DeVelopMent DIEEL ENGINE
THE NEW 3.0-L TDI BITURBO ENGINE FROM AUDI
PART 1:
Wih he arrival of he V6 tDI biurbo engine, Audi is
DESIGN
charging o is V6 tDI engine line-up. A he hear of he
AND ENGINE
adding a high-performance version wih wo-sage urboengine lies a new urbocharger sysem from Honeywell turbo technologies (Htt), capable of boosing power oupu o 230 kW and delivering 650 Nm maximum orque. By adoping all he efficiency measures from
MECHANICS
he basic V6 tDI monourbo engine, a combinaion of excellen performance and exremely good fuel consumpion figures has been achieved. In he following design and he mechanics of he new engine are described, he opics of hermodynamics and applicaion will be deal wih in a second secion in he MtZ 2.
26
AtH
Description of the engine anD installation in the Vehicle
Dipl.-ing. richarD BauDer
is Head of Diesel Engine Developmen a Audi AG in Neckarsulm (Germany).
Dipl.-ing. Jan helBig
is Head of Diesel Engine Mechanics Developmen a Audi AG in Neckarsulm (Germany).
Dr.-ing. henning MarckwarDt
is Head of Mechanics Developmen for Biurbo Diesel Engines a Audi AG in Neckarsulm (Germany).
Dipl.-ing. halit genc
is Design Engineer in he Diesel Engine Developmen a Audi AG in Neckarsulm (Germany).
Alongside the V8 TDI which is used in the Audi A8 and Q7, the new V6 TDI biturbo engine represents the top-of-the-range diesel engine option for the new Audi A6 and the A7. The objective of the development of this engine was to set new standards in the realm of sporty diesel vehicles, by means of an outstanding, dynamic buildup of torque and extraordinarily free-revving characteristics. The intention was to combine excellent performance with good fuel consumption figures, which has been achieved by adopting the following efficiency measures from the basic engine: : thermal management : frictional optimization measures : weight reduction : eight-speed automatic transmission : start/stop system. Other requirements for the engine’s development were that it should be built on the existing assembly line for the basic engine at the engine plant in Györ, and that it should utilize the maximum number of common parts offering the benefits of synergy with the V6 TDI monoturbo [1-4]. The 46 kW increase in power output compared with the A8 version of the basic engine was achieved primarily by means of a new turbocharging system combined with optimized charge air cooling, as well as modifications to the fuel injection system. The heart of the new engine, the turbocharger system, is located at the rear of the inner V of the engine, and in the clear-
ance space above the gearbox, which can be seen in the cover figure in the partial section view from the rear [5]. ❶ shows the installation of the V6 TDI engines in the C series. The installation of the V6 TDI monoturbo engine can be seen in ① (left), while ① (right) shows the biturbo. In both pictures it is possible to see the limiting contours of the plenum chamber and the bonnet, as well as the position of the gearbox and exhaust system. In ① (left) can be seen the combined closeoupled oxidation catalytic converter with diesel particulate filter (DPF), which is positioned behind the turbocharger. The exhaust leaves the turbocharger to the left, as seen in the direction of travel; it is turned through 180° and then flows through the DPF to the right-hand side of the gearbox. The exhaust system is not visible; it runs past the gearbox on the right, as seen in the direction of travel, and into the underbody. In the case of the biturbo, the installation space for the DPF has been used for the high-pressure turbocharger. The exhaust system does not cross over the gearbox but runs where it can be seen in ① (right), on the left-hand side of the gearbox. The oxidation catalytic converter can be seen; the DPF has been relocated into the underbody. Additionally the vacuum unit for the turbine switching valve and the electric actuator for the variable turbine geometry (VTG) of the small turbocharger can be seen. ① makes very clear the major challenge of fitting a V engine with two-stage sequential turbocharging into the vehicle’s restricted engine compartment.
❶ Engine package V6 tDI monourbo and biurbo 01 I 2 0 1 2
Volume 73
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DeVelopMent DIEEL ENGINE
❷ lists the main dimensions and char-
acteristic data of the engine. The main geometrical dimensions match those of the basic engine. In order to deliver the high performance reliably in operation, the cylinder heads and the piston assembly including piston cooling have been enhanced. This article looks into these assemblies in more detail. The oil and water pumps have also been revised. The oil pump has been adapted to meet the engine’s increased demand for oil resulting from the improved splash oil cooling of the pistons and the second turbocharger. As in the case of the basic engine, the pump is a controllable vane pump with its volumetric flow increased by widening the rotor by approximately 25 %. As a further measure in response to the increased engine cooling required, a higher-capacity water pump has been fitted. In the case of the V6 TDI biturbo, a closed plastic rotor with a diameter of 72 mm and three-dimensionally curved vanes is used. As a result the volumetric flow has been increased by approximately 30 % at the design point in comparison with the basic engine, with a simultaneous 7 % improvement in efficiency at the same operating point. cylinDer heaD
The cylinder head is subject to dynamic loading while the engine is running due to the cylinder pressure, as well as thermo-
feature Design
–
V6 engine wih 90° V-angle 3
capacity
cm
stroke
mm
91.4
Bore
mm
83.0
–
1.10
stroke/Bore coMpression ratio Distance Between cylinDers crankshaft
– mm –
2967
16.0:1 90 Forged, four bearings
Main Bearing DiaMeter
mm
65.0
con-roD Bearing DiaMeter
mm
60.0
con-roD length
mm
160.5
ValVe DiaMeter (inlet)
mm
28.7 (2x)
ValVe DiaMeter (exhaust)
mm
26.0 (2x)
fuel inJection systeM
–
Common rail, 2000 bar (Bosch C 3-20) wih piezo injecors and high-pressure pump CP4.2
turBocharger
–
Htt Garre Gt 1749 wih VtG (HP urbocharger) Htt Garre Gt 3067 wih wase gae (LP urbocharger) Vacuum-conrolled urbine swiching valve
firing sequence
–
1, 4, 3, 6, 2, 5
noMinal power output
kW
23 0 kW fr om 3900 o 45 00 rpm
torque
Nm
65 0 fro m 1450 o 2800 rpm
eMissions stanDarD weight to Din 70020 gZ engine length
–
E5
kg
209
mm
437.0
❷ Main dimensions and characerisic daa of he V6 tDI biurbo engine
mechanical loading due to temperature variation. The peak pressure has not been increased in comparison with the basic engine, though it is utilized across a wider engine speed range under full load, so increasing the overall loading. The thermal loading of the cylinder head rises as
❸ Cylinder head maerial emperaures a 4500 rpm and 95 °C coolan emperaure
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unit
the cylinder power output increases. ❸ shows the maximum material temperature between the exhaust valves 1 mm below the surface of the combustion chamber plate. The two columns on the left depict the temperatures of the 150 kW and 184 kW versions of the basic engine under full load with a one-part water chamber in the cylinder head. When this unmodified geometry is used for the V6 TDI biturbo the temperature rises to a critical level – with the increased risk of cracking of the combustion chamber plate as a result of thermo-mechanical fatigue after running for lengthy periods. For this reason, a cylinder head with a two-part water chamber has been developed for the high-performance engine, ❹. The water chamber is divided into top and bottom sections, each supplied by way of separate feeds from the engine block. This arrangement enables a higher volumetric coolant flow (cooling jet) to be directed through the lower water chamber, which cools the areas between the valves and the injector seat. The upper water chamber is adjusted to allow lower volumetric flow by means of restrictor bores in the cylinder head gasket. The cooling of the lands
❹ Cylinder head: waer cooling jacke design
between the cylinders is carried out from the cylinder head, as in the basic engine. The pressure difference between the upper and lower sections of the water chamber is used to propel the coolant. The principle of cross-flow cooling has been retained, as has the separate head-block cooling of the basic engine, controlled by the thermal management system [1, 3]. This solution
has enabled the maximum temperature to be lowered by 25 K, ③. The separation of the two coolant jackets results in an intermediate deck in the cylinder head, which stiffens the structure and enhances its strength. In the area of the injector seat, for example, high assembly and dynamic tensions are overlaid with high temperatures. Calculations show
an improvement in the safety and security which have been achieved at this point by switching to the two-part water chamber with intermediate deck, despite the higher stress loads in the V6 TDI biturbo. The new head concept thus combines high mechanical strength with very low temperatures for an engine of this performance class, and as such also points the way ahead for future high-performance design concepts. pistons
❺ V6 tDI biurbo pison 01 I 2 0 1 2
Volume 73
The major increase in power output from the engine also meant that the pistons needed to be optimized. The basic engine in all its versions features a piston with salt-core cooling ducts and a piston pin running in aluminium. The compression ratio is 16.8:1. The compression ratio of the V6 TDI biturbo has been reduced to 16.0:1 by enlarging the piston bowl, ❺. The position of the cooling duct has been moved slightly upwards and towards the first ring groove. To improve strength, the V6 TDI biturbo is fitted with a bushed piston with a DLCcoated (diamond-like carbon) piston pin. The DLC layer alleviates the tendency of the pin to seize and reduces the friction in this area. By using bushes with moulded
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DeVelopMent DIEEL ENGINE
bores, the pressure distribution between the pin and the piston is evened out and the risk of hub cracking is avoided. These measures enabled the pin diameter of the basic engine to be retained, meaning that the con-rod could also be retained as a shared component. The ring package is frictionally optimized as in the case of the basic engine. The higher positioning of the cooling duct and the optimized splash oil cooling enabled the bowl rim temperature to be significantly reduced relative to the piston of the 184 kW engine, ❻. This design offers potential for further power increases.
❻ Influence of opimized pison cooling on pison emperaures: maximum bowl rim emperaure a 4000 rpm
turBocharging systeM
❼ presents a schematic view of the com-
ponent layout in the two-stage turbocharging system. On the air side, the fresh air flowing in via the air filter and clean air system is pre-compressed by the lowpressure compressor across the entire map range. In the high-pressure compressor, the pressure of the air-mass flow is increased further. The air is then cooled in the intercooler and routed into the engine via the throttle valve, central swirl flap and intake manifold. A self-regulating compressor bypass valve is installed in parallel to the high-pressure compressor. This valve opens depending on the compressor output of the low-pressure turbocharger and the resultant pressure ratio upstream and downstream of the highpressure compressor. The compression of the low-pressure stage is then sufficient to set the required charge pressure. On the exhaust side, the high-pressure and low-pressure turbines are configured in series and both fitted with a bypass or wastegate. The bypass of the high-pressure turbine has a large cross-section, which can be infinitely adjusted by way of a turbine switching valve which is pneumatically actuated with vacuum. When the turbine switching valve is closed, the entire exhaust gas flow is partially relieved by way of the high-pressure turbine and then flows through the low-pressure turbine. The highpressure turbocharger features VTG with an electric actuator motor. When this reaches its speed limit, the turbine switching valve is opened. In this case only part of the exhaust gas mass flow is then relieved by way of the high-pressure turbine; most is routed via the turbine bypass directly to the
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larger low-pressure turbine. The low-pressure turbocharger is fitted with a wastegate which regulates the charge pressure at high exhaust gas mass flow rates. ❽ shows the turbocharging system design as implemented for the V6 TDI biturbo engine. The low-pressure turbocharger is housed in the rear area of the
❼ chemaic view of he V6 tDI biurbo urbocharging sysem
inner V while the high-pressure turbocharger, rotated 90°, is positioned behind the engine above the gearbox. The key component of the turbocharging system is the turbine housing of the high-pressure turbocharger, via which the exhaust gas mass flows are distributed within the system. It incorporates the flange for connec-
❽ turbocharging sysem of he V6 tDI biurbo (Htt)
tion of the exhaust manifold by way of a Y-piece as well as the flanges for the highpressure turbine bypass, the low-pressure turbocharger and the exhaust gas recirculation line. The turbine switching valve, including seat and shaft, is housed in the turbine housing of the low-pressure turbocharger. All the other components are grouped around these key components. On the left as seen in the direction of travel is the large vacuum unit, with position feedback for the turbine switching valve, and the electric actuator for the high-pressure turbocharger. On the right are the compressor bypass valve, the vacuum unit to actuate the wastegate and the charge air ducting. The compressor bypass valve is designed so as to widen its cross-section rapidly on non-stationary acceleration and yet still prevent unintentional opening due to engine vibration. The pressure losses occurring at the compressor bypass have been reduced by optimizing the geometry of the valve cone down to a minimum. The center housings of both turbochargers are water-cooled. The water and oil supply is provided via external lines. The turbine housing of the high-pressure turbocharger is the most complex 01 I 2 0 1 2
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cast component of the turbocharger assembly. The areas of the component that are subjected to hot exhaust gases change depending on the position of the exhaust flap. This results in inhomogeneous temperature distribution and therefore in thermal stresses in the component. In the course of design optimizations carried out on the component, the number of cores was reduced from 16 to eight and at the same time the thermal stresses in critical areas were reduced to a non-critical level. ❾ shows the number and layout of
the cores in the casting mould before and after optimization. With two-stage turbocharging, the responsiveness of the engine is dictated by the tight closure of the turbine switching valve. Even the tiniest leaks will lead to significant loss of enthalpy for the highpressure turbine. Consequently, special attention was paid during the development process to the seal achieved by the turbine switching valve. To evaluate the seal achieved by the turbine switching valve, a pressure difference of 2.5 bar is applied by way of the flap valve on the component test rig and the resultant volumetric flow leakage is determined. In an early phase of the project, two different turbine switching valve designs were compared in with regard to leakage: : a centrally mounted changeover flap valve (butterfly design) : a side-mounted changeover flap valve (swing valve design). The tests carried out revealed at an early stage that, in its new condition, the swing valve offered significant advantages over the butterfly design in terms of the seal achieved, ❿. The leakage of the swing valve design as new is many times less than that of the butterfly design. It also proved much better over lengthy running periods. As the swing valve also offers major benefits in terms of flow pressure losses because it is moved fully out of the bypass duct, Audi chose to develop this solution for series production. The large bypass flap in combination with the high turbine intake pressures do however require high actuator forces in order to prevent the flap from opening of its own accord, even under transient operating
❾ High pressure urbine housing: opimizaion of casing ools
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DeVelopMent DIEEL ENGINE
❿ turbine swiching valve leakage behaviour
available with no need for compromise in terms of thermodynamic design and longterm mechanical durability. The higher loading on the engine compared with the basic engine has been taken into account by means of optimization measures which open up potential for further increases in power output for both the biturbo and monoturbo designs.
references
[1] Bauder, .; Bach, M.; Fröhlich, A.; Haz, W.;
conditions. In order to satisfy these requirements a special long-stroke vacuum unit with a large effective cross-section has been developed. The unit has a position feedback feature in the form of a position sensor inside the unit, which has had to be adapted to the long stroke of the unit. To assess the influence of the seal achieved by the exhaust flap, acceleration was measured on a vehicle with new components and with components at the end of endurance testing. The defined maximum permissible leakage quantities at the end of endurance testing guarantee minimal time lag under acceleration in comparison with
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new components. This is key to the excellent dynamic responsiveness of the engine throughout the life of the vehicle. suMMary
With the V6 TDI biturbo, Audi has launched its most powerful six-cylinder diesel engine to date. The engine gives the C-segment cars extraordinarily sporty performance along with low fuel consumption, supplementing the range of Audi V-engines below the V8 TDI and V12 TDI. The two-stage turbocharging system has been implemented in the restricted space
Helbig, J.; Kahrsed, J.: Die neue Generaion des 3.0 tDI Moors von Audi – emissionsarm, leisungssark, verbrauchsgünsig und leich [the new-generaion 3.0 l tDI engine from Audi – low emissions, high performance, good fuel economy and lighweigh design]. 31 s Inernaional Vienna Moor ymposium, 2010 [2] Bauder, .; Kahrsed, J.; Zülch, .; Fröhlich, A.; reng, C.; Eiglmeier, C.; iegger, .: Der 3.0 l V6 tDI der zweien Generaion von Audi – konsequene Weierenwicklung eines effizienen Anriebes [the second-generaion 3.0 l V6 tDI from Audi – consisen furher developmen of an efficien power uni]. 19 h Aachen Colloquium Auomobile and Engine technology, 2010 [3] Bauder, .; Fröhlich, A.; ossi, D.: Neue Generaion des 3,0-l-tDI-Moors von Audi, teil 1 – Konsrukion und Mechanik [New-generaion Audi 3.0 l tDI engine, par 1 – design and mechanical componens]. In: MtZ 71 (2010), No. 10 [4] Kahrsed, J.; Zülch, .; reng, C.; iegger, .: Neue Generaion des 3,0-l-tDI-Moors von Audi, teil 2 – thermodynamik, Applikaion und Abgasnachbehandlung [New-generaion Audi 3.0 l tDI engine, par 2 – hermodynamics, applicaion and exhaus reamen]. In: MtZ 71 (2010), No. 11 [5] Bauder, .; Eiglmeier, C.; Eiser, A.; Marckward, H.: Der neue High Performance Diesel von Audi, der 3.0 l V6-tDI Biurbo [the new highperformance diesel from Audi, he 3.0 l V6 tDI biurbo]. 32 nd Inernaional Vienna Moor ymposium, 2011
entwicklung DIESELMTEN
DER NEUE 3,0-L-TDI-BITURBOMOTOR VON AUDI
TEIL 1 – KONSTRUKTION UND MOTORMECHANIK
Mit dem neuen V6-TDI-Biturbomotor ergänzt Audi seine V6-TDI-Motorenfamilie um eine Hochleistungsvariante mit zweistufiger Aufladung. Kernstück des Motors ist das neue Aufladesystem von Honeywell Turbo Technologies (HTT), mit dem eine Leistung von 230 kW und ein maximales Drehmoment von 650 Nm dargestellt werden konnten. Durch die Übernahme aller Effizienzmaßnahmen des Basismotors mit Monoturbo ist eine Kombination aus sehr guten Fahrleistungen und geringen Kraftstoffverbräuchen gelungen. Im Folgenden werden Konstruktion und Mechanik des neuen Motors erläutert, die Themen Thermodynamik und Applikation werden in einem zweiten Teil in der MTZ 2 behandelt.
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ATEN
Motorbeschreibung und Fahrzeugeinbau
dipl.-ing. richard bauder
ist Leiter der Entwicklung Dieselmotoren bei der Audi AG in Neckarsulm.
dipl.-ing. Jan helbig
ist Leiter der Mechanikentwicklung Dieselmotoren bei der Audi AG in Neckarsulm.
dr.-ing. henning Marckwardt
ist Leiter der Mechanikentwicklung V6-TDI-Biturbo-/V8-TDI-Dieselmotoren bei der Audi AG in Neckarsulm.
dipl.-ing. halit genc
ist Konstrukteur in der Entwicklung Dieselmotoren bei der Audi AG in Neckarsulm.
Neben dem V8-Dieselmotor, der bei Audi im A8 und im Q7 zum Einsatz kommt, stellt der 3,0-l-TDI-Biturbomotor die Spitzen-Dieselmotorisierung für den neuen Audi A6 und den A7 dar. Ziel der Entwicklung dieses Motors war es, durch einen hervorragenden dynamischen Drehmomentaufbau und ein außerordentliches Drehverhalten neue Maßstäbe bei sportlichen Dieselfahrzeugen zu setzen. Die hohe Leistungsfähigkeit sollte mit guten Verbrauchswerten verbunden werden, was durch die Übernahme der folgenden Effizienzmaßnahmen vom Basismotor gelungen ist: : Thermomanagement : Reibungsoptimierungen : Gewichtsreduzierung : Achtgang-Automatikgetriebe : Start-Stopp-System. Weitere Prämissen für die Entwicklung des Motors waren die Fertigung auf der Montagelinie des Basismotors im Motorenwerk in Györ sowie der Einsatz einer maximalen Anzahl von Gleich- und Synergieteilen zum V6-TDI-Motor mit Monoturbo [1-4]. Die Leistungserhöhung um 46 kW im Vergleich zur A8-Variante des Basismotors wurde hauptsächlich durch ein neues Aufladesystem in Kombination mit einer optimierten Ladeluftkühlung sowie Modifikationen am Kraftstoffeinspritzsystem erreicht. Das Kernstück des neuen Motors, das Aufladesystem, ist im hinteren Innen-
V des Motors sowie im Bauraum oberhalb des Getriebes platziert, was im Titelbild in der Ansicht von hinten im Teilschnitt zu erkennen ist [5]. 1 zeigt die Einbausituation der V6-TDIMotoren im Fahrzeug der C-Reihe. In ① (links) ist der Einbau des V6-TDI-Motors mit Monoturbo zu sehen, in ① (rechts) ist der Biturbomotor dargestellt. In beiden Bildern erkennt man die begrenzenden Konturen des Wasserkastens und der Motorhaube sowie die Position von Getriebe und Abgasanlage. In ① (links) sieht man den kombinierten motornahen Oxidationskatalysator mit Dieselpartikelfilter (DPF), der hinter dem Turbolader positioniert ist. Das Abgas verlässt den Abgasturbolader (ATL) in Fahrtrichtung nach links, wird um 180° umgelenkt und durchströmt dann den DPF auf der rechten Getriebeseite. Die Abgasanlage ist nicht sichtbar, sie verläuft in Fahrtrichtung rechts am Getriebe vorbei in den Unterboden. Der Bauraum des DPF wurde beim Biturbomotor für den HochdruckATL genutzt, die Abgasanlage quert nicht über dem Getriebe, sondern verläuft auf der linken Getriebeseite. In ① (rechts) zu erkennen ist der Oxidationskatalysator, der DPF wurde in den Unterboden verlagert. Zudem erkennt man die Unterdruckdose für das Turbinenumschaltventil und den E-Steller für die variable Turbinengeometrie (VTG) des kleinen Laders. ① verdeutlicht eindrucksvoll die große Herausforderung, einen V-Motor mit zweistufig sequentieller Aufladung in den begrenzten Fahrzeugbauraum zu integrieren.
❶ Einbau des V6-TDI-Motors mit Mono- und Biturbolader im Vorderwagen der C-eihe
01I2012
73. Jahrgang
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entwicklung DIESELMTEN
MerkMal bauart
einheit
–
V6-Motor mit 90° V-Winkel
hubrauM
cm
hub
mm
91,4
bohrung
mm
83,0
–
1,10
–
16,0:1
hub/bohrung Verdichtung zylinderabstand kurbelwelle
3
mm –
2967
90 Ges chm iedet , vi erf ach ge lager t
hauptlagerdurchMesser
mm
65,0
pleuellagerdurchMesser
mm
60,0
pleuellänge
mm
160,5
VentildurchMesser (einlass)
mm
28,7 (2x)
VentildurchMesser (auslass)
mm
26,0 (2x)
einspritzsysteM
–
Common ail, 2000 bar (Bosch CS 3.3) mit Piezoinjektor und Hochdruckpumpe CP4.2
–
HTT Garrett GT 1749 mit VTG (HD-Lader) HTT Garrett GT 3067 mit Wastegate (ND-Lader) nterdruckgeregeltes Turbinenumschaltventil
–
1, 4, 3, 6, 2, 5
abgasturbolader
zündFolge nennleistung
kW
230 von 39 00 bi s 4 500/ mi n
drehMoMent
Nm
650 von 14 50 bi s 2 800/ mi n
eMissionsstuFe gewicht nach din 70020 gz Motorlänge
–
E5
kg
209
mm
437,0
2 Hauptabmessungen und Kenndaten des V6-TDI-Biturbomotors
In ❷ sind die Hauptabmessungen und Kenndaten des Motors aufgelistet. Die geometrischen Hauptabmessungen entsprechen denen des Basismotors. Zur betriebssicheren Darstellung der hohen Leistung wurden die Zylinderköpfe und die Kolben-
gruppe mit Kolbenkühlung weiterentwickelt. Auf diese Baugruppen wird in diesem Beitrag genauer eingegangen. Darüber hinaus haben die Öl- und die Wasserpumpe eine Überarbeitung erfahren. Die Ölpumpe wurde an den erhöhten Öl-
3 Zylinderkopf-Stegtemperaturen bei 4500/min und 95 °C Kühlmitteltemperatur
42
bedarf des Motors angepasst, der sich aus der verbesserten Spritzölkühlung der Kolben und dem zweiten Turbolader ergibt. Wie beim Basismotor handelt es sich um eine regelbare Flügelzellenpumpe, deren Volumenstrom durch eine Verbreiterung des Läufers um circa 25 % angehoben wurde. Dem erhöhten Kühlungsbedarf des Motors wurde darüber hinaus durch eine Wasserpumpe mit erhöhter Förderleistung Rechnung getragen. Beim V6-TDI-Biturbomotor kommt ein geschlossenes Kunststofflaufrad mit 72 mm Durchmesser und dreidimensional gekrümmten Schaufeln zum Einsatz. Dadurch konnte der Volumenstrom im Vergleich zum Basismotor im Auslegungspunkt um circa 30 % erhöht werden, bei gleichzeitiger Erhöhung des Wirkungsgrads um 7 %-Punkte im gleichen Betriebspunkt. zylinderkopF
Der Zylinderkopf wird im Motorbetrieb dynamisch durch den Zylinderdruck sowie thermomechanisch durch die Temperaturwechsel belastet. Der Spitzendruck wurde im Vergleich zum Basismotor nicht angehoben, allerdings wird er an der Volllast in einem größeren Drehzahlbereich ausgenutzt, wodurch sich das Belastungskollektiv erhöht. Die thermische Belastung des Zylinderkopfs steigt mit zunehmender Zylinderleistung. In 3 ist die maximale Materialtemperatur zwischen den Auslassventilen 1 mm unter der Oberfläche der Brennraumplatte dargestellt. Die beiden linken Säulen stellen die Temperaturen der Varianten des Basismotors mit 150 und 184 kW bei Volllast mit einteiligem Wasserraum im Zylinderkopf dar. Bei Verwendung dieser unveränderten Geometrie für den Biturbomotor steigt die Temperatur auf ein kritisches Niveau mit erhöhtem Risiko von Rissbildung in der Brennraumplatte durch thermomechanische Ermüdung nach langen Laufzeiten. Aus diesem Grund wurde für den leistungsgesteigerten Motor ein Zylinderkopf mit zweiteiligem Wasserraum entwickelt, 4. Der Wasserraum ist in einen oberen und einen unteren Bereich geteilt, die beide über getrennte Zuläufe aus dem Kurbelgehäuse versorgt werden. Durch diese Anordnung ist es möglich, gezielt einen höheren Kühlmittelvolumenstrom durch den unteren Wasserraum zu leiten, der die Bereiche zwischen den Ventilen und dem Injektorsitz kühlt (Cooling Jet). Der obere
4 Zylinderkopf: konstruktive Ausführung Wasserkühlung
Wasserraum ist über Drosselbohrungen in der Zylinderkopfdichtung auf einen geringeren Volumenstrom eingestellt. Die Kühlung der Stege zwischen den Zylinderrohren erfolgt, wie beim Basismotor, aus dem Zylinderkopf. Als treibendes Gefälle wird hierfür die Druckdifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Wasserraum genutzt. Das Prinzip der Querstromkühlung wurde beibehalten, ebenso die über das Thermomanagement geregelte, getrennte Kopf-Block-Kühlung des Basismotors [1, 3]. Mit dieser neuen Lösung konnte eine Absenkung der Maximaltemperatur um 25 K erreicht werden, ③. Durch die Trennung der beiden Wasserräume entsteht ein Zwischendeck im Zylinderkopf, das die Struktur versteift und festigkeitssteigernd wirkt. Im Bereich des Injektorsitzes überlagern sich zum Beispiel hohe Montage- und dynamische Spannungen mit hohen Temperaturen. Die Berechnung zeigt trotz höherer Belastung des Biturbomotors eine Verbesserung der Sicherheiten, die an dieser Stelle durch den Übergang auf den zweiteiligen Wasserraum mit Zwischendeck erreicht werden konnte. Damit verbindet das neue Kopfkonzept hohe mechanische Festigkeit mit einem für diese Leistungsklasse sehr niedrigen Temperaturniveau und ist somit auch wegweisend für künftige Hochleistungskonzepte. 01I2012
73. Jahrgang
kolben
Der hohen Leistungssteigerung des Motors musste auch beim Kolben durch Optimierungsmaßnahmen Rechnung getragen werden. Der Basismotor ist in allen Varianten mit Salzkern-Kühlkanalkolben und in Aluminium laufenden Kolbenbolzen ausgestattet, das Verdichtungsverhältnis beträgt 16,8:1. Beim Biturbomotor wurde das Verdichtungs-
verhältnis durch Vergrößerung der Kolbenmulde auf 16,0:1 abgesenkt, 5. Die Lage des Kühlkanals wurde geringfügig nach oben und in Richtung der ersten Ringnut verschoben. Zur Steigerung der Festigkeit ist der Biturbomotor mit einem Buchsenkolben mit DLC-beschichtetem (Diamond like Carbon) Kolbenbolzen ausgestattet. Die DLC-Schicht reduziert die Fressneigung des Bolzens und die Reibung in diesem
5 Kolben V6-TDI-Biturbomotor
43
entwicklung DIESELMTEN
6 Einfluss der optimierten Kolbenkühlung auf Kolbentemperaturen: maximale Muldenrandtemperatur bei 4000/min
Bereich. Durch den Einsatz der Buchsen mit Formbohrung wird die Druckverteilung zwischen Bolzen und Kolben vergleichmäßigt und die Gefahr von Nabenrissen vermieden. Diese Maßnahmen ermöglichten, dass der Bolzendurchmesser des Basismotors beibehalten und damit auch das Pleuel als Gleichteil ausgeführt werden konnte. Das Ringpaket ist wie beim Basismotor reibungsoptimiert. Durch die höhere Lage des Kühlkanals
und die optimierte Spritzölkühlung konnte im Vergleich zum Kolben des 184-kW-Motors die Muldenrandtemperatur deutlich reduziert werden, 6. Diese Auslegung bietet Potenzial für weitere Leistungssteigerungen. auFladesysteM
zeigt schematisch die Anordnung der Komponenten des zweistufigen Auflade7
systems. Luftseitig wird die über Luftfilter und Reinluftstrecke einströmende Frischluft durch den Niederdruckverdichter im gesamten Kennfeldbereich vorverdichtet. Im Hochdruckverdichter erfolgt eine weitere Druckanhebung des Luftmassenstroms, der dann im Ladeluftkühler gekühlt und über Drosselklappe, zentrale Drallklappe und Saugrohr in den Motor geleitet wird. Parallel zum Hochdruckverdichter ist ein selbstregelndes Verdichter-
7 Schematische Darstellung des Biturbo-Aufladesystems
44
bypassventil angeordnet. In Abhängigkeit von der Verdichterleistung des Niederdruckladers und dem sich daraus ergebenden Druckverhältnis vor und nach Hochdruckverdichter öffnet sich dieses Ventil. Dann reicht die Verdichterarbeit der Niederdruckstufe aus, um den geforderten Ladedruck einzustellen. Abgasseitig sind Hochdruck- und Niederdruckturbine in Reihe geschaltet und beide mit einem Bypass beziehungsweise Wastegate versehen. Der Bypass der Hochdruckturbine hat einen großen Querschnitt, der über ein mit Unterdruck pneumatisch angesteuertes Turbinenumschaltventil stufenlos freigegeben werden kann. Bei geschlossenem Turbinenumschaltventil wird der gesamte Abgasmassenstrom über die Hochdruckturbine teilentspannt und durchströmt dann die Niederdruckturbine. Der Hochdruck-ATL ist mit einer VTG mit elektrischem Stellmotor ausgestattet. Erreicht dieser seine Drehzahlgrenze, wird das Turbinenumschaltventil geöffnet. In diesem Fall wird nur noch ein Teil des Abgasmassenstroms über die Hochdruckturbine entspannt, der größere Teil wird über den Turbinenbypass direkt zur größeren Niederdruckturbine geleitet. Der Niederdruck-Abgasturbolader ist mit einem Wastegate ausgestattet, mit dem bei hohen Abgasmassenströmen der Ladedruck geregelt wird. 8 zeigt das Aufladesystem in seiner konstruktiven Umsetzung für den V6-TDI-
8 Aufladesystem des Biturbomotors (HTT)
Biturbomotor. Der Niederdrucklader ist im hinteren Bereich des Innen-V untergebracht, während der Hochdruck-ATL um 90° gedreht hinter dem Motor über dem
Getriebe angeordnet ist. Zentrales Bauteil des Aufladesystems ist das Turbinengehäuse des Hochdruck-ATL, über das die Abgasmassenströme innerhalb des Sys-
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Philip Junge BWL für Ingenieure Grundlagen - Fallbeispiele - Übungsaufgaben 2010. X, 269 S. Br. EUR 29,95 ISBN 978-3-8349-1706-5 Einfach bestellen:
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KOMPETENZ IN SACHEN WIRTSCHAFT
01I2012
73. Jahrgang
. g a l r e V m i e b r e d o . l n e e d t l a n a h e h h b r c o u v B n m e i g h n c i u l r t l e ä d h n r Ä E
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entwicklung DIESELMTEN
9 Hochdruckturbinen gehäuse: ptimierung des Gießwerkzeugs
tems verteilt werden. Es beinhaltet den Flansch für den Anschluss der Abgaskrümmer über ein Y-Stück sowie die Flansche für den Hochdruckturbinenbypass, den Niederdruck-ATL und die Abgasrückführleitung. Das Turbinenumschaltventil inklusive Sitz und Welle ist im Turbinengehäuse des Niederdruck-ATL untergebracht. Alle anderen Bauteile gruppieren sich um diese zentralen Komponenten: in Fahrtrichtung links die große Unterdruckdose mit Lagerückmeldung für das Turbinenumschaltventil und der E-Steller für den Hochdruck-ATL. Rechts befinden sich das Verdichterbypassventil, die Unterdruckdose zur Ansteuerung des Wastegates und die Ladeluftverrohrung. Das Verdichterbypassventil ist so ausgelegt, dass es bei instationären Beschleunigungsvorgängen schnell Querschnitt freigibt und
❿ Leckageverhalten Turbinenumschaltventil
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dennoch ein unbeabsichtigtes Öffnen durch Motorvibrationen vermieden wird. Die auftretenden Druckverluste des Verdichterbypasses konnten durch die geometrische Optimierung des Verschlusskegels auf ein Minimum reduziert werden. Die Rumpfgruppen beider Turbolader sind wassergekühlt; Wasser- und Ölversorgung erfolgen über extern verlegte Leitungen. Das Turbinengehäuse des HochdruckATL ist das komplexeste Gussteil der Aufladegruppe. Je nach Stellung der Abgasklappe ändern sich die Bereiche des Bauteils, die mit heißem Abgas beaufschlagt werden. Daraus ergibt sich eine inhomogene Temperaturverteilung und damit Thermospannungen in dem Bauteil. Im Rahmen der konstruktiven Optimierung des Bauteils ist es gelungen, einerseits die Anzahl der Kerne von 16 auf acht zu reduzieren und
gleichzeitig die Thermospannungen in kritischen Bereichen auf ein unkritisches Niveau abzusenken. 9 zeigt die Anzahl und Anordnung der Kerne in der Gießform vor und nach der Optimierung. Das Ansprechverhalten des Motors wird bei einer zweistufigen Aufladung von der Dichtigkeit des Turbinenumschaltventils bestimmt. Bereits kleinste Leckagen führen zu einem signifikanten Enthalpieverlust für die Hochdruckturbine. Daher wurde im Verlauf der Entwicklung der Dichtigkeit des Turbinenumschaltventils besondere Bedeutung beigemessen. Zur Bewertung der Dichtigkeit des Turbinenumschaltventils wird am Komponentenprüfstand eine Druckdifferenz von 2,5 bar über die Klappe aufgeprägt und der sich ergebende Leckagevolumenstrom bestimmt. In einer frühen Phase des Projekts wurden zwei verschiedene Ausführungsarten des Turbinenumschaltventils hinsichtlich ihres Leckageverhaltens verglichen: : eine mittig gelagerte Umschaltklappe (Konstruktionsprinzip Butterfly) : eine einseitig gelagerte Umschaltklappe (Konstruktionsprinzip Swing valve). Die Untersuchungen zeigten frühzeitig, dass im Neuzustand die einseitig gelagerte Umschaltklappe signifikante Dichtigkeitsvorteile gegenüber der mittig gelagerten Klappe aufweist, ❿. Die Neuteilleckage des Konstruktionsprinzips Swing valve liegt um ein Vielfaches unterhalb der des Konstruktionsprinzips Butterfly. Auch über lange Laufzeiten zeigte sich ein deutlicher Vorteil für die einseitig gelagerte Klappe. Da die einseitig gelagerte Klappe durch vollständiges Ausfahren aus dem Bypasskanal auch deutliche Vorteile bei den Strömungsdruckverlusten aufweist, wurde von Audi diese
Lösung für den Serieneinsatz weiterentwickelt. Die große Bypassklappe erfordert in Kombination mit den hohen Turbineneintrittsdrücken allerdings auch hohe Stellgliedkräfte, um ein selbstständiges Öffnen der Klappe auch unter transienten Betriebsbedingungen zu vermeiden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurde eine spezielle langhubige Unterdruckdose mit großem wirksamen Querschnitt entwickelt. Die Dose verfügt über eine Lagerückmeldung in Gestalt eines Positionssensors in der Dose, der auf den großen Hub der Dose angepasst werden musste. Zur Bewertung des Einflusses der Abgasklappendichtigkeit wurde die Fahrzeugbeschleunigung mit Bauteilen in Neuzustand und nach Dauerlaufende gemessen. Die festgelegten maximal zulässigen Leckagemengen nach Dauerlaufende garantieren in der Beschleunigung einen sehr geringen Zeitverzug im Vergleich zum Neuzustand. Dies ist eine Voraussetzung für das sehr gute dynami-
sche Ansprechverhalten über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs. zusaMMenFassung
Mit dem V6-TDI-Biturbo bringt Audi seinen bis heute leistungsstärksten Sechszylinder-Dieselmotor auf den Markt. Das Aggregat verhilft den Fahrzeugen der C-Reihe zu außerordentlich sportlichen Fahrleistungen bei niedrigen Kraftstoffverbräuchen und ergänzt die Palette der V-Motoren von Audi unterhalb des V8-TDIund des V12-TDI-Motors. Die zweistufige Aufladung konnte in dem begrenzten Bauraum ohne Kompromisse hinsichtlich der thermodynamischen Auslegung und der mechanischen Dauerfestigkeit umgesetzt werden. Der im Vergleich zum Basismotor höheren Belastung des Aggregats wurde durch Optimierungsmaßnahmen Rechnung getragen, die Potenzial für weitere Leistungssteigerungen sowohl beim Biturbomotor als auch bei den Varianten mit Monoturbo eröffnen.
literaturhinweise [1] Bauder,
.; Bach, M.; Fröhlich, A.; Hatz, W.; Helbig, J.; Kahrstedt, J.: Die neue Generation des 3.0 TDI Motors von Audi – emissionsarm, leistungsstark, verbrauchsgünstig und leicht. 31. Internationales Wiener Motorensymposium, 2010 [2] Bauder, .; Kahrstedt, J.; Zülch, S.; Fröhlich, A.; Streng, C.; Eiglmeier, C.; iegger, .: Der 3.0l V6 TDI der zweiten Generation von Audi – konsequente Weiterentwicklung eines effizienten Antriebes. 19. Aachener Motorenkolloquium Fahrzeugund Motorentechnik, 2010 [3] Bauder, .; Fröhlich, A.; ossi, D.: Neue Generation des 3,0-l-TDI-Motors von Audi, Teil 1 – Konstruktion und Mechanik. In: MTZ 71 (2010), Nr. 10 [4] Kahrstedt, J.; Zülch, S.; Streng, C.; iegger, .: Neue Generation des 3,0-l-TDI-Motors von Audi, Teil 2 – Thermodynamik, Applikation und Abgasnachbehandlung. In: MTZ 71 (2010), Nr. 11 [5] Bauder, .; Eiglmeier, C.; Eiser, A.; Marckwardt, H.: Der neue High Performance Diesel von Audi, der 3.0l V6-TDI Biturbo. 32. Internationales Wiener Motorensymposium, 2011
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