Dla wielu producentów samochodów silnik jest oczkiem w głowie. To właśnie nim chcą się odróżniać od konkurencji, zapewnić klientowi typowe dla marki doznania z jazdy itd. Jak to pogodzić z faktem, że dzisiaj prawie wszyscy producenci oryginalnego wyposażenia (OEM) używają silników czterocylindrowych o prawie identycznych właściwościach? Mimo to zupełnie wyjątkowe w branży motoryzacyjnej jest pozyskiwanie kompletnych silników od kooperantów. Jeżeli jednak przyjrzeć się trochę lepiej, to udział dostarczanych z zewnątrz komponentów rośnie także pod maską silnika, a szczególnie wokół niego. Przewód ssący, doładowanie i chłodzenie powietrza doładowującego, recyrkulacja spalin, doprowadzenie oleju i wody chłodzącej – tworzone są coraz częściej moduły łączące funkcje, projektowane i produkowane przez poddostawców. Nie zawsze wygląda to tak ekstremalnie, jak nowy moduł olejowy Nexcel firmy Castrol, ale kierunek jest jednoznaczny. Poniżej przedstawiamy, jakie moduły i systemy są stosowane w okolicy silnika dzisiaj i jakie pojawią się tam w najbliższej przyszłości. Jednym z najważniejszych specjalistów w zakresie zaopatrzenia silników w powietrze jest niemieckie przedsiębiorstwo Mann+Hummel – w aftermarkecie znane przede wszystkim z filtrów marki Mann.

Na ostatnich targach IAA poddostawca ten zaprezentował aktywny moduł zasysający ze zintegrowanym chłodzeniem powietrza doładowującego i eBoosterem (elektrycznie napędzana sprężarka promieniowa), który wiąże kilka technicznych nowości: rurę ssącą z systemem klapowym typu tumble i w pełni zintegrowaną, pośrednią chłodnicą międzystopniową. Moduł zawiera też samoregulujący zawór obejściowy i przegub wyrównujący Agile Joint. Koncepcja ta wyciąga z silnika dodatkowe rezerwy mocy i jednocześnie zmniejsza masę. W pełni zintegrowany, pośredni system chłodzenia powietrza doładowującego zapewnia krótszą drogę przepływu tego powietrza i mniejszą jego objętość. Poprawia to reakcje silnika na zmiany prędkości obrotowej. System pośredniego chłodzenia powietrza doładowującego (przez wodę chłodzącą) zapewnia znacznie stabilniejsze chłodzenie niż w przypadku bezpośredniego chłodzenia powietrza doładowującego, przede wszystkim w dynamicznej eksploatacji. Dzięki temu spalanie ma większy współczynnik sprawności w całym zakresie obrotów i obciążeń silnika, co według Mann+Hummel pozwala zaoszczędzić do 3% paliwa.

Elektryczne doładowanie i dalsze zmniejszanie

Firma Borg-Warner – specjalista w zakresie turbosprężarek, będący jednocześnie partnerem projektowym – dostarczyła elektrycznie napędzany dodatkowy kompresor – eBooster. Osiąga on sprężanie na poziomie 1,45 i wyróżnia się szybkim reagowaniem. Dzięki temu szybciej zwiększa się moment obrotowy w dolnym zakresie obrotów. Są to pionierskie techniki w tendencji do zmniejszania rozmiarów napędów (downsizing) i obrotów (downspeeding). Ma się to przyczynić do dalszego ograniczenia zużycia paliwa. eBooster wymaga jednak wystarczającego zasilania energią elektryczną. Dobrym rozwiązaniem jest technika 48-woltowa, która obecnie również stanowi gorący temat wśród poddostawców. Mechanicznie samoregulujący się zawór obejściowy przejmuje sterowanie prądami powietrza turbosprężarki i eBoostera. W przypadku za niskich ciśnień doładowania w sprężarce napędzanej gazami spalinowymi klapa zaworu obejściowego jest zamknięta w kierunku tej sprężarki. Ciśnienie doładowania wytwarzane jest wtedy przez doładowania wytwarzane jest przez sprężarkę elektryczną. Jak tylko ciśnienie doładowania sprężarki napędzanej gazami spalinowymi przekroczy ciśnienie eBoostera, jego przewód powietrza doładowującego zostaje zamknięty i urządzenie wyłącza się. Elastyczna regulacja w zależności od potrzeb jest możliwa także w układzie chłodzenia. Niemniej jednak niepozorny agregat pożera we współpracy z przeciętnym silnikiem czterocylindrowym od 4 do 5 kW przy maksymalnych obrotach, przy niższych obrotach i na biegu jałowym niewiele mniej. Wydajność zasilania jest wymagana tylko częściowo, zaraz po zimnym starcie w zasadzie wcale – urządzenie zostało jednak skonstruowane według „najgorszego scenariusza”, aby uniknąć uszkodzenia silnika. Stąd też zalety układu chłodzenia regulowanego zależnie od potrzeb widać jak na dłoni:

• brak krążenia chłodziwa bezpośrednio po zimnym starcie silnika skraca fazę rozgrzewania;
• przy obciążeniach częściowych ustawiona wyżej temperatura chłodziwa zapewnia mniejsze wewnętrzne straty tarciowe;
• przy pełnym obciążeniu temperatura chłodziwa, a w konsekwencji temperatura w komorze spalania, może szybko spaść. Minimalizuje to ryzyko stukania.

W sumie zależne od potrzeb chłodzenie silnika powinno prowadzić do oszczędności paliwa na poziomie około 2%. Firma Mahle chce więc zawrzeć regulację strumieni chłodziwa silnika w kompaktowym module, łączącym dotychczasowe pojedyncze komponenty – pompę chłodziwa i zawór termostatu – w jedną całość. Już teraz Mahle projektuje i wytwarza pompy chłodziwa i zawory termostatów (elektryczne i klasyczne elementy oparte na rozszerzaniu się wosku) oraz bardziej złożone konstrukcje, np. moduły filtrów oleju. Doświadczenia te można teraz wykorzystać w projektowaniu modułu do zarządzania płynami.

Zawór elektryczny reguluje o wiele szybciej niż wosk

Jednoczęściowa obudowa modułu wykonana z termoplastu i wzmocniona włóknem szklanym jest o 40% lżejsza od aluminium. Geometria przepływu została zoptymalizowana pod względem przepływu za pomocą obliczeń CFD (Computational Fluid Dynamics – obliczanie dynamiki przepływu cieczy), aby zminimalizować straty ciśnienia. Elektryczny zawór termostatu pozwala na zmienne i bardzo szybkie wysterowanie różnych punktów w pracy urządzenia. Czas nastawiania termostatu wynosi w zwykłym trybie pracy około trzech sekund – dla porównania: konwencjonalne elementy oparte na rozszerzaniu się wosku wymagają dla pełnego skoku od 20 do 30 sekund. Zawór połączony jest z mechanicznie napędzaną pompą chłodziwa wykorzystującą trójwymiarową technikę wirnika, która – według informacji podanych przez firmę – wyróżnia się sprawnością całkowitą przekraczającą 50%. W kolejnym kroku Mahle chce wyposażyć pojazd testowy w moduł zarządzania płynami. Oprócz cyklu WLTP, pod względem „Real Driving Emission” (RDE) przetestowany zostanie też cykl zdefiniowany przez firmę – ze szczególną uwagą na zmianę z obciążenia częściowego na pełne. Regulowane termostaty wielodrogowe nie niwelują jednak wysokich strat mocy pompy. Od 5 do 10% mocy napędowej oszczędzają hydrodynamicznie zoptymalizowane wirniki pomp, których skomplikowane kształty można wykonać tylko z tworzywa sztucznego. W porównaniu do typowego koła wykonanego z żeliwa szarego lub stali można oszczędzić dodatkowe 60% masy – to pozwala z kolei zredukować zapotrzebowanie pompy na energię ze względu na mniejszą bezwładność podczas zwiększania prędkości obrotowej. Dalsze oszczędności umożliwia sterowane według potrzeb odłączenie od układu przeniesienia napędu za pomocą sprzęgła elektromagnetycznego, analogicznie do kompresora klimatyzacji, lub czysto elektryczne pompy wody. Na pierwszy rzut oka optymalne rozwiązanie elektryczne wydaje się jednak niewykonalne w dłuższej perspektywie czasowej, jak podaje włoski specjalista od pomp wody, Saleri. Powodem jest fakt, że o wiele tańsza jest regulacja strumienia objętości po stronie wody. Firma Saleri opracowała napędzany paskiem moduł pompowy, montowany z silnikami z typoszeregu Bxx BMW. Tutaj dopływ do pompy przerywa zawór i w ten sposób oszczędza dzięki szerokiemu zakresowi obrotów między 25 a 40% mocy napędowej. Przy zimnym silniku pozwala to znacznie zmniejszyć zużycie i emisję substancji szkodliwych.

Czystsze paliwo także po wymianie filtra

Podnoszenie wydajności silników Diesla w ostatnich latach opiera się na wymyślnych układach wtryskowych, takich jak Common Rail lub pompowtryskiwacze. Coraz większe ciśnienia wtryskiwania stanowią przede wszystkim w pojazdach Euro 6 spore wyzwanie dla techniki pompowania. Całkowita czystość oleju napędowego musi być zagwarantowana także po wymianie filtra. Inżynierowie włoskiego koncernu Sogefi rozwiązali ten problem w przypadku modułów filtrowych dla platformy CMF1 Renault bardzo sprytnie: wkład filtra i nakrętka stanowią jedną część, mechanik nie musi więc dotykać bibuły filtracyjnej podczas wymiany filtra. Moduł znajduje się na podłodze pojazdu obok baku i otwiera się w dół – dzięki temu żaden brud nie może wpaść do środka. Moduł filtra „Diesel3Tech” łączy trzy wysoce skuteczne materiały filtrujące w jeden element. Pierwsze dwie warstwy zatrzymują do 97,5% cząstek od wielkości 4 mikrometrów w teście przeprowadzanym według ISO 19438. Trzecia warstwa usuwa z paliwa wodę. Hydrofobowa (odpychająca wodę) kratka z tworzywa sztucznego oddziela według informacji podanych przez producenta do 99% wody – niezależnie od wielkości kropli. W opatentowany moduł Sogefi wbudował też podgrzewacz paliwa o mocy grzejnej 250 W, czujnik poziomu wody i śrubę spustu wody.

Powietrze zasysane bez oleju, aby zachować wymagania Euro 4

Zasysane świeże powietrze musi być nie tylko pozbawione pyłów, lecz także wolne od zanieczyszczonego olejem gazu przedmuchiwanego z odpowietrznika skrzyni korbowej, aby zachować surowe wartości graniczne substancji szkodliwych według normy Euro 4 i wyższych. W tym celu firma Hengst oferuje indywidualnie dopasowane separatory mgły olejowej. Według informacji producenta nadają się one do wszystkich konstrukcji silników i różnych, krajowych regulacji w zakresie spalin. Pionierskim osiągnięciem firmy Hengst jest system „Blue disc” – jak twierdzi firma, pierwszy na świecie hydrauliczny separator talerzowy do samochodów osobowych. Wykorzystując siłę odśrodkową, usuwa on z gazu przelotowego nawet najmniejsze cząstki oleju (0,5 μm) ze stopniami filtracji na poziomie 95%.