Serieproductie van de krachtigste Mercedes-AMG viercilindermotor van start in Affalterbach

Nog meer kracht uit vier cilinders: met een maximumvermogen van 310 kW (421 pk) is de volledig nieuw ontwikkelde Mercedes-AMG 2,0 liter M 139-motor de krachtigste in serie geproduceerde viercilinder turbomotor ter wereld. Met deze motor heeft Mercedes-AMG het vermogen van zijn voorganger M 133 met 30 kW (40 pk) weten te overtreffen. Het maximumkoppel is eveneens verhoogd, van 475 naar 500 Nm. Met een specifiek vermogen tot 155 kW (211 pk) per liter, overtreft de nieuwe Mercedes-AMG high-performance turbomotor zelfs motoren van vele gerenommeerde supersportwagens. De nieuwe, zeer efficiënte krachtbron wordt geproduceerd op een innovatieve productielijn in Affalterbach, volgens het ‘One Man, One Engine’-principe.

De viercilinder is leverbaar in twee vermogensvarianten en voorziet de compacte modellen van Mercedes-AMG van indrukwekkende prestaties: met een vermogen van 310 kW (421 pk) in het zogenoemde S-model en een vermogen van 285 kW (387 pk) in de basisversie. Deze productfilosofie is reeds succesvol gebleken bij de AMG Performance-modellen met V8-motor en sluit goed aan op de wensen van klanten.

Afgezien van de vermogenscijfers maakt de nieuwe motor ook indruk met zijn onmiddellijke respons. Om deze te kunnen bieden, werd de koppelkromme met grote nauwkeurigheid gevormd (‘torque shaping’): het maximumkoppel van 500 Nm (480 Nm bij de basisversie) is beschikbaar over een toerenbereik van 5.000-5.250 t/min (4.750-5.000 t/min bij de basisversie). Met deze configuratie hebben de engineers van AMG een vermogensafgifte gerealiseerd die vergelijkbaar is met die van een atmosferische motor, wat voor een bijzonder opwindende rijervaring zorgt. De motorontwikkelaars wisten eveneens een dynamisch stijgende koppelkromme te realiseren in het lagere toerenbereik, wat de souplesse van de motor verbetert. Het toenemende koppel bij hogere toerentallen zorgt ervoor dat de motor gemakkelijker toeren maakt. Daarnaast benadrukt het hoge maximale toerental (tot 7.200 t/min) dat de M 139 een sportmotor is.

“We hebben reeds de benchmark gezet in het segment met de vorige motor. Met de grondig vernieuwde viercilindermotor moesten we de lat nog hoger leggen. En dat is gelukt dankzij revolutionaire oplossingen. Met de M 139 hebben we opnieuw laten zien hoeveel expertise er op motorengebied is bij Mercedes-AMG. Niet alleen is het vermogen per liter ongeëvenaard voor een turbomotor, het hoge efficiëntieniveau laat ook zien dat de verbrandingsmotor nog veel potentieel heeft”, aldus Tobias Moers, CEO van Mercedes-AMG GmbH.

Waarom het ‘One Man, One Engine’-principe werd vernieuwd

De nieuwe motor wordt volledig met de hand geassembleerd. Op de eerste verdieping van de AMG-motorenfabriek in Affalterbach werd een geheel nieuwe productielijn geïnstalleerd waarmee Mercedes-AMG het ‘One Man, One Engine’-principe naar een nieuw niveau brengt. Ook wordt gewerkt volgens de Industry 4.0-methodes waarbij de nieuwste inzichten op het gebied van ergonomie, de omgang met materialen, kwaliteitsborging, duurzaamheid en efficiëntie worden toegepast. Als stap richting de implementatie van Industry 4.0 vindt de handmatige assemblage bij AMG plaats volgens het principe ‘smart production’. Dat kenmerkt zich door een maximale flexibiliteit, het is transparant en bijzonder efficiënt. Het garandeert en verbetert het kwaliteitsniveau van de motoren en de productieprocessen met behulp van innovatieve en digitale technologieën.

"We hebben het ‘One Man, One Engine’-principe compleet herzien voor de assemblage van de M 139. Het resultaat is een ultramodern productieproces dat de focus op mensen legt. Om dit te bewerkstelligen, hebben we optimale werkomstandigheden gerealiseerd in een lichte, goed georganiseerde en schone omgeving voor onze medewerkers. Dit vormt een uitstekende basis voor het garanderen van ons hoge kwaliteitsniveau, zelfs terwijl de technologie steeds complexer wordt”, aldus Emmerich Schiller, COO en bestuurslid bij Mercedes-AMG GmbH.

180°-rotatie biedt tal van voordelen

De nieuwe motor beschikt over tal van intelligente constructiedetails. Net als de eveneens overdwars geplaatste M 260 viercilinder in de ‘35’-modellen of de vorige motor M 133, roteert de nieuwe Mercedes-AMG M 139 onder een hoek van 180° rond zijn verticale as. Dit betekent dat de turbo en het uitlaatspruitstuk nu aan de achterzijde zijn geplaatst, aan de kant van het schutbord. Het inlaatsysteem is zodoende aan de voorzijde geplaatst. Deze configuratie maakt een zo vlak en aerodynamisch mogelijk frontdesign mogelijk. Daarnaast maakt deze lay-out een luchtcirculatie met kortere afstanden en minder verstoringen mogelijk – zowel aan de inlaat- als uitlaatzijde.

Rollagers verbeteren de respons van de turbo

De nieuwe twinscroll-turbo koppelt een optimale respons bij lage toerentallen aan een hoog vermogen in het bovenste toerenbereik. Daarnaast is de turbinebehuizing onderverdeeld in twee stroomgedeelten die parallel lopen. Samen met de eveneens gescheiden poorten in het uitlaatspruitstuk, wordt het hierdoor mogelijk om de uitlaatstroom separaat naar de turbine te geleiden.

Dit moet ervoor zorgen dat de afzonderlijke cilinders geen negatieve invloed op elkaar hebben tijdens de laadcycli, ook wordt de gascyclus verbeterd. Dit zorgt voor een hoger koppel bij lagere toerentallen en een extreem goede respons.

Daarnaast beschikken de assen van de compressor en de turbine voor het eerst over rollagers – net als de sterkste uitvoering van de AMG 4,0 liter V8-motor die leverbaar is voor de AMG GT 4-Door Coupé. De rollagers beperken de mechanische frictie in de turbo tot een minimum. De lader reageert zodoende sneller en bereikt zijn topsnelheid sneller - met maximaal 169.000 t/min.

Elektronische laaddrukregeling maximaliseert de respons

Met een maximale laaddruk van 2,1 bar (1,9 bar bij de basisversie) biedt de 2,0 liter viercilinder turbomotor ook topprestaties op dit vlak. De elektronisch geregelde overdrukklep zorgt ervoor dat de laaddruk nog nauwkeuriger en flexibeler kan worden aangepast, met name tijdens het accelereren onder deellast. Bij dit proces is rekening gehouden met tal van parameters.

De voornaamste inputsignalen voor de regeleenheid van de overdrukklep zijn de laaddruk, de positie van de gasklep en de klopneiging. Er worden aanpassingen gedaan op basis van de temperatuur van de inlaatlucht, de motortemperatuur, het toerental en de luchtdruk in de omgeving. Dit maakt het ook mogelijk om de laaddruk tijdelijk te verhogen (overboost) tijdens het accelereren.

Er is naast olie en water ook frisse lucht nodig voor het koelen van de turbo. Die wordt direct van de grille, via de motorafdekking die ook dienstdoet als luchtgeleider, en openingen onder de motorkap naar de turbo geleid. Het concept is gebaseerd op de wijze waarop de aan de binnenzijde van de motor geplaatste turbo’s van de huidige AMG 4,0 liter V8-motoren, die in 2014 debuteerde in de AMG GT, worden gekoeld. Daarnaast is de turbinebehuizing voorzien van een geïntegreerde isolatie.

De voordelen van het carter

Het volledig aluminium carter is gevormd door middel van coquillegieten en kenmerkt zich door uitmuntende materiaaleigenschappen. Bij dit proces wordt het gesmolten aluminium in de metalen mal gegoten met behulp van de zwaartekracht. Dankzij de goede thermische geleidbaarheid maakt de watergekoelde mal snel afkoelen en uitharden van het gesmolten materiaal mogelijk. Dit levert een fijnkorrelige structuur op die tot een optimale sterkte leidt. Met behulp van gesloten zandkernen kan een complexe inwendige geometrie worden gerealiseerd.

De zogenoemde gesloten dekselconstructie – een constructie uit de autosport – zorgt voor een uitstekende stijfheid in combinatie met een laag gewicht en het maakt een maximale verbrandingsdruk van 160 bar mogelijk. De gedeelten rond de cilinders zijn grotendeels massief en de afdekplaat is slechts voorzien van kleine openingen voor de koeling en de motorolie. De carterconstructie met een lichtgewicht krukas van gesmeed metaal en zuigers van gesmeed aluminium met geoptimaliseerde zuigerringen combineert een lage frictie met een maximale sterkte. Het maximale toerental is 7.200 t/min en het maximale vermogen wordt geleverd bij 6.750 t/min. De carterpan is voorzien van keerplaten, zodat er ondanks het grotere formaat en zelfs tijdens intensief accelereren altijd voldoende motorolie aanwezig is om alle relevante componenten te smeren.

Waarom de cilinderwanden zijn gecoat met NANOSLIDE

Om de frictie tussen de zuigers en de cilinders te verminderen, zijn de cilinderwanden gecoat met behulp van de gepatenteerde NANOSLIDE-technologie. Dit geeft de cilinderwanden een spiegelachtig oppervlak voor een minimale frictie. Het materiaal is twee keer zo hard als conventionele cilinderwanden van gietijzer en biedt zodoende een veel langere levensduur. NANOSLIDE is ontwikkeld door Daimler AG en wordt beschermd door meer dan 90 patentfamilies en meer dan 40 patenten. De coating werd voor het eerst toegepast bij de AMG-motor M 156, daarna profiteerden ook andere AMG-motoren ervan en de bewerkingstechniek werd eveneens toegepast in de Formule 1-motor van Mercedes AMG Petronas Motorsport.

Hoe grotere uitlaatkleppen voor snellere gascycli zorgen

Door de injectiemonden en het bougiesysteem in de cilinderkop te herpositioneren en onder een kleine hoek te plaatsten, was het mogelijk om de uitlaatkleppen veel groter te maken dan bij de vorige motor, de M 133. De grotere dwarsverbindingen in het uitlaattraject zorgen ervoor dat de gassen uit de verbrandingskamers stromen met beperkte verliezen. Ook de mate van zuigerontluchting kon worden gereduceerd.

De cilinderkopkoeling werd efficiënter door de toepassing van zittingringen met een geringere inbouwhoogte en een koelopening in de buurt van de verbrandingskamer, in het gedeelte tussen de uitlaat-zittingringen. De koelprestaties werden verbeterd door een speciale koelmantelgeometrie, een snellere stroomsnelheid en een geoptimaliseerde volumestroom.

Een state-of-the-art, uit meerdere lagen bestaande afdekking van geplooid metaal schermt de cilinderkop af van het carter.

Twee bovenliggende nokkenassen sturen de 16 kleppen aan via lichtgewicht rolnokvolgers. De nokkenasverstelling aan de inlaat- en de uitlaatzijde zorgen voor een uitstekende respons en een optimalisatie van de gascyclus onder alle omstandigheden. De variabele klepbediening CAMTRONIC aan de uitlaatzijde is een andere feature, met twee nokken per klep. De nokken hebben een verschillende geometrie zodat de uitlaatkleppen, afhankelijk van de nokinstelling die het beste past bij de rijomstandigheden, kort of lang kunnen worden geopend – voor een nog betere respons bij lage toerentallen, zuinig en comfortabel rijden bij middelhoge toerentallen en een volledige vermogensafgifte in het hoge toerenbereik.

De brandstofinjectie combineert het beste van twee werelden

Turbotechniek met directe injectie met een straalgeleid verbrandingsproces zorgt niet alleen voor een hoge vermogensopbrengst, maar het verbetert ook de thermodynamische efficiëntie en reduceert zodoende zowel het brandstofverbruik als de uitlaatemissie.

Voor het eerst is de nieuwe high-performance viercilinder voorzien van tweevoudige benzine-inspuiting. In de eerste fase zorgen de zeer snel en nauwkeurig werkende piëzo-injectoren ervoor dat de brandstof in de verbrandingskamers wordt gespoten onder een druk tot 200 bar. Dit is deels een meervoudig proces dat wordt aangestuurd door het motormanagement.

In de tweede fase vindt er extra indirecte inspuiting plaats via het inlaatspruitstuk met behulp van magneetkleppen. Dit is noodzakelijk om het hoge specifieke vermogen van de motor te realiseren. De elektronisch geregelde brandstoftoevoer werkt onder een druk van 6,7 bar.

Het verfijnde koelsysteem zorgt voor meer vermogen

Het hoge vermogen vereist een intelligent koelsysteem. Een extra radiateur in de wielkast vormt een aanvulling op de hoofdmodule. Ook voor de lucht-/waterkoeling wordt een circuit met lage temperaturen gebruikt. Samen met de in serie geschakelde intercooler is een high-performance elektrische pomp verantwoordelijk voor het rondstromen van koelmiddel. Dit zorgt voor een optimale koeling van de samengeperste laadlucht, wat bijdraagt aan optimale motorprestaties.

De koeling van de transmissieolie is geïntegreerd in het koelcircuit van de motor en wordt ondersteund door een warmtewisselaar die direct op de transmissie is gemonteerd. De motorregeleenheid is op de luchtfilterbehuizing geplaatst, waar hij door de luchtstroom wordt gekoeld.

De elektrische waterpomp heeft tal van voordelen

De vraaggestuurde, elektrische, high-performance waterpomp werkt onafhankelijk van het toerental. Doordat de pomp laat wordt ingeschakeld tijdens het opwarmproces, warmt het motorblok sneller op, wat een positief effect heeft op de frictie, het verbruik en de emissie. De pomp kan ook worden in- of uitgeschakeld al naargelang de omstandigheden, bijvoorbeeld als er rustig wordt gereden met lage toerentallen. Daarnaast zorgt de elektrische waterpomp ervoor dat het volledige motorvermogen beschikbaar is over het gehele toerenbereik, met een optimale warmteafvoer. De pomp biedt ook bescherming tegen thermische schade bij stationaire motorloop bij zeer hoge buitentemperaturen.

Functies als het dynamomanagement, het ECO start-stopsysteem met snelle herstarts, de ‘zeil’functie en het benzinepartikelfilter maken allemaal deel uit van het technologiepakket van de nieuwe AMG-viercilinder.

Hoe het nieuwe proces het werk vereenvoudigt en de efficiëntie verhoogt

De nieuwe 2,0 liter AMG-turbomotor met de interne aanduiding M 139 wordt volledig met de hand geassembleerd volgens het traditionele AMG-principe ‘One Man, One Engine’ – maar dan met een volledig nieuw proces en een logistiek die digitaal worden ondersteund.

Mensen spelen een centrale rol bij alle activiteiten. De medewerkers worden optimaal ondersteund bij hun werkzaamheden door digitale tools. De focus ligt op de toepassing van intelligente, flexibele technologie. Een belangrijk onderdeel in dit moderne productieproces is een combinatie van de zeer flexibele productielijn en voorgeconfigureerde goederenkarren die gebruikmaken van bestuurderloze transportsystemen. Het duurzaamheidsaspect speelde ook een grote rol bij het opzetten van de productielijn voor de nieuwe M 139-motor. Tijdens de productie wordt gebruikgemaakt van hernieuwbare energiebronnen, en de CO₂ emissie, het waterverbruik en de afvalproductie zijn aanzienlijk gereduceerd.

Nieuwe assemblagekarren maken het werk eenvoudiger

De assemblagekar waarop de M 139 wordt geassembleerd, is ontwikkeld op basis van de input van medewerkers. De kar beschikt over zijn eigen, onafhankelijke stroomvoorziening en is zodoende niet voorzien van stroomkabels. Alle benodigde vloeistoffen en gereedschappen zijn op ergonomische wijze op en rond de kar geplaatst, waardoor het werk eenvoudiger wordt met minimale afstanden en een maximale efficiëntie. De geïntegreerde tablet-pc ondersteunt de medewerker met nauwkeurige, duidelijke werkinstructies. Handleidingen en boeken met richtlijnen behoren tot het verleden – het assemblageproces verloopt nu papierloos.

Wat de medewerkers bedoelen met ‘blue sky’

De nieuwe draadloze schroevendraaiers bevinden zich direct binnen handbereik en hangen niet meer zoals voorheen boven het hoofd op de werkplek. Zodoende gebruiken medewerkers de term ‘blue sky’ voor een omschrijving van hun werkplek, er hangen niet langer stroomdraden uit het plafond. De assemblagehal maakt een lichte en ruime indruk en zorgt voor een prettig werkklimaat. Verregaande digitalisering verbetert zowel de efficiëntie als de flexibiliteit van het fabricageproces: elk stuk gereedschap is aangesloten op de wifi van de motorenfabriek – de gereedschapsinstellingen voor de betreffende assemblagestap kunnen zodoende worden geautomatiseerd met behulp van ‘indoor tracking’. Daarnaast worden alle uitgevoerde taken digitaal vastgelegd, wat voor een optimale kwaliteitsborging, reproduceerbaarheid en transparantie zorgt.

De voordelen van de bestuurderloze transportsystemen

Elke assemblagemedewerker wordt gevolgd door een bestuurderloos transportsysteem. Elk goederenkarretje is op uiterst nauwkeurige wijze gevuld met de componenten die nodig zijn voor de motor die op dat moment wordt geassembleerd.

De transportsystemen worden beladen in het logistiekcentrum van Mercedes-AMG in Marbach en naar de productielijn gestuurd op basis van de ‘just in sequence’ methode. De autonome regeling wordt eveneens uitgevoerd met behulp van indoor tracking via wifi. Alle componenten kunnen digitaal worden getraceerd.

De assemblage- en transportkarren hebben een Mercedes-AMG look in de kleuren zwart en wit. Ze zijn voorzien van teksten als ‘START YOUR ENGINE’ en ‘AMG PERFORMANCE INSIDE’. Dit levert een bijdrage aan de teamspirit en de herkenbaarheid binnen het bedrijf. Om dezelfde redenen is de vloer van de hal voorzien van een patroon en wit-rode strepen die doen denken aan de kerbstones en de vangrails op circuits.

Waarom ook de teststations efficiënter zijn geworden

Daarnaast werd het aantal teststations gereduceerd door meerdere afzonderlijke stations samen te voegen tot drie centrale stations voor het testen van het sleepkoppel, voor lekkagetests voor olie-/water- en brandstofsystemen en voor een lekkagetest van de koelmantel rond de motor. Zo wordt veel tijd bespaard, wat weer voor een betere efficiëntie zorgt. Ook bij deze tests worden alle parameters en gemeten waarden digitaal vastgelegd en opslagen, zodat het assemblageproces van elke motor naderhand kan worden nagegaan.

De montagefilosofie ‘One Man, One Engine’ is kenmerkend voor het merk Mercedes-AMG. Een andere kenmerkende feature van de M 139 is zodoende het AMG-motorplaatje met de handtekening van de monteur die hem assembleerde. Alle assemblagemedewerkers die de nieuwe viercilindermotor produceren, werden grondig getraind.

De technische gegevens