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978-3-658-18443-8 14

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Familiengründer OM654
Dr. Markus Kemmner | Peter Lückert | Torben Roth | Tillmann Braun
© Daimler AG
Ein Novum: Erstmals erscheint eine neue Modellreihe mit einem neuen Motor.
Mit dem 2-l-Vierzylinder OM654 legt Mercedes-Benz die Basis der künftig einheitlichen Dieselmotoren-Familie. Zahlreiche Neuentwicklungen sorgen für
mehr Komfort und größere Effizienz.
© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017
J. Liebl (Hrsg.), Mercedes-Benz E-Klasse, ATZ/MTZ-Typenbuch, https://doi.org/10.1007/978-3-658-18443-8_14
Familiengründer OM654
Diesel-Powertrain-­
Portfolio
Erste Überlegungen zum künftigen Dieselmotoren-Portfolio bei Mercedes-Benz
begannen bereits im Jahr 2011. Richtungsweisend für die Technologiestrategie waren die Forderung nach einer hohen Zukunftsfähigkeit, die bis in die Mitte
des nächsten Jahrzehnts reicht und der
damit verbundene technologische Führungsanspruch von Mercedes-Benz im
Premiumsegment.
Primäre Entwicklungsziele waren die vier
klassischen Felder:
QQ CO2- beziehungsweise Verbrauchsminderung
QQ Erhöhung der Leistungsdichte zur
Steigerung der Fahrleistungen
QQ Erfüllung aller künftigen Emissionsanforderungen
QQ Komfortsteigerung.
Anhand dieser Entwicklungsziele sollte
sichergestellt werden, dass die hohen Erwartungen der Kunden an einen agilen
Antrieb mit einem deutlich erhöhten
Komfortanspruch erfüllt werden. Außer-
dem sollten „Best-in-Class“-Verbräuche
und die Emissionszielerfüllung im realen
Kundenfahrbetrieb gewährleistet sein.
Ausgehend von diesen Anforderungen
war die Entscheidung für die Auslegung
der Architektur und Hauptabmessungen
mit der Festlegung des Lastenhefts klar:
QQ einheitlicher Zylinderabstand mit
90 mm (analog der Ottomotoren)
QQ Einzel-Zylinder-Hubvolumen von
knapp 500 cm3
QQ Auslegung auf eine spezifische Leistung von bis zu 90 kW/l
QQ Aluminium als Werkstoffwahl für das
Kurbelgehäuse-Konzept
QQ komplette Abgasnachbehandlung
als integraler Motorbauraumumfang.
Hierdurch war es möglich, eine einheit­
liche Basis für die Anforderungen des gesamten künftigen Mercedes-Benz
Dieselmotoren-Portfolios zu legen, das
Potenziale birgt bis hin zu den künf­tigen
Top-Typen im Sechszylinder-Premiumsegment.
Der hier vorgestellte 2-l-Vierzylinder
OM654 stellt die Basismotorisierung dieser zukünftigen einheitlichen Dieselmotoren-Familie dar.
149
Bild 1
Innovationen
(© Daimler AG)
150
Die neue E-Klasse von Mercedes-Benz
Innovationen
Der neue Dieselmotor OM654 ist ein
Vierzylinder-Reihenmotor mit knapp
2 l Hubraum. Zylinderkopf und Kurbelgehäuse sind in Aluminium ausgeführt, wobei die Zylinderlaufbahnen eine Nanoslide-Beschichtung haben,
Bild 1. Bei einem Zylinderabstand von
90 mm konnte eine sehr kompakte Außengeometrie konstruiert werden. Eine
Bohrung von 82 mm und einem Hub
von 92,3 mm ermöglichen es, ein sowohl für die Reibleistung als auch für
die Thermodynamik vorteilhaftes Hub/
Bohrungsverhältnis s/D von 1,12 dar­
zustellen. Der Motor hat ein um 12 mm
geschränktes Triebwerk; die Zylinderbohrungen sind gegenüber der Kur­
belwellenachse zur kalten Seite hin versetzt. Dadurch konnten sowohl Reibungs- als auch Packagingvorteile
realisiert werden.
Der Motor hat vier Ventile pro Zylinder
und zwei oben liegende Nockenwellen.
In der vorgestellten Variante werden ein
einstufiger Turbolader mit VTG und ein
Common-Rail-Einspritzsystem mit Piezo-Servo-Injektoren und 2050 bar Einspritzdruck eingesetzt. Zur weiteren
Steigerung der Verbrauchseffizienz sind
die Stahlkolben beim OM654 erstmals
Bild 2
Leistungs- und
­ rehmomentkurve
D
(© Daimler AG)
mit einer Stufenmulde ausgeführt. Die
Nennleistung des OM654 beträgt 143
kW (spezifisch 73 kW/l) bei einem maximalen Drehmoment von 400 Nm, was
einem Mitteldruck von 25,8 bar entspricht, Bild 2. Die zukunftssichere
Emissions­auslegung fußt auf der AdBlue-basierten Stickoxidreduzierung
mit SCR-Katalysatoren und schließt die
zukünftigen Anforderungen für RDE
und WLTP mit ein.
Zur Partikelfilterung und Stickoxidreduzierung ist eine kompakte Abgasanlage
mit DOC, AdBlue-Dosierung und sDPF in
motornaher Anordnung vorgesehen.
Durch die motornahe Anordnung hat die
Abgasnachbehandlung einen geringen
Wärmeverlust und optimale Arbeitsbedingungen. Das gesamte Motorkonzept,
insbesondere die heiße Motorseite, wurde stark von der Integration der Abgasanlage beeinflusst. Besonderer Wert wurde
darauf gelegt, dass die Abgasanlage möglichst unverändert in viele Fahrzeugapplikationen übernommen werden
kann.
Durch eine Mehrwege-AGR, die gekühlte
Hochdruck- und Niederdruck-AGR kombiniert und gleichzeitig auch die AGRKühlung in der Aufheizphase umgeht,
werden die Rohemissionen des Motors
im gesamten Kennfeld bei verbrauchsop-
Familiengründer OM654
Motorbauart
R4-Dieselmotor
Bohrung × Hub
82 × 92,3 mm
Zylinderabstand
90 mm
Hubraum
1950 cm3
Nennleistung (bei Drehzahl)
143 kW (3800 min-1); 73 kW/dm3
Nennmoment (bei Drehzahl)
400 Nm (1600 – 2600 min-1); pme = 25,8 bar
Kurbelgehäuse
Aluminium-KGH mit Nanoslide-Zylinderlaufbahn, Schränkung 12 mm zur
Gegendruckseite, integrierter Lanchester-Ausgleich
Zylinderkopf
Aluminium-Zylinderkopf, 4-Ventil-DOHC
Triebwerk
Stahlkolben; geschmiedete Kurbelwelle, 5-fach gelagert
Verdichtungsverhältnis
15,5
Einspritzung
Common Rail mit 8-Loch Piezo Servo Injektor, 2050 bar
Aufladung
1-stufige Aufladung, variable Turbinengeometrie
Abgasrückführung
Mehrwege-AGR mit gekühlter Hochdruck- und Niederdruck-AGR
Abgasnachbehandlung
AdBlue-DeNOx, motornahe Kombibox mit DOC, SDPF, SCR
Motorgewicht
702007 DIN GZ (trocken) [kg]: 168 kg, fahrfertig 208 kg inkl. motornaher
Abgaslage
Emissionsstufe
Euro 6-2; Auslegung für WLTP und RDE
151
Tabelle 1
Technische
Hauptdaten
(© Daimler AG)
Bild 3
Kraftstoffverteilung
(mit Verbrennung)
im Brennraum
(© Daimler AG)
timaler Lage des Verbrennungsschwerpunkts deutlich abgesenkt.
Konstruktive Merkmale
Ausgangspunkt der Entwicklung der neuen Mercedes-Benz Powertrain Architektur (MPA) war die Frage, wie ein Architekturkonzept der Motoren/Getriebe mit ei-
ner einheitlichen Posi­
tionierung im
Fahrzeug in Verbindung mit einer motornahen Anordnung der Abgasanlage in
den aktuellen und zukünftigen Fahrzeugbaureihen realisiert werden kann. Die
Aufgabenstellung wurde durch folgende
Maßnahmen gelöst, Tabelle 1:
1. kompakte Abmessungen des Grundmotors im Hinblick auf minimale Motorbaulängen und -höhen
152
Die neue E-Klasse von Mercedes-Benz
2. senkrechter Einbau der Motoren
in den Fahrzeugen
3. Schränkung des Triebwerks um
12 mm in Richtung Einlassseite (linke
Motorseite)
4. einheitliche Position der Motoren/Getriebe in den jeweiligen Fahrzeugbaureihen in Verbindung mit einer bauraumoptimi er t en Anordnun g
der Komponenten und Aggregate.
Die Festlegung von Bohrung 82 mm
und Hub 92,3 mm erfolgte im Hinblick
auf ein Einzel-Zylindervolumen von
knapp 500 cm3, maximale Spitzendruckfähigkeit des Alu-Kurbelgehäuses
(205 bar) sowie ein optimales Pleuelstangenverhältnis bezüglich Verbrennung
und Reibung.
Thermodynamik
Bild 4
Systematische
Darstellung
Mehrweg-AGR
(© Daimler AG)
Für den OM654 wurde ein komplett
neues Brennverfahren entwickelt. Erstmals im Pkw kommt das StufenmuldenBrennverfahren zur Anwendung. Das
Hauptmerkmal ist die beschriebene Kolbenmulde, die als sogenannte Stufenmulde ausgeführt wurde und nicht wie bisher
als Omega-Mulde. Vorteil dieses neuen
Brennverfahrens ist eine sehr
gute Luftausnutzung bei geringer Partikel-
emission. Durch die gegenüber der Omega-Mulde gesteigerte Brenngeschwindigkeit steigt der Wirkungsgrad. Der Rußeintrag ins Motoröl sowie Kraftstoffbenetzung
der Zylinderwand wird durch den muldenformbedingten Frischgasvorhang reduziert, Bild 3. Aufgrund der geänderten
Strömungsverhältnisse im Brennraum ergeben sich ein geringerer Wärmeabfluss
über die Zylinderwand sowie eine gleichmäßigere Temperaturverteilung am Zylinderkopf und eine Entlastung der hoch­
beanspruchten Ventilstege. Insgesamt resultieren daraus verringerte Wandwärmeverluste, die ebenfalls zur Wirkungsgradsteigerung beitragen.
Mehrwege-AGR
Auf Basis der guten Erfahrungen
mit einem zusätzlichen ND-AGR-Pfad
bei der Euro-6-Rohemissionsvariante
des Vorgängermotors OM651 wurde
auch die neue Motorengeneration mit
zwei AGR-Pfaden ausgerüstet. Diese
Kombination ermöglicht es, in einem
sehr großen Kennfeldbereich bei wirkungsgradoptimalen Einstellungen zukünftige Rohemissionen darstellen
zu können und die große Spannbreite
der Fahrzeugvarianten mit einheit­
Familiengründer OM654
lichen Hardwarekomponenten sowie einer geringen Applikationsvarianz abzudecken, Bild 4.
Die Luftpfadmodellierung und Regelungsstrategie erlauben im ganzen Kennfeld einen voll variablen Mischbetrieb
aus HD- und ND-AGR und stellen damit
die Grundlage dar, die stationär auf Verbrauch optimierten Einstellungen auch
instationär fahren zu können. Die Darstellung der gefahrenen Gesamt-AGRRaten in Bild 5 zeigt, dass hier bereits
RDE-Anforderungen umgesetzt wurden
und deshalb bis zur stationären Volllast
die AGR aktiv ist.
lich Durchfluss und Lochgeometrien auf
den neuen Brennraum angepasst wurde,
Bild 6. Erstmals findet die Einstempelpumpe CP4 Verwendung, die in vergleichbarer Ausführung bereits seit einiger Zeit
am Markt bewährt ist. Die Hochdruckpumpe wurde in Bezug auf das Gewicht
und den Wirkungsgrad verbessert. Der Antrieb der Pumpe ist so gewählt, dass eine
thermodynamisch optimale, einspritzsynchrone und phasenlagenoptimierte Förderung erfolgt.
Einspritzsystem
Strategische
Entwicklungs­ziele des
Emissionskonzepts
Der bekannte Piezo-Injektor CRI3 der Firma Bosch ist bei Mercedes-Benz seit über
zehn Jahren in unterschiedlichsten Systemdruckstufen äußerst erfolgreich im
Einsatz und wurde für die Anwendung im
OM654 in Bezug auf die Thermodynamik
weiterentwickelt. Der maximale Systemdruck liegt bei 2050 bar. Zum Einsatz
kommt eine Acht-Loch-Düse, die bezüg-
Die Abgasnachbehandlungskomponenten
bilden einen integralen Bestandteil des
Motors und sind elementare Bausteine für
das Niedrigemissionskonzept mit hohem
Verblockungsgrad. Sowohl die Dimensionierung und Konstruktion, als auch die
funktionale Ausgestaltung sind konsequent auf die Erfüllung zukünftiger Emissionsgesetzgebungen (WLTP und RDE) aus-
153
Bild 5
Gesamt-AGR-Raten
im Kennfeld
(© Daimler AG)
154
Die neue E-Klasse von Mercedes-Benz
gelegt. Sie folgen der Zielsetzung eines
Einheitssystems mit gleichen Schnittstellen zur Fahrzeugperipherie und geringer
Applikationsvarianz in der Vielzahl der
Anwendungen. Die Schwerpunkte der
strategischen Lastenheftziele und der
Konzeptmerkmale zeigt Bild 7.
Daraus ergeben sich die wesentlichen
zwei Maßnahmen:
QQ Motornahe Anordnung und SCR-Beschichtung auf DPF (sDPF)
QQ Große Substratquerschnitte und
einheitliche Katalysatorvolumina.
Motornahe Anordnung
Bild 6 Anordnung Injektor-Strahlkegel am Stufenmulden-Kolben
(© Daimler AG)
Bild 7 Abgasnachbehandlung: Strategie und Konzeptmerkmale
der Systemaus­legung
(© Daimler AG)
Alle für die Effizienz der Emissionsminderung relevanten Komponenten sind
direkt am Motor verbaut. Unterstützt
durch Isolationsmaßnahmen und weiterentwickelte Katalysatorbeschichtungen
kann motorseitiges Temperaturmanagement im Kaltstart und Niedriglastbetrieb
vollständig entfallen. Die Integration der
SCR-Funktion in den Partikelfilter (sDPF)
schafft optimale Bedingungen für eine
Familiengründer OM654
effiziente NOx-Minderung bereits bei
niedrigen Abgastemperaturen. Daraus
ergeben sich weitere Vorteile für das
Emissions­verhalten in Niedriglastkollektiven (RDE) und Freiheitsgrade für eine
verbrauchsoptimale Verbrennungs­
einstellung (CO2-Gesetzgebung).
Große Substrat­
querschnitte
Eine besondere Herausforderung war
die Festlegung der Substratvolumina
für hohe Umsatzraten im gesamten Fahrzeugportfolio bei gleichzeitiger Erfüllung
der Packageanforderungen aller Module.
Auch hier konnte durch frühzeitige Simulation eine optimale Auslegung und Dimensionierung erreicht werden. Durch
eine entsprechende Architektur und aufwendige Detailarbeit war es möglich, die
geforderten Durchmesser und Volumina
(DOC: 6,2", 1,95 l / sDPF: 7,0", 3,8 l / SCR:
7,0", 2,8 l) innerhalb der fahrzeugseitig
vorgegebenen Packagerestriktionen der
Abgasanlage umzusetzen. Das reduziert
zusätzlich den Gesamtdruckverlust der
Abgasanlage bedeutend, woraus sich signifikante Vorteile für Motorleistung, Agilität und Kraftstoffverbrauch ergeben.
Bild 8 zeigt die Gesamtanordnung.
Individualisierung
Powertrain
Die einzelnen Fahrprogramme ECO,
Comfort, Sport und Sport+ unterscheiden sich signifikant in der Erlebbarkeit
für den Fahrer. Dies wird ermöglicht
durch die Kombination von Features (Segeln, Launch Control) und spezifische
Applikationen von Teilfunktionen (beispielsweise Fahrpedalcharakteristik,
Lastschlagdämpfung) in den jeweiligen
Fahrprogrammen.
155
Bild 8
Anordnung
Abgaskomponenten
Hotend
(© Daimler AG)
156
Die neue E-Klasse von Mercedes-Benz
Bild 9
Vergleich
Ampelstartwerte
0 m – 4 m –
10 m – 20 m
Fahrzeugergebnisse
(© Daimler AG)
Bild 10
CO2-Emissionen im
Vergleich zum
Vorgängeraggregat
(© Daimler AG)
Der Vorgängermotor E 220 d hat eine
zweistufige Turboaufladung und rund
10 % mehr Hubraum. Eine besondere Herausforderung war daher das Erreichen
einer nochmals verbesserten Anfahrperformance in Form eines guten Ansprechverhalten und einer souveränen Drehmomentcharakteristik. Durch konsequente
Optimierung von Ansprechverhalten,
Drehmomententfaltung und Fahrleistung, aber auch aufgrund des geringeren
Motor­gewichts, hat der OM654 beispielsweise beim Ampelstart klare Vorteile gegenüber dem Vorgänger, Bild 9. Mit der
konsequenten Auslegung des OM654 auf
niedrigsten Kraftstoffverbrauch konnte
eine sehr geringe CO2-Emission realisiert
werden. Die hohe Effizienz des OM654 in
Familiengründer OM654
157
Bild 11
Vergleich
0 bis 100 km/h
(© Daimler AG)
Verbindung mit dem NeungangAutomatik­getriebe zeigt sich insbesondere bei der Betrachtung der Fahrzeug-CO2Emissionen im Vergleich zum Vorgängeraggregat, Bild 10. Hierbei erreicht der
OM654 einen neuen Spitzenwert mit
102 g CO2/km. Ebenso wird mit dem
OM654 Powertrain ein sehr dynamischer
Antrieb mit klassenbesten Fahrleistungen
realisiert. Im Vergleich zum direkten Vorgänger werden die Fahrleistungen – bewertet in der Beschleunigungszeit 0 bis
100 km/h – um über 10 % beziehungsweise um 1 s reduziert, Bild 11.
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