Mercedes zdradza szczegóły najmocniejszego 4-cylindrowego silnika świata

Nowy silnik trafi pod maski kompaktowych modeli Mercedes-AMG i będzie oferowany w dwóch wersjach mocy: podstawowej 387 KM oraz w odmianie S 421 KM. Konstrukcja generuje 500 Nm maksymalnego momentu obrotowego, dostępnego w zakresie 5000-5250 obr./min (wersja podstawowa: 480 Nm przy 4750-5000 obr./min). Innymi słowy ma on charakterystykę zbliżoną do motoru wolnossącego. Wysokoobrotowy charakter potwierdza ustawienie ogranicznika na 7200 obr./min.

Stworzenie tej jednostki, która z racji swoich parametrów śmiało może uchodzić za wyczynową, wymagało zastosowania wielu ciekawych rozwiązań. Część z nich, wraz z wyjaśnieniem co takiego wnoszą do tej konstrukcji, znajdziecie poniżej.

Dlaczego obrócenie silnika o 180 stopni ma wiele zalet

Nowy silnik wyróżniają liczne inteligentne rozwiązania konstrukcyjne. W porównaniu do 4-cylindrowej jednostki M 260 w modelach 35 lub poprzednika, motoru M 133, nowy silnik Mercedes-AMG M 139 – również montowany poprzecznie – jest obrócony wokół swojej pionowej osi o 180 stopni. Oznacza to, że turbosprężarka i kolektor wydechowy znajdują się teraz z tyłu, z boku ściany grodziowej, a układ dolotowy „wylądował” z przodu. Taka konfiguracja pozwala na uzyskanie możliwie płaskiego, aerodynamicznie zoptymalizowanego designu przedniej partii karoserii. Co więcej, nowa koncepcja pozwala na zastosowanie znacząco udoskonalonych przewodów powietrza – krótszych i o mniejszej liczbie przejść, zarówno po stronie dolotowej, jak i wydechowej.

W jaki sposób łożyska wałeczkowe poprawiają responsywność turbosprężarki

Nowa turbosprężarka twin-scroll łączy optymalną szybkość reakcji przy niskich prędkościach obrotowych silnika z wysoką mocą w górnym zakresie skali obrotomierza. Obudowa turbiny została podzielona na dwa równoległe kanały, co – razem z podobnie rozdzielonymi kanałami w kolektorze wydechowym – umożliwia oddzielne doprowadzanie strumienia spalin do turbiny. Cel: ograniczenie negatywnego wzajemnego wpływu pracy poszczególnych cylindrów podczas suwu wydechu i uporządkowanie zjawiska pulsacji. Efektem jest wyższy moment obrotowy przy niższych prędkościach obrotowych silnika i wyjątkowo dobra reakcja na ruchy pedału gazu.

Ponadto wały sprężarki i turbiny po raz pierwszy zaopatrzono w łożyska wałeczkowe, podobnie jak w przypadku najmocniejszego wariantu 4-litrowego silnika V8, montowanego w AMG GT 4-drzwiowym Coupe. Zastosowanie łożysk wałeczkowych pozwala ograniczyć do minimum tarcie mechaniczne w turbosprężarce, która w rezultacie odznacza się bardziej spontaniczną reakcją i szybciej osiąga swoją maksymalną prędkość, sięgającą 169 000 obr./min.

Jak elektroniczna kontrola ciśnienia doładowania optymalizuje czas reakcji

Dwulitrowa jednostka bryluje także pod względem maksymalnego ciśnienia doładowania – 2,1 bara (wersja bazowa: 1,9 bara). Elektronicznie sterowany zawór upustowy typu wastegate pozwala na jeszcze dokładniejsze i bardziej elastyczne sterowanie ciśnieniem doładowania, a jednocześnie optymalizuje szybkość reakcji – zwłaszcza przy częściowej zmianie obciążenia. Proces ten uwzględnia liczne parametry: głównymi sygnałami wejściowymi jednostki sterującej zaworem wastegate są ciśnienie ładowania, położenie klapy przepustnicy i tendencja do spalania stukowego. Sygnały modyfikujące obejmują temperaturę powietrza w układzie dolotowym, temperaturę silnika, jego prędkość obrotową oraz ciśnienie atmosferyczne. Przy okazji w trakcie przyspieszania możliwe jest również tymczasowe „podbicie” ciśnienia doładowania (overboost).

Do chłodzenia turbosprężarki oprócz oleju i wody wykorzystuje się świeże powietrze, które jest w specjalny sposób doprowadzane do sprężarki – przez wlot powietrza do chłodnicy, zaprojektowaną jako deflektor powietrza osłonę silnika oraz kanały pod maską. Koncepcja ta bazuje na rozwiązaniach, jakie wykorzystano przy chłodzeniu zamontowanych między głowicami turbosprężarek w obecnie stosowanych 4-litrowych silnikach V8 AMG – począwszy od AMG GT z 2014 r. Dodatkowo obudowa turbiny otrzymała zintegrowaną izolację.

Zalety skrzyni korbowej

Całkowicie aluminiowa skrzynia korbowa jest odlewana na zimno i wyróżnia się wyjątkowymi właściwościami materiałowymi. W ramach tego procesu roztopione aluminium trafia do metalowej formy z wykorzystaniem siły grawitacji. Dzięki dobrej przewodności cieplnej chłodzona wodą forma pozwala na szybkie schłodzenie i zakrzepnięcie roztopionego materiału. Tak powstaje drobnoziarnista, gęsta struktura, która gwarantuje bardzo wysoką wytrzymałość. Złożone kształty wnętrza skrzyni można uzyskać przy pomocy zamkniętych rdzeni piaskowych.

Tak zwana „zamknięta” konstrukcja bloku, wzorowana na silnikach wyścigowych, zapewnia wyjątkową sztywność i niską wagę skrzyni korbowej, a przy tym pozwala „znieść” maksymalne ciśnienie spalania do 160 barów. Powierzchnie wokół cylindrów są w większości zasłonięte – otwory służą jedynie jako pomniejsze kanały prowadzące płyn chłodzący i olej silnikowy. Zespół korbowy z lekkim, kutym wałem korbowym ze stali i kutymi, aluminiowymi tłokami ze zoptymalizowanymi pierścieniami tłokowymi łączy niskie tarcie z wysoką wytrzymałością. Maksymalna prędkość obrotowa nowego silnika wynosi 7200 obr./min, a jego maksymalna moc jest generowana przy 6750 obr./min. Specjalne wyprofilowanie miski olejowej(z załamaniami i przegrodami) sprawia, że mimo dużych rozmiarów miski ilość oleju silnikowego jest zawsze wystarczająca do smarowania wszystkich istotnych elementów –= nawet przy znacznych siłach przyspieszenia bocznego.

Dlaczego tuleje cylindrowe są pokryte powłoką Nanoslide

Aby zmniejszyć tarcie pomiędzy tłokami i cylindrami, tuleje pokryto opatentowaną powłoką Nanoslide. W efekcie ich powierzchnia jest podobna do lustra – zapewnia minimalne tarcie, a przy okazuje się dwukrotnie twardsza od tradycyjnych tulei z żeliwa szarego, co znacznie podnosi trwałość. Powłoka Nanoslide została opracowana przez koncern Daimler AG i jest chroniona przez ponad 90 rodzin patentów oraz ponad 40 patentów. Po raz pierwszy wykorzystano ją w silniku AMG M 156, a później trafiłado innych motorów AMG, a także do jednostki bolidu Formuły 1 ekipy Mercedes-AMG Petronas Motorsport.

W jaki sposób większe zawory wydechowe zapewniają sprawniejszy przepływ gazów

W porównaniu z poprzednim silnikiem M 133 nowa konstrukcja (M 139) ma znacznie większe zawory wydechowe. To rezultat zmiany położenia i nieznacznego pochylenia dysz wtryskiwaczy oraz zespołu świecy zapłonowej w głowicy cylindrów. Większe przekroje kanałów wydechowych pozwalają na wypuszczanie gazów z komór spalania przy niskich stratach i zmniejszają zjawisko odpowietrzania („wypychania” powietrza) wskutek pracy tłoka.

Za skuteczniejsze chłodzenie głowicy cylindrów odpowiadają pierścienie gniazd zaworowych o zmniejszonej wysokości, a także otwór chłodzący w pobliżu komory spalania, w sekcji środnika pomiędzy pierścieniami gniazd zaworów wydechowych. Wydajność chłodzenia wzrosła również dzięki przypowierzchniowej geometrii płaszcza wodnego, zwiększeniu tempa przepływu i optymalizacji objętościowego natężenia przepływu. Głowicę cylindrów od skrzyni korbowej oddziela wielowarstwowa, najnowocześniejsza karbowana metalowa uszczelka.

Dwa górne wałki rozrządu sterują pracą 16 zaworów za pomocą zoptymalizowanych pod względem masy popychaczy rolkowych. Regulacja wałka rozrządu po stronie dolotowej i wydechowej pozwala uzyskać doskonałą responsywność i optymalizuje przebieg obiegu gazowego w każdym punkcie pracy. Kolejne rozwiązanie to elastyczna regulacja zaworów Camtronic po stronie wydechowej, z dwiema krzywkami przypadającymi na jeden zawór. Krzywki mają odmienne geometrie, dzięki czemu – w zależności od ustawienia krzywki w odniesieniu do sytuacji na drodze – zawory wydechowe mogą być otwierane na krócej lub na dłużej. Efekt: jeszcze lepsza reakcja na ruchy pedału gazu przy niskich obrotach, płynna i oszczędna jazda w zakresie średnich obrotów oraz oddawanie pełnej mocy w górnych rejestrach obrotomierza.

W jaki sposób wtrysk paliwa łączy to, co najlepsze z obu światów

Turbodoładowanie oraz bezpośredni wtrysk paliwa ze strumieniowym procesem spalania nie tylko umożliwiają uzyskanie wysokiej mocy, ale poprawiają też sprawność termodynamiczną silnika – a tym samym zmniejszają zarówno zużycie paliwa, jak i emisję spalin.

Nowy 4-cylindrowy silnik o wysokiej wydajności po raz pierwszy otrzymał dwustopniowy wtrysk paliwa. W pierwszym etapie szybkie, precyzyjnie dawkujące paliwo piezoelektryczne wtryskiwacze dostarczają benzynę do komór spalania pod ciśnieniem do 200 barów  w ramach wielokrotnego wtrysku, sterowanego przez układ zarządzania silnikiem zgodnie z wymaganiami.

W drugim etapie do akcji wkracza dodatkowy układ wtrysku paliwa do kolektora dolotowego, korzystający z zaworów elektromagnetycznych – istotny dla uzyskania wysokiej mocy. Elektronicznie sterowane zasilanie paliwem ma ciśnienie robocze o wartości 6,7 bara.

W jaki sposób zaawansowany system chłodzenia zwiększa moc

Wysoka moc wymaga inteligentnego systemu chłodzenia – dużą, czołową chłodnicę uzupełnia tu więc dodatkowa chłodnica w nadkolu. Do chłodzenia powietrza/cieczy służy też obwód niskotemperaturowy. W połączeniu z szeregowo podłączonym intercoolerem przepływ chłodziwa przez chłodnice jest wspomagany przez wysokowydajną pompę elektryczną. Zapewnia to idealne chłodzenie mocno sprężonego powietrza doładowującego, a tym samym przyczynia się do uzyskania optymalnej wydajności silnika.

Chłodzenie oleju przekładniowego jest zintegrowane z obwodem chłodzącym silnika i wspomagane przez wymiennik ciepła zamontowany bezpośrednio przy przekładni. Jednostka sterująca pracą silnika została zamontowana na obudowie filtra powietrza – jest tam chłodzona przez przepływ powietrza.

Dlaczego elektryczna pompa wody ma wiele zalet

Sterowana zgodnie z zapotrzebowaniem, elektryczna pompa wody o wysokiej wydajności działa niezależnie od prędkości obrotowej silnika. Późna aktywacja podczas rozgrzewania jednostki oznacza, że blok silnika nagrzewa się szybciej, a to korzystnie wpływa na tarcie, zużycie paliwa i emisje spalin. Pompę można również włączać i wyłączać podczas jazdy z mniejszym obciążeniem lub przy niskich prędkościach obrotowych silnika – zależnie od potrzeb. Ponadto elektryczna pompa wody zapewnia dostępność pełnej mocy silnika i optymalne odprowadzanie ciepła w całym zakresie prędkości obrotowych. Chroni też przed uszkodzeniami termicznymi podczas pracy na biegu jałowym w bardzo wysokich temperaturach otoczenia.

Ponadto nowy 4-cylindrowy silnik AMG oferuje funkcje zarządzania alternatorem, ECO start/stop z szybkim ponownym uruchomieniem silnika i żeglowania. Wyposażono go filtr cząstek stałych.