Dieselmotoren für die neue E-Klasse

TITELTHEMA Dieselmotoren

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Dieselmotorenfür die neue E-Klasse

Nach der Einführung des ersten Common-Rail-Vierzylinder-Dieselmotorsim Jahr 1997 in der C-Klasse ergänzte Mercedes-Benz die Motoren-palette zwei Jahre später durch die Fünf- und Sechszylindermotoren.Für die neue E-Klasse erfuhren die Vier-, Fünf- und Sechszylindermoto-ren eine umfangreiche Überarbeitung. Bei gleichem Hubraum, weiter-entwickelter Common-Rail-Einspritzung und Maßnahmen zur Reibungs-senkung nehmen diese Motoren auch in den Fahrzeugen der neuen E-Klasse eine Spitzenposition hinsichtlich Fahrspaß, Kraftstoffverbrauchund Komfort in ihrem Wettbewerbsumfeld ein.

1 Einleitung

Ausgehend von den Prämissen Beibehal-tung des Fertigungsverbundes mit allenanderen Varianten der Motorbaureihe undSicherstellung des Weiterentwicklungspo-tenzials zur Emissionserfüllung EU4 warenfolgende Randbedingungen bei der Ent-wicklung zu beachten:■ Realisierung hoher Fahrleistungendurch Drehmomentsteigerung undErhöhung der Motorleistung■ Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs■ Erfüllung hoher Komfortansprüchedurch geräuschoptimierte Motoren■ Auslegung der Motoren im Hinblick aufAgilität■ günstige Fertigungskosten durch Aus-nutzung des Baukastenprinzips■ Sicherung der für Mercedes-Benz-Diesel-motoren typischen Eigenschaften wieZuverlässigkeit und Standfestigkeit.

Die Anpassung der Dieselmotorenbau-reihe an die neue E-Klasse und die optima-le Grundauslegung der Komponentenerforderten eine Reihe von konstruktivenMaßnahmen, die im Folgenden beschrie-ben werden:■ Einführung von schnellen elektrischenStellgliedern bei den VNT-Abgasturbola-dern■ Weiterentwicklung der Einspritztechnikdurch die Common-Rail-Einspritztechnikder 2. Generation mit 1600 bar System-druck und geregelter Hochdruckpumpe ■ schnelle elektrische Stellglieder fürAbgasrückführung und Einlasskanalab-schaltung■ Einführung eines Massenausgleichs-systems beim Vierzylindermotor■ Optimierung der Brennraumgestaltung ■ Geräuschreduzierung durch doppelteVoreinspritzung■ Anpassungen des Motors an die höhe-ren Belastungen durch Modifikationen imBereich Zylinderkopf, Kolben, Pleuelstangeund Kurbelwelle

In der Tabelle 1 sind die wichtigstentechnischen Daten der Motorenbaureihezusammengestellt. Die neuen Motorenkommen als Vierzylindermotor im E 220CDI, als Fünfzylindermotor im E 270 CDI,sowie zu einem späteren Zeitpunkt alsSechszylindermotor, der nicht Inhalt dieserVeröffentlichung ist, zum Einsatz. Der Vier-zylindermotor wird zusätzlich als leis-tungsreduzierte Variante im E 200 CDIangeboten.

2 Motorenbeschreibung

Der prinzipielle Aufbau der Diesel-Moto-renbaureihe blieb in weiten Teilen gegenü-ber den Vorgängermotoren unverändert.

2.1 Maßnahmen zur Leistungs-und DrehmomentsteigerungDie Nennleistung wurde bei allen Motor-varianten jeweils um 5 kW angehoben.

Das maximale Drehmoment stieg zwi-schen 20 und 25 Nm.

Gleichzeitig wurde durch eineErhöhung des Drehmoments im unterenDrehzahlbereich die Agilität des Fahr-zeugs gesteigert. Diese Verbesserungkonnte erreicht werden durch:■ eine weitere Optimierung des VNT-Abgasturboladers■ die Anhebung des maximalen Zylinder-drucks von 145 bar auf 155 bar■ einen optimierten Ladungswechsel mitHilfe verbesserter Strömungsverhältnissein der Ansaug- und Ladeluftleitung sowiein den Einlasskanälen des Zylinderkopfs.

Die Triebwerksbauteile Grauguss-Zylinderkurbelgehäuse, Pleuel-Kolbenund Kurbelwelle wurden durch maßlicheÄnderungen an die höheren Beanspru-chungen angepasst.

2.2 Maßnahmen zur Anpassung an die besonderenBedingungen der Baureihe 211Infolge der gegenüber den Fahrzeugen derVorgängerbaureihe geänderten Einbaube-dingungen wurden weitere Modifikatio-nen am Motor erforderlich. Dazu gehören:■ die geometrische Gestaltung derÖlwanne mit hinten liegendem Ölsumpfund entsprechender Anpassung derÖlpumpe aufgrund der neuen Lage desIntegralträgers ■ der motorseitig befestigte Luftfilter mitoptimierten Roh- und Reinluftkanälenund Resonatoren zur Verbesserung desGeräuschkomforts■ der Entfall der motor- und fahrzeugsei-tigen Unterdruckversorgung. Dies wurdemöglich, da die in den Fahrzeugen derneuen E-Klasse neu eingeführte elektrohy-draulische Bremse (SBC) über eine eigeneDruckversorgung verfügt und somit diebisherigen unterdruckgesteuerten Stellerund elektropneumatischen Druckwandlerdurch Elektrosteller ersetzt wurden.■ der Entfall des bisherigen elektrischenZuheizers. Die Funktion wird von einerneuentwickelten PTC-Heizung übernom-men, die direkt den Luftstrom erwärmt.

2.3 BrennraumDer bestehende Brennraum erhielt kleine-re Einlass- und Auslassventile. Diese Maß-nahmen und die Veränderung der Brenn-raumkontur in Verbindung mit der Modi-fikation der Kolbenmulde führen zur Ver-besserung des Verhältnisses Kolbenmul-denvolumen zu Kompressionsvolumen.Der Schadvolumenanteil wurde um 4 %

verringert. Die Ventiltaschen im Kolbenkonnten deutlich zurückgenommen wer-den.

Die Optimierung der Einlasskanälebezüglich Drall und Durchfluss stelltsicher, dass trotz der verkleinerten Ventil-querschnitte der Ladungswechsel insbe-sondere im Nennleistungsbereich nichtbeeinträchtigt wird.

Mit den kleineren Ventildurchmessernergeben sich breitere Ventilstege,wodurch die mechanische Beanspruchungdes Zylinderkopfes in diesem Bereich umetwa 15 % abgesenkt und thermischeAnrisse im Motorbetrieb vermieden wer-den.

Durch die Änderung der Bauteilstruk-tur wird die Steifigkeit des Zylinderkopfeserhöht und somit die Deformation derBrennraumbodenplatte unter Brennraum-druck reduziert.

TITELT-

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Die Autoren

Dipl.-Ing. Rolf Kling-mann ist Leiter derEntwicklung Motor-Konstruktion Pkw-Dieselmotoren derDaimlerChrysler AG.

Dipl.-Ing. Hans Brüggemann ist Leiterder Pkw-Dieselmoto-ren-Entwicklung derDaimlerChrysler AG.

Dipl.-Ing. WolfgangFick ist Leiter der Entwicklung Motor-Mechanik Pkw-Dieselmotoren derDaimlerChrysler AG.

Dipl.-Ing. Dirk Naber ist Leiter der Verbren-nungsentwicklung Pkw-Dieselmotoren derDaimlerChrysler AG.

Dipl.-Ing. Karl-HeinzHoffmann ist Leiter derEntwicklung Einspritz-system Common Railder DaimlerChryslerAG.

Dipl.-Ing. Ralf Binz istLeiter der EntwicklungFahrzeugapplikationPkw-Dieselmotoren derDaimlerChrysler AG.



2.4 EntlüftungssystemDie Trennung des Öls aus den Blow-by-Gasen erfolgte bislang in den Vier-, Fünf-und Sechszylinder-Reihenmotoren durcheinen Spiralabscheider, der unter Ausnut-zung der Zentrifugalkraft das aus den Ent-lüftungsgasen abgeschiedene Öl wieder inden Ölkreislauf des Motors zurückführt.

Mit Einsatz der Motoren in den Fahr-zeugen der neuen E-Klasse wurde auf dasbereits von den V8-Dieselmotorenbekannte Abscheidesystem mit Zentrifu-ge umgestellt. Der über die Nockenwelleangetriebene Abscheider stellt auch beiwechselnden Blow-by-Mengen undgroßen Entlüftungsgas-Durchsätzen hoheAbscheidegrade sicher.

2.5 TriebwerkDie um 10 bar angehobenen Spitzendrückeerforderten am Triebwerk nachfolgendbeschriebene Verstärkungsmaßnahmen:

Die Muldengeometrie des Kolbenswurde zur Reduzierung der maximal auf-tretenden Spannungen modifiziert:■ geringerer Hinterschnitt■ höherer Muldenhals■ stärkere Verrundung im Bereich desKegels.

Außerdem konnten durch die kleinerenVentildurchmesser die Ventiltaschenminimiert werden. Der Einsatz eines Tra-pezpleuels reduziert die Flächenbelastungim Nabenbereich und ermöglicht es, dieKolbenbodendicke partiell zu vergrößern.

Zusätzlich wurde die Aluminiumlegie-rung des Kolbens im Hinblick auf diegrößere thermische Belastung optimiert.

Der verkleinerte Innendurchmesser desKolbenbolzens wirkt einer stärkerenDurchbiegung entgegen.

Im Ringpaket kommt als 2. Ring einReversed-Torsion-Ring zum Einsatz.

Das kleine Pleuelauge wurde von Paral-lel- auf Trapezform umgestellt.

Umfangreiche FEM-Berechnungen er-gaben, dass die Trapezform des kleinenAuges ein geändertes Konzept zur Schmie-rung des Bolzens erforderlich macht. Ausdiesem Grund ersetzt eine weiterent-wickelte Lagerbuchse mit speziell ab-gestimmten Schmiernuten und ange-passtem Lagerspiel die bisherigen radialenSchmierölbohrungen im kleinen Pleuelau-ge. Trotz der verringerten Anlageflächendes Pleuels an der Kolbennabe konnte diegewichtsgünstige Axialführung des Pleu-els im Kolben beibehalten werden.

Zum Antrieb der Ausgleichwellen desMassenausgleichsystems im Vierzylinder-motor ist auf der Kurbelwelle ein Zahnradangebracht. Dieses aufgeschrumpfteAntriebsrad erfordert zur Kompensationdes Massenausgleichs ein zusätzliches,bezüglich des mittleren Grundlagers asym-metrisch angeordnetes Gegengewicht.

Im Torsionsschwingungsdämpfer aufder Kurbelwelle ist eine über Elastomerund Gleitbuchse entkoppelte Riemenschei-be integriert. Diese Anordnung dämpft dieÜbertragung von Torsionsschwingungendes Triebwerks auf den Riementrieb undsein hydraulisches Spannsystem.

2.6 Massenausgleichsystemdes Vierzylinder-Dieselmotors Bei Vierzylindermotoren störend auftre-tende freie Massenkräfte 2. Ordnung wer-den durch einen Massenausgleich kom-pensiert, Bild 1. Dieser bewirkt eine deutli-che Verringerung der Geräuschemissionund vermeidet Vibrationen, Bild 2. Er trägtdamit zu einer markanten Komfortverbes-serung bei.

Das Massenausgleichsystem des E 220CDI ist als modulare Add-On-Lösung kon-struiert. Es wird von unten mit dem Kur-belgehäuse verschraubt und ist in derÖlwanne angeordnet.

Der Antrieb erfolgt durch das auf derKurbelwelle aufgeschrumpfte Zahnrad miteiner Übersetzung von 2:1. Aus akustischenGründen wurde eine Schrägverzahnunggewählt. Das geräuschoptimale Zahnflan-kenspiel wird bei der Montage zum Aus-gleich der Fertigungstoleranzen durchDistanzbleche zwischen der Ausgleichs-welleneinheit und dem Kurbelgehäuseeingestellt.

Die Synchronstufe, welche die erforder-liche gegenläufige Drehzahl der beidenUnwuchtwellen sichert, wird ebenfallsdurch zwei schrägverzahnte Zahnräderdargestellt. Die beiden geschmiedeten undan den Lagerstellen induktiv gehärtetenUnwuchtwellen sind in einem zweiteili-gen Gehäuse gleitgelagert.

Die Ölversorgung der Ausgleichswel-leneinheit erfolgt durch eine zentrale Boh-rung aus dem Kurbelgehäuse. Das Ölgelangt dann über gegossene Schmiernu-ten in der Teilungsebene des Gehäuses zuden Lagerstellen.

Um eine geringe Ölverschäumung zugewährleisten, wurde eine geschlosseneGehäusekonstruktion gewählt, die nur imBereich des Antriebs und zum Ablauf desLecköls aus den Lagerstellen durchbrochenist.

Durch umfangreiche FEM-Berechnun-gen auf Basis der ersten CAD-Entwürfekonnte ein optimaler Kompromiss aus

Tabelle 1: Technische Daten der Common-Rail-DieselmotorenbaureiheTable 1: Technical data of the Common Rail diesel engine family

1 Einleitung


Steifigkeit (positiver Einfluss auf Geräuschund Schwingungen), Festigkeit undGewicht des Ausgleichssystems erzieltwerden.

2.7 ÖlkreislaufDie Ölwannen der Motoren mussten unterBerücksichtigung der neuen Lage vonIntegralträger und Motor zueinander miteinem hinten liegenden Ölsumpf ausge-rüstet werden.

Diese Anordnung erfordert zusätzlicheMaßnahmen, um die Funktion desÖlkreislaufes und des Entlüftungssystemsauch bei extremen Schwenkwinkelnsicherzustellen. Hierzu zählt beim Fünfzy-lindermotor eine Ölpumpe mit zwei Zahn-radstufen. Die erste Stufe dient dazu, beientsprechenden Betriebszuständen (zumBeispiel steile Talfahrt und extreme Verzö-gerung) im vorderen flachen Teil derÖlwanne angesammeltes Öl abzusaugenund in den hinten liegenden tieferenSumpf zurückzufördern. Nach der Entga-sung pumpt dann die zweite Stufe derÖlpumpe das Öl über den Ölfilter in denHauptölkanal der Schmierölversorgungdes Motors.

2.8 NebenaggregateZur Schwingungsdämpfung des Riemen-triebes wird bei den überarbeiteten Diesel-motoren für die neue E-Klasse ein hydrau-lisches Dämpfungssystem eingesetzt.

Gegenüber der bisherigen mechani-schen Reibungsdämpfung bietet derhydraulische Dämpfer den Vorteil einergeschwindigkeits-proportionalen Dämp-fung.

Außerdem sind die Amplituden desRiemenspanners beim Durchlaufen derSystemresonanzen während des Start-und Abstellvorgangs infolge der hydrauli-schen Dämpfung deutlich geringer unddie transversalen Schwingungen des Rie-mens um den Faktor 6 kleiner.

Zusammen mit dem Einsatz der ent-koppelten Kurbelwellenriemenscheibe istder höchste im Riementrieb auftretendeSchlupf an der Generatorriemenscheibedurch das hydraulische Dämpfungs-system gegenüber dem früheren reibge-dämpften Spannsystem etwa fünf malniedriger. Dadurch kann der seither einge-setzte Freilauf am Generator entfallen.

Der bislang flüssigkeitsgekühlte Gene-rator wird in der neuen E-Klasse durcheinen leistungsstarken Generator mitLuftkühlung ersetzt. Neben einer Kosten-reduzierung führen der einfachere Aufbaudes luftgekühlten Generators und der Ent-fall der wasserführenden Teile zu einerGewichtseinsparung von etwa 25 %.

Bild 1: Aufbau Massenausgleichssystem beim VierzylindermotorFigure 1: Configuration of the 4-cylinder mass balancing system

2.6 Massenausgleichssystem des Vierzylinder-Dieselmotors

Bild 2: Luftschall 2. Ordnung bei Volllast mit und ohne Massenausgleichs-systemFigure 2: Air-borne sound 2nd order at full load with and without massbalancing system



2.9 Luftfiltermodul und GasführungBild 3 zeigt die Anordnung der gasführen-den Komponenten der neuen CDI-Moto-ren. Die angesaugte Frischluft wird in demmotorfesten Luftfilter mit runder Filterpa-trone gereinigt. Das neue Konzept zeich-net sich aus durch ein großes Luftfiltervo-lumen von etwa 10 dm3, ein hohes Bela-dungsvermögen und einen geringenDruckverlust. Es trägt somit zur Drehmo-mentsteigerung des Motors gegenüberdem Vorgängeraggregat bei. Das Konzeptder großen Querschnitte und der darausresultierenden kleinen Druckverlustewurde auch bei den weiteren niederdruck-seitigen Komponenten des Ladungswech-sels, wie etwa der Roh- und der Reinluftlei-tung, konsequent umgesetzt.

Der neue im Luftfilter integrierte Heiß-film-Luftmassenmesser ist zusammen mitder Fa. Bosch entwickelt worden. Die Güteder HFM-Messung hat als Eingangsgrößefür die AGR-Regelung eine große Bedeu-tung für das Emissionsniveau. Durchdiverse Maßnahmen ist die Abscheidungvon Schwebstoffen aus den Entlüftungs-gasen in der angesaugten Luft vor demMesselement sichergestellt, so dass dieKennliniendrift über der Lebensdauernoch weiter reduziert werden konnte.Weitere im HFM integrierte Merkmalesind die Erfassung der Temperatur und desmomentanen Drucks in der Luftführung.

2.10 LadeluftführungDie gereinigte Luft wird in dem VNT-Abgasturbolader (Variable Nozzle Turbi-ne) mit elektrisch betätigter Leitschaufel-verstellung entsprechend dem Motoren-kennfeld auf Betriebsdruck gebracht. ImLadeluftkühler erfährt die verdichtete Luftdurch die Abkühlung einen Dichterückge-winn von mehr als 15 %, bevor sie zusam-men mit den zurückgeführten Abgasendem Brennraum zugeführt wird. Einenwesentlichen Beitrag zur Gleichverteilungvon Abgas und Frischluft liefert das Misch-gehäuse, in dem die Abgase mit der ver-dichteten Frischluft zusammengebrachtwerden. Der Prallkegel im Bereich derAbgaseinleitstelle sorgt auf einem kurzenStrömungsweg für eine homogene Durch-mischung. Das garantiert eine über alleZylinder konstante Abgasgleichverteilungund ist somit die Grundlage für niedrigeRohemissionen, Bild 4.

2.11 Abgasrückführung und AbgaskühlungDie effiziente Kühlung des rückgeführtenAbgases trägt maßgeblich zur Erzielungeiner günstigen Stickoxidemission bei. Inden überarbeiteten Vier- und Fünfzylin-

2.9 Luftfiltermodul und Gasführung

2.10 Ladeluftführung

Bild 3: Abgas- und Luftführung in der ÜbersichtFigure 3: Exhaust gas and air ducting, overview

Bild 4: Mischgehäuse mit Einleitstelle (Prallkegel)Figure 4: Mixing chamber with inlet (baffle cone)



dermotoren werden die zurückzuführen-den Abgase dem Auspuffkrümmer ent-nommen und durch den Zylinderkopf hin-durch geführt, wo sie eine erste Abküh-lung erfahren. Der Hauptanteil der Wär-meübertragung erfolgt anschließend inder als Alu-Bauteil ausgebildeten wasser-gekühlten Abgasrückführleitung. Großdimensionierte Querschnitte sowie Kühl-

rippen in der Gasführung senken dieAbgastemperatur um bis zu 200 K.

Das elektrisch betätigte Abgasrück-führventil ist als Steckventil in der Abgas-rückführleitung integriert und wird zurKühlung ebenfalls von Kühlwasserumströmt. Die in Bezug auf das Schwing-verhalten günstige, motornahe Positiondes Abgasrückführventils wirkt sich auch

3.1 Injektor für 1600 bar

Bild 5: InjektorFigure 5: Injector

Bild 6: Doppelte PiloteinspritzungFigure 6: Twin pilot injection

auf das Verschmutzungsverhalten positivaus.

Wesentliche Komponenten desLadungswechselsystems, wie Luftfiltermit HFM, Abgasrückführleitung undMischgehäuse, sind für die Vier- und Fünf-zylindermotoren baugleich ausgeführt.Groß dimensionierte Querschnitte in dengasführenden Bauteilen führen zu kleinenDruckverlusten im Ladungswechsel undtragen somit zur Leistungs- und Drehmo-mentsteigerung bei gleichzeitiger Sen-kung des Kraftstoffverbrauchs bei.

2.12 GeräuschverhaltenBei der Anpassung der Vier- und Fünfzy-lindermotoren an die neue Fahrzeugbau-reihe flossen gegenüber den Vorgänger-motoren weitere Maßnahmen zur Absen-kung der Motorgeräuschabstrahlung ein.Dazu zählen:■ Luftfiltergehäuse mit steifen Wändenzur Vermeidung von Geräuschabstrah-lung durch Bauteilschwingungen■ breitbandig wirkender Resonator imLuftfilterdeckel ■ in die Ladeluftleitung integrierterHelmholtzresonator mit rechnerischerund empirischer Optimierung von Volu-men und Einbauort■ Anpassung der großflächigen,schalldämmenden Abdeckhaube überdem Motor an die neue Motorraumgeo-metrie zur Minderung der Geräuschab-strahlung nach oben■ doppelte Voreinspritzung zur Reduzie-rung des Verbrennungsgeräusches■ Vierzylindermotor mit Massenaus-gleichsystem zur Absenkung der Luft-schallabstrahlung 2. Ordnung.

Durch diese Maßnahmen ist es trotzLeistungs- und Drehmomentsteigerunggelungen, in den neuen E-Klasse-Fahrzeu-gen die gestiegenen Komfortansprüchehinsichtlich der Motoren-Geräuschab-strahlung zu erfüllen.

3 Einspritzsystem Common-Rail 1600 bar

3.1 Injektor für 1600 barUm im Abgastestbereich die Partikelemis-sion zu senken, ist die Reduzierung desDüsenlochdurchmessers eine wirksameMethode. Deshalb wurde statt der bisherverwendeten 6-Lochdüse eine 7-Lochdüsemit kleinerem Spritzlochdurchmesser ver-wendet. Der Gesamt-Durchfluss der Düsewurde ebenfalls um 15 % abgesenkt. Ohnezusätzliche Maßnahmen würde hierdurchim Nennleistungspunkt die Einspritzdau-er verlängert. Dies wird jedoch durch dieErhöhung des Einspritzdruckes auf 1600bar vermieden.


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Im Abgastestbereich ist es notwendig,eine gute Strahlaufbereitung darzustellen,das heißt, auch bei kleinen Lasten mussbereits ein hoher Druck zur Verfügung ste-hen. Speziell in dieser Disziplin besitzt dasCommon-Rail-System mit seinem freiwählbaren Druck deutliche Vorteilegegenüber nockengesteuerten Systemen.

Ein weiterer Parameter zur Absenkungder Partikelemission ist die optimaleUmsetzung der Druckenergie inGeschwindigkeit im Spritzloch. Dies wirddurch ein strömungsmäßig optimiertesSpritzloch mit kavitationsfreier Strömungerreicht, der so genannten KS-Düse.

Am Injektor wurden zur Darstellungdes höheren Druckes die in Bild 5 aufge-zeigten Weiterentwicklungen eingeführt.Mit der düsengeführten Druckstange(DGV) kann die kostenintensive C2-Schicht an der Nadelführung entfallen.

Der neu entwickelte einteilige Ankerdes 1600-bar-Injektors ermöglicht deutlichkleinere Abstände zwischen Pilot- undHaupteinspritzung. Hierdurch können zurweiteren Geräuschverbesserung zweiPiloteinspritzungen dargestellt werden,Bild 6.

3.2 Geregelte Hochdruck-pumpeBisher wurde von der Hochdruckpumpeimmer die volle Förderleistung gebrachtund mit einem Druckregelventil derSystemdruck je nach Motordrehzahl undMotorlast durch Absteuerung geregelt.Hierdurch war eine erhöhte Antriebsleis-tung erforderlich und bei hohen Rail-Drücken konnte die Kraftstofftemperaturansteigen. Zur Vermeidung dieser Nach-teile erhalten die Motoren der neuen E-Klasse eine sauggedrosselte Hochdruck-pumpe. Da die Befüllung bedarfsgerechtmit einem Drosselventil eingeregelt wird,ist die Antriebsleistung geringer. Entspre-chend des kennfeldgesteuerten Mengen-bedarfs werden die Förderelemente derHochdruckpumpe nur teilbefüllt. Füreinen schnellen Druckabbau wird weiter-hin ein Druckregelventil an der Rail ver-wendet, das jedoch in den meistenBetriebszuständen geschlossen ist. Durchdie bedarfsgeregelte Mengensteuerungkann auf eine Kraftstoffkühlung verzich-tet werden.

Zur sicheren Befüllung der Hochdruck-pumpe wird die bisher mechanische För-

derpumpe durch eine elektrische Pumpeersetzt. Über ein Regelventil in der Hoch-druckpumpe wird der Zuförderdruck aufminimal 3 bar eingeregelt. Ein in der Hoch-druckpumpe integrierter Kraftstofftempe-ratur-Fühler erlaubt es, bei zu hohen Tem-peraturen Maßnahmen zum Schutz vonBauteilen einzuleiten.

3.3 Niederdruck-Kreislaufeinschließlich KraftstoffheizungDie neue E-Klasse erhält einen Zweikam-mer-Satteltank ähnlich der C-Klasse. Dergesamte Niederdruckkreislauf einschließ-lich der Tankfunktion wurde neu darge-stellt, Bild 7. Kernstück dieser Überarbei-tung ist die im Tank integrierte elektrischeFörderpumpe. Bisher erfolgte die Kraft-stoffvorwärmung zur Vermeidung vonParaffinausscheidung bei Satteltanksdurch einen Kraftstoff/Wasser-Wärme-tauscher. Bei einteiligen Tanks wurdediese Funktion durch ein Kurzschlussven-til erreicht, das den warmen Rücklauf-Kraftstoff anstatt zum Tank wieder direktin den Filter einleitet. Der Einsatz der elek-trischen Förderpumpe ermöglicht es, inVerbindung mit dem Temperatursensoran der Hochdruckpumpe eine Vorwär-mung ohne zusätzliche Bauteile undMehrkosten zu realisieren.

Zur Aufheizung des kalten Kraftstoffswird die Hochdruckpumpe nicht mengen-geregelt, sondern im ungeregelten Betriebgefahren. Durch Absteuern am Druckre-gelventil (wie bei der ungeregelten Hoch-druckpumpe) wird somit warmer Kraft-stoff erzeugt. Oberhalb einer appliziertenTemperatur wird auf normale Saugrege-lung der Hochdruckpumpe umgeschaltet,also nicht mehr vorgewärmt.

Dieses innovative Konzept wurde fürdie Motoren mit 1600-bar-Technik erst-mals entwickelt und soll bei allen künfti-gen Motor-Neuentwicklungen übernom-men werden. Neben der schon erwähntenReduzierung der Anzahl von Bauteilengegenüber der heutigen Serie ergibt sichein großes Vereinheitlichungspotenzialüber alle Motorbaureihen.

4 Motorsteuergerät

Vor dem Hintergrund der ständig steigen-den Anforderungen an moderne Diesel-

3.3 Niederdruck-Kreislauf einschließlich Kraftstoffheizung

Bild 7: NiederdruckkreislaufFigure 7: Low-pressure circuit



motoren bezüglich Abgasemissionen undKomfort ist ein stetiger Anstieg an dieLeistungsfähigkeit der Motorsteuerung zuverzeichnen, Bild 8. Dies wird vor allemam rasant wachsenden Ressourcenbedarfder Steuergeräte ersichtlich, der zumeinen durch die zunehmende Komplexitätder Einzelfunktionen, aber auch durch diehöhere Zahl der über CAN oder Hard-wareleitungen zu bedienenden Ein- undAusgabekanäle begründet ist. Gleichzeitigist vor dem Hintergrund immer kürzererEntwicklungszyklen ein Trend zur zuneh-menden Flexibilisierung der Funktionenüber Applikationsdaten erkennbar. Aktu-ell führt dies zu einem Anstieg der Zahl derApplikationslabel auf über 5500 einzeln zukalibrierende Werte und Kennfelder.

Das Motorsteuergerät für die neuenDiesel-Reihenmotoren von Mercedes stellteinen deutlichen Entwicklungsschritt inRichtung einer immer leistungsfähigerenMotorsteuerung dar. Durch Umstieg aufdie dazu erstmals eingesetzte Prozessorge-neration von Motorola mit 32 bit Wortbrei-te wurde den rasant steigenden Anforde-rungen auf diesem Sektor Rechnunggetragen. Dieser Umstieg erforderte einvollständiges Redesign aller existierendenFunktionen bei gleichzeitiger Weiterent-wicklung und Flexibilisierung. Über dieImplementation großer Funktionsteile aufHochsprachenebene bleibt die zunehmen-de Komplexität auch weiterhin beherrsch-bar. Vor dem Hintergrund der steigenden

Funktionsvielfalt sind immer mehr Partei-en in einem Motorsteuergeräte-Projektinvolviert. Dadurch kommt gerade ineiner nach mechanischen Gesichtspunk-ten strukturierten Organisation einemeffektiven Projektmanagement einebesondere Bedeutung zu. Dieser wurdedurch Einführung klar strukturierterAbläufe und unterstützender Tools Rech-nung getragen.

Als wesentlicher Beitrag zur Senkungder Abgasemissionen wurde eine weitereFlexibilisierung der Einspritzung im Rah-men des Common-Rail-Konzepts durchEinführung eines als „Charge-Pump“betriebenen DC-DC-Wandlers vorgenom-men. Die dadurch entfallenden Auflade-zeiten des Booster-Kondensators zur Injek-toransteuerung lassen praktisch unbe-grenzte Vielfach-Einspritzungen zu. Einneu konzipiertes Einspritzmanagementverhindert die Verletzung weiterer Rand-bedingungen wie der Gesamt-Mengenbi-lanz und definiert den Umgang mit mögli-chen Kollisionen.

Im Rahmen der Einführung des Zwei-stellerprinzips für die Rail-Druckregelungwurde die Verfügbarkeit und Robustheitdes Einspritzsystems weiter gesteigert.Auch bei Ausfall einer Regelkomponentekann das System mit eingeschränktemFunktionsumfang sicher mit Hilfe desredundanten Stellers weiterbetriebenwerden. Ein Totalausfall und damit Ver-fügbarkeitsverlust für den Kunden wird

damit bestmöglich abgesichert. Im Zugedes Redesigns wurden große Teile der ehe-maligen Wunschmengenbildung aufMomentenebene umgestellt. Dies bildetdie Grundlage für eine zukünftige Verein-heitlichung von Otto- und Dieselmotor-steuerungen. Eine neu entwickelte appli-zierbare Getriebeschnittstelle ermöglichtdie im Entwicklungsprozess erst spätstattfindende Komfort-Feinoptimierung.Sie flexibilisiert die Querwirkung derGetriebeeingriffe auf zentrale Funktionenwie Ruckeldämpfung und Führungsfor-mung. Insgesamt leistet die Motorsteue-rung damit einen wesentlichen Beitrag,um auch zukünftig die Dieselmotoren vonMercedes-Benz innovativ und kundenori-entiert weiterzuentwickeln.

5 Verbrennung

Das Hauptaugenmerk bei der Überarbei-tung des Brennverfahrens lag auf der Ver-besserung des Verbrennungsgeräuschesim besonders kundenrelevanten Teillast-betrieb und der weiteren Optimierung derAbgasemissionen bei gleichzeitiger Stei-gerung von Drehmoment und Leistung,Bild 9.

5.1 Drehmoment und LeistungDie Steigerung von Drehmoment und Leis-tung erfolgt in erster Linie durch eineErhöhung der maximalen Ladedrücke. Sokonnte beim Vierzylindermotor der Lade-druck bei Nennleistung um 150 mbar undbei Nenndrehmoment um 130 mbar ange-hoben werden.

Die Leistungs- und Drehmomenter-höhung sowie der bessere Drehmoment-verlauf unterhalb einer Motordrehzahlvon 2000/min wird durch folgende Maß-nahmen bewirkt:■ hocheffiziente Gemischbildung durchEinsatz der 7-Lochdüse mit konischen,strömungsoptimierten Düsenlöchern■ fülliger ausgelegter Verlauf des Ein-spritzdrucks über der Drehzahl ■ Erhöhung des Einspritzdrucks imBereich maximaler Drehmomente vonnahezu 40 %■ Detailoptimierungen an Laufzeug undSpiralen des Abgasturboladers.

5.2 AbgasemissionenDen größten Beitrag zur weiteren Vermin-derung der Partikelemission liefert dieweiterentwickelte Einspritzdüse. Durchdie strömungsoptimierte Gestaltung derDüsenlöcher wird der Einspritzdruck ineinen hohen Strahlimpuls umgesetzt, dersignifikant zur Verbesserung des AGR-Ver-träglichkeit des Brennverfahrens beiträgt.Im Laufe der Düsenentwicklung zeigte

4 Motorsteuergerät

Bild 8: Rechenleistung SteuergerätFigure 8: Power output of control unit



sich schnell, dass die Steigerung desStrahlimpulses neben der erwünschtenAbsenkung der Partikelemission auch zueiner erheblichen Erhöhung der Empfind-lichkeit gegenüber Abweichungen derEinspritzstrahllage vom Sollwert führte.Da mit vertretbarem Aufwand das Pro-blem nicht durch eine Einengung der Fer-tigungstoleranzen zu lösen war, galt es,durch Modifikation der Kolbenmulden-kontur die nötige Robustheit gegen Ferti-gungstoleranzen sicherzustellen. Mit dermodifizierten Muldenform gelang es,sowohl die Abhängigkeit des Emissionser-gebnisses von der Einspritzstrahllage imBrennraum stark zu verringern, als auchdie Haltbarkeit des Kolbens deutlich zuverbessern. Zusammen mit applikativenOptimierungen von Einspritzdruck undVoreinspritzstrategie sowie Drallsteue-rung durch elektrisch verstellbare Einlas-skanalabschaltung gelingt es, das günsti-ge Emissionsergebnis zu erzielen, Bild 10.

5.3 VerbrennungsgeräuschAufgrund der großen Zahl applizierbarerParameter, vor allem aber durch die flexi-bel einsetzbare Voreinspritzung, bietet dasCommon-Rail-Einspritzverfahren sehrgute Voraussetzungen in Bezug auf Ab-gasemission, Verbrauch und Verbren-nungsgeräusch. Bereits bei den Vorgän-germotoren wurde hier ein sehr hohesNiveau erreicht. Durch die Applikationeiner zweiten Voreinspritzung im unterenLast- und Drehzahlbereich gelang es, dasVerbrennungsgeräusch nochmals signifi-kant zu reduzieren. Die geeignete Wahlder relativen Lage der Einzeleinspritzun-gen zueinander kann sowohl die Positionals auch die Höhe des aus der Kraftstof-fumsetzung resultierenden Druckan-stiegsgradienten positiv beeinflussen.Dies führt zu einer deutlichen Absenkungdes hierzu korrespondierenden Brenn-raumdruckpegels im geräuschrelevantenFrequenzbereich zwischen 1500 und 5000Hz. Wie aus Bild 11 hervorgeht, resultierthieraus auch eine deutliche Verringerungdes abgestrahlten Schallpegels, wie bei-spielhaft aus dem gemessenen Luftschall-pegel links in 1 m Abstand deutlich wird.

6 Triebstrangdynamik und Agilität

Die Leistungs- und Drehmomentwerte derDieselmotoren für die neue E-Klasseführen zusammen mit einer weiterent-wickelten Getriebeüberbrückungskupp-lung und Wandleransteuerung zu einemdeutlichen Gewinn an Agilität. Eine wei-chere Wandlerkennlinie in Verbindungmit einer angepassten Kupplungsüber-

Bild 9: Drehmoment und LeistungFigure 9: Torque and power output

5 Verbrennung

5.2 Abgasemissionen

Bild 10: Emissionen im NEFZ-ZyklusFigure 10: Emissions in the NEDC cycle

brückungs-Strategie bringt so beim Voll-lastanfahren aus dem Stand (mit Auto-matgetriebe) bereits nach vier Sekundeneinen Wegvorteil von 7 bis 8 %, je nachMotorisierung.

7 Kraftstoffverbrauch

Die Summe der umgesetzten konstrukti-ven und applikativen Maßnahmen führenzu einer signifikanten Verbrauchsminde-rung von 2 bis 4 % der neuen E-Klasse imVergleich zum Vorgängermodell. Bedingtdurch den Einsatz des komfortverbessern-den Massenausgleichsystems fällt diesebeim Vierzylindermotor geringer als beimFünfzylindermotor aus.

8 Zusammenfassung

Mercedes-Benz führte weiterentwickelteVier- und Fünfzylinder-Dieselmotoren mitder Common-Rail-Einspritzung der 2.Generation in der neuen E-Klasse in Serieein. Das integrierte Massenausgleichsys-tem im Vierzylinder-Dieselmotor setzt inder Laufruhe neue Maßstäbe. Durch dieSteigerung der Belastbarkeit des Grund-motors, die Weiterentwicklung des Brenn-verfahrens und höhere Rechnerleistung

des Steuergerätes bieten diese Motorenzukunftsweisende Technik und somit guteVoraussetzungen für den zukünftigen Ein-satz dieser Motoren in weiteren Fahrzeug-baureihen. ■

5.3 Verbrennungsgeräusch

Bild 11: Einfluss der Einspritzstrategie auf den Luftschallpegel (2000/min, 2 bar)Figure 11: Influence of the injection strategy on the air-borne sound level(2000/min, 2 bar)

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Dieselmotoren für die neue E-Klasse