Efficienza, Emissioni, Ecologia: tre lettere E che, secondo i piani della Mercedes-Benz, segneranno lo sviluppo del motore diesel nei prossimi anni. Una quarta E è poi quella della vettura, la Classe E 220d appunto, sulla quale M-B ha voluto far debuttare il suo nuovo 2 litri siglato OM654, un motore completamente nuovo che conferma come a Stoccarda si creda ancora, e fortemente, nel motore a ciclo diesel.

Rispetto al precedente 2,15 litri si tratta di un passo evolutivo sostanziale che guarda verso due direzioni apparentemente opposte ma complementari: da una parte la compattazione dimensionale, la riduzione del peso e della cilindrata unitaria, l’aumento della potenza specifica, il controllo sempre più spinto della combustione e della temperatura di esercizio e, in generale, una semplificazione del generatore di potenza; dall’altra un sempre più sofisticato sistema di controllo dei gas di scarico, con una notevole complicazione costruttiva e un aggravio di costi costruttivi e di esercizio per rientrare in ciò che richiedono le norme. Nel nuovo OM654 chimica, fisica e meccanica sono materie utilizzate nelle loro forme più complesse ed è per questo che abbiamo deciso di approfondire questo progetto facendo visita alla Training Academy Mercedes-Benz dove abbiamo trovato un motore sezionato a scopo didattico.

Quale sviluppo?

Mercedes-Benz può vantarsi di essere stata una delle prime grandi Case a credere nel motore a gasolio. Lo dimostrano gli 80 anni di esperienza nel settore e l’aver iniziato a produrre fin dagli anni ’60 delle berline che facevano dei bassi consumi e dell’affidabilità assoluta i loro punti di forza. Motori allora direttamente derivati da unità nate per il trasporto commerciale leggero, poco potenti, relativamente rumorosi e se non ben mantenuti fumosi e ‘sporchi’. L’arrivo del turbocompressore ha cambiato faccia al diesel e si può dire che con l’aumento delle prestazioni le vecchie etichette si siano a poco a poco sbiadite per lasciare il posto, oggi, a unità silenziose e ‘pulite’, in grado di competere coi corrispondenti ‘benzina’. “E’ nostra opinione che che il motore diesel sia indispensabile sia per i mezzi commerciali sia per le auto se vogliamo ulteriormente ridurre le emissioni di CO2 nel traffico”, ha dichiarato Thomas Weber, capo sviluppo vetture alla M-B. “E i nostri motori di nuova generazione sono stati progettati per superare tutti gli standard futuri in termini di emissioni”. Una dichiarazione di intenti che riteniamo altamente impegnativa, vista la fonte. Dunque il diesel vivrà, ma al fianco dell’ibrido, dell’elettrico, del benzina e di altri sistemi svincolati dai carburanti fossili, a seconda dell’ambiente in cui si deve muovere il veicolo. In vista poi dell’auspicata normativa che consideri il valore delle emissioni realmente emesse nel ciclo d’uso della vettura (e non secondo i protocolli standard che hanno portato ai risultati che tutti conosciamo), ovvero le cosiddette RDE (Real Driving Emissions). Un passaggio che ci farà passare dall’attuale procedura NEDC alla WLTP (World harmonized Light vehicles Test Procedure), protocollo alla cui definizione Mercedes-Benz sta collaborando attivamente.

Impiego a tutto campo

La forte compattazione dell’unità, con l’integrazione del sistema di post-trattamento dei gas di scarico, e la modularità consentiranno di utilizzare l’OM654 e i suoi derivati sia nella  disposizione longitudinale sia trasversale, quest’ultima anche nella configurazione a sei cilindri di cilindrata tre litri aggiungendo due moduli cilindro identici, e con trazione anteriore, posteriore o integrale. Un bel vantaggio, poiché come noto le Case sono tanto più ‘ecologicamente virtuose’ quanto meno inquinante è generato dall’intera flotta di vetture prodotte. Non pare invece in programma il tre cilindri, strada peraltro battuta da alcuni concorrenti e che pare non rientri nei programmi futuri della Casa di Stoccarda.

Innovazione a 360°

Osservando il motore sul supporto nell’officina dell’Academy ci si rende conto immediatamente del lavoro di compattazione e integrazione effettuato. In particolare salta all’occhio il limitato ingombro longitudinale, ottenuto riducendo la distanza tra gli assi dei cilindri e portando il comando della distribuzione sul lato cambio, e l’integrazione del gruppo catalizzatore-SCR sul lato scarico. Anche osservando il motore inserito nel suo vano si capisce come i percorsi dell’aria fresca in aspirazione e proveniente dal turbocompressore compiano percorsi brevi, a tutto vantaggio dell’ottimizzazione delle perdite di carico e delle dispersioni termiche, oltre che del peso, che è dichiarato in 168 kg.
Partendo dall’alto troviamo modifiche importanti nel comando della distribuzione: la catena (doppia) collega il pignone sull’albero motore a un altro pignone (rapporto 1:1) cui è calettata una ruota dentata che a sua volta aziona la ruota dentata collegata all’albero a camme di scarico (rapporto 2:1).

Da questa il moto passa all’albero a camme di aspirazione. In questo modo, oltre ad essere più corta e dunque soggetta a minor allungamento per usura, la catena non subisce i tipici contraccolpi dovute al carico alternato delle molle valvola. I due ingranaggi degli alberi a camme sono poi del tipo a recupero automatico del gioco, con evidente vantaggio per la rumorosità. Inoltre la catena di distribuzione aziona anche la pompa ad alta pressione e quella dell’olio, il cui corpo è integrato nel basamento. Il comando avviene sul lato del motore rivolto verso il cambio, con ulteriori vantaggi per la compattezza dell’insieme. Nella testata sono stati ottimizzati passaggi per il liquido di raffreddamento realizzando una doppia camicia d’acqua con flusso del liquido regolato da un sofisticato termostato a doppio stadio che con un bypass consente un rapido riscaldamento del motore nella fase transitoria, con grande rapidità nel raggiungimento della temperatura di esercizio, a tutto vantaggio del miglior rendimento della combustione e del sistema di trattamento dei gas di scarico. Il supporto degli alberi a camme è indipendente dalla fusione principale, realizzata in alluminio ad alto tenore di silicio, che si è così in parte semplificata grazie anche all’utilizzo di due coppie di valvole parallele che si affacciano su camere ricavate nel cielo del pistone.

Le dimensioni caratteristiche di 82 x 92,3mm (rapporto a/c 0,88) per una cilindrata unitaria di 487,2cc (1948,8cc) pongono questo motore tra i cosiddetti ‘corsa lunga’, una scelta tipica per i motori diesel e che in questo caso favorisce la compattezza longitudinale.

I pistoni sono quanto di più sofisticato c’è in giro oggi, essendo realizzati in acciaio a parte sottile e con la camera di scoppio (rapporto di compressone 15,5:1) ricavata nel cielo conformato secondo una geometria sacca anulare che, sfruttando la banda di squish favorisce la turbolenza nella carica gassosa nell’ultimo tratto della corsa di compressione. L’utilizzo di questo materiale ha consentito di massimizzare le temperature locali (ricordate che sui libri c’è scritto che nel ciclo ideale la compressione e l’espansione sono adiabatiche?) e raggiungere pressioni in camera di scoppio superiori ai 250bar, a tutto vantaggio delle emissioni di particolato. L’ottimizzazione della combustione implica inoltre, a parità di prestazioni, un turbocompressore più piccolo, con minore inerzia e dunque una migliore risposta ai transitori.
Nella ricerca della minimizzazione degli attriti, l’asse dei cilindri è stato sfalsato rispetto alla perpendicolare dell’albero motore verso il lato di aspirazione per diminuire fortemente la spinta del pistone sul fianco del cilindro. Sempre per diminuire l’attrito e aumentare la durata, la superficie di scorrimento dei pistoni è ricoperta da uno strato di metallo (coating in acciaio al carbonio denominato NANOSLIDE^® ) spruzzato ad alta pressione contestualmente alla sua atomizzazione per effetto di un arco elettrico ad alta energia localizzata. La superficie è poi rifinita in modo tale da lasciare una finissima porosità che garantisca un efficace trattenimento dell’olio lubrificante. Secondo il Costruttore, questo trattamento è in grado di ridurre fino al 50% le forze di attrito rispetto a un cilindro tradizionale, ottenendo di conseguenza un non trascurabile risparmio di energia.

All’iniezione diretta in camera di scoppio provvede un iniettore piezoelettrico a 8 fori che nebulizza il gasolio compresso a 2050 bar radialmente su un piano parallelo alla faccia interna della testa.

Per aumentare la turbolenza nella camera di scoppio è in particolare il moto di swirl (rotazione della carica attorno all’asse del cilindro) i condotti di aspirazione che afferiscono alle valvole sono stati sdoppiati e resi asimmetrici. Uno favorisce il fenomeno dello swirl ai regimi più bassi mentre quando il flusso aumenta subentra anche il tumble. La transizione avviene tramite una serie di valvole a farfalla servoassistite che parzializzano inizialmente un condotto, per poi aprirlo alle massime portate d’aria.
Uno degli obiettivi di partenza era l’ottenimento di valore dell’indice NVH (acronimo che significa Noise, Vibration, Harshness), un parametro cui danno il contributo non solo il motore ma anche cellula e sospensioni. Controllarlo significa avere anche un riscontro, oltre che nel comfort di marcia, anche nei consumo e nella riduzione degli interventi di manutenzione.
A tale scopo il bilanciamento delle forze d’inerzia del secondo ordine è stato affidato a due contralberi di Lanchester (dal nome dell’ingegnere inglese che li brevettò oltre un secolo fa) posizionati ai lati bassi del basamento, per ridurre al massimo l’ingombro in altezza.

Scarico pulito, ma quanta tecnologia!

I gas combusti che escono dalla turbina passano attraverso il catalizzatore ossidante che abbatte il CO2. Essendo posto vicinissimo all’uscita dal turbo, il catalizzatore si scalda velocemente e garantisce buona efficienza anche immediatamente dopo il primo avviamento. Dopo il catalizzatore è inserita la valvola di dosaggio dell’AdBlue^® (stabilizzata termicamente ad acqua) che su indicazione di un’apposita centralina di analisi dei parametri dosa e inietta il liquido inviato da un’apposita pompa su una piastra di evaporazione per la completa diffusione nei gas di scarico. E’ interessante notare come dopo l’arresto del motore sia previsto un processo di svuotamento dell’AdBlue^®  dalla tubazione e della valvola tramite il funzionamento inverso e temporizzato (8-10s) della pompa. Questo per evitare il congelamento in caso di bassa temperatura. Il filtro antiparticolato e il catalizzatore SCR che seguono sono inglobati in una sola unità, sempre per diminuire i tempi di riscaldamento e costituire con tutto il resto dell’apparato un’unità compatta, pur necessariamente piuttosto complessa.

Il turbocompressore monostadio è raffreddato a liquido per mantenere alla corretta temperatura i cuscinetti di supporto e il motore elettrico che comanda le palette a geometria variabile. L’intercooler è costituito da un scambiatore aria-acqua, il più efficiente quando si tratta di elevate potenze specifiche.

Il ricircolo dei gas di scarico (EGR), che offre un contributo alla riduzione degli NOx tramite la riduzione dell’ossigeno in camera di scoppio, avviene in due sezioni, una a bassa pressione, l’altra ad alta pressione. Il tasso di ricircolo dipende, tra i vari parametri, dal carico e dal regime, dalle temperature dell’aria aspirata e compressa nonché da pressione e temperatura dei gas di scarico. In ogni caso i gas di scarico vengono raffreddati prima di essere immessi nel condotto di aspirazione. Il circuito a bassa pressione è attivo solo con la temperatura del liquido di raffreddamento superiore ai 60°C. I gas sono prelevati a valle del catalizzatore SCR, raffreddati in uno scambiatore integrato nell’impianto di raffreddamento e immessi nel condotto di aspirazione a valle del sensore di massa
Nella parte ad alta pressione i gas vengono prelevati direttamente dal condotto di scarico e, dopo il raffreddamento, immessi in quello di aspirazione. La quantità è regolata da una valvola a farfalla motorizzata. In fase di avviamento, a motore freddo, la valvola è chiusa e tutto il flusso spillato passa in una tubazione esterna di bypass.

Le principali innovazioni introdotte nel motore OM654 possono essere così riassunte:

• Costruzione completamente in alluminio
• Peso complessivo 168,4kg (-17% rispetto al precedente 2,2litri)
• Interasse tra i cilindri di 90mm (era 94mm)
• Pistoni d’acciaio con camera di scoppio ricavata nel cielo
• Canne con riporto superficiale NANOSLIDE^®applicato direttamente sull’alluminio
• Alimentazione Common Rail con pompa ad altissima pressione (2050 bar)
• Rumorosità e livello di vibrazioni ulteriormente ridotti
• Sistema di ricircolo gas di scarico (EGR) a due stadi di ultima generazione
• Post trattamento dei gas di scarico con iniezione di liquido AdBlue^®
• Consumi ed emissioni ridotti di circa il 13% a fronte di un incremento di potenza di oltre il 14% (da 170CV a 194,5CV)