AudiV6TDI Mechanics

THE NEW 3.0-L TDI BITURBO ENGINE FROM AUDI

PART 1: DESIGN AND ENGINE MECHANICS

With the arrival of the V6 tDI biturbo engine, Audi is

adding a high-performance version with two-stage turbo-

charging to its V6 tDI engine line-up. At the heart of the

engine lies a new turbocharger system from Honeywell

turbo technologies (Htt), capable of boosting power

output to 230 kW and delivering 650 Nm maximum

torque. By adopting all the efficiency measures from

the basic V6 tDI monoturbo engine, a combination of

excellent performance and extremely good fuel consump-

tion figures has been achieved. In the following design

and the mechanics of the new engine are described, the

topics of thermodynamics and application will be dealt

with in a second section in the MtZ 2.

DeVelopMent DIEsEL ENGINEs

26

Description of the engine anD installation in the Vehicle

Alongside the V8 TDI which is used in the Audi A8 and Q7, the new V6 TDI biturbo engine represents the top-of-the-range die-sel engine option for the new Audi A6 and the A7. The objective of the development of this engine was to set new standards in the realm of sporty diesel vehicles, by means of an outstanding, dynamic build-up of torque and extraordinarily free-rev-ving characteristics. The intention was to combine excellent performance with good fuel consumption figures, which has been achieved by adopting the following effi-ciency measures from the basic engine: : thermal management : frictional optimization measures : weight reduction : eight-speed automatic transmission : start/stop system.Other requirements for the engine’s devel-opment were that it should be built on the existing assembly line for the basic engine at the engine plant in Györ, and that it should utilize the maximum number of common parts offering the benefits of synergy with the V6 TDI monoturbo [1-4].

The 46 kW increase in power output compared with the A8 version of the basic engine was achieved primarily by means of a new turbocharging system combined with optimized charge air cooling, as well as modifications to the fuel injection sys-tem. The heart of the new engine, the tur-bocharger system, is located at the rear of the inner V of the engine, and in the clear-

ance space above the gearbox, which can be seen in the cover figure in the partial section view from the rear [5].

❶ shows the installation of the V6 TDI engines in the C series. The installation of the V6 TDI monoturbo engine can be seen in ① (left), while ① (right) shows the biturbo. In both pictures it is possible to see the limiting contours of the plenum cham-ber and the bonnet, as well as the position of the gearbox and exhaust system. In ① (left) can be seen the combined close- oupled oxidation catalytic converter with diesel particulate filter (DPF), which is positioned behind the turbocharger. The exhaust leaves the turbocharger to the left, as seen in the direction of travel; it is turned through 180° and then flows through the DPF to the right-hand side of the gearbox. The exhaust system is not visible; it runs past the gearbox on the right, as seen in the direction of travel, and into the underbody. In the case of the biturbo, the installation space for the DPF has been used for the high-pressure turbocharger. The exhaust system does not cross over the gearbox but runs where it can be seen in ① (right), on the left-hand side of the gearbox. The oxida-tion catalytic converter can be seen; the DPF has been relocated into the underbody. Additionally the vacuum unit for the turbine switching valve and the electric actuator for the variable turbine geometry (VTG) of the small turbocharger can be seen. ① makes very clear the major challenge of fitting a V engine with two-stage sequential turbo-charging into the vehicle’s restricted engine compartment.

Dipl.-ing. richarD BauDeris Head of Diesel Engine

Development at Audi AG in Neckarsulm (Germany).

Dipl.-ing. Jan helBigis Head of Diesel Engine Mechanics

Development at Audi AG in Neckarsulm (Germany).

Dr.-ing. henning MarckwarDt is Head of Mechanics Development

for Biturbo Diesel Engines at Audi AG in Neckarsulm (Germany).

Dipl.-ing. halit gencis Design Engineer in the Diesel

Engine Development at Audi AG in Neckarsulm (Germany).

AutHors

❶ Engine package V6 tDI monoturbo and biturbo

2701I2012 Volume 73

❷ lists the main dimensions and char-acteristic data of the engine. The main geometrical dimensions match those of the basic engine. In order to deliver the high performance reliably in operation, the cylinder heads and the piston assem-bly including piston cooling have been enhanced. This article looks into these assemblies in more detail.

The oil and water pumps have also been revised. The oil pump has been adapted to meet the engine’s increased demand for oil resulting from the improved splash oil cooling of the pistons and the second turbocharger. As in the case of the basic engine, the pump is a controllable vane pump with its volumetric flow in -creased by widening the rotor by approxi-mately 25 %. As a further measure in response to the increased engine cooling required, a higher-capacity water pump has been fitted. In the case of the V6 TDI biturbo, a closed plastic rotor with a dia-meter of 72 mm and three-dimensionally curved vanes is used. As a result the volu-metric flow has been increased by approxi-mately 30 % at the design point in com-parison with the basic engine, with a simultaneous 7 % improvement in effi-ciency at the same operating point.

cylinDer heaD

The cylinder head is subject to dynamic loading while the engine is running due to the cylinder pressure, as well as thermo-

mechanical loading due to temperature variation. The peak pressure has not been increased in comparison with the basic engine, though it is utilized across a wider engine speed range under full load, so increasing the overall loading. The ther-mal loading of the cylinder head rises as

the cylinder power output increases. ❸ shows the maximum material tempera-ture be tween the exhaust valves 1 mm below the surface of the combustion chamber plate. The two columns on the left depict the temperatures of the 150 kW and 184 kW versions of the basic engine under full load with a one-part water chamber in the cylinder head. When this unmodified geometry is used for the V6 TDI biturbo the temperature rises to a critical level – with the increased risk of cracking of the combustion chamber plate as a result of thermo-mechanical fatigue after running for lengthy periods.

For this reason, a cylinder head with a two-part water chamber has been devel-oped for the high-performance engine, ❹. The water chamber is divided into top and bottom sections, each supplied by way of separate feeds from the engine block. This arrangement enables a higher volumetric coolant flow (cooling jet) to be directed through the lower water chamber, which cools the areas between the valves and the injector seat. The upper water chamber is adjusted to allow lower volumetric flow by means of restrictor bores in the cylinder head gasket. The cooling of the lands

❷ Main dimensions and characteristic data of the V6 tDI biturbo engine

❸ Cylinder head material temperatures at 4500 rpm and 95 °C coolant temperature

feature unit

Design – V6 engine with 90° V-angle

capacity cm3 2967

stroke mm 91.4

Bore mm 83.0

stroke/Bore – 1.10

coMpression ratio – 16.0:1

Distance Between cylinDers mm 90

crankshaft – Forged, four bearings

Main Bearing DiaMeter mm 65.0

con-roD Bearing DiaMeter mm 60.0

con-roD length mm 160.5

ValVe DiaMeter (inlet) mm 28.7 (2x)

ValVe DiaMeter (exhaust) mm 26.0 (2x)

fuel inJection systeM –Common rail, 2000 bar (Bosch Crs 3-20)with piezo injectors and high-pressure pump CP4.2

turBocharger –Htt Garrett Gt 1749 with VtG (HP turbocharger)Htt Garrett Gt 3067 with waste gate (LP turbocharger) Vacuum-controlled turbine switching valve

firing sequence – 1, 4, 3, 6, 2, 5

noMinal power output kW 230 kW from 3900 to 4500 rpm

torque Nm 650 from 1450 to 2800 rpm

eMissions stanDarD – Eu5

weight to Din 70020 gZ kg 209

engine length mm 437.0


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between the cylinders is carried out from the cylinder head, as in the basic engine. The pressure difference between the upper and lower sections of the water chamber is used to propel the coolant. The principle of cross-flow cooling has been retained, as has the separate head-block cooling of the basic engine, controlled by the thermal management system [1, 3]. This solution

has enabled the maxi mum temperature to be lowered by 25 K, ③.

The separation of the two coolant jack-ets results in an intermediate deck in the cylinder head, which stiffens the structure and enhances its strength. In the area of the injector seat, for example, high assem-bly and dynamic tensions are overlaid with high temperatures. Calculations show

an improvement in the safety and security which have been achieved at this point by switching to the two-part water chamber with intermediate deck, despite the higher stress loads in the V6 TDI biturbo. The new head concept thus combines high mechanical strength with very low tem-peratures for an engine of this perfor-mance class, and as such also points the way ahead for future high-performance design concepts.

pistons

The major increase in power output from the engine also meant that the pistons needed to be optimized. The basic engine in all its versions features a piston with salt-core cooling ducts and a piston pin running in aluminium. The compression ratio is 16.8:1. The compression ratio of the V6 TDI biturbo has been reduced to 16.0:1 by enlarging the piston bowl, ❺. The position of the cooling duct has been moved slightly upwards and towards the first ring groove.

To improve strength, the V6 TDI biturbo is fitted with a bushed piston with a DLC-coated (diamond-like carbon) piston pin. The DLC layer alleviates the tendency of the pin to seize and reduces the friction in this area. By using bushes with moulded

❹ Cylinder head: water cooling jacket design

❺ V6 tDI biturbo piston

2901I2012 Volume 73

bores, the pressure distribution between the pin and the piston is evened out and the risk of hub cracking is avoided. These measures enabled the pin diameter of the basic engine to be retained, meaning that the con-rod could also be retained as a shared component. The ring package is frictionally optimized as in the case of the basic engine. The higher positioning of the cooling duct and the optimized splash oil cooling enabled the bowl rim tempera-ture to be significantly reduced relative to the piston of the 184 kW engine, ❻. This design offers potential for further power increases.

turBocharging systeM

❼ presents a schematic view of the com-ponent layout in the two-stage turbo-charging system. On the air side, the fresh air flowing in via the air filter and clean air system is pre-compressed by the low-pressure compressor across the entire map range. In the high-pressure compres-sor, the pressure of the air-mass flow is increased further. The air is then cooled in the intercooler and routed into the engine via the throttle valve, central swirl flap and intake manifold. A self-regulating compressor bypass valve is installed in parallel to the high-pressure compressor. This valve opens depending on the com-pressor output of the low-pressure turbo-charger and the resultant pressure ratio upstream and downstream of the high-pressure compressor. The compression of the low-pressure stage is then sufficient to set the required charge pressure.

On the exhaust side, the high-pressure and low-pressure turbines are configured in series and both fitted with a bypass or wastegate. The bypass of the high-pressure turbine has a large cross-section, which can be infinitely adjusted by way of a turbine switching valve which is pneumatically actuated with vacuum. When the turbine switching valve is closed, the entire exhaust gas flow is partially relieved by way of the high-pressure turbine and then flows through the low-pressure turbine. The high-pressure turbocharger features VTG with an electric actuator motor. When this reaches its speed limit, the turbine switching valve is opened. In this case only part of the exhaust gas mass flow is then relieved by way of the high-pressure turbine; most is routed via the turbine bypass directly to the

larger low-pressure turbine. The low-pres-sure turbocharger is fitted with a wastegate which regulates the charge pressure at high exhaust gas mass flow rates.

❽ shows the turbocharging system design as implemented for the V6 TDI biturbo engine. The low-pressure turbo-charger is housed in the rear area of the

inner V while the high-pressure turbo-charger, rotated 90°, is positioned behind the engine above the gearbox. The key component of the turbocharging system is the turbine housing of the high-pressure turbocharger, via which the exhaust gas mass flows are distributed within the sys-tem. It incorporates the flange for connec-

❻ Influence of optimized piston cooling on piston temperatures: maximum bowl rim temperature at 4000 rpm

❼ schematic view of the V6 tDI biturbo turbo-charging system


30

tion of the exhaust manifold by way of a Y-piece as well as the flanges for the high-pressure turbine bypass, the low-pressure turbocharger and the exhaust gas recircu-lation line. The turbine switching valve, including seat and shaft, is housed in the turbine housing of the low-pressure turbocharger.

All the other components are grouped around these key components. On the left as seen in the direction of travel is the large vacuum unit, with position feedback for the turbine switching valve, and the electric actuator for the high-pressure tur-bocharger. On the right are the compressor bypass valve, the vacuum unit to actuate the wastegate and the charge air ducting. The compressor bypass valve is designed so as to widen its cross-section rapidly on non-stationary acceleration and yet still prevent unintentional opening due to engine vibration. The pressure losses occurring at the compressor bypass have been reduced by optimizing the geometry of the valve cone down to a minimum. The center housings of both turbocharg-ers are water-cooled. The water and oil supply is provided via external lines.

The turbine housing of the high-pres-sure turbocharger is the most complex

cast component of the turbocharger assembly. The areas of the component that are subjected to hot exhaust gases change depending on the position of the exhaust flap. This results in inhomogene-ous temperature distribution and therefore in thermal stresses in the component. In the course of design optimizations carried out on the component, the number of cores was reduced from 16 to eight and at the same time the thermal stresses in criti-cal areas were reduced to a non-critical level. ❾ shows the number and layout of

the cores in the casting mould before and after optimization.

With two-stage turbocharging, the responsiveness of the engine is dictated by the tight closure of the turbine switch-ing valve. Even the tiniest leaks will lead to significant loss of enthalpy for the high-pressure turbine. Consequently, special attention was paid during the develop-ment process to the seal achieved by the turbine switching valve. To evaluate the seal achieved by the turbine switching valve, a pressure difference of 2.5 bar is applied by way of the flap valve on the component test rig and the resultant volu-metric flow leakage is determined. In an early phase of the project, two different turbine switching valve designs were compared in with regard to leakage: : a centrally mounted changeover flap

valve (butterfly design) : a side-mounted changeover flap valve

(swing valve design).The tests carried out revealed at an early stage that, in its new condition, the swing valve offered significant advantages over the butterfly design in terms of the seal achieved, ❿. The leakage of the swing valve design as new is many times less than that of the butterfly design. It also proved much better over lengthy running periods. As the swing valve also offers major benefits in terms of flow pressure losses because it is moved fully out of the bypass duct, Audi chose to develop this solution for series production. The large bypass flap in combination with the high turbine intake pressures do however require high actuator forces in order to pre-vent the flap from opening of its own accord, even under transient operating

❽ turbocharging system of the V6 tDI biturbo (Htt)

❾ High pressure turbine housing: optimization of casting tools

3101I2012 Volume 73

conditions. In order to satisfy these re -quirements a special long-stroke vacuum unit with a large effective cross-section has been developed. The unit has a position feedback feature in the form of a position sensor inside the unit, which has had to be adapted to the long stroke of the unit.

To assess the influence of the seal achieved by the exhaust flap, acceleration was measured on a vehicle with new com-ponents and with components at the end of endurance testing. The defined maximum permissible leakage quantities at the end of endurance testing guarantee minimal time lag under acceleration in comparison with

new components. This is key to the excel-lent dynamic responsiveness of the engine throughout the life of the vehicle.

suMMary

With the V6 TDI biturbo, Audi has launched its most powerful six-cylinder diesel engine to date. The engine gives the C-segment cars extraordinarily sporty per-formance along with low fuel consump-tion, supplementing the range of Audi V-engines below the V8 TDI and V12 TDI. The two-stage turbocharging system has been implemented in the restricted space

available with no need for compromise in terms of thermodynamic design and long-term mechanical durability. The higher loading on the engine compared with the basic engine has been taken into account by means of optimization measures which open up potential for further increases in power output for both the biturbo and monoturbo designs.

references[1] Bauder, r.; Bach, M.; Fröhlich, A.; Hatz, W.; Helbig, J.; Kahrstedt, J.: Die neue Generation des 3.0 tDI Motors von Audi – emissionsarm, leis-tungsstark, verbrauchsgünstig und leicht [the new-generation 3.0 l tDI engine from Audi – low emissions, high performance, good fuel economy and lightweight design]. 31st International Vienna Motor symposium, 2010[2] Bauder, r.; Kahrstedt, J.; Zülch, s.; Fröhlich, A.; streng, C.; Eiglmeier, C.; riegger, r.: Der 3.0 l V6 tDI der zweiten Generation von Audi – konse-quente Weiterentwicklung eines effizienten An-triebes [the second-generation 3.0 l V6 tDI from Audi – consistent further development of an effi-cient power unit]. 19th Aachen Colloquium Auto-mobile and Engine technology, 2010[3] Bauder, r.; Fröhlich, A.; rossi, D.: Neue Generation des 3,0-l-tDI-Motors von Audi, teil 1 – Konstruktion und Mechanik [New-generation Audi 3.0 l tDI engine, part 1 – design and mechanical components]. In: MtZ 71 (2010), No. 10[4] Kahrstedt, J.; Zülch, s.; streng, C.; riegger, r.: Neue Generation des 3,0-l-tDI-Motors von Audi, teil 2 – thermodynamik, Applikation und Abgasnachbehandlung [New-generation Audi 3.0 l tDI engine, part 2 – thermodynamics, application and exhaust treatment]. In: MtZ 71 (2010), No. 11[5] Bauder, r.; Eiglmeier, C.; Eiser, A.; Marck-wardt, H.: Der neue High Performance Diesel von Audi, der 3.0 l V6-tDI Biturbo [the new high- performance diesel from Audi, the 3.0 l V6 tDI biturbo]. 32nd International Vienna Motor sympo-sium, 2011

❿ turbine switching valve leakage behaviour


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DER NEUE 3,0-L-TDI-BITURBOMOTOR VON AUDI

TEIL 1 – KONSTRUKTION UND MOTORMECHANIK

Mit dem neuen V6-TDI-Biturbomotor ergänzt Audi

seine V6-TDI-Motorenfamilie um eine Hochleistungs-

variante mit zweistufiger Aufladung. Kernstück des

Motors ist das neue Aufladesystem von Honeywell Turbo

Technologies (HTT), mit dem eine Leistung von 230 kW

und ein maximales Drehmoment von 650 Nm dargestellt

werden konnten. Durch die Übernahme aller Effizienz-

maßnahmen des Basismotors mit Monoturbo ist eine

Kombina tion aus sehr guten Fahrleistungen und geringen

Kraftstoffverbräuchen gelungen. Im Folgenden werden

Konstruktion und Mechanik des neuen Motors erläutert,

die Themen Thermodynamik und Applikation werden

in einem zweiten Teil in der MTZ 2 behandelt.

entwicklung DIESELMoTorEN

40

Motorbeschreibung und Fahrzeugeinbau

Neben dem V8-Dieselmotor, der bei Audi im A8 und im Q7 zum Einsatz kommt, stellt der 3,0-l-TDI-Biturbomotor die Spit-zen-Dieselmotorisierung für den neuen Audi A6 und den A7 dar. Ziel der Ent-wicklung dieses Motors war es, durch einen hervorragenden dynamischen Dreh-momentaufbau und ein außerordentliches Drehverhalten neue Maßstäbe bei sportli-chen Dieselfahrzeugen zu setzen. Die hohe Leistungsfähigkeit sollte mit guten Verbrauchswerten verbunden werden, was durch die Übernahme der folgenden Effizienzmaßnahmen vom Basismotor gelungen ist: : Thermomanagement : Reibungsoptimierungen : Gewichtsreduzierung : Achtgang-Automatikgetriebe : Start-Stopp-System.Weitere Prämissen für die Entwicklung des Motors waren die Fertigung auf der Montagelinie des Basismotors im Moto-renwerk in Györ sowie der Einsatz einer maximalen Anzahl von Gleich- und Syn-ergieteilen zum V6-TDI-Motor mit Mono-turbo [1-4].

Die Leistungserhöhung um 46 kW im Vergleich zur A8-Variante des Basismotors wurde hauptsächlich durch ein neues Aufladesystem in Kombination mit einer optimierten Ladeluftkühlung sowie Modi-fikationen am Kraftstoffeinspritzsystem erreicht. Das Kernstück des neuen Motors, das Aufladesystem, ist im hinteren Innen-

V des Motors sowie im Bauraum oberhalb des Getriebes platziert, was im Titelbild in der Ansicht von hinten im Teilschnitt zu erkennen ist [5].

1 zeigt die Einbausituation der V6-TDI-Motoren im Fahrzeug der C-Reihe. In ① (links) ist der Einbau des V6-TDI-Motors mit Monoturbo zu sehen, in ① (rechts) ist der Biturbomotor dargestellt. In beiden Bildern erkennt man die begrenzenden Konturen des Wasserkastens und der Motorhaube sowie die Position von Getriebe und Abgasanlage. In ① (links) sieht man den kombinierten motornahen Oxidationskatalysator mit Dieselpartikel-filter (DPF), der hinter dem Turbolader positioniert ist. Das Abgas verlässt den Abgasturbolader (ATL) in Fahrtrichtung nach links, wird um 180° umgelenkt und durchströmt dann den DPF auf der rech-ten Getriebeseite. Die Abgasanlage ist nicht sichtbar, sie verläuft in Fahrtrich-tung rechts am Getriebe vorbei in den Unterboden. Der Bauraum des DPF wurde beim Biturbomotor für den Hochdruck-ATL genutzt, die Abgasanlage quert nicht über dem Getriebe, sondern verläuft auf der linken Getriebeseite. In ① (rechts) zu erkennen ist der Oxidationskatalysator, der DPF wurde in den Unterboden verla-gert. Zudem erkennt man die Unterdruck-dose für das Turbinenumschaltventil und den E-Steller für die variable Turbinengeo-metrie (VTG) des kleinen Laders. ① ver-deutlicht eindrucksvoll die große Heraus-forderung, einen V-Motor mit zweistufig sequentieller Aufladung in den begrenz-ten Fahrzeugbauraum zu integrieren.

dipl.-ing. richard bauderist Leiter der Entwicklung

Diesel motoren bei der Audi AG in Neckarsulm.

dipl.-ing. Jan helbigist Leiter der Mechanikentwicklung

Dieselmotoren bei der Audi AG in Neckarsulm.

dr.-ing. henning Marckwardt ist Leiter der Mechanikentwicklung

V6-TDI-Biturbo-/V8-TDI-Dieselmoto-ren bei der Audi AG in Neckarsulm.

dipl.-ing. halit gencist Konstrukteur in der Entwicklung

Dieselmotoren bei der Audi AG in Neckarsulm.

AuTorEN

❶ Einbau des V6-TDI-Motors mit Mono- und Biturbo-lader im Vorderwagen der C-reihe

4101I2012 73. Jahrgang

In ❷ sind die Hauptabmessungen und Kenndaten des Motors aufgelistet. Die geo-metrischen Hauptabmessungen entspre-chen denen des Basismotors. Zur betriebs-sicheren Darstellung der hohen Leistung wurden die Zylinderköpfe und die Kolben-

gruppe mit Kolbenkühlung weiterent-wickelt. Auf diese Baugruppen wird in diesem Beitrag genauer eingegangen.

Darüber hinaus haben die Öl- und die Wasserpumpe eine Überarbeitung erfahren. Die Ölpumpe wurde an den erhöhten Öl-

bedarf des Motors angepasst, der sich aus der verbesserten Spritzölkühlung der Kol-ben und dem zweiten Turbolader ergibt. Wie beim Basismotor handelt es sich um eine regelbare Flügelzellenpumpe, deren Volumenstrom durch eine Verbreiterung des Läufers um circa 25 % angehoben wurde. Dem erhöhten Kühlungsbedarf des Motors wurde darüber hinaus durch eine Wasser-pumpe mit erhöhter Förderleistung Rech-nung getragen. Beim V6-TDI-Biturbomotor kommt ein geschlossenes Kunststofflaufrad mit 72 mm Durchmesser und dreidimensio-nal gekrümmten Schaufeln zum Einsatz. Dadurch konnte der Volumenstrom im Vergleich zum Basismotor im Auslegungs-punkt um circa 30 % erhöht werden, bei gleichzeitiger Erhöhung des Wirkungsgrads um 7 %-Punkte im gleichen Betriebspunkt.

zylinderkopF

Der Zylinderkopf wird im Motorbetrieb dynamisch durch den Zylinderdruck sowie thermomechanisch durch die Tem-peraturwechsel belastet. Der Spitzendruck wurde im Vergleich zum Basismotor nicht angehoben, allerdings wird er an der Voll-last in einem größeren Drehzahlbereich ausgenutzt, wodurch sich das Belastungs-kollektiv erhöht. Die thermische Belas-tung des Zylinderkopfs steigt mit zuneh-mender Zylinderleistung. In 3 ist die maximale Materialtemperatur zwischen den Auslassventilen 1 mm unter der Ober-fläche der Brennraum platte dargestellt. Die beiden linken Säulen stellen die Tem-peraturen der Varianten des Basismotors mit 150 und 184 kW bei Volllast mit ein-teiligem Wasserraum im Zylinderkopf dar. Bei Verwendung dieser unveränderten Geometrie für den Biturbomotor steigt die Temperatur auf ein kritisches Niveau mit erhöhtem Risiko von Rissbildung in der Brennraumplatte durch thermomechani-sche Ermüdung nach langen Laufzeiten.

Aus diesem Grund wurde für den leis-tungsgesteigerten Motor ein Zylinderkopf mit zweiteiligem Wasserraum entwickelt, 4. Der Wasserraum ist in einen oberen und einen unteren Bereich geteilt, die beide über getrennte Zuläufe aus dem Kur-belgehäuse versorgt werden. Durch diese Anordnung ist es möglich, gezielt einen höheren Kühlmittelvolumenstrom durch den unteren Wasserraum zu leiten, der die Bereiche zwischen den Ventilen und dem Injektorsitz kühlt (Cooling Jet). Der obere

2 Hauptabmessungen und Kenndaten des V6-TDI-Biturbomotors

3 Zylinderkopf-Stegtemperaturen bei 4500/min und 95 °C Kühlmitteltemperatur

MerkMal einheit

bauart – V6-Motor mit 90° V-Winkel

hubrauM cm3 2967

hub mm 91,4

bohrung mm 83,0

hub/bohrung – 1,10

Verdichtung – 16,0:1

zylinderabstand mm 90

kurbelwelle – Geschmiedet, vierfach gelagert

hauptlagerdurchMesser mm 65,0

pleuellagerdurchMesser mm 60,0

pleuellänge mm 160,5

VentildurchMesser (einlass) mm 28,7 (2x)

VentildurchMesser (auslass) mm 26,0 (2x)

einspritzsysteM –

Common rail, 2000 bar (Bosch CrS 3.3) mit Piezoinjektor und Hochdruckpumpe CP4.2

abgasturbolader –

HTT Garrett GT 1749 mit VTG (HD-Lader) HTT Garrett GT 3067 mit Wastegate (ND-Lader) unterdruckgeregeltes Turbinenumschaltventil

zündFolge – 1, 4, 3, 6, 2, 5

nennleistung kW 230 von 3900 bis 4500/min

drehMoMent Nm 650 von 1450 bis 2800/min

eMissionsstuFe – Eu5

gewicht nach din 70020 gz kg 209

Motorlänge mm 437,0


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Wasserraum ist über Drosselbohrungen in der Zylinderkopfdichtung auf einen gerin-geren Volumenstrom eingestellt. Die Küh-lung der Stege zwischen den Zylinderroh-ren erfolgt, wie beim Basismotor, aus dem Zylinderkopf. Als treibendes Gefälle wird hierfür die Druckdifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Wasserraum genutzt. Das Prinzip der Querstromküh-lung wurde beibehalten, ebenso die über das Thermomanagement geregelte, getrennte Kopf-Block-Kühlung des Basis-motors [1, 3]. Mit dieser neuen Lösung konnte eine Absenkung der Maximaltem-peratur um 25 K erreicht werden, ③.

Durch die Trennung der beiden Wasser-räume entsteht ein Zwischendeck im Zylin-derkopf, das die Struktur versteift und fes-tigkeitssteigernd wirkt. Im Bereich des Injektorsitzes überlagern sich zum Beispiel hohe Montage- und dynamische Spannun-gen mit hohen Temperaturen. Die Berech-nung zeigt trotz höherer Belastung des Biturbomotors eine Verbesserung der Sicherheiten, die an dieser Stelle durch den Übergang auf den zweiteiligen Wasserraum mit Zwischendeck erreicht werden konnte. Damit verbindet das neue Kopfkonzept hohe mechanische Festigkeit mit einem für diese Leistungsklasse sehr niedrigen Tem-peraturniveau und ist somit auch wegwei-send für künftige Hochleistungskonzepte.

kolben

Der hohen Leistungssteigerung des Motors musste auch beim Kolben durch Optimierungsmaßnahmen Rechnung getragen werden. Der Basismotor ist in allen Varianten mit Salzkern-Kühlka-nalkolben und in Aluminium laufenden Kolbenbolzen ausgestattet, das Verdich-tungsverhältnis beträgt 16,8:1. Beim Biturbomotor wurde das Verdichtungs-

verhältnis durch Vergrößerung der Kol-benmulde auf 16,0:1 abgesenkt, 5. Die Lage des Kühlkanals wurde geringfügig nach oben und in Richtung der ersten Ringnut verschoben.

Zur Steigerung der Festigkeit ist der Biturbomotor mit einem Buchsenkolben mit DLC-beschichtetem (Diamond like Carbon) Kolbenbolzen ausgestattet. Die DLC-Schicht reduziert die Fressneigung des Bolzens und die Reibung in diesem

4 Zylinderkopf: konstruktive Ausführung Wasserkühlung

5 Kolben V6-TDI-Biturbomotor


Bereich. Durch den Einsatz der Buchsen mit Formbohrung wird die Druckvertei-lung zwischen Bolzen und Kolben ver-gleichmäßigt und die Gefahr von Naben-rissen vermieden. Diese Maßnahmen ermöglichten, dass der Bolzendurchmes-ser des Basismotors beibehalten und damit auch das Pleuel als Gleichteil aus-geführt werden konnte. Das Ringpaket ist wie beim Basismotor reibungsoptimiert. Durch die höhere Lage des Kühlkanals

und die optimierte Spritzölkühlung konnte im Vergleich zum Kolben des 184-kW-Motors die Muldenrandtem-peratur deutlich reduziert werden, 6. Diese Auslegung bietet Potenzial für weitere Leistungssteigerungen.

auFladesysteM

7 zeigt schematisch die Anordnung der Komponenten des zweistufigen Auflade-

systems. Luftseitig wird die über Luftfilter und Reinluftstrecke einströmende Frisch-luft durch den Niederdruckverdichter im gesamten Kennfeldbereich vorverdichtet. Im Hochdruckverdichter erfolgt eine wei-tere Druckanhebung des Luftmassen-stroms, der dann im Ladeluftkühler gekühlt und über Drosselklappe, zentrale Drallklappe und Saugrohr in den Motor geleitet wird. Parallel zum Hochdruckver-dichter ist ein selbstregelndes Verdichter-

6 Einfluss der optimierten Kolbenkühlung auf Kolbentemperaturen: maximale Muldenrand-temperatur bei 4000/min

7 Schematische Darstellung des Biturbo-Aufladesystems


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bypassventil angeordnet. In Abhängigkeit von der Verdichterleistung des Nieder-druckladers und dem sich daraus erge-benden Druckverhältnis vor und nach Hochdruckverdichter öffnet sich dieses Ventil. Dann reicht die Verdichterarbeit der Niederdruckstufe aus, um den gefor-derten Ladedruck einzustellen.

Abgasseitig sind Hochdruck- und Nie-derdruckturbine in Reihe geschaltet und beide mit einem Bypass beziehungsweise Wastegate versehen. Der Bypass der Hoch-druckturbine hat einen großen Quer-schnitt, der über ein mit Unterdruck pneu-matisch angesteuertes Turbinenumschalt-ventil stufenlos freigegeben werden kann. Bei geschlossenem Turbinenumschaltven-til wird der gesamte Abgasmassenstrom über die Hochdruckturbine teilentspannt und durchströmt dann die Niederdrucktur-bine. Der Hochdruck-ATL ist mit einer VTG mit elektrischem Stellmotor ausge-stattet. Erreicht dieser seine Drehzahl-grenze, wird das Turbinenumschaltventil geöffnet. In diesem Fall wird nur noch ein Teil des Abgasmassenstroms über die Hochdruckturbine entspannt, der größere Teil wird über den Turbinenbypass direkt zur größeren Niederdruckturbine geleitet. Der Niederdruck-Abgasturbolader ist mit einem Wastegate ausgestattet, mit dem bei hohen Abgasmassenströmen der Lade-druck geregelt wird.

8 zeigt das Aufladesystem in seiner kon-struktiven Umsetzung für den V6-TDI-

Biturbomotor. Der Niederdrucklader ist im hinteren Bereich des Innen-V unterge-bracht, während der Hochdruck-ATL um 90° gedreht hinter dem Motor über dem

Getriebe angeordnet ist. Zentrales Bauteil des Aufladesystems ist das Turbinenge-häuse des Hochdruck-ATL, über das die Abgasmassenströme innerhalb des Sys-

8 Aufladesystem des Biturbomotors (HTT)

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Philip JungeBWL für IngenieureGrundlagen - Fallbeispiele - Übungsaufgaben

2010. X, 269 S. Br. EUR 29,95 ISBN 978-3-8349-1706-5

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KOMPETENZ IN SACHEN WIRTSCHAFT

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tems verteilt werden. Es beinhaltet den Flansch für den Anschluss der Abgaskrüm-mer über ein Y-Stück sowie die Flansche für den Hochdruckturbinenbypass, den Niederdruck-ATL und die Abgasrückführ-leitung. Das Turbinenumschaltventil inklu-sive Sitz und Welle ist im Turbinengehäuse des Niederdruck-ATL untergebracht.

Alle anderen Bauteile gruppieren sich um diese zentralen Komponenten: in Fahrtrichtung links die große Unterdruck-dose mit Lagerückmeldung für das Turbi-nenumschaltventil und der E-Steller für den Hochdruck-ATL. Rechts befinden sich das Verdichterbypassventil, die Unter-druckdose zur Ansteuerung des Wastega-tes und die Ladeluftverrohrung. Das Ver-dichterbypassventil ist so ausgelegt, dass es bei instationären Beschleunigungsvor-gängen schnell Querschnitt freigibt und

dennoch ein unbeabsichtigtes Öffnen durch Motorvibrationen vermieden wird. Die auftretenden Druckverluste des Ver-dichterbypasses konnten durch die geo-metrische Optimierung des Verschlusske-gels auf ein Minimum reduziert werden. Die Rumpfgruppen beider Turbolader sind wassergekühlt; Wasser- und Ölversorgung erfolgen über extern verlegte Leitungen.

Das Turbinengehäuse des Hochdruck-ATL ist das komplexeste Gussteil der Aufla-degruppe. Je nach Stellung der Abgas-klappe ändern sich die Bereiche des Bau-teils, die mit heißem Abgas beaufschlagt werden. Daraus ergibt sich eine inhomo-gene Temperaturverteilung und damit Ther-mospannungen in dem Bauteil. Im Rahmen der konstruktiven Optimierung des Bauteils ist es gelungen, einerseits die Anzahl der Kerne von 16 auf acht zu reduzieren und

gleichzeitig die Thermospannungen in kritischen Bereichen auf ein unkritisches Niveau abzusenken. 9 zeigt die Anzahl und Anordnung der Kerne in der Gießform vor und nach der Optimierung.

Das Ansprechverhalten des Motors wird bei einer zweistufigen Aufladung von der Dichtigkeit des Turbinenumschaltventils bestimmt. Bereits kleinste Leckagen führen zu einem signifikanten Enthalpieverlust für die Hochdruckturbine. Daher wurde im Verlauf der Entwicklung der Dichtigkeit des Turbinenumschaltventils besondere Bedeu-tung beigemessen. Zur Bewertung der Dichtigkeit des Turbinenumschaltventils wird am Komponentenprüfstand eine Druckdifferenz von 2,5 bar über die Klappe aufgeprägt und der sich ergebende Leckage-volumenstrom bestimmt. In einer frühen Phase des Projekts wurden zwei verschie-dene Ausführungsarten des Turbinenum-schaltventils hinsichtlich ihres Leckagever-haltens verglichen: : eine mittig gelagerte Umschaltklappe

(Konstruktionsprinzip Butterfly) : eine einseitig gelagerte Umschaltklappe

(Konstruktionsprinzip Swing valve).Die Untersuchungen zeigten frühzeitig, dass im Neuzustand die einseitig gela-gerte Umschaltklappe signifikante Dich-tigkeitsvorteile gegenüber der mittig gela-gerten Klappe aufweist, ❿. Die Neuteille-ckage des Konstruktionsprinzips Swing valve liegt um ein Vielfaches unterhalb der des Konstruktionsprinzips Butterfly. Auch über lange Laufzeiten zeigte sich ein deutlicher Vorteil für die einseitig gelagerte Klappe. Da die einseitig gela-gerte Klappe durch vollständiges Ausfah-ren aus dem Bypasskanal auch deutliche Vorteile bei den Strömungsdruckverlus-ten aufweist, wurde von Audi diese

❿ Leckageverhalten Turbinenumschaltventil

9 Hochdruckturbinen gehäuse: optimierung des Gießwerkzeugs


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Lösung für den Serieneinsatz weiterent-wickelt. Die große Bypassklappe erfor-dert in Kombination mit den hohen Tur-bineneintrittsdrücken allerdings auch hohe Stellgliedkräfte, um ein selbststän-diges Öffnen der Klappe auch unter tran-sienten Betriebsbedingungen zu vermei-den. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurde eine spezielle lang-hubige Unterdruckdose mit großem wirk-samen Querschnitt entwickelt. Die Dose verfügt über eine Lagerückmeldung in Gestalt eines Positionssensors in der Dose, der auf den großen Hub der Dose angepasst werden musste.

Zur Bewertung des Einflusses der Abgasklappendichtigkeit wurde die Fahr-zeugbeschleunigung mit Bauteilen in Neuzustand und nach Dauerlaufende gemessen. Die festgelegten maximal zulässigen Leckagemengen nach Dauer-laufende garantieren in der Beschleuni-gung einen sehr geringen Zeitverzug im Vergleich zum Neuzustand. Dies ist eine Voraussetzung für das sehr gute dynami-

sche Ansprechverhalten über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs.

zusaMMenFassung

Mit dem V6-TDI-Biturbo bringt Audi seinen bis heute leistungsstärksten Sechs-zylinder-Dieselmotor auf den Markt. Das Aggregat verhilft den Fahrzeugen der C-Reihe zu außerordentlich sportlichen Fahrleistungen bei niedrigen Kraftstoff-verbräuchen und ergänzt die Palette der V-Motoren von Audi unterhalb des V8-TDI- und des V12-TDI-Motors. Die zweistufige Aufladung konnte in dem begrenzten Bau-raum ohne Kompromisse hinsichtlich der thermodynamischen Auslegung und der mechanischen Dauerfestigkeit umgesetzt werden. Der im Vergleich zum Basismotor höheren Belastung des Aggregats wurde durch Optimierungsmaßnahmen Rechnung getragen, die Potenzial für weitere Leis-tungssteigerungen sowohl beim Biturbo-motor als auch bei den Varianten mit Monoturbo eröffnen.

literaturhinweise[1]Bauder, r.; Bach, M.; Fröhlich, A.; Hatz, W.; Helbig, J.; Kahrstedt, J.: Die neue Generation des 3.0 TDI Motors von Audi – emissionsarm, leis-tungsstark, verbrauchsgünstig und leicht. 31. In-ternationales Wiener Motorensymposium, 2010[2]Bauder, r.; Kahrstedt, J.; Zülch, S.; Fröhlich, A.; Streng, C.; Eiglmeier, C.; riegger, r.: Der 3.0l V6 TDI der zweiten Generation von Audi – konse-quente Weiterentwicklung eines effizienten Antrie-bes. 19. Aachener Motorenkolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2010[3]Bauder, r.; Fröhlich, A.; rossi, D.: Neue Gene-ration des 3,0-l-TDI-Motors von Audi, Teil 1 – Kons-truktion und Mechanik. In: MTZ 71 (2010), Nr. 10[4]Kahrstedt, J.; Zülch, S.; Streng, C.; riegger, r.: Neue Generation des 3,0-l-TDI-Motors von Audi, Teil 2 – Thermodynamik, Applikation und Abgas-nachbehandlung. In: MTZ 71 (2010), Nr. 11[5]Bauder, r.; Eiglmeier, C.; Eiser, A.; Marck-wardt, H.: Der neue High Performance Diesel von Audi, der 3.0l V6-TDI Biturbo. 32. Internationales Wiener Motorensymposium, 2011

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