Nieuwe generatie viercilinder-dieselmotoren van Mercedes-Benz toont de weg

Mercedes-Benz: krachtiger, zuiniger en schoner

De nieuwe generatie viercilinders van Mercedes-Benz kan als volgt worden samengevat: krachtiger, zuiniger en schoner. De nieuwe krachtbron uit de fabriek van Untertürkheim heeft echter meer uitleg nodig om hem werkelijk te kunnen appreciëren. De motor verkent immers nieuw terrein dat tot voor kort onbekend was voor dieselmotoren – en viercilinders in het bijzonder. De krachtbron herdefinieert de normen voor vermogen en koppel aan de ene kant en voor brandstofverbruik en uitstoot aan de andere kant. Hij zet nieuwe standaarden waaraan momenteel geen enkele andere vergelijkbare serieproductiemotor kan beantwoorden.

Het technische voordeel dat de ingenieurs bij Mercedes-Benz hebben bereikt, is niet alleen duidelijk op papier, het kan ook op een intense manier achter het stuur worden beleefd. Even een paar cijfers op een rij: de krachtigste variant van de nieuwe dieselmotor haalt 150 kW/204 pk uit zijn 2143 cc. Dat betekent een verhoging van het vermogen van ongeveer 20 procent vergeleken met zijn voorganger, hoewel de cilinderinhoud vrijwel identiek is. Het maximumkoppel van de motor werd met 25 procent opgedreven van 400 Nm tot 500 Nm. De verhoudingen vermogen-slagvolume en koppel-slagvolume van de nieuwe motor uit Untertürkheim zijn niet minder dan indrukwekkend, met respectievelijk 70 kW/95,2 pk en 233,3 Nm per liter (ter vergelijking de cijfers van zijn voorganger: 58,2 kW/79,2 pk en 186,2 Nm per liter).

Lager verbruik ondanks aanzienlijk hoger vermogen

De ingenieurs van Mercedes-Benz hebben er ook voor gezorgd dat de nieuwe dieselmotor een toonbeeld van zuinigheid is. Ondanks het aanzienlijk hogere vermogen, plus 25 kW, maakt de motor zelfs nog spaarzamer gebruik van diesel dan zijn voorganger, die zelf al een heel bescheiden brandstofverbruik had. Dat blijkt meteen uit de cijfers van het verbruik voor de C-Klasse, waarin de stroomconvertor in de herfst zijn debuut maakt. Wanneer hij gemonteerd is in de C-Klasse, verbruikt de nieuwe krachtbron van 150 kW nauwelijks 5,4 liter diesel per 100 kilometer (NEDC), 0,5 liter minder dan voorheen. En wanneer de C-Klasse wordt aangedreven door de eveneens nieuwe variant van 125 kW/170 pk, is het verbruik zelfs nog lager: 5,1 liter per 100 kilometer (een daling van 0,8 liter). Bijgevolg wordt ook de CO2-uitstoot met respectievelijk 8 en 13 procent teruggedrongen tot 143 en 136 g/km. De Mercedes-ingenieurs zijn er ook in geslaagd om de hoeveelheid niet-behandelde motoremissies verder te verlagen. Zelfs zonder een actief ontgiftingsproces voldoet de nieuwe viercilinder-diesel nu al aan de toekomstige, strenge EU5-emissienorm.

"Onze nieuwe viercilindermotor betreedt een nieuw domein dat tot nu toe was voorbehouden aan drieliter-dieselmotoren met zes cilinders of grote V8-benzinemotoren – allemaal gecombineerd met een voorbeeldig brandstofverbruik", zegt dhr. Thomas Weber, bestuurslid van Daimler AG en verantwoordelijk voor Onderzoek en Ontwikkeling bij Mercedes-Benz Cars.

Tastbare vooruitgang en intens motorplezier

Mercedes-chauffeurs kunnen met al hun zintuigen genieten van de vooruitgang die werd geboekt. De nieuwe wagen straalt kracht uit, hij reageert levendig en imponeert met zijn enorme trekkracht en uitzonderlijke soepelheid voor een viercilindermotor. Qua prestaties moet hij weinig onderdoen voor een sportwagen: de motor stuwt de C-Klasse Sedan van 0 tot 100 km/h in nauwelijks 7,7 seconden. Dankzij de voortreffelijke soepelheid van de motor is inhalen op plattelandswegen een fluitje van een cent, met acceleraties van 60 tot 120 km/h in 9,4 seconden. Dit alles staat borg voor tonnen rijplezier gecombineerd met een grote zuinigheid.

Naast zijn opmerkelijke vermogen pakt de nieuwe krachtbron ook uit met een uitgesproken hoger koppel bij lage toerentallen in vergelijking met de motor die hij vervangt, om nog niet te spreken van de verbluffende koppelcurve waarmee hij alle concurrenten uit zijn klasse het nakijken geeft. Dat betekent dat de motor in alledaagse rijsituaties in lage toerentallen kan draaien, wat een slok op een borrel scheelt qua verbruik.

De nieuwe dieselmotor zal in totaal vier krachtbronnen vervangen en zal in een aantal varianten over een brede waaier van modelseries worden gemonteerd, waaronder zelfs de Mercedes-Benz Sprinter. Dankzij zijn hoge vermogen hebben de ingenieurs dankbaar gebruik kunnen maken van het principe ‘minder is meer’ – kleinere motoren met minder cilinder voor een lager brandstofverbruik. Dankzij de levendigheid, de trekkracht en de optimale algemene werking van de nieuwe dieselmotor zullen de wagens waarin hij gemonteerd wordt, aan de hoge normen van comfort en rijplezier van alle andere Mercedes-Benz-modellen kunnen voldoen. Voor passagierswagens zijn er drie varianten gepland.

De belangrijkste gegevens op een rij:

Het volgende hoofdstuk in de successtory van de Mercedes-Benz-dieselmotor

Deze nieuwe krachtbron is Mercedes-Benz’ klinkende antwoord op vragen over de toekomst van het autorijden, en zet nog maar eens een mijlpaal in de evolutie van de dieseltechnologie. Tegelijk houdt de autobouwer uit Stuttgart een lange traditie in ere. Het was in het lang vervlogen jaar 1936 dat de dieselmotor zijn wereldpremière maakte in een passagierswagen van Mercedes-Benz – de nu legendarische 260 D. Sindsdien sleutelt Mercedes-Benz onafgebroken aan zijn pionierstechnologie. In de loop der jaren zijn er vele mijlpalen gezet. Een greep: de eerste turbodieselmotor voor een passagierswagen ooit in de Mercedes-Benz 300 SD (1977), de wereldpremière van de vierkleppentechnologie (1995), de eerste dieselsedans met roetfilter in de Amerikaanse staat Californië (1985), de common-rail directe injectie (1997), de onderhoudsvrije roetfilter (2003), die intussen in alle dieselmodellen van Mercedes-Benz beschikbaar is, en de introductie van de BlueTec-technologie (2006) voor de milieuvriendelijkste dieselmotoren ter wereld.

100.000 testuren en 10 miljoen testkilometers

Mercedes-Benz breit nu het laatste hoofdstuk aan dit lange succesverhaal met de komst van zijn gloednieuwe, baanbrekende viercilinder-dieselmotor. Na een ontwikkelingsperiode van 48 maanden, waarin de ingenieurs een beroep deden op de allermodernste computertechnologie, zag het eerste prototype van de nieuwe motor in augustus 2005 het licht. Zowat 100.000 uur op de testbank was vereist om de motor optimaal af te stellen, voor alle omstandigheden en voor elk doel. De motor werd onderworpen aan zware uithoudingstests, waaronder proeven op de testbanken die het uiterste van de motor vergden. Over een afstand van liefst 10 miljoen kilometer in een waaier van voertuigen werd de motor op de proef gesteld. Hij moest zijn temperament bewijzen in de verzengende hitte van de woestijn en in de ijzige koude van de poolgebieden, terwijl hij het hoofd bood aan stof, modder en water.

De nieuwe motor maakt zijn première in de herfst van 2008, in eerste instantie alleen in de C-Klasse. Later zal de krachtbron in verschillende modellenseries van Mercedes-Benz worden gelanceerd, die dan allemaal kunnen uitpakken met een lager verbruik. De motor kan zowel overlangs als dwars worden geplaatst, en ook in voertuigen met vierwielaandrijving. De nieuwe krachtbron kan uiteraard worden aangevuld met de allernieuwste emissiecontrole van BlueTec, een systeem dat door Mercedes-Benz werd ontwikkeld en dat in hybride voertuigen ook dienst doet als een zuinige interne verbrandingsmotor.

Innovatieve technologie zonder gelijke

De voorbeeldige cijfers qua vermogen, koppel, verbruik, uitstoot en soepelheid van de nieuwe motor zijn het resultaat van een hele rits innovatieve technologieën. Daartoe behoren een aantal nieuwe ontwikkelingen die momenteel in geen enkele andere dieselmotor voor passagierswagens beschikbaar zijn. De belangrijkste kenmerken van de nieuwe Mercedes-dieselmotor op een rij:

· Dubbele turbocompressie zorgt voor een hoog vermogen en een hoog koppel. · Common rail-technologie van de vierde generatie met een raildruk die met 400 bar werd verhoogd tot 2000 bar, plus een nieuw piëzo-elektrisch injectiesysteem met directe controle van de injectornaald dat garant staat voor een flexibeler injectietiming, wat leidt tot een soepeler draaiende motor, een lager verbruik en een verminderde emissie.

· De maximale ontstekingsdruk is 200 bar, wat bijdraagt tot het hoge vermogen.

· Om energie te besparen worden zowel de olieverstuivers als de waterpomp alleen ingeschakeld als dat nodig is.

· De nokkenasaandrijving is achteraan geplaatst voor een soepelere werking en een betere bescherming van voetgangers.

· Het motorblok is gemaakt van gietijzer, de cilinderkop van aluminium.

· Twee koelmantels zorgen voor een maximale koeling, zelfs bij de grootste motorhitte; daardoor is een ontstekingsdruk van 200 bar mogelijk; het verklaart ook de uitstekende verhouding tussen vermogen en slagvolume.

· De aluminium zuigers schuiven op en neer in een gietijzeren behuizing voor een minimale wrijvingsweerstand.

· De verbindingsstangen zijn gemaakt van smeedstaal, en hun gewicht werd geoptimaliseerd door de Mercedes Benz-ingenieurs.

· De smeedstalen krukas met zijn acht tegengewichten wordt ondersteund door vijf lagers om de trillingen tot een minimum te herleiden. De krukpennen zijn extra verstevigd.

· Om de trillingen te beperken (die nu eenmaal inherent zijn aan een viercilindermotor in lijn) zijn er onderaan het motorblok twee Lanchester-balansassen gemonteerd in rollagers met lage wrijving in plaats van in de conventionele glijlagers.

· Een vliegwiel met twee massa’s - een eerste vliegwielmassa is bevestigd aan de krukas die op zijn beurt via springveren verbonden is met de tweede vliegwielmassa op de transmissie (technische term: springveermassasysteem) - zorgt ervoor dat de trillingen van de krukas niet overgaan op de aandrijftrein, wat bijdraagt tot de uitstekende soepelheid van de motor.

Injectie met common rail van de vierde generatie

De nieuwe dieselmotor van Mercedes-Benz luidt de vierde generatie van de beproefde common rail-technologie met directe injectie in. Het element dat alle verschil maakt bij deze laatste generatie is de verhoging van de maximale raildruk met van 400 bar tot 2000 bar. Deze drukverhoging was van cruciaal belang om het motorvermogen naar 150 kW/204 pk en het koppel tot 500 Nm op te stuwen, terwijl tegelijk voor een duidelijke stijging van de niet-behandelde motoremissies werd gezorgd.

Piëzo-elektrische injectors - een overigens compleet nieuwe ontwikkeling - vormen een van de sleutelcomponenten in de CDI-technologie van de vierde generatie. Ze steunen op de eigenschappen van piëzo-elektrische keramiek, dat zijn kristallen structuur in microseconden kan veranderen wanneer het onder stroom wordt gezet. De bewegingen die daardoor ontstaan zijn echter minuscuul. Daarom worden de nieuwe injectors voorzien van een piëzostapel, wat eigenlijk niet meer is dan een reeks piëzo-elektrische elementen die in serie verbonden zijn. In tegenstelling tot de gebruikelijke systemen van vandaag stuurt de beweging van deze elementen de injectornaald direct aan en zorgt ze voor nog grotere volumeveranderingen die tot op een paar duizendste van een millimeter nauwkeurig zijn. De voordelen hiervan zijn een verhoging van het beschikbare injectievolume en een bijzonder nauwkeurige en snelle dosering van de injectiehoeveelheden. Daardoor kan de brandstofinjectie met nog grotere precisie aangepast worden aan de motorbelasting en het toerental – via meerdere, zeer nauwkeurige brandstofinjecties bijvoorbeeld –, die een positieve weerslag hebben op de uitstoot, het verbruik en het motorgeluid. Bovendien draait de motor stationair zelfs nog stiller dan zijn voorganger.

Door het innovatieve aandrijfconcept gebeurt de injectie volkomen lekvrij. Daardoor is een olieleklijn overbodig geworden. (Die retourneerde in vorige modellen de minuscule hoeveelheden brandstof die zich in het systeem opstapelden.) Dit verbetert het thermische circuit van het injectiesysteem in die mate dat zelfs bij een raildruk van 2000 bar brandstofkoeling overbodig is. Daardoor wordt niet alleen energie bespaard, het vermindert ook de energie-input van de hogedrukpomp met ongeveer één kilowatt bij hoge motorbelasting.

Om tijdens de hele levensduur van de wagen optimale injectiehoeveelheden te kunnen leveren, compenseert een adaptieve leerfunctie elke afwijking die door een minimale slijtage van componenten kan optreden.

200 bar ontstekingsdruk en een verbeterde verbrandingskamer

De brandstof wordt uiterst nauwkeurig in de verbrandingskamer geïnjecteerd dankzij speciaal ontworpen geometrische vormen, zoals de met grote precisie berekende uitsparingen in de zuigerkronen. In vergelijking met de motor die hij vervangt is de verbrandingskamer platter en de diameter iets groter. De drukverhouding werd verminderd van 17,5:1 tot 16,2:1, wat leidt tot een beter verbrandingsproces. Door een vermindering van de niet-behandelde emissies werden in het bijzonder de Nox-niveaus aanzienlijk verlaagd.

Een van de bepalende factoren voor het maximumvermogen en voor het brandstofverbruik bij vol gas, tenminste wat de uitstoot betreft, is de maximale ontstekingsdruk. Met een druk van 200 bar is de nieuwe viercilinderdiesel van Mercedes-Benz op dit vlak een van de best presterende dieselmotoren in passagierswagens op de markt. Voor een snelle start is de motor uitgerust met keramische gloeipluggen, die een temperatuur kunnen bereiken die ongeveer 200 graden Celsius hoger ligt dan die van hun metalen varianten (1250°C tegenover 1050°C); ze zijn bovendien vrijwel slijtagevrij. Mercedes-Benz gebruikte deze gloeipluggen voor het eerst in serieproductie in de vorige dieselmotor.

Dubbele turbocompressie voor een hoog koppel bij alle toerentallen

De nieuwe dieselmotor zuigt de lucht die hij nodig heeft om te ademen niet uit één maar uit twee turboladers, wat een primeur is voor een dieselmotor in een Mercedes-Benz-passagierswagen in serieproductie. De bedoeling van dit concept is om de inherente nadelen van een enkele turbolader te omzeilen, zoals de inertie van een grote turbo (turbovertraging). Meer nog, het is virtueel onmogelijk om goede starteigenschappen en een maximaal vermogen te verzoenen met een laag brandstofverbruik wanneer slechts één turbolader wordt gebruikt.

De compacte module voor de nieuwe dubbele turbolading bestaat uit een kleine turbolader met hoge druk (HP) en een grote turbolader met lage druk (LP). Beide hebben een turbine en een door een turbine aangedreven compressor, en zijn in serie met elkaar verbonden:

· De HP-turbine heeft een diameter van 38,5 mm en is direct in het uitlaatspruitstuk geplaatst. De uitlaatgassen stromen eerst door deze turbine, waardoor hij begint te roteren tot 248.000 omwentelingen per minuut.

· In de HP-turbinebehuizing is een omloopkanaal geïntegreerd, dat door middel van een ladingsdrukklep kan worden geopend en gesloten. De klep wordt aangestuurd door een actuator. Als het kanaal gesloten is, stromen alle uitlaatgassen door de HP-turbine, wat betekent dat alle energie die in de uitlaat vervat zit exclusief en rechtstreeks wordt gebruikt om de HP-turbine aan te drijven. Zo kan zelfs bij lage toerentallen een optimale ladingsdruk worden opgebouwd.

· Naarmate de motorsnelheid toeneemt, wordt de ladingsdrukklep geopend om te voorkomen dat de HP-lader overbelast wordt. Een deel van de uitlaatgassen vloeien dan door het omloopkanaal om de belasting op de hogedruklader te verminderen.

· Achter de HP-turbine komen de twee uitlaatstromen weer samen en de resterende uitlaatenergie jaagt de LP-turbine van 50 millimeter aan met een maximale snelheid van 185.000 omwentelingen per minuut.

· Om de LP-turbine tegen overbelasting te beschermen heeft ook deze turbine een omloopkanaal, dat geopend en gesloten kan worden via een door een actuator aangestuurde klep, ook bekend als "afvalpoort".

· Zodra de motor een middelhoog toerental bereikt, wordt de ladingsdrukklep van de HP-turbine zo groot geopend dat de HP-turbine nagenoeg stilvalt. Daardoor kan alle uitlaatenergie met minimaal verlies naar de LP-turbine worden geleid, die dan alle werk overneemt.

De twee compressors zijn eveneens in serie gekoppeld en zijn bovendien verbonden met een omloopkanaal. De verbrandingslucht van de luchtfilter stroomt eerst door de LP-compressor (diameter 56,1 mm), waar hij samengedrukt wordt om de LP-turbine van voldoende energie te voorzien. De voorgecomprimeerde lucht gaat dan naar de HP-compressor (diameter 41 mm), die aan de HP-turbine is gekoppeld, waar hij nog verder wordt samengedrukt – het resultaat is een echte tweetrapsturbolading.

Zodra de motor een middelhoog toerental bereikt, kan de HP-compressor de luchtstroom niet langer aan, wat betekent dat de verbrandingslucht te zeer verhit. Om dat te voorkomen wordt het omloopkanaal geopend om de verbrandingslucht naast de HP-compressor door te leiden, direct naar de intercooler voor koeling. In dat geval is ook de ladingsdrukklep volledig open, wat betekent dat de HP-turbine nagenoeg stilvalt. Dit is het equivalent van eentrapsturbolading.

Het voordeel van deze dubbele turbolading is een verbeterde cilinderlading (voor een hoog vermogen), wat zelfs bij lage toerentallen een hoog koppel oplevert. Daarnaast wordt ook het brandstofverbruik verminderd. Het resultaat voor de chauffeur: een harmonieus rijgedrag met zero turbovertraging, een hoog koppel bij alle toerentallen, voelbare betere prestaties, plus een betere communicatie tussen motor en gaspedaal.

& Verbeterde intercooler en recyclage van uitlaatgassen

De nieuwe turboladers worden perfect aangevuld door een intercooler. Die is nu groter dan de vorige versie in serieproductie en verlaagt de temperatuur van de lucht – die samengedrukt werd en daarom verhitte – met ongeveer 140 graden Celsius. Daardoor kan een groter volume aan lucht de verbrandingskamers binnenstromen.

Na de intercooler zorgt een elektrisch gestuurde klep voor een precieze regeling van de verse lucht en de gerecycleerde uitlaatgassen. Om de hoeveelheid uitlaatgassen te optimaliseren en dus ook een optimale recyclage te verkrijgen, worden de uitlaatgassen indien nodig afgekoeld in een krachtige warmtewisselaar met een grote overlangse ruimte. Die wordt gecombineerd met de HFM-modules (hittefilm-luchtmassasensor), die op hun beurt in de aanvoer van verse lucht geïntegreerd zijn en het motormanagement van exacte informatie voorzien over de massa verse lucht. Dat levert dan weer een aanzienlijke vermindering van de uitstoot van stikstofoxide op. De resultaten zijn hoogst indrukwekkend: efficiënte motorwarming, een lagere uitstoot als de motor nog koud is dankzij hogere verbrandingstemperaturen, een lagere uitstoot als de motor al warm is dankzij een goede EGR-compatibiliteit en een goede EGR-koeling, geen neiging tot opstapelen van aanslag, én een lange levensduur. De motor kan gestart worden bij temperaturen tot ongeveer nul graden Celsius met een korte voorverwarming; de efficiënte turbolading garandeert dat de motor stabiel loopt zonder over te slaan, zelfs wanneer hij koud is.

Inlaatklep voor optimale luchttoevoer

De verbrandingslucht stroomt vervolgens in de ladingslucht-distrubutiemodule, die elke cilinder op een uniforme manier van lucht voorziet. In de distributiemodule is een elektrisch gestuurde inlaatklep ingebouwd waardoor de transversale ruimte van de inlaatklep van elke cilinder vlot in grootte kan veranderen. Dit wijzigt de draaiing van de verbrandingslucht waardoor de ladingsbeweging in de cilinder een optimale verbranding en dito uitlaatemissies garandeert, en dat over het volledige spectrum van de motorbelasting en de toerentallen.

Achteraan gemonteerde nokkenasaandrijving

Het mechanisme van de kleppentiming is nog zo een nieuwe ontwikkeling. Het vermindert de wrijving bij de zestien inlaat- en uitlaatkleppen. Die worden aangestuurd door één overkoepelende inlaatas en één overkoepelende uitlaatas die optreden via nokvolgers met hydraulische kleppenzuivering. De nokkenas, de Lanchester-balansas en ook de hulpcomponenten worden aangedreven door een combinatie van tandwielen en een heel korte kettingoverbrenging. Het was daardoor mogelijk om de gestegen geluidsniveaus, eigen aan een kettingoverbrenging, te verlagen.

Bestuurbare olie- en waterpompen besparen brandstof

De elektrisch gestuurde water- en oliepompen die afhankelijk van de noden geactiveerd kunnen worden, zijn eveneens uniek voor een dieselmotor in serieproductie. De zuiger wordt gekoeld door een oliepomp met een centrale klep voor alle vier de verstuivers met grote mondstukken. Het resultaat is een identieke warmte voor alle cilinders. De zeer ruime mondstukken beloven een optimale koeling van de zuigers, zelfs wanneer ze onder volle belasting werken, wat garant staat voor een lange levensduur. De aanstuurbare oliepomp vermindert de oliestroom – en daarom het brandstofverbruik.

De bestuurbare waterpomp is nog zo’n unieke innovatie. Net zoals de bestuurbare olieverstuivers helpt de waterpomp om zowel de verbrandingskamer als de wrijvingselementen op te warmen, waardoor tegelijk het brandstofverbruik en de niet-behandelde emissies worden verminderd.

Ontwikkelingspotentieel is zeker nog niet uitgeput

Ondanks zijn ongeëvenaarde vermogen, voorbeeldige werking en voortreffelijke brandstofverbruik beschikt de nieuwe viercilinder-dieselmotor van Mercedes-Benz over nog meer, onaangeboord potentieel. Onderzoek en ontwikkeling gaan volop verder. Momenteel wordt bijvoorbeeld gewerkt aan een ultraflexibele injectietiming met een nog positiever effect op de motoremissies.

Bovendien zou het brandstofverbruik nog verder kunnen worden verminderd als de nieuwe ster van de dieselsector gecombineerd wordt met andere technologieën voor verbruiksoptimalisatie – zoals die in hybride voertuigen.

&