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SPEZIFIK ATIONEN

Die Eckpunkte der Spezifikationen für den 2,0-l-TDI-Biturbomotor im neuen Passat sind: : eine Leistung von 176 kW, entsprechend einer für VierzylinderDiesel motoren bislang unerreichten spezifischen Leistung von 88 kW/l : ein Drehmoment von 500 Nm, entsprechend einem spezifischen Drehmoment von 250 Nm/l : sportliche Leistungsfähigkeit auf dem Niveau der Oberklasse in Verbindung mit klassenbester Akustik („Best-in-Class“) : die Einhaltung der Euro-6-Abgasgrenzwerte : ein niedriger Kraftstoffverbrauch

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: die kosteneffiziente Nutzung der Komponenten aus dem MDB : eine für den Quereinbau geeignete kompakte Bauform. Die wichtigsten technischen Daten des 2,0-l-TDI-Biturbomotors sind in ❶ zusammengefasst. GRUNDMOTOR

Das Zylinderkurbelgehäuse (ZKG) des 2,0-l-TDI-Biturbomotors, das aus dem Werkstoff GJL-250 gegossen ist, basiert auf dem der Monoturboaggregate. Um ein optimales tribologisches Verhalten bei niedrigen Ölverbrauchs- und Blow-by-Werten sicherzustellen, erfolgt die Honung der Zylinderlaufbahnen mit verschraubter Honbrille.

Abweichend von der technischen Ausgangsbasis wurde das ZKG des Biturbomotors zur Aufnahme der höheren Belastungen an verschiedenen Stellen modifiziert. Die Anbindung der Hauptlagerstühle wurde im Bereich der pulsationsverlustmindernden Querströmungsöffnungen durch erhöhte Wandstärken spannungsoptimiert. Verlängerte Kurbelwellenlagerdeckelschrauben nehmen die gestiegenen Zugkräfte auf. Durch ein geändertes Bohrbild ließ sich die Ölversorgung der beiden Abgasturbolader verbessern. Mithilfe weiterer Strukturmaßnahmen wurden die Anbindungspunkte der Aufladegruppe sowie die Akustikabstrahlung optimiert. Infolge des hohen Zünddrucks, des auf 15,5:1 verringerten Verdichtungsverhältnisses (110-kW-Monoturbomotor: 16,2)

DER NEUE VIER ZYLINDER-TDIBI TURBOMOTOR VON VOLKSWAGEN Der zweistufig aufgeladene Reihenvierzylinder-2,0-l-TDI-Motor

AUTOREN

DIPL.-ING. FRIEDRICH EICHLER ist Leiter Aggregateentwicklung der Marke Volkswagen bei der Volkswagen AG in Wolfsburg.

DIPL.-ING. JÖRN KAHRSTEDT ist Leiter der Entwicklung Dieselmotoren bei der Volkswagen AG in Wolfsburg.

repräsentiert die aktuelle Diesel-Spitzenmotorisierung für die neue Passat-Baureihe. Mit einer Leistung von 176 kW bei 4000/min und einem maximalen Drehmoment von 500 Nm im Bereich von 1750 bis 2500/min ergibt sich eine spezifische Leistung von 88 kW/l. Damit erzielt das neue Volkswagen-Aggregat die höchste spezifische Leistung unter allen Vierzylinder-Seriendieselmotoren. Als Basis dient der 2012 eingeführte modulare Dieselbaukasten (MDB) von Volkswagen [1].

DIPL.-ING. MARKUS KÖHNE ist Leiter der Entwicklung Vierzylinder-Pkw-Dieselmotoren bei der Volkswagen AG in Wolfsburg.

Neuentwickelt wurde eine kompakte Aufladegruppe mit zwei Abgasturboladern, die Ladedrücke bis zu 3,8 bar (absolut) ermöglicht.

DIPL.-ING. (FH) MARTIJN DE GRAAFF ist Projektleiter in der Dieselmotorenentwicklung bei der Volkswagen AG in Wolfsburg. 2,0-l-TDI-BITURBOMOTOR MIT 176 kW (MDB)

Motorbauart

Vierzylinder in Reihe

Nennleistung

176 kW bei 4000/min

Max. Drehmoment

500 Nm bei 1750-2500/min

Literleistung

88 kW/l

Gewicht (DIN 70020-GZ)

194 kg

Abgasnorm

Euro 6

❶ Technische Daten des neuen 2,0-TDI-Biturbomotors mit 176 kW Leistung

ZYLINDERKURBELGEHÄUSE

Hubraum [cm 3]

1968

Bohrung/Hub [mm]

81/95,5

Zylinderabstand [mm]

88

Verdichtungsverhältnis [-]

15,5

KURBELWELLE

Hauptlagerdurchmesser [mm]

54,0

Pleuellagerdurchmesser [mm]

50,9

Pleuellänge [mm]

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und des neuen Brennverfahrens kommen im 2,0-l-TDI-Biturbomotor neuentwickelte Kolben zum Einsatz, bei denen eine Muldenrandumschmelzung in den am höchsten belasteten Zonen die Festigkeit weiter steigert. Der eingegossene Salzkernkühlkanal wurde für die neue Kolbengeometrie optimiert. Der zweite Kolbenring ist als Nasenminutenring ausgebildet, beim dritten Ring, einem Dachfasen-Schlauchfederring mit einer von 3,0 auf 2,0 mm verringerten Höhe, konnte die Tangentialkraft reduziert werden. Eine Erhöhung des Kolbenbolzendurchmessers von 26 auf 29 mm bewirkt eine deutliche Verringerung der Spannungen in der Kolbenbolzenachse und der Flächenpressung. Wie im gesamten modularen Dieselbaukasten bereits Standard, sind die Kolbenbolzen DLC-beschichtet. Die Pleuel wurden im Bereich der Schäfte verstärkt. Die Kurbelwelle ist aus der hochfesten Stahllegierung 42 CrMoS4 geschmiedet. Der Achtlochflansch ist ein Übernahmeteil vom 2,0-l-TDI-Motor mit 140 kW Leistung. Die beim 2,0-l-TDI-Biturbomotor im Vergleich zu den Monoturboaggregaten höheren Lasten machten eine Anpassung des Ölhaushalts erforderlich. Der erhöhte Kühlungsbedarf der Kolben wird durch vergrößerte Kolbenkühldüsen mit erhöhtem Öldurchsatz abgedeckt. Zudem erfolgte angesichts des gestiegenen Volumenstroms eine Druckniveauabsenkung, um die Pulsationen im Ölkreislauf zu minimieren. Die Ölpumpe, eine volumenstromgeregelte, zweistufige Siebenkammer-Flügelzellenpumpe, baut in der niedrigen Stufe

1,8 bar Druck auf, in der hohen Stufe sind es 3,3 bar. Ihre Drehzahl ist gegenüber den Monoturbomotoren um 10 % erhöht, um das Ölangebot bei niedrigen Drehzahlen zu optimieren. Der Öldruckschalter wurde entsprechend angepasst. Der Ölfilter und der Ölkühler sind Übernahmeteile vom Basismotor. ZYLINDERKOPF

Aufgrund der Drallauslegung des Brennverfahrens in Verbindung mit der zweistufigen Aufladegruppe konnte auf den Einsatz von Variabilitäten im Ventiltrieb verzichtet werden. Der Ventilstern im Biturbomotor ist achsparallel ausgeführt, ❷. Das integrierte Ventiltriebsmodul (iVM), ein zentraler Baustein aus dem modularen Dieselbaukasten, bleibt im Wesentlichen unverändert. Das hochtemperaturfeste Material des Zylinderkopfs ist ebenfalls identisch. Die Anpassungen an das Hochleistungskonzept betreffen in erster Linie eine bessere Kühlung durch eine zusätzliche Wasserführung zwischen den Einlasskanälen sowie Verstärkungen in der Bodenplatte, im Ölraumbereich, im Umfeld der Injektoren und in den Butzen der Zylinderkopfschrauben. Die Zylinderkopfschrauben sind in der Festigkeitsklasse 12.9 (Monoturbomotor: 10.9) ausgeführt. In der Zylinderkopfhaube wurde der Ölabscheideraum vergrößert und das Abscheideverfahren im Hinblick auf einen gestiegenen Blow-by-Anteil überarbeitet. Zur Realisierung der Zielleistung wurde bei der Auslegung der Ein- und Auslass-

kanäle größter Wert auf minimale Druckverluste und maximalen Durchsatz gelegt. Damit ergibt sich im Vergleich zu den Monoturboaggregaten ein um circa 30 % erhöhter Durchsatz zur Realisierung der Zielleistung. Im drallreduzierten Hochleistungskopf sind die Ein- und Auslasskanäle in ihrem Verlauf und ihren Querschnitten stark entdrosselt, ❸. Die Gemischaufbereitung wird im Wesentlichen durch die neuentwickelte Bosch-Einspritzanlage mit ihren maximal 2500 bar Einspritzdruck ausgeführt. Die darauf abgestimmte Ladungsbewegung wird durch Drallfasen an den Einlassventilsitzen erzeugt. Gegenüber dem Monoturboaggregat sank die Drallzahl um mehr als 50 %. Die Einlassventile des Biturbomotors sind aus dem Ventilstahl X85 gefertigt. Bei den Auslassventilen handelt es sich um Bimetallventile, bei denen der Schaft aus X45 und der Teller aus 3015D besteht. Sowohl einlass- als auch auslassseitig wuchs der Ventilhub um 0,5 auf 9,5 mm. Der Riementrieb und der Zahnriemen blieben geometrisch unverändert, der Riemen ist jedoch durch gesteigerte Steifigkeit auf die höheren zu übertragenden Momente ausgelegt. Dies konnte durch dicker gewickelte Glasfaserzugstränge und eine höherbelastbare Elastomermischung für die Zähne erreicht werden. Auch der Federspanner des Riemens erfuhr eine entsprechende Modifikation. Der Kühlmittelmikrokreislauf, der bei abgeschalteter Hauptwasserpumpe für die Kühlung des Zylinderkopfs sorgt, ist

❷ Hochleistungszylinderkopf

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❸ Durchsatzoptimierung im Zylinderkopf (schematische Darstellung)

ein Übernahmeteil von den Monoturboaggregaten. Der Kühlmittelmikrokreislauf versorgt neben dem AGR-Kühler und dem Heizungswärmetauscher auch das Lagergehäuse des Niederdruck-Abgasturboladers. Die Kühlmittelumwälzung erfolgt durch eine elektrische Pumpe mit gegenüber den Pumpen der Monoturboaggregate erhöhter Leistung.

hung der Nockenwellen werden zwei Hübe ausgeführt, die Förderung erfolgt somit einspritzsynchron. Zur Verringe-

rung des CO2-Ausstoßes im leerlaufnahen Bereich kann der Einspritzdruck auf etwa 230 bar abgesenkt werden.

COMMON-RAIL-EINSPRITZANLAGE

Eine der großen Innovationen des neuen 2,0-l-TDI-Biturbomotors ist die CommonRail-Einspritzanlage von Bosch, ❹, mit einem maximalen Einspritzdruck von 2500 bar. Erst mit ihr gelang es, die angestrebte Leistung darzustellen. Volkswagen bringt im neuen Passat eine solche Anlage erstmals auf den Markt. Zur Erzeugung des Raildrucks dient eine Zweistempelpumpe von Bosch der Baureihe CP 4, die in den Zahnriementrieb des Motors eingebunden ist. Die beiden Hochdruckkolben stehen um 90° zueinander versetzt. Bei jeder Umdre-

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❹ Injektor und Hochdruckpumpe der Common-RailEinspritzanlage

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❺ Aufladegruppe

Die geringe Leckage der Injektoren wirkt sich hierbei ebenfalls positiv aus. Die komplette Einspritzanlage ist auf erhöhte Festigkeit optimiert, das Rail und seine Zuleitungen bestehen aus hochfesten Stahlwerkstoffen. Bei der Fertigung des Rails kommt das Autofrettage-Verfahren zum Einsatz, das die Festigkeit noch einmal steigert. Die Piezoinjektoren der Common-RailAnlage erzielen ein Höchstmaß an Men-

gengenauigkeit, kombiniert mit hoher Aktuatorkraft. Ein hydraulischer Koppler, der auch zum Ausgleich von Toleranzen dient, überträgt die vom Piezostack erzeugten Kräfte auf das Schaltventil. Die Sacklochdüse weist zehn konisch geformte Spritzlöcher auf, über die sich eine sehr günstige Aufbereitung und Homogenisierung des Kraftstoffsprays und des Gemischs ergibt. Pro Arbeitstakt wird bis zu acht Mal eingespritzt, mit

❻ Durchströmung der Aufladegruppe (Hauptströme) im zwei- und einstufigen Betrieb

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zwei Voreinspritzungen, einer Haupteinspritzung und bis zu fünf Nacheinspritzungen. Die kleinste mögliche Einspritzmenge beträgt etwa 0,5 mm3. AUFLADEGRUPPE

Die beiden Abgasturbolader (ATL) des 2,0-l-TDI-Biturbomotors, ❺, befinden sich im Fahrzeug zwischen Motorgehäuse und Spritzwand. Beim Hochdrucklader handelt es sich um einen VTG-Lader, der bis zu 1,5 bar Ladedruck (relativ) aufbaut und seine Maximaldrehzahl bei 240.000/min erreicht. Sein elektrischer Aktuator benötigt maximal 300 ms, um die Leitschaufeln vollständig zu öffnen. Der Niederdruck-ATL produziert bis zu 3,8 bar Ladedruck (absolut), sein Laufzeug rotiert mit maximal 165.000/min. Zur Vermeidung von Überdrehzahl und zu hohem Ladedruck verfügt er über eine pneumatisch betätigte Wastegate-Regelung. Das Verdichtergehäuse ist mit einem Kühlmantel versehen, der eine Vorkühlung der Ladeluft ermöglicht. Bei beiden Ladern sind die Turbinenräder gefräst. Die Verdichterräder tragen eine etwa 25 μm starke Nickel-Phosphor-Schicht, die sie vor thermischer Überlastung infolge der Niederdruck-Abgasrückführung schützt. Der Strömungsdämpfer integriert vier Kammern, die über Schlitze mit der Luftstrecke verbunden sind. Als Werkstoff für den Krümmer kommt hochwarmfester D5S-Stahl zum Einsatz. Der T3-Sensor, der die Abgastemperatur vor dem Hochdruck-ATL misst, wurde auf das robuste SENT-Protokoll (Single Edge Nibble Transmission) umgestellt.

❼ Laderbetriebsstrategie im Kennfeld

Der Hoch- und der Niederdruck-ATL, ❻, sind auf der Turbinenseite durch ein

pneumatisch betätigtes Bypassventil von 35 mm Durchmesser mit Lagerückmeldung miteinander verbunden. Im zweistufigen Betrieb bei niedrigen Drehzahlen ist das Ventil geschlossen, sodass zunächst der Hochdruck-ATL mit Abgas beaufschlagt wird. Die Frischluft tritt in den Verdichter des Niederdruck-ATL ein, wird hier leicht komprimiert und gelangt danach in den Hochdruck-ATL, der die eigentliche Verdichtung übernimmt. Im Drehzahlbereich zwischen etwa 2500 und 3500/min, ❼, öffnet das Turbinen-Bypassventil abhängig von der Motorlast kontinuierlich, der Strom des Abgases auf den Hochdruck-ATL wird nach und nach verringert. Parallel dazu öffnet das passive, federbelastete Verdichter-Bypassventil auf der Frischluftseite. Spätestens ab 4000/min beginnt bei vollständig geöffnetem TurbinenBypassventil der einstufige Betrieb, bei dem der größte Teil des Abgases direkt in den Niederdruck-ATL gelangt. Der Rest strömt weiterhin auf den HochdruckATL, der jetzt aber nicht mehr verdichtet.

Die durchströmte Breite wuchs von 200 auf 240 mm, während die durchströmte Länge mit 120 mm gleich blieb. Im Hochleistungskonzept des Biturbomotors spielt der SiLLK mit seinem hohen Wirkungsgrad eine entscheidende Rolle. Die verdichtete Ladeluft tritt bei Volllast mit etwa 210 °C Temperatur in den Kühler ein, der mit seiner Kühlleistung von 40 kW eine Temperaturabsenkung um 160 K bewirkt, und verlässt ihn auf einem Niveau von knapp unter 50 °C. Der SiLLK ist in den Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT-Kreislauf) der Fahrzeugkühlung eingebunden. Der NT-Kreislauf, dessen Hauptaufgabe in der bedarfsgerechten Kühlung der Ladeluft besteht, nutzt einen eigenen Kühler zwischen dem Hauptwasserkühler und dem Klimakondensator im Vorderwagen. In seinen Teilvolumenströmen bindet er neben dem SiLLK das AdBlue-Dosiermodul und das Verdichtergehäuse des Niederdruck-Abgasturboladers mit ein.

Weitere Neuerungen im Kühlwasserkreislauf beim Passat mit 2,0-l-TDI-Biturbomotor sind ein Zusatzwasserkühler im linken Radhaus und ein vergrößerter Ausgleichsbehälter. MOTORNAHE ABGASREINIGUNG

Der 2,0-l-TDI-Biturbomotor nutzt prinzipiell die gleichen Abgasnachbehandlungskomponenten wie die Monoturboaggregate [2,3], sie sind hier jedoch gezielt auf hohen Durchsatz ausgelegt. Der Oxidationskatalysator und der Dieselpartikelfilter mit SCR-Beschichtung sind in einer sehr kompakten Einheit durch einen entdrosselten Übergangstrichter miteinander verbunden, ❽. Die motornahe Anordnung der Komponenten gewährleistet nach dem Kaltstart eine schnellstmögliche Konvertierung mit hohen Umsatzraten, daher sind Heizmaßnahmen für die Katalysatoren nicht erforderlich. Der 2,0-l-TDI-Biturbomotor hält

SAUGROHRINTEGRIERTER LADELUF TKÜHLER

Der saugrohrintegrierte Ladeluftkühler (SiLLK) ist ein Bestandteil des MDB von Volkswagen. Für den Einsatz im 2,0-lTDI-Biturbomotor wurde er vergrößert, um den gestiegenen Anforderungen zu entsprechen. Im Gegensatz zum Kühler des Monoturboaggregats mit zehn Kühlplatten besitzt der neue SiLLK 13 Platten. 12I2014

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❽ Komponenten des SCR-Systems

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mit dem Direktschaltgetriebe wird der Motor beim Ausrollen bereits vor dem Stillstand des Fahrzeugs abgeschaltet. FAHRLEISTUNGEN UND VERBRAUCH

❾ Leistungs- und Drehmomentverlauf des 2,0-TDI-Biturbomotors

die Grenzwerte der Abgasnorm Euro 6 ein und ist durch den Einsatz der SCR-Technik bereits auf die kommende RDE-Gesetzgebung (Real Driving Emissions) ausgelegt. Der Oxidationskatalysator bietet schon kurz nach dem Kaltstart aufgrund seiner motornahen Anordnung eine hohe HC-/CO-Umsetzung. Darüber hinaus stellt er für das nachgelagerte SCR-System das optimale NO/NO2-Verhältnis ein. Für den Einsatz im Passat mit 2,0-l-TDIBiturbomotor wurde sein Volumen um 40 % vergrößert, das Substrat wurde von Keramik- auf Metalltechnologie umgestellt, um die Druckverluste im System zu minimieren. Die SCR-Beschichtung wird auf den Partikelfilter aufgebracht. Durch den motornahen Verbund erreicht sie nach dem Kaltstart des Motors schnell ihre Arbeitstemperatur, die im Betrieb mit niedriger Last lange gehalten wird. Der Partikelfilter mit SCR-Beschichtung für den Biturbomotor hat gegenüber dem beim 2,0-l-TDI-Monoturbomotor ein um 10 % erhöhtes Volumen. Als Katalysator dient eine Cu-Zeolithbeschichtung mit hoher thermischer Stabiltät. Dem SCR-beschichteten Dieselpartikelfilter ist ein separater Sperrkatalysator im Unterbodenbereich nachgeschaltet. Um einen hohen Durchsatz sicherzustellen, nutzt er wie der Oxidationskatalysator ein druckverlustoptimiertes Metallsubstrat. Das AdBlue-Dosiermodul, das im Dieselbaukasten modular konzipiert ist, ist auf dem Übergangstrichter zwischen dem Oxidationskatalysator und dem SCR-beschichteten DPF angeordnet. Diese motornahe Einbaulage macht einen in den NT-

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Kreislauf der Motorkühlung eingebunden Kühlwassermantel erforderlich. Die Zweikreis-Abgasrückführung besteht wie bei den Monoturboaggregaten im modularen Dieselbaukasten aus dem gekühlten Niederdruck-AGR-System (NDAGR) und dem ungekühlten HochdruckAGR-System (HD-AGR). Die HD-AGR trägt vorrangig nach dem Kaltstart zur Emissionssenkung bei und verringert bei sehr niedriger Last das Auskühlen der Abgasnachbehandlungskomponenten. Die ND-AGR übernimmt im restlichen Fahrbetriebsbereich die Schadstoffreduzierung und wirkt sich vorteilhaft auf die Motorakustik aus. MOTORMANAGEMENT

Bei allen Motorsteuergeräten im modularen Dieselbaukasten sind die Software und das ihr zugrundeliegende Gassystemmodell konsequent modular und skalierbar aufgebaut, sodass sie sich für Aggregate unterschiedlicher Emissionsstufen und Leistungsklassen nutzen lassen. Für den 2,0-l-TDI-Biturbomotor kommt erstmals bei Volkswagen das Steuergerät CP74 von Bosch zum Einsatz. Die Software berücksichtigt die Momentenanforderungen von Fahrer, Assistenzsystemen, Direktschaltgetriebe (DSG) und ESP. Über diesen Momentenpfad lassen sich alle Motorsteuerungsparameter berechnen. Die Software ist darüber hinaus um ein Modell erweitert, das die Doppelaufladung regelt. Der Betriebsartenkoordinator bezieht auch die Gangwechsel des Siebengang-Direktschaltgetriebes sowie das weiterentwickelte StartStopp-System mit ein. Im Zusammenspiel

Im neuen Passat stellt der neue 2,0-l-TDIBiturbomotor sein Potenzial durch souveräne Kraftentfaltung, ❾, und niedrigen Verbrauch unter Beweis. Die Limousine beschleunigt in 6,1 s von 0 auf 100 km/h und erreicht 240 km/h Höchstgeschwindigkeit. Im NEFZ beträgt der Kraftstoffverbrauch des stärksten Passat mit Dieselmotor lediglich 5,3 l/100 km, entsprechend einem CO2-Ausstoß von 139 g/km. FA ZIT

Als Spitzenmotorisierung für den neuen Passat erfüllt der neue 2,0-l-TDI-Biturbomotor alle Anforderungen der Spezifikationen. Er bietet : spezifisch höchste Leistung und höchstes Drehmoment unter allen vergleichbaren Motoren : exzellente Verbrauchswerte bei kraftvollen Fahrleistungen : die Einhaltung der Euro-6-Abgasgrenzwerte. Das große technische Potenzial des modularen Dieselbaukastens, der das Spannungsfeld aus Leistungsfähigkeit, Kraftstoffverbrauch und Emissionen vom 1,4-l-TDI-Motor mit drei Zylindern im neuen Volkswagen Polo bis zum HighEnd-Dieselaggregat, dem 2,0-l-TDI-Biturbomotor im neuen Passat, umspannt, wird mit dieser Entwicklung eindrucksvoll dokumentiert. LITERATURHINWEISE [1] Neußer, H.-J.; Kahrstedt, J.; Jelden, H.; Engler, H.-J.; Dorenkamp, R.; Jauns-Seyfried, S.; Krause, A.: Die neue modulare TDI-Generation von Volkswagen. 33. Internationales Wiener Motorensymposium, 2012 [2] Neußer, H.-J.; Kahrstedt, J.; Jelden, Dorenkamp, R.; Düsterdiek, T.: Die EU6-Motoren des Modularen Dieselbaukastens von Volkswagen – innovative motornahe Abgasreinigung für weitere NO x- und CO 2-Minderung. 34. Internationales Wiener Motorensymposium, 2013 [3] Neußer, H.-J.; Kahrstedt, J.; Dorenkamp, R.; Jelden, H.: Die Euro-6-Motoren des modularen Dieselbaukastens von Volkswagen. In: MTZ 74 (2013), Nr. 6

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