der v6-tdi-motor von audi

TITELTHEMA V6-TDI-Motor von Audi

362 MTZ 5/2003 Jahrgang 64

Der V6-TDI-Motor

von AudiTeil 1: Konstruktion und Mechanik

1 Einleitung

Die 2,5-l-V6-TDI-Motoren von Audi [1, 2, 3]mit Leistungen von 110 bis 132 kW undeinem maximalen Drehmoment von 310bis 370 Nm haben sich sehr erfolgreich imMarkt durchgesetzt. Sie werden im AudiA4, A6, A8, im VW Passat und im SkodaSuperb angeboten. Inzwischen wurdenbereits über 500.000 Motoren verkauft.

Für die scharfen Euro-4-Grenzwertemusste der V6-TDI-Motor konstruktivüberarbeitet und gleichzeitig das Verbren-nungsverfahren auf niedrigste Emissionenhin entwickelt werden. Entwicklungszielbei Audi ist es, alle Abgaskomponentenwie Partikel, NOx, HC und CO zu reduzierenund nicht nur eine. Die Euro-4-Grenzwertefür Fahrzeuge der Oberklasse, das heißt dieSchwungmassenklasse von 4250 lbs (bis1880 kg) zu erfüllen, war eine ganz beson-dere Herausforderung an die Ingenieure.Trotz Euro-4-Applikation konnte der Kraft-stoffverbrauch im Vergleich zum bisheri-gen Euro-3-Motor auf gleichem bis besse-rem Niveau gehalten werden. Die Motor-akustik wurde weiter verfeinert, und diesohne Reduzierung der hohen spezifischenLeistungs- und Drehmomentwerte.

2 Entwicklungsschwerpunkte

Die Vorgaben an die Entwicklung des Euro-4-Motors mussten sehr hoch angesetztwerden. So war am Anfang nicht klar, obdie Zielvorgaben insbesondere hinsichtlichder Emissionen unter Serienbedingungenumsetzbar sind. Nur durch eine konse-quente Entwicklungsarbeit, höchstes tech-nisches Know-how und neue Wege konn-ten die extremen Entwicklungszieleerreicht werden. Die Entwicklungsschwer-punkte zeigt Bild 1.

Die konstruktiven Entwicklungs-schwerpunkte waren die Umstellung desVentiltriebs von Gleit- auf Rollenschlep-phebel und der Ersatz der konventionellenGussnockenwelle durch eine neuartiggebaute Nockenwelle. Zur Reduzierungder mechanischen Verzahnungsgeräuscheerfolgt der Antrieb der beiden auslassseiti-gen Nockenwellen jetzt mit geradever-zahnten Zahnrädern und Zahnspielaus-gleich.

Um die hohen thermodynamischenForderungen erfüllen zu können, wurdedas Verbrennungsverfahren weiter opti-miert. Dazu musste die Verteilereinspritz-pumpe weiter verbessert sowie einegekühlte Abgasrückführung eingeführtwerden. Zur Erhöhung der AGR-Rate(Abgasrückführrate) wurde zusätzlich inder Ladeluftführung vor der Einleitstelleeine elektrisch geregelte Drosselklappeangeordnet. Mit dieser Überarbeitung desGrundmotors wurden die Grundvoraus-setzungen für das Erfüllen der Euro-4-Abgasgrenzwerte geschaffen. Die techni-schen Daten des V6-TDI-Euro-4-Motorsmit 120/132 kW zeigt die Tabelle. Im Fol-genden werden die Maßnahmen detail-liert beschrieben.

3 Konstruktive Änderungen

Ausgangsbasis war das bewährte Trieb-werk des Audi V6 TDI mit 132 kW [4]. OhneÄnderungen konnten das Kurbelgehäusemit Kurbelwelle und Pleuel, Ölwanne,Ölpumpe, Nebenaggregate- und Steuer-trieb sowie das Ölfiltermodul und dieAbgasführung vom Zylinderkopf bis zumAbgasturbolader übernommen werden.Überarbeitet oder neu sind:■ Ventiltrieb■ Zylinderkopf

363MTZ 5/2003 Jahrgang 64

Der erste Vierventil-2,5-l-V6-TDI-Motor ging 1997 mit 110 kW und AbgasstufeEuro 2 in Serie. 1999 kam der auf 132 kW leistungsgesteigerte V6-TDI-Motorhinzu, der gleichzeitig auch die Euro-3-Grenzwerte erfüllte. Das hohe Potenzialdieses V6-TDI-Motors zeigt sich nun darin, dass er der weltweit erste V6-TDI-Dieselmotor ist, der unter Serienbedingungen die extrem scharfen Euro-4-Grenzwerte auch in der Oberklasse erfüllt.

Dipl.-Ing. RichardBauder ist Leiter derEntwicklung Diesel-motoren bei der AudiAG in Neckarsulm.

Dipl.-Ing. ManfredBach ist Leiter derKonstruktion Diesel-motoren bei der AudiAG in Neckarsulm.

Dr.-Ing. Henning Hoffmann ist Leiterder Mechanikent-wicklung Dieselmoto-ren bei der Audi AGin Neckarsulm.

Dipl.-Ing. (FH) RolandKrebser ist Fachrefe-rent in der Mechanik-entwicklung Diesel-motoren bei der AudiAG in Neckarsulm.

Dipl.-Ing. Hans-Werner Pölzl ist Lei-ter der Motorenkoor-dination bei der AudiAG in Neckarsulm.

Dipl.-Ing. (FH) SalvadorRibes-Navarro istFachreferent in derKonstruktion Diesel-motoren bei der AudiAG in Neckarsulm.

Die Autoren

■ Kolbenmulde■ Kühler für Abgasrückführung■ Einspritzsystem.

3.1 VentiltriebAm Ventiltrieb wurden drei entscheiden-de Änderungen durchgeführt: ■ Rollen- statt Gleitschlepphebel zur Rei-bungsminderung■ Gebaute Nockenwelle nach dem Innen-hochdruckumformverfahren zur Ge-wichtsreduzierung■ Nockenwellenantrieb mit Zahnspiel-ausgleich zur Verbesserung der mechani-schen Geräusche.

3.1.1 RollenschlepphebelZur Reduzierung des Reibmitteldruckswurde von Feinguss-Gleitschlepphebelauf Rollenschlepphebel in Blechausfüh-rung umgestellt, Bild 2.

Der Vorteil des Rollenschlepphebelszeigt sich in einem deutlich günstigerenReibmitteldruck im Ventiltrieb über denganzen Drehzahlbereich, Bild 3.

Der Reibungsvorteil ist im unterenDrehzahlbereich erwartungsgemäß hö-her, da hier die Rollreibung deutlich güns-tiger ist im Vergleich zum hydrodynami-schen Schmierfilm bei der Gleitschlepphe-belvariante.

Die Vorteile der Reibungsreduzierunglassen sich in Emissionsvorteile umsetzen.

Für eine optimale Funktion musstenweitere Ventiltriebsteile mit angepasstwerden. Es wurde der Blechhebel so ausge-führt, dass die zur Zentrierung bisher not-wendige Zwischenscheibe auf dem Ventil-schaft entfallen konnte. Die angenieteteKalotte zur Auflage auf dem Hydraulikele-ment wird zusätzlich mit einem Schweiß-punkt befestigt, wodurch es möglich wird,über eine im Blech eingeprägte Vertiefungdie Ölführung zur Rolle zu realisieren.

Die Abwälzkinematik erforderte neueHebeldrehpunkte und damit eine neueLage der Hydraulikelemente. ModifizierteHydraulikelemente konnten im Zylinder-kopf zusätzlich so positioniert werden,dass die Verwendung von nur einemHebel für alle Ventile ermöglicht wurde.Zusätzlich musste die Ölgalerie im Zylin-derkopf angepasst werden.

3.1.2 Gebaute Nockenwellenmit Innenhochdruckumformung(IHU)Die bisher verwendete GG-Nockenwellewar mit ihren gehärteten Nocken als Lauf-partner für den Rollenhebel aufgrund derFlächenpressung nicht mehr verwendbar.Bei der Entwicklung einer neuen Nocken-welle wollte man gleichzeitig das Gewichtreduzieren und hat deshalb die angebote-



2 Entwicklungsschwerpunkte

Tabelle: Technische Daten des Audi V6-TDI-MotorsTable: Audi TDI V6 technical data

Bild 1: EntwicklungsschwerpunkteFigure 1: Main development priorities


3.1.1 Rollenschlepphebel

Bild 2: Vergleich Rollen- und GleitschlepphebelFigure 2: Comparison between roller rocker arm and finger follower

Bild 3: Vergleich Reibmitteldruck Ventiltrieb mit Rollen- und GleitschlepphebelFigure 3: Comparison of the frictional mean effective pressure from valve gear between the roller rocker arm and finger follower

Wer zuverlässige Lösungen für Dichtsystemein der innovativen Welt des Automobilsbraucht, sollte einen starken Partner haben,der weiß wo es lang geht und der ihm mit derbesten technischen Konzeption hilft, die Um-welt zu schützen.

Wir bieten mehr als den Stand der Technik.High Tech ist für uns der Alltag.

Service von der Idee bis zur Serie – umweltgerecht

KACO GmbH + Co. KG Dichtungswerke

74013 Heilbronn/GermanyTel. 0 7131/6 36-0 · Fax 0 7131/6 36-413www.kaco.de · [email protected]

Verantwortungfür die Zukunft

www.hettenbach.de



nen Fertigungs- und Montagetechnikengebauter Nockenwellen analysiert. Da dasZylinderkopfkonzept und die Fertigungs-einrichtungen vorgegeben waren, mussteein Verfahren gefunden werden, bei demso genannte „Schrauberfreigänge“ zumAnziehen der Zylinderkopfschrauben amkomplett montierten Zylinderkopf mitNockenwellen umsetzbar waren. Deninnovativsten Ansatz mit der größtenGewichtseinsparung bot die gebaute IHU-Nockenwelle der Firma Salzgitter Antrieb-stechnik (SZAT), die im Rahmen dieses Pro-jektes zur Serienreife entwickelt wurde.Fertigungsverfahren:Die gebaute IHU-Nockenwelle besteht ausPräzisionsstahlrohr (St 37-2) mit 2,5 und 3mm Wanddicke, zwischenstufenvergüte-ten Nockenringen aus 100Cr6 sowie Stahl-stopfen oder angeschweißten Endteilen.Den Fertigungsprozess der IHU-Nocken-welle zeigt Bild 4.

Die Nockenringe mit konstanter Wand-dicke am gesamten Umfang werden ineine Vorrichtung eingelegt, welche dieaxiale Ausrichtung und die Winkellagesichert. Durch die so positioniertenNocken wird das Rohr geschoben. An-schließend legt ein Vakuumgreifer dievorpositionierten Teile in die hydraulischePresse mit IHU-Werkzeug, dessen Gravurdie Negativkontur der gefügten Rohwelleabbildet. Nach der Füllung des Rohres miteinem flüssigen Medium dichten Axial-stempel das Rohr beidseitig ab. Durch denAufbau eines Innendruckes von bis zu 300Mpa weitet sich das gesamte Rohr plas-tisch bis zur Anlage am Werkzeug, Bild 5.Dabei wird eine kraft- und formschlüssigeVerbindung zwischen Rohr und Nockenhergestellt. Gleichzeitig zur Wirkung desInnendruckes formen Stempel, die durcheinen im Pressentisch platzierten Hydrau-likzylinder bewegt werden, die Schrauber-freigänge, Bild 6.

Die Innenhochdruckumformung er-möglicht bei entsprechender Werkzeugge-nauigkeit eine hohe Bauteilpräzision.Durch geringe nominale Aufmaße von 0,2mm im Lagerbereich sowie von 0,3 mmauf der Nockenlauffläche konnte der Auf-wand für die abschließende Schleifbear-beitung deutlich verringert werden. Beiden einlassseitigen Nockenwellen ist dasAnschweißen eines Endstückes erforder-lich, um die Kraft- und Momenteneinlei-tung über Zahnriemenräder zu ermögli-chen.

Die so hergestellten Nockenwellenerfüllen die Belastungsanforderungenhinsichtlich Dauerfestigkeit und zulässi-ger Flächenpressung und bringen eineGewichtserleichterung von 3,5 kg proMotor.

3.1.2 Gebaute Nockenwellen mit Innenhochdruckumformung (IHU)

Bild 5: IHU-FertigungsverfahrenFigure 5: IHU production technique

Bild 6: Schnitt durch IHU-NockenwelleFigure 6: IHUcamshaft cross section

Bild 4: Fertigungsschritte der IHU-NockenwelleFigure 4: IHU camshaft production steps

TITELTHEMA


3.1.3 Zahnspielausgleich für NockenwellenräderDer Antrieb der Nockenwellen erfolgt übereinen Zahnriementrieb auf die einlasssei-tigen Nockenwellen und von dort jeweilsmit einem Zahnradsatz auf die auslasssei-tigen Wellen. Dies wurde bisher mitschrägverzahnten Räderpaaren gemacht.

Das Verbrennungsgeräusch ist durchdie Voreinspritzung inzwischen so nied-rig, dass die mechanischen Verzahnungs-geräusche stärker hörbar werden. Umdiese zu reduzieren, wurde ein Zahnspiel-ausgleich umgesetzt.

Mit einem Stirnradsatz, bei dem dasgetriebene Rad zweiteilig ist, wurde eineinfaches aber wirkungsvolle Konzepteines verspannten und damit spielfreienund akustisch ruhigen Zahnradverbandesentwickelt, Bild 7.

Das breitere Zahnrad ist zur Kraftüber-tragung auf der Nockenwelle aufge-schrumpft und hat drei erhöhte Rampen.Das lose aufgeschobene schmale Rad hatdazu passende Vertiefungen, die in dieRampen eingreifen und damit entspre-chend der axialen Lage eine definierteZuordnung der Zähne erzeugen. Über eineTellerfeder und eine Zwischenscheibe, diemit einen Sicherungsring befestigt sind,wird eine definierte Axialkraft erzeugt,welche die Zahnflanke des schmalenRades auf der der Drehrichtung abge-wandten Seite des treibenden Rades zurAnlage bringt und damit den Spielaus-gleich bewirkt.

3.2 ZylinderkopfDen modifizierten Zylinderkopf mit IHU-Nockenwellen, Rollenschlepphebel und„verspanntem“ Nockenwellenantriebzeigt Bild 8. Die Kombination dieser Maß-nahmen ergibt einen wesentlich leiserenMotorlauf. Besonders im Leerlauf konntedas Außengeräusch deutlich weichergestaltet werden, Bild 9.

Für den Rollentrieb musste der Ölraum-bereich wegen der schräg stehendenHydraulikelemente leicht geändert wer-den.

Um die hohe spezifische Leistung auchmit dem Euro-4-Motor umsetzen zu kön-nen, musste der Zylinderdruck von 155 auf165 bar angehoben werden. Dies führte zuhöheren Verbrennungstemperaturen. AlsFolge musste der Zylinderkopf im Bereichder Brennraumplatte optimiert werden.Eine Möglichkeit war der Umstieg vomBasismaterial (AlSi10MgCu) auf höherwarmfestes Material (AlSi7MgCu). AusKostengründen wurde jedoch eine opti-mierte Kühlung im Ventilbereich umge-setzt. Mit einem sternförmig ausgeführtenWasserraum konnte die notwendige Küh-

3.1.3 Zahnspielausgleich für Nockenwellenräder

3.2 Zylinderkopf

Bild 7: Spielfreier StirnradverbandFigure 7: Spur gears without clearance

Bild 8: Zylinderkopf mit IHU-NockenwelleFigure 8: Cylinder head with IHU-camshaft

Bild 9: Vergleich Leerlaufgeräusch mit/ohne verspannte ZahnräderFigure 9: Comparison of the idle noise with/without distorted gears



lung der Brennraumplatte dargestellt wer-den, Bild 10.

Die Kopftemperaturen konntendadurch an den kritischen Stellen im Ven-tilstegbereich um über 30° C abgesenktwerden.

3.3 KolbenmuldeUm die niedrigen Emissionswerte zu errei-chen und gleichzeitig die mechanischeBelastung des Kolbens im zulässigenBereich zu halten, musste die Mulde fürden Euro-4-Motor modifiziert werden,Bild 11.

Maßnahmen waren eine Verdich-tungsreduzierung sowie eine Optimie-rung des Muldenhalses aus thermodyna-mischer und Festigkeitssicht. Das Ringpa-ket und der Kühlkanal konnten unverän-dert übernommen werden.

3.4 Gekühlte AbgasrückführungUm die Abgasgrenzwerte Euro 4 umsetzenzu können, wurde eine sehr effektive was-sergekühlte Abgasrückführkühlung erfor-derlich. In dem engen Innen-V des V6-TDI-Motors war es schwierig, noch zusätzlicheinen ausreichend großen AGR-Kühlerunterzubringen. Trotz engster Bauraum-verhältnisse ist eine effektive AGR-Küh-lung gelungen, Bild 12. Mit der vom V8-TDI schon bekannten Winglet-Technik derFirma Behr wurde ein Sechsrohrpaket miteiner Kühlerlänge von 150 mm umgesetzt.

Trotz des beengten Bauraums musstewegen der Druckverluste im AGR-Wärme-tauscher auf gute Strömverhältnissegeachtet werden. Ziel war es, die notwen-dige AGR-Menge möglichst ohne Unter-stützung durch die Drosselklappe einlei-ten zu können. Die Kühlergröße ist sogewählt, dass die zur NOx-Reduzierungnotwendige Abkühlung des Abgaseserfolgt, jedoch die Kondensattemperaturnicht unterschritten wird, um eine Versot-tung und Verlackung zu vermeiden.

Wasserseitig wurde der Wärmetau-scher im Heizungsvorlauf angeordnet undim Gegenstrom durchströmt. Mit demanliegenden Druckgefälle und einerzusätzlichen Entlüftung zum Ausgleichs-behälter ist eine ausreichende Versorgungmit Wasser sichergestellt.

Die Konstruktion des AGR-Kühlers istgut gelungen, sodass die Abgastemperatu-ren um bis zu 120 °C abgesenkt werdenkonnten. Die thermodynamischen Aus-wirkungen werden im Teil 2 dieses Berich-tes beschrieben.

3.5 EinspritzsystemUm die für die Erfüllung der Euro-4-Abgas-norm notwendigen Randbedingungen zu

3.4 Gekühlte Abgasrückführung

Bild 12: AGR-KühlstreckeFigure 12: EGR-cooling path

3.2 Zylinderkopf

Bild 10: Kühlung im VentilstegbereichFigure 10: Cooling in the valve bridge region

Bild 11: Kolben-mulde Euro 4Figure 11: Euro 4combustionchamber bowl in piston

3.3 Kolbenmulde


schaffen, musste der Einspritzdruck von1800 bar auf über 2000 bar erhöht werden.

Dazu waren Änderungen an der Vertei-lereinspritzpumpe, den Einspritzdüsenund den Einspritzleitungen notwendig.

Die Drucksteigerung des Einspritzsys-tems konnte im Wesentlichen durch dieSteigerung des hydraulischen Wirkungs-grades erzielt werden. Da die Antriebs-drehmomente der VP44 nahezu gleich blie-ben, wurde der Zahnriemenantrieb unver-ändert übernommen. Die Optimierung derHochdruckpumpe und die Anpassung derEinspritzdüse werden im Teil 2 diesesBerichtes beschrieben.

Um die über 2000 bar Einspritzdruckumsetzen zu können, wurde besonderesAugenmerk auf die Werkstoffauswahl unddie Verlegung der Einspritzleitungengelegt. Die notwendige Biegewechselfes-tigkeit erforderte einen hochfesten Werk-stoff und zusätzlich ein nahezu „fehlstel-lenfreies“ Material an der Rohrinnenseite.Mit der Firma USUI wurde ein Partnergefunden, der diesen Werkstoff in dergeforderten Qualität serientauglich dar-stellen kann. Um die Schwingbelastungder Leitungen zu reduzieren, waren zusätz-liche Clips und Halter erforderlich.

4 Zusammenfassung

Mit dem weltweit ersten Euro-4-Motor inder Oberklasse (SMK ≤ 4250 lbs) bestätigtAudi eindrucksvoll seine TDI-Kompetenz.Niedrigste Abgasemissionen, exzellenteFahrleistungen und niedriger Kraftstoff-verbrauch sowie beste Akustik zeigen dashohe Potenzial des Audi V6-TDI-Motors,das derzeit umweltfreundlichste Antriebs-aggregat seiner Fahrzeugklasse.

Literaturhinweise

[1] Bach, M.; Bauder, R.; Mikulic, L.; Pölzl, H.W.;Stähle, H.: Der neue V6-TDI-Motor von Audimit Vierventiltechnik. Teil 1: Konstruktion. In:MTZ 58 (1997) 7/8

[2] Bauder, R.; Dorsch, W.; Mikulic, L.; Pölzl,H.W.; Reuss, T.: Der neue V6-TDI-Motor vonAudi. Teil 2: Thermodynamik. In: MTZ 58(1997) 10

[3] Bauder, R.; Franzke, G.; Hoffmann, H.; Miku-lic, L.; Pölzl, H.W.: Der neue V6-TDI-Motorvon Audi: Teil 3: Motormechanik. In: MTZ 58(1997) 12

[4] Bauder, R.; Dorsch, W.; Endres, H.; Franzke,G.; Jablonski, J.; Reuss, T.; Stähle, H.:ATZ/MTZ-Sonderausgabe „10 Jahre TDI-Motor von Audi“ September 1999

For an English version of this article,see MTZ worldwide

For information on subscriptions, just call us or send an email or fax.

Vieweg Verlag Postfach 1546 D-65173 WiesbadenHotline 06 11/78 78-151 Fax 06 11/78 78-423email: [email protected]

der v6-tdi-motor von audi

Documents