Stalowe tłoki w turbodieslach Mercedesa

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 - 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. Zaprojektowane przez Mercedesa tłoki z wysokowytrzymałej stali współpracują z kadłubem silnika z aluminium oraz technologią powlekania gładzi cylindrowych Nanoslide, sprawdzoną już m.in. w silnikach AMG.

Korzyści płynące z zastosowania stali i aluminium

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 Mercedesa 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, ograniczenie tego tarcia może znacząco przyczynić się do poprawy wydajności.

Bardziej wytrzymały, mniejszy i lżejszy

Jak dotąd, stalowe tłoki nie były przystosowane do pracy z aluminiowymi kadłubami. Mercedes 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.

Nowe tłoki powstają w złożonym procesie produkcji, rezultat wart jest jednak zaangażowania. 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 Mercedesa 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.

Wyższa wydajność, niższe zużycie paliwa

Równocześnie, 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. Przy projektowaniu tłoków Mercedes uwzględnił też mniejszą przewodność cieplną stali. 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.

Zalety stali

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.
  

 
Konsekwentny postęp

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.

Po kolejnych zmianach turbodiesel V6 w Klasie E zużywa zauważalnie mniej oleju napędowego niż wcześniej. W 2009 roku średnie zużycie paliwa modelu E 320 CDI wynosiło 6,8 l/100 km, a jego nowego wcielenia z roku 2013 - już tylko 5,4 l/100 km. Za sprawą nowych tłoków wartość ta spadnie do około 5,0 l/100 km. A warto dodać, że w ciągu ostatnich 6 lat moc jednostki wzrosła ze 211 KM do obecnych 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 Mercedesa.

Źródło: Mercedes