NANOSLIDE tłoki ze stali zamiast aluminiowych

Mercedes-Benz, jako pierwszy producent, wymienia stosowane dotychczas w osobowych modelach z silnikami Diesla tłoki aluminiowe na tłoki z wysokowytrzymałej stali.

W połączeniu z technologią powlekania gładzi cylindrowych NANOSLIDE ma się to przyczynić do niższego zużycia paliwa i emisji spalin.

W 1936 r. Mercedes-Benz jako pierwszy producent na świecie zaprezentował samochód osobowy z silnikiem o zapłonie samoczynnym. Od tamtej pory marka ze Stuttgartu konsekwentnie wprowadza innowacje, które przyczyniły się do rozwoju i popularyzacji diesli.

Teraz inżynierowie Mercedes-Benz po raz kolejny "dokręcają śrubę". We wrześniu br. Klasa E 350 BlueTEC jako pierwsze auto osobowe otrzyma wysokoprężną jednostkę V6 z nowymi tłokami, wykonanymi z wysokowytrzymałej stali. Model będzie miał taką samą moc jak wcześniej - 258 KM, ale jego zużycie paliwa ma być zredukowane o ok. 3% do 5 l/100 km.

Stalowe tłoki można już spotkać w wielu pojazdach użytkowych, gdzie stosuje się je wraz z żeliwnymi skrzyniami korbowymi. Tłoki aluminiowe przez lata upowszechniły się w natomiast silnikach montowanych w autach osobowych. Zaprojektowane przez Mercedes-Benz tłoki ze stali współpracują z lekkim kadłubem silnika z aluminium oraz technologią powlekania gładzi cylindrowych NANOSLIDE, również opracowaną przez inżynierów ze Stuttgartu.

Stal i aluminium znacząco różnią się własnościami: stal w mniejszym od aluminium stopniu rozszerza się pod wpływem temperatury, słabiej przewodzi ciepło, a do tego jest cięższa. Choć w pierwszej chwili połączenie aluminiowego kadłuba ze stalowymi tłokami nie wydaje się korzystne, to inżynierowie Mercedes-Benz odkryli możliwości wspólnego zastosowania tych materiałów poprzez odpowiednie wykorzystanie różniących ich cech.

W praktyce rozgrzany stalowy tłok rozszerza się w stopniu czterokrotnie mniejszym od jego aluminiowego odpowiednika i może być ciaśniej osadzony w cylindrze. W miarę wzrostu temperatury operacyjnej silnika wzrasta jednak luz między nim a aluminiowym kadłubem, co skutkuje mniejszym tarciem. A ponieważ na zespół tłok-cylinder przypada 40-50% tarcia mechanicznego, jego ograniczenie może przyczynić się do poprawy wydajności.

Jak dotąd, stalowe tłoki nie były przystosowane do pracy z aluminiowymi kadłubami. Mercedes-Benz opracował nowy typ takich tłoków - wykonanych z kutej, wysokowytrzymałej stali. Jako pierwszy otrzyma je model E 350 BlueTEC z turbodieslem V6 zaopatrzonym w aluminiową skrzynię korbową oraz technologię powlekania gładzi cylindrowej NANOSLIDE.

Nowe tłoki powstają w złożonym procesie produkcji. Zastosowanie wytrzymalszej stali miało pozwolić na opracowanie bardziej zwartej konstrukcji, co mniej więcej równoważy fakt, że nowy materiał jest trzykrotnie gęstszy od aluminium. Konkretnie, nowe tłoki stalowe są o 13 mm niższe od aluminiowych (58,6 mm wobec 71,6 mm). Za sprawą zmienionej geometrii, waga tłoka ze sworzniem i pierścieniami jest porównywalna z jego aluminiowym odpowiednikiem. Tak więc niemal całkowicie zniwelowano różnice w masie stali i aluminium, zapewniając dodatkowo rezerwy wytrzymałości na wypadek wzrostu ciśnienia szczytowego w nowszych konstrukcjach.

Równocześnie, zastosowanie stalowych tłoków miało pozwolić na zwiększenie poziomu wydajności - stal ma mniejszą od aluminium przewodność cieplną, co oznacza, że w komorze spalania osiągane są wyższe temperatury. Rezultatem powinna być lepsza jakość zapłonu i krótszy czas spalania, a co za tym idzie - niższe zużycie paliwa oraz emisja spalin. Mercedes-Benz uwzględnił mniejszą przewodność cieplną stali przy projektowaniu tłoków. Otrzymały one m.in. zmodyfikowane kanały chłodzące.

Testy wykazały, że tłoki stalowe przyczyniają się do optymalizacji procesu spalania i ograniczenia tarcia. Co więcej, wg pomiarów, ich zastosowanie przyczynia się do zmniejszenia zużycia paliwa w zakresie niskich i średnich prędkości obrotowych.

Specjaliści od silników Mercedes-Benz dostrzegają kolejne zalety nowych tłoków</> do wykorzystania w przyszłości: - stal pozwala konstruować mniejsze tłoki i ma większe zdolności do radzenia sobie z obciążeniami mechanicznymi. To szczególnie korzystne pod kątem dalszego downsizingu silników;

• stalowe tłoki są bardziej wytrzymałe od aluminiowych, a więc zaopatrzone w nie silniki Diesla mogą osiągać wyższe temperatury pracy i wyższy poziom wydajności termodynamicznej;
• mniejsza przewodność cieplna stali w porównaniu z aluminium pozwala ograniczać odległość pomiędzy tłokiem a krawędzią cylindra nad pierścieniem uszczelniającym, co przyczynia się do zmniejszenia ilości zanieczyszczeń i nieoczyszczonych spalin.

Tłoki z wysokowytrzymałej stali stanowią kolejny etap ewolucji silników Diesla Mercedes-Benz. Inżynierowie ze Stuttgartu ciągle pracują nad tym, aby jednostki wysokoprężne stanowiły realną alternatywę dla pozostałych źródeł napędu.

Wysokoprężna V6, która trafi pod maskę E 350 BlueTEC, od czasów debiutu w typoszeregu 212 w 2008 r. przeszła liczne stadia rozwoju. Korzysta ona z technologii powlekania gładzi cylindrowych NANOSLIDE, po raz pierwszy wprowadzonej przez Daimlera w benzynowym silniku AMG V8 siedem lat temu. Technologia ta wykorzystuje powłokę TWAS (twin-wire arc-sprayed coating) - żelazo i węgiel roztapiane są w łuku elektrycznym, a następnie natryskiwane w postaci kropel, pod wpływem strumienia gazu, na wewnętrzne ścianki cylindrów. Tak powstaje nanokrystaliczna warstwa o niemal lustrzanej powierzchni z drobnymi porami. W porównaniu do konwencjonalnych rozwiązań ograniczono tu tarcie pomiędzy tłokiem, a gładzią cylindra, a dodatkowo uzyskano wysoką odporność na ścieranie.

W rezultacie turbodiesel V6 w Klasie E zużywa mniej oleju napędowego niż wcześniej. W 2009 r. średnie zużycie paliwa modelu E 320 CDI wynosiło średnio 6,8 l/100 km, a jego nowego wcielenia z roku 2013 - 5,4 l/100 km. Za sprawą nowych tłoków wartość ta ma spaść poniżej 5,3 l/100 km. W ciągu ostatnich 6 lat moc jednostki wzrosła z 211 KM do obecnych 258 KM.

Przewiduje się, że nowe tłoki niebawem trafią do 4-cylindrowych turbodiesli Mercedesa.

źródło: Mercedes-Benz