Mercedes: innovazioni nei motori a combustione – Nell’eterna lotta per la riduzione dei consumi di carburante e per l’abbattimento delle emissioni inquinanti, Mercedes-Benz dimostra di credere ancora molto nei motori a combustione interna, sia diesel che benzina.

La Casa della Stella sembra aver trovato la quadra ed è pronta a lanciare nel 2017 una nuova generazione di propulsori, sia benzina che diesel, a quattro, sei e otto cilindri. Si tratta di motori tutti turbocompressi, modulari, caratterizzati dalla stessa spaziatura tra i cilindri e dalla stessa unità fondamentale. Grazie a soluzioni innovative come il sistema elettrico da 48 Volt, il compressore elettrico ausiliario, il ritorno all’architettura sei cilindri in linea ed il filtro antiparticolato anche per i motori a benzina, la nuova famiglia di propulsori sarà in grado di competere con il nuovo ciclo di omologazione RDE e con la nuova normativa antinquinamento Euro 6C garantendo al contempo minori costi di produzione e consumi più bassi.

In un precedente articolo tecnico (https://www.autotecnica.org/mercedes-e-il-futuro-dei-motori/) vi avevamo già parlato delle future intenzioni della Casa di Stoccarda in merito ai motori a combustione, ibridi, elettrici e ad idrogeno. Ora, invece, andremo ad analizzare uno per uno tutti e cinque i nuovi motori che Mercedes si prepara a lanciare sul mercato cercando di spiegare gli aspetti più salienti.

M 264: quattro cilindri turbo benzina

Completamente diverso dalle precedenti unità, il nuovo motore da 2.0 litri 4 cilindri turbo benzina si basa su una piattaforma modulare caratterizzata da un’unità fondamentale di 500 cm³ e da una distanza tra i cilindri di 90 mm. La sovralimentazione è affidata ad un singolo turbocompressore con turbina twin scroll, attuatore wastegate elettrico e intercooler ad acqua installato a ridosso del motore stesso. Al motore termico si affianca un BSG (Belt Driven Starter Generator) con tecnologia a 48 volt cioè un grosso alternatore/generatore-starter azionato a cinghia che va a sostituire il motorino di avviamento e l’alternatore. Grazie al collegamento al motore tramite cinghia il motore elettrico dell’BSG è in grado di funzionare da boost (+12.5 kW e +100 Nm) per il motore termico, da rigeneratore (10 kW) per la batteria da 48 volt, da efficientissimo start e stop e da funzione sailing per il veleggiamento quando in rilascio il motore termico si spegne. In questo modo si riescono a coprire tutte quelle fasi di minor efficienza del motore termico andando ad abbattere al contempo consumi ed inquinamento.

Potendo contare sia sulla sovralimentazione che sul generatore BSG il nuovo propulsore benzina è in grado di erogare una potenza superiore ai 100 kW/litro (136 CV/litro). Se ciò non dovesse bastare, il rendimento del motore è stato ulteriormente incrementato grazie all’adozione del sistema CAMTRONIC (albero a camme a fasatura variabile in aspirazione). Con questo sistema è stato possibile ottenere la fasatura variabile e due diverse alzate delle valvole di aspirazione: quella di minore entità sposta il funzionamento del motore verso il più efficiente ciclo Miller mentre quella di maggiore entità riporta il propulsore verso una mappatura di funzionamento sportiva. In materia di riduzione degli attriti e dei rumori interni, invece, si è optato per contralberi di bilanciatura su cuscinetti a sfera azionati da una cascata di ingranaggi, supporti del motore in materiale sintetico, l’insonorizzazione del basamento, l’ampia copertura del motore con un inserto acustico, una pompa dell’acqua elettrica da 48 volt e un impianto idraulico di iniezione ottimizzato. Scelta necessaria per poter sostituire il tre litri V6 attualmente montato sulle vetture di segmento più elevato o premium.

M 256: ritorno al 6 cilindri in linea benzina

Con questa unità propulsiva Mercedes riporta nel palmares dei suoi motori a benzina l’unità a 6 cilindri in linea in luogo della ben conosciuta versione 6 cilindri a V. Il propulsore M 256, basato su una piattaforma modulare caratterizzata da un’unità fondamentale di 500 cm³ e da una distanza tra i cilindri di 90 mm, è di quanto più sofisticato si possa trovare attualmente in commercio. Stiamo parlando di un’unità in alluminio da 3.0 litri 6 cilindri in linea biturbo benzina da 300 kW/408 CV e 500 Nm. La tecnologia biturbo è caratterizzata da una sovralimentazione bistadio in serie composta da un piccolo compressore elettrico a 48 volt (eZV) più un grande turbocompressore a gas di scarico. La piccola unità elettrica raffreddata ad acqua lavora fin da subito ed aiuta il motore nei momenti di bisogno, specie ai bassi regimi e allo spunto, grazie al suo boost di +5 kW, al regime di rotazione massimo di 70.000 rpm e ai soli 300 millisecondi per raggiungere tale regime di rotazione.

Il grande turbocompressore a gas di scarico entra in funzione non appena la massa dei gas di scarico è in grado di superare la sua inerzia e permette al motore di generare la massima potenza e il corposo allungo. Come se non bastasse su questa unità è stato installato un ISG (Integrated Starter Generator) con tecnologia a 48 volt cioè un motore elettrico sincrono a magneti permanenti che, posizionato tra motore termico e cambio, svolge le funzioni di motorino di avviamento e di alternatore/generatore. Questo motore elettrico è in grado di garantire una funzione di boost (+15 kW / +220 Nm) al motore termico, una funziona di start e stop estremamente efficiente e una funzione di rigenerazione (12 kW / 100 Nm) per la batteria da 48 volt permettendo in questo modo una considerevole riduzione dei consumi e dell’inquinamento. Lo stesso compressore elettrico (eZV), funzionante grazie al sistema di elettrificazione a 48 volt, permette di ridurre praticamente a zero il fenomeno del turbo-lag.

Questo sistema, che funziona anche come un vero e proprio rigeneratore della batteria a 48 volt (litio da 900 Wh), ha inoltre permesso di eliminare il comando a cinghia per i gruppi ausiliari sul lato frontale del motore, con la conseguente riduzione della lunghezza d’ingombro del propulsore stesso. In questo modo sia la pompa dell’acqua che il compressore del climatizzatore vengono azionati elettricamente dal sistema a 48 volt. Infine, la struttura stretta del motore 6 cilindri in linea, unita alla separazione dei lati di aspirazione e di scarico sulla testata, crea uno spazio sufficiente per l’installazione di un sistema di post-trattamento dei gas di scarico compatto in prossimità del motore, coadiuvato naturalmente dal filtro antiparticolato GPF per motori benzina.

M 176: V8 biturbo benzina

Derivata dai precedenti motori M 178 (AMG GT) e M 177 (C 63) la nuova unità V8 biturbo benzina da 4.0 litri si basa su una piattaforma modulare caratterizzata da un’unità fondamentale di 500 cm³ e da una distanza tra i cilindri di 90 mm. Nonostante il considerevole incremento di potenza e coppia rispetto alle precedenti unità, la M 176 è infatti in grado di erogare ben 350 kW/480 CV e 700 Nm, si è cercato di adottare importanti soluzioni votate al contenimento dei consumi e di conseguenza alla riduzione delle emissioni inquinanti. La doppia sovralimentazione è stata giustamente inserita all’interno della “V calda”, così da ottenere una più rapida risposta al comando del gas e una sensibile riduzione delle emissioni inquinanti allo scarico, mentre sul fronte dei consumi si è optato per l’esclusione e la disattivazione di 4 degli 8 cilindri a disposizione. Praticamente nella fasi di basso carico e bassi giri motore, grazie all’ausilio del sistema di comando valvole CAMTRONIC, vengono disattivati sempre i cilindri 2-3-5-8 con conseguente chiusura delle valvole sia di aspirazione che di scarico e interruzione dei sistemi di accensione e d’iniezione carburante. In questo modo, nel regime motore compreso tra i 900 ed i 3250 giri/min, si riducono le perdite dovute al ricambio dei gas, migliorando il rendimento complessivo dei cilindri coinvolti nel processo di combustione attraverso lo spostamento del punto di esercizio verso carichi più elevati quindi più efficienti.

Nello specifico l’inserimento e l’esclusione dei cilindri avvengono grazie ad otto attuatori che, per mezzo di un apposito organo di commutazione, comandano gli elementi camma scorrevoli in senso assiale dell’albero a camme di aspirazione e di scarico. Questi elementi camma poggiano sull’albero portante per mezzo di una dentatura e vengono bloccati nelle rispettive battute di fine corsa tramite un organo di arresto. Tramite i profili “a corsa zero” dei suddetti elementi, l’apertura delle rispettive valvole di aspirazione e di scarico dei cilindri 2, 3, 5 e 8 non si verifica. Contemporaneamente alimentazione carburante e accensione vengono disattivati, in modo da evitare che nella camera di combustione inattiva possa rimanere una miscela non combusta. Tale motore adotta anche un pendolo centrifugo che riduce sia le vibrazioni di quart’ordine nell’esercizio a otto cilindri, sia quelle di second’ordine nella modalità a quattro cilindri. Infine, il più rapido raggiungimento della esatta temperatura di esercizio dei catalizzatori, ottenuta grazie all’installazione degli stessi all’interno della “V calda” direttamente a ridosso delle due unità di sovralimentazione, e l’adozione di un filtro antiparticolato per motori benzina GPF ha consentito agli ingegneri di Stoccarda di ottenere per questo motore l’omologazione alla normativa antinquinamento Euro 6C che entrerà in vigore nel 2017.

OM 654: quattro cilindri turbodiesel

Basata su una nuova piattaforma da 2.0 litri 4 cilindri in sostituzione della precedente da 2.2 litri 4 cilindri, l’inedita unità modulare, caratterizzata da una cilindrata unitaria di 500 cm³ e da una distanza tra i cilindri di 90 mm, si dimostra campione per riduzione degli attriti interni e per abbattimento di consumi ed emissioni inquinanti. Equipaggiata con una sovralimentazione monostadio con turbina a geometria variabile in alluminio, con una testata ed un basamento in alluminio e con dei pistoni a cielo piatto in acciaio con incavo a gradino, l’unità turbodiesel è in grado di erogare ben 143 kW/194 CV e 400 Nm. Valori di potenza e coppia frutto di una iniezione diretta common rail con combustione a getto guidato di quarta generazione, una pressione di iniezione di ben 2050 bar, iniettori piezoelettrici da cinque iniezioni per fase di lavoro e condotti di aspirazione e scarico ottimizzati. Per incrementare ulteriormente le performance i motoristi tedeschi hanno poi deciso di optare per il processo di combustione con incavo a gradino che, rispetto al precedente incavo a forma di Omega, ha effetti positivi sull’andamento e sulla velocità della combustione, sulla sollecitazione termica di zone critiche del pistone e sui depositi di fuliggine nell’olio motore migliorando in definitiva il rendimento.

Sul fronte della riduzione degli attriti interni, ben il 25% in meno rispetto alla precedente generazione, si è optato per la tecnologia NANOSLIDE di rivestimento della superficie di scorrimento dei pistoni all’interno delle canne cilindri e per bielle più lunghe (154 mm) con asse verticale del cilindro sfalsato di dodici millimetri a sinistra in direzione del lato aspirazione rispetto al centro dell’albero motore così da ridurre l’attrito del pistone all’interno della parete interna del cilindro. Infine, potendo contare su un EGR raffreddato di alta pressione (il prelievo ha luogo a monte della turbina e del sistema di post-trattamento dei gas di scarico, mentre l’immissione si verifica a valle dell’intercooler e della valvola a farfalla) e su un EGR di bassa pressione (il prelievo del gas si verifica a valle del sistema del post-trattamento dei gas di scarico, mentre l’immissione avviene a monte del turbocompressore), questo innovativo propulsore vanta un sofisticatissimo sistema di post trattamento dei gas di scarico che gli consente di rispettare la severissima normativa Euro 6C anche nel futuro ciclo di omologazione RDE. In questo moderno sistema di post trattamento, interamente installato a ridosso del motore così da accelerare il processo di riscaldamento dei catalizzatori, i gas di scarico in uscita dal turbocompressore sono convogliati verso il catalizzatore ossidante diesel, poi attraverso il miscelatore a flusso invertito con AdBlue, poi nel filtro sDPF (filtro antiparticolato con rivestimento per la riduzione degli ossidi di azoto) ed infine in un catalizzatore SCR per ridurre ulteriormente gli ossidi di azoto con un processo di catalizzazione. Una sorta di centrale termonucleare che è valsa ben il 40% del valore dell’intero investimento utilizzato per progettare questo nuovo motore.

OM 656: ritorno al 6 cilindri in linea turbodiesel

Con questa nuova unità la Casa di Stoccarda ritorna dopo molti anni alla produzione di motori 6 cilindri in linea abbandonando l’ormai ben noto 6 cilindri a V fin’ora in commercio. Caratterizzata da non poche somiglianze con il fratellino 4 cilindri (OM 654), la nuova unità si basa su una piattaforma da 3.0 litri 6 cilindri in linea biturbo diesel capace di sviluppare ben 230 kW/313 CV e 650 Nm. La tecnologia biturbo adottata consiste essenzialmente in una sovralimentazione bistadio sequenziale composta da un piccolo turbocompressore VNT (variable nozzle turbines = turbina a geometria variabile) per i bassi regimi più un grosso turbocompressore classico regolato tramite valvola wastegate. Come dicevamo molte sono le somiglianze con il fratellino 4 cilindri: il basamento e la testata in alluminio, il rivestimento antiattrito delle canne dei cilindri NANOSLIDE, i pistoni piatti in acciaio con processo di combustione con incavo a gradino, l’intero sistema di post trattamento dei gas di scarico interamente installato a ridosso del motore così da rispettare il futuro ciclo RDE e il sistema di ricircolo dei gas di scarico (EGR) dinamico a più vie (sia alta che bassa pressione, entrambi raffreddati) che permette di superare anche la normativa antinquinamento Euro 6C.

La scelta di adottare pistoni in acciaio e basamento in alluminio ha consentito nello specifico di sfruttare la minore dilatazione dell’acciaio rispetto all’alluminio in modo che, con l’aumentare delle temperature di esercizio, aumenti anche il gioco tra pistone e basamento in alluminio con una conseguente riduzione dell’attrito dell’ordine del 40-50 percento. Oltretutto l’acciaio ha anche la capacità di essere più resistente dell’alluminio e quindi è stato possibile realizzare pistoni molto compatti e leggeri, che sono persino più robusti e resistenti del necessario. Infine, la minore conducibilità termica dell’acciaio, sempre rispetto all’alluminio, fa salire maggiormente la temperatura dei componenti, migliorando in tal modo il rendimento termodinamico con una maggiore qualità di accensione e una minore durata di combustione. Basato anch’esso su una piattaforma modulare caratterizzata da una cilindrata unitaria di 500 cm³ e da una distanza tra i cilindri di 90 mm, adotta, diversamente dal fratellino 4 cilindri, una pressione di iniezione vertiginosa pari a ben 2500 bar ed un sistema di comando valvole variabile di tipo CAMTRONIC che consiste essenzialmente nell’albero a camme di scarico a geometria variabile. Questo sistema, quando attivato, lascia aperta la valvola di scarico per favorire il surriscaldamento dell’impianto di scarico senza influire sui consumi così da abbattere ulteriormente le emissioni.

GPF: filtro antiparticolato per motori benzina

Le sempre più elevate temperature e pressioni, che si sviluppano all’interno dei moderni motori benzina ad iniezione diretta, hanno reso necessaria l’adozione dei filtri antiparticolato anche nei motori con alimentazione benzina. Per questo motivo Mercedes ha deciso di dotare tutti i suoi nuovi motori ad accensione comandata del filtro GPF capace di ridurre le emissioni delle polveri sottili di particolato e di rispettare le severe normative Euro 6C che entreranno in vigore nel 2017. All’interno dei nuovi filtri GPF il flusso di gas di scarico viene convogliato in un sistema di filtraggio del particolato che ha una struttura a nido d’ape con condotti di aspirazione e di scarico che si chiudono alternativamente. In questo modo il gas di scarico è costretto a fluire attraverso una parete filtrante porosa che determina una separazione della fuliggine. La Casa di Stoccarda utilizza nello specifico un filtro antiparticolato ottimizzato per la contropressione con un’elevata efficienza di filtraggio che al tempo stesso risulta esente da manutenzione e autoregolante. Ma, al contrario dei diesel dove adotta un filtro antiparticolato ceramico in carburo di silicio (SiC), per i motori benzina è stata scelta la cordierite, un minerale particolarmente resistente al calore.

Nanoslide: tecnologia antiattrito

Se l’adozione di pistoni in acciaio all’interno di un monoblocco/basamento in alluminio ha permesso di poter sfruttare la diversa dilatazione termica dei due materiali così da ridurre gli attriti interni una volta che la temperatura del propulsore è arrivata a regime, la tecnologia di rivestimento della canne dei cilindri Nanoslide ha ulteriormente incrementato la riduzione di tali attriti migliorando lo scorrimento interno del pistone. Con il sistema di metallizzazione ad arco elettrico (LDS), sulle superfici interne dei cilindri in alluminio si applica un rivestimento estremamente sottile costituito da una lega in ferro e carbonio. In questo modo si ottiene un materiale con una consistenza da nanocristallina a ultrafine, altamente resistente all’usura, con microporosità che ne assicurano la lubrificazione in fase di esercizio. In questo modo è possibile sostituire le pesanti canne dei cilindri in ghisa grigia, spesse diversi millimetri, presenti nei blocchi cilindri in alluminio. Il risultato è una superficie liscia come uno specchio con un attrito ridotto anche del 50% tra pistoni, segmenti e canne dei cilindri che contribuisce ad una sensibile riduzione dei consumi, soprattutto nel settore di carico parziale, dove fino a ben il 25% del carburante è speso per contrastare l’attrito interno del motore.

Pistoni con incavo a gradino

Altra caratteristica dei moderni pistoni in acciaio adottati da Mercedes, oltre al minore peso e spessore del materiale e alla differente dilatazione termica rispetto alle canne dei cilindri in alluminio, è l’adozione del cielo piatto con incavo a gradino. Grazie a questo incavo a gradino, al posto del tradizionale incavo a forma di Omega, il carburante iniettato viene miscelato vorticosamente con l’aria garantendo un eccellente sfruttamento dell’aria a fronte di minori emissioni di particolato e un rendimento più alto grazie alla maggiore velocità di combustione. Questo positivo cambiamento delle condizioni fluidodinamiche nella camera di combustione determina una minore dissipazione del calore attraverso la parete del cilindro, come pure una distribuzione della temperatura più uniforme sulla testata cilindri e un minore carico sugli steli delle valvole fortemente sollecitati. La speciale combinazione tra la forma dell’incavo, il movimento dell’aria e il polverizzatore è caratterizzata da un ottimo sfruttamento dell’aria e permette al motore di funzionare anche con fortissime eccedenze di aria. È così possibile mantenere particolarmente basso il livello di emissioni di particolato.