Markenbotschafter – Der Motor des Audi R15TDI im Detail
Seit dem historischen Sieg des V12TDI von Audi bei den 24h von Le Mans 2006 , dem ersten Triumph eines Dieselmotors im Rennsport, wurde das härteste Langstreckenrennen der Welt nur noch mit Selbstzündern gewonnen. Als Pionier des direkteinspritzenden Dieselmotors im PKW hat Konstrukteur Ulrich Baretzky damit dem Dieselantrieb einen festen Platz im Motorsport ermöglicht. Auch der Nachfolger des 12-Zylinders, der V10TDI des R15, ist ein höchst innovatives Aggregat. Basierend auf einer Präsentation für das Wiener Motorensymposium stellt motorsport-guide dieses erfolgreiche Motorenkonzept mit seinen Weiterentwicklungen erstmals im Detail vor.
Markenbotschafter - Der Motor des Audi R15TDI im Detail
Mit der Einführung
eines Reglements für Dieselmotoren hat sich der Charakter der Rennen in
Le Mans verändert. Seit Audi als erster Hersteller den R10 mit
Dieselmotor ins Rennen schickte und gleich beim ersten Einsatz
überlegen gewann, haben Benzin-getriebene Fahrzeuge keinen Sieg mehr
geholt.
Motor des Audi R15 TDI (oben) und R10 TDI (unten) im Vergleich
Auch wenn das vor allem eine Frage der Reglement-Balance zwischen den
unterschiedlichen Konzepten ist (Diesel hat ca. 5% mehr Energiegehalt
als Benzin) – dank Sparsamkeit, Drehmoment, breitem nutzbarem
Drehzahlband und Zuverläsigkeit erweist sich der Dieselmotor als dem
Benziner überlegen. Eine Ø-Geschwindigkeit von 225 km/h und 5410,7km
gefahrene Distanz bei 397 Runden im Jahr 2010 bedeuteten einen neuen
Rekord in der Geschichte des 24h-Rennens in Le Mans.
Audi fährt in Le Mans, weil sich dort Technik für die Serie entwickeln
lässt. Ulrich Baretzky, Leiter Motorenentwicklung Audi Sport: »In die
neue Generation des 3,0 l TDI sind viele Erkenntnisse eingeflossen, die
wir in Le Mans gewonnen haben, z. B. hoher Einspritz- und Zündruck.«
Mit dem R15 setzte Audi ab 2008 einen komplett neu konstruierten Motor
ein, der wie sein Vorgänger aus dem R10 mit Turboaufladung und
Direkteinspritzung arbeitete. Er basierte auf dem Konzept des V12,
holte aber seine Kraft bei gleichem Hubraum aus nunmehr zehn statt
zwölf Zylindern und bot das insgesamt effizientere und leichtere
Package. Neue Werkstoffe machten es möglich, die höhere Kolbenbelastung
infolge größerer Bohrung zu kompensieren.
Das Siegerfahrzeug hatte während seiner 33 Boxenstopps 2010 eine
Standzeit von nur 35.25 Minuten (2009: 61.68 min bei 33 Stopps). Bei
einer Streckenlänge von 13,650 km und einem vorgeschriebenen
Tankvolumen von 81 l war der R15 in der Lage, Stints von 13 Runden zu
fahren. Das entspricht einem Verbrauch von ca. 42 bis 45 l/100 km bei
über 70% Volllastanteil und 33 Stopps. 2009 gewann der R15 zweimal die
Auszeichung »Michelin Green X Challenge« für geringsten
Kraftstoffverbrauch in seiner Klasse.
Diese hohe Effizienz wird durch zahlreiche Detaillösungen erreicht, bis
hin zu gangabhängigen Mengenkennfelder für die Direkteinspritzung. Auch
das Steuergerät liefert eine Verbrauchsberechnung – entscheidende
Informationen für die Rennstrategie. Spezielle Kennfelder z.B. für
Pace-Car-Phasen oder Regen stehen den Fahrern auf Knopfdruck zur
Verfügung und helfen, den Verbrauch weiter zu senken.
Reglement und Konzeptfindung
Das Reglement fördert gezielt die Entwicklung effizienter Motoren. Im
Laufe der Jahre wurde die Öffnung der vom Reglement vorgeschriebenen
Restriktoren immer weiter verringert. Parallel dazu senkte der ACO die
zulässigen Ladedrücke für die Turbolader (Abb. 1). So erwirkt er eine
Entschärfung der Rundenzeiten aus Sicherheitsgründen, zugleich zwingen
diese Vorgaben die Motorenbauer zu ständiger Optimierung der
Leistungsausbeute – ganz im Sinne der Hersteller, die darin den Bezug
zur Alltagstechnik sehen.
Bei der Überlegung, wie der neue Motor aussehen könnte, wurden zunächst
die wichtigsten Parameter des Gesamtfahrzeugs und der Firmenphilosophie
abgewogen:
• Fahrzeugpackage
• Hubraum
• Motorgewicht
• Schwerpunktlage
• Baulänge
• Kolbenbelastung
• Schwingungsverhalten
• Entwicklungspotential
• Transfer von/zu Serienmotoren
Mit Hilfe von Simulationsrechnungen auf der Basis vorliegender
Streckendaten konnte das Entwicklungsteam einige Konzeptgrundlagen
festlegen:
• Leistung über 650 PS
• Drehmoment größer 1100 Nm in einem breiten nutzbaren Drehzahlband, um ein 5-Gang-Getriebe einsetzen zu können
• Motorgesamtgewicht <220 kg
• Gleiche Steifigkeit im Fahrzeugverbund
• Volltragende Bauweise (analog R10 V12TDI)
Im September 2007 fiel nach einer Bewertung des R10-Gesamtpackages die
Entscheidung für die Entwicklung des neuen Motors. Ulrich Baretzky
begründet die Entscheidung mit der Möglichkeit, den Motor kürzer zu
bauen und so die Fahrzeugbalance zu optimieren: »Die Packagemaße für
einen 5,5-l-V10-Motor zeigen den Längenvorteil des 10-Zylinderkonzepts.
Dagegen baut der V12-Motor tiefer im Fahrzeug, bei etwas geringeren
Abmessungen in Höhe und Motorbreite.« Der 8-Zylinder wurde aufgrund zu
hoher Belastung der Komponenten verworfen (Abb. 2).
Durch die Verringerung der Zylinderzahl bei identischem Gesamthubraum
stieg das Einzelvolumen je Zylinder um 20%, entsprechend die
erforderliche Einspritzmenge. Das gemeinsam mit Bosch entwickelte neue
Hydrauliksystem wurde diesen Anforderungen gerecht.
Eine Herausforderung stellte die um 12 % gestiegene
Kolbenflächenbelastung dar. Lieferant Mahle begegnete den höheren
Drücken durch einen Wechsel von Aluminiumkolben mit faserverstärktem
Muldenrand auf Stahlkolben. Diese waren bereits im V12 erprobt worden,
wegen der zuverlässig arbeitenden Aluminiumkomponenten aber nicht zum
Renneinsatz gekommen. (Peugeot hatte die Stahlvariante bereits ein Jahr
früher im Einsatz als Audi.)
Vorgabe für die Motorenentwicklung war, dass Aerodynamik und Balance
nicht negativ beeinflusst werden sollten. Zu diesem Zeitpunkt blieben
noch 18 Monate bis zum ersten Renneinsatz.
Entwicklungsmethodik
Dank der für den V12 seinerzeit geleisteten Grundlagenarbeit in der
Entwicklung des Brennverfahrens und seiner bewährten Eigenschaften
hatte das Team frühzeitig beschlossen, dessen Grundarchitektur zu
übernehmen und für den beschlossenen 10-Zylinder zu adaptieren. So
sollte es möglich sein, die Entwicklungszeit von damals 30 auf
insgesamt 20 Monate zu verkürzen.
So blieben der Zylinderabstand und die Anordnung der Pumpen- und
Nockenwellenantriebe unverändert. Auch bei der Gestaltung der Kanäle im
Zylinderkopf konnten wesentliche Erkenntnisse in das zunächst
konstruierte 1-Zylinder-Aggregat übernommen werden, das aus einem
umgebauten Entwicklungsmotor des V12 entstand und für die
Brennverfahrensentwicklung und Dauerhaltbarkeitstests diente. Ein Teil
der Komponenten wurde mit Rapid Prototyping hergestellt, um die Zeit
optimal zu nutzen.
Parallel zum 1-Zylinder-Zylinderkopf erfolgte die Konstruktion von
Zylinderkopf und Gesamtmotor mitsamt deren Berechnung. Bosch
entwickelte die Motronic MS 14.1, die mit dem ersten Probelauf zum
Einsatz kam.
Anschließend erfolgte die Mechanik-Entwicklung, danach die stationäre
und instationäre Erprobung des V10 inklusive eines rennähnlichen
Dauerlaufs. Roll-Out und Fahrzeugtest verliefen problemlos (s. Abb. 3).
Abb. 3: Zeitplan für die Entwicklung des R15 V10TDI
Aufbau des Motors
Bei der Konzeption des Motors standen folgende Zielsetzungen im Vordergrund:
• kompakte Abmessungen;
• hohe Triebwerkssteifigkeit bei geringem Gewicht;
• sehr hohe mechanische Belastbarkeit;
• hoher Integrationsgrad von Komponenten;
• geringe Zahl von Außenanschlüssen.
Baretzky: »Der Bankwinkel von 90 Grad wurde beibehalten, da er den
besten Kompromiss hinsichtlich Torsionssteifigkeit, Bauhöhe und
Schwerpunktlage für dieses Fahrzeug darstellt. Der ungleiche
Zündabstand bei einer Kurbelwelle mit durchgehendem Zapfen hat im
Rennfahrzeug keinen Einfluss.«
Trotz eines um 9 % vergrößerten Hubs konnte der Abstand der
Kurbelwellenmitte zur Bodenplatte um 4 % verringert werden –
vorteilhaft für einen niedrigen Schwerpunkt. Zusätzlich sind alle
Komponenten mit Blick auf modularen Aufbau und schnelle
Austauschbarkeit konstruiert.
Der Closed-Deck-Zylinderblock aus Leichtmetall entstand im
Sophia®-Niederdrucksandgussverfahren in einer untereutektischen
Legierung, die Kolben arbeiten in Nikasil-beschichteten
Zylinderlaufbüchsen.
Das Thema Kühlung ist in Le Mans immer aktuell, wenn es nicht gerade in
Strömen regnet. Ölkanäle mit Absteuerventilen für die Kolbenkühlung
sind in den Block integriert, die eingegossenen Wasserkanäle bilden
geschlossene Kreisläufe bis auf die Verbindung zum Wasserkühler,
überwacht von Druck- und Temperatursensoren, ebenso der Ölkreislauf.
Wie schon beim V12 ist das Kurbelgehäuse als hochbelastbares Gussteil
ausgelegt (Leiterrahmenkonstruktion), dank gerichteter Erstarrung beim
Guss (Sophia®-Verfahren) verfügt es über eine hohe Festigkeit von Rm
350 MPa. Dabei sind die Wandstärken zum Teil auf unter 2 mm reduziert.
Die Lagerstühle sind über den seitlichen Absaugschacht des
Trockensumpfes und Verrippungen verbunden, was gemeinsam mit dem
Kurbelgehäuseoberteil eine sehr steife Einheit ergibt, vergleichbar mit
dem Monocoque. Die Hauptlager sind doppelt verschraubt. Die 4
Stiftschrauben der unteren Motorbefestigung zum Monocoque sind am
Zahnradschacht angebunden und werden über Versteifungen an den
Hauptlagern abgestützt.
Abb. 4: Gesamtmotor
Bei der Auslegung der Kurbelwelle fanden mehrere Aspekte Berücksichtigung:
• Lagerbelastung durch maximalen Zünddruck, Massenkräfte
• Freie Momente erster und zweiter Ordnung
• Torsions- und Biegesteifigkeit
• Minimales Gewicht
Abb. 5: Motorblock
Die im Gegensatz zum 12-Zylinder weniger ausgewogene Momentenverteilung
bei 10 Zylindern ist kein gravierendes Problem. »Die nach außen
wirkenden Momente erster Ordnung sind für die gewählte
Kröpfungsanordnung auch ohne Ausgleichsmassen minimal«, erläutert
Baretzky. »Die Momente zweiter Ordnung beschränken sich für ein
Rennfahrzeug auf ein erträgliches Maß.« Ein Schwingungsdämpfer war
nicht erforderlich.
Abb.6: Kurbelwelle
Die Anordnung des Zahnradantriebs auf der vorderen Stirnseite des
Motors hatte sich schon im R10 bewährt und wurde daher übernommen.
Nockenwellen, Öl- und Wasserpumpen sowie Hochdruck-Kraftstoffpumpen
erhalten ihren Antrieb aus den Stahl-Zahnrädern, deren nadelgelagerte
Steckachsen im Gehäuse untergebracht sind. Zusätzlich gleichen sie
Toleranzen und Höhenänderungen des Zylinderkopfes aus. Dabei musste die
geänderte Blockhöhe des Kurbelgehäuses berücksichtigt werden.
Nebenaggregate
Das Öl wird von Ölhobeln rechtsseitig aus dem Trockensumpf entnommen,
die Pumpen für Öl und Wasser sind zu beiden Seiten des Kurbelgehäuses
angebracht, während die Druckstufe links mit den Absaugstufen des
Turboladers und des Zahnradschachts angeordnet ist. Der Ölfilter ist
gut zugänglich seitlich angesetzt. Der Öltank kommt mit 10 l Volumen
aus, er ist vor dem Motor platziert und verfügt über einen Ölabscheider
ohne Zentrifuge.
Abb. 7: Pumpen
Rechts befinden sich die Saugpumpenstufen für Kurbelgehäuse, Turbolader
und Zahnradschacht, über letzteren wird auch das Öl aus den
Zylinderköpfen abgesaugt. Über den Ölpumpen sind die Kraftstoffpumpen
angesetzt. Das anschließende Zwischengetriebe zur Wasserpumpe
ermöglicht sowohl die motornahe Position des Spiralgehäuses als auch
eine bedarfsgerechte Anpassung der Wasserpumpendrehzahl.
Der Generator ist stirnseitig im V unmittelbar hinter dem Öltank
angeordnet. Der vom Nockenwellenzahnradtrieb ausgehende Antrieb erfolgt
über einen kurzen Poly-V-Riemen, der für die Schwingungsentkopplung des
Generators von der Kurbelwelle sorgt. Ebenfalls auf der linken
Motorseite befindet sich der Anlasser. Der Anlasser ist notfalls durch
einen Zugang in der Bodenplatte des Fahrzeugs wechselbar.
Abb. 8: Pumpenaggregate links
Der Zylinderkopf ist einteilig in Aluminiumguss ausgeführt, während die
Zylinderkopfhaube mit den Motorbefestigungen aus dem Vollen gefräst
wurde. Sie nimmt auch die Nockenwellenlager auf, was der Steifigkeit zu
gute kommt, so dass Fahrwerkskräfte über das Monocoque und das Getriebe
eingeleitet werden können.
Abb. 9: Zylinderkopf
Der zentral in der Zylindermitte angeordnete Injektorschacht ist über
Verrippungen im Ölraum gut abgestützt und sorgt so für eine stabile
Brennraumplatte. Jeweils zwei Ein- und Auslassventile sind parallel zur
Zylinderachse angeordnet. Die Ventilsitzringe sind wegen der hohen
Belastungen aus speziellen Sinter-Legierungen, die Ventilführungen aus
einer Kupfer-Berylliumlegierung gefertigt. Der Ventiltrieb besteht aus
natriumgefüllten Stahlventilen, konischen Ventilfedern und
Gleitschlepphebeln. Der Ventilstern wurde optimiert, die Ventile an den
vergrößerten Bohrungsdurchmesser angepasst. Die Nockenwellen aus Stahl
sind aus Gewichtsgründen hohl gebohrt. Das neue Brennverfahren im
10-Zylinder erforderte größeren Nockenhub und andere Steuerzeiten.
Abb.10: Zahnriementrieb
Hydrauliksystem
Das Common-Rail-Kraftstoffsystem des R15 TDI, in enger Zusammenarbeit
mit Bosch entwickelt, wurde für die Anwendung im Rennsport in
wesentlichen Punkten adaptiert. Da die Kraftstoffpumpen vom Typ CP4.2
mit einer Übersetzung von 0,625 zur Motordrehzahl arbeiten, war eine
Zwischenübersetzung notwendig. Die Fördermenge wurde an den jeweiligen
Kraftstoffbedarf in den Drehzahlbereichen angepasst.
Abb. 11: Hydraulik R15
Der V10 arbeitet mit höheren Drücken im Rail, daher war eine
Modifikation der Komponenten wie Steuerventile, Drucksensor, Injektoren
etc. erforderlich, wobei insgesamt Gewicht eingespart werden konnte.
Höhenwinkel, Lochanzahl/Ausführung und Düsenüberstand der
Einspritzdüsen wurden auf die Brennverfahrensparameter abgestimmt.
Infolge der erheblichen Veränderungen des Fahrzeugkonzepts war eine
Neuentwicklung des Tanksystems mit elektrischer Vorförderpumpe nötig.
Der Motor im Fahrzeug
Einen Dieselmotor als Renntriebwerk zu konzipieren ist schon eine
Herausforderung an sich. Im Sportprototypen kommt noch hinzu, dass
wenig Bauraum zur Verfügung steht und die Einheit möglichst leicht,
kompakt und stabil zugleich sein muss. Nur so lassen sich Nachteile
gegenüber dem Benzinmotor in Hinsicht auf Gewicht, Aerodynamik,
Schwerpunkt und Fahrwerksauslegung vermeiden.
Abb.12: Motorraumvergleich
Die Entwickler des Audi R15 achteten darauf, alle tragenden Komponenten
mit gleich hoher Steifigkeit auszulegen, um das Fahrwerk optimal
abstimmen zu können. Der Motor ist daher als voll tragende Einheit
starr zwischen Cockpit und Getriebe in das Chassis integriert.
Für den aufgeladenen Motor hat die ausreichende Versorgung mit Ansaug-
und Kühlluft eine besondere Bedeutung. Um Gewicht zu sparen und
möglichst kleine Leitungsquerschnitte sowie geringe Strömungsverluste
zu ermöglichen, sind die Ladeluft- und Wasserkühler nah beim Motor
platziert.
Die Ansaugluft wird über Stutzen und Filter zum Motor geleitet, wie
zuvor beim R10 auch. Mit max. 200° C gelangt sie vom Verdichter in den
Ladeluftkühler, von dort über CFK-Rohre in den Ansaugtrakt.
Turbolader und
Abgasanlage mit DPF
Die Entwicklung des Turboladers mit variabler Turbinengeometrie (VTG)
erfolgte in Kooperation mit Honeywell Garrett (USA) seit 2007. Mehrere
Kriterien bestimmten die Auslegung: der durch Restriktor begrenzte
Massenstrom vor dem Verdichter, die Ladedruckbegrenzung sowie
turbinenseitig Abgastemperatur, Massenstrom und Dynamik der Regelung.
Das Ziel, für maximale Motorleistung eine Abgastemperatur von 1000° C
zu erreichen, stellt hohe Anforderungen an die Bauteile, wie auch die
kurzen Schaltzeiten, die präzise Ladedruckwechsel erfordern.
Abb. 13: Turbolader mit VTG
Werkstoffseitig wurde bei der Ladereineinheit auf Titan verzichtet.
Einige Details: kugelgelagerte Welle, Schmierung über Drucköl,
Ansteuerung der Schaufeln durch sehr schnelle Linearsteller,
Ansteuerung über die Bosch-ECU.
Die Lader sind deutlich näher am Motor als beim R10, der
Rußpartikelfilter sitzt wegen der erforderlichen Temperatur kurz hinter
dem Turbinenaustritt. Die Abgase werden hinter dem Motor nach oben
geleitet. [•]
Im nächsten Teil werden Aspekte wie Einspritzung,
Verdichter, Turbine, Verbrauchssenkung, Abgasnachbehandlung,
Berechnungen und Simulation behandelt.
Autoren der zugrunde gelegten Präsentation für das Wiener
Motorensymposium: Dipl.-Ing. Ulrich Baretzky, Dipl.-Ing. Hartmut Diel,
Dipl.-Ing. Wolfgang Kotauschek, Dipl.-Ing. (FH) Stefan Dreyer, Dr.-Ing.
Peter Kuntz, Dipl.-Ing. Thomas Reuss, Dr.-Ing. Wolfgang Ullrich, Audi
AG Ingolstadt/Neckarsulm, Dipl.-Ing. Wolfgang Hatz VW AG Wolfsburg
Der Beitrag stammt aus der aktuellen Ausgabe motorsport-guide.
Teil 2 wird in der nächsten Ausgabe (August) folgen.
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(von Michael Hackethal)
Stichworte:
Motor >> Motorenbau /-entwicklung
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