20TFSI parte1

- 224 -

25. Internationales Wiener Motorensymposium 2004

Dr.-Ing. R. Krebs, Dr.-Ing. J. Bhme, Dipl.-Ing. R. Dornhfer, Dr.-Ing. R. Wurms, Dipl.-Ing. K. Friedmann, Dipl.-Ing. J. Helbig, Dipl.-Ing. W. Hatz

Audi AG, Ingolstadt

Der neue Audi 2,0T FSI Motor Der erste direkteinspritzende Turbo-Ottomotor bei Audi

The new Audi 2.0T FSI Engine The First Direct Injection

Turbo-Gasoline-Engine from Audi Kurzfassung: Mit dem 2,0T FSI Motor kombiniert Audi nun erstmals die Direkteinspritzung bei Otto-Motoren mit der Turboaufladung und zeigt damit die konsequente Weiterentwicklung der FSI-Technologie. Der 2,0T FSI Motor nutzt die Vorteile des FSI-Brennverfahrens und verbindet sie mit der Dynamik der Turboaufladung. Das Ergebnis ist ein uerst agiles Aggregat, das mit 147 kW Leistung, seinem berragenden Drehmomentenverlauf (280 Nm von 1800 bis 4700 1/min) und seinem exzellenten Ansprechverhalten viel Fahrspa bei moderatem Verbrauch vermittelt. Das Aggregat soll sowohl in der Lngs- als auch in der Querplattform des VW-Konzerns eingesetzt werden. Bei der Entwicklung wurde deshalb auf eine maximale Anzahl an Gleichteilen Wert gelegt. Die Einhaltung der EU 4- und der ULEV 2-Abgasgrenzwerte werden von dem Aggregat genauso selbstverstndlich erfllt, wie auch zuknftige OBD-Anforderungen. Abstract: With the 2.0T FSI Engine, Audi is for the first time combining direct injection for gasoline engines together with turbocharging. This step shows the progressive and logical development of the FSI Technology. The 2.0T FSI Engine uses the advantages of the FSI combustion system and combines this with the dynamic characteristics of turbocharging. The result is an extremely agile engine that, with power of 147 kW, exceptional torque characteristics (280 Nm between 1800 and 4700 rpm) and excellent responsiveness, provides a very exciting engine to drive whilst still achieving reasonable fuel consumption. The engine will be used for both longitudinal and transverse applications throughout the VW Group. During the development process, the number of common parts between applications was maximised. The EU 4 and ULEV 2 emissions limits will of course be fulfilled, as will the new OBD requirements.

- 225 -


1. Einleitung Als Weiterentwicklung des im Jahr 2002 im Audi A4 eingefhrten 2,0l 4V Vierzylinder-motors mit geschichteter Benzindirekteinspritzung folgt nun auf der gleichen Basis ein Turbo-FSI-Aggregat, bei dem die Vorteile des direkteinspritzenden Brennverfahrens mit der Abgasturboaufladung kombiniert werden. Die Einfhrung des 2,0T FSI Motors wird erstmals Mitte 2004 im Audi A3 mit einer Leistung von 147 kW und einem Drehmoment von 280 Nm (1800 bis 4700 1/min) erfolgen. Kurze Zeit spter wird das Aggregat auch im Audi A4 in Serie gehen. 2. Konzeption und Entwicklungsziele

Bild 1: Gesamtansicht des 2,0T FSI Motors im Quereinbau Figure 1: General View of the 2.0T FSI Engine for Transverse Applications

- 226 -


Die vorrangigen Ziele bei der Entwicklung des 2,0T FSI Motors waren neben Kosten, Qualitt, Gewicht und Akustik natrlich die Bercksichtigung des dominanten Kundenwunsches nach Mehr Leistung bei weniger Verbrauch. Das von Audi entwickelte homogene Brennverfahren bietet, kombiniert mit einer Abgasturboaufladung, die besten Voraussetzungen zur Erfllung dieser Forderungen, als da wren Tauglichkeit fr alle Weltmrkte, EU 4 und ULEV 2 in der gleichen Grundkonzeption, kompakte Bauweise bei hohem Gleichteilumfang fr Lngs- und Quereinbau, deutlich verbessertes dynamisches Ansprechverhalten gegenber bisherigen Turbo-

konzepten, Senkung des Kraftstoffverbrauches, Lsung des Zielkonflikts zwischen hoher Leistungsauslegung und agilem Ansprech-

verhalten, Kraftstoffauslegung fr ROZ 98/95 mit Notlauf ROZ 91, deutliche Komfort- und Akustikverbesserung, deutliche Qualittsverbesserung durch hohe Integration von Funktionen und Bauteilen. Unter Ausnutzung der Verdampfungsenthalpie im Brennraum durch Direkteinspritzung, zusammen mit einer gezielt einstellbaren Ladungsbewegung ber Tumbleklappen im Saugrohr, konnte eine deutliche Wirkungsgradsteigerung gegenber den bisherigen MPI-Motoren erzielt werden. Die Verdichtung des Turboaggregats konnte bei einer Auslegung auf ROZ 98/95 auf 10,5 : 1 angehoben werden und liegt damit in einer sonst fr moderne Saugmotoren blichen Grenordnung. Eine besondere Herausforderung bei einem Turbomotor in diesem Leistungsbereich liegt in dessen dynamischem Ansprechverhalten, gilt es doch, den Konflikt zwischen hoher Leistungsvorgabe und agilem Ansprechen optimal zu lsen. Auch hier zeigt die Direkt-einspritzung deutliche Vorteile gegenber der Saugrohreinspritzung, weil die Klopfneigung insbesondere im unteren Drehzahlbereich durch die direkte Kraftstoffeinbringung in den Brennraum deutlich reduziert werden kann. Darber hinaus fhrt diese Innenkhlung zu einem merklichen Anstieg des Liefergrads. Seit Einfhrung der FSI-Technik wird permanent ber die angebotenen Kraftstoffqualitten in den Weltmrkten diskutiert. Die Auslegung der Einspritzkomponenten wird dieser Anforderung gerecht. Der 2,0T FSI Motor besitzt eine neuentwickelte Hochdruckeinspritz-pumpe, die fr eine Ethanolkonzentration von 13 % ausgelegt ist. Das gesamte Hoch-drucksystem (Rail, Leitungen etc.) besteht aus Edelstahl. Das homogene Brennverfahren ist fr Anwendungen in den Weltmrkten robust ausgelegt und entsprechend erprobt worden. Die Europaausfhrung in EU 4 entspricht in der Grundkonzeption bis auf die Katalysator-auslegung exakt der USA-Variante in ULEV 2-Technik. Um einen Einbau sowohl im Quer- als auch Lngseinbau kostengnstig zu ermglichen, wurde besonderes Augenmerk auf eine hohe Zahl von Gleichteilen fr beide Anwendungsflle gelegt.

- 227 -


3. Hauptabmessungen und Kenndaten des Motors In Tabelle 1 sind die wichtigsten Abmessungen und Daten zusammengefasst dargestellt. Zum Vergleich sind der 2,0l 4V FSI Saugmotor und der Vorgnger, der 1,8l 5V MPI Turbo-motor, gegenbergestellt. Der Motor basiert triebwerkseitig auf der bewhrten Baureihe EA-113 mit Zylinderabstand 88 mm. Die wesentlichen nderungen des Turbo- gegenber dem Saugmotor |1;2| werden nachfolgend beschrieben.

Tabelle 1: Hauptabmessungen und Kenndaten Table 1: Dimensions and Characteristics of the Engine

- 228 -


4. Motorbeschreibung 4.1 Grundmotor Bei der Entwicklung des Grundmotors galt es, Bauteile und Baugruppen des 2,0 FSI Saugmotors |1| wie den 4V-RSH-Zylinderkopf, die kontinuierliche Einlassnockenwellen-verstellung und das Ausgleichswellengetriebe an die Erfordernisse und Belastungen eines direkteinspritzenden Turboaggregates anzupassen. Bild 2 zeigt den Querschnitt des neuen 2,0T FSI Motors, wobei die kompakte Bauweise des neuen Aggregates besonders deutlich wird.

Bild 2: Motor-Querschnitt Figure 2: Engine Cross Section

- 229 -


4.1.1 Steuertrieb Der Steuertrieb des DOHC-Motors ist wie bei allen Audi-R4-Motoren als Zahnriementrieb mit 23 mm breitem, peroxidisch vernetztem HNBR-Riemen und Direktantrieb der Auslassnockenwelle vorn konzipiert. Von dort wird die Einlassnockenwelle getriebeseitig ber eine 9,5 mm breite Hlsenkette angetrieben (siehe Bild 1). Deutlich hhere dynamische Anforderungen an den Steuertrieb resultieren dabei aus dem reibungsarmen 4V-Zylinderkopf mit RSH-Ventiltrieb, den turbospezifisch hheren Ventilfederkrften und Steuerzeiten in Verbindung mit

dem groen Verstellbereich des kontinuierlichen Einlassnockenwellenverstellers von 42KW, dem Antrieb der Hochdruckpumpe mittels 3-fach-Nocken auf der Einlassnockenwelle. Dazu wurde das vom Saugmotor bernommene hochgedmpfte mechanische Zahnriemenspannsystem nochmals berarbeitet. Nach umfangreichen Versuchen unter Einbeziehung von alternativen Lsungsanstzen, wie hydraulischem Zahnriemenspanner oder Nockenwellentilger, hat sich ein elliptisches Zahnriemenrad auf der Kurbelwelle als optimale Lsung hinsichtlich Funktion, Gewicht, Kosten und Lebensdauer dargestellt (siehe Bild 3). Das erstmalig eingesetzte CTC-Zahnriemenrad1 reduziert die Dreh-schwingungen der Nockenwelle und die Zugtrumkrfte des Zahnriemens deutlich (siehe Bild 4). Dabei sind die Formabweichung im Vergleich zur Kreisform und die Positionierung des Zahnriemenrades bezogen auf OT Zylinder 1 so gewhlt, dass die aufgeprgte Schwin-gung durch das CTC-Rad die Drehschwingungen in der dominierenden 2. Motorordnung im Resonanzpunkt des Steuertriebes maximal auslscht, ohne zu starke Anregungen in anderen Drehzahlbereichen einzuleiten.

1 CTC = crankshaft torsionals cancellation

Bild 3: Steuertrieb mit Detailansicht des CTC-Rades Figure 3: Timing System with detailed View of the CTC Gear

Documents

20TFSI parte1