Baukastensysteme im Automobilbau sind aus der Großserienproduktion nicht mehr wegzudenken. Nur so ist die parallele Fertigung verschiedener Varianten bis hin zu Nischenmodellen machbar. Ein Beispiel aus dem Karosseriebau ist der MQB, der Modulare Querbaukasten bei Volkswagen, auf dessen Grundstruktur die gesamte Golf-Familie wie auch die Kompaktmodelle von Audi, Seat und Skoda aufbauen. Doch auch Motorenbaukästen sind bei den großen Fahrzeugherstellern im Trend. Besonders wirtschaftlich lässt es sich produzieren, wenn Zwei-, Drei-, Vier- und Sechszylindermotoren mit möglichst vielen Gleichteilen hergestellt werden können. Gesteigert werden diese Effekte, wenn ein Grundmotor etwa durch verschiedene Aufladekonzepte in verschiedenen Leistungsstufen angeboten werden kann.
Lader für Leistungsstufen
Ein Beispiel für Skalierbarkeit im Antriebsportfolio einer Marke ist die Motorenbaureihe EA 288. Der Nachfolger des umstrittenen EA 189 wurde erstmals 2013 im Golf eingesetzt und weiterentwickelt, um die seit September 2014 gültige Abgasnorm Euro 6 zu erfüllen. Zur Familie gehören zwei 1,6-Liter-Motoren mit 66 bzw. 81 kW und zwei 2,0-Liter mit 110 und 135 kW.
Einen wichtigen Beitrag zum Erreichen der Euro-6-Grenzwerte leistet eine stufenlos verstellbare Nockenwelle, mit der die Steuerzeiten im Bereich von 0° bis 50° in Richtung spät verändert werden können.
Da der Ventilstern um die Hochachse des Motors gedreht ist, betätigt die Verstellnockenwelle jeweils ein Einlass- und Auslassventil des Vierventilers – mit der Konsequenz, dass pro Zylinder nur diese beiden Ventile variabel angesteuert werden können.
In der Frühstellung der Nockenwelle öffnet das Auslassventil lange vor dem unteren Totpunkt (UT) und schließt weit vor dem oberen Totpunkt (OT). In der Spätstellung öffnet das Einlassventil lange nach dem OT und schließt dementsprechend auch weit nach dem UT.
Das späte Öffnen des Einlassventils erhöht die Drallbewegung im Zylinder, weil die Luft zuerst durch das Einlassventil der nicht verstellbaren Nockenwelle strömt und so mit höherer Einströmgeschwindigkeit die Gemischbildung verbessert. Außerdem verringert das späte Schließen der Ventile die Masse der verdichteten Luft, da ein Teil der Zylinderfüllung wieder ausgestoßen wird. Eine geringere Luftmasse senkt die Verdichtungstemperatur und damit die Stickoxidbildung.
Das schnelle hydraulische Verstellen der Nockenwelle speziell bei niedrigen Motordrehzahlen wird bei VW durch einen Kolbendruckspeicher unterstützt. Die Stellung der Nockenwelle wird durch einen Hallgeber erfasst.
Neue Abgasrückführung
Zusätzlich zur variablen Ventilsteuerung soll eine geregelte Hoch- und Niederdruck-Abgasrückführung zu sauberem Abgas beitragen. Die Hochdruck-Abgasrückführung ist hauptsächlich in der Warmlaufphase, bei Bedarf zusätzlich auch im Schwachlastbetrieb aktiv und sorgt für eine höhere Ansaugluft-Temperatur mit verbessertem Brennverhalten.
Zusätzlich werden Oxikat und Speicherkatalysator schneller aufgeheizt. Das rückgeführte Abgas wird, gesteuert durch einen Stellmotor, durch einen Kanal im Zylinderkopf zum Ansaugrohr geführt.
Die Niederdruck-Abgasrückführung dient vornehmlich zur Verminderung der Stickoxide. Sie ist in fast allen Lastbereichen aktiv und wird von der Abgasklappeneinheit und einem Stellmotor für die Abgasrückführung gesteuert.
Die Öffnung der Abgasklappe und der Rückführklappe ist von der Füllung der Zylinder und dem Ladedruck abhängig. Entsprechend der Stellung beider Klappen ist das Druckgefälle im Abgasstrang. Dabei gilt: Je höher das Druckgefälle, desto größer die zurückgeführte Abgasmenge.
Das gereinigte Abgas wird hinter dem motornah angeordneten Dieselpartikelfilter entnommen, heruntergekühlt und dem Ansaugtrakt wieder zugeführt.
Das Abgasreinigungsmodul selbst besteht aus dem Dieselpartikelfilter mit Sperrbeschichtung für Schwefelwasserstoff, dem Oxidationskatalysator und einem NOX-Speicherkatalysator. Auf einen SCR-Katalysator mit Harnstoffeinspritzung soll bei dieser Motorversion zunächst verzichtet werden.
VW-Dieselmotor mit Biturbolader
Die Baureihe EA 288 mit Doppelturbolader wurde 2015 erstmalig im Passat eingesetzt. Mit einer Bohrung von 81 mm und einem Hub von 95,5 mm ist der Zweiliter langhubig ausgelegt. Das Verdichtungsverhältnis von 15,5 : 1 ist niedrig (beim Skyactiv von Mazda liegt es bei 14,0 : 1), die maximale Leistung mit 176 kW erreicht der Vierventiler bei 4000/min. Beeindruckend ist das Drehmoment von 500 Nm im Drehzahlbereich zwischen 1750 und 2500/min; eingestuft ist der Motor nach Euro 6.
Basis des Zylinderblocks ist der Motor des Monoturbos. Die Legierung besteht aus Gusseisen mit Lamellengrafit und ist wegen der höheren Belastung seitlich mit Streben versteift. Um die Belastungen durch den höheren Zylinderdruck aufzufangen, werden längere Schrauben für die Kurbelwellenlager-Deckel eingebaut.
Die geschmiedete fünffach gelagerte Kurbelwelle aus Chrom-Molybdän-Stahl 42CrMoS4 besitzt vier Gegengewichte. Zum Antrieb der beiden Ausgleichswellen und der Ölpumpe sind die Zahnräder aufgeschrumpft.
Die Kolben sind gegenüber der Monoturbo-Ausführung mit einer Verdichtung von 16,2 : 1 zugunsten einer geringeren Stickoxidbildung auf 15,5 : 1 gesenkt. Dazu ist die mittig sitzende Mulde etwas vergrößert, der Kühlkanal geändert und näher zum Kolbenboden angeordnet. Der vergrößerte Öldurchlass der Kolbenspritzkühlung transportiert die Wärme besser ab.
Klassischer Zylinderkopf
Im Leichtmetall-Zylinderkopf sind die vier Ventile pro Zylinder klassisch gegenüberliegend angeordnet. Die Querschnitte der Einlasskanäle sind vergrößert, ihr Verlauf zugunsten geringerer Druckverluste und eines hohen Ladeluftdurchsatzes begradigt. Wie üblich werden die Ventile über Rollenschlepphebel mit Ausgleichselementen geöffnet.
Die Teilung der Zylinderkopfkühlung in einen oberen und unteren Bereich sorgt für eine kurze Aufwärmphase des Brennraums. Wie bei modernen Motoren üblich, strömt das Kühlmittel quer statt längs durch den Zylinderkopf.
Den oberen Abschluss des Zylinderkopfes bildet das Gehäuse für die beiden Nockenwellen. Hier wird zunächst die Auslassnockenwelle vom Zahnriemen angetrieben. Diese versetzt wiederum die Einlasswelle per Stirnradantrieb in Rotation. Die für die Motorsteuerung wichtige Stellung der Nockenwellen wird über ein Geberrad mit Hallgeber an der Einlasswelle erfasst. Gegenüber dem leistungsschwächeren Monoturbomotor kommt beim Biturbo ein verstärkter Zahnriemen zum Einsatz. Er treibt zusätzlich die Hochdruck-Einspritzpumpe wie auch die Kühlmittelpumpe an. Eine automatische Spannrolle sorgt stets für die korrekte Riemenspannung, zwei Beruhigungsrollen unterdrücken Flatterbewegungen, und ein biovales Zahnriemenrad auf der Kurbelwelle verhindert eine Überdehnung des Zahnriemens durch die Zweikolben-Hochdruckpumpe. Die unterhalb der Kurbelwelle liegenden Nebenaggregate wie Öl- und Unterdruckpumpe werden von einem eigenen wartungsfreien Zahnriemen angetrieben. Die Ölpumpe selbst ist als Flügelzellenpumpe ausgeführt. Sie ist zweistufig und volumenstromgeregelt. In der niedrigen Druckstufe, also bei geringer Fördermenge, beträgt der Öldruck 2,0 bis 2,3 bar, in der Hochdruckstufe bei großer Fördermenge liegt der Druck ab einer Motordrehzahl von 3000/min zwischen 3,3 und 3,8 bar.
Um erhöhten Verschleiß des werksneuen Motors während der Einlaufphase zu vermeiden, wird innerhalb der ersten 1000 Kilometer permanent die hohe Druckstufe aktiviert. Auch nach dem Auswechseln von Turbolader, Zylinderkopf oder Nockenwellengehäuse muss für die ersten 1000 Kilometer Laufleistung der Öldruck mithilfe des Diagnosetesters auf die höhere Stufe gestellt werden.
Der Biturbolader
Beatmet wird der Motor durch zwei in Reihe geschaltete Abgasturbolader.
Das völlig neu entwickelte Ladersystem sorgt für einen schnellen Druckaufbau bei niedrigen Motordrehzahlen, ohne auf hohes Drehmoment und hohe Leistung im oberen Drehzahlbereich verzichten zu müssen. Der für schnelles Ansprechen verantwortliche Hochdrucklader mit kleinem Turbinen- und Verdichterrad besitzt eine elektrische Verstellung der Leitschaufeln. Diese Verstelleinheit reagiert schneller auf eine Laständerung als eine unterdruckbetätigte Verstelleinrichtung. Bei voller Leistung beträgt die Drehzahl des Läuferpakets beachtliche 240 000/min.
Hinter dem kleinen Lader in Richtung des Abgasstroms befindet sich der für den oberen Leistungsbereich vorgesehene Niederdruck-Abgasturbolader. Seine Kennzeichen sind die im Durchmesser etwas größere Turbine und das auf gleicher Welle sitzende größere Verdichterrad. Die maximale Drehzahl dieser Leistungseinheit wird von VW mit 165 000/min angegeben. Der höchste Ladedruck der kompletten Einheit beträgt beachtliche 3,8 bar absolut, somit 2,8 bar relativ.
Wo Leistung erzeugt wird, entsteht Wärme. Im Volllastbetrieb mit über 900 °C Abgastemperatur kann die Ansaugtemperatur schon einmal auf 250 °C steigen. Um Schäden im Bereich der Wellenlagerung der Turbine zu vermeiden, ist das Lagergehäuse an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen. Zusätzlich pumpt nach Abstellen des Motors eine elektrische Förderpumpe eine Zeit lang das Kühlmittel durch das Lagergehäuse und verhindert so ein Verkoken des Motoröls im Gleitlager des Läufers.
Neben den Druckrohren gehören zum Ladesystem:
▶ Pulsationsdämpfer
▶ Verdichter-Bypassventil
▶ Drosselklappen-Steuereinheit
▶ Ladeluftkühler
Regelstrategie
Folgendes Bild gibt einen Überblick über die schematische Anordnung der beiden Lader mit den dazugehörenden Regeleinrichtungen.
Bei niedrigen Motordrehzahlen wird die Ansaugluft im Niederdrucklader (3) vorverdichtet und vom nachgeschalteten Hochdrucklader (5) hauptverdichtet. Beide Lader sind aktiv. Im Drehzahlbereich zwischen 1000 bis 3800/min sind Turbinen-Bypassklappe (14) und Wastegate-Klappe (19) geschlossen. Die Abgase strömen auf die Turbine (17) des Hochdruckladers, von dort über die Turbine (22) des Niederdruckladers ins Abgasrohr. Die Drehzahl des Hochdruckladers wird über die Leitschaufeln (18) dem vom Fahrer angeforderten Motordrehmoment angepasst.
Im mittleren Drehzahlbereich, zwischen 3800 und 4000/min, öffnet bei zweistufigem Betrieb je nach Drehmomentanforderung die Turbinen-Bypassklappe (14). So gelangt ein Teil des Abgasmassenstroms direkt auf die Turbine (22) des Niederdruckladers. Mit dem Ergebnis, dass die angesaugte Luft durch den Niederdrucklader (3) höher vorverdichtet zum Verdichterrad (5) des Hochdruckladers geleitet wird. Im zweistufigen Regelbetrieb verhindert das geschlossene Verdichter-Bypassventil (6) einen Luftkreislauf, indem das Rückströmen der verdichteten Luft aus dem Hochdruck-Abgasturbolader (5) zurück in die Saugleitung verhindert wird. Bei hohen Drehzahlen und hoher Drehmomentanforderung wird die Turbinen-Bypassklappe (14) vollständig geöffnet. Die Leitschaufel (18) der Hochdruckturbine steht auf "steil", sodass nur eine geringe Abgasmenge wirksam ist. 70 Prozent des Abgasmassenstroms gelangen zur Niederdruckturbine (22). Das Verdichterrad (3) des Niederdruckladers presst die gesamte Ansaugluft durch das geöffnete Verdichter-Bypassventil (6) in den Motor. In diesem einstufigen Regelbetrieb wird die Drehzahl der Niederdruckturbine durch die Wastegate-Klappe (19) geregelt.
Thermomanagement
Um die hohe Leistung dauerhaft nutzen zu können, hat VW den Motor mit einem umfangreichen Thermomanagement ausgestattet. Der Kühlmittelkreislauf besteht aus drei Einzelkreisläufen. Der Mikrokreislauf ermöglicht ein schnelles Erwärmen von Motor und Fahrgastraum. Durchströmt werden nur der Wärmetauscher für die Fahrzeugheizung, der Zylinderkopf und der Kühler für die Abgasrückführung, der Zylinderblock wird zunächst nicht durchströmt. Für die Umwälzung des Kühlmittels ist eine elektrische Pumpe verantwortlich. Die mechanische Pumpe ist abgeschaltet. Im Hochtemperatur-Kreislauf oberhalb einer Kühlmitteltemperatur von 92 °C werden sämtliche vorhandenen Kühler – Getriebeöl-, Motoröl-, Abgasrückführungs-, Zusatzkühler – durchströmt. Die vom Motor angetriebene, schaltbare Kühlmittelpumpe wird dabei von einer elektrischen Pumpe unterstützt. Die präzise Regelung der Temperatur übernimmt eine elektrische Verstelleinheit.
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Auf besonders kaltes Kühlwasser ist der Niedertemperatur-Kreislauf angewiesen. Er versorgt den wasserdurchströmten Ladeluftkühler, in dem die Ladeluft im Betrieb auf ungefähr 45 °C abgekühlt wird. Ebenso an den Niedertemperatur-Kreislauf angeschlossen sind:
▶ Einspritzventil für AdBlue
▶ Niederdruck-Abgasturbolader
▶ Kühler für den Ladeluftkühlkreislauf
Der Niedertemperatur-Kühlmittel-Kreislauf wird durch eine elektrische Pumpe aktiviert.
Abgasreinigung
Im Gegensatz zu den leistungsschwächeren Monoturbo-Varianten ist für die starken Biturbomodelle ein SCR-Katalysator mit Harnstoffeinspritzung vorgesehen. Das komplexe Abgasreinigungsmodul umfasst den Oxidationskatalysator, das Einspritzventil für das Reduktionsmittel AdBlue und den Dieselpartikelfilter mit Reduktionskatalysator. Dem Modul nachgeschaltet ist der Sperrkatalysator mit der Abgasklappen-Steuereinheit. Der nun verbaute Sperrkatalysator ersetzt den in der Vergangenheit eingebauten DeNOx-Katalysator und übernimmt zwei Aufgaben: Das bei der Rußregeneration entstehende Kohlenmonoxid CO wird durch die Edelmetallbeschichtung zu Kohlendioxid CO2 oxidiert. Die geringen Mengen an Ammoniak – sie stammen aus der Thermo- und Hydrolyse-Reaktion des Harnstoffs nach dem DPF, hervorgerufen unter anderem durch die hohen Regenerationstemperaturen – werden zu Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) umgewandelt.
Durch Schließen der Klappe der nachgeschalteten Abgasklappen-Steuereinheit wird im Dieselpartikelfilter ein geringer Gegendruck erzeugt. Dadurch kann eine bestimmte Menge der Abgase über den Abgasrückführungs-Kühler und das Abgasrückführ-Ventil in den Motor zurückgeleitet werden (Niederdruck-Abgasrückführung).
Einspritzanlage
Die Common-Rail-Einspritzanlage von Bosch fördert den Kraftstoff mit maximal 2500 bar in den Brennraum. Erzeugt wird der Druck von einer Zweikolben-Hochdruckpumpe. Piezo-Einspritzventile mit je zehn Einspritzlöchern arbeiten im Normalbetrieb mit zwei Vor-, einer Haupt- und einer Nacheinspritzung. Regeneriert wird mit fünf Nacheinspritzungen.
1.0 TSI, 1.2 und 1.4 TFSI von Volkswagen und Audi
Auch bei den Benzinern setzen die Wolfsburger auf innovatives Downsizing: etwa beim Dreizylinder-TSI mit der Motorenbaureihe EA 211 und einem Hubraum von 999 cm3 für den Polo.
Der fast quadratisch ausgelegte Motor wird in zwei Leistungsstufen angeboten: mit 70 kW und 160 Nm Drehmoment sowie mit 81 kW und einem Drehmoment von 200 Nm. Folgendes Bild zeigt den modularen Aufbau des Aggregats.
Der Block in Open-Deck-Bauweise hat eingegossene Grauguss-Laufbuchsen, die nachträglich im Brillenhonverfahren bearbeitet werden. Durch eine brillenförmige Spanneinrichtung wird bei der Bearbeitung die gleiche Verspannung der Zylinder erreicht wie später bei einem montierten Zylinderkopf. Der erreichte Effekt ist ein deutlich verminderter Zylinderverzug im Betrieb, was letztlich Ölverbrauch und Motorverschleiß reduziert.
Zur Verbesserung des Schwingungsverhaltens besitzt der Schwingungsdämpfer des Dreizylinders eine gezielte Materialverstärkung, das Schwungrad selbst ist durch gezielte Bohrungen angepasst.
Die Hochdruckpumpe presst den Kraftstoff in eine Einspritz-Rail aus Edelstahl. Der Einspritzdruck der Fünflochdüsen liegt zwischen 120 und 250 bar. Zum schnellen Motorstart und zum schnellen Aufheizen des Katalysators wird pro Arbeitstakt bis zu dreimal eingespritzt.
Der für Temperaturen bis zu 1050 °C ausgelegte Turbolader liefert einen maximalen Relativdruck von 1,6 bar und wird durch eine elektrisch betätigte Wastegate-Klappe vor zu hohen Drehzahlen geschützt. Eingestuft ist der Motor nach Euro 6.
Von drei auf vier Zylinder
In seinen vierzylindrigen Varianten ist der EA 211 als 1,2- oder 1,4-Liter-TFSI etwa im Audi A3 eingebaut. Mit 71 mm Bohrung und 75,6 mm Hub ist der aufgeladene Zwölfhunderter leicht langhubig ausgelegt. Seine Leistung beträgt 77 kW im Drehzahlbereich zwischen 4500 und 5500/min, das maximale Motordrehmoment von 175 Newtonmetern erreicht der Vierzylinder bei 1400/min. Mit 10,5 : 1 ist seine Verdichtung relativ moderat.
Der 1,4-Liter-Motor wird in den Leistungsvarianten 90 kW und 103 kW angeboten. Die Drehmomente betragen 200 bzw. 250 Newtonmeter, und das Verdichtungsverhältnis fällt mit 10 : 1 etwas geringer aus als beim 1,2-l-Motor.
Zylinderkurbelgehäuse
Der Zylinderblock des TFSI als Open-Deck-Konstruktion besteht aus einer Aluminium-Druckguss-Legierung in Deep-Skirt-Ausführung. Gegenüber einer Closed-Deck-Ausführung sind diese Blöcke kostengünstiger herstellbar. Das weite Herunterziehen des Gehäuses dient der Verstärkung. Die Kühlung des oberen heißen Bereichs in Brennraumnähe ist besser, allerdings ist die Steifigkeit durch die offene Bauweise etwas geringer.
In den Block eingegossen sind die Laufbuchsen aus Grauguss. Die raue Außenfläche der Laufbuchsen gewährleistet eine feste Verzahnung mit dem Zylinderblock und einen guten Wärmeübergang. Den unteren Abschluss des Zylinderkurbelgehäuses bilden der Ölhobel und die zweigeteilte Ölwanne mit Ölstands- und Öltemperaturgeber. Der Ölhobel verhindert, dass bei schneller Kurvenfahrt oder schräg stehendem Fahrzeug, Kurbelwangen und Pleuel ins Öl eintauchen und verschäumen.
Die Kurbelwelle selbst ist fünffach gelagert. Mit nur vier Gegengewichten ist die Belastung der Hauptlager geringer als beim Vorgängermotor. Damit die Verbrennungswärme besser von den Kolbenböden abtransportiert werden kann, werden die Aluminium-Druckgusskolben von unten durch Öldüsen angespritzt.
Die beiden Nockenwellen der Motorsteuerung sind durch einen Zahnriemen angetrieben, die vier Ventile pro Zylinder werden über Rollenschlepphebel betätigt. Zum Antrieb der im Sumpf arbeitenden Ölpumpe des 1,4-Liter-Motors ist eine Zahnkette montiert, bei der 1,2-l-Ausführung erfolgt der Antrieb direkt von der Kurbelwelle über Zahnräder (siehe Bild oben: Nockenwellen- und Ölpumpenantrieb).
Die Zylinderköpfe beider Varianten sind zweiteilig. Der obere Teil, die Zylinderkopfhaube aus einer Aluminium-Druckgusslegierung, bildet mit den beiden Nockenwellen eine untrennbare Einheit: Die Nockenwellen sind gebaut, das heißt auf das Nockenwellenrohr im montierten Zustand aufgepresst. Im unteren Teil des Zylinderkopfes befindet sich der Brennraum mit den Ein- und Auslasskanälen. Auch bei diesem Motor ist der Abgaskrümmer integriert. Das Kennzeichen dafür: Der Turbolader ist direkt am Flansch des Zylinderkopfes angeschraubt. Dadurch wird die Masse des Zylinderkopfes verringert, die Thermik verbessert.
Beim 1,4-Liter-Motor mit 103 kW können im Niedriglastbereich die Zylinder 2 und 3 abgeschaltet werden. Mit insgesamt vier Stellelementen werden die Nocken so verschoben, dass die Ein- und Auslassventile dieser Zylinder geschlossen bleiben. Die betroffenen Zylinder arbeiten wie eine Luftfeder. Und das hat seinen Grund: Würden die Ventile leicht geöffnet, dann würde der Motor abkühlen. Zusätzlich würde der Luftüberschuss im Abgas zu einem falschen Signal der Lambdasonde führen – mit der Folge einer unzulässigen Anfettung des Gemischs in den beiden noch arbeitenden Zylindern.
Bei niedrigen und hohen Drehzahlen ist die Zylinderabschaltung nicht aktiv: Als untere Drehzahlgrenze nennt Audi 1250/min, als obere Grenze wurden 4000/min bei einem maximalen Drehmoment von 75 bis 100 Nm definiert. Kurz vor dem Abschalten wird die Drosselklappe weiter geöffnet, um alle vier Zylinder mit ausreichend Luft zu versorgen. Zuerst werden die Auslassventile, danach die Einlassventile der beiden Zylinder geschlossen gehalten. Gleichzeitig werden Zündung und Einspritzung der Zylinder 2 und 3 abgeschaltet. Die Aktivierung erfolgt in gleicher Reihenfolge. Durch Öffnen der Auslassventile gelangt die eingeschlossene Frischluft zur Lambdasonde. Die reagiert mit leichtem Anfetten der Zylinder 1 und 4. Mit Öffnen der Einlassventile und Aktivieren von Einspritzung und Zündung wird aus dem Zweizylinder wieder ein Vierzylinder. Um im Schubbetrieb – beispielsweise bei Bergabfahrten – das gesamte Motorbremsmoment nutzen zu können, wird die Abschaltung der beiden Zylinder unterbrochen. Ausgeblendet ist in dieser Situation nur die Einspritzung, die Zündung bleibt aktiv. Das Abschalten von zwei der vier Zylinder führt zu Komforteinbußen, wenn nicht zusätzliche Maßnahmen gegen einen verschlechterten Motorlauf getroffen werden. Zu diesen Maßnahmen gehört der Einbau von hydraulischen Motorlagern, einem speziell abgestimmten Zweimassenschwungrad und – damit die Akustik stimmt – einem zusätzlichen Mittelschalldämpfer der Abgasanlage.
Die Konstruktion des Zylinderkopfes mit integriertem Abgaskrümmer erlaubt den Einbau eines Mono-Scroll-Abgasturboladers. Kennzeichen eines Mono-Scroll-Abgasturboladers ist der schneckenförmige Abgaseintritt in die Turbine. Dieser Ladertyp ist besonders leicht und kann trotz Flüssigkeitskühlung des Gehäuses und einem per elektrischem Stellmotor betätigten Wastegate kostengünstig hergestellt werden. Die Einspritzung beim 1.4 TSI übernimmt eine Hitachi-Einspritzanlage. Der Einspritzdruck an den Fünflochdüsen liegt zwischen 100 und 200 bar. Die Hochdruckpumpe mit einem Vierfachnocken wird durch die Einlassnockenwelle angetrieben. Zur schnelleren Aufheizung des Kats sind pro Arbeitstakt bis zu drei Einzeleinspritzungen möglich.
Miller-Prozess bei Audi
Die Motorenentwicklung bei Volkswagen und Audi läuft in weiten Bereichen parallel. Obwohl der Zweiliter bei VW als TSI, bei Audi als TFSI bezeichnet wird, steckt doch derselbe Motor dahinter. Für bessere Abgaswerte hat aber bislang nur Audi beim 2,0-Liter-TFSI der Baureihe EA 888 Generation 3 den Verbrennungsprozess geändert und ihm die Bezeichnung "Generation 3B" gegeben.
Wie im Schaubild ("Steuerzeiten"; siehe oben) gezeigt, verschiebt Audi die Steuerzeiten und lässt das Einlassventil erst nach dem oberen Totpunkt öffnen. Die Ansaugzeit wird dadurch von 190 bis 200 Grad Kurbelwinkel auf 140 Grad verkürzt. Aufgrund eines höheren Ladedrucks erhält der Motor trotzdem seine optimale Füllung. Durch das Valvelift-System (AVS) auf der Einlassseite kann zusätzlich zur Änderung der Steuerzeit der Ventilhub und damit die Zylinderfüllung beeinflusst werden. So wird bei Teillast eine kurze, bei Volllast eine längere Ansaugzeit, beispielsweise 170 Grad Kurbelwinkel, eingestellt. Je nach Leistungsanforderung wird die Öffnungszeit des Ventils verkürzt, sodass das Einlassventil schon vor dem UT schließt.
Diese Maßnahme senkt Verdichtungsenddruck und Mitteldruck und gestattet so ein hohes Verdichtungsverhältnis mit günstigem Wirkungsgrad. Um trotz eines reduzierten Verdichtungsenddrucks eine gute Gemischbildung zu erreichen, wird ein Teil des Kraftstoffs bereits ins Saugrohr eingespritzt und im Brennraum durch eine Direkteinspritzung ergänzt. Fachleuten ist das angewendete Verfahren unter dem Begriff "Miller-Kreisprozess" bekannt.
Neues bei BMW
BMW hat die Konstruktion der Motorblöcke der Benzin-Reihen-sechszylinder überarbeitet. Sie werden nun nicht mehr in Verbundbauweise, einem Magnesiumgehäuse mit innenliegendem Aluminiumkern, sondern durch Kokillenguss aus der Alu-Legierung AlSi7Cu3 in Closed-Deck-Bauweise mit über die Kurbelwellenmitte heruntergezogenen Schürzen hergestellt.
Die Dieselmotoren
Bei den Sechszylinder-Dieseln stehen zwei unterschiedliche Versionen am Start: eine 195-kW-Variante mit einem Drehmoment von 620 Nm sowie die kräftigere 235-kW-Version mit 680 Nm Drehmoment. Beide Motoren sind mit 84 mm Bohrung und 90 mm Hub langhubig ausgelegt und auf 16,5 : 1 verdichtet.
Der wesentliche Unterschied liegt in der Aufladung. Die Basisversion ist mit einem weiterentwickelten, thermodynamisch verbesserten einstufigen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie ausgestattet. Der stärkere Motor benötigt für seine Leistung zwei Turbolader, beide mit variabler Turbinengeometrie. Die Verstellung erfolgt elektrisch, nur das Bypassventil wird aufgrund der hohen Stellkräfte pneumatisch betätigt. Der Vorgängermotor hatte zwar auch zwei Lader, davon allerdings nur einen mit variabler Turbinengeometrie.
Die Benziner
Der Dreiliter-Benziner mit einem Einzelzylindervolumen von 500 cm³ hat eine Bohrung von 82 mm sowie einen Hub von 94,6 mm und ist damit noch langhubiger als der Diesel. Seine Maximalleistung beträgt 240 kW, das Drehmoment von 450 Nm wird schon bei einer Drehzahl von 1380/min erreicht. BMW gibt die Höchstdrehzahl des Motors mit beachtlichen 7000/min an. Die Verdichtung ist gegenüber dem Vorgängermodell von 10,2 : 1 auf 11 : 1 erhöht worden.
Zur Steigerung der Festigkeit werden Motorgehäuse mit einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Gusslegierung einer T6-Wärmebehandlung unterzogen. Das Bauteil wird dazu bei 205 °C für 60 Minuten warm ausgelagert, für zwei bis fünf Stunden lösungsgeglüht, danach mit Wasser oder bewegter Luft abgeschreckt. Die Kolbenlaufbahn ist mit einer Eisenlegierung nach dem LDS-Verfahren (Lichtbogen-Draht-Spritzen) beschichtet. Dadurch können die Tangentialkräfte der Kolbenringe verringert, die Reibung reduziert werden.
Die Stahlkurbelwelle des Sechszylinders aus C36 entstammt dem Baukastensystem und ist hinsichtlich ihres Gewichts optimiert worden.
Als Hauptlager werden Multikomponentenlager, als Pleuellager kurbelwellenseitig Zweistofflager, bolzenseitig polymerbeschichtete Schalen eingesetzt.
Den Zylinderkopf liefert der Baukasten, er entspricht den kleineren, für Quereinbau vorgesehenen Motoren. Seine AlSi7MgCu0.5-Legierung ist anschließend T5-behandelt. Dazu wird das Bauteil nach dem Gießen bei 230 bis 240 °C für drei bis fünf Stunden einer Stabilisierungs-Glühbehandlung unterzogen. Vorteil des Verfahrens ist eine erhöhte Zugfestigkeit.
Auch der Ventiltrieb, die Valvetronic, wurde weiterentwickelt. Mit dem Ergebnis, dass der Platzbedarf im Bereich des Zylinderkopfes deutlich geringer ausfällt. Der Gesamtmotor baut dadurch etwas niedriger, was dem Fußgängerschutz zugutekommen kann.
Auch BMW verzichtet nicht auf verstellbare Nockenwellen. Im Gegensatz zu VW können jedoch beide Wellen über hydraulische Phasensteller leistungsabhängig verdreht werden. Der Verstellbereich für die Einlasswelle beträgt 70 Grad, für die Auslasswelle 60 Grad. Wie bei den Dieselmotoren schon Standard, erfolgt der Antrieb der Nockenwellen nun auch beim Ottomotor auf der kraftabgebenden Seite des Motors.
Im Ölsumpf des Motorblocks befindet sich die volumenstromgeregelte Pendelschieberpumpe in Tandembauweise mit der Unterdruckpumpe. Während des Warmlaufs wird der Öldruck auf unter 3,5 bar geregelt, die Kolbenspritzdüsen abgeschaltet, um damit eine schnelle Erwärmung des Brennraums bei abgesenkter Partikel-Emission zu erreichen. Ein weiterer Nebeneffekt dieser Druckabsenkung ist der geringere Kraftstoffverbrauch in vielen Kennfeldbereichen.
Weitere Verbrauchsvorteile verspricht ein Wärmemanagement-Modul, das statt eines Thermostats die Verteilung des Kühlmittels zu Zylinderblock und -kopf übernehmen soll. Motorbezogen gibt BMW ein Sparpotenzial von 6 Prozent an. Im Gesamtfahrzeug, etwa dem neuen 740i, sollen bis zu 16 Prozent Kraftstoff eingespart werden können.
Für die Direkteinspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum ist eine High Precision Injection der zweiten Generation mit einem Maximaldruck von 200 bar zuständig. Der Kraftstoff wird hier von einer Dreifachnocken-Hochdruckpumpe in eine Direkt-Rail gepumpt. Bei dieser Konstruktion sind die Einspritzventile direkt mit der Rail verschraubt. Auf eine zusätzliche Hochdruckleitung zwischen Rail und Einspritzventil kann so verzichtet werden. BMWs Motorenbaukasten sei Dank können hierzu wiederum Rails des Dreizylindermotors verwendet werden.
Ebenfalls neu ist die Integration des Ladeluftkühlers in die Sauganlage. Die Kühlung der verdichteten Luft übernimmt das Wasser des Niedertemperatur-Kreislaufs, gesteuert über eine elektrische Wasserpumpe.
Für üppige Leistungsentfaltung ist ein Twin-Scroll-Turbolader verantwortlich, bei dem die Abgasströme der Zylinder 1 bis 3 und 4 bis 6 bis zum Eintritt in die Turbine getrennt geführt werden. Vorteil ist das schnelle Ansprechen des Laders beim Lastwechsel.
Ebenfalls für den neuen BMW Siebener überarbeitet wurde der 4,4-Liter-V8-Motor. Die Leistung dieses Motors gibt BMW mit 330 kW an, das Drehmoment von 650 Nm steht im Drehzahlbereich zwischen 1800 und 4500/min zur Verfügung. Die Verdichtung wurde gegenüber dem Vorgängermotor auf 10,5 : 1 erhöht. Mit 89 mm Bohrung und 88,3 mm Hub ist das Hub-Bohrungs-Verhältnis auch hier fast quadratisch.
Im Gegensatz zum Sechszylinder besteht der Motorblock des V8 aus einer Aluminium-Silizium-Legierung mit freilegungsgehonten Zylinderlaufbahnen in Closed-Deck-Technologie. In seinem V befindet sich der Motoröl-Wasser-Wärmetauscher als Ersatz für den externen Öl-Luftkühler des Vorgängers.
Zur Minimierung der Reibung im Zylinder sind die Leichtmetallkolben im Tauchverfahren eisenbeschichtet. Wie beim kleineren Motor hat BMW zur Verbesserung des Warmlaufs den Kühlmittel-Kreislauf überarbeitet und die Kanäle strömungsoptimiert. Zylinderblock und Zylinderkopf werden getrennt vom Kühlmittel durchströmt, die Fördermenge der Kühlmittelpumpe kann mittels Ringschieber auf 10 Prozent ihrer Förderleistung reduziert werden.
Auch am Wärmehaushalt der Maschine wurde gefeilt: Liegt die Öffnungstemperatur des Motorthermostaten normalerweise bei 105 °C, kann sie bei hoher Motorlast durch ein elektrisches Heizelement auf 60 °C herabgesetzt werden. Dadurch kann Klopfen, verbunden mit einem Zündungseingriff und etwaiger Leistungsminderung, verhindert werden.
Der im Niedertemperaturkreislauf liegende Ladeluftkühler und das Motorsteuergerät werden mithilfe einer 80-W-Pumpe flüssigkeitsgekühlt.
Wie der Ladeluftkühler sind im V des Achtzylinders zwei Twin-Scroll-Turbolader mit elektrisch betätigtem Wastegate und starrer Turbinengeometrie untergebracht. Durch die Abgaskrümmer werden entsprechend dem Zündungsverlauf von der Bank eins bis vier die Abgasströme des 1. und 3. Zylinders und des 2. und 4. Zylinders zusammengefasst. Von der Zylinderbank der Nummern 5 bis 8 werden die Abgasströme des 5. und 6. und die des 7. und 8. Zylinders zusammengefasst und auf die Turbine des jeweils zuständigen Turboladers geleitet.
Neue Mercedes-Motoren
Ende letzten Jahres stellte Mercedes die neue Vierzylinder-Diesel-Motorenreihe OM 654 vor. Im Lastenheft dieser Motoren sind folgende Ziele definiert:
▶ deutliche Reduzierung der CO2-Emission bei gleichzeitiger Erfüllung aktueller und zukünftiger Abgasnormen
▶ lange Lebensdauer
▶ Gewichtsreduzierung durch konsequenten Leichtbau
▶ niedrige Produktionskosten
Die Leistung des neuen Zweiliter-Dieselmotors liegt bei 140 kW, das Drehmomentmaximum im Drehzahlbereich zwischen 1600 und 2800/min bei 400 Nm. Aktuell liegt die spezifische Leistung somit bei 72 kW/l (Hubraum 1950 cm³), soll allerdings bei einem maximalen Zylinderdruck von 205 bar auf bis zu 90 kW/l gesteigert werden können.
Bohrung und Hub des neuen Aggregats betragen 82 × 92,3 mm, damit ist der 15,5 : 1 verdichtende Motor langhubig ausgelegt.
Für geringen Verschleiß und leichten Lauf sind die Kolbenlaufbahnen des Aluminiumkurbelgehäuses nach dem Nanoslide-Verfahren beschichtet. Bei diesem Verfahren werden in einem elektrisch erzeugten Lichtbogen Drähte aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung aufgeschmolzen und mit einem Gasstrom an die Zylinderwand gespritzt. Es entsteht eine lamellare nanokristalline Schicht, die anschließend mithilfe eines eigens entwickelten Spiegelhonverfahrens geglättet wird. Die Schichtstärke liegt zwischen 0,1 bis 0,15 mm. Für den Betrachter wirkt die Lauffläche tatsächlich wie ein Spiegel. Kleine Poren auf der Oberfläche nehmen Öl auf, sodass die Reibung gegenüber einer gehonten Grauguss-Lauffläche um 50 Prozent gesenkt wird.
Eine noch relativ junge Entwicklung im Pkw-Motorenbau ist die Verwendung von Stahlkolben, die bei Mercedes zuerst in den Sechszylindern der Baureihe OM 642 eingesetzt wurden. Im Vierzylinder kommt ein geschmiedeter und geschweißter Stahlkolben aus 42CrMo4, einem legierten Vergütungsstahl mit 0,42 % Kohlenstoff, 1,10 % Chrom und 0,25 % Molybdän, zum Einsatz.
Obiges Bild zeigt den Vergleich zwischen Aluminium- und Stahlkolben. Da Stahlkolben thermisch höher belastbar sind, konnte der Feuersteg zugunsten der Höhe des Zylinderblocks um mehr als 50 Prozent, die Kolbenringzone um fast 30 Prozent reduziert werden. Positiv ist, dass durch den schmalen Feuersteg das Schadvolumen vom Kolbenboden bis zum ersten Kolbenring wesentlich kleiner ist als beim Alukolben. Eine gestufte Ausnehmung im Kolbenboden verbessert nicht nur den Verbrennungsvorgang, sie senkt die thermische Belastung der kritischen Bauteile und minimiert den Eintrag von Ruß ins Motoröl.
Ein weiteres Merkmal des OM 654 ist der Versatz der Kurbelwellenmitte um 12 mm zur Gegendruckseite.
Dadurch konnte die Pleuelstange bei gleichbleibender Motorhöhe etwas verlängert werden. Lange Pleuel verringern die Seitenkräfte des Kolbens im Zylinder ebenso wie großer Hub im Vergleich zur Bohrung. Die Seitenkraftverringerung beziffert Mercedes mit rund 75 Prozent.
Ein weiterer Effekt der außermittigen Kurbelwellenverlagerung: Der obere und untere Totpunkt werden bei einer Winkelstellung der Kurbelwangen erreicht und nicht in senkrechter Stellung.
Im unteren Bereich des Zylinderkurbelgehäuses befindet sich die Kurbelwelle mit dem Lancaster-Trieb. Die geschmiedete Welle ist teilweise hohl und fünffach gelagert. Die über schräg verzahnte Räder angetriebenen Ausgleichswellen sind gegenläufig und wälzgelagert.
Der Leichtmetall-Zylinderkopf des Vierventilers besitzt pro Zylinder zwei Ansaugkanäle, einen spiralförmigen Drallkanal und einen Füllkanal. Die leicht geneigten Ventile werden von den beiden Nockenwellen über rollengelagerte Schlepphebel betätigt. Eingespritzt wird mit 2050 bar durch mittig zwischen den Ventilen sitzende Piezo-Injektoren mit 8 Spritzlöchern.
Mit dem Zylinderkopf verschraubt ist das Gehäuse für die Aufnahme der Ein- und Auslassnockenwelle. Ein Zwischentrieb, bestehend aus Ketten- und Zahnrad, entlastet die Nockenwellenlagerung. Während das Kettenrad von der Kurbelwelle über eine Kette angetrieben wird, treibt das Zahnrad die Nockenwellen an. Um Zahnradgeräusche zu dämmen, sind die Nockenwellenräder verspannt.
Im folgenden Bild sichtbar sind die kettengetriebene Vakuumpumpe – sie liegt oberhalb des Lancaster-Triebs – und die Ölpumpe.
Zur Sauerstoffversorgung des Triebwerks entschied man sich bei Mercedes für einen Honeywell-Abgasturbolader, das Turbinengehäuse ist zur Begrenzung der Bauteiloberfläche mit einer 10 mm dicken Matte isoliert, dafür jedoch an den Kühlkreislauf angeschlossen. Die Verstellung der Leitschaufeln erfolgt elektrisch.
Wassereinspritzung gegen NOX und Partikel
Die Entwicklungsziele für neue Motoren, speziell für den Diesel, sind klar gesetzt: Runter mit den Stickoxiden. Zwei neue Testverfahren sollen dies in Zukunft überwachen: der Real-Driving-Emissions-Test (RDE) zur Ermittlung von Luftverschmutzung und die Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure (WLTP) zur Feststellung des CO2-Ausstoßes bei Neuwagen. Die wesentlichen Unterschiede zum bisherigen Verfahren: Gemessen wird auf der Straße unter realen Bedingungen und bis zu einer Geschwindigkeit von 130 km/h. Start des neuen Testverfahrens soll bereits 2017 sein. Doch auch Erleichterungen für die Automobilindustrie sind schon vorgesehen. Für die praxisnahe Messung soll es nicht beim realitätsfernen Ausstoß von 80 mg/km bei den Stickoxiden bleiben. Dieser Wert soll beim Realtest auf der Straße mit dem Faktor 2,5 multipliziert werden dürfen. In Sachen Partikel werden künftige Grenzwerte auch Benziner treffen. Speziell direkteinspritzende Ottomotoren mit Aufladung emittieren Partikel, die herabgesetzt werden müssen. Eine mögliche Lösung bietet Bosch mit einem höheren Einspritzdruck, BMW kontert mit der Wassereinspritzung. Und die ist nicht neu: Schon vor vielen Jahren wurde etwa von Saab ein ähnliches System eingesetzt.
Die Wassereinspritzung, speziell für aufgeladene Ottomotoren, sorgt für eine Temperaturabsenkung im Zylinder und erhöht so den Wirkungsgrad. Bei einer Temperaturabsenkung durch das Verdampfen des Wassers sollen Leistung und Drehmoment um etwa 10 Prozent gesteigert werden können. Bei ersten Versuchen am Dreizylinder des BMW Einser konnte die Verdichtung von 9,5 : 1 auf 11 : 1 angehoben werden, ohne dass es zum Klopfen respektive zu einer automatischen Spätverstellung der Zündung kam. Einhergehend mit der Leistungssteigerung ist eine mögliche Verbrauchsreduzierung um fast 8 Prozent – trotz des Einsatzes von Kraftstoff mit lediglich 95 Oktan.
Erfahrungen mit der Wassereinspritzung sammelte BMW bereits mit dem aktuellen M4 MotoGP Safety Car auf Basis des M4 Coupé. Dessen Sechszylinder leistet in der Serienversion 317 kW, mit Wassereinspritzung setzt er bis zu 341 kW frei. Für die Fahrt auf der Rennstrecke wird das Wasser in einem Fünf-Liter-Behälter gespeichert und bei jedem Tankvorgang nachgefüllt. In kommenden Serienmodellen – so die Idee von BMW – soll bis auf wenige Ausnahmen die On-Board-Wassergewinnung weitgehend ausreichen. So könnte etwa das Kondenswasser der Klimaanlage gespeichert werden. Damit müsste im Alltag nur bei etwa jedem fünften Halt an der Zapfsäule Wasser nachgefüllt werden. Für die Zukunft hat die Wassereinspritzung offensichtlich neues Entwicklungspotenzial. Weniger zur Steigerung der Leistung als vielmehr zur Minderung von Schadstoffen, wie etwa Partikeln oder dem giftigen NOX. Innovative Lösungen sind gefragt – Motoren bleiben auch in Zukunft spannend.