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Mercedes 190E in Nardo

Seriennaher 2.3-16 oder Werbegag?

 

A.    Die Rekordfahrt

I. Allgemeines

Vom 13. bis 21. August 1983 unternahm man in Nardo unter Aufsicht der FIA mit drei Fahrzeugen der BR 201 einen Rekordversuch. Ziel war es einen Geschwindigkeitsrekord über 50.000km aufzustellen. Der Versuch wurde mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 247km/h erfolgreich beendet.

Fraglich dabei ist, ob ein 185PS Fahrzeug überhaupt eine solche Geschwindigkeit erreichen kann.

II. Der Rekordwagen
Technische Änderungen gegenüber der Serie

1. Offizielle Einlassung der Mercedes Benz Museum GmbH [1]

Folgt man der offiziellen Einlassung von Mercedes Benz, so war der Wagen nur marginal modifiziert.

  • Änderung der Übersetzung des Hinterachsgetriebes von  3,07 auf 2,65
  • Verzicht auf den Rückwärtsgang
  • Absenkung des Fahrzeug über die Niveauregulierung
  • Verzicht auf den Mittelschalldämpfer
  • Abgeänderte Pirelli-Reifen in 205/55 R15
  • Abgeändertes Spoilerwerk
  • Leergewicht 1.260kg
  • 160l Tankinhalt

Durch diese Maßnahmen sei die Höchstgeschwindigkeit auf 261km/h angestiegen.

2. 190 – Portrait eines Automobils [2]

Gemäß Simsa und dessen Recherche bei Mercedes gab es jedoch weiter Änderungen bzw. die von Mercedes eingeräumten Änderungen können konkretisiert werden:

  • Tieferlegung um 15 mm
  • Verlängerung der Bugschürze um 20mm
  • Flügelspoiler auf dem Heckdeckel
  • Radlaufverbreiterungen
  • Luftwiderstandsbeiwert 0,30 [3]
  • modifizierte Einspritz- und Zündanlage (KE / EZL)
  • Verzicht auf Kühlerlüfter [4]
  • Vom Fahrer zu bedienende Kühlerjalousie
  • Austauschbare Insektengitter zum Kühlerschutz
  • Wegfall der Servolenkung und Verbau einer mechanische Lenkung [5]
  • profillose Pirelli-Reifen
  • Mitführen von zusätzlichen Messinstrumenten und Ersatzteilen laut Reglement (jedoch max. 5% der Fahrzeugleermasse)

3. Mercedes Magazin [6]

Norbert Haug verfasste 1983 einen Artikel zur Rekordfahrt im Mercedes Magazin. In diesem finden sich eine Fülle an Details:

  • Reduktion des Luftwiderstandsbeiwertes auf 0,285 [7]
  • Halbierung der Reibleistung bei 250km/h von 27hp auf 13hp
  • Mitführung von 62kg Material
  • Verbrauch:  ~11.000l auf 50.000km = 22l/100km
  • Gesamtfahrtzeit 201h 39min 43s bei 55min Standzeit
  • Geschwindigkeit in der Kreisbahn ~160mph
  • 89 Boxenstops
  • 25km/h höhere Höchstgeschwindigkeit als das Serienauto (=255km/h)

4. Mögliche weitere Änderungen

Darüber hinaus könnte das Fahrzeug über weitere Änderungen verfügt haben:

  • Wegfall der Außenspiegel [8]
  • Wegfall der Scheibenwischer [9]
  • Leergewicht inkl. Sämtlicher laut Reglement mitzuführender Ersatzteile sowie Kraftstoff, aber ohne Fahrer: 1.315kg [10]
  • Modifikation der Felgen (zugießen der Belüftungslöcher) [11]
  • Verzicht auf den Rückwärtsgang. Man erwartete eine Erhöhung der Höchstgeschwindigkeit um 0,4km/h durch diese Maßnahme [12]

 III.             Zwischenergebnis

Offenkundig weicht das von Mercedes heute gezeichnete Bild über Art und Umfang der technischen Änderungen an den Rekordwagen doch sehr von anderen Einlassungen ab. Einige offenkundige nicht kommunizierte Änderungen, wie Wegfall der Außenspiegel und des Scheibenwischers, lassen sich anhand von Fotos belegen. Andere wiederrum entziehen sich der Überprüfbarkeit ohne in Augenscheinnahme der Fahrzeuge.

Fraglich jedoch ob sich diese Änderungen auch auf die Leistung des Motor erstreckten und ob gar tiefergreifende versteckte Modifikationen an diesem vorgenommen wurden. Auf den ersten Blick ist es nämlich höchst zweifelhaft, wie ein 185PS Aggregat im Umfeld eines Mittelklassewagens eine solche Höchstgeschwindigkeit erzielen kann.

 

B.    Die Plausibilitätsprüfung der Angaben

I. Einführung

Um Rückschlüsse auf die Motorleistung der Fahrzeuge ziehen zu können, bietet sich ein Vergleich der tatsächlichen Fahrleistungen und des Verbrauchs mit den theoretisch möglichen Größen an.

So lässt sich die Bewegung jedes Körpers unter Berücksichtigung dessen Eigenschaften (z.B. Form, Masse) und der auf ihn dadurch wirkenden Kräfte bestimmen. Kennt man also diese Parameter, so können mittels der Grundsätze der Kinematik schlüssig Beschleunigungskurven erstellt – oder eben auch die Höchstgeschwindigkeit ermittelt werden.

Darüber hinaus lassen der tatsächlichen Verbrauch im Betriebspunkt eines Fahrzeuges und die dazu gehörige Leistung Rückschlüsse auf den spezifischen Verbrauch zu. Spezifischer Verbrauch ist letztlich eine geeignete Kenngröße, um den möglichen Motor im Wettbewerbsumfeld einzuordnen.

 II. Bestimmung der Motorleistung
anhand der Fahrleistungen

1.      Physikalische Grundlage der Bewegung

Für eine Berechnung der nötigen Leistung sind zunächst die am Fahrzeug wirkenden Kräfte zu beziffen:

  • Am Rad ankommende Motorkraft
  • Reibung zwischen Reifen und Fahrbahn
  • Luftwiderstand
  • Kraft für Beschleunigung / Verzögerung
  • Kraft zum Überwinden von Steigung / Gefälle

Fährt ein Fahrzeug mit gleichbleibender Geschwindigkeit, so ist die abgegebene Motorkraft genauso groß wie alle anderen Kräfte zusammen. Die theoretische Höchstgeschwindigkeit eine Kraftfahrzeugs ist also demnach genauso ermittelbar, wie die zum halten einer gewissen Geschwindigkeit nötige Leistung. [13] Für stationäre Geradeausfahrt gilt:

 2. Berechnung des Serienfahrzeuges

a. Benötigte Radleistung

Zunächst soll ein Fahrzeug Serienfahrzeug vom Typ 190E 2.3-16 berechnet werden. Dieser soll 230km/h schnell sein. Die folgenden Werte sind einer Fachzeitschrift entnommen worden[14]:

Größe  Betrag [Einheit]
Masse des Fahrzeug’s 1.220kg zzgl. Fahrer (75kg) = 1.295kg
 Bereifung 205/55 R15
Luftwiderstandsbeiwert 0,32
Stirnfläche 1,92m²
Höchstgeschwindigkeit 230km/h = 63,89m/s
Übersetzung 5. Gang 1,00:1
Übersetzung Hinterachsgetriebe 3,07:1

Mit den Annahmen:

Größe Betrag [Einheit]
Luftdichte [15] 1,225kg/m³
Erdbeschleunigung [16] 9,81m/s²
Rückenwindkomponente 0,0m/s

Der Reibwert der serienmäßigen Reifen lässt sich anhand der von Haug [17] gemachten Einlassung wie folgt beziffern [18]:

Reibwert=0,021

Es ergibt sich ein Leistungsbedarf (am Rad, nicht an der Kupplung):

 Das Fahrzeug würde mithin 157PS am Hinterrad benötigen, um 230km/h halten zu können.

b. Rückschluss auf die Antriebsverluste

Nachdem die für 230km/h nötige Radleistung bekannt ist kann man die dazugehörige Motorleistung ermitteln um so einen Rückschluss auf die Antriebsverluste ziehen zu können. Dazu gilt es zunächst die Motordrehzahl als Funktion der Geschwindigkeit zu ermitteln.

Mit folgenden Annahmen [19]:

Größe Betrag [Einheit]
Absoluter Schlupf 1%
Ausdehnung des Reifen 1,6%
Statischer Abrollumfang (Neureifen) 1.850mm

 Es ergibt sich eine Drehzahl von:

Dieser Wert ist derart nah an der Nenndrehzahl von 6.200/min, dass zu Gunsten des M 102 E23/2 auch da von 185PS ausgegangen wird.

Es ergibt sich Verluste im Antriebsstrang in Höhe von 28PS, was einem Wirkungsgrad von:

entspricht.

c. Zwischenergebnis

Der 190E 2.3-16 benötigt, um eine Höchstgeschwindigkeit von 230km/h fahren zu können bei serienmäßigem Motor einen Wirkungsgrad des Antriebstrangs von 85%. Die dann am Rad anliegenden 157PS würden ausreichen.

3. Berechnung der Nardo-Fahrzeuge

a. Benötigte Motor- und Radleistung

Auch hier werden erneut zunächst die unter A.II. ermittelten Werte aufgelistet:

Größe Betrag [Einheit]
Masse des Fahrzeug’s [20] 1.315kg zzgl. Fahrer (75kg) = 1.390kg
Bereifung 205/55 R15
Luftwiderstandsbeiwert 0,285
Stirnfläche [21] 1,92m²-0,0242m² = 1,8958m²
Höchstgeschwindigkeit 261km/h = 72,5m/s
Übersetzung 5. Gang 1,00:1 Übersetzung
Hinterachsgetriebe 2,65:1

 Mit den oben vorgestellten Annahmen für Luftdichte und Erdbeschleunigung sowie:

Größe Betrag [Einheit]
Reibwert [22] 0,010 

Ergibt sich ein Radleistungsbedarf für 261km/h in Höhe von 185PS.

Legt man die unter B.II.2.b. gemachten Ergebnisse für den Wirkungsgrad des Antriebsstrangs in Höhe von ~85% zu Grunde, so ergäbe sich ein Leistungsbedarf am Motor des Nardo 190E von 218PS.

Allerdings bliebe hier die Verbesserung des Getriebewirkungsgrades unberücksichtigt. Wie oben (Fn. 12) festgestellt, erhöhte sich die Höchstgeschwindigkeit um 0,4km/h durch Wegfall des Rückwärtsgangs. Dies entspricht einer Leistung von etwa 0,59kW~0,8PS.

Die Nardo-Fahrzeuge hätten also knapp unter 220PS benötigt. 261km/h liegen zudem bei Nenndrehzahl an (Neureifen), unter Berücksichtigung der geänderten Achsübersetzung.

b. Kritik an der Rechnung

Natürlich fuhren die Wagen nicht konstant mit 261km/h sondern nur in der Spitze. Das bedingen nicht zuletzt verschiedene Faktoren. Weder ist Nardo völlig eben, noch können die Kurven jenseits der 240km/h ohne Seitenführungskräfte aufzubauen durcheilt werden. Dies alles kostet natürlich Geschwindigkeit. Darüber hinaus musste zu den Wartungsstops entsprechend beschleunigt und verzögert werden. Der schnellste Wagen hatte dabei eine reine Standzeit von 55min (Gesamtzeit: 201,657167h)[23]. Zieht man diese von der Gesamtzeit ab und berechnet auf Basis der reinen Fahrtzeit die Durchschnittsgeschwindigkeit, so ergibt sich:

Zudem musste der Wagen für seine 89 Wartungsstops 90 fach auf seine Reisegeschwindigkeit beschleunigt und abgebremst werden. Nimmt man an, dass der Beschleunigungsvorgang jeweils etwa 120s mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von ~210km/h in Anspruch nahm und die Verzögerung mit -5m/s² in ~14s erfolgte, so ergibt sich eine notwendige durchschnittliche Kreisbahngeschwindigkeit um die Durchschnittliche Fahrgeschwindigkeit zu erreichen:

Der Wagen musste also 0,4483 mal die Stunde beschleunigen und abbremsen. Es folgt:

 Daraus ergibt sich eine notwendige Kreisbahngeschwindigkeit, bereinigt um Stand- , Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen von:

 

Der Wagen hätte also im Mittel während der Kreisfahrt 249,89km/h erreichen müssen. Der Wert dieser überschlagsmäßigen Kontrollrechnung liegt doch erheblich unter den zuvor angenommenen 262km/h. Auch sprach Haug später, wie vorgestellt, von einer 25km/h höheren Höchstgeschwindigkeit gegenüber dem Serienfahrzeug [24]. Das würde 255km/h entsprechen.

Wiederholt man die unter B.II.3. gemachten Rechnungen nunmehr mit 250km/h und 255km/h, so ergibt sich ein Leistungsbedarf von:

 

Fraglich ist dann jedoch, wie der Wagen bei nur etwa 200PS 262km/h hätte laufen sollen. Dies könnte sich durch schlichten Rückenwind erklären lassen:

 

Setzt man hier für die Geschwindigkeit der Luft einen 18,5km/h Rückenwind ein, so könnte der Wagen selbst mit nur 192PS die 262km/h erreichen. Auch haben Luftdichte, ein etwaiges Gefälle und natürlich die abnehmende Masse des Fahrzeuges durch den Treibstoffverbrauch einen Einfluss auf die benötigte Radleistung.

 III. Bestimmung der Motorleistung
über den spezifischen Verbrauch

Die zuvor gemachten Annahmen geschahen unter größter Sorgfalt. Trotzdem ist jede Annahme am Ende nur eine weitere Unschärfe im Ergebnis. Deshalb soll nunmehr im folgenden Schritt die oben ermittelte Motorleistung einer Plausibilitätsprüfung unterzogen werden.

Eine solche könnte durch die Ermittlung des spezifischen Verbrauchs geschehen. Der spezifische Verbrauch gibt an, wie viel Masse an Kraftstoff in einem Betriebspunkt zur Erzeugung von 1kWh nötig ist.

 

Dazu kann man sich einer weiteren publizierten Größe bedienen, dem Treibstoffverbrauch. Laut Haug [25] hatten die Rekordwagen einen Durchschnittsverbrauch von ~22l/100km.

Demnach hätte der Wagen pro Stunde folgenden Kraftstoffbedarf gehabt:

 

Damit ergibt sich eine Kraftstoffmenge von 54,8l/h. Diese gilt es nunmehr in eine Kraftstoffmasse umzurechnen.

 

Die Dichte von Superbenzin ist nach DIN 228 definiert. [26] Allerdings wird zum einen dort nur eine Bandbreite von 0,72-0,775kg/l angegeben, zum anderen ist diese auch noch Temperaturabhängig (15°C). Es scheint daher anzuraten den sich mangels besserer Angaben des Mittelwertes aus dieser Bandbreite zu bedienen, 0,7475kg/l.

Der Wagen hat mithin eine Masse von ~41kg/h Superkraftstoff pro Stunde in Nardo verbrannt. Damit ergibt sich ein Zusammenhang von spezifischem Verbrauch und Leistung:

 

Spezifischer Verbrauch [g/kWh] Motorleistung [PS]
250 223
270 206
290 192
310 180

Moderne Vierzylinder Ottomotoren mit Mehrventiltechnik haben bei Nenndrehzahl und Volllast etwa einen spezifischen Verbrauch von 270g/kWh. Umgemünzt auf den 2.3-16 würden das 206PS bedeuten. Zwar war die Technik sicherlich vor 30 Jahren nicht so weit wie heute, dafür musste der 16V auch nicht mit Abgas- und Geräuschvorgaben wie heutige Fahrzeuge kämpfen. Mangels eines Verbrauchskennfelds vom M 102E23/2 ist daher auch eine Annahme von 290-270g/kWh naheliegend.

Allerdings haben die Ingenieure den Motor von weiteren Verbrauchern befreit. So wurde wenigstens die Servolenkung entfernt. Dies würde den spezifischen Verbrauch weiter steigern. Zusätzlich fand ein Eingriff in die Motorelektronik statt. Möglicherweise optimierte man den Betriebspunkt Volllast/Nenndrehzahl soweit, dass ein optimaler spezifischer Verbrauch erzielt werden konnte.

Auch diese Kontrollrechnung ergibt daher überschlagsmäßig wohl die gleichen Regionen, wie die Fahrleistungsberechnung.

IV Ergebnis

Die nunmehr gemachten Rechnungen lassen bedauerlicherweise einige Fragen offen:

  • Welchen Einfluss auf die Frontfläche hat die nach unten verlängerte Frontspoilerlippe? Dadurch steigt die strömungswirksame Frontfläche (Stirnfläche) an, was die nötige Leistung weiter vergrößert.

  • Wieviel Leistung nimmt die Servolenkung bei der BR 201 auf?

  • Wieviel Leistung bringt das Entfernen des Mittelschalldämpfers und der Lüfter?

Ungeachtet dieser Fragen lässt sich konstatieren: Der Motor hätte etwa 200PS erreichen müssen, um diese Fahrleistungen zu realisieren. Ob dies in Einklang mit dem erzielten Verbrauch zu bringen ist, vermag nicht abschließend beurteilt zu werden. Eventuell wurde der spezifische Verbrauch auch durch die Eingriffe an Zündung und Einspritzung optimiert.

Gleichsam lassen sich die Ergebnisse der Fahrleistungsberechnung durch die Gegenrechnung des spezifischen Verbrauchs nicht als absurd überführen – im Gegenteil. Der Wagen verfügte über mindestens 192PS – höchstens wohl aber knapp über 200. Alle anderen Annahmen wären unplausibel.

Kritisch muss jedoch die Angabe von 262km/h Höchstgeschwindigkeit betrachtet werden. Diese ist leider nicht aussagekräftig, lag wohl die tatsächliche Endgeschwindigkeit des Wagens ohne Umwelteinflüsse deutlich darunter. Ähnlich seriös wäre wohl die Angabe der Höchstgeschwindigkeit eines Fahrrades, wenn es sich auf dem Dachgepäckträger des 190E befunden hätte.

Damit sind keineswegs die Erfolge, die damals in Nardo erzielt wurden, beeinträchtigt. Auch ist die Abweichung zwischen Wirklichkeit und Marketing in diesem Fall erstaunlich gering. Dass dies nicht immer so sein muss, zeigen die Leistungsmessungen von Testwagen in aktuellen Fachzeitschriften. [JG]

 

C.     Anhang

I.       Anhang i: Herleitungen Kinematik

Die am Fahrzeug einwirkenden Kräfte können in einem Kräftegleichwicht zusammengefasst werden [27]:

 

 Da bei einem Fahrzeug jedoch Motorleistung und nicht Motorkraft angegeben wird, substituiert man Kraft durch Leistung:

 

Damit ergibt sich:

 

Oder:

Nun kann die Gleichung mit Leben gefüllt werden. Dazu soll aus Gründen der Vereinfachung auf den Einfluss von Trägheitsmomenten und Auftrieb bei der weiteren Betrachtung verzichtet werden:

 

Fertig ist die Gleichung zum überschlagsmäßigen Ermitteln der Höchstgeschwindigkeit von Kraftfahrzeugen bei niedriger Geschwindigkeit (<300km/h):

 

Mit Hilfe dieser Gleichung lässt sich auch die Beschleunigung des Fahrzeuges beschreiben. Umgestellt ergibt sich:

 

 II. Anlage ii: Herleitung zur Abschätzung des Reibwertes

Zur Abschätzung des Reibwertes könnte man auf die einschlägige Fachliteratur zurückgreifen. So wird heute überwiegend für Geschwindigkeiten jenseits der 240km/h bei Straßenreifen der Kennung >V auf einen Reibwert von

μ=0,022

Verwiesen.[28]

Gleichwohl ist heute die Reifenentwicklung schlicht 21 Jahre weitergekommen. Um Rückschlüsse auf damalige Reibwerte ziehen zu können, bieten sich die Einlassungen von Haug an. [29] Demnach konnte die Reibleistung [30] bei 250km/h von 27hp auf 13hp durch spezielle Reifen gesenkt werden.

Es gilt: [31]

Größe Betrag [Einheit]
Masse des Fahrzeug’s 1.315kg zzgl. Fahrer (75kg) = 1.390kg
Geschwindigkeit 250km/h  = 69,4m/s
Erdbeschleunigung  9,81m/s²
Reibleistung Serienreifen 27hp = 20134W
Reibleistung Nardoreifen 13hp = 9694W



 D. Quellen

  1. Link: Mercedes-Benz Classic.

  2. Simsa, Paul: Der Mercedes-Benz 190 -  Portrait eines Automobils, 1. Aufl. Düsseldorf 1986, S. 74.

  3. So auch Link: Bild; Mercedes 190E 16 portal.

  4. So auch Link: Mercedes 190E 16V portal; Automuseum Stuttgart.

  5. ebda

  6. Haug, Norbert: Mercedes Magazin XI 1983

  7. So auch Link: Mercedes Benz W201 16V Club Deutschland.

  8. Link: Mercedes Benz Club America.

  9. ebda

  10. Link: Bild.

  11. Link: Mercedes Museum

  12. Link: Mercedes 190E 16V portal

  13. Herleitung siehe Anhang i 1.

  14. Rallye Racing 6/1984, siehe auch Link.

  15. Wert für 0% Luftfeuchtigkeit bei Druck 1013,25hPa und Temperatur 15°C.

  16. Gerundeter Mittelwert.

  17. Vergleich Fn. 6.

  18. Siehe Anlage ii

  19. Link: Tiegs, Jürgen: Berechnungen zum Abrollumfang.

  20. Hochgrad strittig Annahme: Gemäß Mercedes (Fn. 1) 1.260kg zzgl. Ersatzteile (Fn. 12) 67kg zzgl. Fahrer. Zu Gunsten des Fahrzeuges wird jedoch der geringere Wert von 1.315kg zzgl. Fahrer verwendet.

  21. Stirnfläche Serienfahrzeug abzüglich Außenspiegel links (gemessene 22x11cm) allerdings ohne Berücksichtigung des vergrößerten Frontspoilers!

  22. Siehe A.II.3.

  23. ebda

  24. Siehe Fn. 6.

  25. Siehe Fn 6.

  26. Link: Datenblatt.

  27. Mitschke, Manfred / Wallentowitz, Henning: Dynamik der Kraftfahrzeuge, 4.Aufl., Berlin 2004, S. 69

  28. Mitschke/ Wallentowitz, S. 10; Anders Heißing, Bernd / Ersoy, Metin / Gies, Stefan: Fahrwerkhandbuch, 3. Aufl., Wiesbaden 2007, S. 47: 0,017 jenseits der 180km/h.

  29. Siehe Fn. 11.

  30. Siehe Anlage i.

  31. Siehe C.IV.

 

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