Die Motoren des R129

Text: Karl Kübler | Fotos und Grafiken: Daimler AG (CR28/S46)

Ein Benz-Ingenieur erhielt bereits kurz nach dem ersten Weltkrieg ein Patent für den Dieselmotor mit Vorkammer. Im Jahr 1936 gelang Mercedes-Benz mit dem 260 D der Durchbruch in der Dieseltechnologie. Jedoch ist das technische Highlight in der Mercedes-Benz Motoren-Entwicklung zweifellos der Zwölfzylindermotor. Ein Triebwerk für Kunden, die neben der technischen Brillanz und überlegener Leistung der Perfektion allerhöchste Priorität einräumen (Bild 1).

01 M120 Zwölfzylinder

02 Zylinderkopf M104

Alle Zylinderköpfe von Mercedes-Motoren bestehen aus einer Leichtmetall-Legierung. Vorteile gegenüber Grauguss sind das geringere Gewicht, die schnellere Wärmeabfuhr sowie die hohe Steifigkeit durch Verrippungen. Dadurch erreicht man eine hohe Drehzahlfestigkeit bei starker Belastung und Hitze (Bild 2).

Die Zylinder verfügen über ein Querstromprinzip, das deren Füllungsgrad verbessert. Das heißt, das Kraftstoff-Luftgemisch tritt auf der einen Seite des Zylinderkopfes ein und der Ausstoß der verbrannten Gase erfolgt über die andere Seite (Bild 3).

03 Kraftstoff-Luftgemisch Querstromprinzip

04 Zwei Einlass- und Auslassventile pro Zyl.

Die Mercedes-Benz-Motoren verfügen über eine Vierventiltechnik, das heißt pro Zylinder zwei Einlass- und zwei Auslassventile. Je größer der Querschnitt, umso besser ist der Füllungsgrad und damit die Leistungsausbeute. Die Vierventiltechnik ist so ausgelegt, dass in einem breiten Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment bereit steht (Bild 4).

Zur Verbesserung des Drehmomentverlaufs bei niedrigen Drehzahlen entwickelte man beim Sechszylindermotor ein Resonanz-Schaltsaugrohr, das in Abhängigkeit der Motordrehzahl die Luftstrecke zu den Zylindern variiert. Eine pneumatisch angesteuerte Klappe (nach der Drosselklappe) in einem Luftsammelgehäuse teilt die Luft in zwei Ströme auf, das heißt, beim Sechszylindermotor in jeweils drei Zylinder. Diese sogenannten zwei Dreizylinder nutzen in niedrigen und mittleren Drehzahlbereichen die drehzahl- und lastabhängige Schwingungsresonaz der Ansaugluft zur Verbesserung der Zylinderfüllung mit Frischgas. Vorteil ist eine kraftvolle Drehmomententfaltung schon ab der Leerlaufdrehzahl (Bild 5).

05 Resonanz-Schaltsaugrohr

06 Obenliegende Nockenwellen

Bei Mercedes-Ottomotoren mit Vierventiltechnik werden die Ventile pro Zylinderbank über je zwei Nockenwellen gesteuert. Diese obenliegenden Nockenwellen können somit die Ventile direkt über die Hydrostößel öffnen - es sind keine Stößelstangen oder Kipphebel erforderlich. Durch die reduzierten Massen beim Ventiltrieb verkraftet der Motor höhere Drehzahlen bei verbesserter Motorleistung (Bild 6).

Es gibt im Motorenbau für den Antrieb der Nockenwellen verschiedene Antriebsarten: Über Zahnriemen, Getriebe oder Ketten. Man verwendet Zahnriemen für kleinere Motoren und Getriebe für Rennmotoren (sehr laut). Mercedes-Benz verwendet Doppelrollenketten mit hydraulischem Kettenspanner (Bild 7).

07 Doppelrollenketten

08 Einlass-Nockenwellenverstellung

Wie lange ein Ventil offen oder geschlossen bleibt, bestimmt die Nockenform. Dies legt jedoch die Steuerzeiten "starr" fest, obwohl variable Steuerzeiten wünschenswert wären. Diesem Wunsch entsprach man mit einer Phasenverstellung der Einlassnockenwelle für drei unterschiedliche motorische Betriebszustände mit einer kennfeldgesteuerten Nockenwellenverstellung. Ein hydraulisches Stellglied kann die Steuerzeiten in Abhängigkeit von Drehzahl und Last verändern. Die Befehle kommen vom Motorsteuergerät der Kraftstoff-Einspritzanlage. Ein früheres Schließen der Einlassventile im unteren und mittleren Drehzahlbereich verbessert die Zylinderfüllung und dadurch das Drehmoment. Im Leerlauf wird mit der Verstellung in "spät" die Laufruhe wesentlich verbessert. Bei hohen Drehzahlen und Verstellung in "spät" wird die Leistung gesteigert (Bild 8).

Unterschiedliche Wärmeausdehnungen im Ventiltrieb erfordern einen automatischen Ventilspielausgleich. Denn bei geringem Ventilspiel verändern sich die Steuerzeiten, die Verdichtung ist schlecht und die Leistung nimmt ab. Bei zu großem Ventilspiel entstehen laute mechanische Geräusche und eine mangelnde Zylinderfüllung reduziert die Leistung. Grundsätzlich kann ein falsches Ventilspiel zu kapitalen Motorschäden führen. Deshalb sorgt ein "hydraulischer Ventilspielausgleicher", der Hydrostößel, dafür, das Spiel in den unterschiedlichen Betriebszuständen auszugleichen. Nachfließendes Motorenöl in der Ölkammer dieser Hydrostößel gleicht das Ventilspiel laufend aus - eine Einstellung ist dadurch nicht mehr erforderlich (Bild 9).

09 Hydrostößel

10 Auslassventil mit Natriumfüllung

Extreme Hitze setzt den Auslassventilen stark zu. Um die hohen Temperaturen von den Ventiltellern und -sitzen schnell abzuleiten, sind die Ventilschäfte mit Natrium gefüllt, womit die Ventiltemperatur um etwa 150 Grad Celsius verringert wird. Das heißt, die Gefahr, dass Ventile verbrennen, verringert sich und die Lebensdauer ist bei gleicher Motorleistung höher. Schlanke, leichte Ventilschäfte (7 mm) reduzieren die bewegten Massen und ermöglichen höhere Drehzahlen (Bild 10).

Die Motorblöcke der Sechszylindermotoren bestehen aus Grauguss. Diese spezielle Eisenlegierung hat sich zu deren Herstellung bewährt. Zur optimalen Dimensionierung ihrer Belastung bedarf es aufwendiger Rechenoperationen. Seitlich stark heruntergezogene Wangen und spezielle Materialeinsparungen (bis 20 Prozent Gewicht) erhöhen die Festigkeit und die Laufruhe (Bild 11).

11 Motoren Reihenmotoren in Grauguss

12 Ätzprozess Kolbenlauffläche

Die Motorblöcke der Acht- und Zwölfzylindermotoren bestehen aus einer Alluminium-Leichtmetall-Legierung. Dies vor allem, um Gewicht zu sparen. Die hohe Standfestigkeit erreicht man durch einen hohen Siliziumgehalt von 16-18 Prozent. Diese Siliziumkristalle werden an der Kolbenlauffläche durch einen speziellen Ätzprozess freigelegt. Die Aluminiumkolben erhalten eine galvanische Eisenbeschichtung plus Zinnschicht von wenigen tausendstel Millimetern Dicke. Kolben und Zylinderbohrung erhalten somit eine verschleißarme Materialpaarung. Alle diese Maßnahmen bedeuten lange Lebensdauer, geringes Gewicht (bis zu 20 Prozent), besseres Fahrverhalten, hohe Kühlleistung, Korrosionsbeständigkeit und geringeren Kraftstoffverbrauch (Bild 12).

Alle Kurbelwellen bei Mercedes-Benz werden ausgewuchtet. Unwucht wird durch Materialabnahme beseitigt. Dies erhöht die Laufruhe, vermindert Vibrationen und erhöht den Fahrkomfort. Eine Sechszylinder-Kurbelwelle wird an sieben Hauptlagern gestützt. Dies garantiert ruhigen Lauf und lange Lebensdauer bei optimaler Gewichtsreduzierung (Bild 13 und 13.1).

13 Hauptlager der Kurbelwelle

13.1 Ausgewuchtete Kurbelwelle

14 Pleuel

Die Pleuellager im Kolben haben ein sehr geringes Axialspiel, um ein Anschlagen und Wandern im Bereich der Kurbelwellenwangen zu verhindern. Durch die präzise Führung der Pleuelstange im Kolben kann das Pleuellager in der Kurbelwelle sehr schmal geführt werden. Das verringert Reibungen, und diverse Hohlbohrungen in den Pleuelstangen reduzieren das Gewicht (Bild 14).

Vierventilmotoren laufen wegen des schnelleren Verbrennungsablaufs, höherer Literleistung und größerer Zahl an bewegten Teilen prinzipiell rauer als vergleichbare Zweiventilmotoren. Deshalb entwickelte man als Maßnahme einen Kurbelwellen-Schwingungsdämpfer, der die Torsionsschwingungen der Kurbelwelle abzubauen hat. Große Durchbrüche senkten an der als Riemenscheibe dienenden Nabe deutlich die Schallabstrahlung der sonst üblichen Lösungen (Bild 15).

15 Kurbelwellen Schwingungsdämpfer

16 Motoröl spritzt gegen Kolbenboden

16.1 Gewichtreduzierter Kolben

Eine deutliche Gewichtsreduzierung der Kolben wirkte sich ebenfalls günstig auf das Geräusch- und Schwingungsverhalten aus. Spezielle, formfüllende Kolbenringe und eine Eisen-Graphitschicht am Kolbenschaft vermindern die Reibung. Um die Kolbentemperatur zu senken, wird über eine Düse von unten Öl gegen den Kolbenboden gespritzt. Die Passung von Kolben und Zylinderbohrung im Kurbelgehäuse unterliegt bei Mercedes sehr strengen Spezifikationen. Dabei wird jeder Satz Kolben dem entsprechenden Zylinderbohrungsmaß angepasst. Dadurch gelangen weniger Gase in den Kurbelwellenraum und das Motoröl verschmutzt weniger. Das Ergebnis ist eine höhere Leistung, bessere Wirtschaftlichkeit und eine längeren Lebensdauer des Motors (Bilder 16 und 16.1).

Hydraulisch gedämpfte Motorlager zwischen Motor und Rahmen-Bodenanlage tragen deutlich zu einem verbesserten Fahrkomfort bei. Die durch Fahrbahnunebenheiten angeregten Motorschwingungen im unteren Frequenzbereich, auch Stuckern genannt, werden durch die speziellen Lager besser absorbiert (Bild 17).

17 Hydr. gedämpfte Motorlager

18 Einriementrieb wartungsfrei u. hohe Lebensdauer

Nebenaggregate wie Kühlmittel- und Lenkhelfpumpe, Drehstromgenerator und Kühlgebläse werden bei Mercedes statt von einem Mehrriementrieb von einem raumsparenden Einriementrieb angetrieben. Eine automatische Vorrichtung sorgt über eine Rolle für gleichmäßige Spannung. Das Prinzip ist wartungsfrei und der Riemen ist leicht zu tauschen (Bild 18).

Für alle Ottomotoren verwendet Mercedes-Benz zur Gemischaufbereitung die HFM-Motorsteuerung. HFM bedeutet Heißfilm-Luftmassenmessung über eine Sensorplatte. Damit der Katalysator die Abgase einwandfrei reinigen kann, muss das Verhältnis von Luftsauerstoff und Kraftstoffmenge ständig um einen bestimmten Wert schwanken - Gemisch mal mager, mal fett. Denn Kohlenmonoxid (CO) kann nur bei magerem und Stickoxid (NOx) nur bei fettem Gemisch in Kohlendioxid beziehungsweise Stickstoff umgewandelt werden. Das ist ein Schwankungsbereich, ein sogenanntes Lambda-Fenster.
Den Mittelwert nennt man Lambda 1. Er ist gegeben, wenn für einen Gewichtsanteil Kraftstoff 14,7 Gewichtsanteile Luft zur Verfügung stehen. Dies kann nur durch einen geschlossenen Regelkreis erfolgen. Das heißt, das Abgas wird ständig durch die Lambdasonde gemessen. Dadurch wird die entsprechende Kraftstoffmenge nach den Anforderungen laufend korrigiert. Bei den V-Motoren erfolgt dies in getrennten Abgassträngen, einer sogenannten Stereoregelung. Durch den HFM wird die gemessene Luftmasse für die richtige Kraftstoffmenge bestimmt und dabei einzeln unter Berücksichtigung von Einspritzbeginn und Öffnungszeit an die Einspritzventile verteilt. Diese Regelung ist langzeitstabil, wartungsarm und kraftstoffsparend (Bild 19).

19 Steuerung Heissfilm-Luftmassenmesser (HFM)

20 Benzin-Einspritzdüsen

Entscheidend für eine gute Gemischqualität ist auch die Kraftstoffaufbereitung. Beste Ergebnisse erzielen Einspritzdüsen mit Feinzerstäubung, einem elliptischen und der Kanalform angepasstem Strahl. Damit verringert sich der Schadstoffausstoß zum Beispiel beim Kaltstart bis zum "Anspringen" des Katalysators (Bild 20).

Das elektronische Zündsystem unterscheidet sich von den herkömmlichen Zündsystemen dadurch, dass der richtige Zündzeitpunkt für alle Betriebszustände nach vorgegebenem Kennfeld abgerufen wird. Dieses Kennfeld wird zuerst durch Versuche auf dem Motorenprüfstand und danach in Fahrversuchen abgestimmt. Ziel dabei ist, dass sich daraus optimale Werte für Verbrauch, Abgas und Fahrverhalten ergeben. Die ermittelten Kennfeldwerte werden in einem Steuergerät gespeichert, in dem Einspritzung, Zündung und E-Gas integriert sind. Während der Fahrt werden Signale aus den Funktionen Motordrehzahl, Kurbelwellenposition, Kühlmitteltemperatur und Motorlast an das Steuergerät gegeben, welches aus dem vorgegebenen Kennfeld den entsprechenden Zündzeitpunkt bestimmt.
Die Stärke der elektronischen Zündanlage ist eine exakte Steuerung des Zündzeitpunktes je nach Betriebszustand. Der Zündfunke ist intensiver bei weniger "offenen Funkenstrecken“, und kein Unterbrecherkontakt ist mehr nötig. In den Zylinderkopfhauben sind Zündspulen angeordnet, die den Zylindern die Zündenergie einzeln zuteilen. Bei den V-Motoren wird die Gleichförmigkeit der Kurbelwellenrotation wegen eventueller Zündaussetzer überwacht. Wenn nötig, wird die Kraftstoffeinspritzung an dem entsprechenden Zylinder unterbrochen, um den Katalysator vor Folgeschäden zu schützen. Ein möglichst hohes Verdichtungsverhältnis im Brennraum steigert den Wirkungsgrad der Verbrennung. Andererseits kann es dabei zu unkontrollierten Selbstentzündungen des Kraftstoff-Luftgemisches kommen. Es kommt zu Klopf- oder Klingelgeräuschen. Ähnlich auch bei falschem Zündzeitpunkt oder schlechtem Kraftstoff.
Mit Hilfe einer Klopfregelung kann der Motor jedoch an der Klopfgrenze betrieben werden. Körperschallsensoren nehmen verbrennungstypische Signale auf, wandeln sie in elektrische Signale um und schicken sie an das Steuergerät. Dieses erkennt im Vergleich des vorhergehenden Signals, ob der Motor "klopft". Dann wird der Zündzeitpunkt so lange zurückgenommen, bis kein "Klopfen" mehr auftritt. Es wird dabei auch erkannt, welcher Kolben "klopft", und nur dort wird die Zündung dann in Richtung "spät" verstellt. Bei hohen Außentemperaturen über 30 Grad Celsius und Kühlwassertemperaturen von über 100 Grad Celsius sind Vollgasfahrten zu vermeiden (Bild 21 und 21.1).

21 Elektronisches Zündsystem

21.1 Zwei Zündspulen, Doppelfunkenzündspule

22 Vergleich Datenbus

Für die optimale Steuerung von Motor, Zündung, Automatikgetriebe, ABS, ASR usw. sind große Mengen von Daten erforderlich, die über die sogenannte Steuergerätevernetzung koordiniert werden. Sinnvollerweise fasst man möglichst viele Daten in einem gemeinsamen Steuergerät zusammen, wie zum Beispiel beim Motor die Einspritzung, die Zündung und die Leerlaufregelung. Weitere Steuergeräte, zum Beispiel für Getriebe, Tempomat und Grundmodul, sind in der sogenannten Modulbox zusammengefasst. Dieser "Datenbus" ist zur Kommunikation untereinander unter der Bezeichnung CAN (Controller Area Network) vernetzt. Das hat den Vorteil, dass zum Beispiel ein Signal wie die Raddrehzahl für alle anderen Steuergeräte blitzschnell ebenfalls zur Verfügung steht. Ein übergeordnetes Sicherheitskonzept sorgt bei einer Störung dafür, dass bei Ausfall einer Komponente der Fahrzeugbetrieb weiterhin möglich ist. Über einen Diagnosestecker können alle störungswichtigen Daten und Fehler lokalisiert, ausgelesen, analysiert und wieder gelöscht werden (Bild 22).

Mercedes-Benz-Ingenieure haben den "Abgasreiniger", den Katalysator, intensiv erforscht. Das Katalysatorgehäuse in Wickeltechnik ermöglicht unterschiedliche Katalysatorvolumen für kleine und große Motoren. Dabei wird das Volumen so gestaltet, dass der Gegendruck möglichst niedrig ist und die Motorleistung unwesentlich reduziert wird. Allerdings trägt ein großes Volumen zur besseren Abgasreinigung bei. Das Anspringverhalten (Anheizphase) des Katalysators wird durch isolierte Abgasrohre und eine Isolierung des Keramik-Monolithen mit Quellmatten verbessert. Die Quellmatte dehnt sich durch die Erwärmung aus und fixiert dabei immer sauber den Keramik-Monolithen. Verfeinert wurde bei den Katalysatoren ständig die Edelmetallbeschichtung, die zum Beispiel aus einer Palladium-Rhodium-Kombination besteht. Damit „springt“ der Katalysator um bis zu 30 Grad Celsius früher an. Somit wird der Ausstoß der Kohlenwasserstoffe deutlich reduziert (Bild 23).

23 Großer Katalysator verringert Gegendruck

24 Abgaskrümmer aus zweischaligem Stahlblech

Weitere Maßnahmen zum schnelleren Ansprechverhalten (Aufheizen) der Katalysatoren sind wärmeisolierte Abgaskrümmer, die nach außen möglichst wenig Hitze abgeben sollen. Bei den Sechszylindern sind die Stahlbleche nur luftspaltisoliert. Bei den V8- und V12-Motoren sind dies zweischalige Stahlblechrohre mit einer Isolierung zwischen Innen- und Außenschale. Die Innenschale ist "schwimmend", die Außenschale "tragend". Nebeneffekt ist dadurch eine niedrigere Motorraumtemperatur, was der Elektrik und dabei speziell den Isolierungen des Motorkabelsatzes sehr gut tut (Bild 24).

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