Der Motorblock ist wie sein Vorgänger M 133 in Closed Deck-Bauweise gebaut und hält Verbrennungsdrücken bis zu 160 bar stand. Ebenso wie beim Vorgänger ist die Kurbelwelle aus Stahl geschmiedet. Er hat zwei obenliegende Nockenwellen. Die Höchstdrehzahl des Motors liegt mit 7200/min ca. 500/min und die Leistung etwa zehn Prozent höher als beim Vorgängermotor.[1]
Der Motor kombiniert Direkt- (200 bar) und Saugrohreinspritzung (6,7 bar), wobei letztere die zweite Stufe darstellt, und einen Turbolader mit zwei Strömungskanälen, der auch mit Wasser und Öl gekühlt wird. Die Verdichtung beträgt 9,0:1.[2]
Turbolader und Abgaskrümmer befinden sich an der Schottwand und die Ansauganlage vorne, wodurch sich die Luftführung mit kürzeren Wegen und geringeren Umlenkungen verbessert; dies ermöglicht außerdem eine flachere Frontgestaltung der Fahrzeuge. Der Ladedruck wurde geringfügig erhöht und beträgt 2,1 bar. Für geringe Reibung wurde ein Wälzlager gewählt, so dass der Lader schneller 169.000/min erreicht. Die Wasserkühlung des Motors erfolgt mit einer elektrischen Pumpe, die unabhängig von der Motordrehzahl arbeitet.[2]
Der Motor wiegt 160,5 kg. In der A-Klasse (W 177) wird er als A 45 S 4MATIC+ (310 kW/421 PS, 500 Nm) angeboten. Mit einer Hubraumleistung von 155 kW/l in den 45-S-Modellen war er der stärkste in Serie gefertigte Vierzylindermotor, der in einem für den öffentlichen Straßenverkehr zugelassenen Pkw-Modell ab Werk eingebaut wurde.[2] Mit der Vorstellung des AMG C 63 S E PERFORMANCE (Baureihe 206) im September 2022 brach der Motor seinen eigenen Rekord. Die Hubraumleistung bei dieser Version des M 139 beträgt 175 kW/l.
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