Neue V6-Dieselmotoren von Mercedes

Sparsam, sauber und stark soll die neue Generation der Diesel-Sechszylinder sein, die nun auch in die Oberklasse einzieht. So bringen Mercedes-Benz, Audi und Peugeot je eine neue Motorenfamilie auf dem Markt, mit hoher Leistung bei niedrigem Verbrauch und garantiertem Fahrspaß. Um dabei die künftigen Abgasvorschriften zu erfüllen, waren Detaillösungen und konsequenter Leichtbau nötig.

Aluminium setzt Mercedes-Benz im neuen Diesel-Sechszylindermotor ein, der im C 320 CDI (Limousine) sein Debüt hat und danach in allen Baureihen Einzug halten soll, sogar in der M-Klasse. Sein Drehmoment liegt bei herausragenden 510 Newtonmetern. Das Kurbelgehäuse wurde im Sandguss hergestellt. Es besteht erstmals in dieser Leistungsklasse aus Aluminium mit eingegossenen Grauguss-Laufbuchsen. Sandkerne erlauben gegenüber Druckguss komplizierteste Hinterschneidungen in Hohlräumen, ebenso ein dichteres Werkstoffgefüge. Das Kurbelgehäuse lässt sich somit höher belasten – bei einem Gewicht von nur 41 Kilogramm.

Auch Audi hat seine Motorenfamilie erneuert, deren erstes Modell der 3-l-V6-TDI-Motor im A8, A6 und A4 ist. Für das Kurbelgehäuse, das jetzt 180 bar Spitzendruck aushält, war der hochwertige Werkstoff GJV 450 (Vermiculargraphit-Guss) notwendig, der das Gehäuse um sieben Kilogramm leichter macht. Zusätzlich erlaubt er eine dünne Zylinderwand von nur 3,5 Millimetern.

Peugeot setzt in seinem Flaggschiff 607 den ersten 6-Zylinder-Dieselmotor in der Firmengeschichte ein. Er stammt aus der Zusammenarbeit zwischen Ford und PSA (Peugeot Citroën) im Jaguar-Entwicklungszentrum Whitley. Bei der Fertigung des Motorblocks setzt man – erstmals in der Serienproduktion – auf leichten, gleichzeitig aber sehr steifen Graphitguss (CGI – Compacted Graphite Iron). Dass Dieselmotoren keine Gewichtsnachteile mehr haben müssen, zeigt der neue V6 HDi Diesel: Er wiegt nur 15 Kilogramm mehr als der V6-Benziner gleichen Hubraums.

Geht es um optimale Einspritzsysteme, konzentrieren sich die Motorentwickler auf einen höheren Einspritzdruck und Mehrfacheinspritzung, die einen hohen Einfluss auf Schadstoffe und Geräuschentwicklung haben. Hier dominiert die Common-Rail (CR) der dritten Generation von Bosch. Statt Magnetventile nutzt sie neueste Piezo-Techonologie mit Inline-Injektoren, die sich schneller und präziser aktivieren lassen, denn die Steuerelemente liegen sehr nah am Düsenkopf. Dies führt zu 75 Prozent weniger Bauteile und bis zu 20 Prozent weniger Emissionen gegenüber der Vorgänger-Generation.

Pro Arbeitstakt sind damit im neuen MB-V6 fünf, statt vormals drei Einspritzungen möglich, bei einer Ansprechzeit der Injektoren im Millisekundenbereich. Geringere Verbrennungsgeräusche erreicht man mit der Aufteilung des Einspritzstrahls in Teilmengen. „Dadurch entsteht ein intensiver Drall im Brennraum, der dort die Bildung des Diesel-Luft-Gemisches und der Verbrennung optimiert“, so Joachim Schommers, Leiter der Dieselmotorenentwicklung bei Mercedes-Benz, „da wir zusätzlich durch Drosselklappen im Einlasstrakt die Art der Luftzuströmung verändern.“ Damit unterbietet der V6-Diesel die Euro 4.

Audi ist Trendsetter bei Pkw-Dieselmotor. Dies zeigt sich auch in der individuellen Anwendung der Common Rail. Richard Bauder, Leiter der Dieselmotorenentwicklung bei Audi: „Die hohe Dynamik des Piezosystems erlaubt es, die weiche Verbrennung ohne große Emissionsnachteile im ganzen Betriebsbereich umzusetzen.“ In der neuen Motorenfamilie mindert zusätzlich zur Common-Rail-Hardware eine Software die Emissionen. So berechnet die Mengen-Mittelwert-Adaption (MMA) – über die Lambda-Sonde und die Luftmasse – die Kraftstoffmenge, um die exakte Abgasrückführmenge zu bestimmen. Und mit der Null-Mengen-Kalibrierung (NMK) sind kleinste Voreinspritzmengen steuerbar, die beispielsweise im Schubbetrieb die einzelnen Injektoren unterschiedlich lang ansteuern können. Damit sich das Verbrennungsgeräusch nicht erhöht, liegt die Piloteinspritzmenge zwischen 0,85 und 1,3 mg je Hub, denn je kleiner die Dieseltröpfchen, desto homogener die Verbrennung.

Herzstück des neuen Peugeot V6 ist eine CR von Siemens VDO mit bis zu 1.650 bar Einspritzdruck. Die piezoelektronischen Einspritzdüsen haben je sechs Einspritzlöcher mit einem Durchmesser von 145 μm. Pro Arbeitstakt sind sechs Einspritzungen möglich: Zwei Voreinspritzungen mindern die Verbrennungsgeräusche, zwei Haupteinspritzungen erzeugen mehr Drehmoment sowie zwei Nebeneinspritzungen, die den Rußpartikelfilter regenerieren. In einer zentralen Steuereinheit überwachen 23 Sensoren und 20 Regelsysteme die motorinternen Parameter. Sie steuern auch das Abgasrückführungssystem und die beiden Turbolader.

Moderne TDI-Motoren nutzen Abgas-Turbolader mit verstellbaren Leitschaufeln, die das maximale Drehmoment weiter in Richtung untere Drehzahlen verschieben. Im neuen MB CDI-Sechszylinder heißt das System VNT (Variable Nozzle Turbine) und steuert je nach Winkel die Abgasmenge für die Komprimierung der Ansaugluft und den Ladedruck. So steht schon zwischen 1200 und 1400 Umdrehungen je Minute rund 400 Newtonmeter Drehmoment bereit. Hohe Luftmassen erreicht man im neuen Audi V6 mit einem Abgasturbolader von Borg Warner Turbosystems. Eine variable Turbinengeometrie mit elektrisch verstellbaren Schaufeln steuert zuverlässig die AGR-Spülung und die Restgasmenge.

Für ein gutes Ansprechverhalten ohne Turboloch setzt Peugeot auf zwei elektronisch gesteuerte Abgas-Turbolader. Erstmals kommt im Peugeot-Sechszylinder serienmäßig die dritte Generation des Rußpartikel-Filtersystems FAP (Filtre a Particules) zum Einsatz, das den Partikelausstoß „unterhalb der Messbarkeitsgrenze“ reduzieren soll. Es weist eine so genannte „Octosquare“-Geometrie auf: Kanäle mit einem größeren achteckigen Querschnitt, die das Abscheidevermögen des Filters deutlich erhöhen. Mithilfe geringer Mengen des verbesserten Additivs Eolys bleibt der Filter laut Peugeot bis zu 210.000 Kilometer wartungsfrei.

Der CDI-Motor von Mercedes-Benz erfüllt die EU 4 mit ein Startkatalysator und einem nach geschaltetem Hauptkat. Motorentwickler Joachim Schommers: „Um den Kunden die Chance zu geben, ihr Fahrzeug noch umweltschonender zu betreiben, erhält er in Deutschland, Österreich, den Niederlanden und der Schweiz einen zusätzlichen Diesel-Partikelfilter.“ Der regeneriert sich durch Aufheizen des Abgasstroms, verbraucht aber wegen der nötigen Nacheinspritzung und dem Gegendruck mehr Kraftstoff.

Beim 3-l-V6-TDI wird erstmals ein überarbeitetes Audi-Vierventil-Konzept umgesetzt, dass allein mit innermotorischen Maßnahmen die Euro 4 erfüllt: Die Audi-typische Anordnung der Ventile zur Kurbelwelle (Audi-Ventilstern) ermöglicht eine günstige Kanalströmung, die in Verbindung mit einer elektrisch geregelten Drallklappe eine optimale Zylinderfüllung garantiert. So sind für jeden Betriebspunkt kennfeldabhängige Stellungen möglich, die besonders bei relativ hohen Lasten wichtig ist, wo ein geschlossener Einlasskanal schon zu Füllungseinbußen und zu höherem Partikelausstoß führen kann. Motorenentwickler Richard Bauder: „Diese Erkenntnis ist für Audi insbesondere für Automatik-Getriebe mit quattro-Antrieb wichtig, da durchschnittlich höhere Lasten gefahren werden.“ Ohne Partikelfilter soll der Sechszylinder den Euro IV-Grenzwert um 50 Prozent unterschreiten. Doch auch bei Audi macht man Zugeständnisse an die Politik und die Kunden: Gegen Aufpreis ist ein Diesel-Partikelfilter bestellbar.

Vorgeschlagen für den Deutschen Zukunftspreis

Wie innovativ die neuen V6-Dieselmotoren sind, zeigt das Beispiel Audi. Für den letzten Deutschen Zukunftspreis nominiert war ein neues Zylinder-Bearbeitungsverfahren. Reibungsoptimierte Zylinderlaufflächen brachte man mit der UV-Photonenbelichtung zur Serienreife. Dazu wurden die Zylinderlaufbahnen mit einer dreistufigen Diamant-Honung vorbereitet und mit einem gepulsten Laser angeschmolzen. Nach der komplizierten Weiterbearbeitung entstehen letztlich sehr harte und verschleißfeste ausgebrannte Zylinderlaufbahnen. Das öl kann besser auf der Oberflächenstruktur gehalten werden, der Ölverbrauch sinkt damit um bis zu 75 Prozent. Dabei nimmt der Verschleiß der Laufbahnen und Kolbenringe bis zu 90 Prozent ab.

Weiterentwicklung der Common Rail

Die Motorenentwickler von Siemens VDO und Bosch arbeiten schon an der nächsten Generation von Common Rail-Systemen. Bei Bosch geht man davon aus, dass Ende 2006 die Einspritzdrücke schon 1800 bar erreichen. Je nach Raildruck liegt die steuerbare Einpritzmenge bei nur 0,5 mg je Hub. Dazu sollen bis zu zehn Löcher in einem Injektor sein, mit einem Durchmesser von nur 120 bis 110 µm. Solche präzisen Konstruktionen sind nötig: Kommt die Euro 5, müssen die Stickoxide für ein 1600 kg-Fahrzeug um etwa 50 bis 60 Prozent reduziert werden – mit einem guten Einspritzsystem allein sind etwa 25 bis 30 Prozent erreichbar.

Audi Peugeot Mercedes

Leistung Kw 171 150 165

Gewicht kg 220 199 208

Hubraum ccm 3000 2700 2987

Drehmoment/Drehzahl 450/1400 1900/440 1600-2800/510

(165 kW, 2987 ccm, zwischen 1600 und 1800 U/min 510 Newtonmeter)

(171 kW, 3000 ccm, bei 1400 U/min 450 Newtonmeter Drehmoment)