Die neue Vierzylinder-Dieselgeneration: Spitzenstellung hinsichtlich Leistung, Verbrauch und Emissionen

13.10.2008
  • Zwei­stufige Auf­ladung für hohe Leis­tung und spon­tanes Anspre­chen
  • Common-Rail-Technik der vierten Genera­tion
  • Techni­sche Innova­tionen senken Ver­brauch und Emis­sionen
Drei Worte reichen, um den Grund­cha­rakter der neuen Vierzylinder-Dieselgeneration von Merce­des-Benz zu beschrei­ben: stärker, spar­samer, saube­rer. Damit allein ist das neue Trieb­werk aus Unter­türk­heim jedoch nicht hin­rei­chend erklärt. Tat­säch­lich stößt es in neue Bereiche vor, die Diesel-An­trieben – ins­beson­dere Vier­zylin­dern – bis­lang ver­schlos­sen waren. Sowohl hin­sicht­lich Leis­tung und Dreh­moment als auch in Verbrauch und Abgas-Emis­sionen setzt es neue Best­werte, die kein anderes vergleichbares Serien-Trieb­werk der­zeit erreicht.
Den techni­schen Fort­schritt, den die Motoren­konstruk­teure von Merce­des-Benz mit diesem neuen Diesel-Vier­zylin­der erzielt haben, belegen Mess­daten. Gleich­zeitig lässt er sich auch hinter dem Lenk­rad inten­siv erleben. In Zahlen: In der stärks­ten Variante leistet das neue Diesel-Trieb­werk aus 2143 Kubik­zenti­meter 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 Newton­meter er auf 500 Newton­meter. Auch in der spezi­fischen Leis­tung erzielt der neue Motor aus Unter­türk­heim mit 70 kW/95,2 PS und 233,3 Newton­metern pro Liter Hub­raum Spitzen­werte (Vor­gänger im Ver­gleich: 58,2 kW/79,2 PS und 186,2 Newtonmeter 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. Dies machen die Ver­brauchs­werte des neuen C 250 CDI BlueEFFICIENCY Prime Edition deut­lich, in dem das leis­tungs­starke Trieb­werk seine Welt­pre­miere feiert. Hier konsumiert das neue 150 kW-Aggre­gat ledig­lich 5,2 Liter Diesel pro 100 Kilo­meter (NEFZ), das sind 0,7 Liter weniger als bis­her. Außer­dem ist es den Inge­nieuren von Merce­des-Benz gelungen, die Roh­emis­sionen noch weiter abzu­senken. Sogar ohne aktive Denoxierung erfüllt der neue Diesel-Vier­zylin­der bereits die künf­tige Abgas­norm EU 5.
„Damit stößt unser neuer Vier­zylin­der in Dimen­sionen vor, die bis dato nur
Dreiliter-Sechszylinder-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 Vier­zylin­der-Aggre­gat muster­gülti­gen Lauf­ruhe. Bei den Fahrleistungen ermög­licht es sport­wagen­mäßige Werte. Die C-Klasse Limousine hat damit bereits nach 7,0 Sekun­den aus dem Stand die 100 km/h-Marke erreicht. Die vorbildliche Elastizi­tät erlaubt schnelle Zwi­schen­spurts für Über­hol­vor­gänge auf der Landstraße. Von 60 bis 120 km/h ver­gehen 9,2 Sekun­den (5. Gang). Die Höchstgeschwin­dig­keit beträgt 250 km/h. Diese Werte garan­tieren 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 Dreh-zahlen sehr vebrauchsarm gefahren werden.
Ein­zig­artige 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 zwei­stufige Auf­ladung sorgt für hohe Leis­tung und opti­malen Drehmomentverlauf.
  • Die Common-Rail-Technik der vierten Genera­tion mit um 400 auf 2000 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 und damit Kraft­stoff zu sparen. Durch die geregelte Ölpumpe wird außer­dem der Öldurchsatz und damit der Ver­brauch redu­ziert.
  • 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.
  • Ein zwei­teili­ger Wasser­mantel im Zylin­der­kopf sorgt für maxi­male Kühlung im Bereich der Brenn­raum­platte; damit werden 200 bar Zünd­druck und hohe spezifische Leis­tung mög­lich.
  • Die Honung der Grauguss-Lauf­bahnen wurde deut­lich feiner aus­geführt als beim Vor­gänger und trägt damit zum Ver­brauchs­vor­teil bei.
  • Die freien Kräfte zwei­ter Ordnung, die bei einem Vier­zylin­der-Reihen­motor prinzipbedingt auf­treten, kompen­sieren zwei unten im Motor­block ange­ordnete Lanchester-Ausgleichswellen, die rei­bungs­arm in Wälz­lagern statt herkömm­lich in Gleit­lagern laufen.
  • Das Zwei­massen­schwung­rad wurde gezielt auf die hohen Dreh­momente bei nied­rigen Dreh­zahlen aus­gelegt, um die Schwin­gungs­anre­gungen der Kurbel­welle vom Antriebs­strang abzu­koppeln – dies trägt zur hohen Lauf­ruhe bei.
Zwei­stufige Auf­ladung für hohes Dreh­moment in jedem Dreh­zahl­bereich
Mit dem neuen Diesel­motor ver­wirk­licht Merce­des-Benz zum ersten Mal eine zwei­stufige 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.
Das kompakt bauende Modul der neuen zwei­stufi­gen Auf­ladung besteht aus einem kleinen Hochdruck-(HD-) und einem großen Niederdruck-(ND-)Abgasturbo-lader. 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 Maximal­drehzahl 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 zwei­stufige 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-Regel-klappe kom­plett geöffnet, sodass die HD-Turbine keine Arbeit mehr ver­richtet. Das ent­spricht einer ein­stufi­gen Auf­ladung.
Vor­teile dieser auf­wendi­gen, bedarfs­gerech­ten Steue­rung der Ver­bren­nungs­luft­zufuhr mithilfe 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 Lade­luft­kühler, der die Tempe­ratur der komprimier­ten und erwärmten Luft um zirka 140 Grad Celsius senkt, sodass 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 (Heißfilm-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 zirka null 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 Vier­zylin­der-Diesels zählt auch der hinten liegende Nocken­wellen­antrieb. Dadurch können im Längs­ein­bau mit nach hinten anstei­genden Motor­hauben die gesetz­lichen Anforde­rungen an den Fuß­gänger­schutz erfüllt werden.
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.
Schalt­bare Wasser- und Ölpumpe sparen Kraft­stoff
Einzig­artig bei einem Serien-Diesel­motor ist auch die elek­trisch schalt­bare Wasserund Ölpumpe, die je nach Bedarf akti­viert wird. 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 zur schnel­len Erwärmung des Brenn­raums sowie der Reibpartner bei und ver­ringert damit Ver­brauch und Roh­emis­sionen.
Das Ent­wick­lungs­poten­zial ist noch nicht aus­ge­schöpft
Trotz ein­zig­artiger Leis­tung, muster­gülti­gem Lauf­ver­halten und her­vor­ragen­der Verbrauchs­werte ist der neue Vier­zylin­der-Diesel­motor von Merce­des-Benz
noch nicht am Ende seines Poten­zials ange­langt. Die Möglich­keiten des extrem flexiblen Einspritztimings werden weiter­ent­wickelt, um die Emis­sions­werte noch positiver zu beein­flussen.
Der neue Diesel­motor wird künftig vier bis­herige Trieb­werke ersetzen und 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 aller­dings auch künftig wie gewohnt die hohen Ansprüche hin­sicht­lich Komfort und Fahr­ver­gnügen, die von Merce­des-Benz Model­len erwartet werden. Für den Ein­satz im Pkw sind zunächst drei Varian­ten geplant.
Die wich­tigsten Daten
 
250 CDI
220 CDI
200 CDI
Zylin­der­zahl
4
4
4
Ventile pro Zylin­der
4
4
4
Hub­raum cm³
2143
2143
2143
Bohrung/Hub mm
83,0/99,0
83,0/99,0
83,0/99,0
Ver­dich­tungs­ver­hält­nis
16,2 : 1
16,2 : 1
16,2:1
Leis­tung kW/PS
bei 1/min
150/204
4200
125/170
3200-4800
100/136
3000-4600
Dreh­moment Nm
bei 1/min
500
1600-1800
400
1400-2800
330
1600-2800 *
* 5-Gang-Auto­matik
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