Die Entwicklung der Mercedes-Benz A-Klasse: Der Antrieb
Stuttgart
14.05.2012
Die Benzinmotoren: Stark, schnell und supersauber
Konsequent transferiert Mercedes-Benz die BlueDIRECT-Technologie aus den V6- und V8-Triebwerken der Luxus- und Oberklasse: Die BlueDIRECT-Vierzylinder-Ottomotoren der neuen A-Klasse kombinieren spontanes Ansprechverhalten und vorbildliche Leistungsentfaltung mit höchster Effizienz und klassenbestem Emissionsverhalten. Die Weltneuheit CAMTRONIC, eine innovative Ventilhubumschaltung, trägt dazu entscheidend bei. In der A-Klasse steht die neue Vierzylinder-Motorenfamilie mit 1,6 oder 2,0 Litern Hubraum zur Wahl und
deckt ein Leistungsspektrum von 90 kW (122 PS) und 200 Nm bis 155 kW (211 PS) und 350 Nm ab.
Dank BlueDIRECT mit hochgenauer Piezo-Einspritzung erfüllen die neuen Motoren voraussichtlich die ab 2015 gültige Abgasnorm Euro 6 für Ottomotoren. Selbst der nochmals strengere Diesel-Partikelanzahlgrenzwert der Euro-6-Norm wird ohne zusätzliche Abgasnachbehandlung bereits heute unterschritten. Dies war eine wesentliche Motivation, BlueDIRECT auch in diesem Segment einzusetzen. Die komplett neu entwickelte Vierzylinder-Ottomotoren­generation ist damit bestens auf die Zukunft vorbereitet.
Äußerst vielseitig einsetzbar
Basis für alle drei Ottomotorvarianten in der neuen A-Klasse ist das Vollaluminium-Triebwerk M 270 mit zwei obenliegenden, kettengetriebenen Nockenwellen und Vierventiltechnik. Das Aggregat ist äußerst vielseitig verwendbar und wird sukzessive auch in größeren Baureihen eingeführt werden. Auf diese Weise trägt es dazu bei, die Produktionskosten dauerhaft zu senken. Der Vierzylinder lässt sich quer (M 270) oder längs (M 274) einbauen und mit Front-, Heck- oder Allradantrieb 4MATIC kombinieren. Für die Kraftübertragung können manuelle Schaltgetriebe, Wandler-Automaten
oder Doppelkupplungsgetriebe verwendet werden.
Die BlueDIRECT-Familie hat Nachwuchs: Drei neue Benziner
In der neuen A-Klasse ist der M 270 in drei Stufen erhältlich. Als A 180 BlueEFFICIENCY leistet er aus 1.595 cm3 Hubraum 90 kW (122 PS) und bietet ein maximales Drehmoment von 200 Newtonmetern, das in einem weiten Drehzahlband von 1.250 bis 4.000/min verfügbar ist. Mit dem Basismotor und dem Sechsgang-Schaltgetriebe oder dem Siebengang-Doppelkupplungsgetriebe (Werte jeweils in Klammern) beschleunigt die neue A-Klasse in 9,2 Sekunden (9,1 Sekunden) von null auf 100 km/h und läuft bei Bedarf bis zu 202 km/h (202 km/h) schnell. Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen liegen mit 5,5 l/100 km (5,4 l/100 km, jeweils NEFZ kombiniert) beziehungsweise 128 g/km (127 g/km) auf rekordverdächtig niedrigem Niveau.
Der A 200 BlueEFFICIENCY schöpft aus ebenfalls 1.595 cm3 Hubraum 115 kW (156 PS) und ein maximales Drehmoment von 250 Nm, das ebenfalls von 1.250 bis 4.000/min bereit steht. Er absolviert den Spurt aus dem Stand auf Tempo 100 km/h in 8,4 Sekunden (8,3 Sekunden) und erreicht 224 km/h (224 km/h) Höchstgeschwindigkeit, begnügt sich aber mit durchschnittlich 5,5 l/100 km (5,4 l/100 km) Verbrauch, was 129 g/km (127 g/km) CO2-Emissionen entspricht.
Die neue Topmotorisierung mit 1.991 cm3 Hubraum ist als A 250 BlueEFFICIENCY oder als A 250 Sport erhältlich. In beiden Fällen leistet das Aggregat 155 kW (211 PS) und stellt 350 Nm maximales Drehmoment von 1.200/min bis 4.000/min zur Verfügung. Die Fahrleistungen liegen mit 6,6 Sekunden für den Standardspurt und 240 km/h Höchstgeschwindigkeit auf Sportwagenniveau. Dem stehen der klassenbeste Verbrauch von 6,1 l/100 km sowie CO2-Emissionen von 143 g/km gegenüber (A 250 BlueEFFICIENCY).
Alle Motorvarianten sind kundenfreundlich auf den Betrieb mit Superbenzin E10 und einer Oktanzahl von 95 ROZ ausgelegt.
Die Daten der A-Klasse mit Ottomotor im Überblick
Modell
A 180*
A 200*
A 250**
Zylinder Anordnung/Zahl
 
R4
R4
R4
Hubraum
[cm3]
1.595
1.595
1.991
Nennleistung
[kW/PS] bei [1/min]
90/122 5.000
115/156 5.000
155/211 5.500
Nenn- drehmoment
[Nm]
bei [1/min]
200
1.250-4.000
250
1.250-4.000
350
1.200-4.000
Verbrauch kombiniert
[L/100 km]
5,5 (5,4)
5,5 (5,4)
6,1
CO2-Emission kombiniert
[g/km]
128 (127)
129 (127)
143
*Werte für Doppelkupplungsgetriebe (7G-DCT) in Klammern,
** nur mit Doppelkupplungsgetriebe verfügbar
Motorentechnologie aus der S-Klasse für die A-Klasse
Zum Technologiepaket der neuen Vierzylinder-Benzinmotoren zählen unter anderem einige Neuentwicklungen, die 2010 mit den hochmodernen BlueDIRECT V6- und V8-Aggregaten in der Mercedes-Benz S-Klasse eingeführt wurden und nun erstmals in der Kompaktklasse verfügbar sind.
Das Brennverfahren basiert auf der Mercedes-Benz Direkteinspritzung der dritten Generation mit hochgenauer Piezo-Einspritztechnik mit Mehrfacheinspritzung. Das Direkteinspritzsystem mit strahlgeführter Verbrennung hat Mercedes-Benz als erster Pkw-Hersteller bereits 2006 in die Serie eingeführt.
Piezo-Injektoren für geringste Partikelemissionen unter Euro-6-Grenzwerten
Neu entwickelte Piezo-Injektoren ermöglichen bis zu fünf Einspritzungen pro Arbeitstakt. In der Warmlaufphase konnten dadurch die Partikelemissionen um über 90 Prozent gesenkt werden. Im Gesamtergebnis liegen alle Emissionen einschließlich der Partikel schon heute unter den Grenzwerten der Euro-6-Abgasnorm, die erst ab 2015 verbindlich ist.
Die Piezo-Injektoren bieten beim Benzinmotor gegenüber herkömmlichen Magnet-Mehrlochventilen zahlreiche Vorteile. Der Kraftstoff verdampft bis zu viermal schneller, der Kraftstoffstrahl dringt weniger tief in den Brennraum ein, und die Injektoren können kleinste Mengen Kraftstoff hochpräzise einspritzen. Dies alles vermeidet, dass sich Kraftstoff an den Brennraum-wänden niederschlägt. Infolgedessen sinken die Partikelemissionen deutlich. Mehrfacheinspritzungen ermöglichen darüber hinaus verbrauchsoptimierte Betriebsstrategien und verbessern die Kaltstartfähigkeit.
Zur Funktionsweise: Die Kristallstruktur der Piezo-Keramik verändert sich unter elektrischer Spannung mikrosekundenschnell 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 Verbrennungs-geräusch auswirkt.
Multi Spark Ignition für optimale Zündung
Ergänzt wird die Direkteinspritzung der dritten Generation durch die „schnelle Mehrfachzündung“ („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 können 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 möglich. Dadurch lässt sich der Verbrauch reduzieren.
Durch die Möglichkeiten der Piezoeinspritztechnik in Kombination mit der Mehrfachfunken-Zündung sind je nach Fahrzyklus bis zu vier Prozent Verbrauchseinsparungen möglich.
CAMTRONIC: Bis zu zehn Prozent weniger Verbrauch
Mit der CAMTRONIC feiert eine wegweisende Innovation ihre Premiere beim 1,6-Liter-Motor: Erstmals wurde bei einem direkteinspritzenden, aufgeladenen Ottomotor ein Laststeuerungskonzept mit frühem Einlassschluss und einlassseitiger Ventilhubumschaltung realisiert. Dadurch werden die Drosselverluste im Teillastbereich verringert und der Verbrauch reduziert. Im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) sinkt der Kraftstoffkonsum um drei bis vier Prozent gegenüber dem M 270 ohne CAMTRONIC. Im automobilen Alltag mit den typischerweise hohen Teillastanteilen ist das Sparpotenzial sogar noch höher: In bestimmten Betriebsbereichen können bis zu zehn Prozent Verbrauchsvorteil erzielt werden. Diese Weltneuheit wurde komplett „in-house“ vom Mercedes-Benz Technologie Center in Stuttgart in Zusammenarbeit mit dem Daimler Motorenwerk in Berlin entwickelt.
Kein Turboloch dank Scavenging
Hohe Leistung aus wenig Hubraum erzielten die Mercedes-Benz Ingenieure vor allem durch den Einsatz des Abgasturboladers. Er presst die Ansaugluft mit bis zu 1,9 bar in die Brennräume. Dabei rotieren die Turbinenschaufeln mit bis zu 230.000 Umdrehungen pro Minute. Den Lader haben die Motor-Ingenieure so ausgelegt, dass er hohes Drehmoment schon bei niedrigen Drehzahlen bereitstellt. Er ist in ein neu entwickeltes Krümmer-Abgasturboladermodul integriert, das vor dem Motor angeordnet ist und so optimal gekühlt werden kann. Die getrennte Abgasführung von den Zylindern zum Abgasturbolader und die hohe Abgastemperatur von maximal 1.050° Celsius nutzen die Abgasenergie optimal aus, gepaart mit hoher Leistung und optimalem Ansprechverhalten.
Im Zusammenspiel mit Direkteinspritzung und der stufenlosen Verstellung von Einlass- und Auslassnockenwelle konnten die Entwickler auch die Vorteile des so genannten Scavenging realisieren: Durch ein teilweises Überschneiden der Öffnungszeiten von Einlass- und Auslassventil spült ein Teil der angesaugten kalten Frischluft das im Zylinder befindliche heiße Abgas in den Abgaskrümmer, wodurch sich die Füllung im Vergleich zum konventionellen Betrieb wesentlich verbessert.
Außerdem spricht der Turbolader durch den erhöhten Massenstrom im Abgasstrang insbesondere bei niedrigen Drehzahlen erheblich rascher an – ein „Turboloch“ oder eine Anfahrschwäche wird dadurch konsequent vermieden. Die Direkteinspritzung sorgt dafür, dass das Frischgas bei Eintritt in den Zylinder noch nicht mit Treibstoff vermischt ist, wie das bei Motoren mit Saugrohreinspritzung der Fall wäre. Dadurch kommt es nicht zu unerwünschten Spülverlusten, also dem Austreten unverbrannten
Benzins in den Abgaskrümmer.
Drehmomentwerte wie ein Diesel
Auf diese Weise stellt der neue 1,6-Liter-Vierzylinder in der A-Klasse sein maximales Drehmoment schon bei 1.250/min bereit und hält dieses bis 4.000/min. Der 2,0-Liter kann das sogar noch eine Spur besser: Sein maximales Drehmoment von 350 Nm steht bereits ab 1.200/min zur Verfügung und stellt damit hinsichtlich Low End Torque einen Bestwert bei Vierzylindermotoren dar.
Im Zusammenspiel mit dem neuen 7G-DCT-Getriebe, dessen Steuerung mit dem Motorsteuergerät kommuniziert, reagiert der neue Vierzylinder auf Gaspedalbewegungen sehr spontan. Andererseits kann bei Konstantfahrt eine längere Übersetzung gewählt werden, was Verbrauch und Geräusche weiter senkt. Auch bei hoher Last behalten die Turbo-Motoren ihr vorbildliches Verbrauchsverhalten bei, da durch das herausragende Kühlkonzept eine Gemischanreicherung erst bei Geschwindigkeiten über 200 km/h notwendig ist. Ein zweiteiliger Wassermantel mit optimaler Querstromkühlung sowie feine, nur drei Millimeter starke Kühlkanäle zwischen Zündkerzen und Injektoren bringen das Kühlwasser an die entscheidenden Stellen.
Wärmemanagement verkürzt Kaltlaufphase
Neu entwickelt wurde auch das Wärmemanagement: Im Kaltbetrieb strömt dank einer schaltbaren Wasserpumpe mit strömungsoptimiertem Kugelventil kein Kühlmittel durch den Motor, so werden die Brennräume nach dem Start schnell erwärmt. Der Thermostat ist elektronisch geregelt, die Kühlmitteltemperaturen werden in Abhängigkeit von Fahrweise und Umgebungsbedingungen eingestellt. Der Thermostat selbst ist ebenfalls ein strömungsoptimiertes Kugelventil. Im Interesse hoher Effizienz ist auch die Ölpumpe wie in den V-Motoren volumenstromgeregelt.
Geregelte Ölpumpe mit zwei Druckniveaus
Die stufenlos geregelte Flügelzellen-Ölpumpe arbeitet kennfeldabhängig mit zwei Druckniveaus. Bei geringer Drehzahl und Last läuft die Pumpe mit einem niedrigen Druckniveau von zwei bar. Gleichzeitig sind auch die Ölspritzdüsen zur Kolbenkühlung abgeschaltet. 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 Drei-Phasen-Wärmemanagement
Komplett neu ist auch die Kühlwasserführung im Zylinderkopf. Zur Strömungsoptimierung wurde der Wassermantel zweiteilig gestaltet. Dies führt zu gezielter Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten und Wärmeabfuhr bei gleichzeitig konsequent reduziertem Druckverlust im gesamten Kühlwasserkreislauf. Dadurch konnte die Antriebsleistung der Wasserpumpe trotz gestiegener Motorleistung reduziert werden.
Der Kühlwasserstrom wird in der Aufheizphase durch ein Drei-Phasen-Wärmemanagement reguliert, um schnell die optimale Betriebstemperatur zu erreichen. 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 miteinbezogen.
ECO Start-Stopp-Funktion mit Direktstart
Die bei allen Modellen serienmäßige ECO Start-Stopp-Funktion 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 Zylinder befinden. Damit kann es zum Wiederstart den Zylinder als ersten zünden, der sich dafür in der optimalen Position befindet. Nach kurzem Andrehen des Motors durch den Anlasser ist deshalb sofort eine zuverlässige Einspritzung, Zündung und Verbrennung des optimal positionierten Zylinders möglich.
Erstmals vollwälzgelagerter Lanchester-Ausgleich bei einem Ottomotor
Die Massenkräfte zweiter Ordnung, die bei einem Vierzylinder-Reihenmotor prinzipbedingt auftreten, kompensieren zwei unten im Motorblock angeordnete Lanchester-Ausgleichswellen. Mercedes-Benz setzt als erster Automobilhersteller bei einem Ottomotor einen vollwälzgelagerten Massenausgleich ein: Jeweils ein Zylinderrollenlager nimmt die Unwuchtmassenkräfte auf, ein Kugellager stützt die Axialkräfte aus der Verzahnung ab. Diese Konstruktion erhöht nicht nur den Antriebskomfort, sondern trägt durch deutlich niedrigere Reibungswiderstände auch zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs bei. Die 1,6-Liter-Ausführung benötigt aufgrund des günstigeren Pleuelstangenverhältnisses keinen Lanchester-Massenausgleich.
Reibung minimiert
Außerdem legten die Ingenieure besonderes Augenmerk auf reduzierte Reibung. Diese erzielten sie vor allem durch einen geringeren Durchsatz in der Öl- und der Wasserpumpe, reibungsoptimierte Kolben, Kolbenringe und Zylinderlaufbahnen sowie das neue Wärmemanagement und den neuen Kettentrieb. Die Motor-/Getriebelagerung verfügt über 4-Punktlagerung, bestehend aus Motorlager, Getriebelager und zwei Pendelstützen. Sie wurde speziell auf die Anforderungen der drehmomentstarken Motorisierungen hinsichtlich höchsten Geräuschkomforts ausgelegt. Zum guten Fahrkomfort trägt auch die im Getriebelager integrierte hydraulische Dämpfung maßgeblich bei.
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Wolfgang
Zanker
Leiter Baureihen Mercedes-Benz Cars, Testwagenmanagement, Sportkommunikation
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