Jedinečná technika Mitsubishi Motors první dieselový motor ve světě osobních vozů s proměnlivým časováním ventilů. Mitsubishi Motors je skutečně první značkou, která představila do svých osobních vozů vznětový motor s proměnlivým časováním a zdvihem ventilů. Jedná se unikátní moderní o motor Mitsubishi s označením 4N13 montovaný v současné době do novinky z třídy crossoverů Mitsubishi ASX a také do modelů Mitsubishi Lancer (4N13 - 1.8 DI-D MIVEC) i Outlander (4N14 - 2.2 DI-D MIVEC) modelového roku 2011. Zbrusu nový dieselový motor 1.8 DI-D MIVEC ve dvou výkonových verzích z dílny Mitsubishi, který jako první vznětový motor na světě využívá technologii variabilního
časování ventilů MIVEC. Motor svým akustickým projevem patří mezi nejkultivovanější dieselové motory současnosti a díky použité technologii proměnlivého časování a nízkého kompresního poměru (14,9 : 1) dosahuje v novém modelu ASX nejnižší kombinované spotřeby paliva (5,5 l / 100km) a emisí CO2 ve své třídě. V následujícím článku si přiblížíme některé technické detaily uvedeného motoru. Základní charakteristiky motoru jsou: - Společný vývoj Mitsubishi Motors Corporation (MMC) a Mitsubishi Heavy Industries (MHI) -> Kompresní poměr 14,9:1: nejnižší mezi osobními vozy vybavenými dieselovým motorem -> Variabilní časování a zdvih sacích ventilů - světová premiéra u osobního vozu vybaveného dieselovým motorem -> Turbodmychadlo s proměnnou geometrií -> Hliníkový blok / plastový kryt hlavy válců -> 110 kW (150 k) při 4 000 ot/min; 300Nm / 2000-3000 ot/min. -> nízký dopad na životní prostředí - Emise CO2 v modelu ASX od 145 g/km
Motor 4N13 byl původně oznámen 20. června 2006 – a poprvé představen na konceptu Concept-cX v září 2007 - umožní společnosti Mitsubishi Motors lépe reagovat na budoucí tržní trendy, při použití svoji vlastní technologie a snížení závislosti na vnějších partnerech, ať už jde o zásobování nebo vývoj. Nový motor má vysoce efektivní charakteristiky spalování, plynoucí z použití vlastních analytických technologií společností MMC a MHI.
Společnost MHI poskytla – mimo jiné – technické znalosti získané při výrobě a vývoji průmyslových a lodních vznětových motorů, ale také technologie používané v plynových turbínách a inženýrské zkušenosti v oblastech odlévání (hliníkový blok válců), přenosu tepla (hlava válců) a spalování. Hlavní technologií mezi všemi je však vlastní systém variabilního časování a zdvihu ventilů MIVEC firmy Mitsubishi - první systém na světě určený pro osobní vozy vybavené vznětovým motorem, který sám o sobě umožňuje využití nízkého kompresního poměru a z toho plynoucích výhod pro zákazníka. Není tedy žádným překvapením, že stejný přístup „se správným srdcem” již přinesl v MMC mnohé novinky automobilové techniky, jako například vyvažovací hřídel „Silent
Shaft” licencovaný na celém světě nebo průkopnický motor „GDi” – předchůdce všech dnešních benzinových motorů s přímým vstřikováním, elektrické hnací ústrojí a operační systém („MiEV OS”) dnešního sériově vyráběného elektromobilu nazvaného i-MiEV.
S ohledem na strategické potřeby trhu se konstruktéři firmy Mitsubishi museli vypořádat se dvěma protichůdnými skutečnostmi: - Na jedné straně osvědčené know-how v oblasti vývoje benzínových motorů, ať je to například drobný, ale vysoce efektivní tříválec o objemu 660 ccm MIVEC montovaný do vozů „i” pro japonský trh na jedné straně spektra nebo výkonný čtyřválec 2.0 l MIVEC s výkonem 295 k používaný na vozech Lancer Evolution. - Na druhé straně oblast vznětových motorů - kde většina jejich nejnovějších zlepšení souvisela obvykle se speciálními požadavky vozů pro náročný provoz 4x4, jako jsou vozy Pajero/Montero/Shogun nebo L200. Nezatíženi interními konstrukčními konvencemi anebo tradicemi, přeměnili tuto výzvu na příležitost, začali s čistým stolem a několika jednoduchými otázkami: „Mohlo by se naše know-how v oblasti technologií zážehových motorů použít i pro vznětové motory? Když známe konkrétní specifika této technologie, můžeme vytvořit vznětový motor co nejpodobnější zážehovému motoru? Mohou technologie zážehových motorů přispět ke vzniku nové generace velmi šetrných vznětových motorů?” Odpovědí na tyto otázky se stal motor „4N13”: kompaktní a lehký motor poskytující vysoký výkon, vynikající spotřebu paliva a úrovně emisí s potenciálem pro další vývoj.
Motor 4N13 sdílí základní prvky (lehký hliníkový blok válců litý pod tlakem, plastový kryt hlavy válců - o 50% lehčí než jeho hliníkový ekvivalent atp.…) s nejnovějšími zážehovými motory MMC a využívá jiné pokrokové technologie jako například systém vstřikování paliva common-rail DENSO s tlakem 2000 bar (po vyšší výkon a nižší úroveň emisí CO2 ) nebo o 15 mm odsazený klikový hřídel od osy válců pro nižší tření o stěnu válce a nižší emise CO2. Tato podobnost s rodinou vznětových motorů MMC nabídla některé zřejmé výhody, ať už jde o délku jeho vývoje (přibližně 3 roky od prvních technických studií po zahájení výroby v dubnu 2010*) nebo úsporu nákladů díky využití společných výrobních nástrojů v motorárně MMC Shiga.
Rekordní nízká komprese Klíčem k pochopení procesu vývoje tohoto motoru a jeho výjimečných prodejních vlastností je velmi nízký (pro vznětový motor) kompresní poměr 14,9:1, což je nejnižší hodnota mezi všemi osobními vozy s dieselovým pohonem na trhu. Tento nízký poměr byl jedním z hlavních cílů techniků MMC a MHI, a to proto, aby bylo dosaženo vynikající úrovně hluku, nízkých vibrací a optimalizován neklidný běh motoru 4N13, nízkých emisí – zejména NOx (emise NOx se u vznětových motorů, které obecně pracují při spalování s přebytkem kyslíku, v katalytickém systému jen velmi těžko odstraňují a navíc je na jejich snížení v poslední době emisními předpisy kladen velký důraz zvláště u vznětových motorů) , dlouhodobé spolehlivosti, plynulého chodu motoru a skutečného potěšení z jízdy. Navíc omezení kompresního poměru na 14,9:1 také pomohlo udržet pod kontrolou vnitřních sil a vysoké teploty uvnitř bloku motoru. Díky tomu může být motor lehčí a kompaktnější. A pokud si někdo řekne: „Pozor, se snižujícím se kompresním poměrem klesá i tepelná účinnost motoru!!“ - to může být sice pravda, ale jen z části. Při nízkém kompresním poměru je tepelná účinnost opravdu nízká, ale u příliš vysokého kompresního poměru už neroste křivka celkové účinnosti tak strmě, takže není žádoucí za každou cenu dosahovat extrémně vysokých kompresních poměrů. Navíc při vysokém kompresním poměru nastává potíž se zvyšujícími se mechanickými silami uvnitř motoru a dochází tak k poklesu mechanické účinnosti. Pravdivost této teorie dokazuje postupně se snižující kompresní poměr všech moderních dieselových motorů s přímým vstřikem paliva, která se postupně u všech značek nastává přibližně z hodnot 20:1, které byly naprosto běžné ještě před několika lety až na současných 17:1 nebo 16:1. Motory s vysokým kompresním poměrem zároveň vyžadují použití velmi tuhých konstrukčních prvků (blok motoru, klika, ojnice atd.) a díky nim se takové motory stávají velmi těžké s robustní. Mitsubishi Motors se však podařilo díky další ojedinělé technologii MIVEC dostat se až na hodnotu 14,9 : 1 . Motor se tak vlastně přiblížil hodnotám kompresních poměrů špičkových závodních zážehových motorů, které však musí používat ke svojí bezchybné funkci vysokooktanové palivo. I díky tomu je celý motor lehčí s velmi hladkým během a vysokou životností bez tvorby zbytečných emisí.
Velmi nízký kompresní poměr je zásadní pro snížení emisí a zachování vysokého výkonu motoru 20 CR motory před 2002
Kompresní poměr
19 18 CR motory mezi 2007
17
～2009
16 15 14
14.9 0.4
0.5
Mitsubishi ‘4N13” MIVEC 0.6
0.7
0.8
Zdvihový objem na válec [l]
První na světě: MIVEC Tak jako se vůz i-MiEV (první seriově varáběný elektromobil na světě) stal realitou díky vývoji jeho oceňovaného operačního systému „MiEV OS”, je existence motoru 4N13 do velké míry založena na jiné vlastní technologii společnosti Mitsubishi Motors: MIVEC (zkratka pro „Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system” tedy novátorský systém elektronického variabilního časování a zdvihu ventilů Mitsubishi). Tento systém variabilního časování ventilů Mitsubishi Motors použilo jako první na světě pro vznětové motory lehkých nákladních/osobních vozů je použit pro rozvod sacích ventilů – umožnil dosáhnout kompresního poměru 14,9:1 a sám o sobě se stal příčinou vynikajících dynamických jízdních vlastností tohoto motoru.
MIVEC
Světová premiéra pro dieselové motory osobních vozů Úkol dosáhnout uspokojivého startování za studena i stability spalování při nízkém kompresním poměru byl skutečně splněn tím, že byla technologie MIVEC použita pro: 1) předsunutí načasování zavření sacích ventilů pro zlepšený efektivní kompresní poměr, 2) zmenšení zdvihu na jednom sacím ventilu při nízkých otáčkách motoru pro intenzivnější víření a s tím související regulaci teploty ve válci na konci komprese i proudění ve válci. Konstrukce systému MIVEC je založena na využití dvou různých vačkových profilů pro ovládání sacích ventilů. Přepínáním vahadel pro jednotlivé profily vačky pomocí pístků plněných tlakem oleje na základě povelu od elektromagnetického ventilu je dosaženo různých úhlů otevření sacích ventilů a různých zdvihů ventilů pro různé otáčky a zatížení motoru. Optimalizace tvaru spalovací komory v pístu (tvar „mělké misky“) a parametrů vstřikovacího ventilu byla doplněna o vícestupňové vstřikování Denso s maximálním tlakem až 200MPa a moderními vstřikovači se 7 vstřikovými otvory pro jemnější rozprášení vstřikovaného paliva, které bere do úvahy vytváření směsi a charakteristiky
zapalování, aby bylo podpořeno spalování předem smíchané směsi. Tento systém je dnes schopen vstřikovat až 9x během jednoho pracovního cyklu válce.
S využitím
veškeré dostupné moderní technologie mohlo být dosaženo rekordního kompresního poměru motoru 14,9:1.
Úspora paliva a emisí byla pro výrobce naprosto zásadním úkolem Kromě již zmíněného systému MIVEC výrobce hledal další možností úspory paliva a emisí CO2. Nemalé možnosti v této oblasti skýtalo zvýšení celkové mechanické účinnosti motoru. Motory současných modelů Mitsubishi udělaly za poslední desetiletí obrovský pokrok, ač by se mohlo zdát, že po této stránce už nelze snad nic vylepšit. Mechanická účinnost představuje bilanci motoru v poměru produkovaného výkonu a výkonu ztraceného mechanickým odporem soustrojí, vířením náplní a vlivem zvyšujících se otáček. Zlepšováním mechanické účinnosti současných motorů vede cesta k nižší spotřebě
a dalšímu
zvýšením
výkonu.
Mnohdy
zdánlivě
malicherné
zásahy
konstruktérů se nakonec ukazují jako veledůležitá rozhodnutí. Nový motor 4N13 má stěny pístu potažené matriálem nazvaným GRAFALR (plastový kompozit s příměsí grafitu) snižující tření ve válci, písty jsou osazeny pístními kroužky, které svojí povrchovou úpravou a tvarem snižují tření, konstruktéři použili vyosení kliky oproti ose válců o 15 mm, což vede k nižšímu namáhání stěny válce a snížení tření pístu až o 20%, motor používá plochý samonapínací řemen pro pohon čerpadla chladicí kapaliny, který nepotřebuje napínací kladku a snižují se tak ztráty třením i celková hmotnost motoru.
Další prvky snižující jízdní odpory se vyskytují na brzdových segmentech, kde speciální konstrukcí těsnění brzdových válečků je dosaženo nižších pasivních odporů otáčení kol a brzdových kotoučů při uvolnění brzdového pedálu.
BRZDOVÝ TŘMEN •
Nové brzdové třmeny pro dosažení nižší spotřeby paliva (emisí)
•
Po uvolnění pedálu brzdy je sníženo tření mezi destičkou a kotoučem – brzdový pístek se lépe vrátí do své výchozí polohy
Stlačený
Řez brzdovým třmenem Uvolněný
Zvětšení kuželové plochy pro těsnění pístu brzd
Nový Konvenční
Větší zdvih po uvolnění
Proměnná geometrie Celková výkonnost se ještě více zlepšila díky použití turbodmychadla s proměnnou geometrií (VG) TF 035 od firmy MHI.
Pro připomenutí, cílem technologie proměnlivé geometrie lopatek turbodmychadla je nalezení optimálního plnícího poměru jak při nízkých, tak při vysokých otáčkách, což je samo o sobě zárukou efektivity, zejména v oblastech výfukových emisí a rychlé reakce (neexistence prodlevy, atd…). V případě motoru 4N13 společnosti MMC, bylo účelem použití novátorské konstrukce hliníkového kola kompresoru s 8 lopatkami a upraveným tvarem (místo 12 lopatek na běžném typu) rozšíření provozního rozsahu kompresoru a tudíž zvýšení účinnosti přeplňování. Analogicky se proměnný výkon turbíny přeměňuje na rychlou reakci při akceleraci a optimální plnicí tlak v celém pásmu otáček motoru, aby byl zajištěn dynamický výkon a nízké emise. Při porovnání se stávajícími motory 2.0 DI-D, které byly dosud k dispozici například na modelu Lancer, jsou výhody motoru 4N13 jasné - i když má o 200 ccm menší zdvihový objem, jeho výkonové hodnoty jsou blízké hodnotám motoru vyššího objemu.
TURBODMYCHADLO Výrobce: Mitsubishi Heavy Industries, ltd.
•
Použitím nového tvaru lopatek kompresorového kola je turbodmychadlo schopno vysoké dodávky vzduchu v širší oblasti otáček motoru než při použití konvenčního typu kompresorového kola
•
Variabilní geometrie lopatek, TYP: TVT
180%
Plnění (tlak)
• •
TVT compressor
Convention al
Průtok vzduchu
compresso r
Lepší plnění válců = nižší spotřeba paliva
Konvenční typ 12 lopatek
TVT typ 8 lopatek
Vysoké otáčky motoru
Nízké otáčky motoru
Motory 4N1… tvoří novou moderní rodinu dieselových motorů Motory řady 4N1 nejsou určeny jen pro modely Mitsubishi ASX a Mitsubishi Lancer, ale jejich konstrukci a inovativní detaily se Mitsubishi rozhodlo využít u motorů vyšších zdvihových objemů určených do modelů Mitsubishi Outlander, které tvoří páteř třídy Crossover. Takovým motorem je další úplně nový motor 4N14 o zdvihovém objemu 2 268 cm3 (vrtání a zdvih 86.0mm x 97.6mm). Motor dosahuje špičkových parametrů výkonu a točivého momentu při zachování nízkých emisí, nízkého hluku a úrovně vibrací a to v celém rozsahu otáček a zatížení motoru. Hlavní devizou jsou již zmíněné novátorské technologie proměnlivého časování zdvihu sacích ventilů MIVEC a zachování nízkého kompresního poměru 14,9 :1. Outlander 2.2 DI-D “4N14” (6 M/T) Zdvihový objem Výkon motoru Točivý moment Emise CO2 *uvedená verze není k dispozici pro naše trhy
2 268 cc 130 kW (177 ps) @ 3 500 rpm 380 Nm @2000-3000 rpm 155 g/km (2WD ClearTec)*
Právě zachování klidného a tichého chodu bez zbytečných vibrací bylo kromě zachování nízké spotřeby a úrovně emisí hlavním úkolem vývojového týmu Mitsubishi. Je zřejmé, že s rostoucím zdvihovým objemem a s rostoucí hmotností konstrukčních prvků motoru rostou hmotnosti použitích konstrukčních dílů (píst, ojnice, kliková hřídel atd.) a s tím i nevyvážené hmoty motoru a setrvačné síly. Zvláště vyvážení setrvačných sil 2. řádu je pro klidný běh motorů vyšších zdvihových objemů extrémně důležité. V tomto případě Mitsubishi nenechalo nic náhodě a použilo u motoru 4N14 jednotku vyvažovacích hřídelů umístěnou do olejové vany a poháněnou od klikové hřídele. Vyvažovací hřídele jsou dvě, navzájem se otáčí opačným směrem a mají dvojnásobné otáčky než klikový hřídel motoru.
Motor (4N14) Jednotka vyvažovacích hřídelů
Dalším konstrukčním prvkem zklidňujícím běh motoru a tlumícím nerovnoměrnost chodu 4válcového pístového motoru je dvouhmotový setrvačník, který je u tohoto moderního motoru použit také.
Další nové „Low impact“ technologie -
ClearTec Ekologické poslání motoru Mitsubishi 4N13 bude dále podpořeno použitím plné výbavy pro nízké emise CO2 ClearTec (v závislosti na modelu a trhu), včetně následujících prvků: -
Systém automatického zastavení a nastartování motoru Elektrický posilovač řízení Systém regulace výroby elektřiny
1 - „Systém automatického zastavení a nastartování motoru (AS&G)": Tento systém je založen na jednoduché, ale o to účelnější myšlence: „Pokud motor neběží, nespotřebovává palivo a netvoří žádné emise!!!“ => „Systém
AS&G" automaticky zastaví a znovu nastartuje motor, když vozidlo zastaví (například na semaforech), aniž by se řidič musel dotknout klíčku zapalování. => V praxi to vypadá tak, že když vozidlo zastaví, pedál spojky je uvolněn a řadicí páka je v poloze Neutrál, rozsvítí se kontrolka AS&G ve sdruženém ukazateli a motor se automaticky zastaví. K opětovnému nastartování postačí pouze sešlápnutí pedálu spojky, aby mohl být zařazen převodový stupeň. => Systém AS&G se automaticky aktivuje při přepnutí spínače zapalování do polohy „ON”. Systém AS&G je schopen zastavit a znovu nastartovat motor vozu přibližně 3 minuty po prvním nastartování motoru. => Spínač na přístrojové desce umožňuje, aby řidič systém deaktivoval, pokud si to přeje, například když popojíždí v dopravní zácpě a musí neustále zastavovat a rozjíždět se. => Principem systém „Auto Stop & Go" je, že se přizpůsobuje potřebám vozu (tj. dodávce energie). To znamená, že za určitých okolností se motor nevypne (vnější teplota nižší než 3° C, po automatickém nastartování nedosáhlo vozidlo rychlosti ≥ 5 km/h atp.) a za jiných okolností se motor znovu nastartuje sám. . => Plynulost chodu vlastní vznětovému motoru MIVEC 4N13 s nízkým kompresním poměrem přispívá ke stejně plynulému zastavení/nastartování/zastavení, bez jakékoliv prodlevy mezi zastavením a nastartováním. 2 - Elektrický posilovač řízení: Dalším důkazem flexibility vlastní architektuře platformy nazvané „Globální projekt” firmy MMC je schopnost vybrat různé typy posilovačů řízení pro různé vozy, ať už jde o hydraulické typy s různou mírou vyladění (Outlander, Lancer Evolution) nebo elektrické typy jako v případě vozu ASX i Lancer s moderním dieselovým motorem 4N13 . Jen pro připomenutí, elektrický posilovač řízení má proti hydraulickému zásadní výhody – odebírá energii z motoru pouze tehdy, pokud se otáčí volantem a jeho posilovací účinek lze bez problémů měnit v závislosti na rychlosti jízdy. Obě tyto výhody hydraulický posilovač nemá.
3 - „Systém rekuperace brzdné energie" – řízení alternátoru (GCS): Pro další snížení spotřeby paliva a emisí CO2, je vůz ASX vybaven systémem rekuperace brzdné energie (nebo-li „Systémem regulace výroby elektřiny”), který se skládá z alternátoru, palubního akumulátoru a proudového senzoru. => Tento systém GCS umožňuje regenerovat výkon v průběhu brzdění nebo zpomalování a dobíjet akumulátor. => Nashromážděná energie se pak použije, když vůz jede na volnoběh, zrychluje nebo jede stabilní rychlostí, aby v těchto režimech bylo sníženo zatížení alternátoru a snížena spotřeba paliva. => Když je alternátor deaktivovaný, když se používá energie ze systému regeneračního brzdění (z akumulátoru), alternátor se i nadále otáčí, ale nedodává do systému žádnou energii, což snižuje magnetické tření a zmenšuje zatížení motoru. => Generování elektrické energie je přesně řízeno na základě sledování elektrického zatížení vozidla a stavu nabití akumulátoru tak, aby bylo zaručeno, že je k dispozici dostatek energie a že je maximálně snížena spotřeba paliva. Jedním ze základních prvků pro správnou funkci tohoto systému je snímač proudu, která sleduje velikost elektrického náboje, který přitekl do akumulátoru, nebo který akumulátor naopak dodal do palubní sítě.
ŘÍZENÍ REKUPERACE : Silové vedení : Ovládací vedení
Regulace alternátoru
Signál o proudu dodávaného /
Proudový senzor
Alternátor s variabilní dodávkou napětí
Řídicí jednotka motoru
Baterie
Elektrická zátěž vozu
