Przełom technologiczny Scania

, 13 października 2007, 0:00

Scania zbudowała silnik spełniający normę emisji Euro 5, bez konieczności oczyszczania spalin. Rozwiązanie to oznacza większą wygodę dla użytkownika. W celu uzyskania wysokich osiągów i małego zużycia paliwa wprowadzono kilka nowych technologii, w tym nowy układ wtrysku paliwa. Dwa spośród nowej gamy silników, przeznaczone do zastosowań w transporcie miejskim, spełniają również normę emisji EEV.

Po pięcioletnim okresie prac badawczo-rozwojowych prowadzonych w Centrum Technicznym Scania w Södertälje, w Szwecji, nowa platforma silnikowa Scania Euro 5 jest gotowa do wprowadzenia na rynek. W pierwszej kolejności oferowane będą silniki 5- i 6-cylindrowe w układzie rzędowym. W ciągu kilku kolejnych lat wszystkie obecne silniki zastępowane będą jednostkami napędowymi nowej generacji. Norma emisji Euro 5 zacznie obowiązywać w krajach Unii Europejskiej od października 2009 r.

Nową platformę silnikową opracowano od podstaw z myślą o technice recyrkulacji spalin EGR oraz Scania XPI, nowym układzie wtryskowym zaprojektowany wspólnie z firmą Cummins. Zasadniczy wpływ na założenia projektowe miały wymagania dotyczące osiągów i oszczędności paliwa, a także ochrony środowiska, wytrzymałości konstrukcji i wygody użytkowania. Dzięki technice EGR emisja zanieczyszczeń jest utrzymywana na niskim poziomie już na etapie spalania, w związku z czym nie ma potrzeby stosowania układu oczyszczania spalin i instalowania w pojeździe zbiorników na dodatki chemiczne.

Scania w pełni kontroluje wszystkie strategiczne etapy budowy projektowania i badań silników: projektowanie i produkcję kadłuba, układu sterowania, układu wtryskowego i układu odpowiadającego za emisję spalin.

Rzędowe silniki Scania Euro 5 i EEV z układem EGR
 
* Silnik zasilany etanolem
Więcej informacji można znaleźć w odrębnych publikacjach dotyczących gamy silników i danych technicznych.

Wyższe osiągi bez pogarszania ekonomiki paliwowej

Silniki nowej generacji zaprojektowano z myślą o małym zużyciu paliwa, w pełni konkurencyjnym do silników Scania Euro 3 i Euro 4. Duży moment obrotowy dostępny przy niskich prędkościach stwarza dodatkowe możliwości oszczędzania paliwa poprzez dobór „szybszego” przełożenia przekładni głównej.

Wszystkie silniki zestrojono tak, aby maksymalny moment obrotowy rozwijały począwszy od 1000 obr/min. Rezultatem są lepsze własności trakcyjne i duża moc przy niskiej prędkości obrotowej. Górna granica prędkości obrotowej dla maksymalnego momentu obrotowego wynosi 1350 obr/min w przypadku silników 9-litrowych oraz 1300 obr/min w przypadku jednostek 13-litrowych.

W klasie jednostek napędowych o mocy 300-500 KM 5- i 6-cylindrowe silniki Scania (Euro 4 i Euro 5) charakteryzują się wyższym średnim stosunkiem momentu obrotowego do mocy (Nm/KM) niż silniki konkurencyjnych marek.

Wydłużone okresy międzyobsługowe
Cechą silników opartych na nowej platformie są wydłużone okresy pomiędzy kolejnymi wymianami oleju. Ma to pozytywny wpływ na dyspozycyjność i harmonogram obsługi technicznej.

Obecnie interwały wymiany oleju wynoszą:
– Do 120 000 km dla pojazdów o maks. dopuszczalnej masie całkowitej zespołu pojazdów 36t
– Do 120 000 km dla pojazdów o maks. dopuszczalnej masie całkowitej zespołu pojazdów 45t.

Podobnie jak w przypadku wcześniejszych jednostek napędowych Scania, również nowa platforma silnikowa jest oparta na koncepcji budowy modułowej, polegającej na stosowaniu tych samych podzespołów i układów w różnych seriach silników. Podejście takie ułatwia obsługę serwisową, szkolenie personelu i dostawy części zamiennych.

Nowe cechy
– Poziom oleju silnikowego jest obecnie widoczny w zestawie wskaźników i w celu jego sprawdzenia kierowca nie musi wysiadać z kabiny. Poziomu oleju nie da się odczytać przy pracującym silniku. Po wyłączeniu silnika na wyświetlaczu pojawia się wskazanie przewidywanego czasu, jaki należy odczekać, aby olej spłynął do miski olejowej i kontrola poziomu oleju była ponownie możliwa. Różnica pomiędzy znakami maks./min. wynosi 5 i 8 litrów, odpowiednio dla silników 9- i 13-litrowych.

– Inteligentny obwód ładowania akumulatora reguluje napięcie pobierane z alternatora w zależności od temperatury akumulatora. Przy niskiej temperaturze napięcie to jest wyższe i spada wraz ze wzrostem temperatury. Dzięki temu zimne akumulatory są ładowane szybko, zaś przebieg ładowania akumulatorów ciepłych jest bardziej łagodny. – Wydajniejszy alternator, 100 A, jest dostępny jako wyposażenie standardowe. W opcji oferowany jest alternator o bardzo wysokiej wydajności 150 A.

Emisja spalin
Wszystkie nowe silniki spełniają normę emisji spalin Euro 5. Dwa silniki 9-litrowe, o mocy 230 i 280 KM, spełniają także najbardziej wymagającą obecnie normę emisji EEV.

W celu zagwarantowania niskich poziomów emisji wszystkich zanieczyszczeń, których dotyczą normy, jednostki napędowe o mocy 230 i 280 KM są wyposażone w bezobsługowy, bocznikowy filtr cząstek stałych. Pozostałe silniki Euro 5 spełniają normy emisji bez konieczności oczyszczania spalin. Dotyczy to również silnika zasilanego etanolem.

Własny układ sterowania silnikiem
Aby zachować kontrolę nad wszystkim, co ma związek z osiągami silnika, Scania opracowała nową generację układów sterowania silnikiem. Układy te nadzorują ogromną liczbę funkcji i systemów, takich jak np. wtrysk paliwa, dwustopniowy układ EGR, doładowanie, wentylator i temperatura silnika, turbosprężarka o zmiennej geometrii łopatek, hamulec wydechowy, czystość spalin (kontrola stężenia NOx), układ oczyszczania spalin i poziom oleju silnikowego.

Elektroniczna jednostka sterująca znajduje się po „zimnej” stronie silnika. W silnikach 6-cylindrowych jednostka sterująca jest chłodzona paliwem pobieranym ze zbiornika przez pompę zasilającą. W silnikach 5-cylindrowych wystarczające chłodzenie zapewnia strumień powietrza.

W nowym układzie sterowania silnikiem zaimplementowano również zaawansowane funkcje diagnostyczne, których zakres nadal będzie stopniowo poszerzany. Funkcje te pozwalają na odczyt szczegółowych danych eksploatacyjnych celem ich dalszej analizy. Przy pomocy nowego przyrządu diagnostycznego Scania Communicator możliwy jest zdalny odczyt tych danych, za pośrednictwem systemu zarządzania flotą Scania Fleet Management. Analizowane mogą być zarówno dane dotyczące kierowcy, jak i pojazdu.

Architektura silnika
Najnowsza platforma silnikowa to całkowicie nowa konstrukcja, ale oparta na tradycyjnych cechach Scania, takich jak odrębne głowice cylindrów, wałek rozrządu zabudowany u góry bloku cylindrów oraz koła zębate mechanizmu rozrządu umieszczone z tyłu silnika, a także odśrodkowy filtr oleju.

Średnica cylindra (jednostki 9- i 13-litrowe) oraz skok tłoka (jednostka 13-litrowa) uległy niewielkim zmianom, których rezultatem jest wzrost pojemności skokowej w porównaniu do obecnej gamy silników.
Blok cylindrów i inne elementy kadłuba zostały przeprojektowane tak, aby uzyskać większą wytrzymałość, bez konieczności stosowania specjalnych gatunków stali. Konstrukcja miski olejowej silników 6-cylindrowych jest oparta na przestrzennej, żebrowanej ramie przeciwdziałającej emisji drgań i hałasu. W 5-cylidrowych silnikach o pojemności 9 litrów funkcję tę pełnią dwa wałki wyważające.

Układ wtryskowy Common Rail
Nowy wysokociśnieniowy układ wtryskowy typu Common Rail, Scania XPI (Extra High-pressure Injection), został opracowany wspólnie z firmą Cummins.
Prace badawczo-rozwojowe ukierunkowano na uzyskanie ciśnienia wtrysku wyższego niż typowe dla układów tego typu. Wysokie ciśnienie wtrysku już na etapie spalania zapewnia mniejszą zawartość cząstek stałych w spalinach, eliminując konieczność oczyszczania spalin w celu spełnienia norm emisji Euro 5.
Nowy układ pozwala na dużą swobodę w doborze kąta wyprzedzenia i czasu trwania wtrysku oraz ciśnienia wtrysku. W układzie Common Rail dwa pierwsze parametry nie zależą od pozycji wałka rozrządu, zaś wysokie ciśnienia wtrysku są dostępne przez cały czas, niezależnie od prędkości obrotowej silnika. Istnieje również możliwość stosowania wtrysku wielofazowego (patrz niżej).

Sterowanie wtryskiem paliwa odbywa się w pełni elektronicznie. Oznacza to, że do uruchamiania wtryskiwaczy nie są potrzebne krzywki na wałku rozrządu, popychacze, drążki popychaczy i dźwignie.

Paliwo pod wysokim ciśnieniem jest stale dostępne w magistrali paliwowej (zasobniku), dzięki czemu wtrysk paliwa jest możliwy w każdej chwili, bez względu na pozycję wałka rozrządu.

Schemat układu Scania XPI
1. Pompa zasilająca (niskociśnieniowa)
2. Filtry paliwa z separatorem wody
3. Zawór dozujący
4. Pompa wysokiego ciśnienia
5. Magistrala paliwowa (zasobnik)

6. Czujnik ciśnienia w magistrali paliwowej
7. Mechaniczny zawór przelewowy
8. Magistrala powrotna
9. Elektronicznie sterowany wtryskiwacz

Zasada działania układu Scania XPI
– Za pośrednictwem wstępnego filtra paliwa z separatorem wody oraz obwodu chłodzenia elektronicznej jednostki sterującej niskociśnieniowa pompa zasilająca zasysa paliwo ze zbiornika i tłoczy je do filtrów dokładnego oczyszczania. Woda zawarta w paliwie spływa do odstojnika poprzez automatyczny zawór odwadniający.

– Paliwo jest podawane do zaworu dozującego i dalej, do pompy wysokiego ciśnienia. Obydwie pompy wraz zaworem dozującym stanowią jeden zespół, napędzany od kół mechanizmu rozrządu silnika.
– Pompa wysokiego ciśnienia tłoczy paliwo o ciśnieniu roboczym do magistrali paliwowej (zasobnika) umieszczonej wzdłuż silnika, po zimnej jego stronie.
– Zadaniem zaworu dozującego jest regulacja ciśnienia roboczego w zakresie od 500 bar na biegu jałowym do wartości maksymalnej 2400 bar. Średnie ciśnienie robocze wynosi 1800 bar.
– Zawór dozujący jest sterowany elektronicznie w oparciu o sygnały z czujnika ciśnienia w magistrali paliwowej. Mechaniczny zawór przelewowy zapobiega nadmiernemu wzrostowi ciśnienia w magistrali paliwowej poprzez skierowanie nadmiarowego paliwa z powrotem do zbiornika za pośrednictwem magistrali powrotnej.
– Wszystkie wtryskiwacze są w sposób ciągły zasilane paliwem pod wysokim ciśnieniem, dopływającym z magistrali paliwowej. Realizację faz wtrysku paliwa umożliwia elektronicznie sterowany zawór elektromagnetyczny znajdujący się w każdym wtryskiwaczu. Wtryskiwacz pozostaje otwarty dopóty, dopóki jednostka sterująca podaje napięcie do zaworu elektromagnetycznego.

– Dawka paliwa zależy od czasu otwarcia wtryskiwacza i ciśnienia w magistrali paliwowej. Kąt wyprzedzenia wtrysku zależy od czasu przekazania impulsu z jednostki sterującej.
– Wtrysk paliwa do wnętrza komory spalania następuje za pośrednictwem końcówki wtryskiwacza.

Wtrysk wielofazowy
Elektroniczny układ sterowania Scania umożliwia realizację tzw. wtrysku wielofazowego. W pierwszym etapie do komory spalania silnika podawana jest niewielka dawka wstępna (pilotująca), która ma za zadanie zredukowanie poziomu hałasu i wytworzenie warunków w komorze spalania zapewniających niski poziom emisji substancji toksycznych.

Dawka końcowa (tzw. powtrysk), podawana krótko po wtrysku głównym, zmniejsza zawartość cząstek stałych (sadza) i tlenków azotu NOx w spalinach. Umożliwia również dostosowanie temperatury spalin do wymagań układów oczyszczania, które mogą być wymagane w przyszłości.

Układ recyrkulacji spalin EGR z dwustopniowym chłodzeniem
Technika Scania EGR z dwustopniowym chłodzeniem
Stopień 1:
cieczowa chłodnica EGR umieszczona wzdłuż bloku cylindrów
Stopień 2:
powietrzna chłodnica EGR umieszczona nad chłodnicą powietrza doładowującego

Zastosowanie techniki EGR także w silnikach Euro 5 oznacza, że klienci nadal nie muszą używać żadnych dodatków chemicznych. Technika Scania EGR została poddana modyfikacji mającej na celu wzrost sprawności i wydajności recyrkulacji spalin.

Mieszanie schłodzonych spalin z powietrzem w kolektorze dolotowym umożliwia zmniejszenie zawartości tlenu w ładunku cylindra. Rezultatem jest niższa temperatura spalania prowadząca do redukcji emisji tlenków azotu NOx bezpośrednio w komorze spalania.

Na silniku umieszczona jest wysokowydajna cieczowa chłodnica EGR, w której spaliny doprowadzane z kolektora wydechowego są schładzane, a następnie przekazywane do kolektora dolotowego lub do chłodnicy drugiego stopnia. Ilość spalin przedostających się do kolektora dolotowego jest sterowana elektronicznie za pośrednictwem zaworu EGR oraz wskutek modyfikacji przeciwciśnienia spalin poprzez zmianę geometrii łopatek turbosprężarki.

Aby zapewnić właściwą temperaturę i natężenie przepływu gazów, w silnikach o dużej mocy stosuje się dwustopniowe chłodzenie spalin. Drugi stopień chłodzący ma postać powietrznego wymiennika ciepła zamontowanego nad chłodnicą powietrza doładowującego. Przepływ spalin do chłodnicy EGR drugiego stopnia reguluje zawór obejściowy.

Niektóre rozwiązania zastosowane w nowym dwustopniowym układzie EGR zostały opatentowane przez Scania.

Scania VGT (turbosprężarka o zmiennej geometrii łopatek)
1. Wlot powietrza
2. Wirnik sprężarki
3. Wylot powietrza
4. Czujnik prędkości obrotowej
5. Siłownik
6. Pierścień przesuwny
7. Wirnik turbiny

8. Wlot spalin
9. Wylot spalin

Turbosprężarka o zmiennej geometrii łopatek VGT
Regulacje geometrii i przepływu gazów przez turbosprężarkę umożliwia pierścień przesuwny sterowany siłownikiem elektrycznym. Dzięki temu możliwa jest precyzyjna kontrola zarówno stopnia doładowania, jak i stopnia recyrkulacji spalin w całym zakresie użytecznych prędkości obrotowych silnika. Turbosprężarka VGT zapewnia szybszą reakcję jednostki napędowej i wzrost momentu obrotowego przy niskich prędkościach obrotowych. Przyspiesza również działanie układu Scania Opticruise dzięki utrzymaniu prędkości obrotowej wirnika turbiny podczas zmiany biegów.

Inne nowości dotyczące układów napędowych

– Wprowadzono funkcję hamowania mieszanego, wykorzystującą Scania Retarder w czasie redukcji biegów przy zjeździe ze wzniesienia. Oznacza to chwilowe uruchamianie hamulców zasadniczych w celu wypełnienia przerwy w hamowaniu silnikiem w trakcie zmiany biegu, pozwalające na utrzymanie stałej prędkości.
– W pojazdach z silnikami V8 przeznaczonych do eksploatacji w gorących strefach klimatycznych dostępny jest 11-łopatkowy wentylator silnika.
– Dalsze wydłużenie trwałości sprzęgła umożliwia potrójna funkcja monitorowania: ostrzeżenie o przeciążeniu, zabezpieczenie przed zużyciem i wykrywanie poślizgu.

Komentarze

Brak komentarzy