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1. Einleitung Der Volkswagen Konzern hat in diesem Jahr für die Marken Volkswagen, Audi, ŠKODA und SEAT den Modularen Querbaukasten, kurz MQB genannt, eingeführt. Das Kürzel MQB bezieht sich auf die Konstruktion und Produktion künftiger Automobile mit vorn quer eingebauten Motoren. Abmessungen wie der Abstand der Pedalerie zur Radmitte sind immer gleich. Andere Abmessungen sind jedoch variabel. Dadurch ergibt sich eine einheitliche Vorderwagensystematik. Der MQB erstreckt sich dabei alleine bei Volkswagen über die Modelle Polo, Beetle, Golf, Scirocco, Jetta, Tiguan, Touran, Sharan, Passat und Volkswagen CC. All diese Modelle können künftig trotz unterschiedlicher Radstände und Spurbreiten theoretisch auf der gleichen Fertigungslinie gebaut werden. Die ersten Fahrzeuge, die auf der Basis des MQB entstanden sind, sind der Audi A3 und der Golf VII. Mit dem MQB eröffnet sich für den Volkswagen Konzern die Möglichkeit, langfristig und weltweit Qualität zu extrem wettbewerbsfähigen Kosten herstellen zu können. 2
2. Alternative Antriebe im MQB-Konzept Eine zentrale Rolle übernehmenbei der MQB-Strategie der modulare Ottobaukasten und der modulare Dieselbaukasten. Es ist aber auch möglich neben den konventionellen Verbrennungsmotoren, auch alle gängigen alternativen Antriebe in identischer Einbaulage darzustellen von Erdgas-über Hybridversionen bis hin zum rein elektrischen Antrieb. Der MOB umfasst die neu entwickelte Motorenreihe EA211 mit einem Hubraum von 1,2 und 1,4 Litern und leisten zwischen 40 kwund 110 kw. Für den MDB wurden die Motoren der Reihe EA288 ebenfalls neu entwickelt. Die neuen Dieselmotoren kommen mit 1,6 und 2,0 Litern Hubraum und leisten zwischen 66 und 140 kw. Das maximale Drehmoment reicht von 250 bis 380 Nm. Die neuen Dieselmotoren sollen im Verbrauch deutlich sparsamerwerden und ab September 2014 die neu Euro-6-Abgasnorm erfüllen. 3
3. Einheitliche Einbaulage aller Antriebe Innerhalb des MQB werden alle Motoren in einer einheitlichen Lage eingebaut. Bei den neuen Benzinmotoren wurde der Zylinderkopf gedreht, so dass - analog zu den Dieselmotoren - die Ansaugseite des Motors zur Fahrzeugfront und die Abgasseite zur Fahrgastzelle gerichtet ist. Auf diese Weise konnte eine einheitliche Verbindung zwischen Motor und Getriebe realisiert werden, die es erlaubt, alle Motoren mit dem gleichen Getriebe zu koppeln. Laut den Angaben des VW-Konzerns konnten so die Motor- und Getriebe-Varianten im MQB um 88 Prozent reduzieren. 4
4. Der modulare Aufbau Der modulare Aufbau des neuen 2,0l TDI-Motors umfasst die Motornahen Abgasreinigung, einen neuentwickelten Zylinderkopf mit integriertem Ventiltriebsmodul, eine kombinierte Öl und Vakuumpumpe und den in das Saugrohr integrierten Ladeluftkühler. 5
5. Zylinderkurbelgehäuse Das Zylinderkurbelgehäuse ist, wie bei den TDI Vorgängeraggregaten aus Grauguss GJL250 hergestellt und in der bewährten long-skirtbauweise ausgeführt. Das Entwicklungsziel war ein gewichtsreduziertes Kurbelgehäuse zu entwickeln und gleichzeitig weitere Bauteile zu integrieren. Diese Ziele wurden durch die konstruktive Ausführung folgender technischer Merkmale erreicht: - Integrierte Ausgleichswellen oberhalb der Kurbelwelle - Kurzer Wassermantel zur schnellen Bauteilerwärmung - Kühlung der Stege zwischen den Zylindern - Integration von Thermomanagement-Maßnahmen bei der Öl- und Wasserführung - Anordnung des Gewindes für die Zylinderkopfschrauben unterhalb des Wassermantels - Optimierung der Roh- und Reinölführung zur Minimierung der Strömungsverluste - Verlängerung der Ölrücklauf- und Blow-by -Kanäle bis zur Trennebene der Ölwanne Durch die tief angeordneten Zylinderkopfschraubengewinde wird der Verschraubungseinfluss in den unteren Zylinderrohrbereich verlagert. Zusätzlich können dadurch die Spannungen in den hochbeanspruchten Bereichen der Kurbelgehäusedeckfläche bis zu 50 % verringert werden. Durch die somit verbesserte Verteilung des Kraftflusses in die Struktur des Zylinderkurbelgehäuses wird eine höhere Vorpressung am Brennraumstopperder Zylinderkopfdichtung und eine gleichmäßigere Druckverteilung über den Umfang erzielt. Wie beim Vorgängermotor erfolgt der Honvorgangmit verschraubter Honbrille, um ein verzugsfreies Zylinderrohr bei montiertem Zylinderkopf zu erhalten. Durch diese Maßnahme können die Tangentialkräfte an den Kolbenringen bei gleichzeitig geringem Ölverbrauch weiter reduziert werden. Besondere Sorgfalt wurde auf die Auslegung des Kühlmittelkreislaufes gelegt. Konstruktionsvarianten wurden zunächst durch CFD-Berechnungen unter Anwendung von Optimierungsmethoden bewertet. Daraus wurde die aktuelle Konstruktion abgeleitet und über Strömungssimulationsberechnungen und versuche bestätigt. Die Auslegungskriterien waren: -Gleichmäßige Kühlung des Kurbelgehäuses -Querströmung im Zylinderkopf von der Auslass-zur Einlassseite -Gute Durchströmung der Bohrungen zur Kühlung der Zylinderstege -Gleichmäßige Verteilung des Volumenstroms auf die Zylinder -Optimierung der Strömungsführung unter zusätzlicher Berücksichtigung der Anforderungen im Warmlauf 6
6. Ausgleichswellenmodul Zum Ausgleich der freien Massenkräfte zweiter Ordnung ist das Aggregat mit zwei Ausgleichswellen (AGW) ausgestattet, die im Zylinderkurbelgehäuse angeordnet sind. Der Antrieb erfolgt über schrägverzahnte Zahnräder. Durch den hohen Integrationsgrad und die konsequent auf Leichtbau ausgerichtete Konstruktion der einzelnen Komponenten konnte eine erhebliche Gewichtsreduzierung erzielt werden. Das vollständig wälzgelagerte Massenausgleichssystem stellt eine wesentliche Komponente zum Erreichen der CO2-Einsparziele dar. Besonders bei niedrigen Temperaturen und hohen Drehzahlen weisen die ölnebelgeschmierten Wälzlager eine erheblich geringere Schleppleistung auf. Auch die Start-Stopp Anforderungen werden damit sicher erfüllt. 7
7. Öl-und Vakuumpumpe (Duopumpe) Auch bei der konstruktiven Umsetzung der Duopumpewurde der Modulgedanke verfolgt. Dieses wurde unter anderem durch die Zusammenlegung der Öl-und Vakuumpumpe erreicht. Beide sind in einem gemeinsamen Alu-Druckgussgehäuse unterhalb des Zylinderkurbelgehäuseflansches in der Ölwanne angeordnet. Der Antrieb erfolgt durch eine gemeinsame Welle über einen Zahnriementrieb direkt von der Kurbelwelle. Der Zahnriemen läuft direkt im Öl und ist ohne Riemenspanner ausgeführt. Die Vorspannung des Zahnriemens wird während der Montage durch den ausgelegten Achsabstand der Bauteile vorgegeben. Dies führt zu einem besonders reibungsoptimierten Antrieb der Duopumpe. Ölpumpe Die Ölversorgung wird durch eine volumenstromgeregelte Flügelzellenpumpe realisiert. Über ein Magnetventil kann zusätzlich lastabhängig in eine Nieder-bzw. Hochdruckstufe geschaltet werden. So wird ein Optimum zwischen Schmierbedarf und Verlustleistung im Motorbetrieb erzielt. Vakuumpumpe Durch die Anordnung der Vakuumpumpe ergaben sich neue konstruktive Anforderungen, die unter anderem ein niedriges Antriebsmoment beim Kaltstart voraussetzten. Durch ein Doppel-Reedventilwird ein ausreichend großer Querschnitt zum Ausschieben des Öls im Vakuumpumpenraum realisiert. So werden die Antriebsmomente auch bei niedrigen Temperaturen gering gehalten. Die Verbindung zur fahrzeugseitigen Vakuumleitung erfolgt über Bohrungen in der Vakuumpumpe und im Zylinderkurbelgehäuse. 8
9. Zylinderkopf Der entwickelte Zylinderkopf ist so gestaltet, dass durch geringfügige Anpassungen des Zylinderkopfes, unterschiedliche Hubraumvarianten realisiert werden können. Vom Vorgängermotor wurde der komplette Ventiltrieb übernehmen. (Also die Ein- Auslassventile, die Ventilfedern, Ventilsitzringe, die Rollenschlepphebel.) Der Zylinderkopf im MDB Konzept hat eine Bauhöhe von 105 mm da die Ventilsteuerung separat auf dem Zylinderkopf angebaut wird, was dazu führt, dass dieser neue Zylinderkopf keine bearbeiteten Nockenwellenlagergassen mehr. Das Topdeckist eine plane Ebene, welche sich fertigungsoptimiert mit einer Silikonraupe abdichten lässt. Das neue an diesem Zylinderkopf ist, dass die Ein und Auslassventile hintereinander angeordnet sind. Durch diese Anordnung ergibt sich eine gemischte Nockenwelle, die je einen Einlass und ein Auslassventil steuert. Da die Ventilanordnung im Vergleich zum Vorgänger geändert wurde, mussten die Kanäle neu ausgelegt werden, wobei der Schwerpunkt auf einer Steigerung des maximalen Durchflusses bei guten Drallzahlenlag. Somit wurden die Einlasskanäle mit einer Sitzdrallfase versehen. 9
10. Kühlsystem im Zylinderkopf Eine Weitere Neuerung des MDB-Konzepts ist das Thermomanagement wo der Zylinderkopf eine zentrale Rolle spielt. In den Zylinderkopf wird ein Mikrokühlkreislauf integriert. Der Auslass liegt in der Bodenplatte mit Verbindung zum Zylinderkurbelgehäuse, welches die Rückführung des Wassers übernimmt. Zur Erhöhung der Wärmeabfuhr im brennraumnahen Bereich wurde der Wassermantel in einen unteren und einen oberen Wassermantelkern aufgeteilt. Beide Kühlkanäle sind von einander getrennt und werden erst am Austritt im Heizungsflansch zusammen geführt. Durch diese Kühlungsmassnahmekonnte die Gleichverteilung der Kühlleistung zwischen den einzelnen Zylindern im Vergleich zum Vorgänger erheblich verbessert werden. 10
11. Das ivm Der Ventiltrieb des neuen 2,0l TDI MDB Motors unterscheidet sich von seinem Vorgänger durch den Einsatz eines integrierten Ventiltriebsmoduls(iVM). Somit kann der Nockenwellenlagerrahmen vom Zylinderkopf getrennt werden um diesen auf zukünftige Emissionsanforderungen separat vorzubereiten. Zusätzlich wurde der Lagerrahmen reibungsoptimiert. Gründe und Funktionsvorteile für den Einsatz des ivm: Reduzierung der Reibleistung der Nockenwelle durch den Einsatz eines Nadellagers. Ventiltrieb ist als eigenständiges Modul konstruiert mit entsprechenden Fertigungs-und Kostenvorteilen. Interne Ölversorgung der Lagerstellen mit einer separaten in den Lagerrahmen integrierten Ölgalerie. Zusätzliche Ölversorgung des Zylinderkopfs. Durch die Montage weiterer Anbauteile kann das ivmdirekt mit dem Rumpfmotor verbunden werden. Unabhängig vom gewählten Hubraum sind Zylinderkopf-Rohteil, Ventiltriebsmodulund Zylinderkopfhaube immer identisch. Lediglich die Größe der Bohrung und der Ventile ist unterschiedlich. Damit können Nachfragespitzen verschiedener Motorisierungen ohne Mehraufwand abgedeckt werden. 11
12. Saugrohr mit integriertem Ladeluftkühler Eine Neuheit ist der saugrohrintegrierte Ladeluftkühler für Dieselmotoren. Bereits für den 2.0 l TDI BIN5 wurden die Vorteile einer indirekten wassergekühlten Ladeluftkühlung genutzt. Als Weiterentwicklung wird der wassergekühlte Ladeluftkühler für den MDB-Motor, wie bei den 1,4 l TSI Motoren in das Saugrohr integriert. Ein separater Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf mit Luft-Wasser-Wärmetauscher ermöglicht in Verbindung mit einer drehzahlvariablen Wasserumwälzpumpe eine bedarfsgerechte Ladeluftkühlung. Die Vorteile sind vielfältig: -Durch die in Grenzen einstellbaren Saugrohrtemperaturen wird ein von der Ansauglufttemperatur und vom zurückgeführten Abgas unabhängiger Betrieb realisiert -Die Ladeluftstrecke wird extrem kompakt. Das verringerte Ladeluftvolumen verbessert das Instationärverhaltendes Motors deutlich -Die Strömungsverluste werden reduziert -Vereisung und Kondensation im Ladeluftkühler werden vermieden -Es entstehen Package-und Kostenvorteile - Synergien entstehen vor allem durch die Nutzung als leistungsfähiges Niederdruck-EGR- Kühlersystem Der saugrohrintegrierte Ladeluftkühler der Firma Valeo ist komplett in Aluminium ausgeführt. Das Gehäuse übernimmt die tragende Funktion. Der Kühlkörper, der aus Kühlmittelplatten, Lamellen, Deck-/Boden- und Seitenplatten sowie Kühlmittelanschlüssen besteht ist komplett verlötet. Die Einund Austrittskästen werden anschließend mit dem Kühlkörper verschweißt. Das Kühlernetz besteht aus insgesamt 10 paarweise gelöteten Kühlplatten. Die Kühlmittelplatten werden im Gegenstromprinzip W-förmig durchströmt, um eine möglichst vollständige Nutzung des Kühlernetzes bei vertretbarem Druckverlust zu erzwingen. Durch eine spezielle Geometrie der Kühlmittelplatten wird der Kühlmittelstrom über die Breite des Flachrohres verteilt und gleichzeitig umgelenkt. Dies sorgt bei geringem Druckverlust für einen guten Wärmeübergang vom Aluminiumblech zum Kühlmittel. Gleichzeitig bietet das Design der Kühlplatten eine hohe Robustheit bezüglich der Druckwechselfestigkeit. Luftseitig wurden Lamellendicke und Lamellenabstand dahingehend optimiert, daßdie Querschnittfläche der Lamelle die maximal anfallende Wärmemenge zu den Kühlmittelplatten leiten kann und gleichzeitig der Druckverlust minimal bleibt. Luftseitig sorgen kleine ausgestanzte Öffnungen, die wechselseitig wie Kiemen angeordnet sind, für einen guten Wärmeübergang und ermöglichen zudem auch eine Strömung in Querrichtung. Ein besonderes Augenmerk wurde auch auf eine optimale Anströmung des Kühlernetzes gelegt. Um 12
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13. Abgaskrümmermodul, Abgasreinigung und Abgasrückführung im modularem Aufbau Die Abgasseite des MDB-Motors besteht aus dem Abgaskrümmermodul, der Abgasnachbehandlung und der Niederdruckabgasrückführung (ND-EGR). Abgaskrümmermodul: Der Bauteilumfang des Abgaskrümmermodulsbesteht aus dem Abgaskrümmer, dem Abgasturbolader (ATL) der ND-EGR-Einleitung. Zu Einsatz kommt ein ATL mit pneumatisch betätigter VTG und Positionssensor der Firma Bosch Mahle Turbo Systems. Man kann die EmissionsstufenEU4 bis EU6 im Modulbaukasten darstellen in dem man nur das Verdichtergehäusemodifiziert. Abgasreinigung: Die Abgasnachbehandlung besteht je nach Emissionsstandards aus: Oxidationskatalysator Dieselpartikelfilter NOx-Speicherkat bzw. selektives katalytisches Reduktionssystem (SCR) Diese Abgasnachbehandlungsbausteine können singulär oder als Kombination zum Einsatz kommen. Abgasrückführung: Je nach Emissionsanforderungen kommen 3 verschiedene Arten der Abgasrückführung (AGR) zum Einsatz. Gekühlte Hochdruck-AGR ohne Niederdruck-AGR Gekühlte Niederdruck-AGR ohne Hochdruck-AGR Gekühlte Niederdruck-AGR und ungekühlte Hochdruck-AGR Die Motornahe Positionierung der Abgasreinigung gewährleistet ein schnelles Anspringen des Oxidationskatalysators und ein rasches Aufheizen des Dieselpartikelfiltersmit nur einem geringen Einsatz von sekundären Heizmaßnahmen für die Regeneration. Der modulare Aufbau der abgasführenden Seite ermöglicht die Darstellung aller Emissionsstufen. 14
Abgasrückführung: Bei hohen Verbrennungstemperaturen entstehen im Motor umweltschädliche Stickoxide. Je höher die Verbrennungstemperatur im Zylinder ist und je länger der Zeitraum oberhalb 2300 K Verbrennungstemperatur, desto höher ist auch der Anteil von Stickoxiden im Abgas. Die Abgasrückführung (AGR) wird zur Minderung von Stickoxiden (NOx) verwendet. Die kommende EU-6 Abgasnorm fordert bei Dieselmotoren eine weitere Senkung der NOx-Anteile im Abgas von 180 auf 80 mg/km. Alleine mit Maßnahmen der Abgasnachbehandlung (selektive katalytische Reduktion, NOx-Speicherkatalysator) sind die vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte nicht einhaltbar. Somit ist die Abgasrückführung bei Dieselmotoren eine der wichtigsten Maßnahmen zur Senkung der Stickoxidemissionen. Durch Zuführen eines inerten Gases wird die Entstehung von Stickoxiden gesenkt. Ein solches inertes Gas ist beispielsweise Abgas, von dem ein kleiner Teil zurück in den Brennraum geleitet wird. Die schnelle Oxidation von Kraftstoffmolekülen wird durch das Vorhandensein von Abgasmolekülen behindert. Die Temperaturspitzen und die NOxEmissionen werden somit abgesenkt. Die Regelung der Rückführung übernimmt dabei ein Abgasrückführventil. 15
HD-AGR: Die rückgeführten Abgase der HD (Hochdruck)-AGR haben eine hohe Temperatur. Durch die Zumischung des inerten Abgases zur Frischluft im Saugrohr kommt es zur Verringerung der Luftmasse. Dies hat zur Folge, dass die Füllung abnimmt, der Motor mit geringerem Luftverhältnis arbeitet und zudem die mittlere Temperatur der Frischladung zunimmt. Die HD-AGR wird aufgrund der dynamischen und Kaltstart-Aspekten eingesetzt. Euro-3-Konzepte verfügten noch über eine nicht gekühlte AGR. Fahrzeuge ab Euro 4 besitzen meist eine gekühlte AGR-Strecke. ND-AGR: Hier ist eine ND(Niederdruck)-AGR-führende Strecke, die nach dem Dieselpartikelfilter (DPF) und vor dem Verdichter dargestellt. Da das zur Rückführung entnommene Abgas weiter hinten im Abgasstrang entnommen wird, ist es kühlere und vor allem partikelarmer. Hierdurch lassen sich zwei Nachteile der HD-AGR beseitigen. Zum einen wird die Ansaugluft nicht durch sehr warmes Abgas erwärmt und die Füllung vermindert, zum anderen wird der Abgasmassenstrom vor Turbine des Abgasturboladers (ATL) nicht reduziert, was eine Beibehaltung der hohen Abgasenthalpie ermöglicht, so dass der ATL besser anspricht. Nachteilig wirkt sich bei der ND-AGR aus, dass der Verdichter durch Kondensat, das aufgrund von Taupunktsunterschreitung des Abgases entsteht, stark beschädigt werden kann. Um dies zu verhindern, muss gesichert sein, dass das Wasser des Abgases nicht vor dem Verdichter kondensiert, sondern deutlich zuvor und abgeschieden wird. Euro-6-Motorkonzepte können eine gekühlte ND-AGR-Strecke und aufgrund von dynamischen und Kaltstart-Aspekten eine ungekühlte HD-AGR-Strecke haben. 16
Abgasreinigung: Wie bereits erwähnt kann die Abgasnachbehandlung je nach Emissionsstandards bestehen aus: Oxidationskatalysator Dieselpartikelfilter NOx-Speicherkat bzw. selektives katalytisches Reduktionssystem (SCR) Diese Abgasnachbehandlungsbausteine können singulär oder als Kombination zum Einsatz kommen. Oxidationskatalysator und NOx_-Speicher: Oxidationskatalysator arbeitet genauso wie ein Dreiwegekatalysator nur als washcoat, sprich die innere Beschichtung ausschließlich metallartig ist. Also Platin oder Paladium. Weil der Wirkungsgrad einfach besser, also ausreichend ist. (Alternativ: Keramik) Nach dem Oxikat kann ein Nox-Speicher folgen. Dem Katalysator wird eine Nox-Speicherkomponente wie Barium zugeführt. Der Nox-Speicher kann nur im Temperaturbereich von 250 bis 500 C arbeiten, das wäre der Grund dieser konstruktieven Maßnahmen. SCR: Ein weiteres Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden ist die Selektive katalytische Reduktion. Hierbei wird kontinuierlich eine wässrige Harnstofflösung (Handelsname: AdBlue) in den Abgasstrom eingespritzt, aus welcher durch Hydrolyse Wasser und Ammoniak entsteht. Das so entstandene Ammoniak reduziert die Stikoxideim Abgas zu normalem Stickstoff (N2). Das SCR-Verfahren wird inzwischen in zahlreichen Nutzfahrzeugen eingesetzt, um die Abgasnormen EU5 und EU6 zu erfüllen. 17
14. Thermomanagement Das Thermomanagement des 2.0L TDI MDB hat 3 Kühlkreisläufe die von einander getrennt betrieben werden können. Mikrokreislauf (rot). Der Mikrokreislauf besteht aus dem Zylinderkopf, dem AGR-Kühler, dem Heizungswärmetauscher und einer elektrischen Kühlmittelpumpe. Hauptwasserkreislauf (blau). Der Hauptwasserkreislauf beinhaltet das Kurbelgehäuse, Motor -und Getriebeölkühler, Frontkühler und eine schaltbare Kühlmittelpumpe. Niedertemperaturkreislauf (orange). Der Niedertemperaturkreislauf besteht aus dem in das Saugrohr integrierten Ladeluftkühler, einem Frontkühler und einer elektrischen Kühlmittelpumpe. Die schaltbare Kühlmittelpumpe des Mikro-und Hauptwasserkreislaufs kann das Kühlmittel im Kurbelgahäusezum Stillstand bringen und somit die Wärmetauscher für die Motor- und Getriebekühlung abschalten. Nach Kaltstart wird zunächst nur der Mikrokreislauf betrieben. Die Förderleistung der elktrischenwasserpumpe wird anhand der Anforderungen aus der Fahrgastraumklimatisierung, der AGR-Kühlung und der Zylinderkopfkühlung gebildet. Bei steigendem Kühlbedarf wird zusätzlich die schaltbare Wasserpumpe zugeschaltet. Der Niedertemperaturkreislauf ist für die indirekte Ladeluftkühlung (Luft/Wasser) zuständig. Der Hoch- und Niedertemperaturkreislauf werden unabhängig von einander betrieben. Das Ziel des Thermomanagement ist es, nach dem Kaltstart die Warmlaufphase zu verkürzen. Die emissionsreduzierende Bestandteile auf Temperatur bringen. Optimierte Klimatisierung des Fahrgastraumes. 18