Choć zmiany wizualne w zmodernizowanych ciężarówkach DAF wydają się kosmetyczne, kluczowa rewolucja zaszła pod kabiną. Inżynierowie poświęcili dekadę na przebudowę silników PACCAR MX oraz ich osprzętu, sięgając po rozwiązanie, które zmienia całą dynamikę procesu spalania. Jak modyfikacja pracy jednego elementu pozwoliła obniżyć obroty i zużycie paliwa bez kompromisów w kwestii mocy?

Modernizacja silników PACCAR MX-11

Na pierwszy rzut oka zmodernizowane samochody DAF, zaprezentowane na IAA 2024, zmieniły się tylko nieznacznie. Nowe elementy atrapy chłodnicy, kolejne systemy wspierające kierowcę, bogatsze wyposażenie. Jedna z najważniejszych modyfikacji działa jednak tam, gdzie oczy nie widzą, a więc we wnętrzu silnika – w chwili, gdy zawór dolotowy w klasycznym dieslu powinien już się zamknąć.

Czy obniżenie spalania zawsze wymaga kompromisów? Niekoniecznie. Zespół odpowiedzialny za modernizację silników PACCAR MX-11 i MX-13 znalazł sposób, by ograniczyć straty energii i emisję tlenków azotu, poprawić efektywność, nie odbierając przy tym ciężarówce charakteru oczekiwanego przez przewoźników i kierowców.

Celu nie osiągnięto przez jedną rewolucyjną zmianę, lecz dzięki przemyślanemu podejściu, modernizacji wielu komponentów silnika i jego osprzętu, a także wnikliwej weryfikacji czy efekty są zgodne z założeniami. Prace nad zastosowaniem cyklu Millera oraz dostrojeniem współpracujących z nim komponentów trwały około dekady. Nie chodziło przy tym o podniesienie katalogowych wartości mocy czy momentu obrotowego, lecz o poprawę użyteczności silnika przy niskich obrotach i ograniczenie zużycia paliwa.

Jak wyjaśnia Raoul Wijnands, Senior Project Manager odpowiedzialny za testy w DAF Trucks, w rozmowie dla podcastu BIGtruck.nl:

– Naszym zadaniem było doprowadzić do tego, by po wszystkich testach samochód spełniał założenia produktu. W przypadku tej modernizacji oznaczało to sprawdzenie nie tylko samej efektywności, ale też tego, jak silnik zachowuje się pod obciążeniem, jak reaguje i czy zachowuje właściwą charakterystykę momentu obrotowego.

Wszystko zaczyna się od zaworu
W klasycznym silniku czterosuwowym zawór dolotowy zamyka się, gdy tłok osiąga dolne martwe położenie. Następnie tłok rusza ku górze i spręża całe powietrze, które wcześniej trafiło do cylindra. W najnowszych wersjach silników PACCAR MX, pracujących w cyklu Millera, zawór pozostaje otwarty przez początkową część ruchu tłoka ku górze. Część powietrza wraca wtedy z cylindra do kolektora dolotowego. Po zamknięciu zaworu tłok spręża już mniejszą porcję powietrza.

– Wypychanie części powietrza z powrotem do kolektora wymaga mniej energii niż sprężanie całego ładunku w cylindrze. To jeden ze sposobów na ograniczenie strat i poprawę sprawności – wyjaśnia Wijnands.

To pozornie niewielka korekta faz rozrządu zmienia cały bilans pracy silnika. Z jednej strony ogranicza energię potrzebną do sprężania powietrza. Z drugiej zmienia warunki panujące w cylindrze przed wtryskiem paliwa. A to pozwoliło podejmować kolejne decyzje konstrukcyjne.

Mniej tlenu, mniej recyrkulacji spalin
Wysoka temperatura spalania i duża ilość tlenu w cylindrach silników wysokoprężnych sprzyjają powstawaniu tlenków azotu (NOx). Jednym z narzędzi ograniczania tego zjawiska jest układ recyrkulacji spalin EGR, który zawraca część spalin do dolotu. Zawracane spaliny zajmują miejsce części tlenu i zmieniają warunki spalania. Cykl Millera daje dodatkową możliwość sterowania tym procesem. Późniejsze zamknięcie zaworu dolotowego sprawia, że w cylindrze pozostaje mniej tlenu. Dzięki temu silnik może osiągnąć zakładany poziom kontroli NOx przy niższym udziale spalin zawracanych przez układ EGR.

– Dzięki zastosowaniu cyklu Millera mogliśmy ograniczyć skalę recyrkulacji spalin, zachowując ten sam poziom tlenków azotu trafiających do układu SCR oraz to samo zakładane zużycie AdBlue. To pozwoliło dalej pracować nad sprawnością silnika – tłumaczy Wijnands.

Droga do wcześniejszego wtrysku
Niższy udział spalin zawracanych przez układ EGR jest tylko jednym z ogniw całego łańcucha zmian. Jego znaczenie ujawnia się dopiero przy ustawieniu procesu wtrysku paliwa.

– Przy niższej wartości recyrkulacji spalin możemy rozpocząć wtrysk nieco wcześniej. To dodatkowo podnosi sprawność jednostki napędowej. W silnikach bardzo często poprawa jednego parametru oznacza kompromis w innym obszarze. Tutaj mogliśmy pracować równocześnie nad ograniczeniem ilości tlenków azotu i wzrostem efektywności. To sytuacja, która nie zdarza się często – podkreśla Wijnands.

Cykl Millera to zmiany w całym silniku
Późniejsze zamknięcie zaworu dolotowego nie mogło zostać wdrożone bez przebudowy wielu elementów silnika i jego osprzętu. Modernizacja objęła turbosprężarkę i układ EGR, wtryskiwacze, chłodzenie oraz sprężarkę powietrza zasilającą instalację pneumatyczną pojazdu. Zmodyfikowano również wał korbowy, aby zwiększyć skuteczność pracy według zasady cyklu Millera.

W silniku PACCAR MX-13 zastosowano turbosprężarkę o zmiennej geometrii łopatek, układ common rail o maksymalnym ciśnieniu wtrysku 2500 bar oraz wtryskiwacze szerokokątne. Pompa cieczy chłodzącej otrzymała dwa sposoby napędu: przy niewielkim zapotrzebowaniu na chłodzenie pracuje elektrycznie, a gdy rośnie obciążenie silnika, dołącza się napęd paskowy. W wybranych konfiguracjach dostępna jest sprężarka powietrza ze sprzęgłem, stanowiąca element rozwiązań ograniczających zapotrzebowanie osprzętu na energię silnika.

Wyższy stopień sprężania
Cykl Millera ogranicza ilość powietrza pozostającego w cylindrze po zamknięciu zaworu dolotowego. Konstruktorzy musieli zatem zadbać o to, aby silnik zachował właściwy przebieg spalania oraz charakterystykę momentu obrotowego.

– Zwiększyliśmy stopień sprężania, aby utrzymać właściwe warunki początku spalania, jego przebieg oraz charakterystykę momentu obrotowego, której oczekuje się od nowoczesnego silnika wysokoprężnego – wyjaśnia Wijnands.

To jeden z najważniejszych elementów całego projektu. DAF zmienił moment zamknięcia zaworu, ograniczył straty podczas sprężania i stworzył nowe możliwości kontroli NOx, ale równolegle musiał zabezpieczyć to, czego nie widać w wynikach spalania: przewidywalną reakcję silnika, równomierne budowanie momentu i oczekiwane właściwości jezdne pod obciążeniem.

530 KM i nowe przełożenie tylnego mostu
Modernizacja silników PACCAR MX to nie koniec zmian. Kolejne dotyczyły osi napędowej. Wcześniej najszybsze przełożenie stosowane w standardowych ciągnikach z oponami 315/70 R22.5 wynosiło 2.21. Przełożenie 2.05 było dostępne przede wszystkim w ciągnikach low deck na mniejszych kołach i z silnikami o mocy do 480 KM.

Silnik 530 KM dysponuje znacznie wyższym momentem obrotowym, dlatego wymagał osi zdolnej przenieść większe obciążenia. Rozwiązaniem była modernizacja mostu SR1344.

– Zastosowaliśmy wzmocniony wałek atakujący, który pozwolił osi SR1344 skutecznie współpracować z momentem obrotowym silnika PACCAR MX-13 530. Dzięki temu mogliśmy połączyć tę moc z przełożeniem 2.05 także w standardowym ciągniku na oponach 315/70 R22.5 – mówi Wijnands.

Te zmiany przyczyniły się do obniżenia prędkości obrotowej silnika. Przy 85 km/h prędkość obrotowa wynosi około 950 obr./min zamiast 1030 obr./min, czyli o 7 proc. mniej.
Nie chodziło jednak wyłącznie o obniżenie obrotów. Długie przełożenie 2.05, wysoki moment obrotowy silnika oraz nowa strategia zmiany biegów tworzą wspólny układ. Podczas spokojnej jazdy autostradowej silnik może pracować przy niskich obrotach, a gdy zmienia się obciążenie lub topografia trasy, skrzynia biegów szybko dobiera niższe przełożenie, aby wykorzystać pełen potencjał jednostki napędowej.

530 KM – osiągi i wydajność na długich trasach
PACCAR MX-13 390 rozwija 530 KM i zapewnia 2700 Nm momentu obrotowego od 900 obr./min na najwyższym biegu w skrzyni z przełożeniem bezpośrednim. Dotychczas wersję 530 KM wybierano przede wszystkim wtedy, gdy liczył się wysoki moment, zdolność do utrzymywania dobrych średnich prędkości i zapas osiągów na wymagających trasach. W takich zastosowaniach większe zużycie paliwa mogło być akceptowanym kompromisem.

– Wersja 530 KM była kupowana przez klientów, którzy chcieli ciągnąć ciężkie ładunki, utrzymywać tempo i korzystać z wysokiego momentu obrotowego. Dziś nadal zapewnia te możliwości, ale podczas jazdy autostradowej może też pracować przy bardzo niskich obrotach i wyjątkowo niskim poziomie hałasu. Połączenie mocy i momentu obrotowego z przełożeniem 2.05 daje bardzo dobrą elastyczność – podkreśla Wijnands.

Jeden zawór, cała seria zmian
Cykl Millera w DAF-ach roku modelowego 2025 nie jest pojedynczą technologiczną ciekawostką. To punkt wyjścia dla całej serii decyzji: zmiany faz rozrządu, niższej intensywności recyrkulacji spalin, wcześniejszego wtrysku, wyższego stopnia sprężania, modernizacji osprzętu i w końcu nowego przełożenia osi.

Właśnie ta współpraca wielu elementów pozwala połączyć niższe obroty, wysoką elastyczność oraz ograniczenie strat energii. DAF deklaruje, że pakiet zmian w układzie napędowym i aerodynamice może poprawić efektywność paliwową nawet o 3 proc. względem wcześniejszych modeli nowej generacji DAF.

Cała historia zaczyna się jednak od bardzo małego elementu. Od zaworu dolotowego, który pozostaje otwarty przez ułamek sekundy dłużej – i uruchamia zmiany wpływające na sposób, w jaki ciężarówka spala paliwo, ogranicza emisje i pracuje na trasie.
Podpis pod zdjęciem
Wprowadzenie cyklu Millera do silników wysokoprężnych to efekt wieloletniej pracy inżynierów i projektantów marki DAF.