Motor

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Einleitung

Der neue Motor M139 in den Modellen Mercedes-AMG A 45 und A 45 S ist ein quer eingebauter Reihen-4-Zylinder-Ottomotor mit kombinierter Direkteinspritzung-Saugrohreinspritzung.

Mit einem Hubraum von 2,0 Litern wird er in 2 Leistungsstufen, 285 kW und 310 kW, zum Einsatz kommen.

Bedingt durch den Quereinbau befinden sich der Abgasturbolader und der Abgaskrümmer in Fahrtrichtung gesehen hinten an der Seite der Schottwand zum Fahrzeuginnenraum. Die Ansauganlage ist vorn positioniert. Diese Anordnung ermöglicht ein flaches und aerodynamisch vorteilhaftes Frontdesign und verbessert die Luftführung sowohl auf der Ansaug- als auch auf der Abgasseite.

Weitere Neuerungen im Überblick

 Zonenkühlung (Section cooling) mit 3 Kühlkreisläufen

 Motorsteuerung

 CAMTRONIC auslassseitig

 Steuertrieb hinten liegend mit Nockenwellensteller

 Ventiltrieb mit Rollenschlepphebel

 Kombinierte Direkt- und Saugrohreinspritzung

 Aufladung mit hinten liegendem Twin-Scroll Abgasturbolader und Stellglied Ladedruckregelklappe

 Kurbelgehäuseentlüftung im Ladeluftverteiler integriert

 Belt in Oil für Ölpumpenbetrieb

 Abgasanlage

Zonenkühlung (Section cooling) mit 3 Kühlkreisläufen

Durch die Leistungssteigerung des Motors auf bis zu 310 kW wurden erweiterte Maßnahmen am Motorkühlsystem erforderlich. Ziel war eine optimale Kühlung für maximale Leistung mit verbrauchsreduzierenden Maßnahmen.

Im Motor M139 kommt eine Zonenkühlung zum Einsatz, die aus drei unabhängig voneinander arbeitenden Kreisläufen besteht:

 Hochtemperaturkreislauf

 Mitteltemperaturkreislauf

 Niedertemperaturkreislauf

Das Steuergerät Antriebsstrang (N127) regelt alle Kühlkreisläufe. Es wertet die Daten der Temperatursensoren aus und steuert bei Bedarf die elektrische Kühlmittelpumpe im Hochtemperaturkreislauf und die Regelventile an. Im Hoch- und Mitteltemperaturkreislauf sind mechanische Thermostate verbaut.

Der Hochtemperaturkreislauf sorgt bei der Zonenkühlung für die Kühlung des Kurbelgehäuses. Dabei wird das Kühlmittel im Hochtemperaturkreislauf von einer elektrischen Kühlmittelpumpe umgewälzt. Durch die Anhebung der Bauteilschutztemperatur des Kurbelgehäuses auf 125 °C öffnet das Thermostat im Hochtemperaturkreislauf erst ab einer Temperatur von ca. 115 °C und ist ab ca. 120 °C vollständig geöffnet. Durch diese Maßnahme wird die Abwärme in allen Kreisläufen reduziert und die Wärmeabfuhr auf der Fahrzeugseite optimiert.

Der Mitteltemperaturkreislauf kühlt den Zylinderkopf. Dabei wird das Kühlmittel von einer mechanischen Kühlmittelpumpe umgewälzt. Das Thermostat bleibt bis ca. 73 °C Kühlmitteltemperatur geschlossen und ist ab ca. 80 °C vollständig geöffnet. Zusätzlich ist im Mitteltemperaturkreislauf ein Regelventil verbaut, welches den Motorölwasserwärmetauscher Durchfluss steuert. Dieses regelt die Öltemperatur auf 110 °C. Im Mitteltemperaturkreislauf wurde der Gesamtkühlmittelvolumenstrom auf 370 l/min am Zylinderkopf erhöht und so die Wärmeabfuhr optimiert.

Der Niedertemperaturkreislauf ist ein ungeregelter Kreislauf, dessen Betriebstemperatur zwischen 50-70 °C liegt. Das Kühlmittel wird von einer elektrischen Kühlmittelpumpe umgewälzt. Die Kühlung der Ladeluft erfolgt indirekt über das Kühlmittel im Niedertemperaturkreislauf.

Weitere Vorteile der Zonenkühlung:

 Effektive Zylinderkopfkühlung

 Verbrauchsoptimierung durch:

 Einsatz von Leichtlauföl

 Erhöhte Zylinderwandtemperatur

 Stehendes Kühlmittel im Kurbelwellengehäuse beim Warmlauf

 Reduzierung des Kühlmittelvolumenstroms im Kurbelwellengehäuse

 Motorölaufheizung durch den Mitteltemperaturkreislauf und stehendem Kühlmittel im Hochtemperaturkreislauf

 Bedarfsgerechte Ölkühlung

 Getriebeölaufheizung im Warmlauf

 Im Modell A 45 S ist ein Kältemittel-Wasser-Wärmetauscher im Niedertemperaturkreislauf verbaut, welcher speziell im Rennstreckeneinsatz bei hohen Außentemperaturen zusätzliche Ladeluftkühlungsperformance zur Verfügung stellen kann.

 Weitere Informationen finden Sie in der Funktionsbeschreibung "Wärmemanagement Grundfunktion" GF07.10-P-9900A.

 Wird ein Service oder eine Reparatur im Hochtemperatur- und/oder Mitteltemperaturkeislauf durchgeführt, müssen beide Kreisläufe geleert und neu Vakuum befüllt werden. Bitte beachten Sie den Prüf- und Reparaturarbeitsschritt "Kühlmittel einfüllen und Kühlsystem entlüften" AR20.00-P-1142-04A.

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Motorsteuerung

CAMTRONIC auslassseitig

Der M139 verfügt in allen Leistungsvarianten über die auslassseitige CAMTRONIC.

Dabei kann in Abhängigkeit des Motorbetriebs und des Fahrerwunsches auf die jeweils optimale Nockenkontur geschaltet werden. Es stehen zwei unterschiedliche Erhebungen zur Wahl, alle Auslassventile werden mit der jeweils gleichen Erhebung betätigt. Die Umschaltung erfolgt über axial verschiebbare Nockensegmente, geschaltet wird energieeffizient über Elektroaktoren. Die Aktoren benötigen nur während des Schaltvorganges Energie und sind anschließend stromlos.

Dadurch ergeben sich folgende Vorteile:

 Schnellerer Ladedruckaufbau im dynamischen unteren Teillastbetrieb

 Höhere Abgasdynamik im dynamischen Fahrbetrieb (untere Teillast)

 Verbessertes Ansprechverhalten Abgasturboladers

 Reduzierung von Ladungswechselverlusten

 Komfort- und Verbrauchsoptimierung im stationären unteren Teillastbetrieb

Phasenversteller auf Ein- und Auslass

Weiter können die Steuerzeiten der Ein- und Auslassnockenwelle über je einen Versteller unabhängig voneinander phasengeregelt werden. Hierbei werden die Nockenwellen gegenüber der Kurbelwelle verdreht und Auslassschluss sowie Einlassöffnen verändert. Die Ventilüberschneidung kann variiert werden. Bei einer großen Ventilüberschneidung schließt der Auslass spät, der Einlass öffnet früh.

Große Ventilüberschneidungen erreichen bei Teillast ein Absinken der Verbrennungstemperatur und eine reduzierte Bildung von Stickoxiden (NOx). Auf der Abgasseite ermöglicht ein erneutes Ansaugen von Abgasen den Effekt einer inneren Abgasrückführung.

Bei kleiner Ventilüberschneidung schließt der Auslass früh und der Einlass öffnet spät. Kleine Ventilüberschneidungen verhindern bei Leerlauf das Überströmen von Luft in den Auslasskanal und von Abgasen in den Einlasskanal. Bei Volllastbetrieb bewirkt ein Nachströmen von Luft einen Nachladeeffekt mit erhöhtem Drehmoment.

 Weitere Informationen zur Motorsteuerung finden Sie in der Funktionsbeschreibung "Ventilsteuerung Grundfunktion" GF05.00-P-1001A.

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Kombinierte Direkt- und Saugrohreinspritzung

Die Einspritzung im Motor M139 erfolgt erstmals über eine zweistufige, kombinierte Direkt- und Saugrohreinspritzung. Der Kraftstoffeinspritzdruck erreicht bis zu 200 bar. Als Hochdruckpumpe wird eine Einstempelpumpe mit einem im Pumpenmodul integrierten Mengenregelventil eingesetzt. Der Kraftstoff wird einerseits über eine Hochdruck-Rail zu den Injektoren geleitet, die zentral angeordnet in den Brennraum führen. Als Injektoren werden piezogesteuerte Kegelventile eingesetzt.

Um die Anforderungen des Motors M139 im Volllastbetrieb zu erfüllen, kommt eine Saugrohr-Kanaleinspritzung mit Magnetventilen hinzu. Die elektronisch gesteuerte Kraftstoffversorgung arbeitet mit einem Druck von 6,7 bar.

Die zusätzlichen Einspritzdüsen werden im Volllastbetrieb bei folgenden Bedingungen zugeschaltet:

 Motordrehzahl > 3500 U/min

 Motorlast  60 %

Der Motor M139 ist ausschließlich auf ein homogenes Brennverfahren ausgelegt. Aufgrund der hohen Dynamik des Einspritzvorgangs mit minimalen Öffnungsdauern ergibt sich eine hohe Impulshaltigkeit mit Rückwirkung auf das "NVH"-Verhalten.

Mit folgenden Parameter wurde ein verbessertes Geräuschverhalten bei der Einspritzung erreicht:

 Anzahl der Einspritzimpulse

 Injektorhub

 Öffnungsgradient

 Einspritzdruck

Im Mengensteuerventil der Kraftstoffhochdruckpumpe, welches den Kraftstoffzufluss in die Hochdruckpumpe reguliert, wurden die beweglichen Bauteile gezielt in ihrem Gewicht verringert.

Abgerundet wird das Gesamtpaket durch eine bessere Entkopplung der Injektoren an deren Auflagefläche am Zylinderkopf mittels der so genannten weicheren Lochscheibe. Durch deren gesteigerte Dämpfungseigenschaften wird die Weiterleitung der Impulse im Körperschall reduziert.

Grundvoraussetzung ist dabei, dass die Piezo-Injektoren über die gesamte Lebensdauer des Motors ihre exakte Position im Brennraum beibehalten. Insgesamt konnte jedoch die Steifigkeit der Lochscheibe um etwa die Hälfte im Vergleich zum Vorgängermotor reduziert werden.

 Weitere Informationen zur Motorsteuerung finden Sie in der Funktionsbeschreibung "Gemischaufbereitung Grundfunktion" GF07.00-P-1000A.

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Aufladung mit hinten liegendem Twin-Scroll Abgasturbolader und Stellglied Ladedruckregelklappe

Eine wesentliche Voraussetzung für die deutliche Leistungssteigerung gegenüber dem Vorgängermotor M 133 war eine komplette Überarbeitung der Luft führenden Komponenten vor dem Brennraum.

Luftfilter und Lufteinlassgitter wurden neu gestaltet und an den verfügbaren Platz im Motorraum angepasst. Dabei mussten auch die Anforderungen an den Fußgängerschutz berücksichtigt werden.

Die Luftführung ist so gestaltet, dass die Strömungswege so widerstandsarm wie möglich sind, um günstige Strömungsverhältnisse unter den vorliegenden Bedingungen zu erreichen.

Wesentlichen Einfluss auf ein hohes Drehmoment über weite Teile des Drehzahlbereichs, auf einen geringen Kraftstoffverbrauch und auf niedrige Abgasemissionen hat, neben der Ladungswechselauslegung, auch die Ladungsbewegung. Dazu wird über eine entsprechende Gestaltung des Zylinderkopfs eine hohe Turbulenz erzeugt, die den Verbrennungsprozess weiter verbessert.

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Aufladung

Kern der Aufladung ist ein zweiflutiger, bis 980 °C belastbarer Abgasturbolader. Das Turbinenradgehäuse ist integralisoliert, sodass umliegende Komponenten geschützt werden. Der Krümmer ist ebenfalls flutengetrennt, wobei Zylinder 1 und 4 und Zylinder 2 und 3 entsprechend ihrer Zündfolge zusammengeführt sind.

Funktionsablauf Ladedruckregelung

Um das ganze Potenzial des Abgasturboladers entfalten zu können, wurde auch die Ladedruckregelung komplett überarbeitet. Das bisher unterdruckbetätigte Stellglied wird nun durch ein elektrisches Stellglied für die Ladedruckregelklappe Wastegate ersetzt, über dessen Lagerückmeldung und die höhere Stellgeschwindigkeit die Ladedruckregelung sowie die Diagnose deutlich verbessert werden.

Die Ladedruckregelung erfolgt über das Stellglied Ladedruckregelklappe. Es wird kennfeld- und lastabhängig vom Steuergerät ME zur Ladedruckregelung angesteuert. Dazu wertet das Steuergerät ME die Signale folgender Sensoren und Funktionen des Motormanagements aus:

 Druck- und Temperatursensor vor Drosselklappe, Ladedruck und Ladelufttemperatur

 Druck- und Temperatursensor nach Drosselklappe, Saugrohrdruck und Saugrohrtemperatur

 Drucksensor nach Luftfilter, Ansaugdruck

 Fahrpedalsensor, Lastanforderung vom Fahrer

 Hallsensor Kurbelwelle, Motordrehzahl

 Klopfregelung, Getriebeüberlastschutz, Überhitzungsschutz

Zur Verringerung des Ladedrucks wird der Abgasstrom für den Antrieb des Turbinenrads, durch Öffnen der Ladedruckregelklappe, über einen Bypass umgeleitet.

Das Stellglied Ladedruckregelklappe betätigt über ein Gestänge die Ladedruckregelklappe, die den Bypass erstellt. Durch den Bypass wird ein Teil des Abgasstroms am Turbinenrad vorbei gelenkt, wodurch der Ladedruck geregelt und die Turbinendrehzahl begrenzt wird. Damit kann der Ladedruck an die momentane Lastanforderung des Motors angepasst werden.

Zur Überwachung der aktuellen Druck- und Temperaturverhältnisse in der Ladeluftstrecke vom Abgasturbolader bis zum Ladeluftverteiler wertet das Steuergerät ME die Signale der Druck- und Temperatursensoren aus und passt den Ladedruck an die motorischen Anforderungen an.

 Weitere Informationen zur Motorsteuerung finden Sie in der Funktionsbeschreibung "Aufladung Grundfunktion" GF09.00-P-9900A.

Kurbelgehäuseentlüftung im Ladeluftverteiler integriert

Die Be- und Entlüftung des Kurbelgehäuses im M139 erfolgt über den Ladeluftverteiler.

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Belt in Oil für Ölpumpenbetrieb

Die Ölversorgung des M139 erfolgt über eine mechanisch angetriebene, druckgeregelte Ölpumpe. Der Antrieb erfolgt von der Kurbelwelle über eine Kette auf die Wasserpumpe und von da über einen Belt in Oil auf die Ölpumpe. Mittels eines im Kurbelgehäuse integrierten elektrischen Ventils können kennfeldabhängig von Motorlast, Motordrehzahl und Öltemperatur variable Öldrücke eingestellt werden, um die Antriebleistung insbesondere im Teillastbereich zu reduzieren. Der wechselbare Ölfilter wird von einem an der Ölwanne verschraubten Ölfilter-/Ölkühlermodul aufgenommen. Die Ölkühlung erfolgt mittels Öl-Kühlwasser-Wärmetauscher, der fest verschraubt Teil des Moduls ist.

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Abgasanlage

Der neue Motor M139 in den Modellen Mercedes-AMG A 45 und A 45 S verfügt über die bereits bekannte schaltbare AMG Performance-Abgasanlage mit Klappensteuerung. Die Steuerung erfolgt durch ein Kennfeld abhängig von:

 AMG DYNAMIC SELECT Fahrprogramm

 Fahrpedalstellung

 Motordrehzahl

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