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Mercedes Common-Rail (2002)

• Spiralförmige Einlasskanäle für optimale Kraftstoff-Luft-Verwirbelung und Drallsteuerklappen in den Saugrohren

Der Aluminium-Zylinderkopf für die CDI-Triebwerke ist eine Neuentwicklung, die sich unter anderem durch zwei Spiral-Einlasskanäle auszeichnet. Einer von ihnen dient als Drall-, der zweite als Füllungskanal. Beide Kanäle sind auf die symmetrisch geformten Brennräume abgestimmt und versetzen die Luft bereits vor den Zylindern in eine schnelle Drallbewegung, die vor allem im Teillastbereich eine optimale Vermischung von Kraftstoff und Ansaugluft bewirkt. Auf ihrem Weg in die Brennräume strömen die komprimierte Frischluft und das beigemischte Abgas (siehe nächste Spalte) anschließend durch Schwingsaugrohre mit einer Länge von 350 Millimetern. Bis kurz vor dem Zylinderkopf ist der Ansaugbereich vor jedem Zylinder einflutig, geht dann aber in zweiflutige Kanäle über, die sich ihre Aufgaben teilen. Während einer von ihnen als Spiralkanal zur Verwirbelung des Kraftstoff-Luft-Gemischs fungiert, dient der zweite als sogenannter Füllungskanal, der sich im unteren Teillastbereich mit Hilfe elektropneumatisch betätigter Klappen schließen lässt. 

Der Vorteil: Die Abschaltung erhöht zusätzlich das Drallniveau in den Zylindern, so dass die Verbrennung im Hinblick auf die Partikel-Emissionen sauberer abläuft als bei anderen Direkteinspritzern.

• Vierventiltechnik

Eine wichtige Grundvoraussetzung für einen optimalen und abgasarmen Verbrennungsprozess schafft jedoch die  Vierventiltechnik. Sie ermöglicht es, die Einspritzdüsen in einer zentralen Lage zu positionieren, von der sich der Kraftstoff gleichmäßig in alle Richtungen des Brennraums ausbreiten kann. Zweiventilmotoren sind hier prinzipbedingt im Nachteil, weil die größeren Ventilflächen eine solche mittige Anordnung der Einspritzdüse nicht erlauben. Dadurch läuft die Verbrennung unvollständig ab - höhere Abgas-Emissionen sind die Folge.

• Integrierter Kanal für die Abgasrückführung

Neu ist auch die Integration eines Kanals für die Abgasrückführung (AGR) in den Zylinderkopf. Während diese Verbindung bei anderen Diesel-Triebwerken meist außen um den Motor herumgeführt wird, konstruierten die Mercedes-Ingenieure für den neuen Direkteinspritzer einen gegossenen Kanal, der das Abgas innerhalb des Zylinderkopfes - also auf direktem Wege - von der Auslass- zur Einlassseite führt. Das bietet drei Vorteile: Zum einen werden dadurch externe, schwingungsgefährdete Leitungen überflüssig, zum anderen ermöglicht die Integration der AGR-Leitung in den Zylinderkopf, dass ein Teil der Abgaswärme an das Kühlwasser abgegeben wird und sich der Motor schneller erwärmt. Gleichzeitig ermöglicht diese neue Technik die Kühlung der Abgase, wodurch eine noch bessere Verbrennung erzielt werden kann.

• Geringes Geräuschniveau dank Piloteinspritzung

Der hohe Brennraumdruck von bis zu 145 bar und die Geschwindigkeit, mit dem dieser Druck während des Verbrennungsvorgangs ansteigt, bewirken bei herkömmlichen Diesel-Direkteinspritzern normalerweise ein höheres Geräuschniveau als bei einem Vorkammermotor.

Die Lösung: Piloteinspritzung

Wenige Millisekunden vor der eigentlichen Kraftstoffeinspritzung strömt eine kleine Menge Diesel in den Zylinder, entzündet sich und sorgt auf diese Weise für eine Vorwärmung des Brennraums. Damit sind ideale Voraussetzungen für die Haupteinspritzung geschaffen: Der Kraftstoff entzündet sich schneller, so dass Druck und Temperatur nicht mehr so sprunghaft ansteigen. Dies wirkt sich nicht nur günstig auf die Verbrennungsgeräusche aus, dank der Piloteinspritzung und des niedrigeren Temperaturniveaus (aufgrund des schnellen Temperaturanstiegs in den Zylindern)in den Zylindern vermindern sich auch die Stickoxid-Emissionen des Motors.

Dank dieser Piloteinspritzung liegt das Geräuschniveau der modernen CDI-Motoren deutlich unter den Werten früherer Vorkammermotoren.

• Diesel-Nacheinspritzung

Die gleiche Flexibilität bei der Motorsteuerung, die den Effekt der Piloteinspritzung deutlich steigert, wird in Zukunft auch bei einer etwaigen Diesel-Nacheinspritzung Bedeutung erlangen. Stichwort DeNox-Katalysator: Dieser spezielle Abgasreiniger verringert die Stickoxid-Emissionen durch chemische Reduktion. Dazu werden die Kohlenwasserstoffe aus dem Abgasstrom der Dieselmotoren benötigt: Eine genau dosierte und auf die aktuellen Betriebsbedingungen des Motors abgestimmte Menge Kraftstoff genügt, um diesen Vorgang nach dem eigentlichen Verbrennungsprozess in Gang zu bringen. Durch die Kombination von DeNox-Kat, Common-Rail-Einspritzung und Vierventiltechnik lassen sich die Stickoxid-Emissionen in Zukunft deutlich verringern.  

• Neuentwickelte Katalysatoren mit Zeolith-Beschichtung

Neben der elektronisch gesteuerten Abgasrückführung, die zur Verringerung der Stickoxid-Emissionen beiträgt, sind die CDI-Motoren mit motornahen Katalysatoren und jeweils einem zweiten Abgasreiniger am Unterboden ausgerüstet. Diese Technik garantiert einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung der Abgas-Schadstoffe, so dass die Emissionen den Vorschriften der deutschen "D3"-Norm entsprechen, deren Limits bis zu 50 Prozent unter den Grenzwerten der EU-2-Abgasrichtlinie liegen.

Für die Katalysatoren haben die Mercedes-Ingenieure eine neue Beschichtung aus Platin, Aluminiumoxid und Zeolith-Kristallen entwickelt, die neben der Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zusätzlich eine Reduktion der Stickoxide bewirken. Um diesen chemischen Prozess auch im Unterboden-Katalysator in Gang zu bringen, ist der motornahe Katalysator mit einem Bypass-Kanal ausgestattet, über den eine Restmenge an Kohlenwasserstoffen in den zweiten Abgasreiniger gelangt.

• kleine Düsenlöcher

Auch hinsichtlich der Partikel-Emissionen sind in Zukunft mit Hilfe der variablen Common-Rail-Technik weitere Fortschritte denkbar. Da bereits bei niedrigen Drehzahlen und Lasten ein hoher Einspritzdruck zur Verfügung steht, können die Ingenieure Einspritzdüsen mit sehr kleinen Düsenlöchern einsetzen und erzielen auf diese Weise eine noch bessere Verteilung des Kraftstoffs in den Zylindern. Das Ergebnis sind sehr geringe Schwarzrauchwerte, die als Indiz für die Partikel-Emissionen der Motoren gelten. 

• höherer Einspritzdruck

Künftige CDI-Motoren werden mit noch wesentlich höherem Einspritzdruck (1600 bar) arbeiten, sodass sich der Lochdurchmesser der Düsen weiter verkleinern lässt und der Schwarzrauch im Teillastbereich nochmals deutlich abnimmt. Gleichzeitig können die Ingenieure die Menge des in den Motor mittels Abgasrückführung zurückgeleiteten Abgases erhöhen, was sich wiederum positiv auf die Stickoxid-Emissionen auswirkt.