Po prezentacji nowej, elastycznej architektury „Project Global” przeznaczonej dla pojazdów z segmentów C i D, firma MMC wprowadza równie ambitny i innowacyjny projekt „4N1”, czyli rodzinę zupełnie nowych, w pełni aluminiowych, ekologicznych silników Diesla 16V z 4 cylindrami, dwoma wałkami rozrządu w głowicy (DOHC) oraz bezpośrednim wtryskiem common rail, spełniających normy Euro 5*.
Jednostki te, opracowane przez Mitsubishi Motors Corporation wspólnie z koncernem Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (MHI), pojawią się na rynku w dwóch wariantach pojemności skokowej i będą oferowane w Europie w następujących modelach:
– ASX (1,8- litra “4N13”),
– Lancer Sports Sedan i Sportback (1,8-litra “4N13”),
– Outlander (2,2-litra “4N14”)
Zapowiedziane po raz pierwszy 20 czerwca 2006 roku, a następnie zaprezentowane w Concept-cX we wrześniu 2007 roku (1,8-litra) i potwierdzone za sprawą modelu Concept-ZT w październiku 2007 roku (2,2-litra) – te nowe silniki o zapłonie samoczynnym pozwolą firmie Mitsubishi Motors 1) lepiej przygotować się na przyszłe trendy rynkowe*, 2) udoskonalić własne technologie – w tym przypadku technologię Diesla oraz 3) zwiększyć niezależność firmy od partnerów zewnętrznych, zarówno w kwestii dostaw podzespołów, jak i technologii.
MIVEC + Diesel = Pierwsze na świecie połączenie
Rodzina układów napędowych “4N1”, będąca spadkobiercą dużego doświadczenia firmy Mitsubishi w konstruowaniu silników Diesla sięgającego 1931 roku – łącznie z jednostką “450AD”, czyli pierwszym dieslem opracowanym w Japonii z przeznaczeniem do użytku w pojazdach silnikowych, wykorzystuje szereg nowoczesnych technologii, łącznie z rozwiązaniami zaczerpniętymi z rodziny nowych silników benzynowych firmy MMC o oznaczeniu “4B1”. Cechuje je również wyjątkowo wydajna charakterystyka spalania – rezultat zastosowania technologii analitycznej firm MMC i MHI.
* Silniki będą oczywiście spełniały wymogi normy Euro-5. Jednocześnie będą posiadały odpowiedni potencjał i elastyczność, by spełnić również wymagania normy Euro-6 oraz innych norm obowiązujących poza terytorium Unii Europejskiej (“Tier 2 Bin 5” w USA i “Post New Long Term” w Japonii).
Ze wszystkich rozwiązań zastosowanych w silnikach najbardziej wyróżnia się opracowany przez firmę Mitsubishi system zmiennych faz rozrządu i zmiennego wzniosu zaworów MIVEC, który po raz pierwszy na świecie został zastosowany w samochodzie osobowym z silnikiem Diesla, a który umożliwia osiągnięcie rekordowo niskiego stopnia sprężania oraz daje użytkownikowi wynikające z tego faktu korzyści.
Nowatorskie podejście
Diesel MIVEC “4N1” będzie konkurował w Europie z czołowymi modelami w ważnym strategicznie i mocno obleganym segmencie. Dlatego ten ekologiczny silnik jest rezultatem innowacyjnej strategii produkcyjnej, która znajduje idealne zastosowanie przy tworzeniu wydajnych i lekkich modeli osobowych.
Mając na uwadze strategie sprzedaży i potrzeby marketingowe, inżynierowie firmy Mitsubishi musieli połączyć dwa przeciwstawne światy:
– Z jednej strony mieli sprawdzoną wiedzę i doświadczenie w budowie jednostek benzynowych takich, jak choćby mały, ale wyjątkowo wydajny trzycylindrowy silnik MIVEC o pojemności 660 cm3 z oznaczeniem „i” dla rynku japońskiego lub, na przeciwległym krańcu skali, potężny czterocylindrowy motor MIVEC z modelu Lancer Evolution o pojemności 2 litrów i mocy 295 KM.
– A z drugiej strony były silniki Diesla, gdzie wszelki rozwój był ostatnio ukierunkowany na bardzo specyficzne wymagania, jakie stawia się pojazdom terenowym i roboczym z napędem 4×4, takim jak modele Pajero czy L200.
Nieskrępowani korporacyjnymi konwencjami projektowymi i/lub tradycją, inżynierowie firmy potraktowali to wyzwanie jako niepowtarzalną okazję, by zacząć coś od nowa, od czystej kartki papieru i kilku prostych pytań: Czy nasza wiedza i doświadczenie w budowie silników benzynowych może znaleźć zastosowanie przy tworzeniu układów napędowych z jednostkami Diesla? Znając specyfikę tej technologii, czemu wciąż nie jesteśmy w stanie stworzyć silnika Diesla, który byłby możliwe najbardziej podobny do jednostki benzynowej? Czy technologie silników benzynowych mogą przyczynić się do stworzenia nowej generacji ekologicznych jednostek Diesla?
Odpowiedzią na te pytania jest rodzina silników “4N1” – lekkich, kompaktowych jednostek o znakomitych osiągach, bardzo niskim zapotrzebowaniu na paliwo i niewielkim poziomie emisji, które dodatkowo posiadają ogromny potencjał rozwojowy na przyszłość.
W fazie opracowywania tych innowacyjnych silników firma MHI zaoferowała m.in. swą wiedzę i doświadczenie zdobyte podczas produkcji przemysłowych i okrętowych silników wysokoprężnych oraz technologie turbin spalinowych, ze szczególnym uwzględnieniem takich zagadnień inżynieryjnych, jak przepływ w technologiach odlewniczych (aluminiowy blok cylindrów), wymiana ciepła (głowica cylindra) czy spalanie, stosując technologię obliczeniowej mechaniki płynów (CFD – Computational Fluid Dynamics). Dla przypomnienia, CFD to zaawansowane narzędzie wykorzystywane w przemyśle lotniczym, którego celem jest wymodelowanie i przeanalizowanie różnych dynamicznych (w tym przypadku termodynamicznych) konfiguracji przed przystąpieniem do testów w rzeczywistych warunkach. Obliczeniowa mechanika płynów pozwala zatem na zredukowanie czasu potrzebnego na badania przy zwiększeniu precyzji projektu.
Lekka konstrukcja, niski stopień sprężania
Silnik Diesla wykorzystuje ciepło powstałe w wyniku sprężania w celu zainicjowania zapłonu prowadzącego do spalenia paliwa, które jest wtryskiwane do komory spalania podczas ostatniej fazy sprężania.
Ze względu na bardzo wysoki stopień sprężania wymagany w tym procesie, silniki wysokoprężne cechują się najwyższą wydajnością cieplną wśród wszystkich jednostek spalinowych, co prowadzi do obniżenia zużycia paliwa i zmniejszenia emisji spalin, a w szczególności CO2.
Aby wytrzymać ciśnienie pracy powodowane wysokim stopniem sprężania oraz wysoki moment obrotowy działający na wał korbowy, silniki Diesla potrzebują jednak wytrzymałych podzespołów, które czynią je cięższymi od benzynowych odpowiedników.
Logicznym rozwiązaniem problemu zredukowania sił działających w bloku jest zatem obniżenie stopnia sprężania.
Pozwoliło to z kolei na uzyskanie lżejszej struktury, zbliżonej do konstrukcji silnika benzynowego, a jednocześnie stało się kluczowym zagadnieniem niezbędnym do zrozumienia procesu rozwojowego jednostek “4N1” i ich unikalnych cech. Jedną z nich jest bardzo niski (jak na silnik Diesla) stopień sprężania, stanowiący najniższą wartość wśród obecnie oferowanych na rynku pojazdów osobowych z silnikiem Diesla :
– 14,9:1 dla silnika 1,8-litra “4N13” (ASX i Nowy Lancer)
– 14,9:1 dla silnika 2,2-litra “4N14” (Outlander).
Wypracowanie rekordowo niskiego stopienia sprężania było podstawowym zadaniem postawionym przez inżynierów z MMC i MHI, bowiem pozwala on (w efekcie końcowym) osiągnąć znakomite wyniki w zakresie redukcji drgań wewnętrznych, wstrząsów i hałasu, a także zapewnia niski poziom emisji, dużą trwałość, płynną pracę oraz porywające osiągi niezależnie od pojemności skokowej.
Tym samym, architektura silników “4N1” współdzielona z najnowszymi jednostkami benzynowymi “4B1” produkcji MMC – jednakże opracowana z uwzględnieniem konstrukcji diesla – to między innymi:
– Lekki blok silnika wykonany z odlewanego ciśnieniowo aluminium jest lżejszy o około 10 kilogramów od bloku żeliwnego. Element ten jest w stanie wytrzymać wysokie temperatury i duże siły występujące w silniku Diesla dzięki przeprowadzanemu wspólnie z koncernem MHI zaawansowanemu procesowi projektowania CAD/CAM, który także przyczynił się do znaczącej poprawy jakości odlewu.
– Inżynierowie MMC zapożyczyli również z silników “4B1” koncepcję plastikowej pokrywy głowicy cylindrów. Komponent ten, opracowany przez Mahle dla MMC, jest o 50% lżejszy (1 kg w stosunku do około 2 kg w przypadku porównywalnego elementu aluminiowego), a także przynosi inne wymierne efekty w postaci większej wydajności paliwowej oraz stabilniejszej jazdy.
Co więcej, podobna architektura silników benzynowych i wysokoprężnych produkcji MMC pozwala skrócić czas opracowywania projektu (około 3 lata od pierwszych badań do rozpoczęcia produkcji w kwietniu 2010 roku) i zaoszczędzić koszty poprzez wykorzystywanie wspólnych narzędzi produkcyjnych w fabryce silników Shiga należącej do koncernu MMC.
“Kwadratowa” konfiguracja z niemal identyczną średnicą cylindra i skokiem tłoka oznacza również krótsze i lżejsze korbowody i tłoki, a tym samym niższą wagę. Kolejną zaletą jest mniejsza pojemność skokowa (w tym przypadku 1,8-litra)…
Zredukowana masa pozytywnie wpływa na zużycie paliwa i emisję spalin, zapewniając tym samym większą dynamikę jazdy ze względu na niższą masę przedniej części nadwozia.
System zmiennych faz rozrządu “MIVEC”
Lekka struktura umożliwia uzyskanie niskiego stopnia sprężania, jednak w jaki sposób zachować wystarczającą kompresję, aby zainicjować zapłon? Odpowiedzią jest MIVEC…
Dzięki stworzeniu wielokrotnie nagradzanego systemu operacyjnego MiEV OS, mógł powstać silnik i-MiEV. Równie wiele jednostki 4N1 zawdzięczają wprowadzeniu technologii opatentowanej przez firmę Mitsubishi Motors: MIVEC (elektronicznie sterowany system zmiennych faz rozrządu). Zastosowany po raz pierwszy w lekkim modelu osobowym z silnikiem Diesla, system ten wcześniej zarezerwowany był wyłącznie dla silników wysokoprężnych stosowanych w ciężarówkach.
W czasie prac nad projektem “4N1”, system MIVEC był najlepszym rozwiązaniem umożliwiającym osiągnięcie niskiego stopnia sprężania, do którego dążyli inżynierowie MMC i MHI, a także doskonałych strukturalnych i dynamicznych osiągów silnika.
Zastosowany przy zaworach dolotowych, system MIVEC steruje fazami, wzniosem i czasem otwarcia zaworów wykorzystując dwa różne profile krzywki.
Celem jest uzyskanie lepszego przepływu powietrza dolotowego w celu osiągnięcia większej wydajności i wyższej mocy w szerszym zakresie prędkości obrotowych silnika, nawet przy tak niskim stopniu sprężania. Priorytetem jest też niższe spalanie i niższa emisja.
Kwestia ta w szczególnym stopniu dotyczy silników o zapłonie samoczynnym, w których zakres użytecznych prędkości obrotowych jest niższy, niż w przypadku jednostek o zapłonie iskrowym W tym przypadku należy jednak nie tylko zrekompensować niższą kompresję w porównaniu do tradycyjnych silników, ale także wziąć pod uwagę:
– rozruch zimnego silnika,
– stabilność spalania oraz związaną z tym kwestię drgań i hałasów wewnętrznych (NVH).
W tych dwóch przypadkach sprawdza się system MIVEC:
– przesuwając czas zamknięcia zaworów dolotowych w celu osiągnięcia bardziej efektywnego stopnia sprężania,
– redukując wznios jednego z zaworów dolotowych w celu stworzenia większego zawirowania i poprawy procesu mieszania i spalania, lepszej kontroli temperatury wewnątrz cylindra pod koniec cyklu sprężania, nie dopuszczenia do powstania zbyt dużej ilości NOx, a także kontroli przepływów wewnątrz cylindra.
Dodatkowo…
System MIVEC jest kluczowym elementem poprawiającym osiągi silników 4N1, ale nie jedynym.
Drugą istotną kwestią obok kontroli przepływu powietrza dolotowego jest osiągnięcie odpowiedniej charakterystyki spalania, dlatego ważne są następujące aspekty:
– Kształt komory spalania. Wpływa na dokładne spalenie mieszanki, a także zapobiega powstawaniu zbyt wysokich temperatur i nagromadzeniu NOx. W przypadku silnika 4N1, inżynierowie Mitsubishi postanowili zastosować wąski rant w górnej części tłoka i wąskie wejście wnęki, aby osiągnąć niższe spalanie i większą wydajność spalania.
– Proces wtrysku. W nowym silniku Diesla zdecydowano się na:
– system wtrysku common rail działający pod bardzo wysokim ciśnieniem 2 000 barów – zamiast częściej spotykanego ciśnienia 1 800 barów – co daje lepszą atomizację wtryskiwanego oleju napędowego,
– zoptymalizowaną, trójstopniową sekwencję wtryskową:
-> wtrysk pilotujący,
-> wtrysk wstępny,
-> wtrysk główny.
Cichy
Z uwagi na fakt, iż silnik 4N1 jest lekki i pracuje wydajnie przy niskim stopniu sprężania na poziomie 14,9:1, jak można uczynić go cichym i bezwibracyjnym w przeciwieństwie do tradycyjnych, „klekoczących” silników Diesla?
Inżynierowie przeanalizowali trzy główne aspekty:
– Stopień sprężania: tak niski poziom obciążenia (14,9:1) w dużej mierze przyczynia się do obniżenia hałasów wewnętrznych, a w szczególności drgań.
– Spalanie: dzięki połączeniu systemu MIVEC z płytką komorą spalania, wielostopniowym wtryskiem, systemem common rail pracującym pod ciśnieniem 2 000 barów, zaawansowanym, elektronicznym układem sterującym, typowy “klekot” diesla – będący tak naprawdę odgłosem spalania – został znacząco zredukowany.
Dla przykładu, pierwszy wtrysk pilotażowy oleju napędowego do komory spalania inicjuje spalanie, a także redukuje stopień wybuchowości i wibracje, które temu towarzyszą.
– Przestawiony wał korbowy: w celu zminimalizowania siły bocznej wytworzonej przez tłoki, wał korbowy został przesunięty o 15 mm, co jednocześnie redukuje emisję CO2 , generuje wyższą moc oraz obniża hałasy wewnętrzne i drgania (NVH), zapewniając płynną pracę przy wszystkich prędkościach obrotowych. Przeprowadzenie komputerowych symulacji ruchu pozwoliło na zoptymalizowanie struktury cylindrów i doprowadziło do zmniejszenia o 20% strat spowodowanych tarciem tłoków, co w rezultacie dało pozytywne efekty w postaci niższego zużycia paliwa.
Rzeczywiste warunki eksploatacji
Silnik 4N1, będący prawdziwym osiągnięciem konstruktorskim, zapewnia dużą przyjemność z jazdy w rzeczywistych warunkach eksploatacji, a przy tym jest bardziej wydajny i „czystszy” od konkurencyjnych silników Diesla, szczególnie biorąc pod uwagę mniejszą pojemność skokową.
Porównując model ASX i Qashqai (dane z sierpnia 2010):
|
ASX 1.8 DiD 2WD |
Qashqai 2.0 dCi 2WD |
|
(6-biegowa manualna) |
(6-biegowa manualna) |
|
|
|
Pojemność skokowa |
1 798 cm3 |
1 995 cm3 |
Moc |
150 KM przy 4 000 obr./min. |
150 KM przy 4 000 obr./min. |
Moc z litra pojemności |
83,4 KM/l |
75,2 KM/l |
Moment obrotowy |
300 Nm przy 2 000-3 000 obr./min. |
320 Nm przy 2 000 obr./min. |
CO2 |
145 g/km (ClearTec) |
167 g/km |
Jednocześnie, w porównaniu do obecnie oferowanego modelu Lancer 2.0 DiD, zalety silnika “4N1” są oczywiste, nawet pomimo mniejszej o 200 cm3 pojemności skokowej:
|
Lancer Sportback 1.8 DiD “4N13” |
Lancer Sportback 2.0 DiD |
|
(6-biegowa manualna) |
(6-biegowa manualna) |
|
|
|
Pojemność skokowa |
1 798 cm3 |
1 968 cm3 |
Moc |
150 KM przy 4 000 obr./min |
140 KM przy 4 000 obr./min. |
Moment obrotowy |
300 Nm przy 2 000-3 000 obr./min. |
310 Nm przy 1 750 obr./min. |
CO2 |
139 g/km (ClearTec) |
163 g/km |
Zarówno dane liczbowe, jak i wrażenia z jazdy potwierdzają kolejne zalety silnika 4N1: charakterystyka jego pracy nie odbiega zbytnio od pracy jednostki benzynowej. Dotyczy to również wydajności na wyższych obrotach, przy których silniki wysokoprężne zwykle nie dotrzymują kroku ich benzynowym odpowiednikom.
Nic w tym jednak dziwnego, przywołując doświadczenie firmy MMC na polu jednostek benzynowych…
Nie powinno także dziwić powiązanie pomiędzy jednostką 4N13, a najnowszą generacją silników benzynowych MMC…
Ten wyjątkowy charakter jest więc dziełem technologii wyselekcjonowanych przez inżynierów MMC:
– MIVEC oraz możliwości, które daje w zakresie kierowania przepływem powietrza: przy pełnym obciążeniu wysoka moc i moment obrotowy osiągane są dzięki 1) wysokiemu wzniosowi zaworów dolotowych oraz 2) zastosowaniu szerokiego kąta otwarcia zaworów przy wysokiej prędkości.
– Szczelina wlotowa, której projekt przypomina konstrukcję stosowaną w silnikach benzynowych.
– Turbosprężarka o zmiennej geometrii kierownicy dopływu spalin do turbiny (VG) – w tym przypadku firmy MHI (TF035) – z nowymi łopatkami pozwalającymi na uzyskanie wyższej wydajności doładowania przy wysokich prędkościach jazdy.
Warto przypomnieć, że technologia zmiennej geometrii kierownicy dopływu spalin do turbiny (VG) pomaga osiągnąć optymalny stopień ustawienia przy niskich i wysokich prędkościach, co gwarantuje wysoką wydajność, szczególnie w zakresie emisji spalin i czasu reakcji (brak opóźnienia itd.).
W przypadku silnika 4N13 firmy MMC zastosowano 8-łopatkowy, aluminiowy wirnik sprężarki (w odróżnieniu od tradycyjnego, 12-łopatkowego), co zwiększa zasięg działania sprężarki, a tym samym wydajność doładowania.
Jednocześnie, zmienna geometria kierownicy dopływu spalin do turbiny przekłada się na natychmiastową reakcję oraz optymalne ciśnienie doładowania w pełnym zakresie prędkości obrotowych silnika, a co za tym idzie na bardziej dynamiczne osiągi i niższy poziom emisji.
ClearTec
Dodatkowym wsparciem dla silnika 4N1 w jego ekologicznej misji jest dostępny w zależności od rynku i modelu pełny pakiet ClearTec pozwalający ograniczyć emisję CO2.
W jego skład wchodzą elementy znane już z modelu Colt:
– System “Automatic Stop & Go”
– Elektroniczne wspomaganie układu kierowniczego
– System kontroli odzysku energii (odzysk energii z hamowania)
– Opony o niskich oporach toczenia
– Filtr cząstek stałych
– Olej o niskiej lepkości
Rodzina silników
Silnik “4N1” kryje w sobie duży potencjał nie ograniczający się wyłącznie do oryginalnej wersji “4N13” o pojemności skokowej 1,8-litra i mocy 150 KM znanej z modeli ASX i Lancer, ale obejmujący także warianty o innych pojemnościach i mocach.
Kolejnym wcieleniem będzie “4N14” o większej pojemności 2 268 cm3 (86,0 mm x 97,6 mm), który w przyszłości trafi pod maskę większego Outlandera oraz innych dużych modeli Mitsubishi:
|
Lancer Sportback 1.8 DiD “4N13” |
Outlander 2.2 DiD “4N14” |
|
(6-biegowa manualna) |
(6-biegowa manualna) |
|
|
|
Pojemność skokowa |
1 798 cm3 |
2 268 cm3 |
Moc |
150 KM przy 4 000 obr./min. |
177 KM przy 3 500 obr./min. |
Moment obrotowy |
300 Nm przy 2 000-3 000 obr./min. |
380 Nm przy 2 000-3 000 obr./min. |
CO2 |
139 g/km (ClearTec) |
155 g/km (2WD ClearTec) |
W przypadku Outlandera należy zauważyć, iż obecnie oferowany silnik 2,2 DiD o mocy 156 KM (dostarczany przez koncern PSA) będzie nadal sprzedawany w połączeniu z dwusprzęgłową przekładnią TC-SST Mitsubishi Motors obok mocniejszej jednostki “4N14” 177 KM z manualną, 6-przełożeniową skrzynią biegów.
W 2006 roku ukazała się pierwsza informacja o silniku „klasy pojemnościowej 2,0”, jednak 4N1 oferuje sporo potencjału właściwego silnikom o innych pojemnościach i osiągach, takich jak choćby wersja „low power” o niższej mocy (116 KM / 300 Nm), która dostępna będzie w modelach Lancer i ASX w późniejszym terminie na wybranych rynkach.
W chwili debiutu silniki 4N1 będą jedynie oferowane z 6-stopniową przekładnią manualną. Jednak w zależności od potrzeb i sygnałów z rynku, firma MMC może rozszerzyć ofertę o jedną ze swych przekładni automatycznych.
2010-10-18