Turbodoładowany silnik wysokoprężny nowego Saaba 9-5

W swej nowej serii 9-5 Saab zdecydował się postawić na silniki wysokoprężne. Szwedzki producent samochodów, znany ze swych pionierskich prac w dziedzinie turbodoładowania, rozszerza asortyment silników oferowanych do wersji Sedan i SportKombi swych luksusowych samochodów serii 9-5 o turbodoładowany silnik wysokoprężny.



Nowy silnik to ultranowoczesna, 24-zaworowa jednostka o pojemności 3,0 litra, zbudowana z aluminium dla zmniejszenia ciężaru. Zastosowano w niej wysokowydajną technologię wtrysku bezpośredniego pod dużym ciśnieniem, typu common-rail.

Chociaż zużyciem paliwa silnik ten w cyklu mieszanym zadowoli większość zwolenników oszczędnej jazdy, nie można zapominać, że jest to przecież jeden ze znanych turbodieseli Saaba. Oznacza to, że eksperci firmy, opierając się na 25-letnich doświadczeniach, dobrali jego parametry tak, aby zapewnić sportową charakterystykę i osiągi, jakich należało się spodziewać od turbodoładowanego silnika benzynowego marki Saab.

Elastyczny zapas mocy tej sześciocylindrowej jednostki widlastej został powiększony do 125 kW (176 KM) poprzez zastosowanie najnowszej turbosprężarki firmy Garrett, długoletniego partnera Saaba. Jest to sprężarka o zmiennej geometrii – łopatki tej sprężarki samoczynnie zmieniają kąt natarcia w zależności od wartości przepływu gazów spalinowych. Dzięki takiemu rozwiązaniu kierowca zawsze „czuje pod nogą” zapas mocy, co ułatwia mu panowanie nad pojazdem i czyni jazdę przyjemniejszą i bezpieczniejszą.

Co więcej, pod względem wytwarzanego, momentu obrotowego – nowy turbodiesel dorównuje flagowemu samochodowi sportowemu Saaba – 9-5 Aero z silnikiem 2,3-litra. W przełożeniu na
liczby oznacza to 350 Nm przy 1800 obr/min oraz przyspieszenie do 100 km/h w 9,3 sekundy. Chociaż jego paliwem jest olej napędowy, to silnik V6 TiD pod każdym względem zachowuje się jak turbodoładowany Saab z silnikiem benzynowym – jest żwawy, szybki i nowoczesny.

Świetnym osiągom sprzyja wyjątkowo zwarta budowa silnika, który bez problemu mieści się pod aerodynamiczną maską modelu 9-5. Silnik jest umieszczony poprzecznie i napędza koła przednie za pośrednictwem pięciobiegowej przekładni manualnej.
Zwartość i niewielkie wymiary nowego silnika 3.0 TiD uzyskano m.in. dzięki zastosowaniu kąta rozwarcia cylindrów wynoszącego 66 stopni. Ponadto jest to silnik podkwadratowy – średnica cylindra (`87,5 mm) jest większa od skoku (82,0 mm) – specjalnie po to, żeby zmniejszyć wysokość i uczynić silnik jak najbardziej zwartym.

Jednostkę napędową o zredukowanej do minimum wysokości można umieścić niżej w komorze silnikowej, dzięki czemu obniża się środek ciężkości pojazdu. Wpływa to korzystnie na stabilność a także umacnia czołową pozycję Saaba, jeśli idzie o poziom bezpieczeństwa przy zderzeniach czołowych.

Aluminium zmniejsza ciężar silnika
Blok silnika i głowica cylindra wykonane są z aluminium, co w znacznym stopniu niweluje wrodzoną niedogodność silników wysokoprężnych, jaką jest większy ciężar własny, oraz korzystnie wpływa na zużycie paliwa i parametry eksploatacyjne silnika. Podobnie jak we wszystkich silnikach Saaba każdy cylinder ma cztery zawory nie wymagające regulacji przez cały okres eksploatacji. Wszystkie cztery wałki rozrządu napędza jeden pasek.

Nowy, zaawansowany technologicznie silnik 3.0 TiD Saaba wytwarza także wyjątkowo wysoki moment obrotowy i odznacza się znaczną kulturą i płynnością pracy, spełniając jednocześnie wszystkie europejskie przepisy dotyczące emisji szkodliwych związków zawartych w spalinach. W kwestii osiągów, nowa jednostka Saaba plasuje się w ścisłej czołówce turbodiesli 3.0 l przeznaczonych do samochodów luksusowych, bez wysiłku dostarczając moment obrotowy już przy bardzo niskiej prędkości obrotowej (1800 obr/min). Wytwarzany przez nowy silnik moment obrotowy wynoszący 350 Nm przy 1800 obr/min jest równy temu, jaki wytwarza dopiero co zmodernizowana, 2,3-litrowa jednostka TS (Trubo Sport), jednakże kierowca ma go do dyspozycji przy znacznie niższej prędkości obrotowej.

”W końcu musieliśmy nawet sztucznie ujarzmiać moment wytwarzany przez nowy silnik”, komentuje Mats Persson, szef projektu silnika 3.0 TiD w firmie Saab. ”Mogliśmy uzyskać znacznie więcej, lecz zdawaliśmy sobie sprawę, że kierowca Saaba powinien zawsze czuć się bezpiecznie i panować nad mocą pojazdu, zatem ograniczyliśmy moment obrotowy silnika. Mimo to nadal wywiera duże wrażenie – takich parametrów nie powstydzi się rasowy silnik sportowy”

Moc maksymalna także wzrosła – pod tym względem nowy silnik bije konkurencję, osiągając 125kW (176 KM) przy 4.000 obr/min. Efekt ogólny to płynne dostarczanie mocy i momentu na każde żądanie kierowcy i w całym zakresie prędkości obrotowych – to ta sama fala potęgi, która od dawna stanowi znak rozpoznawczy turbodoładowanych silników Saaba.

Doładowanie turbosprężarką firmy Garrett plus recyrkulacja schłodzonych spalin
Sercem rozwiązania zapewniającego kolosalny moment obrotowy nowej widlastej sześciocylindrowej jednostki V6 jest najnowocześniejsza sprężarka o zmiennej geometrii turbiny, zwana VNT (od skrótu Variable-Nozzle Turbine – turbina o zmiennej geometrii łopatek). W urządzeniu tym wyeliminowano bezwładność charakteryzującą prostsze rozwiązania turbin, poprzez nieprzerwane dostosowywanie kąta natarcia łopatek kierujących turbiny do wielkości przepływu gazów spalinowych. Prowadzi to z kolei do zmiany wartości ciśnienia doładowania wytwarzanego przez turbinę, co umożliwia doprowadzenie do komory spalania prawidłowej ilości doładowywanego powietrza.

Przy niskich prędkościach obrotowych silnika przekrój czynny łopatek turbiny, jaki napotykają przepływające gazy spalinowe jest większy, co powoduje wzrost ciśnienia ładowania; natomiast przy większych prędkościach obrotowych ustawienie łopatek zmienia się tak, że przepływ gazów rośnie, a ciśnienie ładowania się zmniejsza.

Pod tym względem turbina VNT różni się od tradycyjnych turbin z przepustnicą spalin, w których ciśnienie narasta, zanim zostanie zmniejszone po osiągnięciu zbyt dużej wartości. Turbina VNT
Płynnie tłoczy powietrze doładowania pod prawidłowym ciśnieniem. Jest to technologia łącząca dwie przeciwności. Turbosprężarka zachowuje się jak mała turbina natychmiast dostarczająca momentu obrotowego przy niższych prędkościach obrotowych silnika (np. przy ruszaniu), ale potrafi jednocześnie w razie potrzeby zwiększyć moc silnika przy wyższych prędkościach obrotowych. Kierowca ma zatem odpowiednią moc do dyspozycji na każde żądanie.

Turbosprężarka VNT firmy Garrett z chłodzeniem międzystopniowym (intercoolerem) współpracuje z wysokociśnieniowym układem wtrysku paliwa typu common-rail. Układ ten wtryskuje do komory spalania paliwo pod ciśnieniem 1450 barów, dzięki czemu spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej jest czystsze i efektywniejsze, a emisja cząstek stałych oraz tlenków azotu (NOx) zmniejszona do minimum.

Elektrycznie sterowany system EGR zmniejsza emisje i poprawia reakcję na otwarcie przepustnicy
W celu dalszego ograniczenia szkodliwych emisji, nowy silnik Saaba Saab 3.0 TiD wyposażono w najnowszy układ recyrkulacji spalin (Exhaust-Gas Recirculation – EGR), który – zawracając część spalin do komory spalania – jeszcze bardziej redukuje emisje NOx.

W silniku Saaba gazy spalinowe przed zawróceniem do komory spalania są ochładzane w wodno/powietrznym wymienniku ciepła, dzięki czemu temperatura silnika obniża się, a jego osiągi wzrastają. Podobnie nowym elementem jest elektroniczne sterowanie układu EGR. Podobnie jak w przypadku procesu chłodzenia gazów spalinowych, jest to jedno z najnowszych rozwiązań poprawiających charakterystyki pracy turbodoładowanych silników wysokoprężnych i do minimum zmniejszających szkodliwe emisje.

W mniej zaawansowanych wersjach systemu EGR stosuje się pneumatyczne sterowanie recyrkulacją spalin; wadą tego rozwiązania jest mała szybkość reakcji. Sterowanie elektroniczne przyśpiesza ten proces i zapewnia znacznie dokładniejszą regulację przepływu gazów.

Na przykład podczas przyśpieszania konieczny jest gwałtowny dopływ świeżego powietrza i paliwa, a nie obojętnych, niepalnych gazów pochodzących z systemu EGR. W starszych systemach EGR szybkie zamknięcie dopływu gazów spalinowych było utrudnione, ponieważ najpierw musiało wytworzyć się odpowiednio wysokie podciśnienie sterujące. Dzięki sterowaniu
elektronicznemu EGR reaguje natychmiast, co poprawia dynamikę silnika i jego reakcję na operowanie pedałem przyśpieszenia, a kierowca może z większą precyzją panować nad pojazdem. Po osiągnięciu prędkości zaplanowanej przez kierowcę, do komór spalania płynnie dopuszcza się recyrkulujące gazy spalinowe, dzięki czemu spalanie staje się sprawniejsze i czystsze.

Do eliminacji węglowodorów (HC) i tlenku węgla (CO) ze spalin służą dwa katalizatory utleniające. Mniejszy katalizator, zamontowany w pobliżu silnika, odgrywa główną rolę podczas rozruchu silnika, a większy katalizator, zainstalowany dalej, działa przy większych przepływach spalin, jakie występują przy prędkościach szosowych.

Opracowanie silnika V6
O pomoc w skonstruowaniu nowego silnika Saab zwrócił się do partnera General Motors – firmy Isuzu. Jest to kolejny przykład korzyści, jakie Saab uzyskuje z faktu, że w 100% należy do największego na świecie koncernu motoryzacyjnego – General Motors. Co najważniejsze, Saab będzie pierwszą marką, która zastosuje nowy, przygotowany już do produkcji silnik V6.

”Już w 1996 roku wiedzieliśmy, że GM rozmawia z Isuzu o opracowaniu turbodoładowanego silnika wysokoprężnego. Miał on wszystko, czego potrzebowaliśmy.” wyjaśnia Mats Persson. ”Miał to być silnik V6 z wtryskiem bezpośrednim w układzie common-rail, w założeniu miał spełniać wymagania przepisów Euro III i IV oraz posiadać turbinę o zmiennej geometrii – wszystko doskonale pasowało do Saaba 9-5. Tyle, że 9-5 miał wąski przedział silnika, a więc było dla nas istotne, aby Isuzu znało nasze wymagania, chociaż zamierzali oni oferować nowy silnik jako wyrób na zamówienie klienta. Z przyjemnością stwierdzam, że w rezultacie powstał silnik o bardzo zwartej konstrukcji, doskonale dopasowany do modelu 9-5. Sądzę, że jest to doskonały przykład współpracy między różnymi markami GM.”

Saab miał też swój udział w podjęciu decyzji o zaniechaniu budowy identycznego silnika V6 o pojemności 2,5 litra. Ten turbodiesel mniejszej pojemności opracowywano równolegle z jednostką 3-litrową w celach porównawczych i dla dokonywania ocen i szacunków. ”Choć pod wieloma względami była to bardzo dobra jednostka,” mówi Mats Persson, ”to jednak nie osiągnęła wszystkich parametrów – zwłaszcza co do momentu obrotowego – jakie założyliśmy dla turbodiesla V6 przeznaczonego do samochodów z sektora luksusowego. Zdecydowaliśmy zatem na wybór większej jednostki 3-litrowej, która miała charakterystyki bardziej zbliżone do tych, jakich – według nas – spodziewają się nabywcy samochodów tej klasy.”

Diesel V6 przejmuje charakter turbodiesli firmy Saab
Wpływ Saaba wyszedł poza fizyczną specyfikację parametrów silnika. W miarę opracowywania nowej jednostki wiedza inżynierów Saaba w zakresie układów rozrządu – nabyta w ciągu ośmiu lat przy własnym 32-bitowym systemie Trionic, jednym z najlepszych w branży – była w coraz większym stopniu wykorzystywana w projekcie.

Początkowe prace konstrukcyjne nad systemem sterowania silnikiem, w tym nad podstawowymi parametrami funkcjonalnymi turbiny VNT, systemem recyrkulacji „zimnych” spalin EGR i wtryskiem paliwa – jak również nad ich wszystkimi podsystemami – wykonało Isuzu razem ze swym partnerem w zakresie elektroniki – firmą Denso. Jednak od roku 1998 inżynierowie Saaba zaczęli ściślej współpracować z Isuzu i Denso w celu modyfikacji systemów sterowania silnika V6 TiD.

Zespół Saaba w szczególności skoncentrował się nad wprowadzeniem funkcjonalnego oprogramowania, mogącego nadać silnikowi tak istotne i klasyczne cechy jednostek Saaba, jak precyzja i kultura pracy – fundamentalne dla napędów aut klasy luksusowej. Aby spełnić te wymagania, inżynierowie Saaba praktycznie od nowa opracowali większość funkcji systemu sterowania silnikiem.

„Przekazaliśmy Isuzu wiele naszej wiedzy i doświadczeń” –mówi Persson – „głównie z zakresu sterowania silnikiem i systemów diagnostycznych. Najważniejsze było zapoznanie Isuzu z właściwościami, jakie powinien mieć ten V6, aby mógł stać się silnikiem Saaba”.

W celu rozwiązania problemów dotyczących ograniczenia gwałtownych zmian przyspieszenia przy zmianie biegów zastosowano technologię Saaba polegającą na aktywnym sterowaniu przeciążeniem i dławieniem przy zmianie biegów. Technologia ta pozwala uzyskać płynność zmiany biegów poprzez obliczenie właściwej prędkości silnika dla każdego włączonego biegu oraz wyeliminować niepożądane szarpanie w czasie zmiany biegów. Podobną technikę zastosowano do stabilizacji prędkości obrotowej silnika na biegu jałowym, niezależnie od chwilowych wzrostów zapotrzebowania na moment obrotowy wywołanych włączeniem się zespołów pomocniczych, np. automatycznej klimatyzacji.

Z innych systemów zaprojektowanych przez Saaba należy wymienić system kontroli prędkości jazdy („cruise control”), który został w poważnym stopniu przekonstruowany w celu dostosowania go do charakterystyk turbodoładowanego silnika dieslowskiego przy jednoczesnym spełnieniu wygórowanych oczekiwań klientów przyzwyczajonych do silników benzynowych.

Mats Persson mówi dalej: ”Silnik jest jak śruba – można go użyć do rozmaitych celów.
Najważniejsze jednak jest jak go używamy. Zatem charakterystyki i warunki pracy silnika zależą od tego, jak go w naszej fabryce przystosujemy do pracy w modelu 9-5. Naszym największym sukcesem było dobranie charakterystyki przekazywania mocy i uzyskanie płynności zmiany biegów – kierowca nawet o tym nie myśli. Po prostu zmienia bieg i naciska pedał gazu.”

Proces projektowy, który pozwolił na uzyskanie tak płynnej charakterystyki zwiększania mocy wymagał opracowania techniki, którą inżynierowie Saaba dość potocznie nazwali ‘tip-in/tip-out’. Jest to technika wyprzedzającego podania paliwa do silnika w momencie zwiększenia skoku pedału przyspieszenia, co tłumi szarpanie, a jego zwolnienie – podanie minimalnej ilości paliwa w celu płynnego zmniejszenia intensywności procesu spalania i wyeliminowania szarpania. Proces ten zachodzi w czasie nie przekraczającym 300 milisekund.

Mniejsze wymagania konserwacyjne obniżają koszty eksploatacji
Równie ważne było wykorzystanie technologii Saaba do obniżenia kosztów gwarancyjnych. W razie usterki kompleksowy system diagnostyczny Saaba identyfikuje ją, a następnie lokalizuje i wyodrębnia. W ten prosty sposób rozwiązano problem zdarzających się czasem wymian dużych i droższych podzespołów silnika w przypadkach, kiedy usterka dotyczy części o wiele mniejszej i tańszej, lecz nie została dostatecznie dokładnie zlokalizowana. Choć ten sposób wydaje się prosty, oprogramowanie rozwiązujące taką łamigłówkę jest bardzo skomplikowane. Z punktu widzenia właściciela oznacza to skrócenie czasu odstawienia pojazdu ze względu na łatwiejszy i szybszy serwis silnika, a jednocześnie obniża koszty konserwacji i koszty gwarancyjne.

Oprócz skrócenia czasu odstawienia pojazdu i obniżenia kosztów gwarancyjnych dzięki systemowi diagnostycznemu, silnik 3,0 TiD Saaba ma jeszcze jedną zaletę – jest mianowicie wyposażony w filtr oleju z przyjaznym dla środowiska wkładem papierowym. Wkład ten wymaga wymiany tylko co 20.000 km lub co dwa lata, co jeszcze bardziej zmniejsza obciążenie środowiska.

Gwarantowany przebieg do wymiany paska rozrządu wynosi 250.000 km, co jest dodatkowym czynnikiem obniżającym koszty eksploatacji ponoszone przez właściciela. Oszczędność ta sumuje


się z oszczędnościami paliwa uzyskiwanymi dzięki napędowi turbodiesel z technologią common-rail.

Nowy turbodiesel do Saaba 9-5– najważniejsze aspekty
• Atrakcyjność nowej serii 9-5 podnosi turbodoładowany silnik wysokoprężny,
• Silnik wysokoprężny dzięki technologii turbodoładowania firmy Saab zyskuje sportowe charakterystyki,
• Nowy V6 charakteryzuje się wyjątkowo zwartą budową oraz małym ciężarem, dzięki zastosowaniu aluminium,
• Turbosprężarka systemu VNT firmy Garret zapewnia nowemu V6 płynny transfer mocy „na żądanie”, charakterystyczny dla Saaba
• Przyjazny dla środowiska papierowy wkład filtru oleju wymaga wymiany nie częściej niż co 20000 km lub co dwa lata
• Wyjątkowo wysoki moment obrotowy turbodiesla 3.0 TiD V6: 350 Nm przy 1800 obr/ min