Die Geschichte der Fünfzylinder-Benzinmotoren von Audi beginnt im Jahr 1976. Der in diesem Jahr eingeführte Audi 100 (Typ C2) war der erste Einsatz eines 2,3-Liter-Saugmotors in den Leistungsvarianten 85 kW und 100 kW. Dieser Motor verkörpert gleichzeitig den Schritt von Audi in die Luxusklasse. Über den Rest seines Lebenszyklus wurden zusätzliche Derivate entwickelt, die erstmals auch mit Turboaufladung kombiniert wurden. Von der 147 kW-Leistung des I5-Turbomotors im legendären Original quattro 1980 war am Ende des Lebenszyklus der 232 kW starke Motor des RS2 Avant der krönende Abschluss. Diese Entwicklungen wurden von zahlreichen Rallyesiegen in der Weltmeisterschaft begleitet. Höhepunkt war der Sieg des 440 kW / 590 Newtonmeter Audi Sport quattro S1 beim Pikes Peak International Hill Climb 1987. Die absolute Maximalleistung von bis zu 530 kW / 720 Nm wurde 1989 von den Motoren der IMSA-GTO-Rennserie in den USA erreicht. Es folgte dann eine Pause von fast 20 Jahren, bevor wieder ein Turbo-Fünfzylinder vorgestellt wurde in einem Audi-Serienfahrzeug startete der TT RS im Frühjahr 2009. Die neue Generation I5 verband den Basisantriebsstrang des in Mexiko gebauten 2,5l-Saugmotors mit dem erfolgreichen Audi TFSI-Verbrennungsverfahren und der neuesten Turboaufladungstechnologie seiner Zeit . Diese erste Generation hat die Erfolgsgeschichte der I5-Motoren sofort wieder aufgenommen. Mit seinem unvergleichlichen Sound wurde das Gerät sieben Mal hintereinander zum Internationalen Motor des Jahres gekürt. Es ist derzeit im RS 3 Sportback und RS Q3 vorgestellt. Jetzt wird der Motor als Grundlage für eine grundlegende Überarbeitung des Antriebsstrangs verwendet.
1. Entwicklungsziele
Die Entwicklung verfolgt folgende Ziele:
- Deutliche Verbesserung der Leistung:
Trotz seiner bereits hervorragenden Eigenschaften für ein Auto in der Kompaktklasse wird eine neue Segment-führende Leistung in Bezug auf maximale Leistung und Elastizität angestrebt. - Signifikante Gewichtsreduktion:
Bei der vor der Vorderachse angeordneten Motor-Getriebe-Einheit spielt das absolute Motorgewicht eine entscheidende Rolle, um eine hohe Querdynamik zu erreichen. Der konsequente Leichtbau in diesem Bereich sorgt für weitere Verbesserungen der Rundenzeiten auf der Rennstrecke. - Geringerer Platzverbrauch
Das Hauptziel besteht darin, die Einheit in die modulare Querplattform (bekannt unter der internen Bezeichnung "MQB") zu integrieren, ohne wesentliche Änderungen an der Frontendstruktur vornehmen zu müssen. Am Ende des Entwicklungsprozesses wird der Short-Fit-Platz des Vorgängers noch weiter reduziert. - Reduzierte CO2-Emissionen:
Kraftstoffverbrauch und hohe Motorleistung müssen sich nicht ausschließen. Eine Reihe von reibungsmindernden Maßnahmen, modernste Einspritz- und Aufladetechnik sowie der Einsatz des zweistufigen Audi valvelift system (AVS) auf der Abgasseite sorgen für eine deutliche Verbrauchsreduzierung gegenüber dem Vorgängeraggregat.
- Einhaltung aller zukünftigen Emissionsstandards:
Der Motor ist für den weltweiten Einsatz konzipiert und entspricht damit den zukünftigen Abgasnormen EU6, C6 und ULEV.
Abb. 1: Übersicht über den neuen I5 TFSI-Motor (Positionierung der modularen Querplattform)
2. Motoreigenschaften / Technische Highlights
Für die zweite Generation des I5 TFSI-Motors wurde das bewährte Antriebsstrang-Layout des Vorgängermodells übernommen, das auch weitere Verbesserungen hinsichtlich der inneren Reibung bietet. Trotz der signifikanten Erhöhung der maximalen Leistung auf 294 kW wurden die Hauptlagerdurchmesser reduziert, das Nockenwellenlager und der Kettenantrieb verbessert und der Druckölkreislauf einschließlich der Steuerölpumpe optimiert.
Das Gewicht des neuen I5 TFSI Motors wird durch den weit verbreiteten Einsatz leichter Materialien reduziert. Hauptausführungen sind der Aluminium-Motorblock, ein Ölwannenoberteil aus Magnesium, ein Visko-Vibrationsdämpfer aus Aluminium, eine gewichtsoptimierte Kurbelwelle und die weit verbreitete Verwendung von Aluminiumbolzen.
Zur Verbesserung der Drehmomenteigenschaften wurden ein neuer Turbolader und das bewährte Audi valvelift system (AVS) in einer Neuentwicklung angepasst. Dank des hohen Drehmoments von 480 Nm bei 1700 / min wird eine hervorragende Leistung erreicht, gepaart mit einem besonders niedrigen Verbrauch.
Zur intelligenten Steuerung der Wärmeströme des Motors (Thermomanagement) wird eine schaltbare Kühlmittelpumpe entwickelt. Dies ermöglicht eine vollständige Abschaltung des Kühlmitteleinlasses in der Warmlaufphase.
Das bekannte FSI / MPI-Einspritzsystem von Audi wird an die künftige Abgasnorm EU 6 angepasst. Die Möglichkeit, den Einspritzmodus frei wählen zu können, bedeutet, dass Partikelemissionen über weite Kartenbereiche signifikant reduziert werden können und auch der Verbrauch reduziert werden kann. Darüber hinaus ist es möglich, im Volllastbereich durch einen kombinierten Einspritzvorgang höhere Kraftstoffströme zu liefern, ohne die Öffnungsweite der Hochdruckinjektoren erhöhen zu müssen.
Tabelle 1 enthält die Hauptabmessungen und andere charakteristische Daten des Motors. Die Vorgängereinheit basierend auf dem TT RS wird zum Vergleich vorgestellt.
Tab. 1: Hauptabmessungen und Kenndaten des I5 TFSI Motors im Vergleich zum Vorgänger
Ein wesentliches Kriterium für einen quer eingebauten Fünfzylindermotor ist seine absolute Passlänge.
Abb. 2: Gesamtlänge des I5 TFSI-Motors
Die Paßlänge kann gegenüber der Vorgängereinheit um weitere 2,5 mm reduziert werden. Dies wird durch den Umbau des Poly-V-Riementriebs von einer 2-Spur- auf eine 1-Spur-Ausführung und durch eine weitere Reduzierung des Platzbedarfs im Bereich des hinteren Kettenantriebs erreicht. Mit einer absoluten Länge von nur 493 mm entspricht der aktuelle I5 TFSI-Motor den konventionellen I4-Motoren.
3. Basis-Antriebsstrang
Im Fokus der Weiterentwicklung des Basismotors steht neben der Auslegung auf maximale Spitzenleistung eine deutliche Reduzierung der Motormasse bei gleichzeitiger Reduzierung der Reibungsverluste. Insgesamt kann das Gewicht des Motors nach DIN GZ im Vergleich zum Vorgänger um 29 kg auf 157 kg reduziert werden.
3.1 Motorblock
Der Hauptbereich der Gewichtsreduzierung ist im Motorblock. Der Materialwechsel von Vermiculargraphit Eisenguss zu Aluminium ergibt eine Gesamtgewichtseinsparung von
18,8 kg. Wie im Vorgänger ist das Bauteil als Tiefkant-Lösung konzipiert. Der Motorblock wird im Kokillenguss nach der Rotacast-Technik hergestellt. Nach dem Befüllen mit flüssigem Aluminium wird das gesamte Gussstück um 180 ° gedreht. Dadurch entsteht eine gleichmäßig verteilte Struktur, die im Bereich des Lagerblocks und des Oberdecks für optimale Festigkeit sorgt. Die verwendete Legierung ist Aluminium AlSi7Mg0,3. Der Motorblock des I5 TFSI ist der erste Motor der Welt, der mit dieser Technik hergestellt wurde. Zur weiteren Verbesserung der Festigkeit sind die doppelt geschraubten Hauptlagerdeckel GJS700 laserstrukturiert und mit einem zusätzlichen Querbolzen versehen. Als weitere Gewichtsreduktionsmaßnahme wird mit der Integration der Wasserpumpenspirale und des Hochdruck-Kraftstoffpumpenmoduls eine hohe Funktionsintegration realisiert. Ein weiteres technisches Highlight ist die Beschichtung der Zylinderbohrung mit dem APS-Verfahren (Atmospheric Plasma Spray). Die Verwendung eines Graugussliners wurde wegen des Bohrungsdurchmessers von 82,5 mm, gepaart mit einem Zylinderabstand von 88 mm, ausgeschlossen, was eine Bahnbreite von nur 5,5 mm ließ. Die APS-Beschichtung wird im eigenen Haus durch Auftragen eines feinkörnigen Spritzpulvers hergestellt. Vor der Anwendung wird die Zylinderbohrung mit einem Zahnprofil mechanisch aufgerauht, um die Haftung der Beschichtung zu verbessern. In Kombination mit einem speziell optimierten Honprozess entstehen in der Bohrung kleine Schmiertaschen, die ein reibungsarmes und verschleißarmes Gleiten der Kolbenringe gewährleisten. Weitere Vorteile dieser Lösung sind die im Vergleich zum Grauguss verbesserte Wärmeabfuhr, die daraus resultierende Verbesserung der Klopffestigkeit bei der Verbrennung und die verbesserte Korrosionsbeständigkeit bei der Verwendung von minderwertigen Kraftstoffen auf verschiedenen Weltmärkten. Dank der verbleibenden Bahnbreite kann eine zusätzliche Bahnkühlbohrung installiert werden. Die Details dieses innovativen Motorblockdesigns sind in Abbildung 3 dargestellt.
Abb. 3: Motorblock des I5 TFSI-Motors
3.2 Ölwanne
Eine weitere Komponente, die der Gewichtsreduzierung unterliegt, ist der Ölwannenoberteil. Der Materialwechsel von Aluminium zu Magnesium ergibt eine Gesamtgewichtseinsparung von
1,9 kg. Das Bauteil wird in der Legierung MgALRE-2 von der hauseigenen Gießerei von Audi hergestellt. Im Fokus steht dabei die maximale Steifigkeit der Verbindung zum Motorblock durch zusätzliche Verschraubungen an den Lagerkappen. Gleichzeitig wird das Ölflussmanagement ohne den Einsatz von Trockensumpfschmierung auf Rennleistungen optimiert. Druckluftzufuhrleitungen werden bewusst weggelassen, um mögliche Leckagen durch Porosität zu vermeiden. Das Material des Ölwannenbodens wird von Stahl auf Aluminiumblech umgestellt. Dies ergibt eine weitere Gewichtseinsparung von 1,0 kg. Die leichtere Ölwannenanordnung ist in 4 gezeigt.
Abb. 4: Ölwanne oben und unten am I5 TFSI-Motor
3.3 Kurbelantrieb und Kolbenbaugruppe
Der Kurbelantrieb unterliegt extremen Festigkeitsanforderungen, um die hohe Leistungsbewertung zu erreichen. Dennoch wurden die Hauptlagerdurchmesser der Kurbelwelle von 58 mm auf 52 mm reduziert, um die Reibung zu reduzieren. Als weitere Gewichtsersparnis werden in den Flanken Bohrungen sowie eine Längsbohrung eingebracht. Die geschmiedete und temperierte Kurbelwelle aus 42CrMoS4-Material wurde dadurch 1,5 kg leichter.
Die Kolbenbaugruppe verwendet Technologien des Stands der Technik, um der Belastung standzuhalten. Bei einem Audi Benzinmotor kommen erstmals Kühlkanalkolben zum Einsatz. Dadurch kann die maximale Kolbenbodentemperatur um bis zu 30 K gesenkt werden.
Abb. 5: Vergleich der Kolbentemperatur
Um die Funktion des Kühlkanalkolbens optimal zu nutzen, werden gerichtete Kolbenkühldüsen eingesetzt. Die Verwendung einer Auskleidungslösung im kleinen Pleuelauge wurde aufgrund ihrer Verschleiß- und Deformationsanfälligkeit ausgeschlossen. Stattdessen wird eine neuartige MoN-Beschichtung des Kolbenbolzens als eine Weltneuheit an diesem Ort implementiert. Dies garantiert maximale Festigkeit in Verbindung mit optimalen Verschleißeigenschaften im Linerless-Pleuelauge.
Der Schwingungsdämpfer besteht aus Aluminium als weitere gewichtsreduzierende Maßnahme. Die Komponente wird durch Formen hergestellt; Die Dämpfung wird durch einen in viskoses Öl schwimmenden Stahlring gewährleistet. Insgesamt wird eine Gewichtsersparnis von 0,7 kg erreicht, wobei das geringe Gewicht an der Kurbelwellenfront einen zusätzlichen positiven Effekt hinsichtlich der Kurbelwellenfestigkeit bietet. Abbildung 6 zeigt die Kurbeltrieb- und Kolbenbaugruppe des I5 TFSI.
Bild 6: Kurbeltrieb und Kolbenbaugruppe des I5 TFSI-Motors
3.4 Kettenantrieb
Der getriebeseitige Steuertrieb ist zweistufig ausgeführt und wird mit zwei verschiedenen Kettentypen betrieben. Die untersetzte Ölpumpe ist in den Primärantrieb integriert. Zur Reduzierung der Reibung ist die volumenstromgeregelte Pumpe als Flügelzellenpumpe ausgeführt. Die beiden Nockenwellen mit den hydraulischen Verstellern werden von einem Zwischenrad angetrieben. Beide Antriebe sind mit hydraulisch gedämpften Kettenspannern ausgestattet. Das Zwischenrad treibt die mechanische Vakuumpumpe und erstmals auch die Kraftstoffhochdruckpumpe an.
Abb. 7: Kettenantriebs-Layout des I5 TFSI-Motors
Die Bewegung der Kraftstoffpumpe in den Kettenantrieb bringt erhebliche Vorteile innerhalb des Pakets mit kürzeren Kraftstoffleitungen als wenn sie sich auf dem Zylinderkopf befinden. Die direkte Verbindung der Pumpe mit dem Motorblock sorgt für eine hohe Steifigkeit und bereitet gleichzeitig auf zukünftige Kraftstoffdrucksteigerungen vor. Die Kette im Primärantrieb ist eine 8 mm Zahnkette. Mit dieser Kette konnte die Paßlänge bei gleicher Stärke gegenüber der Vorgängereinheit verkürzt werden. Im Sekundärantrieb wird eine 8 mm Rollenkette verwendet. Passend zum neuen Layout wurden alle Übersetzungen und Biegeradien der Klemmschienen neu gestaltet, um die Reibung zu optimieren.
Abb. 8: Vergleich der Kettenantriebsdynamik
3.5 Zylinderkopf mit Audi valvelift system (AVS)
Für den I5 TFSI der zweiten Generation wird der Zylinderkopf grundlegend überarbeitet. Zur Abdichtung der Brennkammer, die der Druckspitzenbelastung standhält, wird eine hochfeste Zylinderkopfschraube der Festigkeitsklasse 14.9 in Verbindung mit einer fünfschichtigen Zylinderkopfdichtung verbaut. Die hohen Abgasdurchflüsse machten es notwendig, die Ventilschaftdichtung in den Ventilfederträger zu integrieren.
Die wesentliche Konstruktionsänderung betrifft das Konzept des Nockenwellenlagers. Sie sind erstmals vollständig in die Zylinderkopfhaube integriert. Dies hilft nicht nur beim Einbau, sondern ermöglicht auch absolut spannungsfreien Sitz und damit Reibungsreduzierung.
Der neue I5 TFSI verfügt erstmals über das zweistufige Audi valvelift system (AVS) auf der Auslassseite. Im Gegensatz zu bisherigen AVS-Anwendungen bei Audi-Reihenbenzinmotoren ist die Hauptwelle in den Nockenwellenlagern gelagert. Die Lagerung der Nockenwellen zwischen den Zylindern sorgt für einen kompakten Systemaufbau. Die Nockensegmente sind auf geschliffenen diametralen Schultern der Zahnwelle zentriert. Das zweistufige AVS-System ermöglicht den Wechsel zwischen Ventilöffnungszeiten von 200 ° CA für moderaten Verbrauch bei niedriger und Teillast und 270 ° CA für schnelle Reaktion und hohe Leistung bei Volllast. Es werden Doppelstößelbetätigungseinheiten verwendet, wobei die Stößelgehäuse durch eine Doppelschraubenbefestigung an der Zylinderkopfabdeckung befestigt sind. In Verbindung mit einer tiefen, steifen Verbindung des Steckerkontaktgehäuses reduziert dies Vibrationen in der Kontaktierungszone.
Abb. 9: Zylinderkopf mit AVS
Durch die Bewegung der Kraftstoffpumpe in den Kettenantrieb wird die Schwingwinkelanregung im Nockenwellenantrieb am Zylinderkopf deutlich reduziert und somit die Nockenwellensteuerung verbessert.
Abb. 10: Nockenwellen-Wechseldrehmomente mit / ohne Kraftstoffhochdruckpumpe
3.6 Motorreibung
Die folgenden Maßnahmen sind implementiert, um den Reibungsverlust zu reduzieren:
Hauptlagerdurchmesser von 58 auf 52 mm reduziert
Vormontierte Nockenwellenlager
Optimiertes Kolbenspiel und Kolbenringe
Einspuriger Riemenantrieb
Thermomanagement mit schaltbarer Wasserpumpe und Komponententemperatursensor im Zylinderkopf
Die Kombination aller reibungsmindernden Maßnahmen am Grundmotor ergibt einen absoluten mittleren Reibdruck von 0,54 bar bei 2000 min-1. Umgerechnet in CO2 wird eine Einsparung von 2,5 g CO2 / km erreicht (Abbildung 11).
Abb. 11: Vergleich des mittleren Reibungsdrucks mit dem Vorgängermotor
4 Add-on Teile
4.1 Frischluftseite
Das Design des Ansaugsystems konzentrierte sich hauptsächlich auf hohe Effizienz und Durchsatz. Bei maximalen Luftdurchsätzen von bis zu 1200 kg / h wurden die maximal möglichen Querschnitte im Bauraum genutzt und eine möglichst kurze und direkteste Luftführung erreicht.
Abb. 12: Übersicht der Ansaug- und Druckbereiche
Die Frischluftseite ist in Abbildung 12 dargestellt und enthält die folgenden Komponentenbaugruppen:
- Kaltluftansaugung inklusive Wasserabscheider, Verbindung zum vorderen Ende
- Luftfilter mit Pulsationsdämpfung
- Verdichteransaugsystem mit Wastegate-Förderung
- Kompressor
- Druckleitung vor Ladeluftkühler
- Ladeluftkühler mit Kunststoffboxen
- Druckrohr- und Drosselklappeneinheit mit integriertem Wastegate-Ventil
- Ansaugkrümmer mit Trommelklappensystem
Neben der Optimierung dieser Baugruppen bestand ein weiteres Ziel darin, die Anströmung des Verdichterrades auf der Saugseite zu optimieren. Das Auswuchten des Ansaugsystems mittels CFD liefert ein Durchflussregelsystem, das stabile Betriebspunkte nahe der Pumpgrenze des Kompressors ermöglicht.
Der größte Verlust auf der Druckseite ist auf den Ladeluftkühler zurückzuführen. Da logischerweise das größte Optimierungspotenzial in der Verbesserung des Ladeluftkühlers liegt, wird in der Audi-Querbühne ein modifiziertes Designkonzept umgesetzt. Durch die Installation im unteren Teil des vorderen Endes (siehe Abbildung 12) könnte der Kühler vollständig in den Staudruckbereich bewegt werden. Dies ermöglicht, dass der externe Ladungskühlungsluftmassenstrom maximiert wird, was Freiheitsgrade in der inneren Laminierung liefert. Trotz der internen Flussderestriktion
was dies bewirkt, was bei maximalem Durchsatz zu einem Druckverlust des gesamten Systems von nur 135 mbar führt, werden bei Volllast Kühleffizienzen von> 80% erreicht.
Der Ansaugkrümmer ist für die Massenproduktion als zweiteiliges Sandguss-Bauteil aus Ansaugkanal und Luftsammler optimiert. Das in die Ansaugarmgalerie integrierte pneumatische Klappensystem sorgt in Verbindung mit dem Tumble-Einlasskanal für die notwendige Ladungsbewegung für eine optimale Homogenisierung der Mischung. Das System basiert auf dem Vorgängermotor und wird hinsichtlich der Turboaufladung modifiziert und optimiert. Abbildung 13 zeigt den kompletten Ansaugkrümmer.
Abb. 13: Ansaugkrümmer mit Tumbleklappen und MPI-Düsen
Der Luftkollektor bildet in Verbindung mit der Zylinderkopfhaube und der kleinen Motorhaube das Herzstück des Motorraumdesigns, wie auch bei diesem Audi RS Modell gezeigt wird.
4.2 Abgasseite
Die Auslassseite umfasst die folgenden Komponenten-Baugruppen:
- Verteiler / Turbolader-Modul
- Nah gekoppelter Vorkatalysator
- Dual-Flow-Frontauspuff mit Entkopplungselementen
- Optionale Unterboden-Katalysatoren mit nachgeschalteten Center-Schalldämpfern
- Endschalldämpfer mit zwei Endrohren
Die Gestaltung des zentralen Bauteils auf der Abgasseite - das Verteiler / Turbolader-Modul - soll die Erfahrungen des seit 2009 in Produktion befindlichen Audi Fünfzylinder-TFSI-Motors widerspiegeln. Damit kehrt sich die Drehrichtung der Rotorbaugruppe um. Nach der Optimierung der Flusssteuerungs- und Lastzyklen auf verschiedene Arten wird der "zusätzliche" Zylinder als "separater Vorschub" integriert, wie in Abbildung 14 gezeigt.
Abb. 14: Turboladermodul
Die detaillierte Konfiguration des Luftstroms vor und im Verdichter sowie auf der Krümmerseite bis zum Katalysator wird in umfangreichen CFD-Simulationen optimiert. Abbildung 15 visualisiert die Strömungsverhältnisse auf der Abgasseite. Die Strömungsverhältnisse zum Katalysator werden ebenfalls berücksichtigt.
Abb. 15: CFD-Simulation des Turboladers mit Durchfluss zu Kat
Parallel dazu werden umfangreiche thermomechanische Tests am kompletten Modul einschließlich des Katalysators durchgeführt. Diese Tests haben gezeigt, dass der Bereich um das Wastegate einer hohen Belastung ausgesetzt ist. Daher wird das Wastegate in einem umfassenden Iterationsprozess, der Berechnungen und Thermoschocktests beinhaltet, für eine längere Lebensdauer qualifiziert und ausgelegt. Abbildung 16 zeigt die Verbesserung in diesem Bereich.
Abb. 16: FEM-Simulation des Turboladers und detaillierte Berechnung des Wastegate-Anschlusses
Die eigentliche Turboladerbaugruppe, der Verdichter und die Turbine können über einen weiten Betriebsbereich hinweg zu einem hohen Wirkungsgrad entwickelt werden. Das wassergekühlte Lagergehäuse mit externer Ölversorgung ist bei abgestelltem Motor durch eine Zusatzwasserpumpe vor zu hohen Temperaturen geschützt. Die Einhaltung der maximal zulässigen Abgastemperatur von 1.000 ° C ist unter allen Betriebsbedingungen durch eine modellgestützte Abgastemperaturregelung sichergestellt. Das Krümmer- / Turbolader-Modul aus Stahlguss 1.4849 wird durch das bewährte Klemmflanschsystem von Audi am Zylinderkopf befestigt. Dies ermöglicht zusammen mit der freitragenden Konstruktion des Turboladermoduls eine Kompensation der Wärmeausdehnung während des Betriebs, wodurch die Einführung von Zwangskräften minimiert werden kann. Um die Abgasnorm EU-6 zu erfüllen, ist es wichtig, dass der Katalysator möglichst nahe am Turbinenauslass positioniert wird. Das Volumen des Katalysatorkörpers kann dabei mehr als doppelt so groß sein wie der Vorgänger.
4.3 Kraftstoffsystem
Zur bedarfsgerechten Kraftstoffversorgung wird ein Konzept aus Hochdruck-Direkteinspritzung und Saugrohreinspritzung angepasst. Der Kraftstoff für die Hochdruckseite wird von einer bedarfsgeregelten Einkolben-Hochdruckpumpe geliefert. Diese Hochdruckpumpe wird über eine Dreifachnocke an der Zwischenwelle des Kettenantriebs betätigt. Die Einspritzparameter - Kraftstoffzuordnung, Einspritzanzahl, Einspritzbeginn und Kraftstoffhochdruck - können am Motorsteuergerät nach Bedarf eingestellt werden. Der maximale Systemdruck wird auf 250 bar erhöht.
5. Thermodynamik
5.1 Verbrennungsmethode
Das gesetzte Ziel, die Motorleistung pro Liter auf über 115 kW / l zu erhöhen, mit einem möglichst breiten nutzbaren Drehzahlbereich bei hohem mittleren Druckniveau, stellt extreme Anforderungen an das Verbrennungsverfahren.
Grundlage für die Entwicklung der Verbrennungsmethode war der Audi 2.0l TFSI-Motor der neuesten Generation. Eine optimale Gemischaufbereitung wird durch ein kombiniertes FSI / MPI-Einspritzsystem erreicht. Eine Kraftstoff-Schichteinspritzung (FSI) mit bis zu 250 bar Kraftstoffdruck und eine Mehrpunkteinspritzung (MPI) im Ansaugtrakt in der Nähe der Einlassventile sind implementiert. Der hohe Freiheitsgrad bei der Auswahl der Einspritzparameter in Kombination mit einer einlassseitigen Ladungsbewegungsklappe ermöglicht die notwendige Reduzierung der Partikelemissionen, um zukünftige Emissionsgrenzwerte zu erfüllen. Dank der hochentwickelten Kraftstoffeinspritzung sind keine weiteren lastbewegungsbezogenen Maßnahmen im Motor erforderlich, um die Gemischaufbereitung zu verbessern. Der Kolben hat eine flache Krone, die die Basis für die hohe Literleistung darstellt.
Abb. 17: Darstellung der Verbrennungsmethode
5.2 Leistung / Drehmomententwicklung
Obwohl der etablierte Audi 2.5l I5 TFSI-Motor mit einem mittleren Druckniveau von 23,5 bar bereits seine direkten Konkurrenten schlägt, ist es Ziel der laufenden Entwicklungsarbeit, diesen Wert auf 24,3 bar zu steigern. Dies erfordert umfangreiche Modifikationen der Systeme, die die Leistungsabgabe diktieren. Grundvoraussetzung für einen breiten nutzbaren Drehzahlbereich bei hohem mittlerem Druckniveau und zur Erreichung hoher Spitzenleistungen ist eine effiziente Strömungsbegrenzung der luft- und abgasführenden Bauteile. Darüber hinaus ist es wichtig, die einzelnen Systeme umfassend auszugleichen und gleichzeitig die Wechselwirkungen der Systeme aufeinander zu überwachen. Durch sorgfältige Detaillierung können die einzelnen Drehzahlbereiche optimal abgestimmt werden.
Im unteren Drehzahlbereich ermöglicht die FSI-Einspritzung die Trennung von Ladezyklus und Gemischaufbereitung. In Verbindung mit einer Phasenanpassung der Einlass- und Auslassnockenwellen und einer Anpassung der Ereignislängen auf der Abgasseite durch den AVS kann Restgas wesentlich reduziert werden. In diesem Zusammenhang stellt die Erweiterung des Phaseneinstellbereichs der Einlassnockenwelle von 42 ° CA auf 50 ° CA eine wesentliche Verbesserung dar.
Abb. 18: Entwicklung des Mitteldrucks mit AVS
Die gezielte Beibehaltung hoher Füllgrade im unteren Drehzahlbereich erfordert trotz des erhöhten Turbinenraddurchmessers die Erzeugung ausreichender Turbinenleistung bei geringen Abgasmassenströmen. Eine optimierte Ausnutzung der Abgaspulsationen am Turbinenrad wird erreicht, indem das Design des Abgaskrümmers in Bezug auf den Druckverlust modifiziert wird und die Drehrichtung der Rotoranordnung umgekehrt wird. Der geringe Restgasgehalt, eine gute Homogenisierung der Mischung, eine verbesserte Wärmeabgabe aus der Brennkammer und die daraus resultierende geringe Klopfneigung ermöglichen eine sehr hohe Kompression für diesen Aufladegrad von Epsilon 10 (ROZ 98).
Die hohe Verdichtung in Verbindung mit effizienter Fahrzeugladeluftkühlung, optimaler Abfluss zum Turbolader und die geringe Massenträgheit des Turboladers sorgen für extrem hohe mittlere Drücke und Spontanreaktion im unteren Drehzahlbereich.
Die optimale Abstimmung von Turbine und Kompressor bestimmt den Gesamtwirkungsgrad des Turboladers. Das effiziente Verbrennungsverfahren mit einer hohen Grundkompression kombiniert mit einem Turbolader, der im mittleren Drehzahlbereich auf maximale Wirkungsgrade ausbalanciert ist, ermöglicht die Beibehaltung des hohen mittleren Druckniveaus mit sehr guten thermodynamischen Eigenschaften im mittleren Drehzahlbereich.
Das gesamte System ist auf maximale Durchsätze optimiert, die auf den oberen Drehzahlbereich dieses Hochleistungsmotors abgestimmt sind. Ausschlaggebend dafür sind die aufeinander abgestimmten druckverlustoptimierten Ansaug-, Druck- und Abgassysteme. Das Verbrennungsverfahren mit einem flachen Kolbenboden minimiert die luftseitigen Verluste im Motor in diesem Drehzahlbereich, während die proportionale MPI-Kraftstoffeinspritzung die Lieferung der maximalen Kraftstoffmenge für eine maximale Ausgangsleistung von 294 kW sicherstellt und die Neigung des Motors verringert klopfen.
5.3 Abgasentwicklung
Die gesetzten Ziele zur Einhaltung der EU6-Emissionsgrenzwerte und zur Verbesserung der Verbrauchszahlen gegenüber dem Vorgängermotor werden durch die beschriebenen Baugruppen und Maßnahmen erreicht:
- Kombiniertes FSI / MPI-Einspritzsystem
- Tumble-Klappe Ansaugkrümmer
- Audi valvelift system (AVS)
- Intelligentes Wärmemanagement (ITM)
- Eng gekoppelter Vorkatalysator
- Signifikante Gewichtsreduktion
- Reduzierte Reibung
zusammen mit entsprechender Parameteroptimierung.
5.4 Ergebnisse / Vergleich
Durch den Einsatz des kombinierten FSI / MPI-Einspritzsystems in Verbindung mit intelligentem Thermomanagement und dem Audi valvelift-System wird durch die Neukonstruktion des Turboladers die maximale Leistung von 5850 auf 7000 min-1 von 265 kW auf 294 kW erhöht. Trotz eines Drehmomentanstiegs von 465 Nm auf 480 Nm wird der breite Drehzahlbereich bei maximalem Drehmoment von 1700 bis 5800 / min sogar noch erweitert. Die enorme Effizienzsteigerung des Motors zeigt sich nicht nur in der erreichten Leistungssteigerung, sondern auch in den Einsparungen beim Kraftstoffverbrauch. Abbildung 19 zeigt das Volllastdiagramm des neuen Fünfzylinders im Vergleich zum Vorgängermotor.
Abb. 19: Drehmoment- und Leistungskurve im Vergleich zum Vorgängermotor
6. Driving Erfahrung / Leistung / Kraftstoffverbrauch
Das gesteigerte Drehmoment und die höhere Leistung des Fünfzylinders in Verbindung mit einem 7-Gang-Doppelkupplungsgetriebe ermöglichen es dem neuen Audi TT RS Coupé, seine Leistung in die Supersportwagen der neuesten Generation zu steigern (Tabelle 2).
Tab. 2: Leistung und Verbrauch
Trotz dieser beeindruckenden Beschleunigungsleistung ist auch ein sparsamer Verbrauch möglich. Der ECE-Verbrauch des TT RS Coupé liegt bei sehr niedrigen 8,2 bis 8,4 Litern pro 100 km. Im Alltagsverkehr mit moderater Fahrweise ist ein Verbrauch von weniger als 8 Litern pro 100 km möglich.
Der speziell abgestimmte Motorsound trägt ebenfalls zum besonderen Fahrerlebnis bei. Ein Wahlknopf im neuen Audi TT RS ermöglicht den Wechsel zwischen Sport und Komfort-Sound-Modi. Im Sportmodus, insbesondere unter Volllastbeschleunigung, wird der typische Sound des Fünfzylinders erfreulicherweise durch die Ansaug- und Abgasanlage abgegeben. Bei konstanter Geschwindigkeit und unter mäßiger Beschleunigung kann ein angenehmer, zurückhaltender Motorsound vorgewählt werden.
7. Zusammenfassung und Ausblick
Mit dem weiterentwickelten 2.5l I5 TFSI-Motor hat Audi einen weiteren Meilenstein in der Tradition der Fünfzylinder-Turbomotoren gesetzt. Der Motor, der in einem Gemeinschaftsprojekt der AUDI AG und der quattro GmbH entwickelt wurde, repräsentiert erneut den absoluten Klassenführer im A-Segment.
Die konsequente Umsetzung der Leichtbauweise in Verbindung mit reibungsreduzierenden Maßnahmen und der Einsatz modernster Auflade- und Einspritztechnik hat einen High-End-Motor geschaffen, der bei minimiertem Kraftstoffverbrauch Performance und Fahrspaß in Supercar-Qualität bietet Verbrauch und CO2-Emissionen.
Der neue 2.5l I5 TFSI-Motor ist der erste einer neuen Generation von quer eingebauten Hochleistungsmotoren im RS-Segment.
8. Literatur
BÖHME, J .; MÜLLER, H .; GANZ, M .; MARQUES, M.
"Der neue 2,5-Liter-TFSI-Fünfzylinder-Motor für den Audi TT RS" [Der neue 2,5-Liter-TFSI-Fünfzylinder für den Audi TT RS]
30. Wiener Motorensymposium 2009
BÖHME, J .; MÜLLER, H .; GANZ, M .; MARQUES, M.
"Der neue R5 TFSI von Audi im TT RS - eine aufladetechnische Herausforderung" [Der neue I5 TFSI von Audi im TT RS - eine Auflade-Herausforderung]
14. Dresdner Aufladekonferenz 2009
HEIDUK, T .; DORNHÖFER, R .; EISER, A .; GRIGO, M .; PELZER, A .; WÜRDEN, R.
Die neue Motorengeneration des R4 TFSI von Audi [Die neue I4 TFSI Motorengeneration von Audi]
32. Wiener Internationales Motor Symposium 2011
EICHLER, F .; DEMMELBAUER-EBNER, W .; THEOBALD, J .; STIEBELS, B .; HOFFMEYER, H .; KREFT, M.
"Der neue EA211 TSI®evo von Volkswagen" [Der neue EA211 TSI®evo von Volkswagen]
37. Wiener Internationales Motor Symposium 2016
