Erheblich weniger Verbrauch trotz deutlich mehr Leistung, so lautet das Entwicklungsergebnis für die neue V-Motoren-Generation, die ab Herbst 2010 zunächst als Achtzylinder in der CL-Klasse, später auch in der S-Klasse eingesetzt werden.

Mercedes-Benz hat die neuen Sechs- und Achtzylinder entwickelt, weil optimierte Verbrennungsmotoren gegenüber anderen Antriebssystemen nach wie vor spezifische Vorteile hinsichtlich Reichweite, Betankungszeit sowie Kosten bieten und gleichzeitig das größte Potenzial haben, um kurzfristig signifikante Verbrauchssenkungen im Alltagsbetrieb zu erzielen. Auch bei Hybridantrieben ist der Verbrenner das Herzstück und maßgeblich für die Effizienzsteigerung verantwortlich.

Die neue Motorenfamilie von Mercedes-Benz setzt konsequent auf Modularisierung und innovative Technologien und löst sehr erfolgreiche Aggregate ab. Sie erlaubt den Einsatz sowohl mit Start-Stopp-Funktion, dem Vierradantrieb 4MATIC und auch mit Hybridmodul.

Der V8 spielt in einer neuen Liga
Der neue V8 basiert zwar auf dem Vorgänger und hat den gleichen Zylinderabstand, wurde aber in allen Details konsequent weiterentwickelt. So holt er beispielsweise aus 15 Prozent weniger Hubraum (4663 statt 5461 cm3) 320 kW (435 PS) und damit rund 12 Prozent mehr Leistung als sein Vorgänger (285 kW/388 PS). Während der aktuelle CL 500 12,3 Liter auf 100 Kilometer verbraucht, begnügt sich das Coupé mit dem neuen Motor mit 9,5 Litern – ein Minus von 22 Prozent. Die CO2-Emissionen sanken ebenfalls um 22 Prozent von 288 g/km auf 224 g/km – für diese Leistungsklasse ein exzellenter Wert. Gleichzeitig stieg das Drehmoment von 530 Newtonmetern auf 700 Newtonmeter – ein Plus von 32 Prozent. In der spezifischen Leistung erreicht der neue V8 mit 68,6 kW und 150 Newtonmetern pro Liter Hubraum Spitzenwerte.

Da das hohe maximale Drehmoment bereits ab 1800 Umdrehungen pro Minute zur Verfügung steht, entwickelt der neue Hightech-V8 bereits bei niedrigen Drehzahlen eine souveräne Kraftentfaltung und eine selbst für Achtzylinder einzigartige Laufruhe und Laufkultur.

Hohe Leistung aus weniger Hubraum erzielten die Mercedes-Benz Ingenieure beim neuen V8 vor allem durch den Einsatz von zwei Abgasturboladern – je einem pro Zylinderbank. Sie pressen die Ansaugluft mit bis zu 0,9 bar Überdruck in die acht Brennräume. Dabei rotieren die Turbinen- und Kompressorräder mit bis zu 150 000 Umdrehungen pro Minute. Die Turbolader und ihre heiße Gasführung sind jeweils außen an den Zylinderköpfen untergebracht. Damit konnte das Ladeluftkühlermodul mit Luft-Wasser-Ladeluftkühler und Ladeluftverteiler im Innen-V des Motors angeordnet werden.

Die Lader sind so ausgelegt, dass sie ein hohes Drehmoment schon bei niedrigen Drehzahlen bereitstellen – gegenüber dem Vorgängermotor erzielten sie bei 2000 U/min sogar ein Plus von 45 Prozent. So stehen im Bereich von 1600 bis 4750 U/min stolze 600 Newtonmeter zur Verfügung.

Das Triebwerk basiert auf dem weiterentwickelten Aluminium-Druckguss-Kurbelgehäuse des Vorgängers mit eingegossenen Aluminium-Silizium-Laufbüchsen (Silitec). Grund- und Pleuelhubzapfendurchmesser konnten vom Vorgängermotor übernommen werden, die Kolbenkompressionshöhe wurde belastungsbedingt um knapp vier Millimeter angehoben. Die Deckhöhe des Kurbelgehäuses konnte dabei durch die Hubreduzierung und ein um zwei Millimeter kürzeres Pleuel beibehalten werden. Bemerkenswert ist die zum Saugmotor-Vorgänger unverändert hohe Verdichtung von 10,5 : 1 als ein Maß für die hohe Effizienz des neuen V8-Turbomotors bei einer Auslegung auf Super-Kraftstoff (ROZ 95).

Die wichtigsten Daten des neuen V8-Motors

Der V6 beeindruckt besonders mit geringem Verbrauch
Der neue V6-Motor ist im Gegensatz zum V8 ein Saugmotor, dank des modularen Konzepts hat er das Potenzial für den künftigen Einsatz eines Turboladers. Die markanteste Veränderung des neuen V6 zum Vorgängertriebwerk ist ein von 90 Grad auf 60 Grad verkleinerter V-Winkel. Dadurch konnte die Ausgleichswelle gegen Schwingungen erster Ordnung entfallen. Als Ergebnis registriert der Fahrer ein exzellentes Komfortniveau.

Außerdem wurde für den V6 ein komplett neues Luft- und Abgassystem in Verbindung mit einem schaltbaren Resonanzsaugrohr und optimierten Ein- und Ausströmverhältnissen entwickelt. Dadurch konnte die Leistung aus 3499 cm3 Hubraum auf 225 kW (306 PS) gesteigert werden (Vorgänger in der S-Klasse bei gleichem Hubraum 200 kW/272 PS). Das Drehmoment stieg von 350 Newtonmetern auf 370 Newtonmeter und steht zwischen 3500 und 5250 Umdrehungen pro Minute zur Verfügung.

Besonders bemerkenswert ist die Verbrauchsverbesserung. Der S 350 begnügt sich mit dem neuen V6-Triebwerk mit 7,6 Litern auf 100 Kilometer und ist damit 24 Prozent sparsamer als sein Vorgänger (10,0 l/100 km). Damit ist auch der neue V6 bei vergleichbarer Leistung die Benchmark in seinem Segment (vorläufige Werte).

Die wichtigsten Daten des neuen V6-Motors

Innovative Technik macht V6- und V8-Motoren zukunftsfähig
Sowohl der neue V6- als auch der neue V8-Motor von Mercedes-Benz haben Kurbelgehäuse, Kolben und Zylinderkopf aus Aluminium. Die Kurbelwelle, Pleuel und die Ventile sind aus speziellem Schmiedestahl gefertigt.

Den deutlichen Effizienzsprung erzielte Mercedes-Benz durch den Einsatz innovativer Technik – unter anderem einer neu entwickelten Benzin-Direkteinspritzung der 3. Generation mit strahlgeführter Verbrennung und Mehrfacheinspritzung. Mit der neuen Generation der V-Motoren zeigt Mercedes-Benz deutlich, dass Verbrennungsmotoren bei konsequenter Weiterentwicklung noch sehr viel Potenzial haben und auch V6- und V8-Motoren mit ihrer hohen Laufkultur zukunftsfähig sind.

Zum Technologiepaket der neuen Motorengeneration zählen unter anderem einige Neuentwicklungen, die in dieser Kombination einzigartig sind:

– Die weiterentwickelte Direkteinspritzung der 3. Generation mit strahlgeführter Verbrennung und Piezo-Injektoren erschließt in Verbindung mit einer Multi-Spark Ignition weitere Möglichkeiten zur Verbrauchsoptimierung – beim V8 durch ein weiterentwickeltes homogenes Brennverfahren, beim V6 durch ein neues Schichtbrennverfahren mit deutlich erweitertem Kennfeldbereich mit verbrauchsoptimaler Magerverbrennung.

– Zusammen mit der Start-Stopp-Technik, der Schaltpunktverschiebung und konsequenter Reibleistungsreduzierung wurden Verbesserungen im Fahrverbrauch von über 20 Prozent möglich.

– Die Leistungsaufnahme von Nebenaggregaten wurde abgesenkt. Dazu zählen eine optimierte Wasserpumpe mit Wärmemanagement der 2. Generation, eine geregelte Ölpumpe, eine mengengeregelte Kraftstoffhochdruckpumpe sowie ein intelligentes Generatormanagement.

Mittels konsequenten Leichtbaus und einer intensiven Feinoptimierung wurde außer­dem die Triebwerkreibung im Vergleich zum Vorgängermotor deutlich reduziert.

Direkteinspritzsystem der dritten Generation
Das Direkteinspritzsystem mit strahlgeführter Verbrennung, das Mercedes-Benz als erster Pkw-Hersteller in der Serie angeboten hat, haben die Mercedes-Benz Motoreningenieure zur Direkteinspritzung der dritten Generation mit strahlgeführter Verbrennung weiterentwickelt. Sein Systemdruck beträgt bis zu 200 bar und wird kennfeldabhängig auf jeweils optimalen Druck geregelt. Komplett neu entwickelte Piezo-Injektoren ermöglichen zur optimalen Gemischbildung bis zu fünf Einspritzungen pro Ansaugung.

Die Kristallstruktur der Piezo-Keramik verändert sich unter elektrischer Spannungmikrosekundenschnell und mit einer Präzision von nur wenigen Tausendstel Milli­metern. Zentrales Bauteil der Piezo-Injektoren ist der Piezostack, der die Düsennadel direkt ansteuert. Bei einer Ansprechzeit von nur 0,1 Millisekunden lässt sich die Kraftstoffeinspritzung sehr feinfühlig und genau an die jeweilige Last- und Drehzahlsituation anpassen, was sich günstig auf Emissionen, Verbrauch und Verbrennungsgeräusch auswirkt.

Die mit der Piezo-Einspritztechnik möglichen Mehrfacheinspritzungen, auch in kleinsten Mengen, nutzten die Mercedes-Benz Ingenieure, um für die neue V-Motorengeneration einen größeren Kennfeldbereich mit dem effizienten Magerbrennverfahren zu beherrschen und weitere Betriebsarten zu erschließen:

Als erste neue Betriebsart haben die Mercedes-Benz Ingenieure „Homogen-Schicht“ (HOS) entwickelt. HOS ist – wie der Name schon ausdrückt – eine Kombination aus Homogen-Mager- und klassischem Schichtbrennverfahren. Dabei wird die erste Einspritzung in den Ansaughub gespritzt, worauf sich ein homogenes Basisgemisch ausbildet. Die eigentliche „Schicht“-Einspritzung erfolgt in die Kompression vor der Zündung kennfeldabhängig als einfache oder zweifache Einspritzung.

Eine weitere neue Betriebsart nennt sich „Homogen-Split“ (HSP). Bei dieser homogenen Verbrennung werden über 95 Prozent der Menge im Ansaughub einfach oder mehrfach und eine sehr kleine „Zünd“-Einspritzung zur Stabilisierung der Verbrennung eingespritzt. Sie wird eingesetzt unter schwierigen Brennbedingungen.

Damit unterteilt sich das Kennfeld des neuen Mercedes-Benz V6- Motors im Wesentlichen in bis zu vier Bereiche:

– leerlaufnaher Bereich -> Homogen
– niedrige Teillast bis 4 bar und 3800 min-1 -> Schicht
– mittlere Teillast 4 bis 8 bar und bis 4000 min-1 -> HOS
– hohe Last und gesamter Drehzahlbereich -> Homogen bzw. HSP

Der V8-Motor wird im gesamten Kennfeld homogen betrieben, bei hoher Last wird zur Verbesserung der Laufruhe Homogen beziehungsweise HSP eingesetzt.

Multi-Spark Ignition für optimale Zündung
Ergänzt wird die Direkteinspritzung der 3. Generation durch die „schnelle Mehrfachzündung“ bzw. schnelle „Multi-Spark Ignition“ (MSI). Ihre Funktion: Nach dem ersten Funkendurchbruch wird nach einer kurzen Brenndauer die Spule sehr schnell nachgeladen und ein weiterer Funke abgesetzt. Mit dem MSI-System können dabei innerhalb einer Millisekunde bis zu vier Funken in schneller Folge ausgelöst werden, die ein Plasma mit einer größeren räumlichen Ausdehnung als eine herkömmliche Zündung erzeugen. Über die Ansteuerung der schnellen Mehrfachzündung kann sowohl die Zeit bis zu einem Folgefunken als auch die Brenndauer für den jeweiligen Betriebspunkt optimal angepasst werden. Auf diese Weise ist der Spielraum für die optimalen Verbrennungsschwerpunktlagen und die Erhöhung der Restgas-Verträglichkeit vor allem im Schichtladebetrieb möglich. Dadurch lässt sich der Verbrauch um etwa zwei Prozent reduzieren.

Allein durch die Möglichkeiten der Piezo-Einspritztechnik in Kombination mit der Mehrfachfunken-Zündung sind je nach Fahrzyklus bis zu vier Prozent Verbrauchseinsparungen möglich.

Zylinderkopf mit neuem Nockenwellenversteller
Basierend auf der Grundarchitektur des Vorgängermotors haben die Mercedes-Benz Ingenieure die neuen stufenlosen hydraulischen Flügelzellen-Nockenwellen­versteller für Ein- und Auslass entwickelt. Sie arbeiten mit einem großen Verstell­bereich von 40 Grad bezogen auf die Kurbelwelle. Außerdem konnten sie die Funktio­nalität verbessern und erzielten eine um 35 Prozent höhere Stellgeschwin­dig­keit sowie eine Verstellbereitschaft bereits bei 0,4 bar niedrigerem Öldruck. Trotz dieser besseren Performancewerte zeichnet sich die Neuentwicklung durch eine signifikant kleinere Bauform und ein geringeres Gewicht aus. Deshalb konnte der Einbauraum in der Motorlängsachse und Motorhochachse jeweils um zirka 15 Millimeter reduziert werden.

Zweistufiger Kettentrieb für geräuscharmen Lauf
Das sehr kompakte Konzept der Nockenwellenversteller wurde ermöglicht durch den neuen zweistufigen Kettentrieb. Er treibt über eine Primärkette und ein Zwischenrad zwei kurze Sekundärketten an – je eine pro Zylinderbank. Alle drei Ketten lassen sich über jeweils einen Kettenspanner gesondert abstimmen. Die Folge sind niedrige Spannerkräfte und geringe Kettendynamik. Das sichert stabile Steuerzeiten und hervorragende akustische Eigenschaften bei reduzierter Reibleistung. Auf einen Nenner gebracht: Der neue Kettenantrieb ist kompakt und sorgt für geräuscharmen Lauf.

Geregelte Ölpumpe mit zwei Druckniveaus
Eine vierte Kette treibt eine ebenfalls komplett neu entwickelte, stufenlos geregelte Flügelzellen-Ölpumpe an. Sie arbeitet kennfeldabhängig mit zwei Druckniveaus. Bei geringer Drehzahl und Last läuft die Pumpe mit einem niedrigen Druckniveau von 2 bar. Gleichzeitig sind auch die Ölspritzdüsen zur Kolbenkühlung ab-geschaltet. Das hohe Druckniveau wird im oberen Last-Drehzahlbereich aktiviert. Durch dieses Regelungskonzept lassen sich die Schmier- und Kühlstellen des Motors abhängig von Motorlast und Motordrehzahl mit deutlich niedrigerer Antriebsleistung versorgen, als dies mit einer ungeregelten Pumpe möglich wäre.

Neue Kühlwasserführung und 3-Phasen-Wärmemanagement
Komplett neu ist auch die Kühlwasserführung des Zylinderkopfes. Zur Strömungs­optimierung wurde der Wassermantel zweiteilig gestaltet. Dies führt zu gezielter Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten und Wärmeabfuhr bei gleichzeitig reduziertem Druckverlust im gesamten Kühlwasserkreislauf. Dadurch konnte die Antriebsleistung der Wasserpumpe trotz gestiegener Motorleistung reduziert werden.

Der Kühlwasserstrom wird in der Aufheizphase durch ein 3-Phasen-Wärmemanage­ment reguliert, um schnelles Erreichen der Betriebstemperatur zu erzielen. Zunächst steht das Wasser im Motor. Danach zirkuliert es im Motorkreislauf ohne Fahrzeugkühler. Bei Erreichen einer Temperatur von 105 Grad Celsius im Normalbetrieb (87 Grad Celsius bei hoher Belastung) wird schließlich der fahrzeugseitige Wasserkühler mit einbezogen. Die Versorgung der Innenraumheizung ist unabhängig davon schaltbar.

Durch den konsequenten Ersatz von Aluminium und Stahl durch Kunststoff bei z. B. Thermostat, Riemenscheibe, Laufrad, Heizungsventil und hydraulischen Leitungen konnten außerdem die Bauteilgewichte verringert werden.

Start-Stopp-Einrichtung mit Direktstart
Die neue Start-Stopp-Einrichtung arbeitet mit starterunterstütztem Direktstart. Das bedeutet: Beim Abstellen des Motors wird die Winkelstellung der Kurbelwelle durch einen neuartigen Kurbelwellensensor erfasst, sodass das Motorsteuergerät weiß, in welcher Position sich die einzelnen Kolben befinden. Damit kann es zum Wiederstart den Zylinder als ersten zünden, der sich in der dafür optimalen Position befindet. Nach kurzem Andrehen des Motors durch den Anlasser ist deshalb dort sofort eine zuverlässige Einspritzung, Zündung und Verbrennung möglich.

Reibung minimiert
Bei beiden Triebwerken legten die Ingenieure besonderes Augenmerk auf eine reduzierte Reibung. Die erzielten sie vor allem durch einen verringerten Durchsatz in der Öl- und der Wasserpumpe, durch reibungsoptimierte Kolben, Kolbenringe und Zylinderlaufbahnen sowie das neue Wärmemanagement und den neuen Kettentrieb.

Zukunftssicher dank Modulbauweise
Die neuen V-Motoren von Mercedes-Benz sind zukunftssicher. Sie können nicht nur mit einer Start-Stopp-Funktion kombiniert werden, sondern auch mit dem Vierradantrieb 4MATIC gekoppelt oder in einen Hybridantrieb integriert werden. Die neuen Motoren erfüllen alle weltweit geltenden Emissionsgesetzgebungen. Insbesondere der Einsatz der Direkteinspritzung der 3. Generation mit Piezo-Injektoren bietet hier ebenso die Basis für zukünftige Verschärfungen.

Quelle: Daimler AG