M139: Stärkster Serien-4-Zylinder der Welt

Vier gewinnt: Mit bis zu 310 kW (421 PS) Leistung ist der komplett neu entwickelte Mercedes-AMG 2,0-Liter-Motor M139 das stärkste in Serie gefertigte Vierzylinder-Turbotriebwerk der Welt. Mercedes-AMG übertrifft damit den Vorgänger M 133, der bislang die Spitze markierte, um 30 kW(40 PS). Auch das maximale Drehmoment stieg von 475 auf jetzt bis zu 500 Newtonmeter. Mit einer Literleistung von bis zu 155 kW (211 PS) rangiert der neue Mercedes-AMG Hochleistungs-Turbomotor vor vielen renommierten Supersportwagen-Aggregaten. Das neue, hocheffiziente Kraftwerk wird in Affalterbach nach dem Prinzip „One Man, One Engine“ auf einer innovativen Fertigungslinie produziert.

Der Vierzylinder wird in den Kompaktmodellen von Mercedes-AMG in zwei Leistungsstufen für höchst agilen Vortrieb sorgen: mit 310 kW (421 PS) als so genanntes S-Modell und mit 285 kW (387 PS) in der Basisvariante. Diese Angebotslogik hat sich bei den AMG Performance-Modellen mit V8-Motor bereits bewährt und erfüllt noch besser die indivuellen Kundenwünsche.

Neben den reinen Leistungszahlen besticht das neue Triebwerk durch sein spontanes Ansprechverhalten. Hierfür wurde der Drehmomentverlauf aufwändig abgestimmt („Torque shaping“): Der Maximalwert von 500 Newtonmetern (480 Newtonmeter in der Basisvariante) steht im Bereich von 5.000-5.250/min (4.750-5.000/min in der Basisvariante) zur Verfügung. Mit dieser Auslegung erzielten die AMG Ingenieure eine Saugmotor-ähnliche Kraftentfaltung, die das emotionale Fahrerlebnis nochmals deutlich verstärkt. Dabei konnten die Motorenentwickler im unteren Drehzahlbereich einen dynamisch ansteigenden Drehmomentverlauf realisieren und damit die Fahrbarkeit verbessern. Das wachsende Drehmoment bei höheren Drehzahlen steigert die Drehfreude des Motors. Zudem unterstreicht die hohe Maximaldrehzahl (bis 7.200/min) den Sportmotor-Charakter des M 139.

„Bereits mit dem Vorgängermotor haben wir den Benchmark im Segment gesetzt. Mit dem von Grund auf neuen Vierzylinder standen wir vor der großen Herausforderung, diesen Spitzenreiter noch zu übertreffen. Dies ist uns mit zum Teil revolutionären Lösungen gelungen. Mit dem M 139 haben wir einmal mehr die hohe Motoren-Kompetenz von Mercedes-AMG eindrucksvoll bewiesen. Nicht nur die Literleistung ist für ein aufgeladenes Triebwerk einzigartig, auch die hohe Effizienz verdeutlicht, dass der Verbrennungsmotor noch Potenzial in sich birgt“, so Tobias Moers, Vorsitzender der Geschäftsführung der Mercedes-AMG GmbH.

Warum One Man, One Engine“ neu gedacht wurde

Der neue Motor wird in reiner Handarbeit montiert. Im ersten Obergeschoss der AMG Motorenmanufaktur am Standort Affalterbach entstand dazu eine komplett neu konzipierte Fertigungslinie, bei der Mercedes-AMG das Prinzip „One Man, One Engine“ zusammen mit Industrie 4.0 auf eine innovative Ebene gebracht hat, die nach den modernsten Erkenntnissen der Ergonomie, des Warenflusses, der Qualitätssicherung, der Nachhaltigkeit und der Effizienz gestaltet ist. Auf dem Weg zur Umsetzung von Industrie 4.0 verfolgt auch die AMG Manufakturfertigung die Vision der smarten Produktion. Diese zeichnet sich durch maximale Flexibilität aus, ist transparent und hocheffizient. Dabei sichert und steigert sie die Qualität der Motoren sowie der Produktionsprozesse mit innovativen und digitalen Technologien.

„Für die Montage des M 139 haben wir das Prinzip One Man, One Engine vollkommen neu gedacht. Das Ergebnis ist eine hochmoderne Fertigung, die den Fokus auf den Menschen richtet. Für unsere Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter haben wir hierfür optimale Arbeitsbedingungen in einem lichtdurchfluteten, präzise organisierten und cleanen Umfeld geschaffen. Dies bietet die beste Basis, um unser hohes Qualitätsniveau auch bei komplexer werdender Technologie weiterhin zu gewährleisten“, so Emmerich Schiller, COO und Mitglied der Geschäftsführung der Mercedes-AMG GmbH.

Warum eine 180-Grad-Wende viele Vorteile bringt

Das neue Triebwerk zeichnet sich durch eine Vielzahl intelligenter Konstruktionsdetails aus. Im Vergleich zum ebenfalls quer eingebauten M 260 Vierzylinder in den 35er Modellen oder dem Vorgänger M 133 ist der neue Mercedes-AMG M 139 um 180 Grad um die Hochachse gedreht. Das bedeutet: Der Turbolader und der Abgaskrümmer befinden sich in Fahrtrichtung gesehen hinten an der Seite der Schottwand zum Innenraum. Die Ansauganlage ist demzufolge vorn positioniert. Diese Auslegung ermöglicht ein möglichst flaches und daher aerodynamisch vorteilhaftes Frontdesign. Außerdem konnte durch die Neuanordnung eine deutlich verbesserte Luftführung mit kürzeren Wegen und weniger Umlenkungen realisiert werden – sowohl auf der Ansaug-, als auch auf der Abgasseite.

Wie die Wälzlagerung das Ansprechverhalten des Turboladers verbessert

Der neue Twin-Scroll-Turbolader verbindet optimales Ansprechverhalten bei niedrigen Drehzahlen mit hohem Leistungszuwachs im oberen Drehzahlbereich. Dazu ist das Turbinengehäuse in zwei parallel verlaufende Strömungskanäle aufgeteilt. Zusammen mit zwei ebenfalls getrennten Kanälen im Abgaskrümmer ermöglicht dies, die Abgasströme auf das Turbinenlaufrad separat zu führen.

Ziel ist es, eine gegenseitige negative Beeinflussung der einzelnen Zylinder beim Ladungswechsel zu verhindern und den Gaswechsel zu verbessern. Die Folge sind ein höheres Drehmoment bereits bei niedrigen Drehzahlen und ein sehr spontanes Ansprechverhalten.

Außerdem ist die Welle von Verdichter- und Turbinenrad erstmals wälzgelagert ‑ wie bei der höchsten Leistungsstufe des AMG 4,0-Liter-V8-Motors im AMG GT 4-Türer Coupé. Durch die Wälzlagerung wird die mechanische Reibung im Turbolader auf ein Minimum reduziert. Der Lader spricht daher noch spontaner an und dreht schneller hoch – maximal mit bis zu 169.000/min.

Wie die elektronische Ladedruckregelung das Ansprechverhalten optimiert

Mit einem maximalen Ladedruck von 2,1 bar (1,9 bar beim Basismodell) rangiert der 2,0-Liter-Vierzylinder-Turbomotor auch in diesem Punkt an der Spitze. Mit dem elektronisch gesteuerten Wastegate (Abgas-Überdruckventil) lässt sich der Ladedruck noch präziser und flexibler regeln und das Ansprechverhalten optimieren, insbesondere bei Beschleunigung aus Teillast. Dabei wird eine Vielzahl von Parametern berücksichtigt.

Haupteingangssignale für das Steuergerät der Wastegateregelung sind Ladedruck, Drosselklappenstellung und Klopfneigung. Zu den Korrektursignalen zählen Ansauglufttemperatur, Motortemperatur,

Drehzahl und Umgebungsluftdruck. Auch eine zeitweilige Überhöhung des Ladedruckes beim Beschleunigen (Overboost) ist damit möglich.

Zur Kühlung des Turboladers wird neben Öl und Wasser auch Frischluft genutzt. Sie wird vom Kühlergrill über die Motorabdeckung, die als Luftleitelement gestaltet ist, und Kanäle unter der Motorhaube gezielt zum Lader geleitet. Das Konzept basiert auf den Prinzipien und Erfahrungen mit der Kühlung der innen liegenden Turbolader der aktuellen AMG 4,0-Liter-V8-Motoren, begonnen mit dem AMG GT im Jahr 2014. Zusätzlich hat das Turbinengehäuse eine Integralisolierung.

Welche Vorteile das Kurbelgehäuse bietet

Das Vollaluminium-Kurbelgehäuse wird im Kokillengussverfahren hergestellt, das sich durch seine hervorragenden Werkstoffeigenschaften auszeichnet. Hier wird das flüssige Aluminium unter Wirkung der Schwerkraft in die metallische Dauerform (Kokille) gegossen. Die wassergekühlte Kokille bewirkt aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeit eine schnelle Abkühlung und Erstarrung der Schmelze. Dies hat ein feinkörniges und dichtes Gefüge zur Folge, was sehr hohe Festigkeitswerte garantiert. Mit Hilfe eingelegter Sandkerne lassen sich komplexe Innengeometrien darstellen.

Die so sogenannte Closed-Deck-Bauweise – eine Konstruktion aus dem Motorsport ‑ gewährleistet höchste Steifigkeit bei niedrigem Gewicht und ermöglicht Spitzenverbrennungsdrücke von bis zu 160 bar. Die Bereiche um die Zylinder sind hier weitestgehend geschlossen, und die Deckplatte wird nur von kleineren Kanälen für das Kühlmittel und das Motoröl durchbrochen. Der Kurbeltrieb mit geschmiedeter, leichter Stahlkurbelwelle und Aluminium-Schmiedekolben mit optimierten Kolbenringen verbindet geringe Reibung mit hoher Festigkeit. Die maximale Motordrehzahl liegt bei 7.200/min, die Höchstleistung wird bei 6.750 /min erreicht. Die Ölwanne verfügt über Schwallbleche, so dass trotz des vergrößerten Ölsumpfs auch bei hoher Querbeschleunigung stets genug Motoröl zur Schmierung aller relevanten Bauteile vorhanden ist.

Warum die Zylinderlaufbahnen mit NANOSLIDE beschichtet sind

Zur Reduzierung der Reibleistung zwischen Kolben und Zylinder sind die Laufbahnen mit der patentierten NANOSLIDE-Technologie beschichtet.

Dies macht die Laufbahnen spiegelglatt für geringste Reibung, zudem doppelt so hart wie konventionelle Graugusslaufbuchsen und daher deutlich haltbarer. NANOSLIDE wurde von der Daimler AG entwickelt und ist durch über 90 Patentfamilien und mehr als 40 Patente geschützt. Die Beschichtung wurde erstmals beim AMG Motor M 156 eingesetzt, veredelt seit vielen Jahren weitere AMG Triebwerke und ist auch im Formel 1-Motor von Mercedes AMG Petronas Motorsport zu finden.

Wie größere Auslassventile für schnelleren Gaswechsel sorgen

Beim Zylinderkopf konnten durch die neu positionierte und zueinander leicht angewinkelte Einspritzdüsen- und Zündkerzenlage die Auslassventile gegenüber dem Vorgängermotor M 133 deutlich größer ausgeführt werden. Die größeren Auslassquerschnitte ermöglichen das verlustarme Ausströmen des Abgases aus dem Brennraum und reduzieren die gesamte Kolbenausschiebearbeit.

Eine effizientere Zylinderkopfkühlung konnte unter anderem durch die in der Einbauhöhe reduzierten Sitzringe und eine brennraumnahe Kühlbohrung im Stegbereich zwischen den Auslasssitzringen realisiert werden. Die Kühlleistung wurde darüber hinaus durch eine oberflächennahe Wassermantelgeometrie, eine schnellere Strömungsgeschwindigkeit und den optimierten Volumenstrom verbessert.

Eine mehrlagige Metallsicken-Dichtung auf dem neuesten Stand der Technik dichtet Zylinderkopf und Kurbelgehäuse voneinander ab.

Zwei obenliegende Nockenwellen steuern über gewichtsoptimierte Rollenschlepphebel die 16 Ventile. Die Nockenwellenverstellung auf der Ein- und Auslassseite ermöglicht ein sehr gutes Ansprechverhalten und optimiert den Ladungswechsel für jeden Betriebspunkt. Hinzu kommt die variable Ventilsteuerung CAMTRONIC auf der Auslassseite mit zwei Nocken je Ventil. Die Nocken haben unterschiedliche Geometrien, so dass die Auslassventile je nach Nockenschaltung, die abhängig von der Fahrsituation erfolgt, kurz oder lang geöffnet werden können – für noch besseres Ansprechverhalten bei niedrigen Drehzahlen, komfortables und verbrauchsoptimiertes Fahren bei mittleren Drehzahlen sowie voller Leistungsentfaltung im oberen Drehzahlbereich.

Wie die Benzineinspritzung das Beste aus zwei Welten verbindet

Turbo-Aufladung und Direkteinspritzung mit strahlgeführtem Brennverfahren ermöglichen nicht nur eine hohe Leistungsausbeute, sondern erhöhen auch den thermodynamischen Wirkungsgrad und senken somit den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen.

Erstmals verfügt der neue Hochleistungs-Vierzylinder über eine zweistufige Benzineinspritzung. In der ersten Stufe befördern besonders schnelle und präzise arbeitende Piezo-Injektoren den Kraftstoff mit bis zu 200 bar Druck in die Brennräume. Dies geschieht zum Teil mehrfach und wird nach Bedarf durch die Motorsteuerung geregelt.

In der zweiten Stufe kommt eine Saugrohr-Kanaleinspritzung mit Magnetventilen hinzu. Diese wird zum Erreichen der hohen spezifischen Leistung des Motors benötigt. Die elektronisch gesteuerte Kraftstoffversorgung arbeitet mit einem Druck von 6,7 bar.

Wie das aufwändige Kühlsystem die Leistung steigert

Die hohe Leistung erfordert ein ausgeklügeltes Kühlsystem. Ein Zusatzkühler im Radlauf ergänzt das große Element in der vordersten Ebene des Hauptmoduls. Zusätzlich kommt ein Niedertemperaturkreislauf für die Luft-Wasser-Ladeluftkühlung zum Einsatz. Zusammen mit dem in Reihe geschalteten Ladeluftkühler werden die Wasserkühler mithilfe einer elektrischen Hochleistungspumpe durchströmt. Die hochverdichtete Ladeluft wird auf diese Weise optimal abgekühlt und unterstützt damit die maximale Leistungsentfaltung des Motors.

Die Kühlung des Getriebeöls ist in den Wasserkreislauf des Motors eingebunden und wird von einem direkt am Getriebe angebrachten Wärmetauscher unterstützt. Das Motorsteuergerät sitzt auf dem Luftfiltergehäuse und wird dort von Kühlluft umströmt.

Warum die elektrische Wasserpumpe zahlreiche Vorteile bringt

Die bedarfsgerecht geregelte, elektrische Hochleistungs-Wasserpumpe arbeitet unabhängig von der Motordrehzahl. Das späte Einschalten beim Warmlauf beschleunigt das Erwärmen des Motorblocks, was sich positiv auf Reibleistung, Verbrauch und Emissionen auswirkt.

Ebenso kann bei Betrieb mit weniger Leistung oder niedrigen Drehzahlen die Pumpe bedarfsgerecht zu- oder abgeschaltet werden. Die elektrische Wasserpumpe gewährleistet zudem die volle Motorleistung und optimale Wärmeableitung über den gesamten Drehzahlbereich. Sie schützt auch vor Hitzeschäden im Leerlaufbetrieb bei sehr hohen Außentemperaturen.

Funktionen wie das Generatormanagement, die ECO Start-Stopp-Funktion mit schnellem Wiederanlassen, die Segelfunktion und der Ottopartikelfilter gehören ebenfalls zum Technologie-Paket des neuen AMG Vierzylinders.

Wie die neue Fertigung die Arbeit erleichtert und die Effizienz erhöht

Der neue AMG 2,0-Liter-Vierzylinder-Turbomotor mit der internen Bezeichnung M 139 wird in reiner Handarbeit nach der traditionellen AMG Philosophie „One Man, One Engine“ montiert – aber mit einer völlig neuen, digital unterstützten Prozess- und Logistikorganisation.

Bei allen Aktivitäten steht der Mensch im Mittelpunkt. Die Mitarbeiter werden durch digitale Tools optimal in ihren Tätigkeiten unterstützt. Der Einsatz intelligenter, flexibler Technik steht dabei im Fokus. Kernelement der modernen Fertigung ist die Kombination aus einer hoch flexiblen Linienmontage mit einem vorkonfigurierten Warenkorb und fahrerlosen Transportsystemen. Auch das Thema Nachhaltigkeit war grundlegender Bestandteil bei der Planung der neuen Fertigungslinie für den M 139. Die Produktion nutzt erneuerbare Energien und reduziert die CO2-Emissionen, den Wasserverbrauch und den Abfall deutlich.

Wie der neue Montagewagen die Arbeit erleichtert

Der Montagewagen, auf dem der M 139 zusammengebaut wird, wurde gemeinsam mit den Mitarbeitern im Team entwickelt. Er verfügt über eine eigene, unabhängige Stromversorgung und benötigt daher kein Stromkabel mehr. Alle notwendigen Betriebsmittel und Werkzeuge befinden sich ergonomisch optimiert an und auf dem Wagen, was gleichermaßen die Arbeit erleichtert, die Wege minimiert und die Effizienz erhöht. Der integrierte Tablet-PC unterstützt den Monteur mit präzisen Arbeitshinweisen in klar verständlichen Formulierungen. Handbücher oder Leitfäden haben endgültig ausgedient – die Manufaktur wird papierlos.

Warum die Mitarbeiter vom „Blue Sky“ sprechen

Die neuen Akkuschrauber sind sofort zur Hand und müssen nicht mehr ‑ wie bislang ‑ von Station zu Station als kabelgebundenes Werkzeug von der Hallendecke gegriffen werden. Die Beschäftigten nennen ihren Arbeitsplatz daher auch „Blue Sky“, weil keine Kabel mehr von der Decke hängen. Der Gesamteindruck in der lichtdurchfluteten Halle ist sehr hell und luftig und erzeugt dadurch ein angenehmes Arbeitsklima. Die umfasssende Digitalisierung erhöht gleichermaßen die Effizienz und die Flexibilität in der Manufaktur-Produktion: Jedes Werkzeug ist mit dem WLAN der Motorenmanufaktur verbunden – die Freigabe und die Drehmomenteinstellung für den jeweiligen Montageabschnitt können daher automatisiert über Indoor-Tracking erfolgen. Außerdem werden alle erledigten Tätigkeiten ebenfalls digital erfasst, was höchste Qualitätssicherung, Nachvollziehbarkeit und Transparenz garantiert.

Welche Vorteile die fahrerlosen Transportsysteme bieten

Jedem Montierenden folgt ein fahrerloses Transportsystem. In seinem Warenkorb sind exakt alle Bauteile vorrätig, die zur Komplettierung des jeweiligen Triebwerks erforderlich sind. Die Transportsysteme werden im Mercedes-AMG Logistikcenter Marbach kommissioniert und taktgenau („just in sequence“) an die Fertigungslinie geliefert. Die autonome Steuerung erfolgt ebenfalls über Indoor-Tracking via WLAN. Alle Bauteile lassen sich digital nachverfolgen.

Montage- und Transportwagen sind im schwarz-weißen Mercedes-AMG Look designt und mit Schlagzeilen wie „START YOUR ENGINE“ oder „AMG PERFORMANCE INSIDE“ beschriftet. Damit tragen sie zur Motivation und zur Identifikation mit dem Unternehmen bei. Passend dazu erhielt der Hallenboden Schraffuren und weiß-rote Streifenmarkierungen, die an Curbs und Leitlinien von Rennstrecken erinnern.

Warum auch die Prüfstationen noch effizienter wurden

Parallel wurde die Anzahl der Prüfstationen verringert, indem mehrere Einzelstationen zu drei Zentralstationen zusammengeführt wurden: Schleppmomenttest, Lecktest Öl-/, Wasser- und Kraftstoffsysteme sowie Lecktest kompletter Wasserraum Motor. Daraus ergeben sich erhebliche Zeitvorteile und damit eine höhere Effizienz.

Auch hier werden alle Parameter und Messwerte digital erfasst und gespeichert, so dass jederzeit die Entstehung jedes einzelnen Motors nachvollzogen werden kann.

Die Montagephilosophie „One Man, One Engine“ gehört zu den markenprägenden Merkmalen von Mercedes-AMG. Ein weiteres charakteristisches Merkmal des M 139 ist daher die AMG Motorplakette mit der Unterschrift des Motorenbauers. Zuvor gab es für alle Monteure des neuen Vierzylinders umfangreiche Qualifizierungs- und Weiterbildungsmaßnahmen.

Die Daten im Überblick

Quelle: Daimler AG / Mercedes-AMG