Hier mal einige Infos zuum Unterscheid vom 115er zum 150er TDI:
Der 1,9-l-110-kW-Motor mit Pumpe-Düse-Einspritzung – Wege zur Weiterentwicklung
Der neue PD-Dieselmotor mit 1,9 l Hubraum und 110 kW Leistung von VOLKSWAGEN zeigt Spitzendaten der Dieseltechnologie. Dem Kunden kann damit ein in Fahrleistung, Verbrauch und Umweltfreundlichkeit überragendes Aggregat angeboten werden. In diesem Beitrag werden Entwicklungsakzente dieses Motors vorgestellt und Hinweise zu einer Weiterentwicklung gegeben.
Einleitung
Mit dem neuen 1,9-l-TDI Motor mit 110 kW wurde im Herbst 2000 ein neues Kapitel in der Leistungsausnutzung der modernen Hochdruckeinspritzung aufgeschlagen.
Mit einer Literleistung von 58 kW/l zeichnet sich dieser Motor durch eine bisher noch nicht erreichte spezifische Leistung eines Vierzylinder-Dieselmotors aus.
Im Folgenden wird die Entwicklung dieses Hochleistungsaggregates beschrieben. Zum Abschluss erfolgt ein Ausblick zur aktuellen Entwicklung der neuen Vierventil-Dieselmotorengeneration.
Entwicklungsziele
Der Einsatz der Pumpe-Düse-Hochdruckeinspritztechnik bei Volkswagen zeigt ein hohes Leistungs- und Drehmoment-Potential bei verbesserten Verbrauchs- und Emissionswerten der Aggregate auf.
Vor diesem Hintergrund entstand die Aufgabe einen 1,9 l-TDI-PD-Hochleistungsdieselmotor 1,9-l-TDI-PD mit 85 kW für den Ersteinsatz im Golf A4 zu entwickeln, der weltweit einen neuen Maßstab hinsichtlich der spezifischen Leistung setzen soll, ohne einen Kompromiss in den Kategorien Komfort, Verbrauch, Emissionen und Zuverlässigkeit einzugehen.
Längst hat der Dieselmotor sein Image, eine träge und laute Art der Motorisierung eines Pkw zu sein, abgelegt. Diese Entwicklung hat Volkswagen entscheidend geprägt. Die Weiterentwicklung des DI-Brennverfahrens ermöglicht nun die serienmäßige Darstellung einer spezifischen >Leistung von 58 kW/l,
Motorbeschreibung
Zur Erreichung der anspruchsvollen Lastenheftanforderungen musste das Basisaggregat in wesentlichen Komponenten auf die höhere spezifische Komponenten auf die höhere spezifische Leistung angepasst werden. Das untenstehende Bild zeigt den Motor im Quer- und Längsschnitt.
Die Anordnung der Nebenaggregate wurde vom Basismotor unverändert übernommen.
Zylinderkopf
Die robuste Konstruktion des 85 kW Zweiventil- Zylinderkopfes erlaubte ohne weitere Maßnahmen die geforderte Leistungssteigerung. Lediglich die durch die Nockenwelle über Kipphebel betätigten Pumpe-Düse- Elemente mussten an die erhöhten Durchflusswerte angepasst werden. Durch den Einsatz von neuartigen Düsen-Spritzlöchern, den sogenannten ks-Düsen (konisch strömungsoptimiert), konnten trotz erhöhter Düsen-Durchflusswerte die EU 3-Emmisisionsgrenzwerte sicher eingehalten werden.
Als erster Hersteller setzt VW die ks-Düse in Serie ein. Durch ein neues Verrundungsverfahren wird eine Lochgeometrie erzeugt, die sich durch einen äußerst günstigen Strömungswirkungsgrad und eine hohe Fertigungsgenauigkeit auszeichnet. Das Ergebnis sind um etwa 25 % gesunkene Partikelemissionen durch die verbesserte Gemischaufbereitung
Grundmotoroptimierung
Den wesentlichen Anteil an der Aggregateentwicklung nahm die im Bild veranschaulichte Optimierung an den Triebwerksteilen ein.
Infolge der zu realisierenden effektiven Mitteldrücke von bis zu pe=22 bar und Spitzendrücken in der Größenordnung von >-170 bar mussten die Komponenten Kolben, Pleuel, die Kurbelwelle und das Zylinderkurbelgehäuse bezüglich der Festigkeit über das geforderte Beanspruchungskollektiv überarbeitet werden.
So wurde der Kolben als höchstbeanspruchtes Bauteil mit einer Feuersteghöhe von 12 mm und in einer hochwarmfesten Aluminiumlegierung ausgeführt. Das Pleuel wurde im Schaftquerschnitt verstärkt. Der Kolbenbolzen konnte durch eine Reduzierung des Innenbohrungsdurchmessers und einer beidseitigen Fasung steifigkeitsoptimiert und gewichtsreduziert ausgeführt werden. Der Pleuelkopf ist wie die laufende Serie als Trapez ausgeführt, um die Rissneigung des Kolbens im Bereich Kühlkanal und Muldenrand zu reduzieren.
Im Pleuellagerbereich wird in der Pleuellagerunterschale ein 3-Stoff-Lager eingesetzt. In der Oberschale wird das Seriensputterlager verwendet.
Die Hauptlagerschalen sind als 3-Stoff-Lager ausgeführt.
Die erhöhten Spitzendruckanforderungen führten auch zu einer Werkstoff- und Geometrieänderung der Kurbelwelle. Im Detail wurde der Hublagerzapfendurchmesser vergrößert und der Werkstoff von C 38 auf 42CroS4 umgestellt.
Das Kurbelgehäuse wird aus GG27 statt GG25 (85kW) hergestellt und ist in den hochbelasteten Querschnitten, wie etwa den Hauptlagerstühlen, zusätzlich verstärkt worden.
Zur Tribologieoptimierung und gleichzeitiger Ölverbrauchsminimierung werden die Zylinderlaufbahnen in verspanntem Zustand fluidstrahlgehont.
Das Bearbeitungsverfahren „Fluidstrahlen“ ist seit Anfang 1999 bei allen Dieselaggregaten von Volkswagen im Serieneinsatz und hat seitdem zu gleichmäßigen Ölverbräuchen auf einem niedrigen Niveau geführt.
Verfahrensentwicklung
Das aus dem 85-kW-TDI- Motor bekannte Pumpe-Düse-Einspritzsystem wurde so modifiziert, dass es den gestiegenen Anforderungen bezüglich maximalem Mitteldruck und maximaler Leistung genügt. Die hydraulisch-mechanische Voreinsspritzung mit reproduzierbar kleinen Voreinspritzmengen bewirkt eine Verbrennung mit hervorragenden Abgaswerten bei geringem spezifischen Verbrauch. Eine weitere Erhöhung des maximalen Einspritzdruckes war in diesem Evolutionsschritt nicht notwendig. Es wird ein maximaler Einspritzdruck von 2 050 bar erreicht.
Abgasturboaufladung
Intensive Entwicklungsarbeit war erforderlich, um neben dem erhöhten Bedarf an Kraftstoff pro Arbeitsspiel auch den erhöhten Frischluftbedarf sicherzustellen. Beide Komponenten des Abgasturboladers, sowohl Turbine als auch Verdichter, wurden in mehreren Entwicklungsschritten optimiert, Ziel war nicht nur die Erreichung der Nennleistung, sondern auch ein unverändert spontanes Ansprechen bei Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen.
Nebenstehendes Bild zeigt, dass ohne Einbußen bei kleinen Drehzahlen ein sehr hohes Ladedruckniveau dargestellt werden konnte. Die Regelung des Ladedruckes wird mittels verstellbaren Leitschaufeln auf der Abgasseite nach dem bewährten VNT-Prinzip realisiert.
Kolben
- verstärkter Kolbenbolzen
- Feuersteghöhe 12 mm
- Werkstoff in der Warmfestigkeit gesteigert
- optimierte Kolbenkühlung
Pleuel
- optimierte Geometrie
- Werkstoff 42 CrMo4
Kurbelwelle
- optimierte Geometrie
- Werkstoff 42 CrMoS4
Ladeluftkühlung
Der Ersteinsatz des vorgestellten Aggregates erfolgte im Golf A 4 für die Front- und 4-motion-Versionen. Einen wesentlichen Anteil an dem Erfolg des Aggregates im Golf A4 hat das moderne Frontladeluftkühlerkonzept,
Der Frontladeluftkühler ist in Fahrtrichtung direkt hinter dem Klimakondensator vor dem Wasserkühler positioniert. Diese Anordnung bietet folgende Vorteile:
- größere effektive Kühlerfläche und daraus resultierende größere Kühlleistung
- größerer Luftdurchsatz durch die Positionierung des Ladeluftkühlers in der Nähe des Staupunktes.
Im Fahrzeugbetrieb zeigen sich die Vorteile der gewählten Anordnung in beeindruckender Weise. So wird bei V-max-Fahrt und einer Außentemperatur von 40 Grad C ladeluftseitig eine Temperaturabsenkung von 117 Grad K erreicht. Dies entspricht einem thermischen Wirkungsgrad von 86 %. Ein optimierter Radhausladeluftkühler liegt im Vergleich bei 71 %. Selbst bei Anhängerfahrt am Berg (12 % Steigung) mit 30 km/h steht ladeluftseitig noch eine Temperaturabsenkung um 100 K an. Das linke Bild zeigt, dass mit diesem Ladeluftkühler (LLK) im Vergleich zum Basismotor nur eine leichte Temperatursteigerung nach Ladeluftkühler zu verzeichnen ist.
Abgasmaßnahmen
Wie bereits in anderen Konzepten verwirklicht, wird beim 110-kW-TDI ein AGR-Kühler eingesetzt. Durch Steigerung des Massenanteils der AGR an der Gesamtladung und Absenkung der Ladungsspitzentemperatur wird eine NOx-Reduzierung von etwa 15 % im MVEG-Test erreicht. Gleichzeitig sinkt die Partikelemission um etwa 5 %. Zur Abgasnachbehandlung kommt ein optimierter Oxidationskatalysator zum Einsatz. Die Abgaswerte liegen damit im Bereich derer des 85-kW TDI.
Motorergebnisse
In der Tabelle sind die unter Beachtung der gesetzten Lastenheftanforderungen realisierten technischen Daten des Aggregates zusammengefasst.
Das rechts stehende Bild zeigt die Motoreneckdaten im Vergleich zu denen des 85-kW-TDI. Der spezifische Verbrauch und die Rußzahl wurden nahezu beibehalten. Das maximale Drehmoment wurde auf 320 Nm und die Leistung auf 110 kW gesteigert. Günstige spezifische Verbräuche werden auch in der Teillast erreicht.
Im Bestpunkt wurde ein spezifischer Verbrauch von 198 g/kW/h realisiert. Die im Test verbrauchsbestimmenden spezifischen Verbräuche in der niedrigen Teillast bestehen jeden Vergleich im Wettbewerb. So wird im MVEG-Test ein Kraftstoffverbrauch von nur 5,3 l/100 km erzielt. Die Emissionen unterschreiten deutlich die aktuell gültigen Grenzwerte.
Motorelektronik
Die Motorelektronik für das zeitgesteuerte Pumpe-Düse-System wurde vom 85-kW TDI PD übernommen.
Ein Geberrad mit 6 Grad-Teilung und zwei Markierungslücken auf der Kurbelwelle liefert den aktuellen Kurbelwinkel, der zur Berechnung des Einspritzbeginns und der Einspritzdauer notwendig ist. Eine mikroprozessorunabhängige Hardware im Motorsteuergerät übernimmt die Signalauswertung und die Zeitsteuerung innerhalb der 6-Grad-Impulse.
Ein zweiter Winkelgeber an der Nockenwelle erfasst innerhalb einer halben Motorumdrehung nach dem Start die Fasenlage, so dass ein spontaner Start innerhalb der ersten Motorumdrehung sichergestellt ist.
Zur Berechnung von Einspritzmenge und Förderbeginn, Ladedruck und Abgasrückführrate werden mit Hilfe von Sensoren für die Luftmenge, Kraftstoff, Luft- und Wassertemperaturen die notwendigen Eingangsgrößen für das Motorsteuergerät ermittelt.
Das 1,9-l-TDI-Aggregat mit 110 kW im Golf A4
Der Ersteinsatz des vorgestellten Aggregates erfolgte im Golf A4 für die Front- und 4-motion-Versionen. Die im Folgenden dargestellten Fahrleistungen des 110-kW-TDI PD im Vergleich zum 85-kW-TDI PD mit einem Drehmoment von 310 Nm zeigen das Ergebnis der intensiven Entwicklungsarbeit.
Betrachtet man die Vergleichswerte, so wird der sportliche Charakter dieses Aggregates unterstrichen und man erahnt den Fahrspaß, der sich dem Kunden bietet, ohne auf die bekannten Vorteile der Pumpe-Düse-Aggregate, wie beispielsweise dem niedrigen Kraftstoffverbrauch oder auch die sichere Einhaltung der Emissionsanforderungen, zu verzichten.
Zusammenfassung
Der neue 1,9-l-TDI-Pumpe-Düse-Motor mit 110 kW entstand als konsequente Weiterentwicklung des 85-kW-TDI-Basismotors mit dem Ziel, das beeindruckende Potential der Pumpe-Düse-Hochdruckeinspritztechnik auszunutzen, ohne auf die bewährten Vorteile der Volkswagen-Dieselmotoren verzichten zu müssen.
So konnte die Motorenentwicklung die ehrgeizige Aufgabe realisieren, einen Vierzylinder-Motor mit Zweiventiltechnik und einem Hubraum von nur 1,9 Litern derart weiterzuentwickeln, dass ein spezifisches Drehmoment von 168 Nm/l und eine spezifische Leistung von 58 kW/l zur Verfügung stehen.
Trotz der dazu notwendigen Mitteldruckanhebung auf nahezu 22 bar wurden die Abgasemissionsanforderungen nach EU 3 (D3) sicher erfüllt.
Der Kraftstoffverbrauch nach MVEG, gemessen im Golf A4, liegt mit 5.3 l/100 km auf dem niedrigen Niveau des Basismotors. Mit dem Ersteinsatz des Motors im Golf A4 bietet ´Volkswagen seinen Kunden eine Vierzylinder-Diesel-Topmotorisierung an, die in der Geschichte der Dieselmotorenentwicklung einen neuen Meilenstein setzt.
