Nacisk na zmniejszanie zużycia paliwa i emisji szkodliwych składników spalin powoduje, że producenci samochodów i silników muszą sięgać po trudne technologie. Nawet ci bardziej konserwatywni wdrażają idee downsizingu i za wszelką cenę ograniczają masę mechanizmów. W tym roku do grona szalonych downsizingowców dołącza Mercedes-Benz ze swym zupełnie nowym silnikiem Diesla OM 654.

Mercedes-Benz to specyficzna firma nakierowana (przynajmniej w przypadku samochodów osobowych) na luksus, a więc wszystko w jej wykonaniu jest solidne i duże. W ten sposób najłatwiej jest przecież osiągnąć wysoki komfort podróżowania. Jeżeli chodzi o silniki i zespoły napędowe obowiązują te same reguły – „prawdziwe” duże, tylnonapędowe Mercedesy powinny mieć wielocylindrowe silniki o dużych pojemnościach skokowych. Szczególnie w przypadku silników wysokoprężnych, co do których zawsze sprawdzała się zasada: nic nie zastąpi pojemności skokowej.

Nowe czasy
Teraz mamy jednak inne czasy i zastępcą pojemności skokowej staje się ciśnienie doładowania. Tym bardziej, że współczesne silniki wysokoprężne spełniające normy Euro 6 z kolejnymi indeksami muszą, dla zachowania względnie niskiej emisji cząstek stałych (sadzy), jeszcze przed procesem fi ltracji pracować z bardzo dużymi nadmiarami powietrza. W rezultacie Mercedes nawet w swych fl agowych modelach już kilka lat temu zaczął stosować wysokoprężne silniki 4-cylindrowe (OM 651, znane od roku 2008), co samo w sobie jest przejawem downsizingu. Bo przecież wydawałoby się, że np. w Klasie S pod maską powinna być montowana co najmniej jednostka V8, lub ewentualnie V6. Oczywiście w solidnych samochodach z gwiazdą na razie nie proponuje się jednostek jednolitrowych, ale mimo wszystko najnowsza propozycja firmy trochę zastanawia.

Downsizing à la Mercedes
Okazuje się, że przyszłością w Mercedesie będą 4-cylindrowe turbodiesle o pojemności poniżej dwóch litrów, z kadłubem oraz oczywiście z głowicą wykonaną z aluminium. Taki silnik w pierwszej, 195-konnej wersji, pojawia się w najnowszej Klasie E wiosną tego roku. Samochód oznaczono symbolem 220 d – czyli takim samym, jak Klasę E z wcześniejszym silnikiem R4 turbodiesel, o mocy maksymalnej 170 KM. W przyszłości nowy silnik w tej lub innej wersji (tak jak poprzednio planowane jest stworzenie całej rodziny silników OM 654 o znacznie różniących się osiągach), montowany będzie w większości modeli firmy – osobowych z zespołami napędowymi ustawionymi podłużnie oraz poprzecznie oraz użytkowych – większych i mniejszych. Nowa jednostka jest mniejsza i bardziej zwarta od poprzedniej (odległość między osiami cylindrów wynosi 90 zamiast 94 mm), a przede wszystkim znacznie lżejsza, co wynika z bardzo przemyślanej konstrukcji, zmniejszenia pojemności skokowej z 2150 do 1950 cm3 i z zastosowania kadłuba z lekkiego stopu. Jej masa wynosi 68,4 kg, zaś masa poprzedniego silnika wynosiła 202,8 kg. Producent twierdzi też, że nowy silnik generuje mniej hałasu i drgań, co jest dość zaskakujące, gdyż jak wiadomo żeliwo ma wyraźnie lepsze własności tłumiące niż aluminium. To zresztą było jednym z głównych powodów, dla którego liczba turbodiesli o konstrukcji aluminiowej, szczególnie tych większych niż mikrosilniki, była dotychczas niewielka. Takim silnikiem dysponowały od dłuższego czasu Honda i Subaru (ale to inna sprawa, gdyż jest to silnik w układzie bokser), a dwa lata temu pojawiła się aluminiowa konstrukcja Volvo (VEA), w dużej części zunifikowana pomiędzy wersjami benzynowymi turbo i wysokoprężnymi. W tabeli porównujemy dane silnika OM 654, OM 651 (w wersji 220 d) oraz najmocniejszą jednostkę Volvo z serii D4204T, z oznaczeniem „23”. Pierwsza wersja silnika OM 654, mimo wyraźnie mniejszej pojemności niż poprzednik z gamy Mercedesa, dysponuje istotnie lepszymi osiągami. Moc maksymalna wynosi 195 KM przy 3000–4200 obr./min, a zatem moc jednostkowa to dokładnie 100 KM z litra pojemności. Nowy silnik jest więc wyraźnie bardziej wysilony od poprzednika. Moment maksymalny wynosi tyle samo co poprzednio, 400 Nm, ale w nieco węższym zakresie obrotów. Tymczasem konkurent z gamy Volvo, mimo że konstrukcyjnie i pod względem wymiarów głównych bardzo podobny do silnika Mercedesa, dysponuje jeszcze lepszymi osiągami. Trzeba jednak uczciwie powiedzieć, że niemiecki producent informuje, że konstrukcja OM 654 jest przygotowana na moce jednostkowe 122 KM/l – czyli że wkrótce pojawią się jego wersje o mocy maksymalnej rzędu 230 KM.

Prosta sprawa
W jaki sposób konstruktorzy dochodzą do tak wysokich osiągów współczesnych turbodiesli? W pewnym sensie jest to łatwe, gdyż wystarczy odpowiednio zwiększyć ciśnienie doładowania, a następnie odpowiednio dopasować dawkę paliwa. Oczywiście to pewnego rodzaju żart, bo w tle stoją zawsze trwałość jednostki, zużycie paliwa, emisja sadzy i innych niechcianych składników spalin oraz hałas i drgania. Zacznijmy od tego ostatniego: obie firmy – Mercedes i Volvo – przyznają, że ograniczenie hałasu było w tych aluminiowych silnikach wyjątkowym wyzwaniem. Kadłub Volvo jest np. w dużej części obudowany z zewnątrz dodatkowym pokryciem wygłuszającym. Mercedes wspomina tylko o skomplikowanych pracach badawczych, które miały spowodować ograniczenie drgań konstrukcji. W niemieckim silniku jest także ukryte jedno radykalne rozwiązanie, które może powodować ograniczenie mechanicznego hałasu generowanego przez aluminiowy kadłub i układ korbowo tłokowy. Chodzi o materiał tłoków – stal, a nie aluminium. To oczywiście nie nowość, ale rozwiązanie znane jest bardziej z większych silników, np. ciężarówek i maszyn roboczych. Teraz Niemcy stwierdzili, że mniejsza rozszerzalność cieplna stalowego tłoka niż aluminiowego kadłuba pozwoli im użyć minimalnych luzów między tłokiem a cylindrem. W miarę wzrostu temperatury luz będzie się przecież zwiększał, co zabezpiecza przed zatarciem. A mały luz przy rozruchu i spokojnej pracy, to małe hałasy mechaniczne. Dochodzi do tego pokrycie aluminiowej gładzi cylindrów warstwą o ekstremalnie niskim współczynniku tarcia (NANOSLIDE), co zmniejsza także opory z korzyścią dla osiągów i zużycia paliwa oraz np. zastosowanie w napędzie wałków rozrządu dwóch dzielonych kół zębatych, które redukują luz (a więc hałas) zazębienia. Warto zauważyć, że Mercedes zdecydował się po raz kolejny na główny napęd rozrządu łańcuchem umieszczonym z tyłu silnika, co w podłużnych układach napędowych zmniejsza odległość od pokrywy silnika do twardych elementów jednostki napędowej. Jest to kłopotliwe serwisowo, ale ważne z punktu widzenia bezpieczeństwa zderzeniowego z pieszym. W silniku Volvo (zasadniczo umieszczonym poprzecznie) napęd rozrządu jest paskiem zębatym, natomiast przeniesienie napędu z jednego wałka rozrządu na drugi, kołami zębatymi, tak jak w silniku Mercedesa. Trwałość paska rozrządu w Volvo ma być większa niż 200 tys. km, a więc zasadniczo nie odbiega od trwałości łańcucha. Wróćmy jeszcze do stalowych tłoków w Mercedesie. Ich właściwa konstrukcja powoduje, że mimo znacznie większej masy jednostkowej stali niż aluminium mogą mieć podobną masę całkowitą do aluminiowych o tych samych parametrach. W praktyce mają być nawet wytrzymalsze, a poza tym, na skutek mniejszej przewodności cieplnej, akurat w silniku Diesla są korzystniejsze temperaturowo (podnoszą temperaturę spalania). Przy okazji Mercedes zastosował nowy pomysł – dwustopniowy (schodkowy) profil komory spalania w tłoku, co powoduje przyspieszenie procesu spalania i dzięki lepszemu wykorzystaniu powietrza zmniejszenie emisji cząstek stałych oraz zwiększenie sprawności jednostki. Wszystkie połączone zabiegi zmniejszające opory (długi korbowód, dzięki temu, że stalowy tłok może być niższy od aluminiowego, luzy zwiększające się przy dużych obciążeniach, powłoka NANOSLIDE, przesunięcie osi cylindrów w lewo od osi wału korbowego) oraz poprawiające proces spalania (wtrysk paliwa kolejnej generacji o nieco wyższym ciśnieniu, kształt korony tłoka) powodują, że silnik OM 654 jest – zależnie od warunków – o cztery lub więcej procent oszczędniejszy od poprzedniej jednostki OM 651. Oczywiście jego kolejną zaletą są mniejsze gabaryty, bardziej korzystny kształt i znacznie mniejsza masa. Jeżeli chodzi o kształt, korzystne okazało się wspomniane przesunięcie osi cylindrów, umocowanie osprzętu oczyszczania spalin na samym silniku oraz rzadko spotykany zabieg – przesunięcie wyważających wałków Taylora-Lanchestera ze spodu silnika na jego boki, mniej więcej na wysokość osi wału korbowego. Dzięki temu silnik jest nieco szerszy, ale niższy, na czym konstruktorom szczególnie zależało.

Jednostka OM 654 ma, według danych firmy, z nawiązką spełniać dzisiejsze wymagania normy emisji spalin Euro 6, ale jest ona pod tym względem inwestycją na przyszłość.

Zapowiadane już na rok 2017 (lub na lata późniejsze) nowe normy pomiaru zużycia paliwa i czystości spalin, zawierające „realne” uwarunkowania eksploatacyjne, wzmogą walkę konkurencyjną między firmami motoryzacyjnymi. Według Mercedesa nowy silnik sprawdzi się wtedy wyjątkowo dobrze. Warto jednak przypomnieć, że porównywany przez nas z konstrukcją Mercedesa silnik Volvo także dysponuje pod tym względem istotną nowością. Jest pierwszą (przynajmniej w Europie) seryjną jednostką wysokoprężną dysponującą wtryskiem paliwa o ciśnieniu 2500 barów, w której wtryskiwacze (każdy z osobna) sterowane są w czasie rzeczywistym na podstawie danych o realnym ciśnieniu wtrysku i temperaturze paliwa. Ten wtrysk o nazwie i-ART, dzieło firmy Denso, sprawia, że silnik może być nawet ponad 10% oszczędniejszy od poprzednich jednostek. Jesteśmy bardzo ciekawi, które z rozwiązań, czy niemieckoamerykańskie (wtrysk Delphi), czy szwedzko-japońskie (wtrysk Denso), okaże się w praktyce skuteczniejsze.

Jerzy Dyszy