A Subaru boxer dízelmotorja

 A Subaru, a Fuji Heavy Industries autóipari márkája 1966 óta van jelen a piacon boxer hengerelrendezésű benzinmotorokkal. 1989-ben jelentek meg a boxermotorok második generációjával, amelyet a Legacy, Impreza, illetve Forester modellekbe építettek be. Ezek a motorok a vezetési élmény, kedvező karakterisztikáik, valamint a sportsikerek (WRC) révén számos vásárlót csábítottak a csillagos márkához. Immáron mindez takarékos dízel változatban is elérhető.

A fejlesztés során ragaszkodtak a márkára oly jellemző boxer hengerelrendezéshez. Így a csekély építési magasságából következően az egész motor mélyebbre építhető, a jármű súlypontja mélyebbre kerül. Az építésmód további előnye a szinte tökéletes kiegyensúlyozottság.

A fejlesztés célja

A fejlesztés célja, egy környezetbarát motor megalkotása volt, amelynél nem kell lemondani a Subarura jellemző teljesítményről és menetdinamikáról, valamint az alacsony CO2-kibocsátásról. A legújabb Common Rail rendszerrel, változtatható geometriájú turbófeltöltővel és a hűtött kipufogógáz-visszavezetéssel mind a környezetvédelem, mind a teljesítmény tekintetében sikerült megfelelni az európai követelményeknek. A boxermotorok által nyújtott előnyök maximális kihasználása érdekében a fejlesztés során a következőkre helyezték a hangsúlyt:
- csekély zaj és vibráció
- közvetlen, sportos gázreakció
- tömegcsökkentés
- kompakt építésmód
- merevség
- alacsony tömegközéppont
- kedvező tüzelőanyag-fogyasztás

Motor specifikáció

A fejlesztési célok elérése érdekében a következő technológiákat adaptálták:
    - kompakt dizájn
    - csekély súrlódás és tehetetlenségi nyomaték
    - könnyű, nagy merevségű blokk és főtengely
    - common rail rendszer, 1800 bar maximális befecskendezési nyomással
    - könnyű, kompakt mágnesszelepes injektorok
    - változtatható geometriájú turbófeltöltő
    - kipufogógáz utókezelő rendszer közvetlenül a turbófeltöltő után

A boxer hengerelrendezés következtében a motorban nem ébred első- és másodrendű kiegyenlítetlen tehetetlenségi erő az alternáló tömegek révén. Soros négyhengeres építésmód esetén a másodrendű kiegyenlítetlen tehetetlenségi erő igen jelentős, több mint 10kN 4000/perc fordulatszámon. A motor összességében igen kedvező vibrációs karakterisztikájának köszönhetően nincs szükség kiegyenlítő tengelyre, így alacsony tehetetlenségi nyomaték és súrlódás, valamint tömegcsökkentés érhető el. Egy soros 4 hengerű motorral összevetve a főtengely tömege mintegy 50%-kal, a tehetetlenségi nyomatéka pedig 18%-kal kisebb. Figyelembe véve a kiegyensúlyozó tengelyek elhagyását, a tehetetlenségi nyomaték 34%-kal kisebb. A lényegesen kisebb inercia következtében a boxer dízelmotor igen jó gázreakcióval rendelkezik.
 

A megfelelő dízel égésfolyamat elérése érdekében megnövelték a lökethosszt a benzinüzemű boxermotorhoz képest. A motor teljes szélessége azonban nem változ(hat)ott, ezáltal biztosítva a jelenlegi modellekben történő alkalmazhatóságot. A hengerek osztásközének csökkentésével a motor teljes hossza 61,3mm-rel csökkent, így a boxer dízel még kompaktabb, mint benzines megfelelője.
A kipufogógáz jobb hatásfokú tisztítása és az alacsonyabb súlypont elérése érdekében módosították a turbófeltöltő elhelyezését. Szemben a benzinüzemű boxermotorokkal - ahol a turbófeltöltő hátul található a jobb oldali hengersor fölött -, a Subaru Boxer Diesel esetében a feltöltő rendszer a motor elején, a jobb oldali hengersor alatt került elhelyezésre. Emellett a változtatható geometriájú turbófeltöltő szinte minden üzemállapotban lehetővé teszi a hatékony feltöltést, hozzáigazítva a terelő lapátsor állásszögét a mindenkori üzemi feltételekhez.

Közvetlenül a turbófeltöltő után helyezték el a kipufogógáz utókezelő rendszert, amely magában foglal egy oxidációs katalizátort és egy nyitott részecskeszűrőt (DPF). Ez az elrendezés, valamint a kompakt méret és az ebből adódó csekély hőtehetetlenség csökkenti az aktivációs időt, javítva a kipufogógázok konverziójának hatásosságát. Amikor a hőmérséklet bizonyos üzemállapotokban eléri a 250°C-ot, az oxidációs katalizátor nitrogén-dioxidot (NO2) állít elő, ami oxidálja a részecskeszűrőben összegyűlt szilárd részecskéket. Emellett egy, a visszavezetett kipufogógáz hűtésére szolgáló hűtőt is alkalmaznak, hogy az Euro 4 károsanyag-kibocsátási határértékben foglaltak alatt maradjon a nitrogén-oxid (NOx) emisszió.
 

A befecskendező rendszerben 1800 bar maximális nyomás előállítására képes, common rail rendszert alkalmaznak. A nagynyomású tüzelőanyag-szivattyúval a rendszerbe táplált tüzelőanyag 8 lyukú, a főbefecskendezésen kívül 2 elő- és 2 utóbefecskendezésre képes szolenoid porlasztókon keresztül jut az égéstérbe. Ezek a kompakt méretű szolenoid porlasztók direkt a boxer dízelmotorhoz lettek kifejlesztve annak érdekében, hogy a motor szélessége ne legyen nagyobb a benzinüzeműénél.
A befecskendezők tetejére rá van írva az adott befecskendező QR kódja, amely az egyes befecskendezők tüzelőanyag-mennyiségének szórását jellemzi egy vonalkód formájában. Ezeket az adatokat a motor összeszerelésekor betáplálják a motorirányító elektronikába, így biztosítva a hengerenként azonos tüzelőanyag-mennyiséget.

Az elő- és utóbefecskendezés pontosságának növelése érdekében a befecskendezők vezérlése tanulóképes. Állandó alapjárat esetén mérik az egyes hengerekbe fecskendezett tüzelőanyag-mennyiségek szórását (ez a motor- és a befecskendező rendszer alkatrészeinek kopásának következtében változhat). A kapott adatokat aztán felhasználják a befecskendezett tüzelőanyag-mennyiségek korrekciójára.
Az égéstér, a porlasztási karakterisztika és a légáramlatok (swirl) irányítottságának optimalizálása is hozzájárult ahhoz, hogy egy igen kedvező kompromisszum valósulhatott meg a tüzelőanyag-fogyasztás, a motorteljesítmény és az emisszió tekintetében. A kompresszióviszony 16,3:1; a maximális égési csúcsnyomás 180 bar.

A motor jellemzői

A dízelmotorokra jellemző nagy nyomatéklengések kiküszöbölése érdekében egy kettőstömegű lendkerék alkalmazása mellett döntöttek a fejlesztők. Így csökkenthető az erőátviteli rendszerben a lengésekből származó igénybevételek mértéke, a zaj és a vibráció. Másik oldalról a szimmetrikus összkerékhajtási rendszer tudja elnyeletni a jármű négy kerekével a dízelmotor nagy nyomatéklengéseit. Ezért a motor felfüggesztésén csekély vibráció jelentkezik. Mindez – a szükséges hangszigeteléssel együtt – a felhasználó számára az egész fordulatszám-tartományban kellemesen csendes utasteret és csekély zajhatást eredményez.
Egy boxermotor főtengelye rövidebb és ebből eredően merevebb, mint egy azonos hengerszámú soros motoré, így az még magas fordulatszámon sem kelt mérvadó torziós lengéseket. Ez pedig ismételten egyértelműen kedvezően hat a motor vibrációra és az utastéri zajszintre.

A motor feltöltését egy változtatható geometriájú turbófeltöltőre bízták, amely képes az aktuális üzemállapotnak megfelelően változtatni a kipufogógáz áramlását a turbina oldalon. A feltöltés következtében a motor maximális teljesítménye 150LE (110kW) 3600-as percenkénti fordulaton, míg 1800-as fordulatszámon maximum 350Nm nyomatékot fejthet ki. A turbinaátmérő és az állítható terelőlapátozás helyes megválasztásával sikerült javítani a motor rugalmasságán, gázreakcióján és alacsony fordulatszám melletti járáskultúráján. A gyakorlatban ez annyit jelent, hogy 1800-as fordulatszám alatt akár 20Nm-rel nagyobb nyomaték áll a vezető rendelkezésére. Az alacsony fordulatszám mellett észlelhető tulajdonságok úgy javultak, hogy közben a magas fordulatszámon jelentkező teljesítményről sem kell lemondani.
 

Komoly kihívást jelentett, hogy a löketet a kiindulási alapul szolgáló benzinmotorhoz képest a motor szélességének változatlan értéken tartása mellett megnövelhessék. A hajtórúd nagy szeme ferde osztású, így a kisebb forgási helyigénye következtében a kompakt blokkon belül lehetővé tette egy hosszabb löket alkalmazását. Továbbá nagyszilárdságú alumínium ötvözetből készült, hűtött dugattyúk alkalmazásával csökkentették a kompressziómagasságot. Végül a hengerfej magasságát is sikerült csökkenteni.
A hengertömb egy boxermotor esetén alapvetően könnyű és merev.
A még nagyobb szilárdság és merevség érdekében mind az öt főcsapágy anyaga fém mátrix alapú kompozit, amelyet az öntés során illesztenek a helyükre. Ez a megoldás csendesebb működést eredményez a nagyobb merevségnek és a főtengelyéhez hasonló hőtágulási együtthatónak köszönhetően. Ezt a technikát már széles körben alkalmazzák a benzinüzemű boxermotorokban. A hengertömb félig zárt kialakítású, amely nagyobb merevséget eredményez a hengerfejtömítéssel érintkező felső felületen, és már bizonyította tartósságát a feltöltött benzinüzemű modellekben.
 

Boxermotorok esetében a soros motorokhoz képest kisebb hajlító igénybevétel jelentkezik a főtengelyen, mivel a tömegerők rövidebb karon adódnak át a főtengelycsapágyakra. Ennek köszönhetően keskenyebb csapágyakat lehetett alkalmazni.
A magas égéstéri csúcsnyomás elviselése érdekében nagy szilárdságú acélból készült a két felülfekvő vezérműtengely számára helyet biztosító (DOHC) hengerfej. A szívószelepek átmérőjét optimalizálták a minél kisebb töltetcsere-veszteség és az áramlás megfelelő irányítottsága (swirl) érdekében. A vezérműtengelyek meghajtását egy tartósabbnak ígérkező láncos rendszerre bízták, amely jobban képes elviselni a dízelmotor nyomatékingadozásait.

A hangzatosan megfogalmazott CO2-kibocsátási célok elérése érdekében a súrlódás csökkentése egy jelentős lépés. Mivel a boxer hengerelrendezés miatt a másodrendű alternáló tömegerők kioltják egymást, és így elhagyhatók a kiegyensúlyozó tengelyek és az azok meghajtására hivatott rendszer, a súrlódás számottevően csökkent. Ezen kívül a végükön megtámasztott görgős himbák mozgatják a szelepeket, és alacsony viszkozitású olajjal látják el a motort.
A fajlagos tüzelőanyag-fogyasztást minden fordulatszám-tartományban sikerült csökkenteni a súrlódás csökkentésén túl a motorvezérlő elektronika megfelelő kalibrálása révén is. Ennek eredményeként a Legacy átlagfogyasztása mindössze 5,6 l/100km, miközben CO2-kibocsátása csupán 148g/km. Kiváló érték egy összkerékhajtású, D-kategóriás autótól!
Ezentúl tehát azok is - akár vásárlási szándékkal - ellátogathatnak a Subaru kereskedésekbe, akik eddig a kőolajkészletek, vagy saját pénztárcájuk kimélése miatt erről lemondtak.