Motoren: Weltpremiere einer neuen Benzin-Direkteinspritzung und leistungsstärkerer Achtzylinder

02.05.2006
Stuttgart
  • Neuer CLS 350 CGI mit zehn Prozent geringerem Benzinverbrauch
  • 60 kW/82 PS mehr Leistung beim neuen V8-Modell CLS 500
Das Motorenprogramm der CLS-Klasse zeichnet sich durch drei Neuentwicklungen aus: Neben dem bewährten V6-Dieselmotor im CLS 320 CDI bietet Mercedes-Benz in dem viertürigen Coupé erstmals einen neuartigen Benzin-Direkteinspritzer und das neue, noch kraftvollere V8-Triebwerk aus der S-Klasse an. An der Spitze des Motorenprogramm steht der ebenfalls neue 6,3-Liter-V8-Motor von Mercedes-AMG, der den CLS 63 AMG auf Touren bringt (siehe auch Seite 28).
Die Idee, Kraftstoff auf direktem Wege in die Brennräume eines Motors einzuspritzen und erst dort mit Luft zu vermischen, verwirklichten Mercedes-Ingenieure erstmals schon vor rund 70 Jahren bei Flugmotoren. Zu Lande machten Mercedes-Direkteinspritzer vor allem in den Fünfzigerjahren Furore. Nach zahlreichen Rennsiegen im 300 SLR ging der Reihensechszylinder vom Typ M 198 im Jahre 1954 im legendären Flügeltürer 300 SL in Serie. Der Motor leistete 158 kW/215 PS und ermöglichte eine Höchstgeschwindigkeit von bis zu 260 km/h.
Mit anderen Worten: Die Benzin-Direkteinspritzung hat bei Mercedes-Benz eine lange Tradition. Trotzdem wagten sich Forscher und Ingenieure der Stuttgarter Automobilmarke auf technisches Neuland, als sie vor über zehn Jahren mit der Entwicklung des strahlgeführten Brennverfahrens begannen. Es bietet nach Ansicht der Fachleute die größten Potenziale, um zwei der wichtigsten automobil-technischen Herausforderungen der Zukunft zu meistern: die weitere Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Abgas-Emissionen.
Der größte Vorteil der neuen Technologie gegenüber der Direkteinspritzung mit wandgeführtem Brennverfahren ist der deutlich bessere thermodynamische Wirkungsgrad: Der Kraftstoff wird präzise - je nach Bedarf und Fahrsituation - in die Zylinder gespritzt, wo er mit sehr hohem Luftüberschuss nahezu vollständig verbrennt und somit bestmöglich verwertet wird.
Das Wissen um die Potenziale des strahlgeführten Brennverfahrens geht auf Untersuchungen zurück, die Anfang der Neunzigerjahre durchgeführt wurden. Doch für eine serientaugliche Realisierung dieses Konzepts haperte es damals an der notwendigen Einspritztechnologie. Konkret: Die Einspritzventile müssen in der Nähe der Zündkerzen einen gleichmäßigen und unter allen Betriebsbedingungen stabilen Kraftstoff-Spray bilden. Dadurch ist das strahlgeführte Brennverfahren technisch weitaus anspruchsvoller als das bisherige wandgeführte Verfahren, bei dem die Gemischbildung im Wesentlichen von der nicht immer gleichmäßigen Ladungsbewegung in den Zylindern abhängt.
Injektoren: Stabile Strahlführung auf Basis der Piezo-Technologie
Das Ziel, einen jederzeit präzisen und gleich bleibenden Kraftstoff-Spray zu erzeugen, erforderte die Entwicklung eines völlig neuartigen Injektors. 1994 begannen in den Labors der DaimlerChrysler-Forschung die dafür notwendigen Konzeptuntersuchungen, bei denen die Wissenschaftler von Anfang an auf die moderne Piezo-Technologie setzten. Sie basiert auf speziellen Keramiken und Metalllegierungen, die durch einen elektrischen Impuls millisekundenschnell ihre Form verändern können.
Diese Eigenschaft der Werkstoffe entdeckten die Brüder Pierre und Jacques Curie zwar bereits im Jahre 1880, doch industriell wird die Erfindung erst seit wenigen Jahrzehnten genutzt. In der Welt des Automobils ist der Begriff „Piezo“ seit 2004 aktuell, als die ersten Dieselmotoren mit der Common-Rail-Einspritzung der dritten Generation auf den Markt kamen.
Die Entwickler des Benzin-Direkteinspritzers nutzen die positiven Eigenschaften der Piezo-Keramik wie Kraft und Schnelligkeit noch konsequenter aus. Im Gegensatz zum Diesel-Injektor, bei dem der Aktor nur ein Schaltventil betätigt, steuert das Piezo-Modul des Benziners die Nadel direkt. Der Piezo-Hub wird also unmittelbar in Nadelhub umgesetzt und bestimmt somit den Durchfluss des Ventils. Diese direkte Betätigung ermöglicht die Einstellung von Teilhüben und gewährleistet zudem mittels Ladungsanpassung am Piezo-Aktor auch einen konstanten Durchfluss über die gesamte Laufzeit. Darüber hinaus sorgt die Piezo-Technik dank ihres sehr gleichmäßigen Hubverlaufs für eine hohe Reproduzierbarkeit der Sprayausbildung - eine wichtige Grundlage für die effektive Steuerung des Brennverfahrens.
Sehr hohe Ansprüche stellten die Entwickler des neuen Benzin-Direkteinspritzers auch an die Form des Einspritzstrahls. Sie werden durch eine neuartige Düsenspitze erfüllt, die sich bei jedem Einspritzvorgang nach außen öffnet und dabei einen nur wenige Mikrometer großen Ringspalt freigibt. Die Kontur des Spaltes und der Düse formen den Spray. Das Ergebnis ist ein bei jeder Einspritzung und unter allen Betriebsbedingungen gleichmäßiger, kegelförmiger Kraftstoffstrahl, der auch dann seine Form behält, wenn die elektronische Motorsteuerung bei hohem Leistungsbedarf den Winkel der Einlassnockenwellen oder die Länge der Ansaugrohre verändert. Auch der hohe Kraftstoffdruck von 200 bar leistet einen wichtigen Beitrag für die jederzeit stabile Strahlführung.
Ebenso entscheidend ist aber auch die eigentliche Gemischbildung. Dafür sorgen Wirbel an den Rändern und im Inneren des Strahlkegels; sie saugen Luftteilchen in den Kraftstoffstrahl, sodass sich ein optimal zündfähiges Gemisch bildet.
Zündkerzen: Präzise berechnete Position am Rande der Gemischwolke
Die richtige Platzierung der Zündkerze war eine weitere Aufgabe, deren Lösung aufwändige Strömungsberechnungen und Tests erforderte. Denn damit der Funke schnell und zuverlässig überspringen kann, muss die Zündkerze einerseits bis an die Gemischwolke heranreichen, darf aber andererseits keinen direkten Kontakt zum flüssigen Kraftstoff haben, denn sonst würde sie auf Dauer verkoken.
Um beiden Anforderungen gerecht zu werden, ragt der Piezo-Injektor beim CGI-Motor mittig in den Brennraum. Er rückte damit ungefähr an eine Position, wo beim Kanaleinspritzer die Zündkerze sitzt; sie wurde in Richtung Auslassventile verschoben, wo sie das brennfähige Gemisch im Randwirbelgebiet des Strahlkegels erreicht und entzünden kann. Eine Querstromkühlung im Zylinderkopf sorgt dafür, dass Zündkerzen und Injektoren stets im optimalen Temperaturbereich arbeiten.
Schichtladung: Dank Mehrfach-Einspritzung auch bei höherer Last und Drehzahl
Die großen Verbrauchseinsparungen des Benzin-Direkteinspritzers basieren im Wesentlichen auf der so genannten Schichtladung. Das bedeutet: Das Triebwerk arbeitet mit hoher Verdichtung und hohem Luftüberschuss; der Kraftstoff wird relativ spät in die von den Kolben verdichtete Luft eingespritzt. Dieser Magerbetrieb war bisher im unteren Teillastbereich machbar. Mit dem neuen strahlgeführten Brennverfahren können die Mercedes-Ingenieure den Schichtbetrieb auch auf höhere Last- und Drehzahlbereiche ausdehnen und erzielen deshalb weitere Verbrauchsvorteile. So wird der V6 des CLS 350 CGI noch bei Geschwindigkeiten von über 120 km/h mit Schichtmodus gefahren und schaltet erst spät auf den so genannten Homogenbetrieb um, bei dem das Kraftstoff-Luft-Verhältnis 1:14,6 (Lambda = 1) beträgt.
Die sehr schnellen Piezo-Injektoren schaffen die Voraussetzungen für den erweiterten Schichtbetrieb. Denn sie spritzen den Kraftstoff pro Arbeitstakt mehrmals hintereinander in die Brennräume und verbessern dadurch Gemischbildung und Entflammbarkeit deutlich. Die Verbrennung läuft schneller, gleichmäßiger und vollständiger ab als bei einer Einfach-Einspritzung - der thermodynamische Wirkungsgrad des Motors verbessert sich deutlich und die Rohemissionen (Kohlenwasserstoffe) verringern sich um mehr als die Hälfte.
Per Gemisch- und Verbrennungssimulation berechnete Kolben mit spezieller Muldenform verstärken die positiven Effekte der Mehrfach-Einspritzung, indem sie das magere Gemisch im Zündbereich zusammenhalten und verhindern, dass es sich in Richtung Zylinderwand ausbreitet. So kann auch die Kolbenform ihren Beitrag für die nahezu vollständige Kraftstoffverbrennung und die günstigen Verbrauchs- und Abgaswerte des Benzin-Direkteinspitzers von Mercedes-Benz leisten.
Kraftstoffversorgung: Bis zu 200 bar Druck in den Rails
Das Einspritzsystem des neuen Mercedes-V6-Motors ähnelt dem eines modernen Dieseltriebwerks mit Common-Rail-Technik. Im Mittelpunkt steht eine neu entwickelte Hochdruckpumpe, die den Kraftstoff bedarfsgerecht auf die beiden Edelstahl-Rails an den Zylinderbänken verteilt. Hier sind die Piezo-Injektoren angeschlossen.
Mit bis zu 200 bar übertrifft das System den Kraftstoffdruck einer herkömmlichen Kanaleinspritzung um rund das 50-fache. Die Pumpe fördert den Kraftstoff bei jeder zweiten Einspritzung in die Rails und baut dabei den maximalen Druck auf. Da nur bei jeder zweiten Einspritzung Kraftstoff gefördert wird, fällt der Druck zyklisch leicht ab, bleibt aber im Mittel während der Einspritzung für alle Injektoren bei 200 bar.
Ein Mengenregelventil sorgt dafür, dass stets nur die für den jeweiligen Betriebspunkt benötigte Kraftstoffmenge gefördert wird und reduziert damit die Antriebsleistung der Hochdruckpumpe bedarfgerecht.
Kraftstoff, der nicht benötigt wird, strömt über einen Wasser-Wärmetauscher zurück und vermischt sich dort mit dem zufließenden Kraftstoff aus dem Tank des CLS 350 CGI. Der Niedrigtemperatur-Wasserkreislauf des Einspritzsystems kühlt auch das elektronische Motorsteuergerät des Direkteinspritzers, das die Regie über alle Arbeitsprozesse des Sechszylinders führt.
Die Motor- und Fahrleistungsdaten des neuen CLS 350 CGI auf einen Blick:
Zylinderanordnung/ Ventile pro Zylinder
V6/4
Hubraum
cm³

3498
Bohrung/Hub
mm

92,9/86,0
Verdichtung 12,2
Leistung
kW/PS
bei

215/292
6400/min
Max. Drehmoment
Nm
bei

365
3000-5100/min
Kraftstoffverbrauch komb.
l/100 km

9,1-9,3 l
0-100 km/h
s

6,7
Höchstgeschwindigkeit
km/h

250
Dank seiner guten Drehmomentcharakteristik absolviert der CLS 350 CGI den Spurt von 60 auf 120 km/h (aus dem dritten Gang) in nur 6,2 Sekunden.
Abgasreinigung: Innermotorische Maßnahmen plus vier Katalysatoren
Wie beim bisherigen V6 mit Kanaleinspritzung ist auch das Konzept der Abgasreinigung des neuen CGI-Motors zweistufig aufgebaut: Es basiert zum einen auf innermotorischen Maßnahmen, die für geringe Rohemissionen sorgen, und zum anderen auf einer hochwirksamen Abgasnachbehandlung durch insgesamt vier Katalysatoren.
Zu den innermotorischen Maßnahmen gehört vor allem das von Mercedes-Benz entwickelte Konzept der mehreren kurz aufeinander folgenden Einspritzungen pro Arbeitstakt. Dadurch verbessert sich das Abgasverhalten des V6-Motors in der Warmlaufphase, weil durch die gezielte Einspritz- und Verbrennungssteuerung bei geringerem Kraftstoffeinsatz im Abgaskrümmer höhere Temperaturen erzielt werden, die ein schnelleres Aufheizen der Katalysatoren gewährleisten. Bereits zehn Sekunden nach dem Kaltstart erreicht der Benzin-Direkteinspritzer eine Abgastemperatur von über 700 Grad Celsius. Überdies ist eine zweiflutige, elektrisch gesteuerte Abgasrückführung im Einsatz, mit deren Hilfe bis zu 40 Prozent des Abgases in die Brennräume zurückgeführt werden können. Das bewirkt eine deutliche Verringerung der Stickoxid-Emissionen.
Die Abgasnachbehandlung beginnt mit zwei motornah platzierten Drei-Wege-Katalysatoren, die jeweils von zwei Lambda-Sonden überwacht werden - einer Regel- und einer Diagnose-Sonde. Dadurch werden die Katalysatoren linear geregelt: Die Lambda-Sonden sind unmittelbar nach dem Kaltstart des Triebwerks aktiv und liefern Informationen über die Abgaszusammensetzung, die das elektronische Steuergerät des V6-Motors unter anderem für eine gezielte Warmlaufsteuerung verarbeitet.
Da herkömmliche Katalysatoren ein „ stöchiometrisches“ Luft-Kraftstoff-Gemisch (Lambda = 1) benötigen, der Schichtbetrieb aber bei hohem Luftüberschuss (Lambda > 1) abläuft, ist der CLS 350 CGI mit zwei NOx-Speicherkatalysatoren ausgestattet. Sie adsorbieren Stickoxide während des Magerbetriebs und geben sie in kurzen Regenerationsphasen wieder frei, sodass sie mithilfe der anderen Abgaskomponenten zu unschädlichem Stickstoff reagieren. Auch die NOx-Speicherkatalysatoren werden von Sensoren überwacht - einer Temperatur- und einer Stickoxidsonde.
Hightech: Innovationen für Komfort, Drehmoment und Kraftstoffeinsparung
Der neue Benzin-Direkteinspritzer basiert auf dem V6-Triebwerk mit Kanaleinspritzung, das Mercedes-Benz 2004 erstmals vorstellte. Dadurch zeichnet sich der Motor neben seinem zukunftsweisenden Einspritzverfahren auch durch eine Reihe anderer technischer Innovationen aus:
  • Eine stufenlose Nockenwellenverstellung für die Ein- und Auslassseite, die kein anderer V6-Motor bietet, verbessert die Leistungsausbeute. Die Winkelstellungen der Nockenwellen lassen sich kontinuierlich um jeweils 40 Grad verändern, damit die Ventile in jeder Fahrsituation zum günstigsten Zeitpunkt öffnen oder schließen können.
  • Ein schaltbares Saugmodul variiert die Luftzufuhr bedarfsgerecht. Die Länge der Saugrohre, die zu den Zylindern führen, wird mit Klappen verändert: Bei niedrigen Drehzahlen schließen die Klappen und die Länge des Saugkanals vergrößert sich. Dadurch entstehen Druckwellen, die den Ansaugvorgang unterstützen und die Drehmomentausbeute im unteren Drehzahlbereich nachhaltig verbessern. Immerhin: Schon ab 1500/min stehen 317 Newtonmeter und damit rund 87 Prozent des maximalen Drehmoments zur Verfügung.
  • Zylinderkopf und Kurbelgehäuse des Direkteinspritzers bestehen aus Aluminium. Ebenso entsprechen Kolben, Pleuel und Zylinderlaufbuchsen modernen Konstruktionsprinzipien, die nicht nur zur Gewichtsersparnis beitragen, sondern sich auch in puncto Drehfreudigkeit und Laufruhe positiv bemerkbar machen.
  • Die Zylinderlaufbuchsen zeichnen sich durch reibungsarme Oberflächen in Aluminium-Silizium-Technik aus, die sich auch in anderen Pkw-Motoren von Mercedes-Benz bewährt. Hohe Formstabilität, vorbildlicher Wärmefluss und geringes Gewicht sind weitere Vorteile. Die Gewichtseinsparung gegenüber herkömmlichen Graugussbuchsen beträgt rund 500 Gramm pro Zylinder.
  • Eine Ausgleichswelle zwischen den beiden Zylinderbänken kompensiert auch beim Direkteinspritzer die prinzipbedingten freien Schwingungsmomente eines V6-Motors und sorgt für vorbildliche Laufruhe. Sie rotiert mit gleicher Drehzahl gegenläufig zur Kurbelwelle.
Achtzylinder: Kraftpaket aus der S-Klasse
Aus 5,5 Liter Hubraum entwickelt der neue V8-Motor für die CLS-Klasse 285 kW/ 388 PS und bietet damit gegenüber dem bisherigen Achtzylinder ein Leistungsplus von über 26 Prozent. Das maximale Drehmoment steigt auf 530 Newtonmeter – das sind rund 15 Prozent mehr als bisher. Die wichtigsten Daten des neuen CLS 500 im Überblick:
  CLS 500
Zylinderanordnung/ Ventile pro Zylinder V8/4
Hubraum
cm³

5461
Bohrung/Hub
mm

98,0/90,5
Verdichtung 10,7
Leistung
kW/PS
bei

285/388
6000/min
Max. Drehmoment
Nm
bei

530
2800-4800/min
Kraftstoffverbrauch komb.
l/100km

11,6-11,8
0-100 km/h
s

5,4
Höchstgeschwindigkeit
km/h

250
Seine souveräne Kraft zeigt der Achtzylinder auch beim Überholen: Für die Beschleunigung von 60 auf 120 km/h (aus dem dritten Gang) benötigt der CLS 500 nur 4,8 Sekunden.
Shifting-Nockenwellen für perfekten Gaswechsel und höheres Drehmoment
Mit einem intelligenten Konzept zur Ventilsteuerung erzielen die Mercedes-Ingenieure bereits bei den V6-Motoren beachtliche Fortschritte, die maßgeblich zu der guten Drehmoment- und Leistungscharakteristik sowie zu dem günstigen Kraftstoffverbrauch beitragen. Neben der Vierventiltechnik sorgt vor allem die stufenlose, kontinuierliche Nockenwellenverstellung an der Ein- und Auslassseite für eine optimale Versorgung der Zylinder mit Frischgas. Die Ventile öffnen in jeder Fahrsituation zum jeweils günstigsten Zeitpunkt, sodass sich die Gaswechsel in den Brennräumen deutlich verbessern und sich die Energieverluste reduzieren.
Beim neuen Achtzylindermotor optimieren die Mercedes-Ingenieure die Wirkungsweise der vierfachen stufenlosen Nockenwellenverstellung durch den Einsatz so genannter Shifting-Nockenwellen. Mit ihrer Hilfe wird das Öffnen der Auslassventile gesteuert - und somit der Ladungswechsel des Motors nochmals verbessert. Die Auslassnocken sind so gestaltet, dass sich die Ventile beim Auslassvorgang zu unterschiedlichen Zeiten öffnen. Dadurch werden die beim V8-Motor prinzipbedingten Druckschwankungen im Auslasstrakt verringert, die zu einem ungleichmäßigen Restgasgehalt in den Zylindern führen. Das Ergebnis: höheres Drehmoment und bessere Laufruhe. Der effektive Mitteldruck liegt zum Beispiel bei 2000/min um rund sechs Prozent (10,3 : 11,0 bar) höher als bei einem vergleichbaren Motor ohne Shifting-Nockenwellen.
Auch mit einem aufwändigen Wärmemanagement leisten die Entwickler des neuen Mercedes-Achtzylinders einen wichtigen Beitrag zur Kraftstoffersparnis. So wird beispielsweise die Zirkulation des Kühlmittels während der Warmlaufphase gestoppt, damit der Motor seine Betriebstemperatur schneller erreicht. Das bewirkt ein schnelles Erwärmen des Motorenöls und vermindert damit die Reibung im Motor. Bei betriebswarmem Motor werden die Wärmeströme unter Volllast so gelenkt, dass Motoröl und Kühlmittel stets optimale Temperaturen ha-ben. Dafür sorgt ein neu entwickeltes kennfeldgesteuertes Thermostat, das in allen Betriebssituationen arbeitet und die Kühlmitteltemperatur je nach Fahrweise und Umgebungsbedingung einstellt. Bedarfsgerecht lässt sich auf diese Weise auch die Wärmezufuhr zum Wärmetauscher der Heizung steuern.
Doppel-Katalysatoren und lineare Lambda-Regelung für geringe Abgaswerte
Die Abgasreinigung des neuen Mercedes-Achtzylinders ist zweistufig konzipiert und dadurch besonders wirksam. Neben den innermotorischen Maßnahmen wie stufenloser Nockenwellenverstellung, bedarfsgerechter Verbrennungssteuerung durch Tumble-Klappen, innere Abgasrückführung und Sekundärlufteinblasung, die für geringe Rohemissionen sorgen, ist der neue CLS 500 mit zwei motornah angeordneten Katalysatoren ausgestattet. Sie bestehen aus jeweils zwei Einzel-Monolithen („ Bricks“), die von je zwei Lambda-Sonden überwacht werden: einer Regel-Sonde vor dem Katalysator und einer Diagnose-Sonde, die den Abgasstrom im Spalt zwischen den beiden Monolithen analysiert.
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