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Aktualisiert am 31.12.2011
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OM 651 Vierzylinder mit 204PS: Maßstab in Leistung und Verbrauch

14.04.2008

OM651
Der OM651 ist eine sehr kompakte Kraftquelle geworden.
Doppelpfeil

Den 220S gab es schon einmal, erst als Ponton, zuletzt in der Baureihe W111, besser bekannt als "Heckflosse". Reihensechszylinder-Benzinmotoren mit bis zu 120PS sorgen für eine souveraine Motorisierung – gemessen an den Maßstäben der frühen Sechziger Jahre. Eine S-Klasse mit einem Vierzylindermotor war aber schon damals nicht standesgemäß. Bei den Nachfolgern wurde aufgerüstet, Zylinderzahl, Hubraum und Leistung wuchsen kräftig. Eine erste Form des Downsizing gab es erst wieder 1977, als in den USA der 300SD Turbodiesel mit Fünfzylinder-Reihenmotor angeboten wurde, der aber schon 1985 durch ein Sechszylinderaggregat ersetzt wurde. Ein Vierzylindermotor war bisher undenkbar, Laufruhe, Leistungsentfaltung und Fahrleistungen reichten für die Oberklasse nicht aus.

Das wird sich nun ändern. Im Zuge der Umwelt- und Verbrauchsdebatten sind kleinere Hubräume gefordert, Fortschritte in der Motoreletronik und der Ladertechnik machen es möglich, trotzdem auf die erforderlichen Leistungswerte zu kommen.

OM651
Die fast linear ansteigende PS-Kurve und ein Drehmoment im Bereich von 350 bis 500Nm versprechen beeindruckende Fahrleistungen für einen 2,2L-Motor.

Den technischen Fortschritt, den die Motorenkonstrukteure von Mercedes-Benz mit diesem neuen Diesel-Vierzylinder erzielt haben, belegen Messdaten. In der stärksten Variante leistet das neue Diesel-Triebwerk aus 2143 Kubikzentimetern 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. Trotz des Leistungsplus von 25 kW geht er deutlich sparsamer mit dem Kraftstoff um als sein Vorgänger. In einem Mittelklassemodell verbraucht das neue 150-kW-Aggregat lediglich 5,4 Liter Diesel pro 100 Kilometer (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 Litern pro 100 Kilometer. Damit sinkt auch der CO2-Ausstoß um bis zu 13 Prozent. 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 EU5.

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. Für den Einsatz im Pkw sind zunächst drei Varianten geplant, der 200 CDI mit 100Kw/136PS, der 220CDI mit 125Kw/170PS und der 250CDI mit 150Kw/204PS. Auch wenn die Bezeichnungen unterschiedliche Hubräume suggerieren, haben alle Motoren 2143ccm Hubraum und vier Zylinder. Er kann sowohl längs als auch quer eingebaut werden und ist auch für Allradantrieb vorgesehen. Zudem kann er auch mit der Abgasreinigung BlueTEC ergänzt werden und ist als Verbrennungsmotor in Hybrid-Fahrzeugen vorgesehen.

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 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. Zwei 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 acht Gegengewichten rotiert in fünf 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 Vierzylinder-Reihenmotor prinzipbedingt auftreten, kompensieren zwei unten im Motorblock angeordnete Lanchester-Ausgleichswellen, die reibungsarm in Wälzlagern statt herkömmlich in Gleitlagern laufen. Ein Zweimassenschwungrad 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.

Mit dem neuen Dieselmotor geht bei Mercedes-Benz die vierte Generation der bewährten Common-Rail-Direkteinspritzung in Serie. Kennzeichen ist ein um 400 bar gesteigerter maximaler Raildruck, der jetzt 2000 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 vierten 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 präzise 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 neue 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 2000 bar Raildruck eine Kraftstoffkühlung überflüssig ist. Das spart Energie. Außerdem reduziert sich die Antriebsleistung der Hochdruckpumpe um etwa ein kW bei hoher Last. 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-Vierzylinder von Mercedes-Benz hier eine Spitzenposition im Pkw-Dieselmotorenbereich ein. Für spontanen Start werden Keramik-Glühkerzen eingesetzt, die eine um zirka 200 Grad Celsius höhere Temperatur als Metall-Glühkerzen erzielen (1250°C statt 1050°C) und nahezu keinen Verschleiß kennen.

OM651
Die zwei Lader und die Luftverteilung und Steuerung ist kompakt untergebracht.
Doppelpfeil

Die Luft zum Atmen bezieht der neue Dieselmotor aus zwei Turboladern. Ziel der zweistufigen Aufladung 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 zweistufigen Aufladung besteht 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, die die komplette Turbinenarbeit übernimmt.

OM651
Das OM651-Puzzle - weniger Teile als anspruchsvolle Angebote im Spielzeugladen.
Doppelpfeil

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-Regelklappe komplett geöffnet, so dass die HD-Turbine keine Arbeit mehr verrichtet. Das entspricht einer einstufigen Aufladung.

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.

Zu den wichtigen Neuerungen des neuen Vierzylinder-Diesels zählt 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 ruhigen 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. Elektrisch schaltbare Wasser- und Ölpumpe, die je nach Bedarf aktiviert werden, tragen zur schnellen Erwärmung des Brennraums sowie der Reibpartner bei und verringert damit Verbrauch und Rohemissionen.

Mit dem neuen OM651 stellt Mercedes-Benz einen Vierzylinderdiesel vor, den wir in den nächsten Jahren in allen Baureihen wiederfinden werden, auch in der S-Klasse.

(Text: dr,Mercedes-Benz AG)
(Fotos: Mercedes-Benz AG )

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