Kleiner, krachtiger, schoner

Mercedes-Benz C250 CDI Blue Efficiency

Efficiënter met brandstof omgaan, dat is het doel dat Mercedes-Benz zich heeft gesteld met de nieuwe viercilinder Blue Efficiency-dieselmotoren. Bij een marginaal kleinere cilinderinhoud bieden deze motoren meer vermogen en een lager specifiek brandstofverbruik. Mercedes beantwoordt de stijgende vraag naar zuiniger auto’s met een nieuwe range viercilinder dieselmotoren. De eerste is te vinden in de C250 CDI Blue Efficiency, die in januari op de auto- en motorshow van Brussel werd gepresenteerd. Later zullen deze motoren ook in de E- en GLK-klasse worden ingezet. Feitelijk is het maar één motor van 2143 cc, die in drie varianten op de markt wordt gebracht.

Er komt een 200 CDI motor, die 100 kW of 136 pk levert bij 3000 tot 4600 tpm. De koppelafgifte van deze instapmotor bedraagt 330 Nm bij 1600 tot 2800 tpm. De sterkere variant 220 CDI brengt 125 kW of 170 pk bij 3200 tot 4800 tpm aan de krukas en heeft een breed uitgesmeerd maximumkoppel van 400 Nm bij 1400 tot 2800 tpm. De krachtigste versie is die in de zojuist gepresenteerde C250 CDI Blue Efficiency. In deze configuratie levert de vierpitter 150 kW of 204 pk bij 3800 tpm. Dat is een toename van maar liefst 20 procent ten opzichte van de sterkste vierpitter uit het oude assortiment, de 220 CDI. Ook het maximum koppel is met 500 Nm bij 1600 tot 1800 tpm maar liefst 25 procent sterker, en dat terwijl de cilinderinhoud met 5 cc is afgenomen! De viercilinder turbodieselmotor levert dan ook een zeer hoog specifiek vermogen van 70 kW of 95,2 pk per liter en een specifiek koppel van 233,3 Nm per liter!

Downsizing

Het spreekt vanzelf dat deze C250 CDI met dergelijke vermogenscijfers tot felle prestaties in staat is. Ondanks het niet bepaald kinderachtige gewicht van 1645 kilogram accelereert de C250 CDI in slechts 7,0 seconden van 0 tot 100 kilometer per uur en ligt de topsnelheid op 250. Van 60 tot 120 kilometer per uur doet de C250 CDI in de vijfde versnelling in slechts 9,2 seconden.

Wellicht nog indrukwekkender is het brandstofverbruik, dat slechts 5,2 liter per honderd kilometer bedraagt. De CO2-productie bedraagt dan ook maar 138 gram per kilometer en dat is bijzonder laag voor een auto van dit kaliber en dit gewicht. Uiteraard voldoet deze motor aan de Euro 5-emissienormen, terwijl Mercedes claimt dat deze motor zelfs het potentieel heeft om de Euro 6- en BIN 5-normen te halen.

Deze resultaten weet Mercedes te behalen dankzij effectieve downsizing. Kleine motoren hebben met name bij deellast minder pomp- en wrijvingsverliezen dan motoren met een grote cilinderinhoud. Met de moderne turbotechniek leveren die kleinere motoren bij vollast toch hoge vermogens en koppels.

Bouw

Mercedes heeft bij de constructie van deze viercilinder dieselmotor getracht het gehele concept zo compact mogelijk te houden, zodat het blok niet alleen in lengterichting, maar desgewenst ook in dwarsrichting kan worden ingebouwd. De cilinderinhoud van 2143 cc bereikt de vierpitter dankzij een boring van 83 mm en een tamelijk lange slag van 99 mm. Omdat de motor zijn maximum vermogen in de 220 CDI-variant bij 4800 tpm haalt, leidt dat tot een maximale gemiddelde zuigersnelheid van 15,8 meter per seconde. Voor een diesel is dat bijzonder hoog.

Het cilinderblok zelf is van gietijzer, waarbij de gietijzeren cilinderwanden iets fijner zijn gehoond dan bij zijn voorganger om de wrijvingsverliezen te verlagen. Om verliezen nog verder te beperken worden de zuigerbodems door een variabele oliestraal gekoeld. De oliepomp is namelijk voorzien van een elektronisch geregelde stuurklep die het volume van de oliestroom afregelt. De oliestroom kan verkleind worden als er minder koeling nodig is. Zo kost de aandrijving van de pomp minder energie. Ook de waterpomp draait langzamer als de motor minder koeling nodig heeft. Dat geeft niet alleen een verlaging van de verliezen, maar zorgt ook voor een snellere opwarming van het motorblok en daarmee een verlaging van de emissies na een koude start. Het gietijzeren blok is voorzien van een aluminium carter en een aluminium cilinderkop die is voorzien van een tweedelige watermantel. Hierdoor ontstaat een gelijkmatiger koeling van de verbrandingskamer, waardoor een hogere ontstekingsdruk van 200 bar mogelijk is. De gemiddelde effectieve zuigerdruk is bij maximumkoppel zelfs 29,3 bar en ook dat is extreem hoog.

In de cilinderkoppen zitten zestien kleppen, die door hydraulisch gestelde tuimelaars worden bediend. Om de wrijvingsverliezen te beperken lopen de nokken van de nokkenas niet direct op de tuimelaars, maar over in de tuimelaars gemonteerde rollen. De nokkenassen zelf worden aangedreven door een combinatie van tandwielen en een ketting. Op de krukas is een tweedelig vliegwiel gemonteerd, dat voorkomt dat trillingen van het motorblok aan de aandrijflijn worden doorgegeven. Achter het vliegwiel zit een tandwieltrein, die ook de aandrijving van twee secundaire balansassen en de aandrijving van andere hulpaggregaten voor zijn rekening neemt. De balansassen lopen in kogellagers in plaats van glijlagers, omdat de wrijvingsverliezen in kogellagers lager zijn.

Vanuit die tandwieltrein loopt een korte distributieketting naar de twee bovenliggende nokkenassen. De ketting loopt via een kunststof geleider en een kunststof spanner. Zeer opvallend is dat de nokkenasaandrijving dus naar de achterzijde van het motorblok is verhuisd. Dit heeft als voordeel dat het blok aan de voorzijde lager gehouden kon worden, waardoor er meer ruimte tussen de motorkap en het motorblok ontstaat. Dat is gunstig, want dat geeft een betere voetgangersbescherming.

Tweetraps drukvulling

Bij de Blue Efficiency motoren maakt Mercedes Benz voor het eerst gebruik van tweetraps drukvulling. Bij dit systeem worden twee turboladers in serie geplaatst, een kleine hogedruk turbo en een grote lagedruk turbo. De hogedruk turbo zorgt voor een goede vulling bij lage toerentallen, terwijl de lagedruk turbo zorgt dat de ademhaling bij hoge toerentallen goed verloopt. Door deze combinatie worden de nadelen van een enkele turbo voorkomen. Zo heeft dit systeem bijvoorbeeld geen last van naijlen van de gasreactie, een verschijnsel dat ontstaat door de inertie van een grote turbo. Voor de bestrijding van dit effect zorgt de kleine turbo, die direct in het uitlaatspruitstuk is geplaatst. Het turbinekanaal heeft een doorlaat van 38,5 mm. Alle uitlaatgassen stromen hier doorheen naar de turbine, die daardoor omwentelingssnelheden tot 248.000 tpm bereikt. Van daaruit stromen de gassen naar de lagedruk turbo.

De uiteindelijke laaddruk en de rol die de twee turbo’s daarin spelen, worden door het motormanagement bepaald. Daartoe is in de behuizing van de hogedruk turbo een bypass opgenomen. Die kan al naar gelang het toerental worden geopend en gesloten. Dat gebeurt door een laaddrukbesturingsklep, die wordt bediend door een door het motormanagement bestuurde actuator. Wanneer de motor lage toerentallen draait, is de klep gesloten zodat alle gassen door de turbine moeten. Daardoor kan deze hogedruk turbo bij lage toerentallen een optimale laaddruk bereiken.

Wanneer het toerental stijgt, opent de stuurklep zich. Daardoor kan een deel van het uitlaatgas door de bypass wegstromen, zodat de hogedruk turbo niet wordt overbelast. Na de eerste turbo komen de twee uitlaatgasstromen dan weer samen, zodat alle gassen ook weer door de tweede, lagedruk turbo stromen. De turbine van deze lagedruk turbo heeft een doorlaat van 50 mm en kan door de resterende uitlaatgasenergie nog een toerental van 185.000 tpm halen. Ook de lagedruk turbo heeft een bypass of wastegate, waarvan de klep door een actuator wordt geopend.

In het middentoerengebied is de bypass van de hogedruk turbo geheel geopend, zodat alle uitlaatgassen direct en zonder verliezen naar de lagedruk turbo stromen, die de drukvulling vanaf dat moment geheel voor zijn rekening neemt. Ook aan de pompzijde zijn de twee turbo’s in serie geschakeld en verbonden met een bypass kanaal, dat bij lage toerentallen gesloten is. De lucht stroomt dan eerst vanuit het luchtfilter door de compressor van de lagedruk turbo, die een doorlaat van 56,1 mm heeft. Vandaar gaat de voorgecomprimeerde lucht naar de hogedruk turbo, die een doorlaat van 41 mm heeft.

Wanneer het toerental stijgt, kan de hogedruk compressor de flow op een gegeven moment niet meer verwerken. De inlaatlucht zou dan te veel opwarmen. De bypass wordt dan geopend en de lucht stroomt om de turbo heen naar de intercooler. Aangezien de laaddrukklep van de turbine van de hogedruk turbo op dat moment openstaat, is die turbo dan geheel uitgeschakeld. Het systeem werkt vanaf dat moment als een conventionele enkeltraps turbo.

Inlaatsysteem

De gecomprimeerde lucht kan een temperatuur van 140 graden Celcius bereiken. Daarom wordt de lucht door een intercooler geleid, waarvan de capaciteit is vergroot. Een Hot Film Air Mass luchtmassameter meet hoeveel lucht er door de intercooler stroomt en bepaalt hoeveel uitlaatgas er bijgemengd kan worden om de NOx-productie bij warme motor te verlagen. Dat gas wordt na de intercooler via de EGR klep bij de inlaatlucht gemengd. Ook dit uitlaatgas wordt eerst in een warmtewisselaar gekoeld, om de inlaatluchttemperatuur zo laag mogelijk en het inlaatvolume zo hoog mogelijk te houden, terwijl het de inlaatlucht bij koude motor juist opwarmt. Dat zorgt voor een betere stationairloop bij koude motor, waardoor de nieuwe dieselmotor zelfs bij 0° Celsius nog zonder voorgloeivertraging kan worden gestart.

Behalve de turbo’s, de intercooler en het EGR bevat het inlaattraject nog een andere techniek om de verbranding te optimaliseren. De lucht stroomt vanuit de intercooler naar een verdeelmodule, die de luchtstroom naar elke cilinder optimaal verdeelt. In die module zit een elektronisch gestuurde smoorklep die de diameter van elk inlaatkanaal kan verkleinen. Dit verandert de wervelingen van de inlaatlucht in de cilinder dusdanig dat bij alle toerentallen en belastingstoestanden een optimale verbranding met optimale emissiewaarden plaatsvindt. Daar draagt ook de vernieuwde common rail-injectie aan bij die werkt met een raildruk van 2000 bar, 400 bar hoger dan voorheen. Daarnaast werkt dit systeem met een nieuw concept piëzoverstuiver, waarbij de naald direct wordt aangestuurd. Hierdoor kan de meervoudige injectie nog flexibeler getimed worden.

Potentieel

Met de Blue Efficiency zijn dieselmotoren volgens Mercedes-Benz nog lang niet uitontwikkeld. De term Blue Efficiency staat overigens niet alleen voor het nieuwe motorconcept, maar omvat een breder pakket maatregelen dat ervoor moet zorgen dat de auto zuiniger met brandstof omspringt. Zo is de motor gekoppeld aan een handmatig bediende zesversnellingsbak. Banden met tien procent minder rolweerstand zorgen bovendien dat de aandrijving zelf minder energie kost. Ook de adaptieve stuurbekrachtiging vraagt minder energie, omdat de stuurbekrachtigingspomp de druk verlaagt wanneer er niet gestuurd wordt. Daarnaast zijn aan de C250CDI ook aerodynamische verfijningen doorgevoerd, zoals beter gestroomlijnde spiegels en een vlakke bodembekleding. Een schakel- en verbruiksdisplay laat de rijder zien hoe hij het zuinigst kan rijden.