Nowa generacja boksera diesla.

Najnowszy silnik bokser diesel Subaru spełnia normy emisji Euro5 bez kompromisów w zakresie utraty mocy, ekonomii spalania zachowując taką samą kulturę pracy.

W ostatnich latach, bycie przyjaznym dla środowiska stało się ważną funkcją dla posiadaczy samochodów. Samochody z silnikiem diesla, który emituje mniej CO2, zdominowały sprzedaż nowych samochodów w Europie osiągając poziom 50% ogólnej ilości sprzedanych samochodów. To było przyczyną, dla której w 2008 roku Subaru wyprodukowało spełniający normy Euro4 Legacy z silnikiem diesla. Posiadający system common-rail i turbosprężarkę VNT, bokser diesel Subaru oferuje bardzo dobre parametry, ekonomię spalania, które nadają się do samochodów z napędem AWD.

W 2008 roku bokser diesel wygrał nagrodę konsumentów, mediów a także przemysłu. Koncepcja rozwoju drugiej generacji silnika bokser diesel spełniającego normę Euro5 przy jednoczesnym zachowaniu parametrów pracy i ekonomii.
W normie Euro5, emisja tlenków azotu i cząstek stałych muszą być zredukowane o odpowiednio 30% i 80% w stosunku do Euro4. Aby zrealizować te założenia, zespół konstruktorski zredukował emisję cząstek stałych poprzez zastosowanie filtrów DPF w Foresterach i Imprezach. Również emisja tlenków azotu została zredukowana poprzez rozwinięcie zaawansowanej kontroli spalania.

Konfiguracja silnika
Główna konfiguracja nowego silnika bazuje na klasycznym bokserze dieslu. Plusy silnika boksera to przede wszystkim jego zwartość, niewielka waga i sztywna konstrukcja w porównaniu do rzędowych, 4-cylindrowych jednostek. W dodatku oferują wysoką kulturę pracy, doskonałe osiągi i ekonomię spalania.
Aby przedłużyć skok z zachowaniem całkowitej szerokości silnika benzynowego 4-cylindrowego, bokser diesel używa innego korbowodu i innego sposobu montażu. Minimalizuje to wzrost wysokości bloku silnika. Ponadto, wysokość tłoka została zachowana dzięki zastosowaniu wytrzymałego stopu aluminium. Głowica cylindra składa się z czterech zaworów i centralnie umieszczonego wtryskiwacza. Dzięki zastosowaniu krótszych wtryskiwaczy paliwa wysokość głowicy jest mniejsza niż w benzynowych bokserach, skutecznie zachowując całkowitą szerokość porównywalną do benzyny.
Ogólnie, silniki diesla są znacznie cięższe niż ich benzynowe odpowiedniki. Aby zminimalizować wzrost wagi, całkowita długość silnika jest mniejsza niż w bokserze benzynowym. Odległości pomiędzy otworami cylindrów zostały zmniejszone o 14,6mm w porównaniu z bokserem benzynowym, dając całkowitą długość 353,5mm, czyli o 61,3mm mniejszą niż w bokserze benzynowym. W sumie, bokser diesel jest o 10kg lżejszy od typowych, 2-litrowych, 4-cylindrowych jednostek diesla. Osiągnięto to poprzez zmniejszenie całkowitej długości i szerokości silnika, zrównoważoną strukturę oraz zmniejszenie wagi różnych elementów.
Turbosprężarka posiada zmienną geometrię, która kontroluje ułożenie łopatek części ciepłej w zależności od obszaru pracy, dając wysoce skuteczne doładowanie w każdym zakresie obrotów silnika. Turbosprężarka jest umiejscowiona pod silnikiem w celu zapewnienia dobrego wykorzystania energii gazów spalinowych i niskiego środka ciężkości. Charakterystyczna dla Subaru dobra dynamika i właściwości jezdne są realizowane poprzez obniżenie środka ciężkości i wzmocnionej reakcji na pedał gazu.
Katalizator i filtr DPF umieszczone są bezpośrednio za turbiną. Takie umiejscowienie pozwala na szybsze rozgrzanie katalizatora, zapewniając lepsze działanie w szerokim zakresie pracy.

System oczyszczania spalin
System oczyszczania spalin w bokserach dieslach zapewniający spełnienie norm emisji Euro5 zawiera szereg nowych elementów. Filtr DPF ulokowany bezpośrednio za turbiną, wyposażony tak jak standard 1-ej generacji w Foresterach, posiada zwiększoną zdolność konwersji cząstek stałych. W celu zmniejszenia emisji, zwłaszcza tlenków azotu, zastosowano 5 ulepszeń: dużą chłodnicę EGR, nowy system wtrysku paliwa, inny kształt komory spalania, niski stopień kompresji, zmienną geometrię łopatek.
Największą różnicę pomiędzy Euro4 a Euro5 stanowi dozwolony poziom emisji cząstek stałych i tlenków azotu. Podniesienie stopnia wykorzystania powietrza w efektywnym eliminowaniu emisji cząstek stałych i obniżenie temperatury spalania w celu redukcji emisji tlenków azotu. Podsumowując: dwa słowa kluczowe dla redukcji emisji cząstek stałych i NOx to wykorzystanie powietrza i temperatura spalania. Ogólnie, kiedy duża objętość spalin poprzez system EGR trafia do komory spalania przy obecności dużej chłodnicy EGR, niższa temperatura spalania pomaga zredukować emisję NOx. Jednakże obniżona szybkość spalania często upośledza sprawność cieplną i prowadzi do pogorszenia ekonomii zużycia paliwa. Ponadto, zwiększone EGR obniża stopień wykorzystania powietrza w cylindrach i zwiększa emisję cząstek stałych. Duża chłodnica EGR dobrze redukuje emisję NOx, ale pogarsza ekonomię i zwiększa emisję PM.
Ponadto, nowy system wtrysku paliwa zwiększa ciśnienie paliwa, przy otworach o 9% mniejszych niż w poprzednim systemie. To wspiera atomizację strugi i zwiększa współczynnik wykorzystania powietrza, co prowadzi do redukcji emisji PM i szybkiego, efektywnego spalania i lepszej ekonomii. To z kolei zwiększa temperaturę spalania i emisję NOx.

Aby spełnić normę Euro5 Subaru zdecydowało się na montaż dużej chłodnicy EGR i nowego systemu wtrysku paliwa. Inżynierowie opracowali także nowy kształt komory spalania, która maksymalizuje zyski z zastosowania dużej chłodnicy EGR i nowego systemu wtrysku paliwa.
Kształt komory spalania jest ważnym czynnikiem, ponieważ jest to miejsce, w którym rozpylone paliwo spotyka się z tlenem i spala. Zespół badawczy wykorzystał oprogramowanie CAE do analizy przestrzeni i czasu, żeby prześledzić spalanie paliwa wtryśniętego do komory spalania.
W systemie Euro5, gdzie średnica komory i jej głębokość zostały zwiększone oraz zoptymalizowano kąt stożka, jasnym jest, że tworzone jest mniej cząstek stałych. W dodatku, wysoka zawartość cząstek stałych w obszarze 26st ATDC została znacznie zredukowana w porównaniu do Euro4. Jest to rezultatem utlenienia PM, co zostało osiągnięte w wyniku poprawy stopnia wykorzystania powietrza.
Wlot powietrza jest kolejnym ważnym czynnikiem wpływającym na rozpylenie paliwa w komorze spalania i szybkość spalania. Optymalna prędkość i sprawność jest wtedy, gdy sąsiadujące ze sobą strugi paliwa nie mieszają się w wirze. Zespół inżynierów skupił się również na mniejszej kompresji, której celem jest obniżenie temperatury spalania, które z kolei ma wpływ na niższą emisję NOx. Temperatura spalania została obniżona o ok.100stC. Niższa kompresja wpływa zarówno na spełnienie norm emisji NOx w Euro5 jak i na teoretyczną sprawność cieplną i zmniejszenie emisji cząstek stałych.
Zespół stwierdził, że najlepszy stopień kompresji dla Euro5 wynosi 16.0. Dla porównania stopień kompresji dla euro wynosi 16,3.

Ostatnim wprowadzonym usprawnieniem są pneumatyczne czujniki sterujące zmiennymi (nozzle-type) turbosprężarki. Pomagają one utrzymać wysokie ciśnienie doładowania przy niskich obciązeniach, co zwiększa koncentrację tlenu w komorze spalania i zwiększa stopień wykorzystania powietrza. To wpływa na obniżenie emisji cząstek stałych.
Aby zmaksymalizować efekty tych pięciu usprawnień, zespół przeprowadził serię bardzo dokładnych testów. (the engine control strategy is made up of a complicated matrix structure compared with euro4 system). Wpływ na spalanie mają takie czynniki jak ciśnienie, ilość i czas wtrysku. W dodatku, poprzez optymalizację kontroli EGR i ciśnienia doładowania w każdym obszarze pracy uzyskano najlepszą moc silnika, ekonomię spalania i jakość spalin.
Wykres1 pokazuje porównanie ciśnienia w cylindrach, prędkość odprowadzania ciepła i temperaturę w cylindrze dla Euro4 i Euro5. Wykres dotyczy trzeciego biegu, 1600rpm, które odpowiadają 25mph (40km/h) i średnie obciążenie 750kPa IMEP.
W Euro5, im więcej gazów wraca [...], w wyniku czego temperatura spalania jest o ok.100stC niższa.

Tabela3 pokazuje, w jaki sposób warunki spalania wpływają na emisję NOx i PM. Ograniczenie emisji NOx i PM realizowane jest poprzez kombinację 5 usprawnień mechanicznych i 7 parametrów spalania. Jak można zobaczyć, wpływ czynników spalania na emisję NOx i PM jest zmienny. Poprzez kompleksowe zestrojenie wszystkich tych parametrów emisja NOx w nowych silnikach została zmniejszona o 60%.

Boksery diesle zachowują standardy NVH dla Euro4, a także spełniają normy Euro5.
Ogólnie, wysokie ciśnienie w silnikach diesla podczas spalania prowadzi do większych hałasów i wibracji. Bokser diesel redukuje NVH i maksymalizuje spokój, co daje łagodne i miłe prowadzenie z niskim hałasem i niewielkimi wibracjami w każdym zakresie obrotów. Hałas podczas spalania, który mógłby być większy z powodu spełnienie norm Euro5, pozostał na tym samym poziomie, jak przy normie Euro4. Osiągnięto to poprzez zmianę liczby wieloetapowego wtrysku paliwa i strategii kalibracji dla warunków jazdy.
Druga generacja bokserów diesli trafiła na europejski rynek spełniając normy Euro5 przy zachowaniu mocy, ekonomii spalania i NVH takich jak w silnikach pierwszej generacji.
Rozwój tego silnika szedł w dwóch kierunkach. Po pierwsze, zostało zastosowanych pięć nowych elementów: duża chłodnica EGR, nowy system wtrysku paliwa, nowy kształt komory spalania, niższy stopień kompresji i (lift sensors) dla zmiennej geometrii łopatek turbiny. Te usprawnienia, w połaczeniu z filtrem DPF, pozwoliły bokserom deslom drugiej generacji spełniać normy Euro5. Drugą korzyścią jest to, że zachowana została kultura pracy i ekonomia spalania taka, jak w silnikach pierwszej generacji.