Νέοι πετρελαιοκινητήρες Mitsubishi «4N1» «…με υψηλές επιδόσεις και χαμηλές περιβαλλοντικές επιπτώσεις»

Παράλληλα με το φιλόδοξο πρόγραμμα της ευέλικτης παγκόσμιας πλατφόρμας “Project Global” για τις κατηγορίες C & D, η Mitsubishi Motors, παρουσίασε παρουσίασε και το πρόγραμμα «4Ν1», το οποίο αφορά σε μία νέα οικογένεια αλουμινένιων 16v 4-κύλινδρων, common rail άμεσου ψεκασμού Πετρελαιοκινητήρων “low impact” Euro 5* με διπλό εκκεντροφόρο επικεφαλής (DOHC).

Οι κινητήρες αυτοί που προέκυψαν από τη συνεργασία των Mitsubishi Motors Corporation και Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (MHI), θα διατίθενται σε δύο εκδόσεις κυβισμού και θα εφοδιάζουν τα εξής Ευρωπαϊκά μοντέλα:

- ASX (1.8 L “4N13”),

- Lancer Sports Sedan & Sportback (1.8 L “4N13”),

- Outlander (2.2 L“4N14”)

MIVEC + Diesel = Παγκόσμια Πρωτιά

Η οικογένεια “4N1”, το τελευταίο προϊόν μιας μακράς παράδοσης της Mitsubishi στους κινητήρες Diesel που χρονολογείται από το 1931 – με τον “450AD”, τον πρώτο πετρελαιοκινητήρα που εξελίχθηκε στην Ιαπωνία για χρήση σε αυτοκίνητα – είναι αποδέκτης πολλών αποκλειστικών καινοτόμων τεχνολογιών κινητήρων: μεταξύ αυτών η τεχνογνωσία από την εξέλιξη της πρόσφατης οικογένειας βενζινοκινητήρων “4B1” της MMC, καθώς και τα χαρακτηριστικά αποδοτικής καύσης που προέρχονται από τη χρήση της αναλυτικής τεχνολογίας των MMC και MHI.

Το πιο αξιόλογο τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά είναι το αποκλειστικό σύστημα μεταβλητού χρονισμού βαλβίδων MIVEC της Mitsubishi – παγκόσμια πρωτιά για Πετρελαιοκινητήρες επιβατικών αυτοκινήτων – που επιτρέπει στους μηχανικούς της MMC να επιτύχουν το στόχο της χαμηλότερης αναλογίας συμπίεσης και τα επακόλουθα οφέλη των πελατών.

Νέα προσέγγιση

Ιδιαίτερης στρατηγικής σημασίας για την Ευρώπη απέναντι σε ανταγωνιστές υψηλού προφίλ σε μία πολύ ανταγωνιστική κατηγορία, ο “4N1” Mitsubishi Diesel MIVEC προήλθε από μία νέα προσέγγιση στις τεχνολογικές προκλήσεις των Diesel για χρήση σε πολύ αποδοτικά ελαφριά επιβατικά οχήματα.

Ωθούμενοι από στρατηγικές πωλήσεις & ανάγκες του μάρκετινγκ στην Ευρωπαϊκή αγορά, οι μηχανικοί της Mitsubishi έπρεπε να αντιμετωπίσουν δύο πολύ αντίθετες πραγματικότητες:

• Από τη μία πλευρά, μία δοκιμασμένη τεχνογνωσία στην εξέλιξη των βενζινοκινητήρων, είτε πρόκειται για τον μικροσκοπικό αλλά άκρως αποδοτικό 3-κύλινδρο κινητήρα 660 cc MIVEC του Ιαπωνικού “i” ή στο άλλο άκρο, για τον πανίσχυρο 4-κύλινδρο 2.0l MIVEC 295 ps του Lancer Evolution.
• Από την άλλη πλευρά, ένα χώρο με μακρά παράδοση – αυτό των Πετρελαιοκινητήρων, όπου οι πιο πρόσφατες εξελίξεις αφορούσαν περισσότερο τις πολύ ειδικές απαιτήσεις των τετρακίνητων heavy-duty μοντέλων όπως τα Pajero/Montero/Shogun ή το L200.

Κατά την διάρκεια αυτής της πρωτοποριακής εξέλιξης, η MHI (Mitsubishi Heavy Industries) προσέφερε – μεταξύ άλλων - την εμπειρία της από τους βιομηχανικούς και ναυτικούς Πετρελαιοκινητήρες καθώς και τις τεχνολογίες υπερσυμπιεστών. Συγκεκριμένα, οι μηχανικοί της MHI ασχολήθηκαν με ειδικά θέματα όπως η ροή σε χυτά εξαρτήματα (αλουμινένιο μπλοκ κυλίνδρων), οι θερμοκρασιακή κατανομή (κυλινδροκεφαλή) και η καύση, χρησιμοποιώντας τεχνολογία «Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής» - «Computational Fluid Dynamics» (CFD). Υπενθυμίζουμε ότι η τεχνολογία CFD είναι ένα προηγμένο εργαλείο που χρησιμοποιείται στην αεροναυπηγική βιομηχανία και σκοπό έχει τη μοντελοποίηση και ανάλυση διαφόρων δυναμικών δομών (θερμοδυναμική στην περίπτωσή μας) πριν τις δοκιμές σε πραγματικές συνθήκες. Στο πλαίσιο αυτό, το CFD μειώνει το χρόνο εξέλιξης και την επένδυση, ενώ παράλληλα αυξάνει την ακρίβεια της σχεδίασης.

Μικρότερο βάρος, μειωμένη κατανάλωση/λιγότεροι ρύποι

Σύμφωνα με τις βασικές αρχές των Diesel, ένας Πετρελαιοκινητήρας χρησιμοποιεί τη θερμοκρασία λόγω συμπίεσης για την ανάφλεξη και καύση του καυσίμου, το οποίο ψεκάζεται στο θάλαμο καύσης στο τελικό στάδιο συμπίεσης.

Λόγω της πολύ υψηλής αναλογίας συμπίεσης που απαιτεί αυτή η διαδικασία, οι Πετρελαιοκινητήρες έχουν την υψηλότερη θερμική απόδοση από οποιοδήποτε συμβατικό κινητήρα εσωτερικής καύσης, κάτι που συνεπάγεται μικρότερη κατανάλωση καυσίμου και λογικά, χαμηλότερες εκπομπές ρύπων και κυρίως CO2.

Ωστόσο, για να αντέξουν τη λειτουργική πίεση που προκαλείται από την υψηλή αναλογία συμπίεσης και τις μεγάλες ποσότητες ροπής που παράγονται στο στρόφαλο, οι Πετρελαιοκινητήρες χρειάζονται βαρύτερα, ισχυρότερα εξαρτήματα, κάτι το οποίο αυξάνει το βάρος τους σε σχέση με τους βενζινοκινητήρες.

Επομένως, η λογική λύση για τη μείωση των δυνάμεων που αναπτύσσονται μέσα στο μπλοκ είναι να μειωθεί η αναλογία συμπίεσης.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ελαφρύτερης δομής, παρόμοιας με ενός βενζινοκινητήρα, αλλά και της μικρότερης αναλογίας συμπίεσης, τη χαμηλότερη από οποιουδήποτε Diesel επιβατικού αυτοκινήτου κυκλοφορεί αυτή τη στιγμή στην αγορά:

• 14.9:1 για τον 1.8 “4N13” (ASX και New Lancer)
• 14.9:1 για τον 2.2 “4N14” (Outlander).

Η εξαιρετικά χαμηλή αναλογία ήταν ένας από τους κύριους στόχους εξέλιξης των μηχανικών της MMC και MHI για να επιτύχουν (τελικά) ένα εξαιρετικό επίπεδο NVH, χαμηλών ρύπων, μακροχρόνιας αξιοπιστίας, ομαλής λειτουργίας και απολαυστικών οδηγικών επιδόσεων, ανεξαρτήτως κυβισμού, 1.8 ή 2.2 λίτρων.

Επομένως, έχοντας την ίδια βασική αρχιτεκτονική με τους πρόσφατους βενζινοκινητήρες “4B1” της MMC – αλλά εξελιγμένος σαν Diesel – ο “4N1” περιλαμβάνει – μεταξύ άλλων:

• ένα ελαφρύ μπλοκ κυλίνδρων. Κατασκευασμένο από αλουμίνιο, είναι ελαφρύτερο κατά περίπου 10 kg συγκριτικά με ένα μπλοκ από χυτοσίδηρο. Μπορεί να αντέχει στις υψηλές θερμοκρασίες και στις μεγάλες δυνάμεις που αναπτύσσονται μέσα σε ένα Πετρελαιοκινητήρα, χάρη σε μία διεξοδική διαδικασία σχεδίασης CAD/CAM που πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με τη ΜΗΙ και η οποία συνέβαλε στη σημαντική βελτίωση της ποιότητας χύτευσης.
• Επιπλέον αυτών, οι μηχανικοί της MMC επέλεξαν την ίδια φιλοσοφία πλαστικού καλύμματος κυλινδροκεφαλής όπως του “4B1”. Το εξάρτημα αυτό που έχει εξελιχθεί από τη Mahle για την MMC, είναι 50% ελαφρύτερο (1 kg αντί 2 kg περίπου για ένα εφάμιλλο αλουμινένιο) με πρόσθετα πλεονεκτήματα στην απόδοση καυσίμου και την οδική συμπεριφορά.

Αυτή η ομοιότητα αρχιτεκτονικής με την οικογένεια βενζινοκινητήρων της MMC προσφέρει εμφανή πλεονεκτήματα, αφενός στους χρόνους εξέλιξης (περίπου 3 χρόνια από τις πρώτες μηχανολογικές μελέτες και την έναρξη παραγωγής τον Απρίλιο του 2010), αφετέρου στην οικονομία κόστους λόγω χρήσης κοινών εργαλείων παραγωγής στο εργοστάσιο κινητήρων της MMC στο Shiga.

Επιπλέον, η επιλογή ‘τετράγωνης’ διάταξης με σχεδόν ίση διάμετρο & διαδρομή μεταφράζεται σε μικρότερες & ελαφρύτερες μπιέλες και έμβολα και επομένως μικρότερο βάρος. Πόσο μάλλον, με το μικρότερο κυβισμό (1.8 λίτρα στην περίπτωσή μας) …

Εμφανώς όλη αυτή η οικονομία βάρους είναι καλή για την οικονομία καυσίμου και τη μείωση των εκπομπών ρύπων, αλλά και για τη δυναμική αφού υπάρχει λιγότερο βάρος στο εμπρός τμήμα.

Χρονισμός βαλβίδων “MIVEC”

Η χρήση ελαφρύτερης δομής συνδυάζεται με την πολύ χαμηλή αναλογία συμπίεσης, η οποία όμως γεννά ερωτήματα για το αν επαρκεί για την ανάφλεξη; Εκεί υπεισέρχεται το MIVEC…

Όπως το i-MiEV έγινε πραγματικότητα με την εξέλιξη του βραβευμένου λειτουργικού του συστήματος “MiEV OS”, η ύπαρξη του 4N1 οφείλει πολλά στην εφαρμογή μιας άλλης τεχνολογίας της Mitsubishi Motors, MIVEC (ή “Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system”): μέχρι πρότινος ‘αυστηρά περιορισμένη’ σε Πετρελαιοκινητήρες φορτηγών βαρέως τύπου, είναι μία παγκόσμια πρωτιά για Diesel ελαφρών/επιβατικών αυτοκινήτων.

Την εποχή που άρχισε η εξέλιξη του “4N1”, η MIVEC ήταν η καλύτερη λύση για την επίτευξη της χαμηλής αναλογίας συμπίεσης που επεδίωκαν οι μηχανικοί των MMC και MHI, καθώς άνοιγε το δρόμο για την αρχιτεκτονική και δυναμική απόδοση του κινητήρα. Η τεχνολογία MIVEC που εφαρμόζεται στο σύστημα βαλβίδων εισαγωγής αυτού του Πετρελαιοκινητήρα μεταβάλλει το χρονισμό, τη βύθιση και τη διάρκεια του ανοίγματος των βαλβίδων χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικά έκκεντρα.

Στόχος είναι η βελτιωμένη διαχείριση της ροής του αέρα εισαγωγής για μεγαλύτερη απόδοση και ισχύ, σε μία ευρύτερη κλίμακα στροφών ακόμα και με τόσο χαμηλή αναλογία συμπίεσης, και ασφαλώς καλύτερη οικονομία και λιγότεροι ρύποι. Αυτό ισχύει κυρίως για Πετρελαιοκινητήρες των οποίων η κλίμακα στροφών είναι πιο περιορισμένη από των βενζινοκινητήρων. Πόσο μάλλον σε Πετρελαιοκινητήρες χαμηλής συμπίεσης όπου πέραν της απαιτούμενης αντιστάθμισης των απωλειών συμπίεσης έναντι των παραδοσιακών κινητήρων, πρέπει να αντιμετωπιστούν και θέματα όπως:

• Οι κρύες εκκινήσεις.
• Η σταθερότητα της καύσης και τα σχετικά θέματα NVH.

Σε αυτές τις δύο περιπτώσεις, η τεχνολογία MIVEC έχει τις απαντήσεις:

• Κλείνοντας νωρίτερα τις βαλβίδες εισαγωγής για βελτιωμένη, αποδοτική αναλογία συμπίεσης.
• Μειώνοντας τη βύθιση της μίας βαλβίδας εισαγωγής για ισχυρότερο στροβιλισμό – που συνεπάγεται βελτίωση του μίγματος και της καύσης, του ελέγχου της θερμοκρασίας μέσα στον κύλινδρο στο τέλος της συμπίεσης – για αποφυγή παραγωγής υπερβολικών θορύβων, κραδασμών και τριγμών και έλεγχο των ροών μέσα στον κύλινδρο.

Επιπλέον…

Σήμερα, η τεχνολογία MIVEC παραμένει βασικός συντελεστής των επιδόσεων του 4N1 αλλά όχι ο μοναδικός.

Η διαχείριση ροής του αέρα εισαγωγής είναι το ένα θέμα, τα κατάλληλα χαρακτηριστικά καύσης είναι το άλλο. Έτσι δημιουργείται μία αλληλουχία απαιτήσεων:

• Το σχήμα του θαλάμου καύσης: για την ολοκληρωμένη καύση του μίγματος και αποφυγή υπερβολικών θερμοκρασιών ώστε να μην παράγονται οξείδια του αζώτου NOx. Στην περίπτωση του 4N1, οι μηχανικοί αποφάσισαν να επιλέξουν μια ρηχή κοιλότητα με στενή είσοδο στην κεφαλή του εμβόλου για βελτιωμένη κατανάλωση και αξιοπιστία καύσης.
• Η διαδικασία ψεκασμού: για το νέο Πετρελαιοκινητήρα, επέλεξαν: – ένα σύστημα common rail πολύ υψηλής πίεσης 2.000 bar – σε σχέση με τη συνήθη 1.800 bar – για τη δημιουργία καλύτερου σπρέι καυσίμου,

Αθόρυβος

Αν ο 4N1 είναι αθόρυβος και μπορεί να λειτουργεί αποδοτικά με χαμηλή αναλογία συμπίεσης 14.9:1, πώς μπορεί να παραμένει αθόρυβος και χωρίς τους κραδασμούς που χαρακτηρίζουν τους παραδοσιακούς Diesel;

Με δυο λόγια, διερευνήθηκαν 3 ανεξάρτητοι τομείς:

• Αναλογία συμπίεσης: με 14.9:1, είναι φανερό ότι ένα τόσο χαμηλό επίπεδο φορτίων συμβάλλει σημαντικά στη βελτίωση των χαρακτηριστικών NVH, κυρίως στους κραδασμούς.
• Καύση: χάρη στο συνδυασμό MIVEC + ρηχών θαλάμων καύσης + ψεκασμού πολλαπλών σταδίων + πίεσης common rail 2.000 + προηγμένου ηλεκτρονικού ελέγχου, ο θόρυβος Diesel – που είναι στην ουσία θόρυβος καύσης – έχει μειωθεί σε μεγάλο βαθμό. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι ο πρώτος πιλοτικός ψεκασμός του Πετρελαίου στο θάλαμο καύσης ενεργοποιεί την καύση αλλά μειώνει τους ενδεχόμενους κραδασμούς.
• Έκκεντρος στρόφαλος: για ελαχιστοποίηση των πλευρικών δυνάμεων που παράγονται από τα έμβολα, ο στρόφαλος είναι έκκεντρος κατά 15 mm για μείωση των εκπομπών CO2, παραγωγή υψηλότερης ισχύος, βελτίωση των χαρακτηριστικών NVH και ομαλότερη λειτουργία σε όλες τις στροφές. Χάρη στην Προσομοίωση Κίνησης με τη Βοήθεια Υπολογιστή (Computer Aided Movement Simulation), η off-set διάταξη των κυλίνδρων βελτιστοποιήθηκε, επιτυγχάνοντας μείωση 20% των απωλειών τριβής που σχετίζονται με το έμβολο, με επακόλουθα πλεονεκτήματα στην οικονομία καυσίμου.

Οι τεχνολογίες που επέλεξαν οι μηχανικοί της MMC για να συνθέσουν αυτό το προφίλ της νέας οικογένειας πετρελαιοκινητήτων «4Ν1» είναι:

• MIVEC και τις δυνατότητες που προσφέρει στη διαχείριση ροής αέρα: σε πλήρες φορτίο, το πολύ καλό επίπεδο ειδικής ισχύος και ροπής επιτυγχάνεται χάρη 1) στην υψηλή βύθιση των βαλβίδων εισαγωγής και 2) στη χρήση μεγάλης διάρκειας χρονισμού βαλβίδων στις υψηλές στροφές.
• Αυλό εισαγωγής με σχεδίαση παρόμοια με ενός βενζινοκινητήρα.
• Υπερσυμπιεστή μεταβλητής γεωμετρίας (VG) – στην περίπτωση αυτή, ο TF035 της MHI – με νέα φτερωτή συμπιεστή (για μεγάλο λειτουργικό εύρος) που συνεισφέρει στην καλύτερη απόδοση πλήρωσης στις υψηλές στροφές. Υπενθυμίζουμε ότι η τεχνολογία VG επιδιώκει τη βέλτιστη υπερπλήρωση τόσο στις χαμηλές όσο και στις υψηλές στροφές, ενώ εγγυάται απόδοση, κυρίως στον τομέα των εκπομπών καυσαερίων και της απόκρισης (χωρίς υστέρηση τούρμπο, κ.λ.π.). Στη περίπτωση του “4N1” της MMC, η υιοθέτηση φτερωτής 8 πτερυγίων στο συμπιεστή (έναντι των 12 του συμβατικού τύπου) έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του λειτουργικού εύρους του και επομένως της απόδοσης υπερπλήρωσης. Παράλληλα, η μεταβλητή παροχή της τουρμπίνας μεταφράζεται σε υψηλή απόκριση επιτάχυνσης και βέλτιστη πίεση υπερπλήρωσης σε όλη την κλίμακα στροφών με στόχο τις δυναμικές επιδόσεις και τις χαμηλές εκπομπές ρύπων.

ClearTec

Ανάλογα με τις αγορές και οι περιβαλλοντικές επιδόσεις των νέων κινητήρων “4N1” της Mitsubishi μπορούν να βελτιωθούν περαιτέρω με την υιοθέτηση ενός πακέτου χαμηλών εκπομπών CO2 ClearTec.

Παρόμοιας φιλοσοφίας με αυτού που ήδη χρησιμοποιείται στο Colt, περιλαμβάνει:

- Σύστημα “Automatic Stop & Go”

- Electric power steering

- Σύστημα Διαχείρησης Φόρτισης της μπαταρίας

- Ελαστικά χαμηλής αντίστασης κύλισης

- Φίλτρο σωματιδίων κλειστής ροής

- Λιπαντικά χαμηλού ιξώδους

- Κ.λ.π,…

Μία οικογένεια κινητήρων

Ο “4N1” που ανακοινώθηκε για πρώτη φορά το 2006 ως κινητήρας “κατηγορίας 2.0 λίτρων” προσφέρει πολλές δυνατότητες με διαφορετικούς κυβισμούς ή ιπποδυνάμεις, πέραν του πρώτου “4N13” 1.8 λίτρων 150ps των ASX και Lancer.

Επόμενος στη σειρά θα είναι ο “4N14”, ένας μεγαλύτερος 2.268 cc (86.0mm x 97.6mm που προορίζεται για το μεγαλύτερο Outlander και άλλα (μεγάλα) οχήματα της Mitsubishi στο μέλλον:

Lancer Sportback 1.8 DiD “4N13” (6-τάχυτο M/T)

Κυβισμός 1.798 cc

Ισχύς 150 ps @ 4.000 rpm

Ροπή 300 Nm @ 2000-3000 rpm

CO2 139 g/km (ClearTec)

Outlander 2.2 DiD “4N14” (6-τάχυτο M/T)

Κυβισμός 2.268 cc

Ισχύς 177 ps @ 3.500 rpm

Ροπή 380 Nm @ 2000-3000 rpm

CO2 155 g/km (2WD ClearTec)