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Dieselmotoren

Im ersten Teil dieses Beitrags wurden Konstruktion und Mechanik des neuen V6-TDI-Motors von Audi dargestellt [1]. In diesem zweiten Teil wird nun die Entwicklung der Thermodynamik beschrieben, die erforderlich war, um die extrem scharfen Abgasgrenzwerte nach Euro 4 in der oberen Fahrzeugklasse zu erfüllen. Das hochgesteckte Ziel – 132 kW Leistung aus 2,5 l Hubraum und Euro 4 – wurde durch den Einsatz neuer und weiter optimierter Techniken zur Verbesserung der Emissionen erreicht.

Der neue V6-TDI-Motor von Audi Teil 2: Thermodynamik 606

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Die Autoren 1 Einleitung und Aufgabenstellung

Ausgehend vom bekannten 2,5-l-V6-TDIMotor mit 132 kW und Euro 3 [2] wurde der Motor so weiterentwickelt, dass er durch innermotorische Maßnahmen die scharfen Euro-4-Abgasgrenzwerte unterschreitet. Dabei ist es gelungen, alle Abgaskomponenten zu reduzieren, besonders stark NOx und Partikel. Insbesondere das Einspritzsystem mit Radialkolben-Verteilerpumpe VP44 zeigte ein besonders gutes Potenzial zur Verbesserung der Emissionen bei gleichzeitig hoher spezifischer Leistung. Auch der Komfort des Motors konnte weiter deutlich verbessert werden. 2 Entwicklungsschwerpunkte

Bisher erfüllen Dieselfahrzeuge nur mit Vierzylindermotoren und bis zur Mittelklasse die strengen Euro-4-Abgasgrenzwerte. Audi setzte sich das Ziel, auch bei Fahrzeugen der Oberklasse (Schwungmassenklasse ≤ 4250 lbs) diese Abgasstandards zu erfüllen. Durch das hohe Potenzial des 2,5-l-V6-TDI-Motors konnte dieses anspruchsvolle Ziel erreicht werden. Dieser Motor kommt im Audi A4, A6, VW Passat und Skoda Superb zum Einsatz, und zwar in Verbindung mit Handschaltgetriebe und Front- und Quattro-Antrieb, sowie mit Automatikgetriebe und Multitronic. Der Kundennutzen hinsichtlich Fahrleistungen, Ansprechverhalten und Kraftstoffverbrauch wurde trotz Erfüllung der

schärferen Abgasgrenzwerte weiter erhöht. So konnten die hohen Leistungswerte beibehalten und der gute Verbrauch je nach Variante leicht reduziert beziehungsweise gehalten werden. Mit dazu beigetragen hat der Einsatz des Zylinderkopfs mit Rollenschlepphebel aufgrund seiner Reibleistungsvorteile. Deutlich verbessert wurden die mechanischen Geräusche sowie die Verbrennungsakustik. Zusätzlich wurde am Euro-4-Motor auch die EOBD (European On-Board Diagnosis) erstmalig appliziert, um die zuverlässige Funktion aller abgasrelevanten Bauteile zu überwachen. Die Handlungsfelder für die thermodynamische Entwicklung zeigt Bild 1. 3 Thermodynamische Optimierungsmaßnahmen

Um von Euro-3- auf Euro-4-Niveau zu kommen, mussten die Rohemissionswerte von NOx und Partikel ungefähr halbiert werden. Dies ist bei einem schon niedrigen Euro-3-Emissionsniveau eine sehr anspruchsvolle Aufgabe. Im Folgenden werden die wesentlichen Maßnahmen beschrieben. 3.1 Brennraum

Die Brennraumform und das Verdichtungsverhältnis wirken sich entscheidend auf die Emissionen aus. Für eine schadstoffarme Verbrennung müssen die Luftbewegung im Brennraum und die Einspritzung gezielt aufeinander abgestimmt

Dipl.-Ing. Richard Bauder ist Leiter der Dieselmotorenentwicklung bei Audi in Neckarsulm. Dipl.-Ing. Sven Bechle ist Versuchsingenieur in der Thermodynamik und Applikation Dieselmotoren bei Audi in Neckarsulm. Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Dorsch ist Fachteamleiter Thermodynamik und Applikation Dieselmotoren bei Audi in Neckarsulm. Dipl.-Ing. Hans-Werner Pölzl ist Leiter Koordination Motorenentwicklung bei Audi in Neckarsulm. Dipl.-Ing. Ralph Riegger ist Fachreferent in der Thermodynamik und Applikation Dieselmotoren bei Audi in Neckarsulm. Dr.-Ing. Hans-Josef Schiffgens ist Leiter der Thermodynamik und Applikation Dieselmotoren bei Audi in Neckarsulm.

2 Entwicklungsschwerpunkte Bild 1: Entwicklungsschwerpunkte Euro 4 Figure 1: Priority development areas for the Euro 4 engine

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3.1 Brennraum

3.2 Einspritzhydraulik Bild 2: Brennraumvergleich Euro 4 / Euro 3 Figure 2: Comparison of Euro 4 and Euro 3 combustion chamber shape

Bild 3: Einfluss des Euro-4-Brennraums auf NOx- und Partikelemissionen in stationären Teillast-Punkten Figure 3: Influence of Euro 4 combustion chamber shape on NOx and particulate emissions at steady-state part load

werden. Die optimierte Einspritzung, auf deren Einzelheiten in Kapitel 3.2 näher eingegangen wird, erforderte eine Anpassung der Muldengeometrie. Den Vergleich der Muldenformen zeigt Bild 2. Nur durch die gezielte Optimierung des Strahlauftreffpunktes, die Anpassung des Brennraums an die freie Strahllänge sowie die gleichzeitige Absenkung des Verdichtungsverhältnisses um 0,7 Einheiten auf 17,8 konnten die Emissionen gegenüber den Abgaswerten des Euro-3-Brennraums deutlich gesenkt werden. Bild 3 zeigt die Verbesserungen an ausgewählten Stationärpunkten. Die NOx- und besonders die Partikel-Emissionen konnten durch die bessere Gemischaufbereitung und die damit verbundene effizientere Verbrennung deutlich gesenkt werden.

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Bild 4: Vergleich Einspritzhydraulik Euro 4 / Euro 3 Figure 4: Comparison of Euro 4 and Euro 3 injection hydraulics

Eine weitere Emissionsreduzierung wurde anschließend durch eine optimale Anpassung der Applikation (Spritzbeginn, Ladedruck, AGR-Raten, etc.) an den geänderten Brennraum erreicht. Gleichzeitig konnte durch die geänderte Muldenrandgeometrie die mechanische Festigkeit des Kolbens weiter verbessert werden. 3.2 Einspritzhydraulik

Wie eingangs erwähnt, hat das Einspritzsystem mit Radialkolben-Verteilereinspritzpumpe VP44 ein gutes Potenzial zur Darstellung niedrigster Emissionswerte. Hier sind vor allem die hohe Förderrate sowie die präzise Mengenzumessung zu nennen. Das Einspritzsystem erweist sich als sehr robust, sodass eine exzellente Langzeitstabilität zu konstatieren ist.

Gegenüber der Euro-3-Variante wurde der Einspritzdruck an der Düse nochmals gesteigert, Bild 4. Mit Einspritzdrücken bis zu 2000 bar nimmt die Hydraulik eine Spitzenposition ein. Durch die Anhebung der Förderrate konnte zur weiteren Verbesserung der Gemischbildung der Düsendurchfluss reduziert werden. Dies wirkt sich positiv auf die Partikelemissionen aus. Im Detail wurden am Einspritzsystem folgende Punkte optimiert: ■ Dynamik des Magnetventils ■ verbessertes Leckageverhalten der Verteilerwelle ■ Absenkung der Öffnungsdrücke des Zweifederhalters ■ Detailoptimierung der Einspritzdüse (KS-Verrundung, kleinerer Düsendurch-

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fluss). Sehr wichtig zur Erfüllung der niedrigen Euro-4-Grenzwerte ist die Mengenstabilität im Emissionsbereich. Um dies zu erreichen, wurden Funktionsverbessungen im Bereich des Pumpensteuergerätes (PSG) entwickelt. Besonders zu erwähnen ist die Förderbeginnkorrektur. Sie ermöglicht es, noch während des Einspritzvorgangs die Ansteuerdauer um die Streuung der Magnetventilschließzeit zu korrigieren. Dadurch konnten die Hub/Hub-Streuungen deutlich verringert werden. Neben der Gesamteinspritzmenge kommt auch der Voreinspritzmenge eine große Bedeutung zu, besonders hinsichtlich Partikelemissionen und Verbrennungsakustik. Der abgesenkte Düsendurchfluss und eine Anpassung der Düsenöffnungsdrücke erlaubten es, die Voreinspritzmenge zu reduzieren. Bild 5 zeigt den Vorteil der Euro-4- gegenüber der Euro-3-Variante in NOx/Partikel-Tradeoff in einem ausgewählten Kennfeldpunkt. Einen ersten großen Schritt brachte das Euro-4-Maßnahmenpaket (Brennraum, Verdichtungsabsenkung, höhere Einspritzdrücke, AGR-Kühler). Der entscheidende Schritt hin zu Euro-4-Tauglichkeit wurde mit der Reduzierung der Voreinspritzmenge erreicht. Ein zusätzlicher Entwicklungsschwerpunkt war die Verringerung der Exemplarstreuung aller Komponenten des Einspritzsystems. Die Weiterentwicklung des VP44 Einspritzsystems konnte nur durch eine enge und engagierte Zusammenarbeit zwischen Bosch und Audi erfolgreich durchgeführt werden. 3.3 Frischluft- und AGR-System

Ein effektives Mittel zur NOx-Absenkung bildet, wie bekannt, die äußere Abgasrückführung (AGR). Um eine weitere Verbrennungstemperaturabsenkung zu erreichen, wurde daher ein sehr effektiver wassergekühlter AGR-Wärmetauscher in die Rückführstrecke integriert. Durch das gekühlte und rückgeführte Abgas konnten die Emissionen im Vergleich zur ungekühlten AGR deutlich gesenkt werden [3]. Gleichzeitig wurde durch den Einsatz des AGR-Kühlers die AGR-Verträglichkeit des Brennverfahrens weiter gesteigert. Der NOx/Partikel-Trade-off im Rollentest mit AGR-Kühler konnte gegenüber dem ohne Kühler zu einem insgesamt deutlich niedrigeren Emissionsniveau hin verschoben werden, Bild 6. Neben dem AGR-Kühler kommt bei dem Euro-4-Motor eine lagegeregelte Drosselklappe zum Einsatz. Sie ermöglicht niedrigere Zylinderfüllungen in Niedriglastpunkten unter Beibehaltung hoher AGR-Raten. Die positive Wirkung auf NOx

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3.2 Einspritzhydraulik Bild 5: Emissionsverbesserung im Vergleich zu Euro 3 Figure 5: Improvement of emissions compared with Euro 3

3.3 Frischluft- und AGR-System

Bild 6: Einfluss AGR-Kühler auf NOx/Partikel-Trade-off Figure 6: Influence of EGR cooler on NOx/PM trade-off

Bild 7: Füllungsoptimierung durch Drosselklappe Figure 7: Charge optimisation at the throttle butterfly

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und Partikel ist in Bild 7 zu sehen. Basierend auf der bisherigen Euro-3-Ladedruckauslegung wurde der Ladedruck zunächst abgesenkt, was eine deutliche Verringerung der Partikel- und einen leichten Anstieg der NOx-Emissionen zur Folge hatte. Durch ein Anstellen der Drosselklappe konnten die Nachteile bei den NOx-Emissionen überkompensiert und die PartikelEmissionen weiter verbessert werden. Die AGR-Rate wurde nahezu konstant gehalten. Ein weiterer Vorteil ist die Verbesserung der AGR-Regelstabilität, die zur sicheren Einhaltung der Abgas- und EOBDGrenzwerte beiträgt. 3.4 Abgasnachbehandlung

Neben der innermotorischen Absenkung der Emissionen wurde durch eine verbesserte Beschichtung des Oxidationskatalysators die Anspringtemperatur weiter abgesenkt und die Langzeitstabilität gesteigert.

4 European On-BoardDiagnostics (EOBD)

Fehlfunktionen im Motormanagement und defekte Bauteile können zu einer beträchtlichen Erhöhung des Schadstoffausstoßes im Pkw-Betrieb führen. Die Abgasvorschrift Euro 4 schreibt neben den Homologationswerten auch eine permanente Prüfung der abgasrelevanten Komponenten durch das Motorsteuergerät vor. Fehlfunktionen werden dem Fahrer über eine Abgaswarnleuchte angezeigt, und er wird dadurch zum Werkstattbesuch aufgefordert. Durch eine rechnergestützte Diagnose ist eine rasche und zielgerichtete Reparatur gewährleistet. Für EOBD gelten folgende Emissionsgrenzwerte: NOx ≤ 1,2 g/km Partikel ≤ 0,18 g/km CO ≤ 3,2 g/km HC ≤ 0,4 g/km Eine schematische Darstellung aller an der Überwachung beteiligten Sensoren und Aktuatoren zeigt Bild 8.

Beispielhaft wird im Folgenden die Überwachung des Luftmassenmessers (HFM) erläutert. Voraussetzung für eine saubere dieselmotorische Verbrennung ist – neben vielen anderen Kriterien – die exakte Dosierung der Abgasrückführung. Die dafür notwendige Frischluftmasse wird durch den HFM gemessen und durch das AGRVentil eingeregelt. Parallel zur Messung durch den HFM wird die Luftmasse durch die im Motorsteuergerät bekannten Größen Ladedruck, Ladelufttemperatur, Motordrehzahl und Schluckverhalten des Motors berechnet. Die berechnete Luftmasse wird mit der gemessenen verglichen. Bevor die ermittelten Abweichungen zu einer Überschreitung der EOBD-Abgasgrenzwerte führen, wird dies durch die Abgasleuchte angezeigt. Die zuverlässige Wirksamkeit dieser Überprüfung wurde an vielen Fahrzeugen unter realen Praxisbedingungen unter Beweis gestellt.

4 European On-Board-Diagnostics (EOBD)

Bild 8: EOBD-relevante Sensoren und Aktuatoren. Figure 8: Sensors and actuators for European on-board diagnosis

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5 Motor- und Fahrzeugergebnisse

5.1 Volllast

Tabelle 1: Technische Daten des Euro-4-Motors. Table 1: Technical data of the Euro 4 engine

Bauart

V6-Motor, 90°-Winkel

Hubraum

2496 cm3

Hub

86,4 mm

Bohrung

78,3 mm

Ventiltrieb

Rollenschlepphebel

Verdichtungsverhältnis

17,8 : 1

Abgasturbolader

VNT 20 mit variabler Turbinengeometrie

Abgasrückführung

gekühlt

Drosselklappe

elektronische Lageregelung

Einspritzsystem VE-Pumpe Typ

VP44 S3.5.1 mit Voreinspritzung

Stempeldurchmesser

2 x Ø 7,0 mm

Nockenring

C1000 = 2,175 m/s

Düsenhalterkombination

Zweifederhalter

Hub 1 / Gesamthub

0,035 / 0,25 mm

Öffnungsdruck 1 / 2

230 / 350 bar

Einspritzdüse Typ

P-Düse, Sitzlochdüse

Durchfluss

350 mm3 / 30 sec

K-Faktor

1,5 hydroerosiv gerundet

Spritzlöcher

KS-Düsenloch, 6 Spritzlöcher

Druckstufe

4 x 2,0

Spritzwinkel

142°

Bild 9: Volllast Euro 4 Figure 9: Euro 4 engine at full load

5.2 Kraftstoffverbrauch und Fahrleistungen Motor

EUIII

EUIV

132 kW/370 Nm

132 kW/370 Nm

Beschleunigung 0-100 km/h [sec]

8,4

8,4

Höchstgeschwindigkeit

226

226

Elastizität 60 – 120 km/h [sec] 6. Gang

20,0

18,7

Kraftstoffverbrauch [l/100 km] MVEG Stadt

11,1 – 11,2

10,5 – 10,7

MVEG Überland

5,9 – 6,0

5,9 – 6,0

MVEG gesamt

7,8 – 7,9

7,6 – 7,8

5 Motor- und Fahrzeugergebnisse

Die technischen Daten des beschriebenen Motors zeigt Tabelle 1. 5.1 Volllast

Durch eine konsequente Entwicklungsarbeit in den beschriebenen Handlungsfel-

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Tabelle 2: Fahrleistungen und Verbrauch im A4 quattro mit Handschalt-Getriebe Table 2: Performance data and fuel consumption of an A4 with manual shift gearbox and quattro driveline

dern konnte mit der Euro-4-Auslegung das Volllastverhalten hinsichtlich Drehmomentverlauf, Leistung und Schwarzrauch auf dem guten Niveau des Euro-3-Motors gehalten werden, Bild 9. Dies entspricht einer spezifischen Leistung von 52,8 kW/l und einem spezifischen Drehmoment von 148 Nm/l.

5.2 Kraftstoffverbrauch und Fahrleistungen

Trotz Optimierung auf Euro-4-Emissionsniveau konnte der minimale spezifische Kraftstoffverbrauch im Kennfeld weiterhin bei 204 g/kWh gehalten werden. Der Kraftstoffverbrauch im MVEG-Testzyklus konnte weiter verbessert werden. Tabelle 2 zeigt, beispielhaft dargestellt, die Werte

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5.3 Abgasemissionen

des Audi A4 quattro mit Handschaltgetriebe. Das günstigere Ansprechverhalten aus tiefen Drehzahlen spiegelt sich in einer Verbesserung der Elastizität von 60 auf 120 km/h wider. 5.3 Abgasemissionen

Bild 10: Emissionen verschiedener Fahrzeug-Getriebevarianten Euro 4 / Euro 3 Figure 10: Euro 4 and Euro 3 emissions with various car and transmission combinations

6 Zusammenfassung Bild 11: Streubänder Typprüfwerte Euro 4 / Euro 3 Figure 11: Euro 4 and Euro 3 type approval values

Für die unterschiedlichen Fahrzeug- und Getriebevarianten zeigt Bild 10 die Emissionsergebnisse bezüglich NOx und Partikel des Euro-4-Motors im Vergleich zum bisher am Markt erhältlichen Euro-3-Motor. Es ist ersichtlich, dass beide Emissionen halbiert werden konnten. Es ist noch zu erwähnen, dass die dieseltypische Langzeitstabilität im Emissionsverhalten durch zahlreiche Dauerläufe auch für die Euro-4-Variante nachgewiesen wurde. 6 Zusammenfassung

Die Audi-TDI-Kompetenz zeigt sich sehr eindrucksvoll an den Emissionsergebnissen des V6-TDI-Motors im Vergleich zum Wettbewerb, Bild 11. Dieser Motor erfüllt die strengen Euro 4-Grenzwerte als bisher einziger auch für höhere Schwungmassenklassen. Diese niedrigen Abgasemissionswerte wurden nur durch innermotorische Maßnahmen erreicht. Der V6-TDI-Euro-4-Motor stellt somit eine gelungene Kombination von niedrigsten Emissionen, exzellenten Fahrleistungen und gutem Fahrkomfort bei geringem Kraftstoffverbrauch dar, wieder ein echter Beitrag zur Umwelt- und Ressourcenschonung. Literaturhinweise [1]

[2]

[3]

Bach, M.; Bauder, R.; Hoffmann, H.; Krebser, R.; Pölzl, H.-W.; Ribes-Navarro, S.: Der neue V6-TDI-Motor von Audi, Teil 1: Konstruktion und Mechanik. In: MTZ 64 (2003), Nr. 5 Bach, M.; Bauder, R.; Dorsch, W.; Endres, H.; Pölzl, H.-W.; Reuss, T.: Der V6-TDI-Motor im Audi A4 – leistungsstark, leise und schadstoffarm. In: Audi A4, Sonderausgabe von ATZ und MTZ, 2000 Bach, M; Bauder, R.; Endres, H.; Pölzl, H-W.; Wimmer, W.: Der neue V8-TDI-Motor von Audi, Teil 3: Thermodynamik. In: 10 Jahre TDI-Motoren von Audi, MTZ Sonderausgabe, 1999

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