CC BY
66Топливная экономия, эффективность, экологичность —
атрибуты новых автомобилей, двигателей и систем
Продолжение. Начало в № б '2009
Светлана СЬІСоЕвА
«Синее» настоящее и будущее
автомобилей
Daimler/Mercedes-Benz
Cпектр автомобилей, которые выпускает штутгартский концерн Daimler AG, ранжирован от ультракомпактов до спортивных и люкс-автомобилей, от мини-вэнов до тяжелых грузовиков и туристских автобусов. Руководствуясь единой стратегической целью достичь в будущем нулевой эмиссии с оптимальным соответствием потребностям клиента, специалисты концерна разрабатывают технологии оптимизации потребления топлива и снижения эмиссии. Масштабность применения новых технологий значительно выделяет Daimler в автомобильном бизнесе.
Подразделения концерна Mercedes-Benz Cars и Mercedes-Benz Vans выпускают автомобили одноименной широко известной и престижной марки. Бренды пассажирских автомобилей включают Mercedes-Benz, Smart, Maybach, AMG. В состав Daimler входят подразделения, специализирующиеся на производстве дизельных грузовиков и автобусов, — Daimler Trucks, Daimler Buses, которые в свою очередь объединяют еще несколько территориально разнесенных подразделений. Коммерческие автомобили (Commercial Vehicles, CV) производят подразделения Mercedes-Benz, Daimler Trucks North America, Mitsubishi Fuso, Detroit Diesel. В число известных моделей входят Freightliner, Western Star, а также автобусы Mercedes-Benz, Thomas Built Buses Setra, Orion.
Будущее своих автомобилей концерн Daimler связывает со следующими технологиями:
• экономичные бензиновые двигатели
и приводы;
• чистый дизель;
• гибридные автомобили;
• батарейные автомобили;
• FCV;
• смешивание приводных систем, модульная
концепция приводов.
Сейчас Daimler работает над оптимизацией потребления топлива и снижением эмиссии бензиновых и дизельных двигателей, эффективность и чистота которых значительно повысились в последние годы.
В статье в основном речь пойдет об автомобилях концерна Daimler марки Mercedes-Benz, успешность продаж которых объясняется во многом тем, что эти машины соответствуют клиентским предпочтениям. Выбирая автомобиль, клиенты сегодня оценивают не только его функциональные и потребительские характеристики, но и окупаемость и экологичность.
Топливно-эффективные и экологичные автомобили с высоким уровнем характеристик — важнейшая стратегия Mercedes-Benz, для осуществления которой разрабатывается широкий диапазон технологий, включая оптимизированные двигатели внутреннего сгорания (бензиновые и дизельные ДВС), гибриды, электрические приводы на топливных ячейках или чисто электрические автомобили.
Согласно концепции корпорации Mercedes-Benz в будущем исключается доминирование какой-то одной технологии для создания индивидуальных решений по обеспечению мобильности клиентов с различными требованиями, оптимальных с точки зрения характеристик, экономии топлива и эмиссии. Так, совершенно очевидно, что требования к автомобилям для перемещений в пределах города или всей страны различаются, они также варьируются в зависимости от класса автомобиля, его эксплуатационного профиля и индивидуальных предпочтений клиента. Для использования преимуществ каждой из технологий в достижении оптимального расхода топлива и минимизации эмиссии одним из ключевых решений Mercedes-Benz является создание автомобилей с модульными приводными системами, которые по отдельности и/или в комбинациях обеспечивают рациональную компоновку машины.
Стратегия разработок компании Mercedes-Benz включает три главных области действия, сформулированные в так называемой дорожной карте поддерживаемой мобильности «Путь в будущее» (roadmap “Road to the Future”):
• Оптимизация автомобилей с современными двигателями внутреннего сгорания — посредством уменьшения габаритов, применения прямого впрыска, турбонаддува, экологичной дизельной технологии
BlueTEC; усовершенствование аэродинамики автомобиля, конструкции (использование легких материалов) и управления энергией (BlueEfficiency).
• Дальнейшее повышение эффективности посредством применения оптимальной и индивидуальной гибридизации на разных этапах разработки, начиная от функции старт/стоп до полных двухрежимных (Two-Mode) гибридов.
• Локальное применение автомобилей с нулевой эмиссией, использующих энергию топливных элементов или аккумуляторных батарей.
Концерн параллельно активно участвует в разработке экологически чистых и альтернативных видов топлива, в частности топлива SunDiesel из растительных отходов.
Повышение экологичности автомобилей для Daimler и Mercedes-Benz Cars становится приоритетным направлением разработок новых автомобилей и технологий. Это реакция автопроизводителя на требования экологических законодательств разных стран.
Как известно, существуют значительные различия в экологическом законодательстве, варьируемые от страны к стране. Но даже при текущем соответствии действующим нормам и стандартам эмиссии невысокая экологичность автомобиля может стать ограничивающим фактором в ряде государств. Например, во многих городах Европы созданы экологические зоны, а в штате Калифорния предписаны законом обязательные квоты на автомобили с нулевой эмиссией для локального применения.
Ввиду того, что уменьшение объемов выбросов неразрывно связано с эффективностью и экономичностью потребления топлива, оптимизация характеристик, соответствие интересам клиента, экономические факторы и экологичность составляют единый приоритет при разработке транспортных средств, где Daimler достиг весьма значительных результатов.
Названия новых технологий и решений, объединенные приставкой Blue — BlueTEC, BlueEfficiency, BlueHybrid, ассоциируются с ярким цветом синего неба и одновременно — с эффективными и высокотехнологичными решениями Daimler/Mercedes-Benz.
BlueTEC объединяет дизельные системы с оптимизированным сгоранием и дополнительной пост-обработкой выхлопов, что позволяет выпускать чистые дизельные автомобили (рис. 10а-б).
В предыстории технологии BlueTEC ключевым событием стало появление в 1997 году 4-цилиндрового двигателя Mercedes-Benz с прямым впрыском посредством магистрали common rail под названием CDI, или Common Rail Direct Injection, разработанного Daimler-Benz и Bosch. Для CDI характерны высокий уровень выхода, высокий крутящий момент на низких скоростях, топливная экономичность, малая эмиссия и низкий шум.
История применения дизельных двигателей Daimler/Mercedes-Benz ведет отсчет с начала XX века, но именно те значительные усовершенствования дизельной технологии, которые обусловили ее приоритет для будущих автомобилей, относятся к концу прошлого и началу текущего столетия.
В 1993 году был представлен первый дизельный двигатель с 4-клапанной технологией и электронным управлением, обеспечивший большую мощность, крутящий момент, экономичность и меньшую эмиссию. Электронное управление стало также важным признаком двигателя с прямым впрыском, представленного в 1995 году.
В 2003 году компания Mercedes-Benz первой в мире предложила улавливание частиц и обеспечила соответствие нормам EU4 для дизельных пассажирских автомобилей. В 2005 году Mercedes-Benz оборудовала все свои дизельные автомобили фильтрами частиц, не требующими техобслуживания, с целью впоследствии оборудовать более 40 моделей от A- до S-класса системами, снижающими эмиссию сажи на 95%. В том же 2005 году Mercedes-Benz ввела новую дизельную технологию BlueTEC. Изначально данное название являлось брендом DaimlerChrysler, а в настоящее время бренд используется корпорацией Mercedes-Benz для пассажирских и коммерческих автомобилей. На автошоу в Лос-Анджелесе в 2006 году DaimlerChrysler, Audi и Volkswagen анонсировали, что BlueTEC становится также брендовым названием чистых, высокоэффективных пассажирских автомобилей и SUV Audi, Volkswagen и Jeep в США с дизельными двигателями. Но каждый из производителей работает над созданием собственных технических систем, обеспечивающих осуществление строгих норм эмиссии для дизельных автомобилей.
В зависимости от класса автомобиля, применяются различные системы удаления NOx. В одной версии используется оксидирующий каталитический конвертер и фильтр частиц, скомбинированные с запасающим NOx конвертером.
Другой, даже более эффективный путь удаления эмиссии NOx состоит во впрыскивании жидкости AdBlue в горячие выхлопные газы. В процессе селективного каталитичес-
По-новому разработанное уведомление временного потребления и одновременная рекомендация переключения
Изоляция лобового стекла с материалами разной толщины/прочности
многослойное лоЬо Бензиновый двигатель с меньшим рабочим объемом
Решетка радиатора с частичным покрытием
Аэродинамически оформленная наружная отражающая часть корпуса
Передаточный механизм задней оси с подшипниками с малым трением и сбалансированными колесами
Уплотненные разделительные стыки в прожекторах
Экономящее энергию управление насоса рулевого привода с сервомеханизмом
Шестискоростная коробка переключения передач с оуегс!пуе-характеристикой
Продольная передача заднего моста Глубже расположенный кузов
По-новому разработанные шины с кордом из высокопрочной стали и сопротивлением качения, сниженным на 17%
Рис. 10. «Синяя» «Дорога в будущее» автомобилей Daimler Mercedes-Benz:
а) иллюстрация технологии BlueTEC на примере автомобиля Mercedes-Benz E-класса, E 300 BlueTEC:
1 — BlueTEC каталитический конвертер; 2 — окисляющий каталитический конвертер;
З — запасающий NOx каталитический конвертер; 4 — фильтр частиц;
б) BlueTEC система нового автомобиля E-класса: два SCR каталитических конвертера и два датчика NOx под корпусом: 1 — датчик NOx; 2 — два SCR каталитических конвертера;
3 — окисляющий каталитический конвертер; 4 — второй датчик NOx; 5 — фильтр частиц;
в) пакет технологии BlueEfficiency: улучшенная аэродинамика, легковесная конструкция, шины и приводная технология в C-Class позволяет снизить потребление топлива на 12%
кого снижения (Selective Catalytic Reduction, SCR) эмиссия оксидов азота в выхлопах дизельных двигателей снижается примерно на 80%. Для достижения этого в выхлопную линию вводится аддитив AdBlue: эта жидкость представляет собой водный раствор мочевины, который образует гидрид аммония — аммиак (NH3) — как промежуточный продукт формирования в каталитическом конвертере воды и азота.
Первый серийно выпускаемый пассажирский автомобиль Mercedes-Benz — Mercedes-Benz E 320 BlueTEC — появился в октябре 2006 года в США. В августе 2007 года компания анонсировала серийное производство автомобилей E 300 BlueTEC для европейского рынка.
BlueTEC стал вкладом в осуществление важнейшей цели Mercedes-Benz — достижение чистоты дизельных двигателей, которую можно сравнить с бензиновыми автомобилями, и соответствия будущим эмиссионным стандартам. Для осуществления данной стратегии предусмотрен трехступенчатый план:
1. Изменения в конструкции двигателя для обеспечения максимально возможного эффективного и чистого сгорания.
2. Применение катализаторов окисления для снижения эмиссии оксида углерода и гидрокарбоната, фильтров частиц.
3. Применение технологии BlueTEC для снижения на 80% оксидов азота — оставшегося компонента выхлопных газов, превышающего эмиссию бензиновых двигателей. Mercedes-Benz также рассматривает будущее
дизельных приводов в связи с исследованиями возможности использования синтетического топлива, производимого из биомасс, — SunDiesel, которое может быть получено из различных органических субстанций, включая бракованные лесоматериалы.
С точки зрения потребления топлива дизельная технология наиболее приемлема для больших седанов и SUV, как продемонстрировал успех E 320 BlueTEC, который был представлен в США в октябре 2006 года. В 2006-2007 гг. еще три SUV на основе чистой дизельной технологии R-, GL-, ML-классов, стартующие с R 320 BlueTEC, GL 320 BlueTEC, ML 320 BlueTEC, были выведены на рынок. В марте 2008 года Mercedes-Benz достигла регистрации своих дизельных SUV во всех 50 штатах.
С начала осени 2009 года Mercedes-Benz предлагает широкий диапазон SUV-моделей, оборудованных SCR для пост-обработки выхлопов: GL 350 BlueTEC 4MATIC (4MATIC — название новой полноприводной системы), ML 350 BlueTEC 4MATIC и R 350 BlueTEC 4MATIC, а также E 350 BlueTEC. Все новые BlueTEC-модели соответствуют EU6, а GL 450 4MATIC, GL 500 4MATIC и GL 450 CDI 4MATIC, оборудованные двигателем V8, — EU5.
Помимо модельного ряда SUV, технология BlueTEC опционно применяется во многих моделях легковых автомобилей Mercedes-
Benz. Для применения впоследствии, в том числе и в гибридах — в рамках осуществления стратегии дорожной карты «Путь в будущее», компания отдает приоритет именно технологии BlueTEC. Переход к экологически чистым водородным и электрическим автомобилям связывается с модульными гибридными и дизельными BlueTEC-технологиями на промежуточном этапе.
GL 350 BlueTEC 4MATIC и GL 350 CDI 4MATIC характеризуются также технологией BlueEfficiency.
Технологии, объединенные названием BlueEfficiency, представляют собой пакет решений по дальнейшему снижению энергопотребления и, следовательно, — CO2 для всех пассажирских автомобилей и мини-вэнов.
Данная концепция реализована в новых автомобилях S-, E-, C-, A-, B-класса, а также в B 170 NGT с приводом, который может работать на бензине и натуральном газе. Согласно общей оценке производителя технологии BlueEfficiency могут снижать потребление топлива на 12% (рис. 10в). При работе в режиме питания газом эмиссия CO2 170 NGT BlueEfficiency снижается более чем на 20% в сравнении с бензиновым режимом.
BlueEfficiency — это концепция эффективной мобильности, включающая несколько решений: функция автоматический старт/стоп, электрическое рулевое управление, шины с низким сопротивлением качения, повышение аэродинамики, уменьшение веса, дисплеи переключения передач и потребления топлива, двигатели с малым рабочим объемом, турбонагнетатели. Пакет использованных технологических решений варьируется для моделей из разных сегментов автомобилей Mercedes-Benz, но во всех случаях позволяет оптимизировать расход топлива автомобилей и эмиссию без снижения рабочих характеристик.
Модели GL-класса на основе данной технологии (GL 350 CDI 4MATIC) потребляют примерно на 5% меньше топлива, чем предшествующие, без снижения характеристик. Двигатель V6 генерирует 165 кВт/224 л. с. и обеспечивает крутящий момент примерно 510 Н-м на 1600 об/мин, потребляя в среднем только 9,3 л топлива на 100 км.
Подобно всем другим BlueEfficiency-моделям от Mercedes-Benz, SUV GL также отличается пакетом средств снижения потребления топлива. Помимо дизельного двигателя с прямым впрыском, они включают эффективную автоматическую трансмиссию 7G-TRONIC, которая переключается в нейтральное положение при ожидании на светофорах или в пробках для снижения нагрузки двигателя и потребления топлива. Дальнейшее снижение потребления топлива достигается за счет применения шин с низким сопротивлением качению. Была улучшена аэродинамика — за счет редизайна решетки радиатора и добавления спойлеров в область передних
колес. Применена энергосберегающая элек-трогидравлическая система рулевого управления. Благодаря компьютеру потребления топлива и дисплею, индицирующему текущий расход, водители GL-автомобилей могут регулировать потребление топлива, при необходимости изменяя стиль вождения.
Технологии BlueEfficiency применимы не только для оптимизации моделей с дизельными ДВС, Mercedes-Benz работает над оптимизацией и собственно бензиновых двигателей, а также HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition — воспламенение однородной смеси от сжатия) — применяя и для них названный пакет технологий.
Ключевой технологией для легковых автомобилей Mercedes-Benz с бензиновыми двигателями сегодня является вновь разработанная стратифицированная, или послойная (stratified spray-guided) система прямого впрыска под названием Charged Gasoline Injection (CGI).
История бензиновых двигателей с супернагнетателями и прямым впрыском ведет отсчет с первой половины прошлого столетия.
В ноябре 1937 года стартовало производство 12-цилиндрового авиадвигателя с бензиновым впрыском DB 601 A, более мощного и экономичного в сравнении с карбюраторной версией. Автомобиль Mercedes-Benz 300 SL, введенный в 1954 году, был первым в мире автомобилем с четырехтактным 6-цилиндровым двигателем с бензиновым впрыском.
Следующим ключевым событием в истории бензиновых двигателей Mercedes-Benz стало замещение в 1957 году прямого бензинового впрыска косвенным интерметтирую-щим (пульсирующим) впрыском в патрубок (Intermittent Manifold Injection), а не в камеру сгорания. Система была впервые применена в Mercedes-Benz 300 d, затем — в Mercedes-Benz 220 SE. В сравнении с карбюраторными двигателями технология была более экономичной и обеспечивала лучшие характеристики мощности и динамики.
История прямого бензинового впрыска на Mercedes-Benz была продолжена в конце 2002 года, когда был введен новый 4-цилиндровый двигатель CGI объемом 1,8 л. Это был первый двигатель в мире, комбинирующий стратифицированный прямой впрыск с супернагнетением, охлаждением нагнетаемого воздуха и балансировкой/уравновешиванием массы. Двигатель позволил значительно снизить потребление топлива (до 16%) вместе с одновременным улучшением характеристик (мощности и крутящего момента, плавности) и снижением эмиссии в сравнении с двигателем с впрыском через впускной патрубок.
Контролируемый микропроцессором прямой впрыск был скомбинирован с «горячим» пленочным датчиком расхода воздуха (hot-film air flow sensor, HFM) и механическим турбонагнетением посредством компрессора.
Стратегия Mercedes-Benz в рамках дорожной карты «Путь в будущее» состоит
в том, чтобы сделать бензиновые двигатели столь же эффективными, как и дизельные.
Следующие методы для улучшения эффективности бензиновых двигателей представляют собой снижение рабочего объема, размеров, турбонагнетение. Как было продемонстрировано в модели C 180 KOMPRESSOR (2002-2008 гг.), сбережение топлива может быть достигнуто без снижения характеристик двигателя.
Mercedes-Benz значительно улучшила характеристики 4-цилиндровых двигателей. Выход C 180 KOMPRESSOR вначале был увеличен со 105 кВт/143 л. с. до 115 кВт/156 л. с., максимальный крутящий момент — на 4,5%, с 220 до 230 Н-м. C 200 KOMPRESSOR вырабатывал 135 кВт/184 л. с., пиковый крутящий момент составлял 250 Н-м с 2800 об/мин (рис. 10г).
Затем Mercedes-Benz C 180 KOMPRESSOR, оборудованный 4-цилиндровым бензиновым двигателем, стал примером применения пакета различных топливно-экономичных решений под общим названием BlueEfficiency, включающего оптимизацию веса, аэродинамики, сопротивления качению, управления энергией, системы powertrain. В сравнении с предшествующей моделью с рабочим объемом 1,8 л, рабочий объем в модели 2008 года снижен до 1,6 л, но мощность и крутящий момент поддерживаются на том же самом уровне (115 кВт/156 л. с., 230 Н-м), а потребление топлива снижено на 0,9 л — до 6,5 л за 100 км. В этой модели были и другие технологические нововведения, одним из которых является новая электрическая рулевая ECO-система, другим — применение шин со сниженным на 17% сопротивлением качения. Эмиссия CO2 снижена на 20 г/км — со 177 до 156 г/км.
Согласно данным производителя, в Германии C 180 KOMPRESSOR и C 200 CDI удерживают 25% продаж C-класса автомобилей, который является более мощным, более экономичным и более чистым, тогда как наиболее экономичным признан S-класс (пример — S 320 CDI BlueEfficiency).
Потребление топлива может быть снижено далее, а выход мощности увеличен за счет применения бензинового впрыска второго поколения.
Так, бензиновые двигатели новых автомобилей E-класса характеризуются значительной экономией топлива благодаря технологии прямого впрыска CGI. Согласно общим данным производителя, в сравнении с обычным впрыском через порт прямой впрыск допускает более высокое сжатие и улучшенную термодинамическую эффективность, и поэтому потребление топлива новых 4-цилиндровых двигателей примерно на 13% меньше, чем у прежнего супернагнетаемого двигателя с впрыском через порт.
Представляя в 2009 году новую версию автомобиля «люкс» E-класса, специалисты Mercedes-Benz объявили о новых стандартах для таких моделей с точки зрения безопас-
Рис. 10. «Синяя» «Дорога в будущее» автомобилей Daimler Mercedes-Benz:
г) усовершенствованный 4-цилиндровый двигатель Mercedes-Benz C 180 и C 200 KOMPRESSOR;
д) дизельный двигатель новых автомобилей E-класса E 250 CDI;
е) Mercedes-AMG б, 3 л VS;
ж) 4-цилиндровый двигатель E 250 CGI, M271; E 350 CGI, 6-цилиндровый бензиновый двигатель M272;
з) двигатель Mercedes-Benz E-Class Coupe, бензиновый двигатель V6, M272, E 350 CGI BlueEfficiency;
и) Daimler 350 CGI (вверху) — первый в мире двигатель с прямым впрыском и spray-guided сгоранием; 350 CGI (CLS) (внизу): чистый и экономичный двигатель благодаря пьезоинжекторам
ности, комфортабельности, эффективности и совместимости с окружающей средой. И дизельные, и бензиновые двигатели значительно усовершенствованы, но в большей степени выделяются достижения Mercedes-Вет в экономии топлива для дизельных двигателей: 4-цилиндровые и 6-цилиндровые дизельные двигатели достигают 23%-ного снижения топлива в сравнении с предшествующей моделью.
Двигатели для автомобилей нового Е-клас-са ранжированы от 4- и 6- до 8-цилиндровых агрегатов с диапазоном выходной мощности от 100 кВт/136 л. с. до 386 кВт/525 л. с. Комбинированная оценка NEDC потребления топлива автомобилей Е-класса с 4-цилиндро-
выми дизельными двигателями, заявленная в начале 2009 года, составляет 5,3 л на 100 км, что соответствует уровням эмиссии CO2 от 139 г/км. Все двигатели соответствуют нормам EU5, а E 350 BlueTEC уже сейчас соответствует EU6.
Летом 2009 года Mercedes-Benz добавила к линейке двигателей нового E-класса еще две экономичных 4-цилиндровых модели. E 200 CDI BlueEfficiency вырабатывает 100 кВт/136 л. с. и потребляет только 5,2 л дизельного топлива на 100 км, а новый E 200 CGI BlueEfficiency с выходом 135 кВт/184 л. с. потребляет 7,2 л бензина на 100 км.
E 250 CDI мощностью 150 кВт/204 л. с. характеризуется крутящим моментом 500 Н-м,
что на 25% выше, чем у предшествующего ему дизельного двигателя V6, но потребление топлива на 23% ниже — согласно данным, опубликованным в конце июля, оно для модели BlueEfficiency купе достигает 5,1 л на 100 км. Эмиссия CO2 E 250 CDI составляет 135 г/км, что также более чем на 24% ниже, чем у предшествующего V6. Автомобиль E 250 CDI BlueEfficiency ускоряется от 0 до 100 км/ч за 8,2 с.
Если сравнивать с предыдущим 4-цилиндровым дизельным двигателем, то выход по мощности больше на 36%, на 47% выше крутящий момент, а потребление топлива на 17 % меньше.
Текущие достижения Mercedes-Benz в области двигателей доказывает тот факт, что в 2009 году в конкурсе «Международный двигатель года» среди двигателей объемом 2-2,5 л экспертами был отмечен именно дизельный двигатель Mercedes-Benz CDI 250 объемом 2, 1 л (BlueEffieciency C-Class, BlueEffieciency E-Class) (рис. 10д). Среди двигателей объемом более 4 л был выделен Mercedes-AMG 6,2 л (CLK, S, SL, CL, CLS, ML), выигравший также номинацию «Лучший спортивный двигатель» (“Best Performance Engine” и “Above 4 litres”) (рис. 10е).
Потребление топлива в 5,1-5,3 л на 100 км для E-класса достижимо именно с 4-цилиндровыми двигателями CDI, которые представляют собой новые разработки с прямым впрыском и представлены в трех вновь разработанных версиях.
E 220 CDI мощностью 125 кВт/170 л. с. — третий 4-цилиндровый дизельный двигатель для новых автомобилей E-класса, также достигающий малого потребления топлива на 100 км в 5,2-5,5 л (эмиссия CO2 — 137-145 г/км, ускорение от 0 до 100 км/ч — за 10,2 с).
Общими признаками являются система прямого впрыска 4-го поколения common-rail, быстродействующие пьезоэлектрические инжекторы, улучшенная система рециркуляции отработавших газов, инновационный комбинированный турбонагнетатель twin turbocharger.
Новые двигатели при меньшей массе и рабочем объеме обеспечивают большую мощность и больший крутящий момент, чем 6-цилиндровые безнаддувные V6 предшествующей версии — вследствие замещения естественно нагнетаемых двигателей агрегатами с турбонаддувом, которые характеризуются меньшим внутренним трением и лучшими с точки зрения расхода топлива рабочими характеристиками.
Ключевой фактор в увеличении выхода двигателя — это увеличение максимального давления в магистрали на 400 бар — до 2000 бар. Второй ключевой фактор, также способствующий снижению потребления топлива, — давление зажигания двигателя в 200 бар.
Вновь разработанные пьезоинжекторы в новом поколении двигателей CDI используют пьезокерамические свойства кристал-
лической структуры. В стеках тонких пьезокерамических слоев (пьезостеках) срабатывание происходит в течение нескольких наносекунд после приложения электрического напряжения. Впрыск топлива соплом форсунки благодаря малым перемещениям слоев в стеках и множественным инжекциям регулируется более точно в достаточно широком диапазоне, что оптимизирует потребление топлива, эмиссию, снижает шумы двигателя, улучшает работу на холостом ходу, поэтому новые двигатели менее шумные.
Компактный модуль нового комбинированного турбонагнетателя состоит из малого турбонагнетателя высокого давления HP (High Pressure) и большого турбонагнетателя с низким давлением LP (Low Pressure), соединенных последовательно. Каждый из них включает турбину и управляемый турбиной компрессор. Турбина высокого давления локализована непосредственно на выхлопном патрубке, течение выхлопного газа вращает турбину со скоростью до 215 000 об/мин.
Корпус HP-турбины включает интегральный обходной канал, который открывается и закрывается посредством управляющего нагнетаемым давлением клапана/заслонки, переключаемого вакуумной ячейкой. Если клапан закрыт, выхлопной поток течет через HP-турбину. Это означает, что на низких скоростях двигателя возможно оптимальное давление турбонагнетения. При увеличении скорости двигателя обходной канал открывается для прохода выхлопного газа, оставшаяся часть которого управляет HP-турбиной, вращая ее на максимальной скорости до 185 000 об/мин. Для защиты от перегрузок LP-турбина также оборудуется обходом, который открывается и закрывается посредством клапана для отвода излишней энергии. Когда двигатель достигает средних оборотов, клапан HP-турбины открывается достаточно широко — так, что турбина высокого давления практически перестает работать, позволяя выхлопной энергии достигать LP-турбины, которая начинает выполнять всю работу.
Два компрессора соединены последовательно и дополнительно подсоединены к обходному каналу. Очищенный воздух в результате сгорания течет вначале через компрессор низкого давления, где он предварительно сжимается, затем передается в компрессор высокого давления, связанный с HP-турбиной.
Ключевые признаки двухступенчатого турбонагнетения — оптимизация нагнетения, высокий крутящий момент на низких скоростях, снижение потребления топлива, отсутствие турболагов (турбоям), улучшенные характеристики.
Как логическое дополнение к системе турбонагнетения Mercedes-Benz, установлен больший, чем в предшествующих моделях, интеркулер, снижающий температуру сжатого и нагретого воздуха до 140 °K, так что больший объем воздуха входит в камеры сгорания.
EGR-система с эффективной зоной охлаждения снижает эмиссию NOx. Вновь разработанный EGR-клапан в данной системе работает подобно угловому дисковому клапану и гарантирует прецизионный контроль свежего воздуха и рециркулированных выхлопных газов. Для оптимизации количества рециркулированных газов и достижения высоких показателей рециркуляции выхлопные газы охлаждаются в теплообменнике с большим поперечным сечением. Вместе с датчиком HFM (hot-film air-mass sensor), модуль которого интегрирован во впускной канал и обеспечивает блок ECU информацией о количестве входящего свежего воздуха, данная схема позволяет значительно снижать эмиссию NOx.
Воздух в результате сгорания последовательно входит в модуль распределителя, который распределяет воздух по цилиндрам. В модуль распределителя встроен электронно-управляемый выключатель впускного порта (intake port shutoff), допускающий плавное снижение размеров порта и обеспечивающий оптимальное завихрение воздуха (swirl), сгорание и эмиссию во всем диапазоне нагрузок и скоростей двигателя.
Механизм синхронизации клапанов двигателя — следующая разработка, позволяющая снизить трение на 16 впускных и выхлопных клапанах, управляемых в системе впуска и выпуска.
Верхнюю строчку в диапазоне дизельных двигателей E-класса занимает 6-цилиндровый E 350 CDI мощностью 170 кВт/231 л. с. и крутящим моментом 540 Н-м, использующий на 0,5 л на 100 км меньше, чем предшествующий E 320 CDI. Он ускоряется от 0 до 100 км/ч в течение 6,7 с. Потребление топлива E 350 CDI BlueEfficiency Coupe со стандартной коробкой 7G-Tronic снижено до 6,8 л на 100 км, что эквивалентно 179 г CO2 на км. Степень сжатия снижена с 17,7 до 15,5. Применен турбонагнетатель с более эффективной зоной охлаждения EGR, осуществлены другие усовершенствования.
Как говорилось ранее, все двигатели соответствуют нормам EU5.
С 2009 года дизель V6 будет также применяться в BlueTEC-модели, отличающейся малой эмиссией. В BlueTEC-системе E-класса применено два SCR-конвертера (рис. 10б), процесс удаления оксидов азота с AdBlue контролируется множеством датчиков. Модель E 350 BlueTEC вырабатывает мощность 155 кВт/211 л. с. и уже сейчас соответствует будущим нормам EU6, вступающим в действие в 2014 году.
E 200 CGI и E 250 CGI (рис. 10ж) оборудуются вновь разработанным 4-цилиндровым двигателем, турбонаддувом, распределительными валами для впуска и выпуска переменного действия.
E 200 CGI (135 кВт/184 л. c.) с малым рабочим объемом в 1,8 л оборудуется 6-скоро-стной ручной коробкой и стандартной функ-
цией ECO start/stop, потребление бензинового топлива составляет 6,8-7,2 л на 100 км (комбинированная оценка NEDC), что эквивалентно 159-169 г CO2 на км, ускорение от 0 до 100 км/ч — за 8,5 с.
В E 250 CGI BlueEfficiency (150 кВт/204 л. с.) со стандартной 5-скоростной автоматической коробкой максимальный крутящий момент составляет 310 Н-м, что выше более чем на 26% по сравнению с предшествующим V6, но потребление топлива, сниженное на 20%, составляет по оценке NEDC только 7,2-7,4 л на 100 км. Это также примерно на 12% меньше, чем у предыдущей 4-цилиндровой модели (135 кВт/184 л. с.) с обычным впрыском и супернагнетением, и эквивалентно эмиссии примерно 167-175 г CO2 на км.
4-цилиндровые двигатели практически полностью выполнены из алюминия, головки цилиндров изготовлены из высокопрочного алюминиевого сплава.
Тепловое управление предполагает циркуляцию охладителя в зависимости от температуры двигателя. Значительный эффект на потребление топлива оказывает тепловой регулятор двигателя. Электронно-контролируемый термостат останавливает циркуляцию охладителя, если двигатель охлажден. Масло нагревается быстро, предотвращая трение двигателя. Данная интеллектуальная система принимает в расчет стиль вождения, окружающую температуру и другие параметры.
Модуль турбонагнетателя приваривается к выхлопному патрубку в месте ранее устанавливаемого механического супернагнетателя на выхлопной стороне двигателя и включает клапан и функцию замедления воздуха для управления давлением. В сравнении с супернагнетателем, турбонагнетатель не требует приводной мощности и легче (на 4 кг), его шумовые и вибрационные характеристики лучше. Улучшения достигнуты за счет новой геометрии турбины и процесса заполнения цилиндра.
Прямой впрыск характеризуется давлением примерно в 140 бар и новыми инжекторами с множественными отверстиями. В системе прямого впрыска воздух и топливо не смешиваются, пока они не достигнут камеры сгорания. С помощью инжектора топливо впрыскивается в цилиндры под углом 30° и, в зависимости от рабочих условий двигателя, под давлением до 140 бар. Здесь капли топлива смешиваются с воздухом, смесь направляется к свече зажигания через углубления в поршне. Для сравнения, давление в 4цилиндровом двигателе с обычной системой впрыска топлива — =3,8 бар.
Для того чтобы гарантировать оптимальное смешивание и высокую турбулентность, обеспечивая максимально полное и быстрое сгорание, двигатель CGI включает впускные порты со специально вычисленными характеристиками расхода и регулируемый клапан завихрения, оптимизирующий турбулентность в различных режимах. Насос
высокого давления управляется посредством впускного распределительного вала, клапан контроля количества, интегрированный в насосный модуль, гарантирует измерение подачи топлива в зависимости от потребности. Регулятор давления с датчиком, мониторинг которого осуществляется ECU, контролирует давление в топливной магистрали, непосредственно подсоединенной к соленоидным инжекторам с множественными отверстиями. 4-цилиндровые агрегаты с прямым впрыском работают в гомогенном диапазоне — со стехиометрическим соотношением 14,7:1 (Lambda = 1), что важно для контроля эмиссии посредством 3-ступенчатого каталитического конвертера.
Дополнительный признак комфорта — балансир Ланчестера для коленчатого вала.
Как и прежде, в диапазон вариантов двигателей E-класса входят E 350 CGI (215 кВт/ 292 л. с.) и топ-предложение данной линейки — E 500 (285 кВт/388 л. с.). Улучшения включают снижение потребления топлива для этих моделей V6/V8 на 0,6 л на 100 км.
Новый автомобиль E 350 CGI BlueEfficiency Coupe работает от бензинового двигателя с прямым впрыском (spray-guided direct injection) (рис. 10з-и).
Новый автомобиль E 350 CGI потребляет порядка 8,7 л на 100 км (до 8,5 л на 100 км с бензином RON 95), что более чем на 10% меньше, чем с идентичным бензиновым двигателем V6 объемом 3,5 л с впрыском через порт, но выходная мощность на 20 л. с. выше. (О двигателе E 350 CGI более подробно рассказывается далее.)
Стандартное дополнение приводной системы — 7-скоростная автоматическая трансмиссия. Ускорение от 0 до 100 км/ч — за 6,5 с.
Mercedes-Benz ввела прямой впрыск spray-guided CGI в серийное производство в 2006 году (рис. 10и). Благодаря высокой термодинамической эффективности технология допускает лучшее использование топлива, сниженное потребление и меньшую эмиссию. Ключевой признак 6-цилиндрового двигателя — режим послойного нагнетания (stratified-charge mode), в котором агрегат работает с высокой степенью избытка воздуха и поэтому топливно-эффективно. Этот режим бедного сгорания (lean-burn) возможен на высоких скоростях и диапазонах нагрузки, поскольку камеры сгорания питаются топливом в различное время, в течение долей секунд в каждом цикле сгорания, что значительно улучшает образование смеси, сгорание и потребление.
Быстрые и высокоточные инжекторы являются ключевыми компонентами бензиновых систем впрыска второго поколения. С кольцевым зазором порядка мкм образуется полое конусное рассеяние. Благодаря их способности переключаться в течение нескольких миллисекунд, пьезоинжекторы допускают множественную инжекцию, являющуюся преимущественным признаком
lean-burn работы, позволяя достичь оптимального потребления. Насос высокого давления с распределителем зажигания вниз по течению (downstream distributor) и клапаном давления поставляет топливо и гарантирует контроль потока с учетом потребности. С уровнем до 200 бар системное давление топлива в несколько раз выше, чем с обычными системами впрыска через порт.
Процесс сгорания с различными инжекци-ями в течение цикла сгорания, разработанный Mercedes-Benz, также улучшает характеристики и показатели эмиссии двигателя V6. Тесты показывают, что углеводородная эмиссия снижается более чем на половину в течение фазы нагрева.
Кроме того, инжекция и контроль сгорания допускают более высокие температуры в выхлопном патрубке, что гарантирует быстрый нагрев каталитических конвертеров.
Эмиссия контролируется посредством двух близко размещенных каталитических конвертеров с линейным лямбда-контролем, которые активируются незамедлительно после холодного старта. Mercedes-Benz снижает эмиссию оксидов азота посредством электронно-управляемой системы EGR с двумя патрубками, которые направляют до 40% выхлопных газов обратно в цилиндры в зависимости от режима работы. В течение бедного сгорания каталитические конвертеры абсорбируют NOx и преобразуют его в азот.
Четыре клапана на цилиндр, переменная регулировка впускного и выхлопного клапана, двухступенчатый впускной патрубок, балансировочный вал и интеллектуальное тепловое управление с логически контролируемым термостатом являются дальнейшими улучшениями двигателя V6. Корпус коленчатого вала и головки цилиндров выполнены из алюминия, цилиндры оборудуются гильзами-вкладышами с легким алюминиево-кремниевым покрытием с малым трением.
Также клиентам предлагается автомобиль E 63 AMG (386 кВт/525 л. с.).
V6- и V8-модели оборудуются 7-скоро-стной автоматической коробкой и рычагом селектора на рулевом колесе, по требованию доступны в полноприводном варианте, обеспечивающим лучшее сцепление и дополнительную экономию топлива.
Прецизионный 8-цилиндровый двигатель E 500 Coupe обеспечивает высокий выход и вырабатывает крутящий момент, ускорение от 0 до 100 км/ч — за 5,2 с.
Применена интеллектуальная концепция синхронизации клапанов. Оптимальные поставки свежей смеси в цилиндры гарантируются благодаря 4-клапанной технологии
и, более всего, непрерывной переменной регулировке впускных и выпускных распределительных валов. Клапаны открываются точно в зависимости от ситуации вождения, что значительно улучшает циркуляцию горючего в камерах и снижает потери энергии.
датчики
Процесс непрерывной переменной регулировки далее повышен смещающими распределительными валами (shifting camshafts), которые используются для открытия выхлопных клапанов и улучшают цикл сгорания двигателя. Выхлопные валы сконструированы таким образом, что клапаны открываются в различное время в течение выхлопного процесса. Поэтому снижены флуктуации давления, типичные для V8. Повышен и предел детонации.
Инженеры Mercedes адаптировали 6-ско-ростную ручную коробку для достижения высоких крутящих моментов 4-цилиндровых двигателей. К примеру, они оборудовали новый E 250 CDI BlueEfficiency Coupe модифицированной коробкой — благодаря более эффективному зацеплению и вновь разработанному маховому колесу с двойной массой (dual-mass flywheel) коробка способна передавать пиковый крутящий момент порядка 500 Н-м с большей надежностью. Передача примерно на 78 мм длиннее, чем предшествующая для 4-цилиндровых моделей.
Пятискоростная автоматическая коробка, доступная как опция для 4-цилиндрового двигателя CDI Coupe (стандартная для E 250 CGI), характеризуется вновь разработанным конвертером, что снижает гидравлические потери, и поэтому работает более топливно-эффективно. В режиме “C” трансмиссия
соответствует самым строгим требованиям с точки зрения потребления топлива, комфорта и выхода, режим “S” соответствует спортивной конфигурации с подходящей адаптированной стратегией переключения передач и характеристикой педали акселератора. Опции AMG Sports пакета включают режим «M», специально сконфигурированный для лучших водителей.
Стандартное оборудование для новых моделей V6 и V8 E-Class Coupe включает 7-ско-ростную коробку. В режиме “C” 7G-TRONIC предлагает оптимизированный с точки зрения потребления режим передачи, который активизируется после старта двигателя.
Пакет BlueEfficiency также предусмотрен для новых автомобилей E-класса и включает оптимизацию деталей, узлов и компонентов автомобиля, направленную на уменьшение расхода топлива за счет снижения массы, новой формы, усовершенствованных функций и эффективного регулирования потребления энергии.
Расход топлива и эмиссия значительно снижены во многом благодаря решениям пакета BlueEfficiency.
В рамках пакета решений BlueEfficiency была значительно оптимизирована аэродинамика нового автомобиля E-класса. Аэродинамический показатель улучшен на 4%
в сравнении с предшествующей моделью, что эквивалентно экономии примерно 0,25 л топлива при шоссейной крейсерской скорости 130 км/ч. Было оптимизировано и энергопотребление — благодаря использованию регулируемых жалюзи вентилятора для подачи воздуха в отсек двигателя. Сопротивление качению шин уменьшено на 17%. С точки зрения энергопотребления оптимизировано управление генератором, топливным насосом, компрессором климатической установки и рулевым механизмом с гидроусилителем, функция «старт/стоп ECO» отключает двигатель E 200 CGI при переходе в режим холостого хода. Дисплей спидометра информирует водителя о текущем расходе топлива на 100 км пути и о том, когда ему для более экономичного и экологичного вождения следует включить следующую верхнюю передачу.
Дальнейший потенциал для увеличения эффективности двигателей внутреннего сгорания может быть реализован через гибридные технологии. Они приобретают наибольшую актуальность в урбанизированных регионах, где согласованная комбинация высокотехнологичных двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей в приводной системе позволяет достигать экономии топ-
лива до 20%.
Продолжение следует
Я
