Die neue modulare TDI-Generation von Volkswagen

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1. Einleitung
Der Volkswagen Konzern hat in diesem Jahr für die Marken Volkswagen, Audi, ŠKODA
und SEAT den Modularen Querbaukasten, kurz MQB genannt, eingeführt.
Das Kürzel MQB bezieht sich auf die Konstruktion und Produktion künftiger Automobile
mit vorn quer eingebauten Motoren.
Abmessungen wie der Abstand der Pedalerie zur Radmitte sind immer gleich. Andere
Abmessungen sind jedoch variabel.
Dadurch ergibt sich eine einheitliche Vorderwagensystematik.
Der MQB erstreckt sich dabei alleine bei Volkswagen über die Modelle Polo, Beetle, Golf,
Scirocco, Jetta, Tiguan, Touran, Sharan, Passat und Volkswagen CC.
All diese Modelle können künftig – trotz unterschiedlicher Radstände und Spurbreiten –
theoretisch auf der gleichen Fertigungslinie gebaut werden.
Die ersten Fahrzeuge, die auf der Basis des MQB entstanden sind, sind der Audi A3 und
der Golf VII.
Mit dem MQB eröffnet sich für den Volkswagen Konzern die Möglichkeit, langfristig und
weltweit Qualität zu extrem wettbewerbsfähigen Kosten herstellen zu können.
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2. Alternative Antriebe im MQB-Konzept
Eine zentrale Rolle übernehmen bei der MQB-Strategie der modulare Ottobaukasten und
der modulare Dieselbaukasten.
Es ist aber auch möglich neben den konventionellen Verbrennungsmotoren, auch alle
gängigen alternativen Antriebe in identischer Einbaulage darzustellen – von Erdgas- über
Hybridversionen bis hin zum rein elektrischen Antrieb.
Der MOB umfasst die neu entwickelte Motorenreihe EA211 mit einem Hubraum von 1,2
und 1,4 Litern und leisten zwischen 40 kW und 110 kW.
Für den MDB wurden die Motoren der Reihe EA288 ebenfalls neu entwickelt.
Die neuen Dieselmotoren kommen mit 1,6 und 2,0 Litern Hubraum und leisten zwischen
66 und 140 kW. Das maximale Drehmoment reicht von 250 bis 380 Nm.
Die neuen Dieselmotoren sollen im Verbrauch deutlich sparsamer werden und ab
September 2014 die neu Euro-6-Abgasnorm erfüllen.
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3. Einheitliche Einbaulage aller Antriebe
Innerhalb des MQB werden alle Motoren in einer einheitlichen Lage eingebaut. Bei den
neuen Benzinmotoren wurde der Zylinderkopf gedreht, so dass - analog zu den
Dieselmotoren - die Ansaugseite des Motors zur Fahrzeugfront und die Abgasseite zur
Fahrgastzelle gerichtet ist.
Auf diese Weise konnte eine einheitliche Verbindung zwischen Motor und Getriebe
realisiert werden, die es erlaubt, alle Motoren mit dem gleichen Getriebe zu koppeln.
Laut den Angaben des VW-Konzerns konnten so die Motor- und Getriebe-Varianten im
MQB um 88 Prozent reduzieren.
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4. Der modulare Aufbau
Der modulare Aufbau des neuen 2,0l TDI-Motors umfasst die Motornahen
Abgasreinigung, einen neuentwickelten Zylinderkopf mit integriertem Ventiltriebsmodul,
eine kombinierte Öl –und Vakuumpumpe und den in das Saugrohr integrierten
Ladeluftkühler.
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5. Zylinderkurbelgehäuse
Das Zylinderkurbelgehäuse ist, wie bei den TDI® Vorgängeraggregaten aus Grauguss GJL250
hergestellt und in der bewährten long-skirt Bauweise ausgeführt. Das Entwicklungsziel war ein
gewichtsreduziertes Kurbelgehäuse zu entwickeln und gleichzeitig weitere Bauteile zu integrieren.
Diese Ziele wurden durch die konstruktive Ausführung folgender technischer Merkmale erreicht:
- Integrierte Ausgleichswellen oberhalb der Kurbelwelle
- Kurzer Wassermantel zur schnellen Bauteilerwärmung
- Kühlung der Stege zwischen den Zylindern
- Integration von Thermomanagement-Maßnahmen bei der Öl- und Wasserführung
- Anordnung des Gewindes für die Zylinderkopfschrauben unterhalb des Wassermantels
- Optimierung der Roh- und Reinölführung zur Minimierung der Strömungsverluste
- Verlängerung der Ölrücklauf- und „Blow-by“-Kanäle bis zur Trennebene der Ölwanne
Durch die tief angeordneten Zylinderkopfschraubengewinde wird der Verschraubungseinfluss in den
unteren Zylinderrohrbereich verlagert. Zusätzlich können dadurch die Spannungen in den
hochbeanspruchten Bereichen der Kurbelgehäusedeckfläche bis zu 50 % verringert werden.
Durch die somit verbesserte Verteilung des Kraftflusses in die Struktur des Zylinderkurbelgehäuses
wird eine höhere Vorpressung am Brennraumstopper der Zylinderkopfdichtung und eine
gleichmäßigere Druckverteilung über den Umfang erzielt.
Wie beim Vorgängermotor erfolgt der Honvorgang mit verschraubter Honbrille, um ein verzugsfreies
Zylinderrohr bei montiertem Zylinderkopf zu erhalten. Durch diese Maßnahme können die
Tangentialkräfte an den Kolbenringen bei gleichzeitig geringem Ölverbrauch weiter reduziert
werden.
Besondere Sorgfalt wurde auf die Auslegung des Kühlmittelkreislaufes gelegt. Konstruktionsvarianten
wurden zunächst durch CFD-Berechnungen unter Anwendung von Optimierungsmethoden bewertet.
Daraus wurde die aktuelle Konstruktion abgeleitet und über Strömungssimulationsberechnungen
und –versuche bestätigt.
Die Auslegungskriterien waren:
- Gleichmäßige Kühlung des Kurbelgehäuses
- Querströmung im Zylinderkopf von der Auslass- zur Einlassseite
- Gute Durchströmung der Bohrungen zur Kühlung der Zylinderstege
- Gleichmäßige Verteilung des Volumenstroms auf die Zylinder
- Optimierung der Strömungsführung unter zusätzlicher Berücksichtigung der Anforderungen im
Warmlauf
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6. Ausgleichswellenmodul
Zum Ausgleich der freien Massenkräfte zweiter Ordnung ist das Aggregat mit zwei
Ausgleichswellen (AGW) ausgestattet, die im Zylinderkurbelgehäuse angeordnet sind.
Der Antrieb erfolgt über schrägverzahnte Zahnräder. Durch den hohen Integrationsgrad
und die konsequent auf Leichtbau ausgerichtete Konstruktion der einzelnen
Komponenten konnte eine erhebliche Gewichtsreduzierung erzielt werden.
Das vollständig wälzgelagerte Massenausgleichssystem stellt eine wesentliche
Komponente zum Erreichen der CO2-Einsparziele dar. Besonders bei niedrigen
Temperaturen und hohen Drehzahlen weisen die ölnebelgeschmierten Wälzlager eine
erheblich geringere Schleppleistung auf. Auch die Start-Stopp Anforderungen werden
damit sicher erfüllt.
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7. Öl- und Vakuumpumpe (Duopumpe)
Auch bei der konstruktiven Umsetzung der Duopumpe wurde der Modulgedanke
verfolgt. Dieses wurde unter anderem durch die Zusammenlegung der Öl- und
Vakuumpumpe erreicht.
Beide sind in einem gemeinsamen Alu-Druckgussgehäuse unterhalb des
Zylinderkurbelgehäuseflansches in der Ölwanne angeordnet. Der Antrieb erfolgt durch
eine gemeinsame Welle über einen Zahnriementrieb direkt von der Kurbelwelle. Der
Zahnriemen läuft direkt im Öl und ist ohne Riemenspanner ausgeführt. Die Vorspannung
des Zahnriemens wird während der Montage durch den ausgelegten Achsabstand der
Bauteile vorgegeben. Dies führt zu einem besonders reibungsoptimierten Antrieb der
Duopumpe.
Ölpumpe
Die Ölversorgung wird durch eine volumenstromgeregelte Flügelzellenpumpe realisiert.
Über ein Magnetventil kann zusätzlich lastabhängig in eine Nieder- bzw. Hochdruckstufe
geschaltet werden. So wird ein Optimum zwischen Schmierbedarf und Verlustleistung im
Motorbetrieb erzielt.
Vakuumpumpe
Durch die Anordnung der Vakuumpumpe ergaben sich neue konstruktive
Anforderungen, die unter anderem ein niedriges Antriebsmoment beim Kaltstart
voraussetzten. Durch ein Doppel-Reedventil wird ein ausreichend großer Querschnitt
zum Ausschieben des Öls im Vakuumpumpenraum realisiert. So werden die
Antriebsmomente auch bei niedrigen Temperaturen gering gehalten. Die Verbindung zur
fahrzeugseitigen Vakuumleitung erfolgt über Bohrungen in der Vakuumpumpe und im
Zylinderkurbelgehäuse.
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9. Zylinderkopf
Der entwickelte Zylinderkopf ist so gestaltet, dass durch geringfügige Anpassungen des
Zylinderkopfes, unterschiedliche Hubraumvarianten realisiert werden können.
Vom Vorgängermotor wurde der komplette Ventiltrieb übernehmen. (Also die EinAuslassventile, die Ventilfedern, Ventilsitzringe, die Rollenschlepphebel.)
Der Zylinderkopf im MDB Konzept hat eine Bauhöhe von 105 mm da die Ventilsteuerung
separat auf dem Zylinderkopf angebaut wird, was dazu führt, dass dieser neue
Zylinderkopf keine bearbeiteten Nockenwellenlagergassen mehr.
Das Topdeck ist eine plane Ebene, welche sich fertigungsoptimiert mit einer Silikonraupe
abdichten lässt.
Das neue an diesem Zylinderkopf ist, dass die Ein –und Auslassventile hintereinander
angeordnet sind.
Durch diese Anordnung ergibt sich eine gemischte Nockenwelle, die je einen Einlass –
und ein Auslassventil steuert.
Da die Ventilanordnung im Vergleich zum Vorgänger geändert wurde, mussten die
Kanäle neu ausgelegt werden, wobei der Schwerpunkt auf einer Steigerung des
maximalen Durchflusses bei guten Drallzahlen lag. Somit wurden die Einlasskanäle mit
einer Sitzdrallfase versehen.
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10. Kühlsystem im Zylinderkopf
Eine Weitere Neuerung des MDB-Konzepts ist das Thermomanagement wo der
Zylinderkopf eine zentrale Rolle spielt. In den Zylinderkopf wird ein Mikrokühlkreislauf
integriert.
Der Auslass liegt in der Bodenplatte mit Verbindung zum Zylinderkurbelgehäuse,
welches die Rückführung des Wassers übernimmt.
Zur Erhöhung der Wärmeabfuhr im brennraumnahen Bereich wurde der Wassermantel
in einen unteren und einen oberen Wassermantelkern aufgeteilt. Beide Kühlkanäle sind
von einander getrennt und werden erst am Austritt im Heizungsflansch zusammen
geführt.
Durch diese Kühlungsmassnahme konnte die Gleichverteilung der Kühlleistung zwischen
den einzelnen Zylindern im Vergleich zum Vorgänger erheblich verbessert werden.
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11. Das iVM
Der Ventiltrieb des neuen 2,0l TDI MDB –Motors unterscheidet sich von seinem
Vorgänger durch den Einsatz eines integrierten Ventiltriebsmoduls (iVM).
Somit kann der Nockenwellenlagerrahmen vom Zylinderkopf getrennt werden um diesen
auf zukünftige Emissionsanforderungen separat vorzubereiten.
Zusätzlich wurde der Lagerrahmen reibungsoptimiert.
Gründe und Funktionsvorteile für den Einsatz des iVM:
Reduzierung der Reibleistung der Nockenwelle durch den Einsatz eines Nadellagers.
Ventiltrieb ist als eigenständiges Modul konstruiert mit entsprechenden Fertigungs- und
Kostenvorteilen.
Interne Ölversorgung der Lagerstellen mit einer separaten in den Lagerrahmen
integrierten Ölgalerie.
Zusätzliche Ölversorgung des Zylinderkopfs.
Durch die Montage weiterer Anbauteile kann das iVM direkt mit dem Rumpfmotor
verbunden werden.
Unabhängig vom gewählten Hubraum sind Zylinderkopf-Rohteil, Ventiltriebsmodul und
Zylinderkopfhaube immer identisch. Lediglich die Größe der Bohrung und der Ventile ist
unterschiedlich. Damit können Nachfragespitzen verschiedener Motorisierungen ohne
Mehraufwand abgedeckt werden.
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12. Saugrohr mit integriertem Ladeluftkühler
Eine Neuheit ist der saugrohrintegrierte Ladeluftkühler für Dieselmotoren. Bereits für den 2.0 l TDI®
BIN5 wurden die Vorteile einer indirekten wassergekühlten Ladeluftkühlung genutzt. Als
Weiterentwicklung wird der wassergekühlte Ladeluftkühler für den MDB-Motor, wie bei den 1,4 l
TSI® Motoren in das Saugrohr integriert. Ein separater Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf mit
Luft-Wasser-Wärmetauscher ermöglicht in Verbindung mit einer drehzahlvariablen
Wasserumwälzpumpe eine bedarfsgerechte Ladeluftkühlung.
Die Vorteile sind vielfältig:
- Durch die in Grenzen einstellbaren Saugrohrtemperaturen wird ein von der Ansauglufttemperatur
und vom zurückgeführten Abgas unabhängiger Betrieb realisiert
- Die Ladeluftstrecke wird extrem kompakt. Das verringerte Ladeluftvolumen verbessert das
Instationärverhalten des Motors deutlich
- Die Strömungsverluste werden reduziert
- Vereisung und Kondensation im Ladeluftkühler werden vermieden
- Es entstehen Package- und Kostenvorteile
- Synergien entstehen vor allem durch die Nutzung als leistungsfähiges Niederdruck-EGRKühlersystem
Der saugrohrintegrierte Ladeluftkühler der Firma Valeo ist komplett in Aluminium ausgeführt. Das
Gehäuse übernimmt die tragende Funktion. Der Kühlkörper, der aus Kühlmittelplatten, Lamellen,
Deck- /Boden- und Seitenplatten sowie Kühlmittelanschlüssen besteht ist komplett verlötet. Die Einund Austrittskästen werden anschließend mit dem Kühlkörper verschweißt.
Das Kühlernetz besteht aus insgesamt 10 paarweise gelöteten Kühlplatten. Die Kühlmittelplatten
werden im Gegenstromprinzip W-förmig durchströmt, um eine möglichst vollständige Nutzung des
Kühlernetzes bei vertretbarem Druckverlust zu erzwingen. Durch eine spezielle Geometrie der
Kühlmittelplatten wird der Kühlmittelstrom über die Breite des Flachrohres verteilt und gleichzeitig
umgelenkt. Dies sorgt bei geringem Druckverlust für einen guten Wärmeübergang vom
Aluminiumblech zum Kühlmittel. Gleichzeitig bietet das Design der Kühlplatten eine hohe Robustheit
bezüglich der Druckwechselfestigkeit.
Luftseitig wurden Lamellendicke und Lamellenabstand dahingehend optimiert, daß die
Querschnittfläche der Lamelle die maximal anfallende Wärmemenge zu den Kühlmittelplatten leiten
kann und gleichzeitig der Druckverlust minimal bleibt. Luftseitig sorgen kleine ausgestanzte
Öffnungen, die wechselseitig wie Kiemen angeordnet sind, für einen guten Wärmeübergang und
ermöglichen zudem auch eine Strömung in Querrichtung.
Ein besonderes Augenmerk wurde auch auf eine optimale Anströmung des Kühlernetzes gelegt. Um
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13. Abgaskrümmermodul, Abgasreinigung und Abgasrückführung im modularem
Aufbau
Die Abgasseite des MDB-Motors besteht aus dem Abgaskrümmermodul, der
Abgasnachbehandlung und der Niederdruckabgasrückführung (ND-EGR).
Abgaskrümmermodul:
Der Bauteilumfang des Abgaskrümmermoduls besteht aus dem Abgaskrümmer, dem
Abgasturbolader (ATL) der ND-EGR-Einleitung.
Zu Einsatz kommt ein ATL mit pneumatisch betätigter VTG und Positionssensor der Firma
Bosch Mahle Turbo Systems.
Man kann die Emissionsstufen EU4 bis EU6 im Modulbaukasten darstellen in dem man
nur das Verdichtergehäuse modifiziert.
Abgasreinigung:
Die Abgasnachbehandlung besteht je nach Emissionsstandards aus:
Oxidationskatalysator
Dieselpartikelfilter
NOx-Speicherkat bzw. selektives katalytisches Reduktionssystem (SCR)
Diese Abgasnachbehandlungsbausteine können singulär oder als Kombination zum
Einsatz kommen.
Abgasrückführung:
Je nach Emissionsanforderungen kommen 3 verschiedene Arten der Abgasrückführung
(AGR) zum Einsatz.
Gekühlte Hochdruck-AGR ohne Niederdruck-AGR
Gekühlte Niederdruck-AGR ohne Hochdruck-AGR
Gekühlte Niederdruck-AGR und ungekühlte Hochdruck-AGR
Die Motornahe Positionierung der Abgasreinigung gewährleistet ein schnelles
Anspringen des Oxidationskatalysators und ein rasches Aufheizen des
Dieselpartikelfilters mit nur einem geringen Einsatz von sekundären Heizmaßnahmen für
die Regeneration.
Der modulare Aufbau der abgasführenden Seite ermöglicht die Darstellung aller
Emissionsstufen.
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Abgasrückführung:
Bei hohen Verbrennungstemperaturen entstehen im Motor umweltschädliche
Stickoxide. Je höher die Verbrennungstemperatur im Zylinder ist und je länger der
Zeitraum oberhalb 2300 K Verbrennungstemperatur, desto höher ist auch der Anteil von
Stickoxiden im Abgas.
Die Abgasrückführung (AGR) wird zur Minderung von Stickoxiden (NOx) verwendet.
Die kommende EU-6 Abgasnorm fordert bei Dieselmotoren eine weitere Senkung der
NOx-Anteile im Abgas von 180 auf 80 mg/km.
Alleine mit Maßnahmen der Abgasnachbehandlung (selektive katalytische Reduktion,
NOx-Speicherkatalysator) sind die vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte nicht
einhaltbar.
Somit ist die Abgasrückführung bei Dieselmotoren eine der wichtigsten Maßnahmen zur
Senkung der Stickoxidemissionen.
Durch Zuführen eines inerten Gases wird die Entstehung von Stickoxiden gesenkt. Ein
solches inertes Gas ist beispielsweise Abgas, von dem ein kleiner Teil zurück in den
Brennraum geleitet wird. Die schnelle Oxidation von Kraftstoffmolekülen wird durch das
Vorhandensein von Abgasmolekülen behindert. Die Temperaturspitzen und die NOxEmissionen werden somit abgesenkt.
Die Regelung der Rückführung übernimmt dabei ein Abgasrückführventil.
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HD-AGR:
Die rückgeführten Abgase der HD (Hochdruck)-AGR haben eine hohe Temperatur.
Durch die Zumischung des inerten Abgases zur Frischluft im Saugrohr kommt es zur
Verringerung der Luftmasse.
Dies hat zur Folge, dass die Füllung abnimmt, der Motor mit geringerem Luftverhältnis
arbeitet und zudem die mittlere Temperatur der Frischladung zunimmt.
Die HD-AGR wird aufgrund der dynamischen und Kaltstart-Aspekten eingesetzt.
Euro-3-Konzepte verfügten noch über eine nicht gekühlte AGR. Fahrzeuge ab Euro 4
besitzen meist eine gekühlte AGR-Strecke.
ND-AGR:
Hier ist eine ND(Niederdruck)-AGR-führende Strecke, die nach dem Dieselpartikelfilter
(DPF) und vor dem Verdichter dargestellt.
Da das zur Rückführung entnommene Abgas weiter hinten im Abgasstrang entnommen
wird, ist es kühlere und vor allem partikelarmer.
Hierdurch lassen sich zwei Nachteile der HD-AGR beseitigen.
Zum einen wird die Ansaugluft nicht durch sehr warmes Abgas erwärmt und die Füllung
vermindert, zum anderen wird der Abgasmassenstrom vor Turbine des Abgasturboladers
(ATL) nicht reduziert, was eine Beibehaltung der hohen Abgasenthalpie ermöglicht, so
dass der ATL besser anspricht.
Nachteilig wirkt sich bei der ND-AGR aus, dass der Verdichter durch Kondensat, das
aufgrund von Taupunktsunterschreitung des Abgases entsteht, stark beschädigt werden
kann.
Um dies zu verhindern, muss gesichert sein, dass das Wasser des Abgases nicht vor dem
Verdichter kondensiert, sondern deutlich zuvor und abgeschieden wird.
Euro-6-Motorkonzepte können eine gekühlte ND-AGR-Strecke und aufgrund von
dynamischen und Kaltstart-Aspekten eine ungekühlte HD-AGR-Strecke haben.
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Abgasreinigung:
Wie bereits erwähnt kann die Abgasnachbehandlung je nach Emissionsstandards
bestehen aus:
Oxidationskatalysator
Dieselpartikelfilter
NOx-Speicherkat bzw. selektives katalytisches Reduktionssystem (SCR)
Diese Abgasnachbehandlungsbausteine können singulär oder als Kombination zum
Einsatz kommen.
Oxidationskatalysator und NOx_-Speicher:
Oxidationskatalysator arbeitet genauso wie ein Dreiwegekatalysator nur als washcoat,
sprich die innere Beschichtung ausschließlich metallartig ist. Also Platin oder Paladium.
Weil der Wirkungsgrad einfach besser, also ausreichend ist. (Alternativ : Keramik)
Nach dem Oxikat kann ein Nox-Speicher folgen.
Dem Katalysator wird eine Nox-Speicherkomponente wie Barium zugeführt.
Der Nox-Speicher kann nur im Temperaturbereich von 250 bis 500 °C arbeiten, das wäre
der Grund dieser konstruktieven Maßnahmen.
SCR:
Ein weiteres Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden ist die Selektive katalytische
Reduktion.
Hierbei wird kontinuierlich eine wässrige Harnstofflösung (Handelsname: AdBlue) in den
Abgasstrom eingespritzt, aus welcher durch Hydrolyse Wasser und Ammoniak entsteht.
Das so entstandene Ammoniak reduziert die Stikoxide im Abgas zu normalem Stickstoff
(N2).
Das SCR-Verfahren wird inzwischen in zahlreichen Nutzfahrzeugen eingesetzt, um die
Abgasnormen EU5 und EU6 zu erfüllen.
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14. Thermomanagement
Das Thermomanagement des 2.0L TDI MDB hat 3 Kühlkreisläufe die von einander
getrennt betrieben werden können.
Mikrokreislauf (rot). Der Mikrokreislauf besteht aus dem Zylinderkopf, dem AGR-Kühler,
dem Heizungswärmetauscher und einer elektrischen Kühlmittelpumpe.
Hauptwasserkreislauf (blau). Der Hauptwasserkreislauf beinhaltet das Kurbelgehäuse,
Motor -und Getriebeölkühler, Frontkühler und eine schaltbare Kühlmittelpumpe.
Niedertemperaturkreislauf (orange). Der Niedertemperaturkreislauf besteht aus dem in
das Saugrohr integrierten Ladeluftkühler, einem Frontkühler und einer elektrischen
Kühlmittelpumpe.
Die schaltbare Kühlmittelpumpe des Mikro- und Hauptwasserkreislaufs kann das
Kühlmittel im Kurbelgahäuse zum Stillstand bringen und somit die Wärmetauscher für
die Motor- und Getriebekühlung abschalten.
Nach Kaltstart wird zunächst nur der Mikrokreislauf betrieben. Die Förderleistung der
elktrischen Wasserpumpe wird anhand der Anforderungen aus der
Fahrgastraumklimatisierung, der AGR-Kühlung und der Zylinderkopfkühlung gebildet.
Bei steigendem Kühlbedarf wird zusätzlich die schaltbare Wasserpumpe zugeschaltet.
Der Niedertemperaturkreislauf ist für die indirekte Ladeluftkühlung (Luft/Wasser)
zuständig.
Der Hoch- und Niedertemperaturkreislauf werden unabhängig von einander betrieben.
Das Ziel des Thermomanagement ist es, nach dem Kaltstart die Warmlaufphase zu
verkürzen.
Die emissionsreduzierende Bestandteile auf Temperatur bringen.
Optimierte Klimatisierung des Fahrgastraumes.
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