Reklama

Mechanika - Żródła napędu - silniki stosowane obecnie oraz w przyszłości

Trzycylindrowy silnik Opla z turbodoładowaniem

 

Na Kolokwium w Akwizgranie w roku 2013 Opel ujawnił szczegółowe informacje na temat swojego nowego trzycylindrowego silnika benzynowego. Ekologiczna i cicha nowa jednostka napędowa Opla 1.0 SIDI Turbo o wysokiej kulturze pracy wyznaczy nowy standard dla silników trzycylindrowych, kiedy zadebiutuje w przyszłym roku w modelu ADAM. Jest nie tylko oszczędna i bardziej przyjazna dla środowiska, ale także przewyższa wiele silników czterocylindrowych pod względem wspomnianej kultury pracy oraz skuteczności wytłumienia hałasu i wibracji.

Mimo niewielkich rozmiarów silnik ten generuje moc 85 kW/115 KM i aż 166 Nm momentu obrotowego w przedziale 1800–4700 obr./min. Takie wartości zapewniają lepsze przyspieszenie przy niskiej prędkości obrotowej w porównaniu z większymi silnikami o zbliżonej mocy przy znacznie niższym zużyciu paliwa i emisji CO2. Na przykład w porównaniu z aktualnie stosowanym przez Opla wolnossącym silnikiem 1.6 nowy silnik 1.0 SIDI Turbo (Spark Ignition Direct Injection – zapłon iskrowy, bezpośredni wtrysk) zapewnia taką samą moc maksymalną przy maksymalnym momencie obrotowym wyższym o 30 procent i zużyciu paliwa mniejszym o 20 procent.

W silniku zastosowano najnowocześniejsze rozwiązania techniczne, takie jak wysokociśnieniowy wtrysk paliwa, ultrakompaktowy system turbodoładowania, układ bezstopniowej zmiany faz rozrządu oraz lekką konstrukcję aluminiową z kolektorem wydechowym zintegrowanym z głowicą cylindrów. Liczne modyfikacje z zakresu inżynierii akustycznej – takie jak konstrukcja bloku cylindrów uwzględniająca aspekt akustyczny, wałek wyrównoważający w misce olejowej, strukturalne odseparowanie układu wtrysku i wału korbowego, łańcuchy napędu rozrządu z odwróconymi zębami i ekrany akustyczne – pozwoliły osiągnąć wzorcowy poziom kultury pracy silnika.

1.0 SIDI Turbo to pierwszy z nowej rodziny modułowych trzy- i czterocylindrowych silników benzynowych z kategorii poniżej 1,6 litra, opracowanej w odpowiedzi na zapotrzebowanie klientów na mocne jednostki gwarantujące dobre osiągi mimo zmniejszonej pojemności. Silnik wraz z nową 6-biegową przekładnią manualną zadebiutuje w planowanych na przyszły rok egzemplarzach modelu ADAM. Wszystkie wersje pojazdu z silnikiem 1.0 SIDI Turbo są przystosowane do systemu Start/Stop, a w cyklu mieszanym powinny emitować znacznie poniżej 100 g/km CO2 .

Projektując ten mały silnik, postawiliśmy sobie za cel nie tylko ograniczenie zużycia paliwa i emisji CO2 , ale także udowodnienie, że trzy cylindry mogą zapewnić taką samą kulturę pracy jak cztery lub więcej” – powiedział dr Matthias Alt, główny inżynier Opla z działu małych silników benzynowych. „ Udało nam się u samego źródła rozwiązać typowe problemy zwykłych silników trzycylindrowych – związane z wyważeniem, hałasem i drganiami. Jesteśmy przekonani, że klienci będą miło zaskoczeni efektami naszej pracy. To bardzo dynamiczny i dopracowany silnik trzycylindrowy, który nie ogranicza przyjemności z jazdy. Krótko mówiąc, zapewnia on wysoką kulturę pracy i bardzo dobre osiągi przy niewielkim zużyciu paliwa ”.

Najwyższa kultura pracy w swojej klasie dzięki niemieckiej technologii

Inżynierowie globalnego zespołu Opla i GM rozpoczęli pracę od czystej kartki papieru. Połączyli swoje siły i doświadczenie, aby wyeliminować nierytmiczną pracę typową dla silników trzycylindrowych, która w tradycyjnych konstrukcjach przysłania zalety płynące z ekonomiki eksploatacji. Zaprojektowali silnik 1.0 SIDI Turbo, który pod względem akustyki dorównuje jednostkom czterocylindrowym, stając się tym samym wzorcem kultury pracy dla silników trzycylindrowych.

W całym procesie starano się ograniczać wibrację i podnosić kulturę pracy poprzez kompleksowe modelowanie, a także weryfikację podzespołów i całego silnika na hamowni. Zakres prac obejmował także rozwinięcie funkcji sterowania silnikiem oraz zintegrowanie całego zespołu napędowego z resztą pojazdu.

Aluminiową konstrukcję silnika ulepszono pod względem akustyki, tak aby ograniczyć hałas wynikający z przepływu powietrza oraz specyfiki konstrukcji, a także obniżyć masę jednostki. Kultura pracy silnika jest tak wysoka, że udało się znacznie ograniczyć wewnętrzną izolację akustyczną oraz stopień złożoności mocowań silnika i ramy pomocniczej. Dzięki konsekwentnej eliminacji niepożądanych odgłosów pracy silnika inżynierowie zyskali większą swobodę w kształtowaniu akustyki układu dolotowego i układu wydechowego pod kątem wymagań związanych z przeznaczeniem jednostki napędowej.

Położenie nacisku na kulturę pracy spowodowało, że silnik 1.0 SIDI Turbo nie tylko przewyższa pod tym względem podobne jednostki trzycylindrowe, ale jest nawet cichszy od wielu silników czterocylindrowych. Na przykład w laboratoryjnym teście porównawczym przy całkowicie otwartej przepustnicy w całym zakresie prędkości obrotowej generuje on mniejszy hałas niż turbodoładowane silniki benzynowe o pojemności skokowej do 1,6 litra.

Inne szczegółowe rozwiązania przyczyniające się do imponującej kultury pracy silnika to między innymi:

· Mały wałek wyrównoważający zamontowany wzdłużnie w misce olejowej. Wałek ten jest napędzany łańcuchem z odwróconymi zębami, co zapewnia cichą pracę, i obraca się przeciwbieżnie z taką samą prędkością jak wał korbowy, jego masa jest zaś zoptymalizowana pod kątem równoważenia drgań typowych dla trzycylindrowej konfiguracji.

· Wysokociśnieniowe przewody doprowadzające paliwo i wtryskiwacze zostały odizolowane od głowicy cylindrów. Brak kontaktu między powierzchniami metalicznymi uniemożliwia przenoszenie drgań przez strukturę silnika. Akustyczna optymalizacja objęła także pompę paliwa i układ paliwowy.

· Łańcuchy rozrządu z odwróconymi zębami wpływają na obniżenie hałasu generowanego przez układ rozrządu. Cała konstrukcja związana z układem łańcucha, w tym napinacze, opasanie łańcucha i prowadnice, została zaprojektowana pod kątem ograniczenia promieniowania hałasu i eliminacji ewentualnych niepożądanych dźwięków.

· Zintegrowanie płyty wykonanej jako odkuwka stalowa z dnem aluminiowej miski olejowej również wpływa na tłumienie hałasu.

· Wśród innych rozwiązań służących ograniczeniu hałasu należy wymienić także zoptymalizowane pod względem akustycznym ekrany na górze i z przodu silnika, obudowy kolektora dolotowego i wałka rozrządu, odizolowanie wału korbowego za pomocą stalowych wkładek do łożysk głównych oraz cichą sprężarkę w układzie turbodoładowania.

Mniejsza masa dzięki całkowicie aluminiowej konstrukcji

Podstawą założeń konstrukcyjnych silnika było obniżenie masy. Dlatego blok i głowica cylindrów oraz łoże wału korbowego zostały wykonane w technice wysokociśnieniowego odlewu aluminiowego. Łączna masa bloku i łoża wynosi tylko 15,5 kg, cały silnik jest zaś o 10 procent lżejszy od aktualnie stosowanego w pojazdach marki Opel wolnossącego silnika 1.6 o podobnej mocy.

Długi skok tłoka zapewnia wysoką wartość momentu obrotowego – długość skoku (77,4 mm) jest większa od średnicy (74,0 mm). Aby uzyskać wysoką moc, współczynnik sprężania 10,5:1 uzupełniono o turbodoładowanie i wysokociśnieniowy bezpośredni wtrysk paliwa.

Z głowicą cylindrów połączono chłodzony wodą kolektor wydechowy zintegrowany w jednym odlewie aluminiowym. Taka jednoelementowa koncepcja ma wiele zalet: szybsze rozgrzewanie silnika, zwiększenie wytrzymałości dzięki wyeliminowaniu uszczelek przy wlotach do kolektora, a także więcej miejsca pod maską.

Aby zapewnić sztywność strukturalną, w bloku silnika zastosowano żeliwne tuleje cylindrowe z aluminiowym nadlewem nad górną powierzchnią w celu optymalizacji uszczelnienia połączenia z głowicą. Przegrody łoża wału korbowego także zawierają wkładki z żeliwa sferoidalnego, które pełnią funkcję lokalnych usztywnień strukturalnych. Dodatkową wytrzymałość strukturalną zapewnia miska olejowa odlewana z aluminium.

Wał korbowy z kutej stali z sześcioma przeciwwagami przenosi moc silnika 1.0 SIDI Turbo na dalszą część układu napędowego przy minimalnych wibracjach. Górne przednie łożyska główne są pokryte warstwą polimerową, która zapewnia większą wytrzymałość, szczególnie przy jeździe z funkcją Start/Stop.

Stalowe korbowody są wykonane ze sproszkowanego metalu, który charakteryzuje się co najmniej taką samą wytrzymałością jak standardowe elementy kute, a jednocześnie wyróżnia się bardziej jednolitą masą. Rowek zatrzymujący olej i zoptymalizowany kąt stożka z mniejszego końca zmniejszają zużycie panewek. Aluminiowe tłoki są chłodzone od spodu natryskiem oleju, który jednocześnie dodatkowo smaruje gładzie cylindrów, co zmniejsza hałas przy uruchamianiu zimnego silnika.

Dwa wałki rozrządu w głowicy, obsługujące po cztery zawory na cylinder poprzez dźwigienki zaworowe typu rolkowego o obniżonym tarciu, są puste w środku, co obniża ich masę. Wałki rozrządu są napędzane łańcuchem z automatycznym napinaczem, który nie wymaga obsługi przez cały okres eksploatacji silnika. Aluminiowe wariatory służą do sterowania zmiennymi fazami otwarcia i zamknięcia zaworów dolotowych i wydechowych. Gwarantują optymalne osiągi przy najniższym zużyciu paliwa i emisji niezależnie od stopnia obciążenia silnika.

Bezpośredni wtrysk paliwa zapewnia wyższą moc i niższe zużycie paliwa

Silnik 1.0 SIDI Turbo charakteryzuje się również dobrą dynamiką – generuje o 30 procent wyższy moment obrotowy niż stosowany w obecnych modelach Opla wolnossący silnik 1.6 oraz taką samą moc maksymalną: 85 kW/115 KM. Maksymalny moment obrotowy można osiągnąć w szerokim przedziale 1800–4800 obr./min, a moc maksymalną – już przy 5200 obr./min. Mimo niewielkich rozmiarów silnik ma imponujące osiągi.

1.0 SIDI Turbo jest też wyjątkowo oszczędny – zużywa o 20 procent mniej paliwa niż porównywalny pod względem mocy silnik 1.6. W modelu ADAM będzie on emitował znacznie poniżej 100 g CO2 na kilometr, a zużycie paliwa w cyklu mieszanym ukształtuje się na poziomie 4 l/100 km.

Kluczem do wysokiej mocy przy niskim zużyciu paliwa jest wysokociśnieniowy układ bezpośredniego wtrysku, który pomaga wydobyć maksimum energii z paliwa. Sześciootworowe wtryskiwacze SIDI pracujące pod maksymalnym ciśnieniem 200 bar zostały idealnie rozmieszczone nad środkiem komory spalania i zapewniają precyzyjny, homogeniczny wtrysk bez zbędnego zwilżania zaworów czy ścianek kanałów dolotowych. Tempo przepływu paliwa we wtryskiwaczach umożliwia odmierzenie wielu małych porcji wtrysku.

Między głowicą cylindrów a przewodami paliwowymi czy wtryskiwaczami nie ma bezpośredniego kontaktu metalu z metalem. Taka izolacja eliminuje dużą część hałasu wynikającego z konstrukcji i działania układu wtryskowego. Przewód paliwowy jest odseparowany gumowo-stalowym tłumikiem drgań, a wtryskiwacze są otoczone w komorze spalania uszczelkami teflonowymi z wypełnieniem karbonowym.Nad poprawą akustyki czuwa także komputerowy algorytm tłumiący hałasy generowane przez trzpień wysokociśnieniowej pompy paliwa otoczonej obudową z pianki.

Dłuższe odstępy zapłonu w silniku trzycylindrowym umożliwiają zastosowanie szerszych profili wałków rozrządu niż w silniku czterocylindrowym, co zwiększa czas pracy zaworów i pozwala na lepsze opróżnienie cylindrów (wymianę gazów), a tym samym dokładniejsze spalanie mieszanki.

W celu dalszego obniżenia zużycia paliwa i poprawy sprawności silnika oleju wymuszony jest przez dwufazową pompę o zmiennym wydatku. Pompa pracuje pod wysokim lub niskim ciśnieniem, w zależności od warunków eksploatacji, oraz jest wyposażona w układ wyłączania i wyłączania natrysku oleju na spód tłoków. Z kolei pompa cieczy chłodzącej jest wyłączana na czas nagrzewania się silnika, aby przyspieszyć ten proces – co również przyczynia się do zmniejszenia zużycia paliwa.

W układzie przedniego napędu osprzętu (FEAD) – w którym pięciorowkowy pasek napędza pompę cieczy chłodzącej, alternator i sprężarkę klimatyzacji – zastosowano mechaniczny izolator eliminujący wpływ oscylacji wału korbowego. Oprócz poprawy kultury pracy pozwala to także na zmniejszenie siły naciągu, ograniczenie tarcia i poprawę efektywności.

Ultra kompaktowy, szybki układ turbodoładowania

Wysokociśnieniowy bezpośredni wytrysk odpowiada za napełnienie komory spalania dokładnie rozpylonym paliwem, zadaniem ultra kompaktowego układu turbodoładowania jest natomiast doprowadzenie powietrza do cylindrów. Dzięki zintegrowaniu kolektora wydechowego z głowicą, turbosprężarka współpracująca z silnikiem 1.0 SIDI znajduje się bliżej samego silnika niż w jakiejkolwiek innej konstrukcji, co gwarantuje błyskawiczną i dynamiczną reakcję na otwarcie przepustnicy.

Zintegrowanie chłodzonego cieczą kolektora wydechowego z głowicą cylindrów oraz zaprojektowanie małej, również chłodzonej cieczą, turbosprężarki o niskiej bezwładności wymagało niemal jubilerskiej precyzji.

Wielkość turbosprężarki ma decydujący wpływ na harmonijne połączenie zapotrzebowania na: wysoki moment obrotowy przy niskiej prędkości obrotowej, szybką reakcję na otwarcie przepustnicy, obniżone zużycie paliwa oraz wysoką moc maksymalną. Jednofazowa i jednowlotowa turbosprężarka generująca maksymalne ciśnienie doładowania 1,5 bar z intercoolerem i ciśnieniowym zaworem wastegate została wybrana jako optymalna konfiguracja spełniająca te wymagania. Średnica koła turbiny wynosi zaledwie 35 mm, a cichy kompresor mierzy zaledwie 40 mm. Takie połączenie zapewnia doskonałą elastyczność w reakcji na otwarcie przepustnicy, udostępniając 90 procent maksymalnego momentu obrotowego w ciągu 1,5 sekundy od zaledwie 1500 obr./min. Powoduje to sześciokrotne zwiększenie ciśnienia w cylindrze przy prędkości wału turbiny dochodzącej do 250 000 obr./min.

Chłodzenie cieczą obniża temperaturę spalin, co ułatwia ich oczyszczanie, a jednocześnie odprowadza ciepło z okolic turbiny. Pozwoliło to na zastosowanie koła turbiny z Inconelu i obudowy turbiny ze stali austenitowej średniej twardości. Uszczelka połączenia z głowicą cylindrów jest zintegrowana z jednym z ekranów termicznych, a lekką konstrukcję turbosprężarki zapewniają V-kształtne zaciski i budowa podzespołu zoptymalizowana pod względem masy.

Turbina zasila silnik przez wysokowirowe kanały dolotowe, które ułatwiają wczesne rozpoczęcie spalania, krótki czas jego trwania oraz dobrą stabilność tego procesu. Eksploatacja turbodoładowanych silników z dużym obciążeniem często wymaga opóźnienia zapłonu w celu uniknięcia spalania stukowego lub szkodliwych przedwczesnych zapłonów doprowadzonej mieszanki. Wysokowirowy kanał dolotowy ogranicza potrzebę stosowania tego zabiegu.

Spełnienie obecnych i przyszłych potrzeb

Premiera silnika 1.0 SIDI Turbo to ostatni etap gruntownej odnowy oferty jednostek napędowych Opla, w ramach której w latach 2012–2016 firma zamierza wprowadzić 13 nowych silników, a także szereg nowych przekładni.

Program rozpoczął się od premiery pierwszych jednostek reprezentujących nowe rodziny średniolitrażowych turbodoładowanych silników benzynowych i wysokoprężnych 1.6.

Silnik 1.0 SIDI Turbo to pierwszy z nowej rodziny modułowych silników benzynowych o małej pojemności, w skład której wchodzą trzy- i czterocylindrowe jednostki o pojemności skokowej poniżej 1,6 litra. Wszystkie odmiany tych silników będą budowane w supernowoczesnych zakładach Opla w miejscowości Szentgotthard na Węgrzech, gdzie jednostki benzynowe i wysokoprężne powstają na tej samej linii produkcyjnej.

Silnik 1.0 SIDI Turbo zadebiutuje w przyszłym roku w małym ADAMie, ale może być także wykorzystywany globalnie przez GM w rożnych modelach, w połączeniu z manualnymi lub automatycznymi skrzyniami biegów.

Podobnie jak w przypadku wszystkich jednostek napędowych Opla nowej generacji również w silniku 1.0 SIDI Turbo położono nacisk na zaspokojenie rosnącego zapotrzebowania klientów na silniki o zmniejszonej pojemności, które dzięki zużyciu mniejszej ilości paliwa i emitowaniu mniej CO2 mogą zapewnić osiągi i kulturę pracy typowe dla większych jednostek.

inf/zdjęcia/film - OPEL


Zasoby powiązane


Reklama