DB OM 400 Serien

Mercedes-Benz DB OM 400 Serien

Tilbake til oversikt over Mercedesmotorer Mercedes Benz OM 400 serie

Alle OM 400 serie motorene

Historie

Historien om Mercedes-Benz OM 400-serien med dieselmotorer strekker seg tilbake til slutten av 1960-tallet. Serien ble utviklet for å møte strengere vesttyske transportreguleringer og endte opp med å bli en av de mest suksessrike og seiglivede motorfamiliene for nyttekjøretøy, landbruksmaskiner og industrielt bruk.

I 1968 innførte det tyske transportdepartementet et nytt direktiv som krevde at tunge lastebiler og vogntog som kjørte på tyske veier måtte ha en minimumseffekt på 8 hestekrefter per tonn totalvekt. Dette gjorde at de eldre motorene i 300-serien ble for svake for de tyngste klassene.

Daimler-Benz startet utviklingen av den nye 400-serien i 1969 for å tette dette gapet. I mai 1970 rullet den aller første motoren ut av samlebåndet på fabrikken i Mannheim: en massiv V10-motor med navnet OM 403, som leverte 320 hestekrefter

Daimler-Benz
Damler-Benz OM 400 serien
-
Diesel
Motor	OM 401	OM 402	OM 403	OM 404	OM 404 A	OM 404 LA	OM 407	OM 407 A	OM 407 h	OM 407 hG	OM 409
Variant	-	-	-	-	-	-	-
Vekt tørr	710 Kg	820 Kg	965 Kg	1115 Kg	1210 Kg	Kg
Byggeår
Ytelse	190 Hk	252 Hk	320 Hk @ 2500	378 Hk @ 2500 o/min	503 @ 2300 o/min	550 Hk @ 2300 o/min
Dreiemoment	627 Nm @ 1270	830 Nm @ 1300			1380 Nm @ 1600 o/min
Innsprøytning	Direkte
Sylindre	V6	V8	V10	V12	V12	V12	R6	R6	H6	H6	R5
Slagvolum	9600 cm³	12760 cm³	15950 cm³	20910 cm³	cm³	cm³
Borring	125 mm
Slag i mm	130	130	130	142			155
Kompresjon	17,2:1	17,2:1	17,2:1	17,2:	16,75:1
Turbo	Nei	Nei	Nei	Nei	Ja	Ja	Nei
Ladeluftkjøler	Nei	Nei	Nei	Nei	Nei	Ja	Nei
Kjøling	Vann
Innsug åpner	- før ØD
Innsug stenger	- etter ND
Eksos åpner	- før ØD
Eksos stenger	- etter ND
Klaring innsug	mm - kald
Klaring eksos	mm - kald
Tenningsrekkefølge
Dieselpumpe
Dysespiss
Dieselfilter	000 090 00 51
Oljefilter	000 180 00 09
Stempelhastighet	m/s
Stempelprodusent
Startmotor

Artikkel av Heinz Hoffmann, Daimler Benz.

SAMMENDRAG

Utviklingen og testingen av den nye serien med Mercedes-Benz dieselmotorer, modellserien 400, diskuteres i denne artikkelen. Serien inkluderer 6-, 8-, 10- og 12-sylindrede V-motorer og 5- og 6-sylindrede rekkemotorer. Alle har en boring på 4,922 tommer og en slaglengde på 5.117 tommer, slagvolum på 97,4 kubikktommer per sylinder, vannkjøling og direkte drivstoffinnsprøytning. Spesifikke punkter som dekkes, er forbrenningssystemet, tenningen, utslipp, stempler, toppakninger og kjølesystemet. (Her er jeg usikker på nvordan de har regnet om fra millimeter til tommer.)

---

På den internasjonale bilutstillingen i Frankfurt i 1969 ble V10-motoren OM 403 – med en effekt på 320 hk ved 2500 o/min – vist frem som den første i vår «modellserie 400»-motorfamilie. (Se fig. 1.)

For å møte kravet om en høyere spesifikk effekt – 8 DIN-hk per tonn totalvekt – måtte vi finne en helt ny løsning. Målet var å kunne tilby kraftigere og potensielt mer økonomiske motorer, samtidig som vi opprettholdt lang levetid, lite vedlikeholdsbehov og lave driftskostnader (det vil si lavt drivstofforbruk).

Omfattende vurderinger og innledende tester førte til utviklingen av en ny motorserie som, i tillegg til V6-, V8-, V10- og V12-motorer, også omfatter 5- og 6-sylindrede rekkemotorer. Alle har en sylinderboring på 125 mm og en slaglengde på 130 mm, et slagvolum på 97,4 kubikktommer per sylinder, vannkjøling og direkte drivstoffinnsprøytning.

De tekniske konstruksjonsdetaljene ble inngående presentert av Bernhard Müller i tidsskriftet «Automobiltechnische Zeitschrift» i august 1970.

Formålet med denne artikkelen er å gi informasjon om det omfattende utviklingsarbeidet som ble utført, uavhengig av hvilken motorversjon som til slutt ble satt i produksjon.

Forkammermotorer for personbiler

Vi kunne dra nytte av vår tidligere erfaring med forkammermotorer, som fortsatt er montert i våre dieselpersonbiler. Frem til for syv år siden var alle våre nyttekjøretøy utstyrt med forkammer-dieselmotorer. På det tidspunktet ble direkte innsprøytning innført, slik at vi nå har tilgang til tilstrekkelig informasjon om både mengde og kvalitet.

Vi produserer fortsatt både forkammermotorer og motorer med direkte innsprøytning. For personbiler finnes det alternativer: bensin- eller dieselmotor, og når det gjelder dieselmotor: enten forkammertype eller direkte innsprøytning. Det er en selvfølge at kunden som kjøper en dieselpersonbil, forventer at motoren skal være mer økonomisk i drift enn bensinmotoren i en konvensjonell personbil. Kunden er ikke villig til å akseptere de negative egenskapene som er typiske for forbrenningsprinsippene i en dieselmotor. Det er et kjent faktum at dieselmotoren har et lavere spesifikt effekt-til-volum-forhold på grunn av blandingens lavere brennverdi.

De viktigste fordelene med dieselmotorer i personbiler – utover lavt drivstoffforbruk (særlig ved dellast) – er rolig gange og problemfri kaldstart. Forkammersystemet oppfyller disse kravene svært godt.

Som vist i figur 2, er forkammeret en separat del av hovedforbrenningskammeret der den innledende tenningen finner sted. Det isolerte forkammeret hindrer umiddelbar varmeoverføring. Drivstoffet som sprøytes inn i forkammeret, fordeles mekanisk ved hjelp av en kulepinne. Under oppstart varmes det opp av glødepluggen til temperaturer som forkorter tenningsforsinkelsen og sikrer både tenning og en tilnærmet fullstendig forbrenning av en del av det innsprøytede drivstoffet. Dermed unngår man i stor grad «hvit røyk», «blå røyk» og den stikkende lukten som ofte forbindes med motorer med direkte innsprøytning.

Denne forbrenningsegenskapen, som er typisk for forkammer-dieselmotoren under oppstart, er også avgjørende for at motoren skal gå rolig når den er varm. Denne konstruksjonen krever imidlertid visse kompromisser.

Den nødvendige støysvake gangen hos en dieselmotor for personbiler oppnås ved hjelp av et forkammer, som fungerer både som et element for blanding av drivstoff og luft og som en styringsenhet for forbrenningsprosessen. Det 10–15 % høyere drivstofforbruket sammenlignet med motorer med direkteinnsprøytning skyldes hovedsakelig samvirkende faktorer. Utformingen av forkammerets volum og åpninger krever særlig stor oppmerksomhet. Forholdet mellom slaglengde og sylinderboring er spesielt viktig, ettersom dette bestemmer stempelhastigheten. Optimalisering av gassveiene er også nødvendig for å oppnå et akseptabelt drivstofforbruk. Dette innebærer riktig dimensjonering av innsugnings- og eksoskanaler, samt korrekt avstemming av ventilplassering og -størrelse.

Ved dellast og et midlere effektivt trykk (mep) på 28,5 psi har dieselmotoren på 134 kubikktommer et drivstofforbruk på mellom 0,58 og 0,67 lb/bhp-t, mens tilsvarende verdier for en bensinmotor med forgasser og samme slagvolum ligger på henholdsvis 0,67 og 0,90 lb/bhp-t.

Utslippene av nitrogenoksider fra motorer med forkammer er betydelig lavere enn fra motorer med direkteinnsprøytning. Jeg vil komme nærmere inn på dette senere.

Oppsummert kan man si at bruken av forkammermotorer i personbiler fremstår som svært hensiktsmessig.

Lastebilmotorer

Hva er situasjonen innen tunge dieselmotorer?

Tidligere var våre grunnleggende typer forkammerversjoner to 6-sylindrede rekkemotorer: OM 322 (3,82 tommer boring, 5,04 tommer slaglengde,

3,46 cu in. total stempelvolum) og OM 326 (5,04 tommer boring, 5,51 tommer slaglengde, 659 cu in. total stempelvolum)

som hadde fire ventiler per motorsylinder og et midtmontert forkammer. (Se fig. 3.)

Med hoveddimensjonene ble direkte drivstoffinnsprøytningsmotorene (OM 352 og OM 346) avledet fra disse motorene,

som vist i fig. 4. Siden økning i ytelse ikke var tiltenkt, kunne den injiserte drivstoffmengden reduseres på grunn av forbedret termisk effektivitet. Følgelig ble termiske spenningstopper

senket. Med forkammermotoren OM 326 (fig. 5) utgjør den effektive varmen som omdannes til effekt bare 30 %;

dette tallet stiger til 38 % med direkte drivstoffinnsprøytningsmotoren OM 346, som følgelig har lavere varmetap gjennom eksosgassen og kjølevannet.

Det spesifikke drivstofforbruket ved nominell effekt for forkammermotoren på 0,46 lb/bhp-time synker med 20 % til 0,367 lb/bhp-time for direkte drivstoffinnsprøytningsmotoren. Dellastegenskapene, som vist i fig. 6, viser tydeligst den enorme fremgangen som er gjort med direkte drivstoffinnsprøytningsmotoren.

Et annet positivt punkt med direkte drivstoffinnsprøytningsmotoren er den lavere graden av smøreoljeforurensning, som i sammenligning med forkammermotoren kan reduseres til under enn halvparten i gjennomsnitt.

Foruten alle disse positive faktorene, må en liten økning i topptrykk anerkjennes som en iboende egenskap, men topptrykk på 1140 psi er fortsatt godt innenfor akseptable grenser.

UTVIKLING

Jeg vil gjerne drøfte noen stadier i den eksperimentelle utviklingen der vi har studert faktorer som påvirker forbrenningsprosessen i motorer med direkte innsprøytning.

Vi har konsentrert oss om å utvikle et forbrenningssystem der dysen med fire hull er plassert mer sentralt i forhold til stempelutsparingen enn i andre systemer. I topplokk med fire ventiler er utsparingen og dysen plassert konsentrisk i forhold til sylinderaksen; i versjoner med to ventiler (inkludert den nye V-serien) er utsparingen forskjøvet så langt fra sylindersenteret at dysen havner nesten sentralt i forhold til utsparingen. Med andre ord har drivstoffet som sprøytes ut gjennom de fire dysestrålene, omtrent like lang vei å tilbakelegge før det treffer den vertikale eller svakt skråstilte veggen i utsparingen. Underveis kommer det i kontakt med luften, og i det minste de ytre delene av strålen begynner å spre seg noe. På grunn av en relativt moderat virvelbevegelse (moderat sammenlignet med innsprøytning fra en en-hulls dyse, der strålen i stor grad treffer veggen), blir også sentrum av strålen forskjøvet i virvelens retning.

En tilleggsfunksjon ved luftvirvelen er å bidra til «blandingsdannelsen». Prosessen starter heterogent og går over i en homogen fase etter hvert som drivstoffet fordamper;

drivstoffpartikler blåses fra strålens ytterkanter og ut i forbrenningsrommet mellom dysestrålene, der de danner ulike

drivstoff-luft-blandinger avhengig av tid og sted. Tenning skjer

der forholdene ligger best til rette for rask forbrenning.

Man kan si at når det gjelder blandingsdannelse, er dieselmotoren

med direkte innsprøytning i praksis den egentlige «motoren

med sjiktet ladning» (stratified charge engine).

På samme måte sørger en-hulls dysen – der strålen treffer veggen –

for tenning ved hjelp av luftvirvelen, ettersom drivstoffet

fordeles tilbake i luften.

Her må jeg understreke at skillet mellom «fordeling i luft»

og «fordeling via vegg» ikke bør betraktes som to separate

filosofier; begge systemene nærmer seg hverandre og har

tydelige fellestrekk i selve forbrenningsprosessen. Husk at det i løpet av den svært korte tiden for blandingsoppbygging i brennkammeret oppstår sjikt med ulik konsentrasjon, som endrer seg raskt avhengig av sted og tidspunkt. Under forbrenningsprosessen, etter tenning, oppstår det soner med henholdsvis gunstige og ugunstige forhold for den ønskede fullstendige oksidasjonen av hydrokarbonpartiklene. Det er mulig å optimalisere forbrenningsprosessen ved å variere virvelintensiteten på en hensiktsmessig måte, avhengig av hvordan blandingen dannes.

Et eksempel på en slik forsøksserie vises i den øvre delen av figur 7. De laveste verdiene for røykutvikling (målt i Bosch-tall) og det laveste drivstofforbruket ble observert ved det undersøkte turtallet og en bestemt virvelintensitet. Disse egenskapene ble ansett som ønskelige å oppnå for den aktuelle motortypen.

En annen mulighet for optimalisering er justering av innsprøytningstidspunktet, slik det vises i den nedre delen av samme figur.

Jeg vil imidlertid understreke at disse dataene ikke uten videre kan overføres til andre motortyper.

Eksemplene som vises her, er ikke allment gyldige.