeszcze lepszych osiągów. Aby jeszcze bardziej obniżyć emisję i spalanie oraz poprawić siłę ciągu w dolnym zakresie prędkości obrotowych, wałek zaworów dolotowych we wszystkich silnikach EA211 posiada regulację w zakresie 50 stopni kąta obrotu wału korbowego. W 1.4 TSI o mocy 103 kW/140 KM dochodzi do tego także regulacja wałka rozrządu zaworów wylotowych. Pozwala ona na uzyskanie żądanego rozkładu faz rozrządu i jeszcze lepszej reakcji na pedał gazu przy niskich prędkościach obrotowych. Jednocześnie poprawia się także siła ciągu przy wysokich prędkościach obrotowych.

Pięciootworowe dysze wtryskują paliwo pod ciśnieniem do 200 barów.Maksymalne ciśnienie wtrysku nowych wariantów TSI (bezpośredni wtrysk) zostało podwyższone do 200 barów. Nowoczesne, pięciootworowe dysze poprzez listwę rozdzielającą ze stali nierdzewnej z najwyższą precyzją dozują paliwo do każdego z cylindrów i mogą wykonać nawet 3 pojedyncze wtryski. Przy projektowaniu kształtu komór spalania Volkswagen zwracał szczególną uwagę na minimalne natryskiwanie paliwa na ściany komory oraz na optymalne rozprzestrzenianie się płomienia.

Najważniejsze było modułowe myślenie. Silniki nowej serii EA211 są idealnym przykładem konsekwentnej realizacji zasady części wspólnych dla kilku modeli, będącej clou strategii MQB. Nie tylko głowica cylindrów, kadłub silnika, wał korbowy czy korbowody są ujednolicone i dają się zastosować w wielu modelach, lecz także podzespoły odpowiedzialne za przygotowanie mieszanki (jak przewód powietrza doładowującego, filtr powietrza, rura dolotowa, chłodnica powietrza doładowującego, przepustnica czy moduł sterujący) są identyczne we wszystkich wariantach. Tylko dzięki takiemu rozwiązaniu Volkswagen AG może osiągnąć kompatybilność produkcji i montażu na całym świecie oraz skorzystać z zalet, jakie niosą ze sobą globalne zakupy.

Światowa premiera systemu aktywnego zarządzania pracą cylindrów (ACT) w 1.4 TSI

Dwa z czterech cylindrów wyłączają się. Jako pierwszy producent na świecie Volkswagen wprowadził do czterocylindrowego TSI technologię oszczędzającą paliwo, mianowicie system aktywnego zarządzania pracą cylindrów (ACT), znany dotychczas z dużych, ośmio- lub dwunastocylindrowych silników. ACT zadebiutuje w silniku 1.4 TSI o mocy 103 kW/140 KM. Dzięki wyłączeniu drugiego i trzeciego cylindra przy niskich i średnich obciążeniach zużycie paliwa w znormalizowanym cyklu EU obniża się o około 0,4 litra na 100 kilometrów. Podczas jazdy ze stałą prędkością 50 km/h na trzecim lub czwartym biegu oszczędność paliwa wynosi nawet jeden litr na 100 kilometrów. Przy prędkości 70 km/h na piątym biegu spalanie może być mniejsze o 0,7 litra.

Aktywny do 4000 obr./min i 100 Nm. System ACT jest aktywny przy prędkościach obrotowych między 1250 a 4000 obr./min i momencie obrotowym między 25 a ok. 100 Nm. To szeroki zakres, który w znormalizowanym cyklu jazdy obejmuje około 70 procent wszystkich przejechanych kilometrów. Gdy kierowca mocniej wciśnie pedał gazu, drugi i trzeci cylinder zostają w sposób niezauważalny dołączone do pozostałych. Wysoka efektywność nie wyklucza przy tym spokojnej pracy. Także z dwoma cylindrami doskonale wyważony silnik 1.4 TSI pracuje tak samo cicho i bez wibracji, jak z czterema aktywnymi komorami spalania. Wszystkie mechaniczne procesy przełączania przebiegają w ciągu połowy obrotu wałka rozrządu, czyli zależnie od prędkości obrotowej trwają od 13 do 36 milisekund. Dzięki czujnikowi położenia pedału gazu oraz inteligentnemu oprogramowaniu system rozpoznaje nieregularne profile jazdy, na przykład na rondzie lub podczas sportowej jazdy. W takich przypadkach cylindry nie są wyłączane.

Komponenty ACT ważą tylko 3 kilogramy. Wszystkie komponenty systemu aktywnego zarządzania pracą cylindrów ważą razem zaledwie 3 kilogramy. Elementy czynne, wałki rozrządu i ich ramy łożyskowe są wbudowane w pokrywę głowicy cylindrów. Dwa łożyska toczne zmniejszają tarcie wałów. Warto wiedzieć, że funkcja odłączania cylindrów w dzisiejszej formie jest możliwa do zrealizowania tylko w silnikach TSI – z bezpośrednim wtryskiem i turbodoładowaniem. W silnikach z wtryskiem do rury dolotowej pojawiłyby się komplikacje przy zmianie gazu, spalaniu i oczyszczaniu spalin.

 

Nowe silniki wysokoprężne serii EA288 – zestawienie

 

Pojemność skokowa od 1,6 do 2,0 litrów. Nowe silniki TDI generacji EA288 będą oferowane w wariantach pojemności 1,6 i 2,0 litrów. Te dynamiczne czterocylindrowe jednostki rozwijają moc między 66 kW/90 KM a 140 kW/190 KM. Maksymalny, wysoki moment obrotowy wynosi we wszystkich wariantach od 250 do 380 Nm.

Oszczędniejsze, mocniejsze i tańsze. Volkswagen AG wprowadzając rodzinę EA288 podniósł swoją udoskonalaną przez lata technologię TDI na nowy poziom pod względem ekologii. W porównaniu z poprzednią serią EA189 silniki te emitują do 7 g/km mniej CO2. Całkowita emisja w wariancie zgodnym z normą Euro6 jest nawet o 45 procent mniejsza. Niektóre z silników zwiększyły swoją moc o 12 procent, w określonych wersjach układu napędowego moc jest większa nawet o 26 procent.

Identyczne części, gdzie to tylko możliwe. Zgodność z obowiązującymi na całym świecie normami emisji spalin, dwie klasy pojemności skokowej i zróżnicowane spektrum mocy świadczą o uniwersalności EA288, stosowanego w ramach modułowego system silników wysokoprężnych (MDB). Dzięki konstrukcji z wykorzystaniem modułowych podzespołów fabryki silników otrzymały możliwość szybkiego i elastycznego reagowania na zmieniające się warunki rynkowe i wymagania klientów. Jeszcze w tym roku Volkswagen AG będzie oferował wersję silnika EA288 spełniającą wymagania normy Euro 6, która zacznie obowiązywać dla wszystkich nowych samochodów dopiero we wrześniu 2014 roku.

Nowe silniki wysokoprężne serii EA288 – szczegóły techniczne

Poza rozstawem i stosunkiem skoku do średnicy cylindrów wszystko jest nowe. Tak jak nowy silnik benzynowy (EA211), także czterocylindrowy silnik wysokoprężny stosowany wraz z modułową platformą podłogową dla samochodów z silnikiem montowanym poprzecznie przejął z poprzedniej wersji tylko rozstaw cylindrów.

Wewnętrzne rozwiązania zmniejszające emisję. Elementy mające wpływ na spaliny będą stosowane, w zależności od klasy emisji, jako elementy modułowe lub zintegrowane w konstrukcję, na przykład układy wtryskowe, czujniki ciśnienia w cylindrach, czy układ chłodzenia powietrza doładowującego w module rury dolotowej. Rozwiązania te, jak już wspomniano, pozwalają TDI spełniać już dzisiaj wymagania przyszłej normy Euro6, a poza tym umożliwiają zwartą konstrukcję silnika. Uzyskanie wartości wymaganych przez normę Euro6 nie jest takie łatwe: norma ta wymaga od silników wysokoprężnych obniżenia ilości tlenków azotu (NOx) w spalinach z 180 do 80 mg/km.

Staranne oczyszczanie spalin. Podobnie jak elementy wewnątrz silnika, także komponenty układu oczyszczania spalin mają formę modułową. Nowością w MDB jest umieszczenie tych podzespołów w bezpośrednim pobliżu silnika. W celu spełnienia zróżnicowanych światowych standardów emisji moduły układu oczyszczania spalin:

• katalizator oksydacyjny,
• filtr cząstek stałych,
• katalizator zasobnikowy NOx względnie selektywny katalityczny system redukcji (SCR)

są stosowane pojedynczo lub jako kombinacje. Za znaczną redukcję emisji NOx w samochodach klasy Golfa i niższych odpowiedzialny jest katalizator zasobnikowy NOx. W większych i cięższych modelach, na przykład w nowym Volkswagenie CC BlueTDI, Volkswagen postawił na technologię SCR (Selective Catalytic Reduction) z wtryskiem AdBlue. Zużycie paliwa i komfort optymalizują dodatkowo różnego rodzaju rozwiązania konstrukcyjne.

Łożyska toczne i dwustopniowa pompa olejowa redukują tarcie. Oprócz redukcji substancji szkodliwych Volkswagen wprowadził do wszystkich podzespołów nowego TDI rozwiązania minimalizujące tarcie wewnętrzne. Należą do nich pierścienie uszczelniające zaworów z mniejszym naprężeniem wstępnym, poprawione chłodzenie mostków między cylindrami i zastosowanie łożysk tocznych dla wałka rozrządu (po stronie napędu) oraz wałków wyrównujących.

Szybki przyrost temperatury. Innowacyjny system zarządzania temperaturą podczas fazy rozgrzewania silnika wykorzystuje dwa oddzielne obwody chłodzenia dla głowicy cylindrów i skrzyni korbowej z obudową cylindrów, dzięki czemu silnik szybciej dochodzi do temperatury roboczej. Także wnętrze samochodu zimą szybciej się nagrzewa. Drugi, niezależnie włączany obwód chłodzenia pozwala na optymalną regulację temperatury powietrza doładowującego z dodatkowymi korzyściami dla emisji spalin.

Wałki wyrównujące dla 2.0 TDI. Nowe silniki z zapłonem samoczynnym są nie tylko wyjątkowo ekologiczne, oszczędne i mają wysoki moment obrotowy, lecz także pracują spokojnie i komfortowo. Przykładem może być 2.0 TDI, w którym zastosowano 2 wałki wyrównujące z łożyskami tocznymi.

MOTOMI Magazyn
Tags:

Facebook

Zaloguj się używając swojego loginu i hasła

Nie pamiętasz hasła ?