Całkowicie nowy model L200

Niskoemisyjny czysty Diesel MIVEC

 

 

Mitsubishi Motors Corporation uważa za swój obowiązek oferowanie gamy pojazdów o najniższym możliwym wpływie na środowisko naturalne, niezależnie od segmentu rynkowego i typu pojazdu, od samochodów miejskich, po duże pickupy ...

... Takie właśnie przekonania stały się motorem pionierskich opracowań napędów całkowicie elektrycznych (EV) oraz hybrydowych typu plug-in (PHEV) dla pojazdów z silnikami elektrycznymi.

... Stąd też intensywne prace w zakresie aerodynamiki i redukcji masy.

... Stąd również rozwój zupełnie nowej rodziny silników, MIVEC Clean Diesel, do której należy jednostka "4N15" o pojemności 2,4 litra zastosowana w najnowszym modelu L200.

 

Nową rodzinę silników zaanonsowano po raz pierwszy 20 czerwca 2006 roku, następnie silnik pojawił się w koncepcyjnych samochodach Concept-cX we wrześniu 2007 roku (1,8 litra) i w Concept-ZT w październiku 2007 roku (2,2 litra). Silniki "4N1", to wynik wspólnych prac Mitsubishi Motors Corporation oraz Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (MHI). Jest to rodzina 4-cylindrowych 16-zaworowych silników o niezwykle wysokiej sprawności energetycznej, zbudowanych w całości z aluminium, wyposażonych w dwa wałki rozrządu w głowicy (DOHC) i bezpośredni wtrysk paliwa common rail. Czyste silniki dieslowskie charakteryzują się jednymi z najniższych w całej branży stopni sprężania (15,5:1 dla wariantu 2,4 litra stosowanego w modelu L200).

 

Silnik pojawił się w Europie w roku 2010 i był montowany głównie w modelach ASX i Outlander, do których obecnie dołącza całkowicie nowy pickup L200.

 

 

MIVEC + Diesel = pierwszy na świecie

Silniki Diesla mają w Mitsubishi długą historię sięgającą 1931 roku, kiedy to powstał "450AD"- pierwszy silnik Diesla opracowany w Japonii do stosowania w pojazdach samochodowych.

 

 

 

Nowa rodzina silników “4N1” otrzymała wiele własnych innowacyjnych technologii, w tym wywodzących się z prac nad rodziną benzynowych silników MMC "4B1", do których dodano wyjątkowo efektywne charakterystyki spalania uzyskane dzięki zastosowaniu własnych technologii analitycznych firm MMC i MHI.

 

Najważniejszym z zastosowanych rozwiązań jest opracowany w Mitsubishi system zmiennych faz rozrządu MIVEC - pierwszy na świecie tego typu system, który trafił pod maskę pickupa zasilanego olejem napędowym. Technologia ta pozwoliła inżynierom MMC na osiągnięcie ważnego celu - możliwie najniższego stopnia sprężania, co przyniosło liczne korzyści łatwe do zauważenia przez użytkownika samochodu.

 

Nowe spojrzenie

Bardzo płynna praca dieslowskiego niskoemisyjnego silnika Mitsubishi MIVEC “4N1” jest w Europie atutem o strategicznym znaczeniu. Uzyskanie takiego rezultatu było możliwe dzięki innowacyjnemu spojrzeniu na problemy, jakie pojawiają się przy stosowaniu Diesla w samochodzie, który powinien być nie tylko bardzo oszczędny, ale też lekki i komfortowy – niezależnie, czy jest to samochód osobowy, SUV, czy pickup.

 

Rezygnując z podejścia do tematu wymagającego trzymania się standardów stosowanych w Mitsubishi, a nawet rezygnując z inżynierskich przyzwyczajeń, inżynierowie Mitsubishi postanowili zamienić problemy i wyzwania w szansę na rozpoczęcie projektu od czystej kartki papieru i postawienia sobie kilku prostych pytań:

=> Czy nasza wiedza i doświadczenie w technologii silników benzynowych może mieć zastosowanie w dieslowskich jednostkach napędowych? 

=> Czy uwzględniając znane różnice techniczne pomiędzy silnikami można zbudować Diesla tak, by pod względem techniki i technologii pozostał maksymalnie bliski silnikom benzynowym? 

=> Czy zastosowanie “benzynowych” technologii pomoże w zbudowaniu nowej generacji niskoemisyjnych silników dieslowskich?

 

Odpowiedzią na te pytania stała się rodzina kompaktowych i lekkich silników "4N1" gwarantujących wysokie osiągi, bardzo niskie zużycie paliwa i analogiczny poziom emisji spalin, a do tego wciąż dysponująca wielkim potencjałem rozwojowym.

 

Podczas zorientowanych na innowacje prac nad silnikiem, firma MHI dostarczyła - między innymi – eksperckich doświadczeń zdobytych przy tworzeniu silników dieslowskich do zastosowań przemysłowych i morskich, a także z dziedziny technologii turbin gazowych. W szczególności inżynierom MHI powierzono rozwiązanie problemów dotyczących dynamiki procesu odlewania aluminiowego bloku silnika, przepływów cieplnych w głowicy i przebiegu procesu spalania, do czego konieczne było użycie zaawansowanych komputerowych symulacji i numerycznych metod obliczeniowych z użyciem techniki CFD (Computational Fluid Dynamics). Pod pojęciem CFD kryją się bardzo złożone narzędzia numeryczne wywodzące się z przemysłu kosmicznego i lotniczego, które służą modelowaniu i analizowaniu skomplikowanych zjawisk z dziedziny dynamiki płynów (w tym przypadku w połączeniu z procesami termodynamicznymi) w różnych konfiguracjach, co pozwala na przewidzenie przebiegu bardzo złożonych zjawisk i ich optymalizację, jeszcze przed wykonywaniem i testowaniem jakichkolwiek materialnych modeli i prototypów. Tak więc technika CFD pozwala na skrócenie prac rozwojowych i ograniczenie ich kosztów, przy jednoczesnym zwiększeniu technicznej dokładności projektu.

 

 

Jeszcze lżej, jeszcze niżej

Jak wiadomo, silnik Diesla wykorzystuje wzrost temperatury sprężanego powietrza do wywołania samozapłonu paliwa, które jest wtryskiwane do komory spalania dopiero w ostatnim stadium suwu sprężania w cylindrze silnika.

 

Taka zasada pracy wymaga bardzo wysokiego stopnia sprężania, co zapewnia silnikom Diesla najwyższą sprawność cieplną spośród wszystkich silników spalania wewnętrznego, dzięki czemu uzyskuje się niskie zużycie paliwa i związaną z tym niską emisję CO2.

 

Niestety, wysoki stopień sprężania oznacza, że silnik pracuje przy bardzo wysokich ciśnieniach w komorach spalania, a na wale korbowym pojawiają się bardzo duże wartości momentów sił przenoszonych przez korbowody, co powoduje, że silnik Diesla musi posiadać bardziej wytrzymałą konstrukcję i solidniejsze komponenty, a więc musi być cięższy od swoich benzynowych odpowiedników.

 

Tak więc, logicznym działaniem w celu zmniejszenia sił działających w bloku silnika byłoby zmniejszenie stopnia sprężania. 

 

Pozwoliłoby to na użycie silnika o lżejszej konstrukcji, podobnej do silników benzynowych. Właśnie tę drogę wybrali inżynierowie Mitsubishi i poszli nią budując rodzinę silników “4N1” – ich bardzo niski stopień sprężania (jak na silniki Diesla) stał się najbardziej charakterystyczną i wyróżniającą cechą tych silników. W poszczególnych jednostkach napędowych uzyskano następujące wartości stopni sprężania:

=> 14,9:1 w silniku 1,8 l “4N13”

=> 14,9:1 w silniku 2,2 l “4N14” 

=> 15,5:1 w silniku 2,4 litra “4N15”, który znajdziemy pod maską najnowszego pickupa L200

 

Tak niski stopień sprężania był jedną z głównych metod, jakimi inżynierowie MMC i MHI chcieli osiągnąć bardzo niski poziom hałasu i drgań, niską emisję spalin, wysoką niezawodność, płynną i spokojną pracę silnika oraz dobre osiągi, niezależnie od pojemności skokowej poszczególnych wersji – 1,8, 2,2 lub 2.4 litra.

 

W ten sposób powstały silniki wykorzystujące podstawową architekturę benzynowych silników MMC z rodziny “4B1”, ale przy zachowaniu specyficznych dla silników dieslowskich procedur i zasad na etapie projektowania. Wśród interesujących cech silników “4N1” warto wymienić:

 

=> lekki blok silnika wykonany z odlewu aluminiowego, dzięki czemu jest on lżejszy o około 10 kg od żeliwnego bloku w takim samym zastosowaniu. Dzięki użyciu zaawansowanych technik numerycznych CAD/CAM, nowy blok może radzić sobie z wysokimi temperaturami i dużymi siłami występującymi w silniku Diesla. Komputerową optymalizację konstrukcji prowadzono wraz z inżynierami firmy MHI, którzy pomogli też znacząco podnieść jakość odlewów bloku silnika.

=> Inżynierowie MMC zdecydowali się na użycie plastikowej pokrywy rozrządu, podobnej do pokrywy stosowanej w silnikach benzynowych “4B1”. Rozwiązanie to dla MMC opracowała firma  Mahle, czyniąc pokrywę zaworową o 50% lżejszą (1 kg w porównaniu do 2 kg w przypadku podobnej pokrywy aluminiowej), dodatkowo przyczyniając się do obniżenia zużycia paliwa i poprawy stabilności pracy silnika.

 

Podobieństwo do architektury rodziny silników benzynowych MMC przyniosło kilka dodatkowych, oczywistych korzyści, spośród których warto wymienić skrócenie czasu opracowywania konstrukcji (do około 3 lat od pierwszych analiz inżynierskich do rozpoczęcia produkcji seryjnej pierwszego z silników nowej rodziny 4N13, co nastąpiło w kwietniu 2010 roku).

 

Ponadto wybór tak zwanych “kwadratowych” proporcji komory spalania (ze skokiem tłoka niemal równym średnicy cylindra) pozwolił na odchudzenie korbowodów i tłoków, przyczyniając się do dalszej redukcji masy.

 

Jest oczywiste, że wszystkie oszczędności na masie natychmiast przekładają się na oszczędności w zużyciu paliwa oraz na obniżenie emisji spalin, ale warto też pamiętać, że prowadzi to do poprawy własności dynamicznych samochodu, poprzez zmniejszenie obciążenia przypadającego na przednią oś.

 

System zmiennych faz rozrządu “MIVEC”

Droga do lekkiego silnika prowadziła poprzez obniżenie stopnia sprężania, ale jak w tej sytuacji uzyskać na tyle duże sprężanie, by zagwarantować zapłon paliwa w każdych warunkach? Otóż wystarczy włączyć MIVEC...

 

Powstanie silników 4N1 nie byłoby takie oczywiste, gdyby nie możliwość zastosowania innej opracowanej przez Mitsubishi Motors technologii: MIVEC (czyli “Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system”).

 

W czasie prac nad silnikami “4N1”, MIVEC był najlepszym dostępnym rozwiązaniem pozwalającym na uzyskanie niskiego stopnia sprężania, do którego dążyli inżynierowie MMC i MHI, a dodatkowo zastosowany system skłonił do wyboru bardzo nowoczesnej architektury silnika i doprowadził do poprawy jego własności dynamicznych.

 

W silniku Diesla system MIVEC działa na zawory dolotowe zmieniając fazy, czasy otwarcia i skoki zaworów poprzez wykorzystanie krzywek zaworowych o dwóch różnych profilach. Celem stosowania systemu jest lepsza, bardziej zoptymalizowana kontrola przepływu powietrza dostarczanego do cylindrów w szerszym zakresie prędkości obrotowych, co pozwala podwyższyć sprawność energetyczną silnika i wytwarzaną moc, nawet przy tak niskim stopniu sprężania. Bardzo pożądanym skutkiem ubocznym jest mniejsze zużycie paliwa i obniżona emisja CO2.

 

Precyzyjna kontrola przepływu powietrza jest szczególnie ważna w przypadku silników Diesla, w których zakres użytecznych prędkości obrotowych jest bardziej ograniczony, niż w silnikach benzynowych. Zagadnienie staje się jeszcze ważniejsze przy niskim stopniu sprężania, gdy zapas ciśnienia sprężania istniejący w tradycyjnym silniku trzeba zrekompensować optymalizacją warunków pracy, a w szczególności należy zapewnić:

=> sprawny rozruch zimnego silnika,

=> stabilność procesu spalania ze względu na jej wpływ na głośność pracy silnika oraz poziom generowanych drgań.

 

Przy rozwiązywaniu dwóch wymienionych wyżej zagadnień MIVEC okazał się bardzo pomocny:

=> zmiana fazy zamknięcia zaworów dolotowych daje wpływ na wielkość efektywnego stopnia sprężania,

=> zmniejszenie skoku zaworów dolotowych pozwala zwiększyć zawirowanie zasysanego powietrza, co przyspiesza mieszanie się powietrza z wtryskiwanym paliwem i poprawia przebieg spalania, a także pozwala kontrolować temperaturę w cylindrach pod koniec suwu sprężania, służąc ograniczaniu tworzenia się tlenków azotu (NOx) oraz wpływać na przepływy gazów w cylindrach. 

Ale to nie wszystko …

Na chwilę obecną MIVEC jest kluczowym systemem umożliwiającym silnikom rodziny 4N1 uzyskiwanie wysokich osiągów, ale nie jest jedynym rozwiązaniem służącym temu celowi.

 

 

 

Kontrolowanie ilości powietrza dostarczanego do cylindrów, to tylko pierwszy z warunków uzyskania właściwych charakterystyk spalania. Następnie trzeba zmierzyć się z kolejnymi zagadnieniami. 

 

=> Kształt komory spalania jest jednym z nich. Musi on zapewnić tak dokładne spalenie mieszanki, jak to tylko możliwe, jednocześnie nie dopuszczając do zbyt wysokich temperatur, które sprzyjają tworzeniu się tlenków azotu (NOx). W silnikach 4N1 inżynierowie Mitsubishi zastosowali płytkie wybranie w denku tłoka oraz wąskie wgłębienie przy wtryskiwaczu, dążąc do niskiego zużycia paliwa oraz skuteczności spalania.

 

=> Przebieg wtrysku paliwa, to kolejne wyzwanie dla konstruktorów. W swoim nowym Dieslu zdecydowali oni rozwiązać problem następująco:

- zastosowano system wtrysku common rail z bardzo wysokim ciśnieniem wtrysku wynoszącym 2.000 bar – zamiast znacznie częściej stosowanego ciśnienia 1.800 bar – by uzyskać lepszą atomizację wtryskiwanego oleju napędowego,

- zastosowano i zoptymalizowano trójfazową sekwencję wtrysku:

   -> wtrysk pilotażowy,

       -> Wtrysk dawki wstępnej,

   -> wtrysk dawki głównej.

 

=> MIVEC jako możliwość kontrolowania strumienia powietrza dolotowego: przy pełnych obciążeniach w trybie pracy wysokoobrotowej duża moc i moment obrotowy wytwarzane są przy dużych skokach zaworów dolotowych i długich czasach ich otwarcia.

 

=> Kształt kanałów dolotowych – tu zdecydowano się na konstrukcję zbliżoną do stosowanej w silnikach benzynowych.

 

=> Turbosprężarka o zmiennej geometrii (VG) ,która musi dysponować wystarczająco szerokim zakresem regulacji geometrii, by zapewnić wysoką efektywność doładowania w czasie szybkiej jazdy.

Należy przypomnieć, że technika zmiennej geometrii sprężarek (VG) ma za zadanie dobieranie odpowiedniego współczynnika przepływu (A/R) zarówno przy niskich, jak i przy wysokich prędkościach obrotowych, a celem jest nie tylko maksymalizacja mocy i momentu, ale także czystość spalin, eliminacja turbodziury itp.

W przypadku silników “4N1” zastosowano konstrukcję z 8 kierownicami spalin na aluminiowym pierścieniu sprężarki (w typowych rozwiązaniach występuje 12 kierownic), czego celem było uzyskanie szerszego zakresu efektywnej pracy turbosprężarki służące poprawie sprawności doładowania.

Zastosowanie kompaktowej turbosprężarki Mitsubishi Heavy Industries TF035 w silniku 4N1 obniżyło o 10% moment bezwładności sprężarki i turbiny.

Jednocześnie zmienna geometria turbiny przekłada się na szybką reakcję na wciśnięcie pedału przyspieszenia oraz na optymalne ciśnienie doładowania w całym zakresie prędkości obrotowych silnika, a więc na bardziej dynamiczne osiągi, a do tego pomaga w obniżeniu emisji CO2.

 

Gładko i cicho

Jeśli silnik 4N15 jest tak lekki i może efektywnie pracować przy stopniu sprężania obniżonym do 15,5:1, to jak pogodzono to z cichą pracą, brakiem drgań i tradycyjnego dieslowskiego klekotu?

 

W skrócie rzecz biorąc, odpowiedź sprowadza się do 5 punktów:

=> Stopień sprężania: przy wartości 15,5:1 jest oczywiste, że ma to wpływ na mniejsze wartości sił działających w silniku, a to przekłada się na niższy poziom hałasów i drgań.

 

=> Spalanie: dzięki użyciu kombinacji MIVEC + płytkie komory spalania + wielostopniowy wtrysk paliwa +ciśnienie wtrysku 2.000 bar + zaawansowane sterowanie elektroniczne, dieslowski klekot, który w rzeczywistości jest odgłosem gwałtownego spalania, został mocno ograniczony. Już sama pierwsza faza wtrysku paliwa - wtrysk pilotażowy – inicjuje rozpoczęcie spalania w cylindrze, a jednocześnie łagodzi ten proces, przyczyniając się do redukcji drgań.

 

=> Przesunięcie osi wału korbowego: celem obniżenia wartości sił bocznych wytwarzanych w układzie korbowo-tłokowym, wał korbowy przesunięto o 15 mm od osi cylindrów, uzyskując obniżenie emisji CO2, zwiększając moc silnika oraz ograniczając hałasy i drgania, czego dalszym wynikiem jest bardziej płynna praca silnika w całym zakresie prędkości obrotowych. Dzięki wykorzystaniu komputerowej symulacji ruchu, konstrukcja przesuniętego wału korbowego została zoptymalizowana, obniżając o 20% siły tarcia generowane przez tłoki, z oczywistym przełożeniem na obniżenie zużycia paliwa.

 

=> Wyciszony łańcuch napędzający rozrząd: cichsza praca układu rozrządu silnika.

 

=> Wałek wyrównoważający: nawiązując do technologii po raz pierwszy wprowadzonej (jako światowa premiera) w 1975 roku pod nazwą "Silent Shaft" w silnikach MMC Astron, której celem było ograniczenie wibracji silników o dużych pojemnościach skokowych (szczególnie 4-cylindrowych), MMC dysponując bagażem doświadczeń i ekspercką wiedzą w tej dziedzinie wprowadza wałek wyrównoważający do dużych 2,4-litrowych dieslowskich silników 4N15 montowanych pickupie L200.

 

“Automatic Stop & Go” (AS&G):

Mitsubishi stosuje w silniku 4N15 jeszcze jedno rozwiązanie służące ograniczeniu jego oddziaływania na środowisko naturalne, adaptując (zależnie od wersji modelowej i rynku przeznaczenia) opracowaną przez MMC wersję systemu AS&G, co jest rozwiązaniem rzadko spotykanym w segmencie jednotonowych pickupów.

 

W skrócie:

=> Auto Stop & Go automatycznie wyłącza i uruchamia silnik bez konieczności dotykania kluczyka w stacyjce, gdy samochód zatrzymuje się (na przykład czekając na zielone światło) i gdy następnie rusza.

 

=>  W sensie praktycznym system czeka, aż samochód zatrzyma się, dźwignia zmiany biegów znajdzie się w położeniu neutralnym, a pedał sprzęgła nie będzie naciskany. Po spełnieniu tych warunków na desce rozdzielczej zapali się odpowiednia kontrolka wskaźnika, a silnik zostanie automatycznie wyłączony. Ponowny rozruch nastąpi natychmiast po wciśnięciu sprzęgła celem załączenia biegu. 

 

=> System Auto Stop & Go jest aktywowany automatycznie, gdy kluczyk w stacyjce zostanie obrócony w pozycję “ON”. System będzie gotowy do wyłączania i włączania silnika po około 3 minutach od pierwszego rozruchu silnika.

 

=> Przełącznik umieszczony na desce rozdzielczej umożliwia kierowcy wyłączenie systemu, jeśli to potrzebne, na przykład jeśli samochód porusza się w korku wymagającym nieustannego zatrzymywania się i ruszania.

 

=> Zasadą działania systemu Auto Stop & Go jest adaptowanie się do aktualnych warunków (na przykład stanu akumulatora). Oznacza to, że w pewnych warunkach silnik nie będzie zatrzymywany (temperatura zewnętrzna poniżej 3°C lub samochód nie przekroczył prędkości 5km/h od ostatniego zadziałania systemu itp.), a w jeszcze innych warunkach silnik może zostać uruchomiony, zanim kierowca wciśnie sprzęgło.

 

=> Auto Stop & Go jest domyślnie włączony, co oznacza, że zawsze po przekręceniu kluczyka w pozycję “LOCK” po zakończeniu jazdy z wyłączonym systemem, zostanie on ponownie uaktywniony przy następnym przekręceniu kluczyka w pozycję “START”.

 

=> Płynność pracy będąca cechą charakterystyczną silnika MIVEC 4N15 o niskim stopniu sprężania powoduje, że działanie systemu Auto Stop & Go jest również płynne, a do tego rozruch następuje bezzwłocznie, gdy tylko jest to potrzebne, bez minimalnego odstępu czasowego między wyłączeniem i uruchomieniem silnika.

 

=> Celem uzyskania pewnego rozruchu w niskich temperaturach, nowy model L200 otrzymał akumulator o zwiększonej pojemności.