Mercedes-Benz zaczyna stosować nowe tłoki w silnikach Diesla

• Jak stal i aluminium współpracują razem w silniku
• Cechy stalowych tłoków Mercedes-Benz
• Korzyści z zastosowania stalowych tłoków
• Perspektywa wykorzystania stalowych tłoków w przyszłości
• Innowacje technologiczne w silnikach Diesla

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. Według informacji producenta, zaprojektowane przez Mercedes-Benz tłoki z wysokowytrzymałej stali doskonale współpracują z lekkim kadłubem silnika z aluminium oraz technologią powlekania gładzi cylindrowych NANOSLIDE®, również opracowaną przez inżynierów ze Stuttgartu.

Zobacz też: Dwumasowe koło zamachowe – jak o nie dbać?

Jak stal i aluminium współpracują razem w silniku

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.

Zobacz też: Ciśnienie wtrysku Common Rail: dlaczego musi być coraz wyższe?

Cechy stalowych tłoków Mercedes-Benz

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®.

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.

Zobacz też: Objawy zużytych świec żarowych

Korzyści z zastosowania stalowych tłoków

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.

Zobacz też: Przekładnia Powershift - jak działa?

Perspektywa wykorzystania stalowych tłoków w przyszłości

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.

Zobacz też: Zamienniki oryginalnych części - sprzęgła i koła dwumasowe

Innowacje technologiczne w silnikach Diesla

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, według zapewnień producenta, 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 (dane techniczne), 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.

Źródło: Materiały prasowe Mercedes-Benz