Nowe ośmiocylindrowe silniki biturbo Porsche

Nowe ośmiocylindrowe silniki dla kolejnej generacji Gran Turismo Panamera dają początek innowacyjnej rodzinie jednostek napędowych Porsche. Ich projektanci przyjęli dwa główne cele: maksymalną wydajność i niezrównane osiągi. Co więcej, nowa linia silników ma elastyczną konstrukcję opartą na komponentach modułowych, pozwalającą szybko tworzyć kolejne warianty – takie jak odmiany hybrydowe.

Nowe ośmiocylindrowe silniki biturbo Porsche

Aby sprostać tym standardom, inżynierowie Porsche opracowali modułową, zaawansowaną generację jednostek V8, których architektura techniczna harmonijnie łączy sprzeczne zazwyczaj parametry – wysokie moc i moment obrotowy z niskim zużyciem paliwa oraz emisją spalin.

Najmocniejszy początkowo benzynowy silnik V8 z rodziny nowych jednostek otrzyma nowe Porsche Panamera Turbo. Jego 4-litrowy motor osiąga maksymalną moc 404 kW (550 KM) w przedziale 5750-6000 obr./min, jednak tuż powyżej 3000 obr./min przekracza barierę 250 kW (340 KM) – zapewniając potężną moc już w średnim zakresie obrotów. Maksymalny moment obrotowy o wartości 770 Nm dostępny jest od bardzo niskich obrotów, od 1960 aż do 4500 obr./min. Na przyspieszenie od 0 do 100 km/h Porsche Panamera Turbo potrzebuje 3,8 s, a dodatkowo wyposażone w pakiet Sport Chrono – jedynie 3,6 s. W ciągu zaledwie 13,0 s od startu Gran Turismo pokonuje granicę 200 km/h. Pakiet Sport Chrono pozwala skrócić ten czas do 12,7 s. Prędkość maksymalna wynosi 306 km/h. Te imponujące wartości podkreślają łatwość, z jaką silnik wprawia samochód w ruch – współczynnik mocy do masy wynosi tu tylko 3,6 kg/KM, a jednocześnie kontrastuje z wynikami zapotrzebowania na paliwo. W cyklu pomiarowym (NEDC) Panamera Turbo zużywa średnio 9,3-9,4 l/100 km, o 1,1 l/100 km mniej od poprzednika. Odpowiada to emisji dwutlenku węgla na poziomie 212-214 g/km.

Ośmiocylindrowy, montowany wzdłużnie silnik ma bezpośredni wtrysk benzyny oraz widlasty układ cylindrów z czterozaworowymi głowicami rozwartymi pod kątem 90 stopni. Każdy z czterech wałków rozrządu zaworów ssących i wydechowych może być regulowany w zakresie 50 stopni; wszystkie są napędzane łańcuchem. Jednostka może „kręcić się” do 6800 obr/min, a jej pojemność skokowa wynosi 3996 ccm. Układ korbowy ma kwadratową geometrię – średnica cylindra jest równa skokowi tłoka i wynosi 86 mm. Nowe silniki V8 biturbo wyróżnia koncepcja doładowania z centralnie umieszczonymi turbosprężarkami, wtryskiwacze zlokalizowane centralnie w komorze spalania, odporne na zużycie tuleje cylindrów oraz układ odłączania cylindrów. Cechy te bezpośrednio dają mierzalne efekty: przykładowo, w porównaniu z poprzednikiem nowe Porsche Panamera Turbo generuje o 30 KM wyższą moc i o 70 Nm wyższy maksymalny moment obrotowy, podczas gdy jego zużycie paliwa spadło o 10%.

Innowacyjny system dezaktywacji cylindrów
Panamera Turbo to pierwszy model Porsche wyposażony w nowy, adaptacyjny system kontroli cylindrów. Przy częściowym obciążeniu zamienia on silnik ośmio- w czterocylindrowy, tymczasowo i niezauważalnie dla kierowcy. Rezultat: zależnie od zapotrzebowania na moc, w fazach pracy na 4 cylindrach zużycie paliwa może spaść nawet o dodatkowe 30%. Za dezaktywację i ponowną aktywację cylindrów odpowiada dwustopniowy układ krzywek przesuwnych, który wyłącza lub włącza regulatory wałków rozrządu zaworów ssących i wydechowych dla cylindrów numer 2, 3, 5 i 8. W trybie czterocylindrowym zawory ssące i wydechowe dla tych cylindrów są całkowicie wyłączone. Układ działa w zakresie obrotów od 950 do 3500 obr./min lub do osiągnięcia granicy 250 Nm momentu obrotowego.

Kompaktowa konstrukcja, masa niższa nawet o 9,5 kg
Jednym z priorytetów przy konstruowaniu nowego silnika V8 była jego kompaktowa konstrukcja: aluminiowa jednostka waży do 9,5 kg mniej od poprzedników. Redukcję masy uzyskano za sprawą licznych zabiegów konstrukcyjnych. Przykładowo, wysokowytrzymała aluminiowa skrzynia korbowa wraz z pokrywą waży zaledwie 39,1 kg, o 6,7 kg lub o 14,6% mniej od 4,8-litrowej jednostki z poprzednika. Ponieważ liczy się tu każdy gram, inżynierowie przeanalizowali konstrukcję każdego elementu – i starali się uczynić go tak lekkim, jak to tylko możliwe. Weźmy na przykład wał korbowy: Porsche zmniejszyło jego masę o 1,4 kg. Kolejnym elementem kompaktowej architektury silnika jest specjalna koncepcja układu korbowego z wałem podpartym na pięciu łożyskach. Zastosowano tu wałek pośredni, wykorzystywany do napędu układu rozrządu i pompy wody. Dzięki zlokalizowaniu przekładni zębatej pompy wody wewnątrz silnika inżynierom Porsche udało się w dalszym stopniu zmniejszyć wymiary jednostki tworząc ją bardziej kompaktową i ograniczyć straty wynikające z tarcia. Pozytywny wpływ na wykorzystanie przestrzeni montażowej ma również układ doładowania z centralnie umieszczonymi turbosprężarkami i o 0,8 l mniejsza pojemność silnika. Osiągnięty postęp zasługuje na uwagę tym bardziej, że nowy motor 4.0 V8 ma znacznie wyższy współczynnik mocy od montowanej wcześniej jednostki 4.8 V8 – z 1 litra pojemności uzyskano tu 137,5 KM wobec 108,3 KM w poprzedniku.

Turbosprężarki umieszczone centralnie – cecha konstrukcyjna wszystkich silników Porsche
Nowe jednostki benzynowe V8 firmy Porsche odznaczają się wyjątkowo spontaniczną reakcją na gaz – aż po czerwone pole, a jednocześnie już przy niskich obrotach generują wysoką siłę ciągu. To samo odnosi się do nowych benzynowych silników V6 oraz wysokoprężnej V-ósemki. Typową dla sportowych aut dynamikę zapewnia między innymi nowa architektura układu doładowania z centralnie umieszczonymi turbosprężarkami, stosowana we wszystkich modelach Porsche. Przykładowo, aby zachować możliwie niewielkie wymiary silnika nowej generacji Porsche Panamera Turbo, układ turbodoładowania został zintegrowany centralnie między układającymi się w literę „V” głowicami cylindrów. Do sprężania powietrza trafiającego do komór spalania V-ósemki służą dopracowane turbosprężarki typu twin scroll (spaliny prowadzone do turbiny dwoma kanałami). Zaprojektowane jako przeciwbieżne z uwagi na ograniczoną przestrzeń, już od najniższych obrotów generują bardzo wysoki moment obrotowy. Maksymalne ciśnienie doładowania turbosprężarek wynosi 0,3 bara. Aby uzyskać optymalną responsywność silnika, przepływ sprężonego powietrza odbywa się w konfiguracji dwudrożnej – po przejściu przez intercoolery, umieszczone z lewej i z prawej strony, powietrze przechodzi przez zlokalizowane po obu stronach przepustnice, a później trafia do lewej i prawej głowicy cylindrów. Dwa duże, zoptymalizowane pod kątem strat ciśnienia intercoolery znacznie obniżają temperaturę sprężonego powietrza, jednocześnie zwiększając jego gęstość, a co za tym idzie – ilość trafiającego do cylindrów tlenu. Rezultat: jeszcze większa efektywność.

Centralnie umieszczone wtryskiwacze – perfekcyjnie dla silników V6 i V8, benzynowych oraz diesli
Kolejną wspólną cechą wszystkich silników nowego Porsche Panamera są wtryskiwacze – z elektromagnetycznymi, wysokociśnieniowymi zaworami sterującymi – umieszczone centralnie w komorze spalania. Po raz kolejny za przykład mogą służyć tu wtryskiwacze Panamera Turbo, z dyszami o 7 otworach zlokalizowanych w sposób optymalny dla osiągnięcia idealnie jednorodnej mieszanki. Umieszczony centralnie obok świecy wtryskiwacz korzysta z precyzyjnie określonych, pojedynczych strumieni paliwa dla zapewnienia optymalnego spalania w każdych warunkach. Wtryskiwacze i osprzęt układu wtryskowego służą tu do realizacji określonych strategii wtrysku, odpowiednich dla chwili uruchamiania, rozgrzewania katalizatorów, fazy nagrzewania silnika oraz jego pracy po osiągnięciu temperatury eksploatacyjnej. Na każdą głowicę przypada jedna pompa wysokiego ciśnienia; obie są napędzane przez cztery krzywki wałków rozrządu zaworów wydechowych. Maksymalne ciśnienie wtrysku wynosi 250 barów (w silniku poprzedniej generacji: 140 barów).

Ponadto, wtrysk paliwa w silniku Porsche Panamera Turbo powoduje intensywne zawirowania ładunku; jego wyraźny spadek przepływu – uzyskany między innymi dzięki ukształtowaniu otworów wlotowych – pozwala uzyskać optymalną mieszankę powietrza i paliwa, co ma pozytywny wpływ na przebieg procesu spalania oraz ograniczenie emisji spalin.

Kontrola emisji spalin: katalizator umieszczony między głowicami
Nowe jednostki V8 mają dwudrożny układ wydechowy z katalizatorami wstępnymi, katalizatorami głównymi oraz tłumikami. Obok centralnie umieszczonych turbosprężarek kolejną cechą ośmiocylindrowego silnika jest umieszczenie katalizatora blisko silnika, pomiędzy ułożonymi w literę „V” głowicami. Taka konfiguracja pozwala szybko osiągać optymalną temperaturę pracy układu kontroli emisji spalin. Poza tym nagrzewanie się katalizatora w fazie rozruchu silnika przyspiesza otwarcie zaworu upustowego turbosprężarki.

Tuleje cylindrowe ze stopu żelaza ograniczają zużycie i spalanie oleju
Od strony materiałów zastosowanych do budowy nowych silników V8 uwagę zwraca żelazna powłoka tulei cylindrów. Jej zastosowanie pozwala znacznie ograniczyć tarcie wewnętrzne, stopień zużycia oraz zjawisko spalania oleju. Aby uzyskać ekstremalnie twardą, niskotarciową powłokę żelazną, wykorzystuje się metodę atmosferycznego natryskiwania plazmowego. Warstwa ma 150 mikronów grubości, zapewnia jednak doskonałe własności tarciowe, niemal niezależne od jakości stosowanego paliwa. W porównaniu z poprzednimi rozwiązaniami stosowanymi w silnikach V8 zużycie powłoki w punkcie zwrotnym pierścieni tłokowych zostało ograniczone o jedną dziesiątą, a tym samym z praktycznego punktu widzenia niemal je wyeliminowano. Do nowej powłoki dostosowano konstrukcję odlewanych tłoków – lekkich i wytrzymałych zarazem. Pierścienie tłokowe są powlekane azotanem chromu, który dostosowuje się do zwiększonej odporności żelaznej powłoki. Połączenie wszystkich tych środków pozwoliło również ograniczyć zużycie oleju – w porównaniu z poprzednim silnikiem nawet o 50%.

Innowacyjny układ smarowania przygotowany do jazdy torowej
Każde Porsche musi niezawodnie spisywać się w warunkach jazdy torowej – co oczywiście stanowi wymagający test obciążenia. Nowe Porsche Panamera robi to w imponującym stylu, w czym pomaga mu nowo opracowany układ smarowania z mokrą miską olejową, zapewniający właściwy obieg oleju nawet w obliczu ekstremalnych przyspieszeń poprzecznych i wzdłużnych.

Specjalną cechą zastosowanego układu smarowania jest rozdzielenie obiegu dla silnika i głowicy. Otwory w kanałach olejowych zostały rozmieszczone z myślą o potrzebach poszczególnych elementów układu smarowania - pozytywnie wpływa to na czas potrzebny do przyrostu ciśnienia smarowania tuż po uruchomieniu jednostki napędowej. W uzyskaniu błyskawicznego wzrostu ciśnienia smarowania pomaga też zawór zwrotny w pompie oleju, który chroni duże ilości oleju we wnętrzu silnika przed spłynięciem do miski olejowej i zapobiega w ten sposób niedostatecznemu smarowaniu. Za sterowaniem ciśnieniem oleju odpowiada łopatkowa pompa olejowa o całkowicie zmiennym wydatku, a specjalny zawór reguluje je z uwzględnieniem parametrów mapowania. Zintegrowano z nim ogranicznik ciśnienia oleju, aktywowany podczas rozruchu i przy niskich temperaturach zewnętrznych. Elektroniczny zawór sterujący zlokalizowany między głowicami kontroluje także dysze natrysku oleju na denka tłoków, zależnie od ich zapotrzebowania na chłodzenie oraz parametrów mapy. Taka forma sterowania pozwala ograniczyć straty związane z utratą lepkości i dopasować ilość oleju w obiegu do aktualnych warunków eksploatacji. W efekcie Porsche Panamera Turbo doskonale radzi sobie nawet na wymagającej Północnej Pętli toru Nürburgring, z jej gwałtownymi zmianami wysokości, licznymi zakrętami i ekstremalnymi przyspieszeniami bocznymi. Model uzyskał tam imponujący czas 7 min i 38 s - jak dotąd najlepszy spośród sportowych limuzyn, które mierzyły się z legendarnym „Zielonym Piekłem”.