Panoramica novità/modifiche introduzione nuovo motore a V M276 con sovralimentazione con turbocompressore a gas di scarico

Introduzione nuovo motore 276 E30 DEH LA
Generalità
A partire dal restyling della Classe E in 04/2013 la motorizzazione viene integrata con un nuovo motore a benzina a 6 cilindri M276 E30 DEH LA con sovralimentazione con turbocompressore a gas di scarico.
Il motore ulteriormente migliorato viene offerto come E400 nella berlina e nella station-wagon con e senza 4MATIC.
Grazie alla sovralimentazione con turbocompressore a gas di scarico nella nuova variante del motore 276 con 3 litri di cilindrata è stato possibile incrementare notevolmente la coppia e la potenza.

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Descrizione sintetica

Novità

 Riduzione della cilindrata totale del motore a 2996 cm3

 Aumento della coppia nominale a 480 Nm con un regime da 1400 a 4000/min

 Aumento della potenza nominale a 245 kW con un regime di 5500/min

 Basamento rigido realizzato in alluminio pieno

 Canne cilindri con rivestimento innovativo "Nanoslide", realizzato con procedimento LDS (dal tedesco "Lichtbogen-Draht-Spritzen": metallizzazione ad arco elettrico) con risultante riduzione del peso e diminuzione delle perdite per attrito

 Turbocompressore a gas di scarico a risposta pronta con regolazione waste-gate per ogni bancata di cilindri

 Collettore dei gas di scarico e corpo della turbina come componente compatto realizzato in acciaio fuso

 Intercooler aria/acqua compatto con serbatoio di compensazione separato montato sul lato motore per il raffreddamento ottimale dell'aria di sovralimentazione ed un buon rendimento termodinamico

 Adattamento della rigenerazione del filtro a carbone attivo ai requisiti della sovralimentazione con turbocompressore a gas di scarico tramite introduzione della rigenerazione a pieno carico

 Sistema di sfiato del motore a due stadi con separatore radiale rotante e separatore fine volumetrico inserito a valle per la depurazione ottimale dei gas blow-by

 Adattamento della disposizione delle tubazioni dell'impianto di iniezione ad alta pressione ai requisiti più elevati del motore e impiego di una pompa di alta pressione del carburante più potente presa dai motori V8

 Adempimento della norma sui gas di scarico più severa EU6

Caratteristiche collaudate

 Quattro valvole per cilindro

 Rispettivamente due variatori di fase dell'albero a camme per lato di aspirazione e di scarico assicurano un andamento ottimizzato della coppia del motore e migliorate caratteristiche emissive

 Sistema di trasmissione a catena silenzioso con catene dentate (trasmissione a catena di distribuzione composta da tre singole catene di distribuzione tarabili rispettivamente tramite un tendicatena separato)

 Pompa dell'olio rotativa a palette compatta con regolazione della quantità in funzione del fabbisogno e due stadi di pressione

 Azionamento della pompa dell'olio e della pompa del liquido di raffreddamento con potenza ottimizzata

 Iniezione diretta di benzina della 3a generazione con una pressione del carburante di 200 bar, iniettori piezoelettrici e iniezione multipla spray-guided

 Iniezione multipla con un massimo di cinque iniezioni per ciclo di lavoro

 Impianto di accensione a scintilla multipla per accensione e combustione ottimali (funzionamento multispark)

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Sovralimentazione con turbocompressore a gas di scarico

Per ciascuna bancata di cilindri è montato un turbocompressore a gas di scarico a struttura compatta e risposta pronta con regolazione waste-gate. Grazie alla sovralimentazione con turbocompressore a gas di scarico è stato possibile migliorare notevolmente il grado di riempimento dei cilindri e aumentare di conseguenza la potenza erogata nonostante la riduzione contemporanea della cilindrata. In combinazione con la moderna iniezione diretta è stato inoltre possibile ottenere un minore consumo specifico.

Grazie a queste misure si è potuto proseguire con successo con il downsizing iniziato e la modularizzazione coerente nei motori V6.

Dopo l'aspirazione dell'aria esterna attraverso il filtro dell'aria, l'aria viene addotta al turbocompressore a gas di scarico di ciascuna bancata di cilindri per essere compressa. La regolazione integrata della pressione di sovralimentazione e dell'aria di ricircolo in fase di rilascio assicurano un andamento ottimizzato della coppia e un impiego efficiente dei turbocompressori a gas di scarico.

In seguito alla compressione dell'aria quest'ultima può riscaldarsi fino a circa 150 °C, il che determina come effetto negativo una dilatazione dell'aria di sovralimentazione e di conseguenza un minore grado di riempimento. Tale fenomeno viene contrastato tramite il raffreddamento dell'aria di sovralimentazione mediante un intercooler compatto collegato al circuito di raffreddamento a bassa temperatura. Successivamente l'aria di sovralimentazione viene addotta all'interno del tubo distributore aria di sovralimentazione, con una pressione fino a circa 0,8 bar, ai singoli cilindri.

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Testata con conduzione dei gas di scarico ottimizzata per la sovralimentazione ad impulsi

Un orientamento dei condotti di scarico verso il corpo della turbina già nella testata consente una sovralimentazione ad impulsi (direct-pulse charging) caratterizzata da un comportamento di risposta eccellente alle variazioni di carico.

 Sovralimentazione ad impulsi
L'onda di pressione del gas di scarico proveniente dall'apertura delle valvole di scarico rimane quasi completamente preservata fino all'ingresso nel turbocompressore a gas di scarico e consente in questo modo un'accelerazione estremamente rapida della girante turbina.

Regolazione della pressione di sovralimentazione

Come conseguenza intrinseca del principio di funzionamento, l'albero del turbocompressore a gas di scarico, azionato dalla quantità di gas di scarico crescente, con l'aumento del n. di giri del motore gira sempre più velocemente. Più velocemente gira la turbina, più grande è la quantità di aria alimentata dal compressore, il che a sua volta accelera ancora di più la turbina a causa della crescente quantità di gas di scarico. Di conseguenza il compressore può raggiungere il proprio limite di alimentazione oppure possono essere superati i limiti meccanici e termici del motore.

Per impedire ciò e per mantenere la potenza erogata entro limiti fattibili, vale a dire limitare la sovralimentazione del motore, la pressione di sovralimentazione e la portata del compressore vengono limitate tramite la regolazione della pressione di sovralimentazione.

La regolazione della pressione di sovralimentazione è di tipo elettropneumatico e avviene mediante il convertitore di pressione regolazione della pressione di sovralimentazione (Y31/5). A tal fine quest'ultimo viene attivato dalla centralina di comando ME sulla base di una mappatura.

Per ridurre la pressione di sovralimentazione i quattro flussi dei gas di scarico vengono deviati ciascuno attraverso un bypass direttamente nel collettore dei gas di scarico e in questo modo viene limitato il numero di giri della turbina. I bypass vengono chiusi tramite le valvole a farfalla di regolazione della pressione di sovralimentazione, le quali vengono azionate per via pneumatica tramite capsule a depressione. Se non azionate, le valvole a farfalla di regolazione della pressione di sovralimentazione sono aperte tramite forza elastica.

In tal modo la pressione di sovralimentazione può essere adattata al carico momentaneamente richiesto del motore.

Regolazione aria di ricircolo in fase di rilascio

Dopo l'inizio della fase di rilascio il turbocompressore a gas di scarico continua a ruotare per effetto dell'inerzia della massa dell'albero, della girante del compressore e quella della turbina.

In caso di rapida chiusura della valvola a farfalla un'onda di pressione di sovralimentazione torna verso il turbocompressore a gas di scarico. Questa onda determinerebbe in corrispondenza della girante del compressore una situazione di ridotta alimentazione e forte pressione con conseguente azione pompante del compressore (breve rumore e sollecitazione meccanica).

Tramite l'apertura delle valvole di commutazione aria di ricircolo in fase di rilascio lato sinistro e destro (Y101/1, Y101/2), questi picchi di pressione vengono scaricati attraverso un canale di bypass nel lato aspirazione del turbocompressore a gas di scarico.

Nel funzionamento sotto carico del motore il corrispondente canale di bypass viene mantenuto ben chiuso.

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Intercooler
Un intercooler compatto e brevi percorsi dell'aria consentono di realizzare resistenze fluidodinamiche ridotte che contribuiscono all'elevata efficienza del motore.
L'aria raffreddata a valle degli intercooler ha una densità superiore. In tal modo aumenta il grado di riempimento dei cilindri e quindi la potenza del motore. Inoltre si riduce la tendenza a battere in testa e, grazie a temperature dei gas di scarico più basse, anche la formazione di ossidi di azoto (NOx).
Per il raffreddamento dei turbocompressori a gas di scarico molto caldi dopo l'arresto del motore, il circuito di raffreddamento a bassa temperatura viene alimentato separatamente con liquido di raffreddamento per alcuni minuti tramite la pompa di circolazione intercooler.

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Sfiato del motore

Lo sfiato del motore fa sì che in tutte le condizioni di funzionamento del motore la sovrappressione e i gas in eccesso vengano evacuati dal basamento e addotti nuovamente al motore per la combustione attraverso il condotto di aspirazione. Per evitare cattive caratteristiche emissive del motore ed un consumo d'olio aumentato, i gas aspirati devono essere precedentemente depurati dai vapori d'olio.

Nel motore M276 E30 DEH LA trova impiego un sistema di sfiato a due stadi che consiste di una centrifuga per la separazione grossolana e fine e di un separatore finissimo disposto nella V interna del motore.

Poiché lo sfiato del motore viene alimentato sia con carico parziale che con pieno carico, la centrifuga che gira con il numero di giri dell'albero a camme permette di ottenere un grado di separazione dell'olio molto elevato. Gli ultimi residui di olio vengono catturati dal separatore finissimo.

Grazie al nuovo sfiato del motore a due stadi le caratteristiche emissive vengono migliorate, il consumo d'olio viene ridotto e si ottengono effetti positivi sull'invecchiamento dell'olio.

Sfiato del serbatoio carburante/rigenerazione del serbatoio carbone attivo

Il legislatore prescrive che durante lo sfiato del serbatoio carburante i vapori carburante non devono essere dispersi nell'ambiente. Per adempire a questa prescrizione, i vapori carburante vengono accumulati nel serbatoio carbone attivo, aspirati in presenza di un corrispondente grado di saturazione del filtro a carbone attivo e quindi addotti al motore per essere combusti.

Svolgimento della funzione rigenerazione a carico parziale

Nell'esercizio a carico parziale, i vapori carburante accumulati nel serbatoio carbone attivo (77) vengono aspirati dietro la valvola a farfalla per effetto della depressione presente tramite la valvola di commutazione della rigenerazione, la valvola di non ritorno esercizio a carico parziale (71) e la tubazione di rigenerazione carico parziale (1) e quindi combusti nel motore.

A causa dell'impiego della sovralimentazione con turbocompressore a gas di scarico nel motore 276 DEH LA, nell'esercizio a pieno carico è presente una sovrappressione a valle della valvola a farfalla che impedisce l'aspirazione dei vapori carburante attraverso la tubazione di rigenerazione carico parziale. La valvola di non ritorno esercizio a carico parziale impedisce uno sviluppo di pressione in direzione del serbatoio carbone attivo. In questo modo con l'esercizio costante sotto carico del motore non è possibile la rigenerazione regolare del filtro a carbone attivo. Con la rigenerazione a pieno carico questo requisito viene soddisfatto.

Svolgimento della funzione rigenerazione a pieno carico

Nell'esercizio a pieno carico l'aspirazione dei vapori carburante avviene attraverso la valvola di non ritorno esercizio a pieno carico (71/2) e la tubazione di rigenerazione pieno carico (2). La necessaria depressione viene generata tramite un ugello di Venturi (74). I vapori carburante vengono quindi convogliati attraverso la tubazione di rigenerazione pieno carico, il turbocompressore a gas di scarico (110/1) e l'intercooler (120) verso il tubo distributore aria di sovralimentazione.

Per controllare se la rigenerazione a pieno carico può essere abilitata, la valvola di commutazione della rigenerazione viene aperta di colpo tre volte. Durante questa operazione devono verificarsi picchi di pressione > 120 mbar. Il sensore di pressione rigenerazione rileva le condizioni di pressione presenti nella tubazione di rigenerazione pieno carico ed invia un segnale alla centralina di comando ME.

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