Übersicht Neuerungen/Änderungen Einführung neuer V-Motor M176

Allgemein

Der Motor M176 ist ein neu entwickelter V8-Ottomotor. Der Motor verfügt über eine Direkteinspritzung mit zweifacher Abgasturboaufladung im "heißen Innen-V" und einen vom Kühlkreislauf getrennten Niedertemperatur-Kreislauf für die Ladeluftkühlung.

Es ist gelungen, durch ein neues Motorenkonzept den Hubraum zu verkleinern, die Abgasemissionen zu verringern und gleichzeitig die Leistung und Effizienz zu steigern.

Besonderheiten und wesentliche Merkmale des M176 im Überblick:

 Zwei im "V"-Bereich des Motors angeordnete Abgasturbolader

 Getrennter Niedertemperatur-Kreislauf

 Strahlgeführte Benzindirekteinspritzung mit Piezo-Injektoren

 Reibleistungsoptimierung durch NANOSLIDE® LDS-Beschichtung (Lichtbogen-Draht-Spritzen)

 Kettengetriebene Kühlmittelpumpe

 Aluminium-kokillenguss Kurbelgehäuse mit einem möglichen Höchstdruck bis zu 140 bar

 CAMTRONIC (Zylinderabschaltung)

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Maximale Leistung: 345 kW bei 5500/min

Maximales Drehmoment: 700 Nm bei 2000 bis 4000/min

Motoransichten

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Kurbeltrieb

Die Mulden der gegossenen Kolben sind an das Brennverfahren und die Anordnung der Kraftstoffinjektoren angepasst. Die Gestaltung der Gusskolben ermöglicht eine Zünddruckbelastung von bis zu 120 bar. Die Kurbelwelle ist aus Festigkeitsgründen geschmiedet und verfügt über acht Gegengewichte. Ein Aluminium­Viskose­Torsionsschwingungsdämpfer erlaubt auf dem sehr eng begrenzten Bauraum die notwendige Schwingungsreduzierung.

 Der Zünddruck ist der höchste, bei zündendem, betriebswarmem Verbrennungsmotor auf den Kolben wirkende Druck.

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Kurbelgehäuse

Das Kurbelgehäuse des M176 besteht aus Aluminium-Kokillenguss und ist in einer Closed-Deck-Bauweise ausgeführt. Durch die optimierte NANOSLIDE® LDS-Beschichtung (Lichtbogen-Draht-Spritzen) sind die Zylinderlaufflächen hinsichtlich ihrer Härte gegenüber konventionellen Graugusslaufbuchsen verbessert. Durch mehrere Quer- und Längsstreben verfügt es über eine sehr hohe Steifigkeit. Die Kurbelwellen-Lagerdeckel bestehen aus Gusseisen mit Kugelgrafit (GGG 60).

Ölwanne

Die Ölwanne ist aus Aluminium-Druckguss gefertigt. Die Verrippung der Ölwanne ist so ausgelegt, dass die Schallabstrahlung reduziert und die erforderliche Festigkeit für die Verschraubung der Nebenaggregate gewährleistet wird. Der Ölfiltereinsatz wird hierbei mit dem Ölfiltergehäusedeckel in der Ölwanne verschraubt.

Zur Ölversorgung des Motors dient eine geregelte Motorölpumpe, die über eine Hülsenkette von der Kurbelwelle angetrieben wird. Das Ventil der Motorölpumpe regelt den Öldruck. Dieser wird vom Steuergerät ME (N3/10) kennfeld- und bedarfsgerecht zwischen den beiden Druckstufen 2 und 4 bar geschaltet.

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Zylinderkopf

Die Vierventiltechnik mit zwei oben liegenden Nockenwellen (DOHC) mit Nockenwelleneinstellung auf der Ein- und Auslassseite ermöglicht ein sehr gutes Ansprechverhalten und optimiert den Ladungswechsel für jeden Betriebspunkt.

Die Ladungswechselauslegung und die Ladungsbewegung des M176 ermöglichen:

 Ein hohes Drehmoment über einen weiten Drehzahlbereich

 Eine hohe Leistung

 Einen geringen Kraftstoffverbrauch

 Niedrige Abgasemissionen

Zylinderkopf
Die strömungs- und öldurchsatzoptimierten Zylinderköpfe aus Zirkonlegierung sind für höchste Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit ausgelegt. Dadurch erreicht der Motor seine maximale Leistungsfähigkeit selbst in Grenzbereichen.
Der Motor ist mit einer öldurchsatzoptimierten Verstellung der Nockenwellen auf der Ein- und Auslassnockenwelle ausgerüstet. Dies ermöglicht ein sehr gutes Ansprechverhalten sowie eine Optimierung des Ladungswechsels mit dem Ziel eines geringen Kraftstoffverbrauchs sowie niedriger Abgasemissionen.

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Zylinderabschaltung mittels CAMTRONIC
Die Zylinderabschaltung hat die Aufgabe durch Abschalten der Zylinder 2, 3, 5, 8, den Kraftstoffverbrauch im Teillastbetrieb zu reduzieren. Sie ist im breiten Drehzahlbereich von 1.000 bis 3.250/min verfügbar, wenn der Fahrer das Fahrprogramm „Comfort“ gewählt hat. Die Abschaltung erfolgt kennfeldabhängig durch das Steuergerät ME. Folgende Effekte erzielen dabei einen reduzierten Kraftstoffverbrauch:

 Wirkungsgradsteigerung durch Betriebspunktverlagerung der weiter betriebenen Zylinder zu höheren Lasten

 Reduktion der Ladungswechselverluste durch Schließen der Ventile der abgeschalteten ZylinderZur Aktivierung der Zylinderabschaltung wird die Betätigung der Ein- und Auslassventile der Zylinder 2, 3, 5 und 8 durch die Rollenschlepphebel und die Nockenwellen unterbrochen. Außerdem werden die Kraftstoffinjektoren und die Zündspulen abgeschaltet.

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Riementrieb

Der Torsionsdämpfer auf der Kurbelwelle treibt über einen wartungsarmen Keilrippenriemen mit vier Rillen den Generator und über einen Zweiten den Kältemittelkompressor einzeln an.

Die Spannung der Keilrippenriemen wird von zwei separaten Riemenspannern automatisch über die Spannrollen auf die Keilrippenriemen übertragen.

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Kettentrieb und Nockenwelleneinstellung

Kettentrieb

Der neue V-Motor M176 erhält einen vollständig neu entwickelten zweistufigen Kettentrieb mit drei Zahnketten. Zielsetzung war es, einen bestmöglichen Kompromiss zwischen Montageanforderungen, Reibleistung, Kettenkraftminimierung und NVH-Anforderungen (Noise, Vibration and Harness) zu schaffen. Dadurch wird eine deutliche Geräuschreduzierung erreicht. Darüber hinaus wurden gleichzeitig die guten Dauerhaltbarkeitseigenschaften sowie die Kettenreibung weiter optimiert.

Der Kettentrieb ist zweistufig als Primärkettentrieb und Sekundärkettentrieb ausgeführt.

Alle drei Zahnketten werden über jeweils einen hydraulischen Kettenspanner gespannt. Niedrige Spannerkräfte und geringe Kettendynamik sichern stabile Steuerzeiten und hervorragende akustische Eigenschaften bei reduzierter Reibleistung gegenüber den Vorgängermotoren.

Die Motorölpumpe wird zusätzlich von der Kurbelwelle über eine Hülsenkette angetrieben.

Nockenwelleneinstellung

Mit der Nockenwelleneinstellung können die Einlassnockenwelle bis zu 40°KW (Kurbelwellenwinkel) nach „früh“ und die Auslassnockenwelle bis zu 40°KW nach „spät“ verstellt werden. Damit kann die Ventilüberschneidung beim Ladungswechsel in weiten Grenzen variiert werden. Dadurch werden der Verlauf des Motordrehmoments optimiert, der Kraftstoffverbrauch reduziert und das Abgasverhalten verbessert. Die Stellmagnete Einlassnockenwellen und die Stellmagnete Auslassnockenwellen werden zur Nockenwelleneinstellung vom Steuergerät ME mit pulsweitenmodulierten Signalen von 150 Hz angesteuert.

Die Ansteuerung erfolgt kennfeldabhängig im Teil- und Volllastbetrieb und ermöglicht, je nach Tastverhältnis der pulsweitenmodulierten Signale, die kontinuierliche Verstellung der Nockenwellen. Die Position der Einlassnockenwellen wird von den Hallsensoren Einlassnockenwellen und die Position der Auslassnockenwellen von den Hallsensoren Auslassnockenwellen erfasst und dem Steuergerät ME als Spannungssignal übermittelt.

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Motorschmierung

Geregelte Motorölpumpe

Der Öldruck wird über das Ventil an der Motorölpumpe geregelt. Das Steuergerät ME steuert das Ventil Motorölpumpe an. Dieses ermöglicht eine bedarfsgerechte Umschaltung des Öldrucks zwischen den beiden Druckstufen 2 und 4 bar. Damit wird die Versorgung mit Motoröl im Ölkreislauf des Motors auf den jeweiligen Bedarf optimal abgestimmt. Zugleich sinkt hierdurch die Antriebsleistung der Motorölpumpe und daraus resultierend die Verlustleistung des Motors. Die Ölstandskontrolle erfolgt über einen Ölsensor in der Ölwanne.

Der über den Regelkanal rückgemeldete Öldruck wird am Proportionalventil moduliert und wirkt entsprechend am Stellring gegen die Kraft der gegenüberliegenden Regelfeder. Mit der Stellringposition ergibt sich eine entsprechende Exzentrizität zur Drehachse des Rotors, wobei mit zunehmender Exzentrizität das Fördervolumen steigt.

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Kraftstoffeinspritzsystem

Kraftstoff-Hochdruckkreislauf

Zur Hochdruckerzeugung werden Kraftstoff-Hochdruckpumpen (Einstempelpumpen) mit einem im Pumpenmodul integrierten Mengenregelventil eingesetzt.

Der Kraftstoff wird über ein Hochdruck-Rail zu den Kraftstoffinjektoren geleitet, die zentral angeordnet in den Brennraum führen. Die Kraftstoffinjektoren mit Piezoaktoren sind in der Lage, bis zu fünf sehr präzise Einspritzungen je Zyklus abzusetzen.

Hochdruckpumpen

Die Hochdruckpumpen sind oben an den Zylinderköpfen angeordnet. Der maximale Förderdruck der Hochdruckpumpen beträgt 200 bar. Der Antrieb der Hochdruckpumpen erfolgt mechanisch über den Mitnehmer von der Auslassnockenwelle. Die Förderleistung der Hochdruckpumpen ist drehzahlabhängig. Bei der Aufwärtsbewegung der Pumpeneinheit wird das Kraftstoffvolumen im Pumpenzylinder verdichtet. Bei Erreichen des Systemdrucks öffnen sich die Auslassventile der Hochdruckpumpen und der Kraftstoff wird über die Hochdruckleitungen zu den Rails gefördert. Druckbegrenzungsventile schützen die Hochdruckpumpen vor zu hohem Druckaufbau.

 Die Hochdruck-Kraftstoffleitungen aus Edelstahl können nach Prüfung wieder verwendet werden. Nähere Informationen dazu sind in den Reparaturanleitungen zu finden.

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Luftversorgung

Beim Motor M176 wird die Ansaugluft direkt über die jeweiligen Luftführungssegmente von der Fahrzeugfront zu den Luftfiltern geleitet.

Die Luftfilter sind so angeordnet, dass sie direkt mit den Abgasturboladern verbunden sind. Die Ladedruckschläuche leiten die verdichtete Ladeluft zu den Ladeluftkühlern weiter.

Für einen möglichst kurzen Weg der Ladeluft sind die beiden Drosselklappen die Verbindung zwischen den Ladeluftkühlern und den Ladeluftverteilern.

Die Ladeluftverteiler sind direkt an die Einlasskanäle der jeweiligen Zylinderköpfe angeschraubt.

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Aufladung

Aufladung allgemein

Durch die Aufladung wird der Zylinderfüllungsgrad verbessert. Damit erhöhen sich das Drehmoment und die Leistung des Motors. Die der erhöhten Luftmasse entsprechende Kraftstoffmenge wird vom Steuergerät ME zugemessen.

Bei der Aufladung wird die Strömungsenergie der Abgase zum Antrieb der Abgasturbolader genutzt. Die Abgasturbolader saugen Frischluft über die Luftfilter an den Verdichtereintritten an und führen diese über die Verdichteraustritte in die Ladeluftrohre zu den Ladeluftkühlern.

Durch die hohe Drehzahl der Verdichterräder und die daraus resultierenden hohen Volumenströme wird die Luft in den Ladeluftrohren verdichtet. Die verdichtete Ladeluft strömt über die Ladeluftrohre zu den Ladeluftkühlern. Diese kühlen anschließend die durch die Verdichtung erwärmte Ladeluft ab und leiten sie über die Ladeluftverteiler in die Zylinder weiter.

Heißes Innen-V

Damit der Mercedes-Benz S 560 ein noch besseres Ansprechverhalten aufweist, wurden die Zylinderköpfe des V8-Biturbos neu konzipiert: Die Ansaugseite liegt jetzt außen, die Abgasseite innen. „Heißes Innen­V“ nennen die Ingenieure ihr neues Motorenkonzept, das den V8-Biturbo noch kompakter macht. Um Motorbauteile zu schützen, wurden Krümmer und Abgasturbolader speziell isoliert.

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Ladeluftkühlung

Funktionsablauf Ladeluftkühlung

Durch die Ladeluftkühlung wird die Ladelufttemperatur < 60 °C bei 20 °C Umgebungstemperatur gehalten. Die abgekühlte Luft nach den Ladeluftkühlern hat eine höhere Dichte. Dadurch erhöhen sich der Zylinderfüllungsgrad und somit die Motorleistung.

Außerdem werden die Klopfneigung und durch niedrigere Abgastemperaturen die Bildung von Stickoxiden (NOx) verringert. Beide Zylinderreihen besitzen je einen Kühlmittel- bzw. Ladeluftkühler. Die Kühlmittel-/Ladeluftkühler sind an dem Niedertemperatur-Kreislauf mit den Niedertemperaturkühlern und der Umwälzpumpe Niedertemperatur­Kreislauf (M43/6) angeschlossen.

Wenn die Ladelufttemperatur mehr als 35 °C beträgt, werden vom Steuergerät ME die Umwälzpumpe 1 Niedertemperatur-Kreislauf über den Antriebs-CAN(CAN C1), das Steuergerät Antriebsstrang (N127) und den Antriebsstrang-LIN angesteuert.

Sinkt die Ladelufttemperatur auf unter 25 °C ab, wird die Umwälzpumpe 1 Niedertemperatur-Kreislauf wieder abgeschaltet.

Die Ladelufttemperatur wird im Ladeluftverteiler von den Temperatursensoren Ladeluft links und rechts erfasst und dem Steuergerät ME mit einem Spannungssignal mitgeteilt.

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Motorkühlung

Über das Wärmemanagement wird die Kühlmitteltemperatur des Motors geregelt. Daraus ergeben sich folgende Vorteile:

 Schnelleres Erreichen der optimalen Betriebstemperatur

 Reduzierung der Abgasemissionen

 Kraftstoffersparnis

 Verbesserter Heizungskomfort

 Der Lüfternachlauf wird durch „Zündung EIN“ nicht abgebrochen. Beim Starten des Motors im Lüfternachlauf wird die Lüfterregelung des Normalbetriebs so lange unterdrückt, bis der Lüfternachlauf abgeschlossen ist.

 Über einer Kühlmitteltemperatur von ca. 120 °C ist der Zweischieberthermostat unabhängig von der Bestromung des Heizelements immer voll geöffnet (Notlauffunktion).

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Zweischieberthermostat

Die Temperatur des Kühlmittels kann durch den beheizbaren Zweischieberthermostat geregelt werden.

Im Zweischieberthermostat befindet sich dafür das Heizelement Kühlmittelthermostat, welches bedarfsgerecht vom Steuergerät ME mit einem Massesignal angesteuert wird.

Der Zweischieberthermostat kann fünf Stellungen einnehmen:

 Stehendes Kühlmittel

 Kurzschlussbetrieb

 Mischbetrieb

 Kühlerbetrieb

 Fail/Safe-Stellung

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Bei einer Kühlmitteltemperatur < 80 °C und einer Motordrehzahl < 3000/min sind beide Schieber des Zweischieberthermostats vollständig geschlossen. Die Verkürzung der Motoraufwärmphase durch stehendes Kühlmittel führt zu Kraftstoffeinsparung und somit zur Verringerung des CO2-Ausstoßes.

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 Heizelement unbestromt: Kühlmitteltemperatur 80 °C bis 105 °C

 Heizelement bestromt: Kühlmitteltemperatur 40 °C bis 65 °C

Um eine optimale innermotorische Reibung und damit eine Kraftstoffeinsparung zu erreichen, kann im Teillastbereich die Kühlmitteltemperatur auf ca. 105 °C angehoben werden (Heizelement unbestromt). Damit sinkt die Reibleistung aufgrund einer höheren Motoröltemperatur und die Gemischbildung verbessert sich durch weniger Kraftstoffkondensation an den Zylinderlaufflächen.

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 Heizelement unbestromt: Kühlmitteltemperatur 105 °C bis 120 °C

 Heizelement bestromt: Kühlmitteltemperatur 65 °C bis 90 °C

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 Heizelement unbestromt: Kühlmitteltemperatur > 120 °C

 Heizelement bestromt: Kühlmitteltemperatur > 90 °C

Durch das Beheizen des Zweischieberthermostats (Heizelement bestromt) öffnet dieser und das Kühlmittel wird durch den Kühler geleitet. Bei Volllast kann das Zweischieberthermostat sehr schnell geöffnet werden. Die Kühlmitteltemperatur kann dabei abgesenkt werden, womit eine bestmögliche Motorkühlung und eine klopffreie Verbrennung erreicht werden.

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Kraftstoffversorgung

Kraftstoff-Niederdruckkreislauf

Das Einschalten der Kraftstoffpumpe erfolgt, wenn ein Signal „Kraftstoffpumpe EIN“ vom Steuergerät Kraftstoffpumpe empfangen wird. Dieses Signal wird redundant vom Steuergerät ME als CAN-Signal über den Antriebs-CAN und als Massesignal gesendet.

Zusätzlich erhält das Steuergerät Kraftstoffpumpe das CAN-Signal „Kraftstoff-Solldruck“ vom Steuergerät ME. Das Steuergerät Kraftstoffpumpe erfasst den aktuellen Kraftstoffdruck durch ein Spannungssignal vom Kraftstoffdruck-Sensor und sendet diese Information über den Antriebs-CAN an das Steuergerät ME.

Das Steuergerät Kraftstoffpumpe wertet den aktuellen Kraftstoffdruck aus, gleicht ihn mit dem Kraftstoff-Solldruck ab und steuert entsprechend die Kraftstoffpumpe mit einem pulsweitenmodulierten Signal so an, dass der Istdruck dem Solldruck entspricht.

Zur Ermittlung des Kraftstoff-Solldrucks (Kraftstoffbedarf) wertet das Steuergerät ME den Kraftstoffdruck und die Lastanforderung aus. Je nach Kraftstoffbedarf wird so, bei einem Kraftstoffdruck von ca. 4 bis 6,7 bar, die Kraftstoffförderleistung variabel von 0 bis 180 l/h geregelt.

Bei Ansteuerung saugt die Kraftstoffpumpe den Kraftstoff aus dem Kraftstofffördermodul und pumpt ihn durch den Kraftstofffilter zu den Kraftstoff-Hochdruckpumpen (Einleitungssystem, ohne Rücklaufleitung).

 Das Überströmventil im Kraftstofffilter öffnet bei einem Kraftstoffdruck von ca. 7 bis 9 bar.

Motormanagement

Steuergerät Motorelektronik

Das Benzin-Einspritz- und Zündsystem mit Direkteinspritzung bildet im elektrischen Verbund mit den Sensoren und Stellgliedern vom Motor 176 DE (Direkteinspritzung) das Motormanagement MED 17.7.5

Im Steuergerät ME befindet sich das gesamte Motormanagement. Vom Motormanagement werden Sensordaten direkt und über den CAN­Verbund indirekt eingelesen und die entsprechenden Stellglieder angesteuert. Dabei werden die einzelnen Funktionen und Systeme des Motormanagements vom Steuergerät ME gesteuert und koordiniert.

Das Motormanagement ist in folgende Systeme gegliedert:

 Grundfunktionen

 Motorsystem

 Kraftstoffeinspritzsystem

 Zündsystem

 Abgasanlage

 Nähere Informationen zu allen elektrischen Systemen (z. B. Funktionsbeschreibungen und Anordnung der elektrischen Bauteile) stehen im Werkstatt-Informations-System (WIS) unter der Informationsart Grundwissen/Funktionen (GF) zur Verfügung.

 Das Motormanagement im Steuergerät ME ist flashbar, d. h., die komplette Software des Steuergeräts kann mit XENTRY Diagnostics ausgetauscht (erneuert) werden. Die für die Steuergeräteprogrammierung erforderliche Software befindet sich auf der Diagnosis­Software­DVD.

 Im Fehlerspeicher des Steuergeräts ME werden erkannte Fehler abgelegt. Diese können mit XENTRY Diagnostics ausgelesen werden.

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