Der
erste Teil des Beitrags über den V10-Motor des Audi R15 endete mit dem
Turbolader und den weiteren Aggregaten im Abgasstrang. In diesem
Beitrag beleuchten die Autoren einige der wesentlichen
Entwicklungsschwerpunkte. Basis für die Untersuchung der Luftführung
und des Ladungswechsels waren umfangreiche Simulationsarbeiten, die
ebenfalls näher ausgeführt sind. Dieser Artikel basiert auf der
Präsentation, die im Mai 2011 auf dem Wiener Motorensymposium von
Hartmut DIel gehalten wurde, einem der Autoren.
Motorentwicklung
Die
Entscheidung für einen V10TDI führte zu neuen Randbedingungen für
Motormechanik und Thermodynamik. Während der optimale Hubraum von 5,5 l
beibehalten wurde, änderte sich das Hub-Bohrungsverhältnis. Damit
konnte das serienbasierte Brennverfahren, das in den letzten Jahren
weiterentwickelt worden war, nicht weiter verwendet werden.
V10-Diesel-Motor des Audi R15TDI
Dank
der intensiven Thermodynamik-Untersuchungen am R10 V12TDI lagen bereits
umfangreiche Erfahrungen vor, ebenso konnten sämtliche Ergebnisse vom
1-Zylinder-Prüfstand vollständig auf den Vollmotor übertragen werden.
So war es möglich, schneller und kostengünstiger zu entwickeln und für
die nun neuen geometrischen Randbedingungen eine sehr breite Matrix an
relevanten Bauteilen und Varianten thermodynamisch optimal auszulegen.
Nachfolgend
eine Aufstellung der wichtigsten Bauteile und Ziele, die im Rahmen der
Thermodynamik-Entwicklung neu optimiert wurden:
Luftführung- und Ladungswechsel-Entwicklung
• Saugrohr und Luftsammler
• Ventilsteuerung
• Ein- und Auslasskanäle (Drall und
Durchfluss)
• Abgasführung
Einspritz-Hydraulik-Entwicklung
• CR-Injektor
• Düse (Einspritzstrahlgeometrie)
• Einspritz-/Raildruck
Kolben-Entwicklung
• Material
• Muldengeometrie
• Verdichtung
• Kühlung
ATL-Auswahl (Wirkungsgrad, Nutzdrehzahlbereich, Ansprechverhalten)
Verbrauchsentwicklung
Abgasnachbehandlung
Einspritz-Hydraulik-Entwicklung
Um
eine leistungsstarke, verbrauchsgünstige und emissionsarme Verbrennung
zu gewährleisten, müssen viele Parameter exakt aufeinander abgestimmt
werden. Die beim R15 V10TDI überarbeitete Zylinderluftbewegung mit
größeren Kanälen, höheren Kolbengeschwindigkeiten und einer geänderten
Muldenform erforderte eine entsprechende Anpassung der
Einspritz-Komponenten, um eine optimale Kraftstoffaufbereitung zu
erzielen.
Besondere Bedeutung kommt der Kraftstoffzerstäubung
beim Einspritzvorgang zu. Einen wesentlichen Einfluss spielt hier der
Raildruck. Die Einspritzdrücke von 2000 bar, die beim R10 V12TDI
realisiert wurden, werden inzwischen auch in der Serie eingesetzt. Ziel
war es deshalb, in Zusammenarbeit mit der Firma Bosch die
Common-Rail-Technik für höhere Einspritzdrücke weiter zu entwickeln.
Durch Modifikationen am CR-System war eine Erhöhung des maximalen
Raildrucks auf bis zu 2400 bar über die gesamte Renndistanz möglich.
Abbildung 1 zeigt exemplarisch den Leistungszuwachs für den Bereich der
Nennleistung durch die bisherigen Raildruck-Steigerungen.
Während
beim R10 V12TDI über die drei Jahre bis 2008 eine Leistungssteigerung
von ca. 6% erzielt wurde, konnten die Entwickler beim R15 V10TDI die
Leistung in den beiden letzten Jahren um fast 4% steigern. Diese
Ergebnisse wurden bei unverändert niedrigen Rauchzahlen und
gleichzeitig günstigerem spezifischem Verbrauch erreicht.
Abgasturbolader-Entwicklung
Die
Entwicklung eines siegfähigen Turbo-Aggregats und vor allem die
Adaption und Optimierung der Aufladegruppe zu den vom Reglement
vorgegebenen Begrenzungen wie Restriktordurchmesser (max.
Luftdurchsatz) und Ladedruck sowie die Erstellung eines komplexen
ATL-Regelsystems für den transienten Rennbetrieb stellen sehr hohe
Anforderungen an die Motorenentwicklung.
Während beim
Saugmotor nur der Restriktorquerschnitt als Maß für die Nennleistung
des Motors gilt, ist beim Turbomotor das Zusammenspiel aus
Restriktordurchmesser und maximalem Ladedruck entscheidend. Eine
Reduzierung der Luftmasse bzw. Leistung durch Verringerung der
Restriktor-Querschnittsfläche führt bei unverändertem Hubvolumen
zunächst zu einer Absenkung der Nenndrehzahl. Im Gegensatz dazu
resultiert aus einer Reduzierung des Ladedrucks bzw. Drehmoments eine
Anhebung der Nenndrehzahl. In Abbildung 2 sind diese Einflüsse
qualitativ veranschaulicht.
Aus diesem Grund kommt der
Aufladegruppe hinsichtlich Ansprechverhalten, Dosierbarkeit und
Leistungsfreigabe eine wesentlich höhere Bedeutung zu. Neben der
Auslegung auf günstigste Wirkungsgrade müssen die Abgasturbolader auch
bezüglich der Dimensionierung (maximale Luftmasse) und dem geforderten
Motor-Nutzdrehzahlbereich optimal angepasst werden.
Während
beim R10 noch ein konventioneller Abgasturbolader mit Wastegate zum
Einsatz kam, wurden für den R15 sowohl der Verdichter als auch die
Turbine komplett neu entwickelt. Das Entwicklerteam hatte das Ziel,
neben der Neuauslegung der Verdichterräder und -gehäuse, die bekannten
Vorteile einer Turbine mit variabler Turbinen-Geometrie (VTG) auch im
Renneinsatz zu nutzen.
Verdichter
Die
Grund-Auslegung des Verdichters beim Abgasturbolader (ATL) erfolgt
anhand des gewünschten Ladedruckverlaufs. Die Volllastlinie muss dabei
so verlaufen, dass die maximalen Verdichter-Wirkungsgrade im
Hauptfahrbereich des Motors liegen. Der Abstand zur Pumpgrenze sollte
dabei ausreichend groß bemessen sein.
Abb. 3 Verdichterkennfelder vor (li.) und nach (re.) Optimierung
In
Abbildung 3 sind zwei Verdichterkennfelder gegenübergestellt. Links die
alte Auslegung für den Wastegate-ATL, rechts der neue optimierte
Verdichter für den VTG-ATL. Zusätzlich ist der Motorbetriebspunkt im
Bereich der Nennleistung eingetragen.
Man erkennt deutlich den
um ca. 5% höheren Wirkungsgrad, der nahezu über die komplette Volllast
zur Verfügung steht. Der optimierte Verdichter lässt eine ca. 8% höhere
ATL-Drehzahl zu, bei einem gleichzeitig günstigerem Abgasgegendruck.
Besonders
vorteilhaft wirkt sich der höhere Wirkungsgrad auf die
Ladelufttemperatur nach Verdichter aus, sie wurde um bis zu 12%
reduziert. Eine Absenkung der Ladelufttemperatur führt bei
unveränderter Ladeluftkühlung im unrestriktierten Drehzahlbereich zu
einer Zunahme der Luftmasse und damit zu einem höheren Drehmoment. Im
restriktierten Drehzahlbereich kann die Temperaturabsenkung allerdings
keine weitere Leistungssteigerung bewirken, da hier die maximale
Luftmasse durch den Restriktor begrenzt ist. Allerdings sinkt im
Restriktorbereich bei konstanter Luftmasse und abnehmender
Ladelufttemperatur auch der Ladedruck. Dies kann bei höheren
Umgebungstemperaturen und den dann höheren Ladelufttemperaturen mehr
Reserven beim Abstand zur Ladedruckgrenze schaffen.
Die
Reduzierung der Ladelufttemperatur nach Verdichter eröffnet zudem die
Möglichkeit, fahrzeugseitig die Ladeluftkühler kleiner zu
dimensionieren und damit den Luftwiderstand des Fahrzeuges zu
reduzieren. Hier muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen
Fahrzeugperformance, Motordrehmoment und Sicherheit bei möglichen
Ladeluftkühlerverschmutzungen im Rennbetrieb.
Turbine mit variabler Geometrie (VTG)
Turbolader
arbeiten nur in einem relativ schmalen Motordrehzahlband optimal. Ein
Abgasturbolader, der bei höheren Motor-Drehzahlen seinen optimalen
Arbeitsbereich hat, wird bei geringen Motordrehzahlen daher Defizite im
Ladedruck und Ansprechverhalten zeigen.
Um das nutzbare
Drehzahlband zu vergrößern, verwendet man inzwischen in der
Turbodiesel-Serienproduktion allgemein Abgasturbolader (ATL) mit VTG.
Diese ATL lassen sich allerdings aus mehreren Gründen nicht in einem
Hochleistungs-Rennmotor einsetzen.
Ein für den Rennsport zu
entwickelndes VTG-System stellt extreme Anforderungen an die Auslegung
und anschließende Erprobung. Der komplexe Verbund der beweglichen Teile
des VTG Stellers muss auch bei den maximal auftretenden
Abgastemperaturen von ca. 1050°C zuverlässig arbeiten. Zusätzlich darf
sich gegenüber dem herkömmlichen Ladedruck-Regelsystem mit Wastegate
kein Gewichtsnachteil ergeben.
Bei der VTG-Entwicklung konnten
die Ingenieure mit der Wahl der geeigneten Turbine einen erheblichen
Fortschritt erzielen. Im Vergleich zum ATL mit Wastegate ergab sich im
gesamten Drehzahlbereich ein bis zu 15% geringerer Abgasgegendruck.
Zusätzlich erweiterte sich der Drehzahlbereich, bei dem der maximale
Ladedruck zur Verfügung steht, um 250 1/min nach unten. Für das
Gesamtpaket Verdichter und VTG-Turbine verbesserte sich damit die
Motorleistung um ca. 2% bei einem bis zu 4% günstigeren spezifischen
Verbrauch (Abb. 4).
Den entscheidenden Vorteil liefert der VTG-ATL
aber naturgemäß nicht im Stationärbetrieb, sondern in der Dynamik. Die
Punkte Ansprechverhalten und Dosierbarkeit sind wichtige Kriterien in
der Entwicklung des VTG-Systems, speziell bei der Applikation. Hier
bietet die VTG klare Vorteile gegenüber dem im R10 verwendeten
Turbolader mit Wastegate-Regelung.
Die Vorzüge gegenüber dem
konventionellen System mit Wastegate liegen beim VTG nicht zuletzt auch
in der Regelgüte und den damit verbundenen Möglichkeiten, das System
sehr fein zu dosieren. Auch im dynamischen Verhalten, bei Erreichen des
maximal erlaubten Ladedrucks, ist eine Annäherung an die reglementierte
Ladedruckgrenze exakter möglich.
Abb. 5 Potential VTG- zu Wastegate-ATL im Instationärbetrieb
Bedingt
durch die präzise und damit effektive Anströmung des Turbinenrades ist
auch im Schubbetrieb ein höheres Ladedruckniveau darstellbar. Dieses
führt dann im transienten Betrieb, dem Übergang von Schubbetrieb zur
Volllast, durch den schnelleren Ladedruckaufbau zu einer deutlichen
Verbesserung des Ansprechverhaltens. In Abb. 5 ist ein Vergleich des
konventionellen ATL mit Wastegate zum VTG-System dargestellt, der
diesen Fortschritt verdeutlicht.
Verbrauchsentwicklung
Ein
geringer Verbrauch war im Motorsport schon immer von großer Bedeutung.
Bei einem Langstreckenrennen wie in Le Mans wird ein Wettbewerbsvorteil
durch die Verwendung verbrauchsarmer Motoren besonders deutlich: Mit
dem vorgegebenen Tankvolumen die maximale Reichweite zu erzielen und
somit die Anzahl der notwendigen Tankstopps zu reduzieren, kann für den
Ausgang des Rennens entscheidend sein. Zudem setzte der Veranstalter in
der Vergangenheit verschiedene Reglements-Anpassungen um, die den
Verbrauchsvorteil der Dieselfahrzeuge gegenüber den Fahrzeugen mit
Ottomotor ausgleichen sollten.
Abb. 6 Reglementänderungen: Tankvol. / Durchflussrestriktor Tankanlage
Aus
Abb. 6 wird deutlich, dass sich neben der Tankgröße im Rennfahrzeug ab
2009 zusätzlich auch der Durchmesser des Tankrestriktors an der
Tankanlage verringert hat. Die Reduzierung des Kraftstoff-Durchflusses
führt zu längeren Standzeiten beim Tanken, so dass der
Entwicklungspunkt »Effizienzsteigerung« eine hohe Priorität erhält. Der
Gewinn mehrerer Effizienzpreise belegt, dass Audi im Motorsport diese
Entwicklung erfolgreich umgesetzt hat. So hat der R15 bereits in seinem
ersten Einsatzjahr 2009 gleich zweimal, bei den 12 Stunden von Sebring
und bei dem 10 Stunden Rennen »Petit Le Mans« in Road Atlanta, die
Auszeichnung der Michelin »Green X Challenge« für das Auto mit dem
geringsten Kraftstoffverbrauch seiner Klasse gewonnen.
Die
Herausforderung bei der Entwicklung besteht darin, einen
Hochleistungsmotor so abzustimmen, dass ein minimaler
Kraftstoffverbrauch ohne nennenswerte Leistungseinbußen erreicht wird.
Zu diesem Zweck wurden im Rahmen der Entwicklung Varianten der
Mehrfacheinspritzung untersucht und gangabhängig optimierte
Mengenkennfelder eingeführt. Zusätzlich leistet eine exakte
Verbrauchsberechnung im Steuergerät wertvolle Hilfestellung bei der
Anpassung der Rennstrategie an die Rennsituation.
Weiterhin
werden verbrauchsoptimierte Kennfelder für sich ändernde
Rennbedingungen hinterlegt, auf die der Fahrer per Schalterstellung
Zugriff hat (z.B. Wetteränderungen und Pacecar-Phasen).
Noch
während der Motorentwicklung erfolgt neben der Erprobung im Fahrzeug
eine Validierung der Effizienzsteigerungs-Maßnahmen durch
Rennstreckensimulation am Prüfstand. Damit lässt sich der
Verbrauchseinfluss verschiedener Bedatungen zu einem vergleichsweise
frühen Zeitpunkt ermitteln. Dies ist für die Vorgehensweise der
weiteren Entwicklung außerordentlich wichtig. Durch den Wegfall des
Pre-Qualifyings gewann dies noch mehr an Bedeutung, da die Rennstrecke
in Le Mans jetzt nur während der Rennwoche verfügbar ist. Somit lassen
sich die endgültigen Verbrauchswerte erst in der Rennwoche ermitteln.
Zu diesem Zeitpunkt noch umfangreiche Bedatungsänderungen durchzuführen
wäre dann zu riskant. Neben den aufgeführten Änderungen am
Fahrzeugstank und der Tankanlage gab es die bereits erwähnten
Reglement-Änderungen des ACO hinsichtlich Ladedruck und
Luftmassenrestriktor, mit dem Ziel, die Motorleistung weiter zu
reduzieren und somit Einfluss auf die Gesamtperformance des Fahrzeugs
zu nehmen (Abb. 6).
Abb. 7 Entwicklung von Leistung / Verbrauch
Die
Reduzierung der Restriktorquerschnittsfläche um ca. 12% führte zu einer
Absenkung der Motorleistung in gleicher Höhe. Bis zum Rennen in Le Mans
konnte rund die Hälfte des Verlusts aufgeholt werden. Die Maßnahmen zur
Effizienzsteigerung bewirkten parallel dazu eine Reduktion des
spezifischen Verbrauchs um ca. 8% (Abb. 7).
Abgasnachbehandlung / Dieselpartikelfilter
Zu
den Herausforderungen im modernen Motorsport gehört die Darstellung der
Spitzenleistungsfähigkeit des Gesamtfahrzeugs und des Motors.
Abgeleitet aus den Ansprüchen der Serienentwicklung im Bereich
Emissionen und Abgasnormen besteht für Audi auch im Motorsport der
Anspruch, in einem anspruchsvollen Wettbewerbsumfeld einen Beitrag zum
Umweltschutz zu leisten.
Abb. 8 DPF-Positionierung im Fahrzeug
Wie
schon im R10 setzt Audi auch beim R15 auf Abgasreinigung mit einem voll
funktionsfähigen Dieselpartikelfilter (DPF). Das Fahrzeugkonzept des
Audi R15 ließ nur wenig Bauraum für die den Motor umgebenden Teile,
daher ist der Bereich für die Abgasperipherie stark eingeschränkt. Im
R10 befand sich der Abgasaustritt noch am hinteren Ende des Fahrzeugs,
beim R15 dagegen im mittleren, oberen Bereich der Heckpartie (Abb. 8).
Das
Package-Konzept ließ sich u.a. durch eine Veränderung der
Substratgeometrie realisieren. Im Gegensatz zu den ovalen
DPF-Monolithen aus dem R10 kommen im R15 runde zur Anwendung. Die
notwendigen Geometrieänderungen sind Abb. 9 zu entnehmen.
Der
aus der Geometrieänderung hervorgehende Einfluss auf den
Abgasgegendruck machte an dieser Stelle ebenfalls Optimierungsbedarf
notwendig. Der Abgasgegendruck steht in unmittelbarem Zusammenhang mit
dem Leistungsverhalten des Motors. Weitere Entwicklungsarbeit zur
Verringerung des Gegendrucks wurde hier im Bereich der DPF-Zellendichte
und der Substartporosität geleistet. Der Zusammenhang zwischen
Abgasgegendruck und Leistungsverhalten ist in Abb. 10 dargestellt.
Abb. 10 Abhängigkeit Motorleistung vom Abgasgegendruck vor DPF
Ziel
der Entwicklung war es, trotz der engen geometrischen Randbedingungen
die bereits geringen Gegendruckwerte aus dem R10 zu unterschreiten.
Weiterhin haben verschiedene Entwicklungsvarianten von Substrat und
Porosität einen erheblichen Einfluss auf das Regenerationsverhalten des
DPF. Bei einer nicht vollständigen Regeneration des DPF im Fahrbetrieb
kommt es zu einer Beladung des Substrats, dies hätte dann einen
entsprechend gestiegenen Abgasgegendruck und somit Leistungsverlust zur
Folge. Zusätzlich besteht in dem Zustand ebenfalls die Gefahr die
DPF-Monolithen zu beschädigen.
Der in Zusammenarbeit mit Dow
Automotive entwickelte DPF stellt auch unter den gestiegenen
Anforderungen eine vollständige Regeneration sicher. Dieses Verhalten
ist in Abb. 11 dargestellt. Das Bild zeigt das Fahrpedal des Fahrers
und den sich einstellenden Abgasgegendruck auf einer Le Mans Runde. Zu
erkennen ist hier das der gemessene Abgasgegendruck den gesetzten
Zielwert von 200 mbar nicht überschreitet.
Abb. 11 Dynamischer Verlauf Abgasgegendruck – Regenerieren / Beladen
Für
eine entsprechende Regeneration und Konvertierung muss ebenfalls
sichergestellt werden, dass die Abgastemperatur während des Betriebs
eine Temperaturgrenze von 650°C nicht unterschreitet. Im Rennen wird
der DPF durch thermische Belastungen zusätzlich erheblich beansprucht.
Bedingt ist dies durch die großen Abgastemperaturunterschiede während
einer Runde mit einem Vollastanteil von über 70%, die extremen
Bremsphasen und das komplette Abstellen des Motors während eines
Boxenstopps. Diese Belastungen erfordern ebenfalls eine
Berücksichtigung bei der Auswahl des Substratmaterials.
In der nächsten Ausgabe von motorsport-guide werden die grundlegenden Berechnungen für die Auslegung des Motors vorgestellt. [•]
Autoren:
Dipl.-Ing. Ulrich Baretzky, Dipl.-Ing. Hartmut Diel, Dipl.-Ing. (FH)
Stefan Dreyer, Dipl.-Ing. Wolfgang Hatz, Dipl.-Ing. Wolfgang
Kotauschek, Dr.-Ing. Peter Kuntz, Dipl.-Ing. Thomas Reuss, Dr.-Ing.
Wolfgang Ullrich
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Abb. 1 Einfluss des Raildrucks auf die
Motorleistung
Abb. 2 Einfluss Restriktor- und Ladedruck-Änderungen auf Drehmoment und Nennleistung
Abb. 4 Potential VTG- zu Wastegate-ATL im Stationärbetrieb
Abb. 9 Vergleich DPF R10 / R15
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