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Ottomotoren

Der neue V6-Ottomotor M 272 von Mercedes-Benz

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Die Autoren

Im Frühjahr 2004 stellte Daimler-Chrysler den neuen V6-Ottomotor – hausinterne Bezeichnung M 272 – im neuen SLK in der Variante mit 3,5 l Hubraum vor. Sie stellt die Basisentwicklung für eine neue Motorenbaureihe dar, die in den Folgejahren die bewährten V-Motoren der Baureihe M 112 Zug um Zug ersetzen wird. Konzipiert als Sechszylinder-Saugmotor in 90°-V-Anordnung kommt dieser Vierventiler weltweit zum Einsatz. Der neue Motor, entwickelt in nur 36 Monaten, zeichnet sich durch niedrige Fahrverbrauchs- und Emissionswerte sowie ein ausgefeiltes Akustikdesign aus – wobei die unterschiedlichen Fahrzeugkonzepte eine einflussreiche Rolle bezüglich spezifischer Motoradaptionen spielen werden.

1 Einleitung

Die im folgenden Beitrag beschriebene neue Sechszylinder-Ottomotorisierung bildet als erste Variante die Basis einer komplett neuen Generation von V-Motoren, die sukzessive die bisherigen Baumuster der aktuellen M112-Motoren ablösen wird. Der Entwicklungsanspruch war dabei, nicht nur eine Spitzen-Motorisierung bezüglich der erzielten spezifischen Kennwerte darzustellen, sondern diese ebenso in einen individuell erlebbaren Kundennutzen innerhalb eines weltweiten kundenorientierten Aggregateportfolios im Premiumsegment umzusetzen. Der zunehmend auf das fahrzeugspezifische Anforderungsprofil im Markt abgestimmten Motorisierung kommt dabei eine besondere Bedeutung zu.

Vor dem Hintergrund sich weiter verschärfender und hierdurch auch diversifizierenden weltweiten Rahmenbedingungen bezüglich Verbrauchsanforderungen und Emissionsgesetzgebungen wird die Zukunftsfähigkeit eines Antriebs zunehmend durch die Modularität der einsetzbaren Technologien bestimmt. Zielsetzung der Entwicklung war es daher, die neue Motorgeneration mit der notwendigen Basistechnik für das beschriebene Anforderungsprofil auszurüsten und diese so darzustellen, dass zukünftige Anforderungen durch modulare Erweiterungen möglich sind. Trotz höchster Anforderungen konnte die Entwicklung für diesen Antrieb in 36 Monaten erfolgreich abgeschlossen werden. Mit Blick auf die Anforderungen an den Spitzenantrieb der neuen SLK-Baurei-

Dipl.-Ing. Peter Lückert ist Leiter der Entwicklung PkwOttomotoren bei der Daimler-Chrysler AG. Dipl.-Ing. Anton Waltner ist Entwicklungsprojektleiter und Leiter Verbrennungsentwicklung der Sechszylinder-Ottomotoren bei der Daimler-Chrysler AG. Dipl.-Ing. Erhard Rau ist Leiter Konstruktion und Mechanikversuch der SechszylinderOttomotoren bei der Daimler-Chrysler AG. Dipl.-Ing. Guido Vent ist Leiter Entwicklung Abgassysteme Ottomotoren bei der Daimler-Chrysler AG. Dr.-Ing. Hans-Christoph Wolf ist Leiter Elektronikentwicklung Powertrain, Ottomotoren, bei der Daimler-Chrysler AG.

2 Zielsetzungen Bild 1: Entscheidungsmatrix „Technologie und Kundennutzen“ Figure 1: Technology and customer benefit decisionmaking matrix

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he standen neben einem hohem Komfortanspruch und geringem Kraftstoffverbrauch insbesondere eine sportliche Motorauslegung mit hoher Agilität, Drehvermögen und Leistungsentfaltung sowie einer segmentspezifischen Soundcharakteristik besonders im Vordergrund. 2 Zielsetzungen

Folgende Kernpunkte des Lastenhefts definierten zu Projektbeginn die vielfältigen Aufgaben und Herausforderungen des Projektteams: ■ Spitzenmotorisierung für C- bis hin zur S-Klasse ■ günstiger Fahrverbrauch ■ benchmarkfähiges NVH-Verhalten mit fahrzeugspezifischem Soundcharakter ■ SULEV-Fähigkeit ■ Servicefreundlichkeit ■ hoher Qualitätsstandard ■ hohe Zuverlässigkeit ■ Flexibilitätsansprüche für die Produktion ■ modulare Basis für weitere Technologiebausteine und Antriebsvarianten. Vor dem Hintergrund dieser Anforderungen wurden zu Projektbeginn die Umfänge mit Übernahme- beziehungsweise Weiterentwicklungspotenzial aus der Vorgänger-Baureihe identifiziert. Bewährte Konzepte, Baugruppen und Komponenten wurden mit gegebenenfalls entsprechen-

den Anpassungen übernommen – etwa Zylinderabstand und -anordnung mit 90°V-Winkel, das Kurbelgehäuse-Druckgusskonzept mit Aluminium-Silizium-Laufbuchsen und der Massenausgleich mit dem Ausgleichswellenkonzept zur Laufruhe-Optimierung. Alle weiteren Bauteile und Baugruppen bis hin zur Motorsteuerung sowie das Abgas-Gesamtkonzept wurden grundlegend neu konzipiert. Die Festlegungen zu Konzepten und deren Auslegung erfolgten auf Basis von umfangreichen Variantenbetrachtungen mit einem deutlich erweiterten Simulationsumfang in der Frühphase des Projekts. Insbesondere einem entsprechenden Technologiemonitoring wurde hierbei eine breite Bedeutung eingeräumt. Eine sehr verkürzte Matrix, die bei diesen Entscheidungsprozessen hinsichtlich Technologieeinsatz und Kundennutzen eine Rolle spielte, zeigt als Beispiel Bild 1. 3 Grundkonzept der Konstruktion

Bei allen Konzeptfestlegungen wurde von Anfang an darauf geachtet, dass die Kernthemen „hochwertiges NVH-Konzept“ sowie „leistungsorientierter Basismotor“ eine entscheidende Rolle für die weiteren Konstruktionsüberlegungen spielen mussten. Weiterhin wurde Wert darauf gelegt, dass Aspekte zur Systemintegration eben-

so berücksichtigt wurden wie Fragestellungen zur günstigen Fertigungs- und Montagefähigkeit sowie Servicefreundlichkeit. Um schlussendlich nach heutigen Maßstäben günstigste Bearbeitungszeiten je Motor realisieren zu können, waren Service- und Produktionsexperten bei der Konzeptbeschreibung und den konstruktiven Lösungsfindungen grundsätzlich eingebunden. 4 Konstruktionsmerkmale

Im Folgenden werden die zentralen Umfänge der Grundmotorenkonstruktion, der Ladungswechselorgane sowie des Kühlkonzepts behandelt. Quer- und Längsschnitt des 3,5-l-V6-Motors sind in Bild 2 und in Bild 3 dargestellt. 4.1 Triebwerk und Kurbelgehäuse

Das Kernstück des Triebwerks bildet die vierfach gelagerte, geschmiedete Kurbelwelle mit sechs Gegengewichten und induktiv gehärteten Haupt- und Pleuellagern, die in Verbindung mit sehr guten Biege- und Torsionssteifigkeiten und dem am Triebwerk konsequent betriebenen Leichtbau eine hohe Eigenfrequenz gewährleisten. Die Pleuel, Bild 4, sind als SchmiedeCrack-Pleuel konzipiert und zur Erzielung einer optimalen Laufruhe gewichtsgefräst.

4 Konstruktionsmerkmale

Bild 2: Motorquerschnitt M 272 E 35 Figure 2: Cross-section of the M 272 E 35 engine

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Bild 3: Motorlängsschnitt M 272 E 35 Figure 3: Longitudinal section of the M 272 E 35 engine

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Auch die Erreichung einer möglichst geringen Gesamtmasse war ein wesentliches Entwicklungsziel. Hierzu wurden deshalb folgende Maßnahmen umgesetzt: ■ Verwendung des hochfesten Werkstoffs 70MnVS4 ■ Trapezpleuelkonzept mit Pleuel-Obenführung; dies wirkt sich zusätzlich zur verringerten Pleuelmasse auch positiv auf die Gewichte von Kolben und Kolbenbolzen aus; die Trapezform ermöglicht außerdem bei verringertem Materialeinsatz eine Erhöhung der Steifigkeit im kleinen Pleuelauge um den Faktor 2 ■ Optimierung des Spannkonzepts – dadurch konnte eine genauere Positionierung des Pleuels in der Bearbeitung und somit eine weitere Reduzierung der NennQuerschnitte erreicht werden, ohne dabei die minimalen Wandstärken nach Toleranz zu unterschreiten. Zusammen mit einer gründlichen, festigkeitsoptimierten Detailkonstruktion wurde so ein Pleuelgewicht von 485 g erreicht, was einer durchschnittlichen Massereduzierung von 15 bis 20 % im Vergleich zum Wettbewerb im Vergleichsegment entspricht.

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Zielsetzung für die Kolben beziehungsweise die Kolbenring-Paketauslegung war die Massen- und Reibleistungsreduzierung. Durch ein neues Gießwerkzeugkonzept wird das Kolbengewicht um 12 % reduziert. Die gesamtheitliche geometrische Optimierung, auch im Zusammenhang mit der Pleuel-Obenführung, führte zu einem sehr kurzen und damit leichten Kolbenbolzen. Zur Realisierung kleinster, geräuschrelevanter Spiele und zur Verbesserung der Notlaufeigenschaften werden die im Schwerkraftguss hergestellten Kolben mit Kunststoff beschichtet, in den Eisenpartikel als Laufmatrix eingelagert sind. Zur Reduzierung des Nutverschleißes und damit zur Stabilisierung der Motorfunktionswerte wird eine verbesserte Harteloxal-Nutbeschichtung eingesetzt. Um der Anforderung nach exzellenter Laufruhe über dem gesamten Drehzahlbereich bei deutlich erhöhter spezifischer Leistungsanforderung Rechnung zu tragen, wird neben der bereits erwähnten und von der Vorgängerbaureihe übernommenen Ausgleichswelle (eine im V der Zylinderbänke angeordnete, gegenläufig zur Kurbelwelle drehende Hohlwelle mit Ge-

wichten an den Wellenenden) ein ZweiMassen-Schwingungsdämpfer eingesetzt. Bild 5 zeigt das Triebwerk. Die Schwerpunkte der korrespondierenden Maßnahmen am Kurbelgehäuse hatten das Ziel, durch eine durchgängige Querverschraubungen der Lagerstühle, eine Verbreiterung der Grundlager und der Motorträgeranbindung in Z-Richtung (Hochachse) sowie durch eine gezielte Kurbelgehäuseverrippung die Erhöhung der Struktursteifigkeit zu realisieren und damit eine weitere Verbesserung des NVHVerhaltens bei erhöhten Anforderungen im Volllastbetrieb umzusetzen, Bild 6. Das Aluminium-Druckguss-Kurbelgehäuse in Schürzenbauweise weist – wie bereits bei der Vorgängerbaureihe – sprühkompaktierte Aluminium-Silizium-Laufbuchsen auf, die im Druckgussprozess direkt umgossen werden und so neben einem sehr guten Wärmeübergang und geringer Verzüge die Basis für ein sehr leichtes Kurbelgehäusekonzept bilden [1]. Zusätzlich zur Verbreiterung der Grundlager und zur Verstärkung der Grauguss-Lagerdeckel werden diese nunmehr an allen Lagerstellen mit dem Kurbelgehäuse querverschraubt.

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4.1 Triebwerk und Kurbelgehäuse Bild 4: Geschmiedetes LeichtbauStahlpleuel Figure 4: Forged lightweight steel connecting rod

Ferner wurde ein Motorträgerflansch mit quadratischem Querschnitt realisiert, wodurch die Eigenfrequenz in allen Raumrichtungen vergleichbar hohe Dimensionen aufweist. Dadurch ist sichergestellt, dass die dynamische Steifigkeit um eine Größenordnung höher ist als die der Motorlager, was zu einer sehr guten Körperschallentkopplung führt, Bild 7. 4.2 Zylinderkopfkonzept und Steuerung

Bild 5: Leichtbautriebwerk des M 272 mit 2-Massen-Schwingungsdämpfer Figure 5: Lightweight crank assembly of the M 272 with 2-mass vibration damper Bild 6: Zylinderkurbelgehäuse des M 272 Figure 6: Crankcase of the M 272

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Für den M 272 wurde wieder das in vielen Mercedes-Benz-Motoren bewährte Vierventilkonzept mit zwei Nockenwellen, Phasenstellern und zentraler Zündkerze ausgewählt, um unter anderem eine Basis für mögliche weitere Innovationsschritte zu schaffen. Bild 8 zeigt einen Teilquerschnitt durch den insgesamt kompakt gestalteten Brennraum. Im Zusammenspiel mit dem engen Ventilwinkel von 28,5° wurde ein Verdichtungsverhältnis von ε = 10,7 realisiert. Bild 9 visualisiert ergänzend die Brennraumverhältnisse in Relation zu einer ausgewählten Kolbenposition. Die obere Lagerung der beiden Nockenwellen pro Zylinderbank erfolgt direkt durch die aus Aluminium-Druckguss gefertigte Zylinderkopfhaube. Hierdurch war es möglich, eine sehr steife und kompakte Bauform darzustellen. Die Nockenwellenversteller der Ein- und Auslassnockenwellen sind jeweils am vorderen Nockenwellenflansch verschraubt. Durch die Ausführung als Flügelzellenversteller ist eine schnelle und stufenlose Steuerzeitenvariation über einen weiten Verstellbereich (derzeitig Gesamtverstellbereich von 40° KW) zur Erschließung der Potenziale für hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen sowie hoher spezifische Leistungen realisiert. Insbesondere durch die zusätzliche auslassseitige Nockenwellenverstellung konnte eine präzisere Steuerung und damit eine kennfeldabhängige erhöhte interne Abgasrückführung dargestellt werden. Damit war es möglich, die verbrauchsgünstigen Bereiche im Kennfeld auszuweiten und bei kleiner Überschneidung eine sehr gute Leerlaufqualität darzustellen. Den konstruktiven Aufbau des Flügelzellen-Nockenwellenstellers zeigt Bild 10. Durch die konstruktive Ausführung, in der das Öldruckniveau über das in der Zentralschraube integrierte Hydraulikventil geregelt wird, ist eine sehr kompakte Bauform möglich. Das Sensorkonzept erlaubt die individuelle Lageregelung jedes einzelnen Nockenwellenstellers. Hoher Entwicklungsaufwand wurde betrieben, um ein effektives und dauerstandfestes Dichtungskonzept darstellen zu können, wobei hier

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HASSE & WREDE

4.1 Triebwerk und Kurbelgehäuse

® Good ations Vibr www.hassewrede.de

Bild 7: Optimierung am Motorträger des M 272 Figure 7: Optimization of the engine mount on the M 272

4.2 Zylinderkopfkonzept und Steuerung Bild 8: Brennraumschnitt des M 272 Figure 8: Combustion chamber section of the M 272

insbesondere die Dichtleisten auf geringst mögliche Leckage und Reibung ausgelegt wurden. Der Nockenwellenantrieb erfolgt mittels doppelreihiger 8-mm-Hülsenkette auf die beiden Einlassnockenwellen. Die Auslassnockenwellen werden über ein aus Geräuschgründen verspanntes Zahnradpaar von den jeweiligen Einlassnockenwellen aus angetrieben. Dadurch wurde ein kompakter Steuerungsantrieb erreicht. Die Ölpumpe wurde aus Geräuschgründen als Innenzahnradpumpe ausgelegt und wird über eine kurze Rollenkette mit 7 mm Teilung angetrieben. Den gesamten Kettentrieb zeigt Bild 11. Um der Anforderung des Ventiltriebs nach geringer Antriebsleistung, Minimierung der bewegten Massen und Wartungsfreiheit Rechnung zu tragen, erfolgt die Übertragung der Nockenerhebung durch Rollenschlepphebel mit stehenden Hydraulikelementen zum Ventilspielausgleich. Die Ventiltellerdurchmesser betragen 39,5 mm auf der Einlass- und 30,0 mm auf der Auslassseite. Alle Ventile haben einen einheitlichen Schaftdurchmesser von 6 mm. Die gebauten Nockenwellen sind nach dem Prinzip des Innenhochdruckumformens gefertigt, bei dem die Nocken auf ein – im Fügevorgang mit bis zu 2600 bar Innendruck beaufschlagtes – Trägerrohr kraftschlüssig gefügt werden. Bild 12 zeigt die Ventiltrieb-Anordnung im Detail. 4.3 Kühlmittelkreislauf und Wärmemanagement

Bild 9: Teildarstellung M 272 – Brennraumanordnung mit Kolben Figure 9: Partial view of the M 272 – combustion chamber layout with pistons

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Neukonstruktionen im modernen Motorenbau müssen berücksichtigen, dass durch geeignetes Wärmemanagement hinsichtlich Heizungskomfort, Emissionsniveau und Kraftstoffverbrauch umfassende Optimierungsstrategien umsetzbar sind. Neben der als Querstromkühlung ausgelegten Grundkonzeption des Zylinderkopf-Kühlkreislaufs wurde daher eine warmlauf-kennfeldorientierte Regelung der Kühlmittelströmung mittels elektronischem Drei-Teller-Thermostat vorgesehen, Bild 13. Um die Betriebsbereiche des Motors unter optimierten Temperaturverhältnissen nutzen zu können, wurde eine Regelstrategie festgelegt, deren Grobstruktur Bild 14

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4.2 Zylinderkopfkonzept und Steuerung

als Prinzipdarstellung zeigt. Um diesen Ansatz umsetzen zu können, wird ein elektronisch geregeltes Drei-Teller-Thermostatventil eingesetzt, Bild 15, dessen Funktionen Bild 16 zeigt. Ermöglicht wird ein rasches Aufwärmen der Brennräume durch „stehendes“ Kühlwasser in der Warmlaufphase, bis hin zu frei einstellbaren Kühlwassertemperaturen in Abhängigkeit von Fahrweisen und Umgebungsbedingungen. Zusätzlich erlaubt diese Variabilität den bedarfsgerechten Wärmetransport zum Wärmetauscher des Heizungssystems. 4.4 Luftführung, Ladungswechsel und Verbrennung

Bild 10: Nockenwellensteller des M 272 (Explosionsdarstellung) Figure 10: Camshaft adjuster of the M 272 (exploded view)

Bild 11: M 272Kettentrieb für Einlass-Nockenwellensteller und Ölpumpe Figure 11: M 272 chain drive for intake camshaft adjuster and oil pump

Bild 12: Ventiltrieb des M 272 Figure 12: Valve train of the M 272

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Die wichtigsten Ansprüche an die Verbrennungsauslegung des hier vorgestellten M 272 resultieren aus den spezifischen Forderungen nach Spitzenwerten bei Drehmoment und Leistung, sehr niedrigen Verbrauchswerten, Geräuscharmut, Erfüllung gültiger EU- und US-Abgasgesetze sowie Zukunftsfähigkeit hinsichtlich CO2-Grenzwerten und SULEV-Limits. Die Vierventiltechnik mit zentraler Zündkerzenlage, kontinuierliche Nockenwellenverstellung für Ein- und Auslass, Schaltsaugrohr, Tumbleklappen in den Einlasskanälen sowie eine leistungsfähige Abgasnachbehandlungstechnik, auf die später noch näher eingegangen wird, bilden hierbei die technologische Basis zur Zielerreichung. Um die hohe spezifische Leistung von mehr als 57 kW/LVH erreichen zu können, sind die Luftführungswege für größtmöglichen Luftmassenstrom ausgelegt. Die Rohluftansaugung konnte durch den Einsatz von Gewebeschläuchen geräuschlich optimiert werden (NVH-Konzept), ohne die Strömung nachteilig zu beeinflussen. Ebenso wurden im Luftfilter Resonatoren integriert, um Resonanzen im Ansauggeräusch abzubauen. Es wurden aufwändige Ladungswechsel- und 3D-Strömungsberechnungen für den Einlasstrakt, das Saugrohr und allen weiteren luftführenden Bauteilen von der Konzeptphase bis hin zu Detailfestlegungen durchgeführt, Bild 17. Eine konsequente Füllungsoptimierung für den Volllastbetrieb wurde unter anderem möglich, indem erstmals im Ansaugkanal komplett versenkbare Tumbleklappen ohne strömungstechnische Störkonturen zur Anwendung kommen. Korrespondierend zur Optimierung der Einlasskanäle wurde durch Gaswechselberechnungen belegt, dass bei diesen geometrischen Verhältnissen bereits ein zweistufig längenschaltbares Saugrohr die optimale Darstellung eines homogenen Dreh-

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momentverlaufs ermöglicht, der insbesondere auch im dynamischen Betrieb keinerlei Nachteile erfährt. Bild 18 zeigt die zwei Schaltstufen: ■ Bei geschlossenen Schaltklappen wird ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen infolge der günstigen Schwingungsverhältnisse der „langen“ Saugarme erreicht. ■ Die „kurze“ Saugarmlänge stellt dagegen die hohen spezifischen Leistungswerte im oberen Drehzahlband sicher. Durch Simulationen, abgleichende Messungen und die konsequente Umsetzung der Detailerkenntnisse am Luftführungssystem konnten die Blaswerte im Laufe der Entwicklung um zirka 12 % verbessert werden. Um den Erfordernissen auch in der Teillast Rechnung tragen zu können, sind aus den möglichen Beeinflussungsverfahren für Luftladung und -strömung die Tumbleklappen zur Verbrennungsoptimierung ausgewählt worden. In Bild 19 ist am Übergangsquerschnitt vom Saugrohr hin zu den Einlasskanälen zu erkennen, wie die Tumble-Klappen real positioniert wurden. Die grundsätzlich darstellbaren hohen Restgas-Gehalte durch große Ventilüberschneidungen (erreicht durch Verstellen der Nockenwellen) und durch die damit verbundenen kleineren Ladungswechselverluste führen im Extremfall zu einer relativ „langsamen“ und unstabilen Verbrennung. Will man mögliche Verbrauchsvorteile ergänzend nutzen, sind Maßnahmen zur Erhöhung der Turbulenz im Brennraum notwendig. Die im strömungstechnisch optimal gestalteten Einlasskanal angeordnete Tumbleklappe wird in der Teillast genutzt, um eine ausgeprägte Tumbleströmung zu erzeugen, die im Laufe des Verdichtungstakts in Turbulenz zerfällt, Bild 20. Bild 21 zeigt in einem Teillastpunkt den Einfluss der Tumbleklappe auf die Tumblezahl und den daraus resultierenden Turbulenzverlauf, wobei in dem für die Verbrennungsstabilität wichtigen Bereich bei zirka 700 °KW der Turbulenzwert sich nahezu verdoppelt. Der positive Einfluss auf die Verbrennung ist in Bild 22 dargestellt, die Brenndauer wird in dem dargestellten Punkt um bis zu 30 % reduziert, was sich in nochmals erhöhter Restgasverträglichkeit mit geringen zyklischen Schwankungen und letztendlich in der angestrebten Verbrauchsabsenkung widerspiegelt, Bild 23.

4.3 Kühlmittelkreislauf und Wärmemanagement

4.5 Motormanagement und Einspritzung

Bild 16: Wärmemanagement des M 272 – drei Funktionen im Wasserkreislauf (Prinzipbild) Figure 16: Heat management of the M 272 – three functions in the water circuit (schematic)

Das Motormanagement wurde gemeinsam mit Bosch als Systemlieferant entwi-

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Bild 13: Kühlwasserkreislauf des M 272 Figure 13: Coolant circuit of the M 272

Bild 14: M 272 – Wärmemanagement; Regelstrategie im Motorbetriebskennfeld Figure 14: M 272 heat management; control strategy on the engine performance map

Bild 15: Elektronisch geregeltes 3-Teller-Thermostatventil des M 272 Figure 15: Electronically controlled 3-disk thermostat valve of the M 272

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4.4 Luftführung, Ladungswechsel und Verbrennung

Bild 17 : Strömungsoptimierung im Ansaugsystem des M 272 Figure 17: Flow optimization in the intake system of the M 272

Bild 18: M 272 – Schaltsaugrohr, zweistufig Figure 18 : M 272 – two-stage variable intake manifold

Bild 19 : Tumbleklappen des M 272 (Realbild) Figure 19 : Tumble flaps of the M 272 (real image)

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Bild 20: Einfluss der Tumbleklappe beim M 272 – Berechnungsergebnisse für Teillast Figure 20: Influence of the tumble flap on the M 272 – results calculated for partial load

Bild 21: Einfluss der Tumbleklappe des M 272 bei Teillast (Berechnungsergebnisse hinsichtlich Tumble und Turbulenz) Figure 21: Impact of the tumble flap on the M 272 at partial load (calculated results for tumble and turbulence)

Bild 22: Einfluss der Tumbleklappe beim M 272: Brenndauer versus Turbulenz im Einzelzylinder Figure 22: Influence of the tumble flap on the M 272: Combustion duration versus turbulence in an individual cylinder

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4.4 Luftführung, Ladungswechsel und Verbrennung Bild 23: Verbrauchsoptimierung am M 272 durch Restgasgehalt und Tumbleklappe Figure 23: Fuel consumption optimization on the M 272 due to residual gas level and tumble flap

4.5 Motormanagement und Einspritzung

ckelt. In der momentenbasierten Motorsteuerung ME 9.7 wurde die heute notwendige softwaremäßige Infrastruktur zusammengefasst, Bild 24, um insbesondere den Ansprüchen hinsichtlich Steuerung und Kontrolle der Verbrennung sowie der Abgasqualität Genüge zu tun. Selbstverständlich sind alle notwendigen Diagnosefunktionen integriert, die der Abgasgesetzgeber fordert oder die weltweit in den Werkstattbereichen benötigt werden. Sicherheitscodierungen zur Wegfahrsperre und Steuer- sowie Kontrollfunktionen für das Anbinden der Getriebesteuerungen sind Standard. Die Motorsteuerung wurde entsprechend Bild 25 motorfest angeordnet und ist harmonisch in das aus optischen Gründen weiterhin aus Saugrohr und Deckel konzipierte Motorabdeckungskonzept integriert. Hierbei wurde auf kurze elektrische Wege geachtet, um auftretende Störeinflüsse (EMV) möglichst gering zu halten. Die Zündendstufen sind in die von Delphi gelieferten Zündspulen integriert, die direkt oberhalb der Zündkerzen angeordnet sind. Die neu entwickelten Einspritzventile „Deka 7“ stammen von Siemens VDO Automotive [2]. 4.6 Abgasanlage

Bild 24: Struktur der Motorsteuerung ME 9.7 des M 272 Figure 24: Structure of the ME 9.7 engine control system on the M 272

Um eine wirksame Abgasnachbehandlung darstellen zu können, müssen neben den einsetzbaren Systembausteinen auch die Rahmenbedingungen des zugehörigen Fahrzeugkonzepts bekannt sein. Im Falle des neuen SLK war davon auszugehen, dass im Sinne eines geforderten „sportlichen“ Sounddesigns die üblichen Vorschalldämpfer in einer fast fahrzeugmittigen Position „unter Boden“ platziert werden und die Gesamtanlage doppelflutig mit Übersprechstelle sowie mit entsprechend gestalteten Nachschalldämpfern konzipiert werden. Weiterhin wurde die SULEV-Fähigkeit des Gesamtsystems berücksichtigt, wodurch die zukünftigen EU5-Grenzwerte mit abgedeckt werden können. 4.6.1 Gesamtkonzept

Bild 25: Systemintegration beim M 272 – Anordnung des motorfesten Bosch-Motorsteuergerätes ME 9.7 Figure 25: System integration on the M 272 – positioning of the engine – mounted Bosch ME 9.7 engine controller

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Für den beschriebenen Einsatzfall wurde daher eine Abgasgesamtanlage festgelegt, wie sie Bild 26 zeigt. Die gewählten Rohrdurchmesser sowie die Lage der Übersprechstellen zwischen den beiden Abgassträngen wurden so bestimmt, dass die drehmomentorientierte Motorauslegung positiv beeinflusst wird. Das Gesamtkonzept zur Abgasnachbehandlung basiert darauf, dass mit einer zusätzlichen Sekundärlufteinblasung gearbeitet wird, die auf hohen Durchfluss ausgelegt wurde und die Luftmasse über optimierte Einblasestellen

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4.6.1 Gesamtkonzept

5 Technische Daten

Bild 26: Konzept und Gesamtansicht zur Abgasnachbehandlung des M 272 E 35 im R 171 Figure 26: Concept and general view of the exhaust gas aftertreatment system on the M 272 E 35 in the R 171

4.6.2 Katalysatoren und Sensoren

Bild 28: Motoransicht des M 272 E 35 von Mercedes-Benz Figure 28: Engine view of the M 272 E 35 from Mercedes-Benz

Bild 27: Abgasnachbehandlung des M 272 E 35 – Aufbau des 2-Brick-Katalysators Figure 27: Exhaust gas aftertreatment on the M 272 E 35 – design of the 2-brick catalytic converter

5 Technische Daten Tabelle 1: Technische Daten M 272 E 35 Table 1: Technical data M 272 E 35 Technische Daten

Interne Bezeichnung Zyl.-anordnung / -anzahl V-Winkel Hub Bohrung Hub-/ Bohrungsverhältnis Hubvolumen Anzahl Ventile pro Zyl. Verdichtung Leistung bei Drehzahl Drehmoment bei Drehzahl Spez. Verbrauch im Kennfeldbestpunkt Motorgewicht nach DIN

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mm mm cm3 kW / PS min-1 Nm min-1

M 272 E 35 V6 90 ° 86,0 92,9 0,926 3498 4 10,7 200 / 272 6.000 350 2.400 - 5.000

g/kWh kg

240 165

Bild 29: Abnahmediagramm M 272 E 35 Figure 29: Acceptance diagram of the M 272 E 35

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5 Technische Daten Bild 30: Mitteldruckverlauf des M 272 E 35 Figure 30: Mean pressure curve of the M 272 E 35

Bild 31: Verbrauchskennfeld des M 272 E 35 Figure 31: Fuel consumption map of the M 272 E 35

Bild 32: M 272 E 35 – Vergleichswerte zum Verbrauch im Kennfeldbestpunkt Figure 32: M 272 E 35 – comparative fuel consumption values at the best point of the map

Bild 33: M 272 E 35 – Vergleichswerte „Teillastverbrauch“ Figure 33: M 272 E 35 – comparative values for “partial load consumption”

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in den Auslasskanälen für die Nachverbrennung geeignet zuleitet. 4.6.2 Katalysatoren und Sensoren

Motornahe, direkt an die doppelschaligen LSI-Blechauspuffkrümmer angeschraubte und hochtemperaturfeste Zwei-Brick-Katalysatoren mit linearer Lambdaregelung gehören zum Kernbaustein der eigentlichen Abgasnachbehandlung. Ein Schnittbild durch diese Einheit zeigt Bild 27. Der Keramikgrundkörper des in Strömungsrichtung als Brick 1 angeordneten Bausteins ist ein 50 mm langer Monolith mit 600 cpsi; Brick 2, ebenfalls 600 cpsi, ist dagegen 70 mm lang. Das gesamte Katalysatorvolumen beträgt 2,64 l. Die Platzierung der Diagnose- und Führungssonde in den Spalt zwischen ersten und zweiten Brick führte im Vergleich zu anderen Designvarianten zu deutlichen Dynamikvorteilen für die Lambdaregelung. Zur Minimierung der verbrauchsrelevanten Volllastanfettung wurde für beide Monolithen eine hochtemperaturfeste (bis 1000 °C) Tri-Metall-Beschichtung der neuesten Generation vorgesehen. Ohne kostenintensive Änderungen an der Außenkontur können sämtliche länderspezifischen Anlagenvarianten dargestellt werden. Darüber hinaus bietet das Konzept genügend Potenzial, um weiterführende Abgaslimits (EU5/SULEV) erfüllen zu können. Selbstverständlich wurden An- und Durchströmwerte der relativ großvolumigen Abgasanlage mit 3D-Berechnungen hinsichtlich Druck- und Temperaturverteilung optimiert, um insbesondere auch die Longlife-Haltbarkeit gewährleisten zu können, die inzwischen durch diverse Dauerläufe nachgewiesen wurde. 5 Technische Daten

Bild 28 vermittelt den Gesamteindruck des Motors M 272 E 35, für den in Tabelle 1 die Hauptdaten zusammengestellt sind. Das Abnahmediagramm des M 272 im SLK zeigt Bild 29. Der Mitteldruckverlauf des M 272 E 35 liegt im Vergleich zu Wettbewerbern am oberen Ende des aktuellen FEV-Streubands und bestätigt damit die Anforderung nach einer Spitzenmotorierung im Sinne des Kundenanspruchs im Premiumsegment, Bild 30. Das für den Motor M 272 E 35 typische Verbrauchskennfeld zeigt Bild 31. Vergleichswerte für den Kennfeldbestpunkt liefert Bild 32, solche für den üblichen Teillastwert bei pme = 2 bar, n = 2000/min Bild 33. Die im Rahmen der EU4-Abgas-Zertifizierung ermittelten NEFZ-Verbrauchswer-

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5 Technische Daten Danksagung

Tabelle 2: NEFZ-Verbrauchswerte mit dem M272 E 35 im neuen SLK Table 2: NEDC consumption levels with the M 272 E 35 on the new SLK Testgewicht

City-Cycle

kg

EUDC

NEFZ

Der Dank der Autoren gilt an erster Stelle den Kollegen des

l / 100 km

6-GangSchaltgetriebe

1470

15,5

7,8

10,6

7G-TRONIC Automatgetriebe

1470

14,8

7,8

10,1

Projektteams und weiterhin allen beteiligten Mitarbeitern sowie den Zulieferern für ihre kompetente Unterstützung und die

Tabelle 3: Motor- und Getriebevarianten für den neuen SLK Table 3: Engine/transmission combinations on the new SLK

vielen hilfreichen Hinweise und Anregungen bei der Projekt-

Variantenübersicht Baureihe R 171

SLK 200

SLK 350

M 271 E18 KE

M 272 E35

1. Motordaten

durchführung. Für die Hilfestellung bei der

Motorbezeichnung

Textausarbeitung und Grafik-

Hub

mm

85

86

Bohrung

mm

82

92,9

Hubraum

cm3

1795

3498

Dank Herrn Dipl.-Ing. Detlef

Nenn-Leistung

kW bei min-1

120 bei 5.500

200 bei 6.000

Panten, der als freier Mitarbeiter

Nenn-Drehmoment

Nm bei min-1

240 bei 3.000

350 bei 2.400 bis 5.000

der Daimler-Chrysler AG tätig ist.

2.1 Schaltgetriebe

SG-S270/5.3

SG-S400/5.3

Gangzahl

6

6

2.2 Automatgetriebe

W5A330

W7A400 7G-Tronic

Gangzahl

5

7

Hinterachsgetriebe

HAG 187

HAG 198

Übersetzung

1 : 3,46

1 : 3,27

gestaltung gilt unser besonderer

2. Getriebedaten

3. Achsantriebe

te mit dem M 272 E 35 im neuen SLK sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die derzeit für den neuen SLK vorgesehenen Motor-/Getriebe-Kombinationen zeigt Tabelle 3. 6 Zusammenfassung

Mit der Entwicklung einer neuen Generation von V-Motoren wurde dem erweiterten Anforderungsprofil an den Spitzenantrieb im Ottomotorenbereich bei MercedesBenz Rechnung getragen. Der Einsatz einer erweiterten Basistechnik bildet hierbei die Voraussetzung für die Darstellung anspruchsvoller Leistungs- und Drehmomentwerte und damit die Umsetzung niedriger Fahrverbräuche bei erhöhtem Fahrspaß. Darüber hinaus konnten die wesentlichen Markenwerte wie Komfort, Qualität, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit weiter verstärkt werden. Ein flexibles Fertigungskonzept und die konstruktive Aus-

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führung ermöglichen den modularen Einsatz weiterer Technologiebausteine und stellen damit eine hohe Zukunftsfähigkeit dar. Der Einsatz von erweiterten Technologiebausteinen, eine detaillierte Brennverfahrensentwicklung und die konstruktive Gestaltung haben dazu geführt, dass mit diesem nur 165 kg schweren Motor ein vollkommen neu konzipiertes V6-Aggregat entwickelt wurde, das bezüglich seiner guten spezifischen Leistungs- und Drehmoment- sowie wegen der günstigen Verbrauchswerte einen Spitzenplatz einnimmt. Der Motor wird sowohl in Verbindung mit Schalt- als auch mit Automatgetrieben eingesetzt und bringt ausreichend Potenzial mit, um auch weiterführende Abgaslimits der EU und der USA erfüllen zu können. Mit der fahrzeugspezifischen Adaption wurde damit ein Antrieb konzipiert, der dem neuen SLK überzeugende Sportlichkeit

verleiht und dem Kunden einen deutlich gesteigerten Fahrspaß vermittelt. Mit einem Wert von 5,5 s für die Beschleunigung von 0 auf 100 km/h werden mit dem 3,5-lV6-Saugmotor im neuen SLK absolute Spitzenfahrleistungen auf Sportwagenniveau geboten.

Literaturhinweise [ 1 ] Kollmann; Fortnagel; Niefer; Thom et al.: Die neuen V-Motoren von Mercedes-Benz. In: MTZ (58), 1997, Nr. 6, 7/8 und 9 [ 2 ] Bretl, M.; Weber, C.: Benzineinspritzventile mit großer Einbauflexibilität. In: MTZ (65), 2004, Nr. 2

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MTZ 6/2004 Jahrgang 65