Zo werkt de flat plane-V8 van Mercedes-Benz

Mercedes-Benz heeft zijn V8 herzien, primair om klaar te zijn voor strengere uitstooteisen. En dat dan uiteraard zonder aan prestaties in te leveren. Sterker nog: vermogen en koppel zijn gestegen. Het meest opmerkelijke: voor een lagere uitstoot van schadelijke stoffen is de ontstekingsvolgorde gewijzigd. Dit is bewerkstelligd met een andere krukas; de Mercedes-V8 heeft voortaan een flat plane-krukas in plaats van de traditionele cross plane-krukas. Dat klinkt als racewagen-techniek. Om onbalans als gevolg van die nieuwe krukas in de kiem te smoren, zijn twee balansassen toegevoegd. En voor het kenmerkende V8-geluid is de timing van de uitlaatkleppen aangepast. Ook de timing van de inlaatkleppen is herzien: om het verbruik en daarmee ook de CO2-uitstoot binnen de perken te houden, werkt de motor nu volgens het Miller-principe en wordt voor een optimale verbranding een werveling gecreëerd. Kortom, de hele motor is op zijn kop gezet, 80 procent van de onderdelen is nieuw. Bij de rij-impressie met de vernieuwde S-klasse waarin deze motor debuteert, hadden we amper de ruimte om bovenstaande te vermelden, laat staan er dieper op in te gaan. Maar het is te leuk om het bij bovenstaande beknopte informatie te laten; voor de petrolheads is dit smullen. Daarom hieronder een deep dive in het binnenste van de M 177 Evo zoals de V8 nu door het leven gaat; we benen hem helemaal uit.

Mercedes-Benz S-klasse

Wat voor prestaties levert de nieuwe V8?

Onze eerste kennismaking met de nieuwe V8 hebben we in de onlangs herziene S-klasse, de S 580 om precies te zijn. En binnenkort vind je hem ook in de gefacelifte GLE 580 en GLS 580, en daarna ook in alle andere modellen met een V8. In de S-klasse zorgt de nieuwe V8 in elk geval voor een feestje, niet alleen qua prestaties en ongekende souplesse, maar ook dankzij het burbelende V8-geluid dat nu meer aanwezig lijkt dan voorheen. Om een idee te krijgen waar we over praten, beginnen we even bij de specificaties. De direct ingespoten V8-benzinemotor met zijn aluminium blok heeft een blokhoek van 90°. De cilinderinhoud meet nog steeds 3.982 cc als gevolg van een onveranderde boring en slag van 83 bij 92 mm. Het vermogen is gestegen van 503 pk bij 5.500 tpm naar 537 pk tussen 5.500 en 6.100 tpm. Het maximumkoppel bedroeg voorheen 700 Nm tussen 2.000 en 4.500 tpm en is nu opgeschroefd naar 750 Nm, beschikbaar van 2.500 tot 4.500 tpm. Verder is de geïntegreerde startgenerator opgevoerd van 20 pk en 200 Nm naar 23 pk en 205 Nm.

Hoe ziet een cross plane-krukas eruit?

Een krukas zet de op-en-neergaande beweging van de zuigers om in een draaiende beweging (vergelijkbaar met de krankas en de trappers van je fiets). Bij een V8 zijn telkens twee drijfstangen (van elke cilinderbank één) gekoppeld aan één kruktap: die van cilinder 1 samen met die van cilinder 5 aan de eerste tap, die van cilinder 2 samen met die van cilinder 6 aan de tweede tap, enzovoort. In de voorganger van de M 177 Evo gebruikte Mercedes een zogenoemde cross plane-krukas. Hierbij staan de kruktappen telkens 90 graden ten opzichte van elkaar verdraaid. Wanneer je de krukas in lengte bekijkt, ziet dat eruit als een kruis, vandaar cross plane. Dat is het meest voorkomende krukastype dat autofabrikanten voor V8’en gebruiken. En met een reden. De cross plane-krukas zorgt namelijk voor een relatief simpele en daardoor goedkope en betrouwbare motorconstructie; complicerende factoren zoals balansassen zijn niet nodig.

Wat is de ontstekingsvolgorde van de oude V8?

Bij het viertaktprincipe duurt een volledige arbeidscyclus 720 graden. Voor een mooie regelmatige loop bij een achtcilinder vindt er dus elke 720/8 = 90 graden een ontsteking plaats. Bij de V8 met zijn blokhoek van 90 graden en de cross plane-krukas paste Mercedes een ontstekingsvolgorde toe van 1-5-4-2-6-3-7-8. Bij nul graden vindt er een ontsteking plaats in cilinder 1, 90 graden verder is de overliggende cilinder (nummer 5) aan de beurt. Na 180 graden (een halve omwenteling) zijn we weer terug in de eerste cilinderbank, bij cilinder 4 om precies te zijn. Bij 270 graden vonkt de bougie in cilinder 2 (nog steeds in de eerste cilinderbank), bij 360 graden krijg je een vonk in cilinder 6 (de tweede cilinderbank), enzovoort.

Hoe ontstaat het kenmerkende V8-geluid?

Wanneer we naar de ontstekingsvolgorde kijken, zien we dat de ontsteking van cilinder 1 en cilinder 5 na elkaar plaatsvindt in tegenover elkaar liggende cilinderbanken die elk hun eigen uitlaatspruitstuk hebben. Dat is ook zo bij cilinder 2 en 6, cilinder 3 en 7 en vervolgens ook bij 8 en 1 (want de motor blijft na twee omwentelingen gewoon doordraaien). Maar bij cilinder 4 en 2 en bij cilinder 7 en 8 vinden de opvolgende verbrandingsslagen plaats in dezelfde cilinderbank en werken voor die cilinderparen de uitlaatslagen dus in hetzelfde uitlaatspruitstuk. Dit zorgt voor onregelmatige uitlaatgaspulsen met als bijeffect het voor de cross plane-V8 kenmerkende burbelende geluid. Of het nu gaat om de V8 in een Chevy pick-up, een grote Scania of de Mercedes S-klasse: voor de liefhebber klinkt het letterlijk als muziek in de oren.

Bij de cross plane-motor zijn de uitlaatkleppen van cilinder 2 en 4 eventjes gelijktijdig open. Dat geeft het kenmerkende burbelende V8-geluid, maar verstoort ook de uitlaatgas-flow.

Wat heeft dit voor gevolgen voor de uitstoot?

Tussen zuiger 4 en 2 zit een verschil van 90 graden. Dit betekent dat de uitlaatkleppen van cilinder 2 al opengaan op het moment dat zuiger 4 nog halverwege zijn uitlaatslag is. De uitlaatkleppen van cilinder 4 sluiten pas 90 graden later, wanneer zuiger 2 nog maar halverwege zijn uitlaatslag is. Gedurende die 90 graden dat de uitlaatkleppen van cilinder 4 en cilinder 2 gelijktijdig openstaan, vindt er dus een extra drukpuls plaats in het uitlaatspruitstuk. Cilinder 4 en 2 kunnen in deze tijd niet zo vrij uitademen als cilinder 1 en 3 dat tijdens hun uitlaatslag wel kunnen. Doordat er hierdoor uitlaatgas achterblijft in de verbrandingsruimte (of zelfs van de ene cilinder in de andere teruggeperst wordt), verloopt de rest van de cyclus van cilinder 2 niet zo optimaal als in cilinder 1 en 3, en dat heeft een negatieve invloed op het totale gaswisselingsproces en daarmee helaas ook op de uitstoot van schadelijke bestanddelen. Hetzelfde geldt uiteraard ook in de andere cilinderbank voor cilinder 7 en 8. Niet echt handig met de strengere Euro 7-emissienorm op komst. Een mogelijke oplossing is om de bestaande uitlaatspruitstukken op de schop te gooien en een nieuwe spaghetti te maken, waarbij de cilinders van de beide cilinderbanken zodanig aan elkaar gekoppeld worden dat de uitlaatgaspulsen elkaar niet in de weg zitten. Maar dat is, ondanks dat de uitlaatpoorten in de blokhoek zitten, een heel avontuur binnen de beperkte beschikbare ruimte (al hebben we wel al van AMG afkomstige patentschetsen gezien die zo’n oplossing suggereren).

Wat is een flat plane-krukas?

Voor een optimale gaswisseling is het beter wanneer de opeenvolgende ontstekingen telkens plaatsvinden in een cilinder van een tegenoverliggende cilinderbank. Op-en-neer, van cilinderbank naar cilinderbank en dat de hele tijd. Dat kan, maar niet met de cross plane-krukas, want met de vorm van de krukas ligt de volgorde van de bovenste dode punten van de zuigers vast en daardoor ook de ontstekingsvolgorde. Ideaal zou het dus zijn wanneer er tussen de processen van de vier cilinders van één cilinderbank een gelijke afstand zit: 180 graden verdraaiing van de krukas. Dan zijn – net als bij een viercilinder lijnmotor – de uitlaatkleppen van die cilinders nooit gelijktijdig open. Dit vraagt om een krukas waarbij de kruktappen onderling telkens 180 graden verspringen. Die bestaat, het is een krukas waarbij de kruktappen (in lengterichting gezien) in één vlak staan. Vandaar dat dit type krukas aangeduid wordt als flat plane-krukas. Bij de flat plane-krukas kan gewerkt worden met een ontstekingsvolgorde van 1-5-4-8-3-7-2-6. Nu vinden de opvolgende ontstekingen steeds in de overliggende cilinderbank plaats. Probleem opgelost.

De M176 heeft een cross plane-krukas en de nieuwe M 177 Evo een flat plane krukas waarbij de kruktappen in één vlak staan.

Hoe zit het met trillingen en vibraties?

Als het zo simpel is, waarom doet dan niet iedereen dat? There ain’t no such thing as a free lunch. En dat heeft alles met trillingen en vibraties te maken: balans. De op-en-neer bewegende zuigers zorgen voor oscillerende massakrachten, de draaiende kruktappen veroorzaken roterende massakrachten en de drijfstangen zitten daar tussenin. We zullen even de belangrijkste punten aanstippen. Doordat bij de flat plane-krukas de opvolgende kruktappen 180 graden versprongen staan, fungeert de naastgelegen kruktap als het ware al als contragewicht om de roterende massakrachten in balans te krijgen. Dit in tegenstelling tot de cross plane waar de kruktappen telkens 90 graden verspringen, hier zijn wel steeds zware contragewichten nodig om de trillingen als gevolg van roterende massakrachten van de kruktappen uit te bannen. Dat maakt de cross plane-krukas een stuk zwaarder dan de flat plane-as. Maarrr …

Omdat bij de cross plane-krukas (links) de kruktappen 90 graden versprongen staan zijn er grote contragewichten op de krukas nodig.

Waarom worden er nu balansassen gebruikt?

Als gevolg van het kruk-drijfstang-principe accelereert een zuiger altijd sneller van het bovenste dode punt tot het punt halverwege de krukasverdraaiing dan dat hij accelereert vanaf dat punt halverwege tot aan het onderste dode punt. Dat heeft te maken met het weg en weer terug bewegen van de kruktap (en dus ook het onderste deel van de drijfstang) van en naar de lijn die je door het hart van de zuiger en het hart van de krukas kunt trekken. Dit verschil in acceleratie veroorzaakt een secundaire trilling die twee maal per omwenteling optreedt. Bij de cross plane-motor treedt dit proces in elke cilinderbank elke 90 graden op, waardoor deze secundaire trillingen in de respectievelijke cilinders van die bank elkaar min of meer opheffen. Dit in tegenstelling tot de flat plane waar deze bewegingen om de 180 graden plaatsvinden en dus niet weggepoetst worden. Om de secundaire vibraties bij de flat plane de kop in te drukken, worden balansassen (assen met contragewichten) aan de motor toegevoegd. Die balansassen (de M 177 Evo heeft er twee) liggen parallel aan de krukas en draaien met tweemaal het toerental van de krukas. Bij de M 177 Evo liggen deze assen boven elkaar, aan één kant van de krukas. Die balansassen maken de motor extra gecompliceerd en duur. Maar bij de eerste kennismaking met de nieuwe motor in de S-klasse werkt het perfect. De meeste fabrikanten kiezen echter voor een V8 met cross plane-krukas omdat die dankzij de vrij simpele contragewichten op de krukas een stuk goedkoper is.

De M 177 Evo heeft twee balansassen, parallel aan de krukas.

Wat maakt de flat plane-krukas sportief?

Mercedes kiest nu voor de flat plane-krukas vanwege de uitstoot. Maar de flat plane-krukas is met name bij sport- en racemotorfabrikanten om een andere reden populair. Doordat de flat plane-krukas geen zware contragewichten heeft en er dus minder massa is, hebben flat plane-motoren een betere gaspedaalrespons. Er hoeft minder massa versneld te worden en ze zijn ook beter in staat om hoge toerentallen te draaien. Dat weten ze trouwens ook bij Mercedes. In de AMG GT Black Series kreeg de V8 in 2020 ook al een flat plane-krukas, dus helemaal nieuw is het bij Das Haus niet. Met zijn platte krukas was de V8 in die GT goed voor 730 pk tussen 6.700 en 6.900 toeren per minuut en een maximumkoppel van 800 Nm van 2.000 tot 6.000 tpm. Hij moest het duidelijk van toeren hebben. De M 177 Evo draait ook iets meer toeren dan voorheen en produceert daarbij in basis een scherpe snerp in plaats van de kenmerkende V8-burbel. Althans, in theorie. Mercedes heeft echter zijn best gedaan toch het geburbel terug te halen. De verantwoordelijke ingenieur weet toe te lichten dat ze dat voor elkaar hebben gekregen door – in elk geval tot 3.000 tpm – de timing van de uitlaatkleppen iets aan te passen. Het achterste van zijn tong liet de man niet zien, maar wanneer we de tekeningen bekijken, lijkt het erop dat de beide uitlaatnokkenassen elk uit twee delen bestaan die iets van elkaar verdraaid zijn. Bij lage toeren en dito belasting maakt dat voor de uitstoot en de prestaties niet direct veel uit. Het effect is in elk geval duidelijk te horen.

De Mercedes-Benz AMG GT Black Series uit 2020 met flat plane-V8.

Hoe werken Miller en Atkinson?

Het is de ingenieurs in Stuttgart dus gelukt om de uitstoot van schadelijke stoffen terug te dringen met – in elk geval bij flaneertempo – behoud van het cross plane-geluid. Daarnaast is er ook serieus werk verzet om het verbruik en daarmee de CO2-uitstoot van de compleet herziene V8 te reduceren. Het belangrijkste is daarbij dat de motor nu werkt volgens het Miller-principe. Eigenlijk is het Miller-principe niet veel anders dan de Atkinson-cyclus, alleen dan met een compressor (twee turbo’s in het geval van de M 177 Evo). De gedachte achter de Atkinson-motor is dat je alle beschikbare energie uit het verbrandingsproces omzet in bewegingsenergie, er moet dus zo min mogelijk restenergie overblijven in het restgas. Dit gaat het beste wanneer je bij de arbeidsslag een hogere compressieverhouding hebt dan bij de compressieslag. Voor die variabele compressieverhouding kwam meneer Atkinson met een uiterst gecompliceerde constructie met allemaal stangen en armen, compleet ongeschikt voor de moderne automotor. Maar het kan ook anders. Door de inlaatkleppen pas te sluiten wanneer de zuiger alweer omhoog gaat, wordt er een beetje mengsel (of lucht bij een direct ingespoten motor) terug het inlaatspuitstuk ingedrukt. Hierdoor is de compressieslag iets korter dan bij een ottomotor. Bij de ottomotor worden de inlaatkleppen namelijk bij het onderste dode punt van de zuiger gesloten. Die kortere compressieslag resulteert in hetzelfde effect als een lagere compressieverhouding. Op deze manier is de compressieverhouding bij de compressieslag dus korter dan bij de expansieslag (waar de uitlaatkleppen wel op de normale tijd geopend worden). Overigens pakt Mercedes het net even iets anders aan: in plaats van de inlaatkleppen pas te sluiten wanneer de zuiger al bezig is met de weg omhoog, sluit Mercedes de inlaatkleppen juist voordat de zuiger helemaal beneden is. Het effect is hetzelfde, alleen hoeft er nu geen lucht terug het inlaatkanaal ingeperst te worden, tegen de turbodruk in.

Voordat de zuiger in het onderste dode punt staat worden de inlaatkleppen al gesloten, zo ontstaat het Atkinson-effect.

Hoe worden verliezen gecompenseerd?

Wanneer de inlaatkleppen van een Atkinson-motor sluiten, is er dus minder mengsel in de cilinder aanwezig dan bij een ottomotor met dezelfde cilinderinhoud. Hierdoor zijn het koppel en het vermogen van de Atkinson iets lager dan bij een vergelijkbare ottomotor. En dat niet alleen, onderin levert het Atkinson-principe een minder enthousiaste motor op dan bij het otto-proces. Om de verminderde prestaties te compenseren, kwam meneer Miller met een compressor. Maar de Mercedes V8 had toch al twee turbo’s? Klopt. Dat zijn nu twin-scroll turbo’s en daarvan is de druk opgeschroefd, van maximaal 1,2 bar naar 2,2 bar. En de minder mooie loop onderin? Dat wordt opgevangen/gecamoufleerd door de 48 volt startgenerator, die goed is voor maximaal 23 pk en 205 Nm.

De twee twin-scroll turbo's zitten in de blokhoek weggewerkt.

Aan alle details is gedacht

Zijn we er nu? Bijna. Voor een betere verbranding krijgt de door de inlaatkleppen binnenkomende luchtstroom een draai mee, haaks op de zuigerbeweging. Hierdoor gaat het vlamfront sneller door de verbrandingsruimte en stijgt het thermisch rendement. Daarnaast zorgt het voor een volledigere verbranding waardoor er minder onverbrande koolwaterstoffen achterblijven en ook minder deeltjes. De rotatie van de luchtstroom is het gevolg van een iets aangepast randje van het inlaatkanaal bij de klepzitting, dat is nu eigenlijk een klein spoilerlipje. Geen detail lijkt dus overgeslagen om de fijne V8 nog verder te verfijnen.

Dankzij een 'spoiler' in het inlaatkanaal, vlak voor de inlaatklep, krijgt de luchtstroom een draaiende beweging.