Mercedes-Benz bringt neue 4-Zylinder-Diesel-Generation

Mercedes-Benz stellt rechtzeitig zum 150. Geburtstag von Rudolf Diesel eine völlig neu konzipierte 4-Zylinder-Diesel-Generation vor, die in ihrem Segment alle bisherigen Bestleistungen hinsichtlich Leistung, Drehmoment, Abgasverhalten und vor allem Sparsamkeit übertrifft.

Den technischen Fortschritt, den die Motorenkonstrukteure von Mercedes-Benz mit diesem neuen Diesel-4-Zylinder erzielt haben, belegen Messdaten. Gleichzeitig lässt er sich auch hinter dem Lenkrad intensiv erleben. Zu den Zahlen: In der stärksten Variante leistet das neue Diesel-Triebwerk aus 2.143 cm³ Hubraum 150 kW/ 204 PS. Damit übertrifft es seinen Vorgänger mit nahezu gleichem Hubraum um rund 20 Prozent. Gleichzeitig wächst sein maximales Drehmoment um 25 Prozent von 400 Nm auf 500 Nm. Auch in der spezifischen Leistung erzielt der neue Motor aus Untertürkheim mit 70 kW/ 95,2 PS und 233,3 Nm pro Liter Hubraum Spitzenwerte (Vorgänger im Vergleich: 58,2 kW/ 79,2 PS und 186,2 Nm pro Liter Hubraum).

Geringerer Verbrauch trotz deutlich höherer Leistung

Auch vorbildliche Verbrauchswerte haben die Konstrukteure dem neuen Dieselmotor in die Wiege gelegt. Trotz des enormen Leistungsplus von 25 kW geht er noch sparsamer mit dem Kraftstoff um als sein bereits sehr genügsamer Vorgänger. In einem Mittelklassemodell verbraucht das neue 150 kW-Aggregat lediglich 5,4 Liter Diesel pro 100 km (NEFZ), das sind 0,5 Liter weniger als beim Vorgängeraggregat. Die ebenfalls neu angebotene 125 kW/ 170 PS-Variante begnügt sich sogar mit 5,1 Liter pro 100 km. Damit sinkt auch der CO₂-Ausstoß um bis zu 13%. Außerdem ist es den Ingenieuren von Mercedes-Benz gelungen, die Rohemissionen noch weiter abzusenken. Sogar ohne aktive Denoxierung erfüllt der neue Diesel-4-Zylinder bereits die künftige Abgasnorm EU5.

"Damit stößt unser neuer Vierzylinder in Dimensionen vor, die bis dato nur 3-Liter-6-Zylinder-Diesel oder großvolumige V8-Benziner erreichen – dies verbunden mit vorbildlicher Sparsamkeit", so Dr. Thomas Weber, im Vorstand der Daimler AG verantwortlich für Konzernforschung sowie Entwicklung Mercedes-Benz Cars.

Erlebbarer Fortschritt und großes Fahrvergnügen

Die Fahrerin oder der Fahrer erleben den Fortschritt mit allen Sinnen. Das neue Triebwerk wirkt kraftvoll und reagiert agil, es glänzt mit hoher Durchzugskraft und überzeugt mit einer für ein 4-Zylinder-Aggregat mustergültigen Laufruhe. Das garantiert hohen Fahrspaß bei großer Wirtschaftlichkeit.

Außer hervorragenden Leistungsdaten bietet das neue Triebwerk einen gegenüber dem Vorgängermotor entscheidend verbesserten Drehmomentaufbau aus niedrigen Drehzahlen und die beste Drehmomentcharakteristik in dieser Hubraumklasse. In alltäglichen Fahrsituationen kann deshalb mit niedrigen Drehzahlen sehr verbrauchsarm gefahren werden.

Der neue Dieselmotor wird in vielen Baureihen – bis hin zum Mercedes-Benz Sprinter – in verschiedenen Versionen eingebaut werden. Mit seinem hohen Leistungspotenzial ermöglicht er das sogenannte Downsizing – die Verwendung von Motoren mit weniger Hubraum und weniger Zylindern, um den Kraftstoffverbrauch sehr effektiv zu senken. Dank der Agilität, der Durchzugskraft sowie des optimalen Laufverhaltens des neuen Dieseltriebwerks erfüllen damit ausgerüstete Fahrzeuge die hohen Ansprüche der Mercedes-Benz Kunden hinsichtlich Komfort und Fahrvergnügen, die von Mercedes-Benz Modellen erwartet werden.

Für den Einsatz im Pkw sind zunächst 3 Varianten geplant:

	250 CDI	220 CDI	200 CDI
Zylinderzahl	4	4	4
Ventile pro Zylinder	4	4	4
Hubraum ccm	2.143	2.143	2.143
Bohrung/ Hub mm	83,0/99,0	83,0/99,0	83,0/99,0
Verdichtung	16,2:1	16,2:1	16,2:1
Leistung kW/PS	150/204 bei 4.200/min	125/170 bei 3.200 - 4.800/min	100/136 bei 3.000 - 4.600/min
Drehmoment Nm	500 bei 1.600 - 1.800/min	400 bei 1.400 - 2.800/min	330 bei 1600 - 2800/min *)

*) mit Automatikgetriebe

Diesel-Erfolgsstory von Mercedes-Benz

Mit dem neuen Dieseltriebwerk gibt Mercedes-Benz eine überzeugende Antwort auf die Fragen der Zukunft und markiert damit einen weiteren Meilenstein in der Geschichte der Dieseltechnik. Gleichzeitig setzt der Stuttgarter Automobilhersteller eine lange Tradition fort. Bereits 1936 feierte der Dieselmotor seine Weltpremiere in einem Pkw von Mercedes-Benz – im mittlerweile legendären 260 D. Seitdem hat Diesel-Pionier Mercedes-Benz die Technik des Selbstzünders konsequent weiterentwickelt und verbessert.

Sternstunden waren zum Beispiel der erste Pkw-Turbodieselmotor im Mercedes-Benz 300 SD (1977), die Weltpremiere der Vierventiltechnik (1995), die ersten Diesel-Limousinen mit Partikelfiltersystem im US-Bundesstaat Kalifornien (1985), die Common-Rail-Direkteinspritzung (1997), der wartungsfreie Dieselpartikelfilter (2003), den die Stuttgarter Automobilmarke mittlerweile in allen Dieselmodellen anbietet, sowie die Einführung der BlueTEC-Technologie (2006) für die saubersten Diesel der Welt.

100.000 Stunden Prüfstand und 10 Millionen Testkilometer

Diese traditionsreiche Erfolgsstory setzt Mercedes-Benz mit dem neuen zukunftsweisenden 4-Zylinder-Dieselmotor fort. Nach 48 Monaten Entwicklungszeit, während der die Konstrukteure modernste Computertechnik nutzten, lief der erste Prototyp des Triebwerks im August 2005. Rund 100.000 Stunden Prüfstandsversuche waren noch nötig, um dem neuen Motor für alle Zwecke und unter allen Bedingungen optimales Verhalten anzuerziehen. Unter harten Dauerlaufbedingungen wurden die Triebwerke erprobt. Dazu gehörten strapaziöseste Prüfstandsläufe, bei denen die Triebwerke auf Herz und Nieren getestet wurden. Auf 10 Millionen Testkilometern in verschiedenen Fahrzeugen musste sich der Motor in der Gluthitze der Wüste und der Eiseskälte von Polarregionen bewähren, er trotzte Staub, Schlamm und Wasser und überstand härteste Behandlung.

Der neue 4-Zylinder-Dieselmotor wird in verschiedenen Baureihen von Mercedes-Benz eingesetzt werden und dort hervorragende Verbrauchswerte erzielen. Er kann sowohl längs wie quer eingebaut werden und ist auch für Allradantrieb vorgesehen. Selbstverständlich kann er auch mit der von Mercedes-Benz entwickelten innovativen Abgasreinigung BlueTEC ergänzt werden und ist als sparsamer Verbrennungsmotor in Hybrid-Fahrzeugen vorgesehen.

Innovative Technologien

Seine beispielhaften Werte hinsichtlich Leistungs- und Drehmomentcharakteristik, Wirtschaftlichkeit, Abgas-Emissionen und Laufruhe erzielt das neue Triebwerk durch den Einsatz eines ganzen Paketes innovativer Technologien. Darunter einige Neuentwicklungen, die derzeit bei keinem anderen serienmäßig gebauten Pkw-Dieselmotor anzutreffen sind. Die wichtigsten Merkmale des neuen Mercedes-Dieselmotors:

• Die 2-stufige Aufladung sorgt für hohe Leistung und optimalen Drehmomentverlauf.
• Die Common-Rail-Technik der 4. Generation mit um 400 auf 2.000 bar gesteigertem Raildruck sowie einem neuen Piezo-Injektorkonzept mit direkter Düsennadelsteuerung schafft die Voraussetzung für höhere Flexibilität im Einspritztiming und damit weicheren Motorlauf, niedrigeren Kraftstoffverbrauch und verminderte Emissionen.
• Der maximale Zünddruck beträgt 200 bar und trägt ebenfalls zur hohen Leistung bei.
• Die Ölspritzdüsen sowie die Wasserpumpe werden bedarfsgerecht geschaltet, um Energie zu sparen.
• Der Nockenwellenantrieb liegt hinten, um den Laufkomfort zu steigern und die hohen AnForderungen des Fußgängerschutzes zu erfüllen.
• Der Motorblock besteht aus Grauguss, der Zylinderkopf aus AluMINIum.
• 2 Wassermäntel sorgen für maximale Kühlung auch dort, wo höchste Wärmestrahlung auftritt; damit werden 200 bar Zünddruck und hohe spezifische Leistung möglich.
• Die Kolben aus AluMINIum laufen reibungsoptimiert in Grauguss-Bahnen.
• Die Pleuel bestehen aus geschmiedetem Stahl. Ihr Gewicht haben die Mercedes-Ingenieure optimiert.
• Die geschmiedete Kurbelwelle mit 8 Gegengewichten rotiert in 5 Lagern – eine Maßnahme im Interesse des Schwingungskomforts. Die Radien der Hubzapfen sind gewalzt und zeichnen sich deshalb durch hohe Festigkeit aus.
• Die freien Schwingungsmomente, die bei einem 4-Zylinder-Reihenmotor prinzipbedingt auftreten, kompensieren zwei unten im Motorblock angeordnete Lanchester-Ausgleichswellen, die reibungsarm in Wälzlagern statt herkömmlich in Gleitlagern laufen.
• Ein 2-Massenschwungrad mit fest an der Kurbelwelle montierter primärer Schwungmasse, die über Federn mit der am Getriebe angebrachten sekundären Schwungmasse verbunden ist (Fachbegriff: Feder-Massesystem) koppelt die Schwingungsanregungen der Kurbelwelle vom Antriebsstrang ab und trägt zur hohen Laufruhe bei.

Einspritzung mit Common-Rail-Prinzip der 4. Generation

Mit dem neuen Dieselmotor geht bei Mercedes-Benz die 4. Generation der bewährten Common-Rail-Direkteinspritzung in Serie. Kennzeichen ist ein um 400 bar gesteigerter maximaler Raildruck, der jetzt 2.000 bar beträgt. Dieses erhöhte Druckpotenzial war Voraussetzung, um die Motorleistung auf 150 kW/ 204 PS und das Drehmoment auf 500 Nm steigern zu können und parallel dazu das Rohemissionsverhalten deutlich zu verbessern.

Wichtige Bestandteile der CDI-Technik der 4. Generation sind völlig neu entwickelte Piezo-Injektoren. Sie nutzen die Eigenschaft von Piezo-Keramik, ihre Kristallstruktur unter elektrischer Spannung mikrosekundenschnell zu verändern. Dabei treten allerdings nur kleine räumliche Bewegungen auf. Deshalb sind die neuen Injektoren mit einem Piezo-Stack ausgerüstet – im Prinzip in Reihe geschaltete Piezo-Elemente. Im Unterschied zu den bisher üblichen Systemen steuert ihre Bewegung die Düsennadel direkt an und erlaubt auch größere Volumenänderungen mit einer Präzision von nur wenigen Tausendstel Millimetern. Vorteile sind höheres zur Verfügung stehendes Einspritzvolumen sowie besonders feine und schnelle Dosierung der Einspritzmengen. Damit lässt sich die Kraftstoffeinspritzung noch genauer an die jeweilige Last- und Drehzahlsituation anpassen – beispielsweise durch hochpräzise Mehrfacheinspritzungen –, was sich günstig auf Emissionen, Verbrauch und Verbrennungsgeräusch auswirkt. Gleichzeitig läuft der Motor im Vergleich zum Vorgängermotor im Leerlauf nochmals deutlich ruhiger.

Bedingt durch das innovative Ansteuerkonzept arbeitet der Injektor komplett leckagefrei. Das bedeutet: Es ist keine Lecköl-Leitung mehr nötig, um wie bislang prinzipbedingt anfallende MINImale Kraftstoffmengen im System rückzuführen. Dadurch verbessert sich der Wärmehaushalt des Einspritzsystems, so dass auch bei 2.000 bar Raildruck eine Kraftstoffkühlung überflüssig ist. Das spart Energie. Außerdem reduziert sich die Antriebsleistung der Hochdruckpumpe um etwa ein kW bei hoher Last.

Damit die optimale Einspritzmenge über die gesamte Lebensdauer des Triebwerks garantiert wird, gleicht eine adaptive Lernfunktion durch MINImalen Verschleiß eventuell auftretende Toleranzen aus.

200 bar Zünddruck und optimierter Brennraum

Der Kraftstoff wird in einen Brennraum mit sorgfältig gestalteter Geometrie eingespritzt, zu der auch die präzise berechneten Mulden in den Kolbenböden gehören. Gegenüber dem Vorgängermotor wurde der Brennraum flacher und im Durchmesser etwas größer. Die Verdichtung wurde von 17,5 : 1 auf 16,2 : 1 reduziert. Dadurch wurde der Verbrennungsprozess so optimiert, dass er nachhaltig die Rohemissionen verringert – vor allem hinsichtlich NOx konnten deutliche Verbesserungen erzielt werden.

Mit entscheidend für die maximale Leistung und für den Verbrauch bei Vollast im Bezug auf die Emissionen ist der maximale Zünddruck. Mit 200 bar nimmt der neue Diesel-4-Zylinder von Mercedes-Benz hier eine Spitzenposition im Pkw-Dieselmotorenbereich ein. Für spontanen Start werden Keramik-Glühkerzen eingesetzt, die eine um ca. 200 Grad Celsius höhere Temperatur als Metall-Glühkerzen erzielen (1.250°C statt 1.050°C) und nahezu keinen Verschleiß kennen. Diese Kerzen hat Mercedes-Benz zum ersten Mal im Vorgänger-Dieseltriebwerk in die Serie eingeführt.

2-stufige Aufladung für hohes Drehmoment in jedem Drehzahlbereich

Die Luft zum Atmen bezieht der neue Dieselmotor aus 2 Turboladern. Damit verwirklicht Mercedes-Benz zum 1. Mal eine 2-stufige Aufladung in einem Pkw-Seriendiesel. Ziel ist es, die Nachteile eines einstufigen Abgas-Turboladers zu eliMINIeren. Dazu zählt unter anderem das Trägheitsmoment eines großen Laders, das sich für den Fahrer zum Beispiel durch träges Anfahrverhalten ("Turboloch") spürbar bemerkbar machen kann. Außerdem sind bei einstufigen Ladern gutes Anfahrverhalten und maximale Leistung sowie geringer Kraftstoffverbrauch bei maximaler Leistung kaum unter einen Hut zu bringen. Das kompakt bauende Modul der neuen 2-stufigen Aufladung bestehe aus einem kleinen Hochdruck(HD)- und einem großen Niederdruck(ND)-Abgasturbolader. Sie bestehen jeweils aus einer Turbine und einem davon angetriebenen Verdichter und sind miteinander in Reihe geschaltet:

• Die HD-Turbine mit einem Durchmesser von 38,5 mm sitzt direkt am Auspuffkrümmer und wird vom Abgas zuerst durchströmt. Dabei rotiert sie mit bis zu 248.000 Umdrehungen pro Minute.
• In das HD-Turbinengehäuse ist ein Bypasskanal integriert, der durch eine per Unterdruckdose schaltbare Ladedruck-Regelklappe (LRK) geöffnet oder verschlossen werden kann. Ist sie geschlossen, durchströmt der gesamte Abgasstrom die HD-Turbine – die gesamte Energie des Abgases steht dann ausschließlich für den Antrieb der HD-Turbine zur Verfügung. Dadurch kann bei niedrigen Motordrehzahlen der optimale Ladedruck aufgebaut werden.
• Mit zunehmender Motordrehzahl öffnet die Ladedruck-Regelklappe, um Überlastungen des HD-Laders zu vermeiden. Der Abgasstrom fließt jetzt zur Entlastung der HD-Stufe zum Teil durch den Bypasskanal.
• Nach der HD-Turbine vereinen sich die beiden Abgasströme wieder und die noch vorhandene Abgasenergie treibt die 50 Millimeter-ND-Turbine mit einer Maximal-Drehzahl von 185.000 Umdrehungen pro Minute an.
• Auch die ND-Turbine besitzt als Überlastungsschutz einen Bypasskanal, der mit einer unterdruckdosenbetätigten Klappe ("waste-gate") geöffnet bzw. verschlossen wird.
• Ab einer mittleren Drehzahl ist die Ladedruck-Regelklappe der HD-Turbine so weit geöffnet, dass die HD-Turbine keine nennenswerte Arbeit mehr verrichtet, sondern die gesamte Abgasenergie möglichst verlustarm in die ND-Turbine leitet, welche die komplette Turbinenarbeit übernimmt.

Die beiden Verdichter sind ebenfalls in Reihe geschaltet und zusätzlich mit einem Bypass verbunden. Als erstes durchströmt die vom Luftfilter kommende Verbrennungsluft den ND-Verdichter (Durchmesser 56,1 mm) und wird dort je nach Antriebsleistung der ND-Turbine verdichtet. Diese vorverdichtete Luft strömt weiter in den HD-Verdichter (Durchmesser 41 mm), der mit der HD-Turbine gekoppelt ist und wird dort weiter komprimiert – eine echte 2-stufige Aufladung. Ab mittleren Motordrehzahlen kann der HD-Verdichter den Luftstrom nicht mehr bewältigen und die Verbrennungsluft erwärmt sich zu stark. Deshalb öffnet der Bypasskanal, der die Verbrennungsluft am HD-Verdichter vorbei direkt zum Ladeluftkühler transportiert, um sie abzukühlen. Dann ist auch die Ladedruck-Regelklappe komplett geöffnet, so dass die HD-Turbine keine Arbeit mehr verrichtet. Das entspricht einer einstufigen Aufladung.

Vorteile dieser aufwändigen, bedarfsgerechten Steuerung der Verbrennungsluftzufuhr mit Hilfe von zwei Abgasturobladern sind eine bessere Zylinderfüllung (hohe Leistung) und damit ein kraftvolles Drehmoment bereits bei niedrigen Drehzahlen. Außerdem verringert sich der Kraftstoffverbrauch. Spürbare Auswirkungen für die Fahrerin oder den Fahrer sind harmonisches Fahrverhalten ohne Turboloch, guter Drehmomentverlauf über den ganzen Drehzahlbereich, spürbar bessere Fahrleistungen und eine bessere Anbindung des Motors an das Fahrpedal.

Ladeluftkühler und Abgasrückführung sind optimiert

Konsequente Ergänzung des Turbolader-Systems ist ein gegenüber der bisherigen Serie vergrößerter Ladeluft-Kühler, der die Temperatur der komprimierten und erwärmten Luft um ca. 140 Grad Celsius senkt, so dass ein größeres Luftvolumen in die Brennräume gelangen kann.

Nach dem Ladeluftkühler sorgt eine elektrisch geregelte Klappe für eine präzise Regelung von Frischluft und rückgeführtem Abgas. Zur Optimierung der rückgeführten Abgasmenge wird das Abgas bedarfsgerecht in einem leistungsstarken Wärmetauscher mit großem Querschnitt abgekühlt, um hohe Abgasrückführungsraten zu erzielen. Zusammen mit den in die Frischluftführung integrierten HFM-Modulen (Heiß-Film-Luftmassenmessung), die das Motorsteuergerät mit exakten Informationen über die aktuelle Frischluftmasse versorgen, vermindern sich auf diese Weise die Stickoxid-Emissionen deutlich. Die überzeugenden Resultate sind: gute Motorerwärmung, reduzierte Emissionen im Kaltlauf durch wärmere Verbrennung, reduzierte Emissionen im Warmlauf durch gute AGR-Verträglichkeit und gute AGR-Kühlung, keine Versottungsneigung sowie lange Lebensdauer. Der Motor kann bis ca. 0 Grad Celsius ohne Wartezeit durch Vorglühen gestartet werden, wobei auch der kalte Motor durch die wirkungsvolle Aufladetechnologie stabil und aussetzerfrei läuft.

Einlasskanalabschaltung für optimale Luftzufuhr

Anschließend strömt die Verbrennungsluft in das Ladeluft-Verteilermodul, von dem jeder Zylinder gleichmäßig versorgt wird. Integraler Bestandteil des Verteilermoduls ist eine elektrisch gesteuerte Einlasskanalabschaltung, mit deren Hilfe sich der Einlasskanal-Querschnitt jedes Zylinders stufenlos reduzieren lässt. Dadurch verändert sich der Drall der Verbrennungsluft, sodass in jeder Last- und Drehzahlsituation eine für Verbrennung und Abgas-Emissionen optimale Einstellung der Ladungsbewegung in den Zylindern gewährleistet ist.

Hinten liegender Nockenwellenantrieb

Zu den wichtigen Innovationen des neuen 4-Zylinder-Diesels zählt auch der hinten liegende Nockenwellenantrieb. Dadurch können im Längseinbau mit nach hinten ansteigenden Motorhauben die gesetzlichen AnForderungen an den Fußgängerschutz erfüllt werden. Außerdem sind die Schwingungsanregungen durch die Kurbelwelle an der Motorrückseite geringer als vorn. Das kommt dem außergewöhnlich ruhigen Motorlauf zu gute. Die ebenfalls neu entwickelte Ventilsteuerung vermindert die Reibung der 16 Ein- und Auslassventile, die von je einer oben liegenden Einlass- und Auslass-Nockenwelle über Rollenschlepphebel mit hydraulischem Ventilspielausgleich gesteuert werden. Angetrieben werden Nockenwelle, Lanchester-Ausgleich sowie die Nebenaggregate durch eine Kombination aus Zahnrädern und einem nur sehr kurzen Kettentrieb. Die mit einem Zahnradantrieb üblicherweise verbundenen lauteren Geräusche wurden durch aufwändige Detailarbeit reduziert.

Schaltbare Wasser- und Ölpumpe sparen Kraftstoff

Einzigartig bei einem Serien-Dieselmotor sind auch die elektrisch schaltbaren Wasser- und Ölpumpe, die je nach Bedarf aktiviert werden. Die Kühlung der Kolben übernimmt eine Ölpumpe mit einen zentralen Schaltventil für alle vier Kolbenspritzen mit großen Ölspritzdüsen. Sie schafft damit identische, thermische Randbedingungen für alle Zylinder. Die großzügige Dimensionierung sichert die optimale Kolbenkühlung auch bei Volllastbetrieb und garantiert damit eine lange Lebensdauer. Durch die geregelte Ölpumpe wird außerdem der Öldurchsatz – und damit der Verbrauch – reduziert.

Ebenfalls eine Innovation ist die schaltbare Wasserpumpe. Wie die schaltbare Ölspritze trägt auch sie bei zur schnellen Erwärmung des Brennraums sowie der Reibpartner und verringert damit Verbrauch und Rohemissionen.

Entwicklungspotenzial noch nicht ausgeschöpft

Trotz einzigartiger Leistung, mustergültigem Laufverhalten und hervorragender Verbrauchswerte ist der neue 4-Zylinder-Dieselmotor von Mercedes-Benz noch nicht am Ende seines Potenzials angelangt. Die Möglichkeiten des extrem flexiblen Einspritztimings werden weiter entwickelt, um die Emissionswerte noch positiver zu beeinflussen. Zusätzlich wird die Kombination des neuen Diesel-Stars mit anderen Verbrauchstechnologien zu weiteren deutlichen Absenkungen des Kraftstoffverbrauches führen – etwa in Hybridfahrzeugen.