OM651 MOTORENFORSCHUNG

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1 HTR_0109_D_OM651_46-51.qxd:46_51 OM651.qxd :43 Uhr Seite 1 46 Daimler MOTORENFORSCHUNG OM651 Text Eberhard Buhl Foto Kurt Henseler Am Anfang des Projekts stand die Idee von einem universell einsetzbaren Dieselaggregat, dem Welt-Motor OM651. Nun läuft die Serienproduktion des neuen Vierzylinder-Dieselmotors nach rund Stunden auf dem Prüfstand.

2 HTR_0109_D_OM651_46-51.qxd:46_51 OM651.qxd :44 Uhr Seite 2 HTR 01/2009 Motorenforschung 47 Zweistufige Aufladeeinheit Hochdruck-Abgasturbolader (niedrige bis mittlere Drehzahlen) Niederdruck-Abgasturbolader (mittlere bis hohe Drehzahlen) Hochdruck-Einspritzsystem bar Piezo-Injektoren direkt gesteuert Nockenwellenantrieb an der Motorenrückseite Zylinder 4 Hubraum cm³ Verdichtungsverhältnis 16,2 : 1 Leistung 150 kw/204 PS bei Umdrehungen/min Drehmoment 500 Nm bei Umdrehungen/min Zertifizierter Verbrauch 5,1 l/100 km Emissionen 134 g CO 2 /km Längs und quer einbaubar

3 HTR_0109_D_OM651_46-51.qxd:46_51 OM651.qxd :44 Uhr Seite 3 48 Daimler Der Generationswechsel kam nicht über Nacht. Mehrere Jahre arbeiteten die Ingenieure bei Daimler daran, die neue Baureihe moderner Dieselmotoren zu erdenken, zu konstruieren und reif für die Serie zu machen. Und wie immer arbeiteten die Spezialisten in der Vor- und der Serienentwicklung Hand in Hand. Die Konzept phase für den OM651 startete in der Vorentwicklung bereits im Jahr Zuerst, so erinnern sich Franz-Paul Gulde und Johannes Leweux, ging es darum, auf rein technologischer Ebene neue Komponenten für den geplanten Motor zu entwick eln oder Bewährtes zu modifizieren. Gulde ist in der Vorentwicklung Abteilungsleiter Pkw Dieselmotoren, sein Kollege Johannes Leweux zeichnet für die Produktentwicklung des OM651 verantwortlich. Nicht immer musste das Ingenieurteam dazu das Rad neu erfinden in manchen Fällen konnten sie auf Technologien zurückgreifen, die sich schon in anderen Projekten bewährt hatten. Schließlich ist die Bandbreite der bei Daimler aktuell gebauten Dieselmotoren extrem groß und reicht vom Dreizylinder-Aggregat des Smart, dem kleinsten Diesel der Welt, bis zum V8-Motor für den Actros mit 16 Litern Hubraum und Nm Drehmoment. Kann das Motorenkonzept unverändert bleiben, um das gesteckte Ziel zu erreichen? Wie müssten Kolben, Einspritzsystem oder Abgasrückführung verändert werden? Wo sind völlig neue Lösungen gefordert? Die Vorentwickler um Franz-Paul Gulde analysieren, testen und entwickeln die Komponenten technisch so weit fort, bis sie einen Baukasten mit praxisgerechten Technologielösungen an ihre Kollegen der Serienentwicklung übergeben können. In diesem Fall konnte freilich nur wenig bleiben, wie es war, wie Johannes Leweux bestätigt: Für diese neue Motorengeneration war eine besonders intensive Konzeptphase eingeplant weit aufwendiger als gewöhnlich. Und wir haben in der folgenden zweiten Entwicklungsphase noch einmal rund drei Jahre daran gearbeitet, den Motor als Ganzes bis zum Marktstart 2008 serienreif zu machen. Ein ehrgeiziges Projekt Die Vorgaben waren hart, die Ziele sportlich gesteckt. Zu unseren wichtigsten Anforderungen gehörte, so Leweux, von der bisherigen Motorenvielfalt wegzukommen und möglichst viele Pkwund Nutzfahrzeuganwendungen, die C-Klasse ebenso wie den Sprinter, mit einem einzigen Grundmotor zu versorgen. Dabei sollten für die verschiedenen Einbauformen möglichst wenige spezifische Änderungen bei Anschlüssen und Antrieben, aber auch bei Komponenten wie der Aufladeeinheit oder der Abgasrückführung notwendig werden. Klar war in jener ersten Entwicklungsphase bereits, dass die Emissionsvorschriften in Europa und vor allem in den USA weiter drastisch verschärft würden. Selbstverständlich sollte der Kraftstoffverbrauch spürbar gesenkt werden, obwohl gleichzeitig der Trend zu deutlich mehr Leistung pro Liter Hubraum geht. Dass ein wettbewerbsfähiger Vierzylinder-Dieselmotor im Jahr 2008 rund 150 kw leisten muss, war uns allen klar, ergänzt Gulde. Wie aber lässt sich das alles unter einen Hut bringen und wo beginnt man? Einer für alle Am Anfang steht immer die Frage, welche Grundeigenschaften der neue Motor mitbringen muss, sagt Produktentwickler Johannes Leweux. Ein sehr kompakter Grundmotor mit nur vier Zylindern sollte alle wesentlichen Varianten für Transporter und Pkw, im Längs- und Quereinbau, durch eine einfache Neuanordnung von Aggregaten ermöglichen. Dabei mussten auch neue, eher ungewöhnliche Ideen wie beispielsweise die Platzierung des Nockenwellenantriebs entwickelt werden: Weil die Motorhauben moderner Fahrzeuge vorn meist sehr niedrig sind, wurde ein stark verkürzter Kettentrieb gewählt, den die Ingenieure kurzerhand an die Rückseite des Motorblocks verlegten. Und: Die Hochdruckpumpe für die Einspritzung sitzt üblicherweise an der Nockenwelle. Wir konnten so allerdings kein Baukonzept finden, das gleichermaßen beim Längs- wie beim Quereinbau funktioniert hätte. Deshalb haben wir die Pumpe seitlich am Kurbelgehäuse angeordnet und treiben sie gemeinsam mit der Ölpumpe und den Ausgleichswellen raumsparend über Zahnräder an, berichtet Leweux. Anders als beim Trend zu kompakteren Baumaßen gibt es beim Thema Emissionen kaum Ausweichmöglichkeiten zunehmend strenger werden die Regularien in Europa und den USA. Das Abgasverhalten ist deshalb die Kernfrage für jeden Dieselmotorenentwickler, sagt Franz-Paul Gulde. Zwar lässt sich beispielsweise mit SCR-Technologie nachträglich noch viel verbessern, beim OM651 war es allerdings unser Ziel, mit rein innermotorischen Maßnahmen auszukommen. Je geringer die Sauerstoffmassenkonzentration im Brennraum ist, desto weniger NO x entsteht, so erklärt Gulde. Und genau an diesem Punkt setzen wir an, unsere Lösung FOKUS 1Kompaktmotor, viele Anwendungen. Der OM651 löst mehrere Vorgängermotoren ab und wird in verschiedenen Baureihen von der C-Klasse bis zum Sprinter eingesetzt. Deshalb ist der Grundmotor so konzipiert, dass die Zahl spezifischer Bauteile für die verschiedenen Einbauvarianten so gering wie möglich ist. Ziel war ein kompakter Grundmotor mit einem sehr hohen Verblockungsgrad Johannes Leweux, Produktentwicklung OM651 GRUNDMOTOR

4 HTR_0109_D_OM651_46-51.qxd:46_51 OM651.qxd :44 Uhr Seite 4 HTR 01/2009 Motorenforschung 49 JOHANNES LEWEUX PRODUKTENTWICKLUNG OM651

5 HTR_0109_D_OM651_46-51.qxd:46_51 OM651.qxd :44 Uhr Seite 5 50 Daimler FRANZ-PAUL GULDE VORENTWICKLUNG PKW DIESELMOTOREN

6 HTR_0109_D_OM651_46-51.qxd:46_51 OM651.qxd :44 Uhr Seite 6 HTR 01/2009 Motorenforschung 51 FOKUS EINSPRITZUNG 2.000bar Einspritzdruck und die erstmals in Serienmotoren verbauten, direkt gesteuerten Piezo- Injektoren belegen, dass der Innovationsgrad beim OM651 deutlich größer als üblich ist. Die Reaktionszeiten des Einspritzsystems wurden drastisch verbessert. Wir haben bereits eine Menge neuer Ideen für noch mehr Effizienz Franz-Paul Gulde, Vorentwicklung Pkw Dieselmotoren liegt in der Kombination aus Abgasrückführung und Aufladung. Die in den Brennraum zurückgeführten Abgase verringern dort den Sauerstoffanteil, mindern also die NO x -Bildung bei der Verbrennung; zugleich erhöhen Abgasturbolader den Anteil der Luftmasse, verbessern den thermodynamischen Wirkungsgrad und senken den Verbrauch. So erfüllt der neue Vierzylinder-Diesel bereits ohne Zusatzmaßnahmen wie zum Beispiel eine selektive katalytische Reduktion (SCR-Abgasreinigung) die Abgasnorm Euro 5. Gulde: Durch geschickte Abstimmung konnten wir beim OM651 viel erreichen. Ladung im Doppelpack Schließlich gingen die Ingenieure auch mit einer zweistufigen Turboaufladung neue Wege. Johannes Leweux: Wir haben dieses Verfahren bisher nur bei Nutzfahrzeugmotoren eingesetzt und nun zum ersten Mal auf einen kompakten Pkw-Motor übertragen. Der Grund: Bei Downsizing-Dieselmotoren mit hohen spezifischen Leistungen stoßen herkömmliche Laderkonzepte schnell an ihre Grenzen, lassen entweder beim Anfahren oder im höheren Drehzahlbereich den rechten Druck vermissen. Beim Zwei-Stufen-Konzept dagegen springt sehr schnell ein kleiner Hochdruck-Abgasturbolader an, der zusammen mit einem größeren Niederdruck-Lader schon bei Touren für üppiges Drehmoment von immerhin 500 Nm sorgt, so Leweux. Ab mittleren Drehzahlen übernimmt dann der Niederdruck-Turbo die Arbeit allein. Unter dem Strich bringt das neben den erwähnten Emissionseinsparungen über den gesamten Drehzahlbereich spürbare Vorteile bei Fahrverhalten und Verbrauch. Innovationen auch beim Einspritzsystem: Zunächst standen, so berichten die Motorenentwickler, verschiedene Technologien zur Wahl, die auf ihre Funktionalität hin geprüft, verglichen und bewertet wurden. Schließlich entschieden wir uns für direkt gesteuerte Piezo-Injektoren. Dabei überzeugte uns vor allem die realisierbare steilere Spritzrate und Flankenformung, wie wir Motorenbauer sagen. Bei traditionellen Systemen mit Magnetspule sind die Reaktionszeiten deutlich länger. Das wirkt sich auch auf den Verbrauch günstig aus zusammen mit bemerkenswerten, energiesparenden Lösungen wie der volumengeregelten Ölpumpe oder der per Unter- druck schaltbaren Wasserpumpe. Nun treibt der Neue den Mercedes-Benz C250 CDI BlueEFFICIENCY an, und kommt bei nur 5,1 l/100 km Verbrauch auf einen Kohlenstoffdioxidausstoß von 134 g CO 2 /km. Bald wird er bei Mercedes-Benz im GLK, in Modellen der E- und S-Klasse sowie im Sprinter zu finden sein. Ideen für die Zukunft Dennoch feilt das Team um Franz-Paul Gulde in enger Abstimmung mit den Serienentwicklern bereits an Konzepten für Dieselmotoren, die in fünf oder sechs Jahren auf den Markt kommen könnten. Auch da sind tief greifende Neuerungen nicht ausgeschlossen. In der Diskussion ist etwa, wie weit man Downsizing sinnvollerweise treiben kann. Zum Beispiel sind kompakte Dieselmotoren auf Basis des OM651 vorstellbar, die in Hybridfahrzeugen eingesetzt werden. Vorrang haben freilich weitere Fortschritte bei Emission und Verbrauch, und hier setzen die Ingenieure einerseits auf Neuentwicklungen wie elektronisch gesteuerte Mehrwegesysteme zur Abgasrückführung, andererseits auf das noch nicht ausgeschöpfte Potenzial der Piezo-Einspritzung, wie Franz-Paul Gulde erklärt: Piezo-Injektoren nämlich leisten deutlich mehr als eine Einspritzöffnung nur zu öffnen oder zu schließen. Sie können die Düsennadel in genau definierte Positionen bringen. Das schafft weitere Vorteile. Denn eines ist klar: So viel die Motorenbauer beim OM651 auch erreicht haben mit steigenden Anforderungen muss die weitere Entwicklung zügig vorangehen. WEB-TIPP Mehr technische Details zum OM651 sowie ein Interview zum Thema Entwicklungspotenziale beim Ottomotor finden Sie zusätzlich zu diesem Beitrag in HTR-online. Datenblatt: technische Besonderheiten des OM651 Werkstattgespräch aus HTR 01/2008: Motorenfoschung und Entwicklung mit Erhard Rau und Peter Lückert