Informazione introduttiva per il nuovo lancio di una serie di motori

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Prefazione

Da inizio 2018 Mercedes­Benz introduce, a partire dalla Classe A, tipo 177, un membro della nuova generazione di motori a ciclo Otto a 4 cilindri con denominazione del tipo M 260. Si tratta di un motore a ciclo Otto a quattro cilindri in linea disposto trasversalmente, a iniezione diretta e sovralimentato.

Il motore in linea M 260 da 2,0 litri di cilindrata sarà utilizzato in 2 livelli di potenza: 140 kW e 165 kW.

L'evoluzione del collaudato metodo di combustione BlueDIRECT in combinazione con il filtro antiparticolato per motori a ciclo Otto assicura un basso livello di emissioni di gas di scarico.

La termodinamica è stata migliorata modificando la testata cilindri, la combustione è stata ottimizzata e le perdite di potenza per attrito sono state ridotte adottando pistoni muniti di canale di raffreddamento e di segmenti con attrito ottimizzato.

L'ottimo comfort acustico e vibrazionale richiesto nel segmento Premium è garantito dalle ampie misure "NVH" ("Noise, Vibration, Harness" = rumore, vibrazione, ruvidità).

Panoramica delle novità

 Levigatura di forma per la riduzione delle caratteristiche di attrito

 Pistoni con canale di raffreddamento dotati di portasegmento

 Iniettori piezoelettrici disposti centralmente

 CAMTRONIC lato aspirazione

 Filtro antiparticolato per motori a benzina con sistema sensori

 Rapporto di compressione più alto

Basamento

Gli obiettivi di sviluppo per il basamento in alluminio pressofuso e il manovellismo includono la resistenza a una pressione di punta di 120 bar e una significante riduzione dell'attrito del motore.

Il basamento è realizzato in alluminio pressofuso con canne dei cilindri in ghisa grigia.

Per raggiungere un "comfort NVH" ancora maggiore mediante una maggiore rigidità strutturale, la struttura a nervature è stata ulteriormente ottimizzata rispetto al basamento precedente. I cilindri con canne in ghisa grigia resistenti all'usura sono raffreddati per mezzo dei fori a doppio traversino presenti sui cilindri centrali e su quelli esterni.

La geometria superficiale di precisione o levigatura di precisione, nota dal motore precedente, per la superficie si scorrimento è stata combinata con una levigatura di forma, la cosiddetta "levigatura a campana". L'allargamento conico del diametro cilindro nel punto d'inversione inferiore procura in quella sede un gioco pistone maggiore, per cui l'attrito tra superficie di scorrimento e pistone si riduce in modo massiccio. Nel punto d'inversione superiore del pistone, il gioco pistone rimane stretto per rispondere agli alti requisiti "NVH". Anche l'ottimizzazione dei segmenti dei pistoni contribuisce a ridurre le perdite per attrito.

Per ridurre ulteriormente l'attrito complessivo del motore, viene impiegato inoltre un olio motore a bassa viscosità.

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Organi del manovellismo

L'albero motore è forgiato e dispone di otto contrappesi, che con la loro forma e disposizione assicurano una flessione minima dell'albero motore e un'altezza d'ingombro contenuta.

L'utilizzo sistematico di metodi moderni ha permesso di adottare per un motore sovralimentato un pistone ricavato per fusione con canale di raffreddamento. Le camere ricavate per fusione sul cielo dei pistoni rispondono perfettamente alle esigenze legate al processo di combustione e alla disposizione degli iniettori.

Il raffreddamento del pistone crea i presupposti per temperature ridotte nel cielo del pistone, le quali agevolano una combustione stabile e le emissioni all'interno del motore.

Le tensioni tangenziali dei segmenti dei pistoni sono state ottimizzate, in combinazione con la levigatura di forma, a valori minimi in fatto di attrito, consumo di olio, peso e quantità di trafilamento. Oltre alle tensioni ridotte dei segmenti, alla riduzione di attrito hanno contribuito in misura consistente le superfici portanti asimmetriche sensibilmente ridotte dei mantelli dei pistoni con rivestimento in carbonio ottimizzato nonché le modifiche di precisione del gioco pistone e del sistema di raffreddamento ad olio.

La biella fucinata sottile, concepita per un peso minimo, è eseguita sull'occhio piccolo come biella trapezoidale con guida superiore e dotata di una boccola del piede in bronzo massiccio a parete fine.

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Catena di distribuzione

Per produrre la maggiore potenza e far fronte durevolmente al maggiore stress dell'albero motore ad essa correlata, è stato sviluppato un nuovo tendicatena con valvola di sovrappressione. Tale componente fa in modo che gli allungamenti dovuti a usura della catena si attestino anche in condizioni estreme al di sotto dello 0,2 %.

La catena dentata per il comando della distribuzione è stata adottata dal motore precedente. Le lastrine lavorate finemente a stampo con alte percentuali di tranciatura fine presentano superfici funzionali estremamente lisce e dimostrano, in combinazione con una geometria migliorata della guida di scorrimento, un vantaggio considerevole in termini di attrito.

Circuito dell'olio e spurgo

L'alimentazione d'olio dell'M 260 è affidata ad una pompa dell'olio azionata meccanicamente e regolata a pressione secondo il principio rotativo a palette. Mediante una valvola integrata nel corpo pompa olio è possibile, sulla base di una mappatura di carico del motore e n. di giri, azionare due livelli di pressione per ridurre la potenza motrice soprattutto nel settore di carico parziale. Il filtro dell'olio sostituibile è alloggiato in un modulo filtro olio/radiatore olio avvitato sul basamento. Il raffreddamento dell'olio è affidato a uno scambiatore di calore olio/acqua che è parte integrante del modulo e ad esso avvitato.

I gas di sfiato vengono prelevati centralmente sul coperchio della testata cilindri. La geometria del coperchio e il punto di prelievo dotato di sistemi paraspruzzo fanno da separatore di olio grossolano.

Tramite una tubazione di ritorno i gas di sfiato vanno nel separatore dell'olio parzialmente integrato nel basamento, il quale è eseguito come separatore a piastra di protezione con separazione fine e grossolana. Lì la portata volumetrica viene incanalata, in base allo stato di esercizio e ai rapporti di pressione da esso risultanti, nel percorso a carico parziale o a pieno carico e direttamente nei relativi punti di conduzione sul ripartitore dell'aria di sovralimentazione e sul turbocompressore a gas di scarico.

L'M 260 dispone inoltre di una funzione di ventilazione per lavare il basamento quando il motore funziona a basso carico. La valvola di commutazione elettrica integrata nella tubazione di sfiato per il carico parziale permette livelli di strozzamento variabili e comanda tra l'altro la quantità di ventilazione.

Le grosse sezioni di diametro, la parziale integrazione del convogliamento dei gas e la configurazione dei punti di interfacciamento permettono una separazione stabile dell'olio anche in condizioni di funzionamento estreme e garantiscono la conformità ai requisiti sulle emissioni specifici del Paese di destinazione.

Valvole di scarico a raffreddamento ottimizzato

Nel nuovo M 260 vengono impiegate per la prima volta in un motore altamente sovralimentato delle valvole di scarico a disco cavo. Il profilo interno del disco cavo viene foggiato con un complesso procedimento. Per creare la cavità non sono quindi necessari procedimenti di saldatura critici o altri procedimenti di produzione impegnativi. Pertanto questa valvola dal punto di vista economico risulta possibile da realizzare.

Vista la conduzione termica di nuovo sensibilmente migliorata è possibile continuare a utilizzare materiali economici con basso contenuto di nickel. La temperatura nella fortemente sollecitata gola della valvola viene sensibilmente ridotta. Mediante la dissipazione del calore migliorata vengono considerevolmente ridotte inoltre anche le temperature sul lato inferiore del disco e di conseguenza nella camera di combustione. Ciò significa una ridotta tendenza a battere in testa nonché baricentri di combustione migliori e si ripercuote positivamente sui consumi.

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Comfort "NVH"

Volano a due masse con pendolo centrifugo: la possibilità di viaggiare a regimi molto bassi produce ampi margini di risparmio nei consumi rispetto ai sistemi tradizionali. Il pendolo centrifugo compensa le vibrazioni torsionali indesiderate che si producono tra il motore e il cambio. Le masse oscillanti vibrano in direzione opposta alle vibrazioni torsionali del motore. In questo modo viene sfruttata completamente la potenza di questo moderno propulsore.

Nella parte inferiore del basamento si trova un sistema modulare di compensazione delle masse Lanchester. La compensazione delle masse serve a compensare le forze di inerzia libere di secondo ordine intrinseche di un motore a 4 cilindri in linea. Per compensare le forze d'inerzia, due contralberi di bilanciamento ruotano in senso contrario l'uno rispetto all'altro ad una velocità di rotazione doppia rispetto a quella dell'albero motore. I contralberi di bilanciamento dispongono di due supporti ciascuno.

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Camtronic

L'M 260 dispone ora, in tutte le varianti di cilindrata e di potenza, del sistema CAMTRONIC.

La fasatura variabile delle valvole permette di ridurre la corsa delle valvole nel settore di carico parziale, per convogliare una minore quantità d'aria nella camera di combustione e quindi diminuire le perdite di potenza dovute al ricambio dei gas. Nei settori di carico superiori il sistema commuta sulla corsa maggiore delle valvole per ottenere dal propulsore la massima erogazione di potenza.

L'accoppiamento dei cilindri 1 e 2 nonché 3 e 4 su un unico elemento dell'albero a camme permette, con l'ausilio dell'attuatore commutazione corsa valvola albero a camme di aspirazione, di variare la corsa delle valvole di tutti e quattro i cilindri con una sola rotazione dell'albero a camme. Oltre ai vantaggi termodinamici, il minore attrito sulla corsa della camma più piccola migliora la potenza assorbita dall'attrito.

Per garantire una combustione ottimale nonostante la minore corsa della valvola, il carburante viene iniettato più volte e la miscela di aria e carburante si accende più volte nella fascia bassa di carico parziale. In tal modo si riduce la turbolenza della miscela di aria e carburante intorno alla candela di accensione all'interno della camera di combustione.

Grazie alla commutazione della corsa delle camme, alla chiusura anticipata dell'aspirazione che ne consegue e alla riduzione delle perdite di potenza per attrito, si ottengono vantaggi concreti in termini di consumi: cicli di prove significative hanno fatto registrare un risparmio di circa 1 g di biossido di carbonio (CO2) al chilometro. Con le camme di attuazione della corsa massima delle valvole, CAMTRONIC garantisce al tempo stesso la potenza elevata dell'M 260.

Mediante l'utilizzo di CAMTRONIC con una cilindrata di 2 litri  è stato possibile ampliare l'intervallo di regime utile nelle reali condizioni di esercizio, con effetti positivi in termini di consumo di carburante. L'M 260 può funzionare con la corsa corta delle valvole fino ad una velocità di 120 km/h.

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Il regolatore commutazione corsa valvola albero a camme di aspirazione è disposto sul coperchio della testata cilindri accanto al bocchettone di rifornimento per olio motore.

Il regolatore commutazione corsa valvola albero a camme di aspirazione comanda uno spostamento assiale delle boccole delle camme sull'albero a camme di aspirazione, facendo risultare una commutazione tra una corsa grande e una piccola delle camme delle valvole di immissione.

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Il regolatore commutazione corsa valvola albero a camme di aspirazione è costituito da due elettromagneti di sollevamento, ciascuno dei quali aziona una punteria. Alimentando con corrente elettrica la bobina del rispettivo elettromagnete di sollevamento la relativa punteria esce; ma solo una punteria può uscire, in dipendenza da posizione e forma della pista sull'albero a camme.

Il riposizionamento di ciascuna punteria avviene meccanicamente grazie alla geometria della pista. La posizione attuale delle due punterie è rilevata dal sensore di Hall commutazione corsa valvola albero a camme di aspirazione (Y49/8b1) integrato.

Nella posizione di partenza entrambe le punterie sono in posizione rientrata. L'avviamento del motore avviene nella corsa grande delle valvole di immissione.

La prima commutazione alla corsa piccola avviene al termine della fase di riscaldamento.

Con l'azionamento del regolatore commutazione corsa valvola albero a camme di aspirazione da parte della centralina di comando ME, la relativa bobina nel regolatore viene alimentata con corrente elettrica e una delle due punterie va nella relativa pista.

Mediante la forma della pista avvengono uno spostamento assiale dell'albero a camme e la commutazione a una corsa della camma più piccola. Il riposizionamento della punteria avviene meccanicamente grazie a un sollevamento nella pista.

Il riposizionamento dell'albero a camme avviene mediante una nuova alimentazione con corrente elettrica della bobina. Questa volta è l'altra punteria a uscire e l'albero a camme viene spostato nella posizione opposta alla posizione della camma con corsa grande.

Il regolatore viene azionato sulla base di una mappatura in una gamma di regime che va da 1000 a 4000/min dalla centralina di comando ME con un segnale di modulazione dell'ampiezza degli impulsi di 1 kHz.

Sistema di iniezione del carburante

La pressione di iniezione del carburante arriva fino a 200 bar. La pompa ad alta pressione è del tipo a pistone singolo e dispone di una valvola di regolazione della portata integrata nel modulo della pompa. Attraverso un rail comune di alimentazione ad alta pressione, il carburante viene convogliato agli iniettori, che sono collocati in posizione centrale nella camera di combustione. Gli iniettori sono valvole piezoelettriche a fori multipli, disposte al centro della camera di combustione.

Il motore M 260 è concepito per funzionare esclusivamente a carica omogenea. A causa della dinamica elevata del processo di iniezione, con durate minime di apertura, si manifesta un'alta presenza di rumori impulsivi che si ripercuotono sul comportamento "NVH".

Per migliorare le caratteristiche acustiche a livello di iniezione è possibile agire sui seguenti fattori:

 Numero di impulsi di iniezione

 Corsa iniettore

 Gradiente di apertura

 Pressione di iniezione

Mediante l'introduzione della corsa parziale con riduzione della corsa del 20 % e un gradiente di apertura più piatto è possibile passare, in un intervallo di regime critico dal punto di vista dei requisiti "NVH", da un'iniezione multipla, che favorisce la formazione della miscela, a un'iniezione semplice. Nel campo di regime vicino al minimo viene inoltre abbassata la pressione di iniezione.

Nella valvola di comando quantità della pompa di alta pressione del carburante, che regola l'apporto di carburante nella pompa di alta pressione, i componenti mobili sono stati ridotti miratamente di peso.

Inoltre tramite la logica di comando l'ago della valvola di comando quantità viene ritardato direttamente prima del battito nella sede dell'iniettore. Entrambe queste misure portano alla riduzione dell'impulso di forza che nasce dalla zona della sede della valvola a tempi.

Il pacchetto complessivo viene completato da un disaccoppiamento migliore degli iniettori in corrispondenza della loro superficie di contatto sulla testata per mezzo del cosiddetto disco forato più morbido. Mediante le sue proprietà di smorzamento aumentate, viene ridotto l'inoltro degli impulsi nel suono propagantesi in un solido.

Requisito indispensabile in tal sede è che gli iniettori piezoelettrici mantengano per l'intero ciclo di vita del motore la loro posizione esatta nella camera di combustione. Complessivamente si è potuto tuttavia ridurre la rigidità del disco forato di circa la metà in confronto al motore precedente.

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Convogliatore aria

Un presupposto essenziale per il considerevole aumento di potenza rispetto al motore precedente è stato una completa rielaborazione dei componenti di convogliamento d'aria a monte dell'ingresso della camera di combustione.

Il filtro dell'aria e la griglia della presa d'aria sono stati ridisegnati e adattati allo spazio disponibile nel vano motore. È stato necessario tenere in considerazione anche i requisiti legati alla protezione pedoni.

Per ottenere un comportamento fluidodinamico favorevole nelle condizioni previste, i condotti di convogliamento dell'aria sono stati configurati in modo tale da ridurre il più possibile la resistenza. Il convogliamento dell'aria nella scatola del filtro dell'aria riduce al minimo la resistenza fluidodinamica. Il condotto di aspirazione è costituito da due gusci.

Accanto al ricambio della carica, anche il movimento della carica è determinante al fine di ottenere una coppia elevata su ampie porzioni della gamma di regime, un basso consumo di carburante e bassi livelli di emissione di gas di scarico. La particolare geometria della testata cilindri permette di generare un'elevata turbolenza che migliora ulteriormente il processo di combustione.

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Sovralimentazione

Il cuore della sovralimentazione è un turbocompressore a gas di scarico monoflusso, in grado di resistere ad una temperatura massima di 1050 °C e dotato di collettore di scarico integrato con isolamento a camicia d'aria.

Svolgimento della funzione regolazione della pressione di sovralimentazione

Per poter esprimere l'intero potenziale del turbocompressore a gas di scarico, è stata completamente rielaborata anche la regolazione della pressione di sovralimentazione. L'attuatore, che in precedenza era azionato a depressione, è stato sostituito da un attuatore elettrico che comanda la farfalla di regolazione della pressione d sovralimentazione. Il segnale di posizione da esso fornito e la maggiore velocità di regolazione migliorano nettamente la regolazione della pressione di sovralimentazione nonché la diagnosi.

La regolazione della pressione di sovralimentazione avviene tramite l'attuatore farfalla di regolazione della pressione di sovralimentazione. Per regolare la pressione di sovralimentazione, la centralina di comando ME attiva l'attuatore farfalla di regolazione della pressione di sovralimentazione in funzione della mappatura e del carico. A tal fine la centralina di comando ME valuta i segnali dei seguenti sensori e le seguenti funzioni della gestione del motore:

 Sensore di pressione e temperatura a monte della valvola a farfalla, pressione di sovralimentazione e temperatura dell'aria di sovralimentazione

 Sensore di pressione e temperatura a valle della valvola a farfalla, pressione di sovralimentazione e temperatura dell'aria di sovralimentazione

 Sensore di pressione a valle del filtro aria, pressione di aspirazione

 Sensore del pedale dell'acceleratore, carico richiesto dal conducente

 Sensore di Hall albero a manovella, n. di giri motore

 Regolazione del battito in testa, protezione da sovraccarico del cambio, protezione contro il surriscaldamento

Per ridurre la pressione di sovralimentazione, il flusso dei gas di scarico per l'azionamento della girante turbina viene deviato attraverso un bypass mediante apertura della valvola di regolazione della pressione di sovralimentazione.

L'attuatore della farfalla di regolazione della pressione di sovralimentazione aziona la farfalla tramite una tiranteria, che chiude il bypass. Una parte del flusso dei gas di scarico viene convogliata dal bypass alla girante turbina, regolando la pressione di sovralimentazione e limitando il numero di giri della turbina. In tal modo la pressione di sovralimentazione può essere adattata al carico momentaneamente richiesto del motore.

Per controllare i rapporti attuali di pressione e temperatura nel tratto dell'aria di sovralimentazione che va dal turbocompressore a gas di scarico al ripartitore dell'aria di sovralimentazione, la centralina di comando ME analizza i segnali dei sensori di pressione e temperatura e adatta la pressione di sovralimentazione alle richieste del motore.

Ingresso e uscita del compressore

Per una distribuzione della pressione abbastanza uniforme sono stati ottimizzati sotto il profilo dei flussi anche l'ingresso e l'uscita del compressore.

Impianto di scarico e depurazione dei gas di scarico

L'impianto di scarico raffigurato dell'M 260 nel tipo 177 costituisce il presupposto per poter soddisfare i severi requisiti in termini di emissioni e di rumori esterni. È altrettanto importante progettare l'impianto di scarico in modo tale da raggiungere i valori di pieno carico previsti per i motori.

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Filtro antiparticolato per motori a benzina

Il funzionamento del filtro antiparticolato per motori a benzina corrisponde alla tecnologia impiegata per i veicoli diesel. Il flusso dei gas di scarico viene veicolato in un sistema di filtro per particolato che si trova nel sottoscocca del veicolo. Il filtro ha una struttura ad alveare con condotti di canali di immissione e scarico chiusi in alternanza. In questo modo i gas di scarico sono costretti a fluire attraverso una parete filtrante porosa. In questa sede si verifica una separazione del particolato; il filtro può comunque venire rigenerato con costanza mediante condizioni di marcia adeguate.

Mentre nei motori diesel si impiegano filtri antiparticolati ceramici in carburo di silicio, la tecnologia del filtro antiparticolato per motori a ciclo Otto si basa invece sulla cordierite, particolarmente termoresistente. Il filtro antiparticolato per motori a ciclo Otto ottimizzato sotto il profilo della contropressione con un'efficienza di filtraggio elevata è inoltre esente da manutenzione e a regolazione autonoma.

Nelle normali condizioni di marcia, la rigenerazione (combustione della fuliggine) del filtro antiparticolato per motori a benzina avviene prevalentemente in fase di rilascio. Non appena il filtro antiparticolato per motori a benzina ha a disposizione l'ossigeno necessario, ha inizio la combustione della fuliggine. Il filtro antiparticolato per motori a benzina raggiunge le temperature più alte, pari a circa 1150 °C, nella parte posteriore e centrale.

Il carico termico del filtro antiparticolato per motori a benzina nella fase di rilascio dipende in prima istanza dal tasso di particolato e dalla temperatura dei gas di scarico a monte del filtro. Temperature troppo elevate durante la combustione della fuliggine possono danneggiare l'intero filtro antiparticolato per motori a benzina.

La temperatura dei gas di scarico è rilevata dal relativo sensore di temperatura a monte del filtro antiparticolato per motori a benzina. Il tasso di particolato viene determinato per mezzo del relativo sensore di differenza di pressione filtro antiparticolato per motori a benzina. La centralina di comando legge direttamente i segnali dei sensori e li analizza. Se i valori misurati superano certi limiti, la centralina di comando avvia i corrispondenti interventi sulla gestione del motore e registra in memoria un codice di guasto rilevante per le officine.

Raffreddamento

Il circuito di raffreddamento è regolato da una gestione termica. Un termostato a comando elettronico regola la fase di riscaldamento del motore in base alla mappatura. Questa regolazione permette alle camere di combustione di scaldarsi rapidamente durante la fase di riscaldamento.

Le temperature del liquido di raffreddamento possono essere impostate a piacere in funzione dello stile di guida e delle condizioni ambientali. Il circuito del liquido di raffreddamento è stato concepito per riscaldare l'abitacolo nel minor tempo possibile.

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Manutenzione

L'attuale strategia di manutenzione Mercedes-Benz trova applicazione anche per l'M 260, sono tuttavia possibili scostamenti specifici per Paese:

 Europa:

Intervalli di manutenzione fissi, intervallo "ogni 25.000 km/12 mesi".

 Cina:

Intervalli di manutenzione fissi, intervallo "ogni 10.000 km/12 mesi".

 USA:

Intervalli di manutenzione fissi, intervallo "ogni 10.000 mi/12 mesi".

 Manutenzione A e B sempre in alternanza

I lavori supplementari vengono eseguiti con questi intervalli (esempio Europa):

 Sostituire la cartuccia del filtro dell'aria: ogni 75.000 km/3 anni

 Sostituire le candele di accensione: ogni 75.000 km/3 anni

 Sostituire il filtro del carburante: 200.000 km/10 anni

Scarico dell'olio motore

L'M 260 non dispone più del tubo di aspirazione dell'olio e quindi neanche dell'astina di controllo del livello dell'olio.

Lo scarico dell'olio motore avviene tramite una vite di scarico sulla coppa dell'olio. Il controllo del livello dell'olio motore avviene tramite un sensore nella coppa dell'olio e l'indicazione nella strumentazione. Questa indicazione viene richiamata tramite i tasti sul volante.

Per la procedura di misurazione e di cambio dell'olio motore vedere il documento WIS AP18.00-P-1812MFA.

Oli motore

A causa dell'impiego del filtro antiparticolato per motori a benzina (OPF), per il cambio dell'olio motore in questo motore va utilizzato un olio motore a bassa emissione di ceneri, similmente ai motori con filtro antiparticolato per motori diesel (DPF). Per la manutenzione sono approvati i seguenti oli motore, secondo le specifiche per i materiali di consumo di Mercedes­Benz:

 229.51

 229.52

 229.61

 229.71

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