Hightech stalen zuigers voor extra efficiency
Mercedes-Benz geeft de dieseltechnologie voor personenauto’s door innovatieve engineering opnieuw een belangrijke impuls voor toekomstige ontwikkelingen. De pionier op dieselgebied uit Stuttgart komt als eerste met een vervanging van de tot nu toe gebruikelijke aluminium zuigers in dieselmotoren voor personenauto’s door nieuwe, hightech stalen exemplaren. In combinatie met de innovatieve NANOSLIDE® coating voor de cilinderwanden zorgen stalen zuigers voor een nog lager brandstofverbruik en overeenkomstig lagere CO2-emissies.
In 1936 introduceerde Mercedes-Benz als eerste onderneming wereldwijd een dieselaangedreven personenauto, waarmee het merk de rol van dieselpionier op zich nam. De ingenieurs van Mercedes-Benz versterkten die rol gedurende de daarop volgende decennia met tal van technologische innovaties die een doorslaggevende bijdrage hebben geleverd aan de ontwikkeling van dieselmotoren voor personenauto’s tot de dieselmotor van vandaag: krachtig en zuinig - kortweg: efficiënt.
Nu hebben die ingenieurs de efficiency naar een nog hoger niveau getild. In september 2014 beleven nieuwe hightech stalen zuigers hun wereldprimeur in een serieproductieauto, als onderdeel van de V6 dieselmotor in de Mercedes-Benz E 350 BlueTEC. Onder andere dankzij deze innovatie levert de limousine nog steeds hetzelfde motorvermogen (190 kW/258 pk), maar nu met een verbruik van ongeveer 5,0 liter diesel op 100 kilometer. Daarmee bedraagt de brandstofbesparing door het toepassen van stalen zuigers zo’n drie procent.
Stalen zuigers worden al veelvuldig gemonteerd in motoren voor bedrijfswagens, waar ze worden gecombineerd met zware gietijzeren onderblokken, terwijl aluminium zuigers door de jaren heen geleidelijk de norm zijn geworden voor dieselmotoren in personenauto’s. De hightech stalen zuigers die Mercedes-Benz nu compleet nieuw heeft ontwikkeld, gaan perfect samen met de geavanceerde en veel lichtere aluminium onderblokken en de meervoudig onderscheiden NANOSLIDE® cilinderwandcoating, eveneens ontwikkeld door Mercedes-Benz.
Benutten van materiaalvoordelen
Staal en aluminium verschillen qua eigenschappen aanzienlijk van elkaar: staal zet bij hitte minder uit dan aluminium, geleidt hitte minder goed en is eenvoudigweg zwaarder. Op het eerste oog leidt de combinatie van een aluminium cilinderblok met stalen zuigers wellicht tot vraagtekens. Desondanks ontdekten de ingenieurs van Mercedes-Benz belangrijke mogelijkheden voor de toekomst door de voordelen van die verschillen in eigenschappen in te zetten.
Ze maakten gebruik van het feit dat een stalen zuiger bij hitte slechts een kwart van de hoeveelheid uitzet vergeleken met een aluminium variant, waardoor de stalen zuiger strakker in het aluminium blok geplaatst kan worden. Echter, als de temperatuur stijgt wanneer de motor loopt, zet het aluminium cilinderblok meer uit dan de stalen zuiger. Als gevolg hiervan ontstaat een grotere speling voor de zuiger in de cilinder en daarmee in lijn minder frictie. Omdat de combinatie zuiger/cilinder alleen al voor 40 tot 50 procent van de mechanische wrijving zorgt, lag hier een enorm potentieel om de efficiency te optimaliseren.
Sterker, kleiner, licht
De stalen zuigers die tot dusver werden gebruikt, waren echter nauwelijks geschikt voor de toepassing in aluminium cilinderblokken. Daarom moest Mercedes-Benz de zuiger opnieuw ontwerpen. De moderne varianten van de stalen zuigers, die nu voor het eerst in combinatie met een aluminium cilinderblok met NANOSLIDE® cilinderwandcoating standaard worden gemonteerd in de V6 diesel van de E 350 BlueTEC, zijn hightech en gegoten uit kwalitatief hoogwaardig, bijzonder sterk staal. Dat levert een uitdaging voor de zuigerleverancier op, omdat de productie van de nieuwe, extreem sterke staalsoorten zeer complex is.
Maar het resultaat loont de inspanning, omdat de grotere sterkte van hedendaags staal een compacter zuigerontwerp mogelijk maakt, waarmee de ongeveer drie keer zo grote materiaaldichtheid min of meer gecompenseerd kan worden. Zo zijn de innovatieve stalen zuigers die binnenkort aan de slag gaan in de zes cilinders van de V6 dieselmotor 13 millimeter lager dan de aluminium varianten die tot dusver worden gebruikt (aluminium zuigers in de V6 diesel zijn ongeveer 71,6 mm hoog, de stalen zuigers slechts 58,6 mm). Dankzij deze gewijzigde geometrie en de intelligente constructie is het gewicht van de combinatie zuiger-pistonpen-zuigerveren gelijk aan dat van de versie met een aluminium zuiger. Daarmee is Mercedes-Benz er in geslaagd om het gewichtsnadeel van staal nagenoeg te compenseren en krachtreserves in te bouwen voor piekbelastingen die in de toekomst zelfs nog hoger kunnen worden.
Hoge efficiency, laag verbruik
Tegelijkertijd bood het gebruik van stalen zuigers de ingenieurs de mogelijkheid om het efficiencyniveau verder te verbeteren, omdat de lagere warmtegeleiding van staal ten opzichte van aluminium hogere temperaturen in de verbrandingskamer mogelijk maakt. Daarmee neemt de kwaliteit van de ontsteking toe, terwijl de duur van de verbranding afneemt. Het resultaat is een lager brandstofverbruik en minder vervuilende emissies. Mercedes-Benz heeft rekening gehouden met de lagere warmtegeleiding van staal door diverse ontwerpaanpassingen, waaronder gewijzigde koelopeningen in de zuigers.
De ervaring heeft geleerd dat de innovatieve stalen zuigers de thermodynamische prestaties optimaliseren en tegelijkertijd de wrijving in belangrijke mate beperken. Bovendien blijkt uit metingen dat bij de in het dagelijks gebruik zo belangrijke motorsnelheden in het lage en midden toerengebied behoorlijke brandstofbesparingen kunnen worden gerealiseerd.
Voordeel staal
Wat de toekomst betreft zien de motoringenieurs van Mercedes-Benz aanvullende voordelen bij het gebruik van higtech stalen zuigers:
Staal biedt niet alleen de mogelijkheid de zuigers kleiner te maken, maar biedt ook grotere reserves op het gebied van mechanische belasting. Dat is met name voordelig bij verdere downsizing.
Omdat stalen zuigers sterker zijn dan aluminium zuigers, kan een dieselmotor met stalen zuigers bij hogere temperaturen werken en daarmee een hogere thermodynamische efficiency realiseren.
Omdat stalen zuigers bij warmte veel minder uitzetten dan aluminium zuigers, kunnen motorontwerpers de ruimte tussen de cilinderwand en de zuiger tot aan de eerste zuigerveer verkleinen, met als gevolg een geringere uitstoot van zowel schadelijke deeltjes als ruwe emissies.
Logische doorontwikkeling
Deze innovatieve stalen zuigers markeren een logische stap in de verdere ontwikkeling van dieseltechnologie door Mercedes-Benz. Net als in het verleden blijft het merk zich bewijzen als dieselpionier, door de dieselmotor ook voor de toekomst een haalbare propositie te laten zijn.
De V6 dieselmotor bijvoorbeeld, die nu voorzien van stalen zuigers in productie wordt genomen in de E 350 BlueTEC, heeft sinds zijn eerste opwachting in de W212 in 2008 diverse ontwikkelingsstadia doorlopen. Bovendien profiteert hij ook van een andere innovatie van Mercedes-Benz: NANOSLIDE® cilinderwandcoating. Deze technologie werd door Daimler in 2006 ontwikkeld voor de AMG V8 benzinemotor en maakt gebruik van Twin-Wire Arc Spraying (TWAS) om ijzeren en koolstofvezel draden te smelten, om dat vervolgens tegen de cilinderwanden van het lichtgewicht aluminium cilinderblok te vernevelen. De zeer fijne ijzercoating met nanokristallen die daaruit ontstaat, zorgt voor een spiegelglad oppervlak met minuscule poriën waardoor de wrijving tussen de zuigerunit en de cilinderwand vergeleken met gietijzeren cilinders wordt beperkt, terwijl de cilinderwand daarmee extreme weerstand tegen slijtage biedt. Andere voordelen zijn een lager motorgewicht, een lager brandstofverbruik en overeenkomstig lagere CO2-emissies.
Al met al produceert de huidige V6 diesel van Mercedes-Benz beduidend minder CO2-emissies dan de eerste versies in de E-Klasse. In 2009 bedroeg de CO2-uitstoot van de E 320 CDI in de gecombineerde cyclus 179 gram per kilometer. In de volgende generatie E-Klasse van 2013 daalde deze waarde naar 144 gram. Vanwege onder andere het gebruik van de stalen zuigers ligt dat CO2-cijfer voor de E 350 BlueTEC nu ruim onder de 140 gram. Tegelijkertijd is het motorvermogen sinds 2008 toegenomen van 155 kW (211 pk) tot momenteel 190 kW (258 pk).
Naar verwachting zullen de nieuwe stalen zuigers op korte termijn ook worden gebruikt in de viercilinder dieselmotoren van Mercedes-Benz.