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Erschienen in:

01.01.2023 | Titelthema

Der neue EA211 1,5 l TSI evo2

verfasst von: Pierre Scheller, David Sudschajew, Dirk Warnke, Tim Thaler

Erschienen in: MTZ - Motortechnische Zeitschrift | Ausgabe 1/2023

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Mit dem EA211 1,5 l TSI evo hat Volkswagen 2016 erstmals die Kombination des hocheffizienten TSI-evo-Brennverfahrens - abgeleitet vom Miller-Zyklus - mit einer VTG-Aufladung in Serie gebracht. Die grundlegende Entwicklung ist auch heute noch wegweisend und vereint niedrige Verbrauchskennwerte mit einer TSI-typischen, agilen Fahrdynamik. Die nun anlaufende zweite Generation ermöglicht dank technischer Weiterentwicklungen eine substanzielle, kundenwirksame Verbrauchsreduktion, geringere Emissionen und eine Steigerung der Leistung.
Mit der zweiten Generation des 1,5 l TSI evo ist es gelungen, die bereits bekannte Kombination aus dem TSI-evo-Brennverfahren und einer Aufladung mithilfe der variablen Turbinengeometrie (VTG) auch in einer höheren Leistungsklasse einzusetzen [1, 2]. Neben den vielen Detailänderungen, Bild 1, die eine überarbeitete Motorgeneration ausmachen, sind die folgenden Handlungsfelder maßgeblich für den EA211 1,5 l TSI evo2 und werden detailliert beschrieben.
Ausgehend von einer Optimierung der Brennraumkühlung setzt eine Weiterentwicklung von Brennverfahren und Aufladung ein, die besonders das dynamische Zusammenspiel betrifft. Weiterhin ist das Zylindermanagement ACT (Active Cylinder Termination) grundlegend überarbeitet und ermöglicht eine Wirkungsgradsteigerung im Zweizylinderbetrieb bei gleichzeitig reduzierten Umschaltverlusten zwischen Zwei- und Vierzylinderbetrieb. Abschließend wird auch auf die Abgasnachbehandlung eingegangen, die jetzt aus einem motornahen Katalysator für die Reduktion der gasförmigen Emissionen und einem nachgeschalteten Otto-Partikelfilter aufgebaut ist. Im Zusammenspiel aller bauteilspezifischen Eigenschaften kommt den zugehörigen Softwarefunktionen eine essenzielle Rolle zu, die mit betrachtet wird.

Brennverfahren und VTG-Aufladung

Das bereits aus dem 1.5 l TSI evo1 mit Pe = 96 kW bekannte TSI-evo-Brennverfahren ist vom Miller-Zyklus abgeleitet und ermöglicht eine vergleichsweise hohe Verdichtung von ε = 12,0. Dem liegt zugrunde, dass der Miller- Zyklus mit einem frühen Schließen der Einlassventile die Frischgasfüllung expandiert und abkühlt und somit der erhöhten Klopfneigung entgegenwirkt. In Kombination mit einer sehr effizienten Ladeluftkühlung können auch im hinsichtlich Klopfneigung sensiblen Low-End-Torque-Bereich hohe Aufladegrade mit guten Schwerpunktlagen gefahren werden. Diese Grundlage erfährt mit der zweiten Generation eine Optimierung, sodass auch die Leistungsklasse von Pe > 110 kW abgeleitet werden kann. Die Maßnahmen beinhalten eine verbesserte Brennraumkühlung infolge verschiedener Detailanpassungen am Zylinderkopf und den Einsatz eines Kühlkanalkolbens sowie eine weiterentwickelte Turboladerauslegung. Da der Grundmotor auch für hohe Spitzendrücke ausgelegt ist, sind in Summe aller Eigenschaften wirkungsgradoptimale Schwerpunktlagen in einem großen Motorbetriebsbereich möglich. Das ist die Grundlage für eine vergleichsweise niedrige Abgastemperatur, wodurch ein Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1,0 im gesamten Motorkennfeld darstellbar ist. Weiterhin wird der Einsatz eines VTG-Abgasturboladers möglich, der die entscheidenden Randbedingungen für das TSI-evo-Brennverfahren liefert. Über einen sehr weiten Regelbereich der VTG-Leitschaufeln zeigt diese Technologie hohe Wirkungsgradvorteile gegenüber einer Wastegate-Turbine, weil der gesamte Abgasmassenstrom stets durch die Turbine strömt, Bild 2. Dies ist die Basis für ein positives Spülgefälle im Brennraum und eine reduzierte Ladungswechselarbeit. Mithilfe der verstellbaren Phasenlage der Einlassnockenwelle ist das TSI-evo-Brennverfahren so abgestimmt, dass durch den eingestellten Ladedruckbedarf ein Motorvolllastbetrieb bei sehr hohen Verdichterwirkungsgraden erreicht wird.
Zusammengefasst leiten sich die besonderen Vorteile des TSI-evo-Brennverfahrens aus der Kombination mit dem VTG-Turbolader ab. Dieser liefert hocheffizient den erforderlichen Ladedruck zur Kompensation des Füllungsnachteils aufgrund des frühen Schließens der Einlassventile. Im Ergebnis zeigen sich hierdurch signifikant reduzierte Verluste bei Kompressions- und Ladungswechselarbeit gegenüber einem konventionellen Brennverfahren und damit eine kundenwirksame Verbrauchsreduktion.

Herausforderungen im transienten Betrieb

Neben den substanziellen Vorteilen im stationären Motorbetrieb ergeben sich systembedingt auch Herausforderungen, die vor allem das dynamische Ansprechverhalten betreffen. Bei einer spontanen Lastanforderung werden die Leitschaufeln der VTG nahezu vollständig geschlossen. An dieser Stelle zeigt sich ein spürbarer Wirkungsgradnachteil gegenüber einer Wastegate-Auslegung, Bild 2 (100-%-Ansteuerung). Die Ursache liegt in der Fehlanströmung des Turbinenrads, die durch den geschlossenen Leitschaufelapparat hervorgerufen wird. Damit der transiente Drehmomentaufbau - insbesondere aus niedrigen Motordrehzahlen heraus - die Anforderungen an einen TSI-Motor erfüllt, kommen verschiedene Softwarefunktionen in der Motorsteuerung zum Einsatz, die präzise an die Brennverfahrenseigenschaften angepasst sind.
In Bild 3 ist ein exemplarischer Lastsprung mit den verschiedenen Stellgrößen und Dynamikeingriffen dargestellt. Bei einer entsprechend hohen Lastanforderung durch den Fahrer wird die Einlassnockenwelle mithilfe des schnellen Phasenstellers kurzzeitig in eine füllungsoptimale Position verschoben. Dies reduziert den Füllungsnachteil gegenüber dem Stationärbetrieb mit einem hohen Millergrad, sodass der spontan ansteigende Liefergrad den Füllungsaufbau entscheidend unterstützt.
Auf der Abgas- und Turbinenseite sind die Randbedingungen komplexer. Der Wirkungsgradnachteil der VTG-Turbine bei geschlossener Leitschaufelstellung muss kompensiert werden, damit bei einer Dynamikanforderung spontan die maximal mögliche Turbinenleistung zur Verfügung steht. Das gelingt mit einer kontrollierten Überhöhung des Turbineneintrittsdrucks, der gleichzeitig die thermodynamischen Grenzen des Brennverfahrens nicht überschreitet. Hierfür findet eine Abgasgegendruckbegrenzung Anwendung, die ein vorher definiertes negatives Spülgefälle einhält. Dabei wird eine maximal mögliche VTG-Position berechnet, die sich auf den aktuellen Saugrohrdruck bezieht und einen zugehörigen Abgasgegendruck definiert, der vom Brennverfahren noch umsetzbar ist.
Das komplexe transiente Zusammenspiel aus TSI-evo-Brennverfahren und VTG-Aufladetechnologie wird mit patentierten Funktionalitäten für Nockenwellen- und VTG-Steuerung realisiert, die im volkswageninternen Softwareanteil der Motorsteuerung abgebildet sind. Neben den herausragenden stationären Eigenschaften werden somit auch die dynamischen Anforderungen erfüllt und ein ansprechendes Kundenfahrerlebnis ermöglicht.

Zylinderdeaktivierung zur Reduktion der CO2-Emissionen

Bei den Vierzylinder-Ottomotoren ist das Zylindermanagement ACT ein fester Bestandteil der Betriebsstrategie zur Reduktion der CO2-Emissionen, insbesondere im kundennahen Betrieb. Die Abschaltung des Ventilhubs für die Ein- und Auslassventile der inneren Zylinder erfolgt durch eine Verschiebung von axial beweglichen Nockenstücken, die sich auf der jeweiligen Nockenwelle befinden. Hier liegt neben der klassischen Ventilhubkurve auch eine zweite Kontur, der sogenannte Nullnocken. Die Ventile werden dabei nicht angehoben und verbleiben dauerhaft geschlossen, es findet kein Ladungswechsel statt und Einspritzung sowie Zündung werden abgeschaltet. In diesem Halbmotorbetrieb (HMB) leisten die deaktivierten Zylinder keinen positiven Momentenbeitrag mehr. Die weiter befeuerten äußeren Zylinder werden daraufhin in einem höheren Lastpunkt betrieben, um die gesamte Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors konstant zu halten.
Der Verbrauchsvorteil gegenüber dem Vollmotorbetrieb (VMB) ergibt sich vorrangig aus einer Verringerung der Ladungswechselverluste durch das Ausbleiben des Gasaustauschs der deaktivierten Zylinder, einer Entdrosselung der Saugseite zur Realisierung einer höheren spezifischen Last der befeuerten Zylinder und einer damit einhergehenden Betriebspunktverschiebung zu günstigeren Wirkungsgraden.

Grundlegende Weiterentwicklung

Im 1,5 l TSI evo2 wird das optimierte ACT+-System eingesetzt, das Verbesserungen im Zweizylinderbetrieb und bei den dynamischen Umschaltphasen zwischen den VMB- und HMB-Zuständen realisiert. Verschiebbare Doppelnockenstücke, die sowohl die Nocken der inneren abzuschaltenden Zylinder als auch die der jeweils benachbarten äußeren und weiter befeuerten Zylinder umfassen, ermöglichen das, Bild 4. Gegenüber der bisherigen Nutzung von Einzelnockenstücken auf den Zylindern 2 und 3 sowie starren Nockenkonturen auf den Zylindern 1 und 4 ergibt sich so die Option, den Ladungswechsel für die weiter befeuerten Zylinder separat auszulegen, da hierdurch - speziell für diesen ACT-Betriebsbereich - optimierte Ventilhübe möglich sind. Eine Umschaltung der Motorbetriebsart hat damit jetzt immer auch eine Änderung der Nockenkontur der befeuerten Zylinder zur Folge.

Stationärer Verbrauchsvorteil

Der fahrbare Drehzahlbereich im HMB reicht bis zu nMot = 3500/min und schafft damit die Möglichkeit, auf der Einlassseite ein steileres und fülligeres sowie auf der Auslassseite ein breiteres Nockenprofil für die beiden befeuerten Zylinder umzusetzen. Dies erfolgt unter Beibehaltung der maximalen Ventilbeschleunigungen und Aufsetzgeschwindigkeiten. In Kombination führt das zu einer Reduktion der Drossel- und Ladungswechselverluste bei gleichbleibend hoher Nutzung der Expansionsarbeit beim Zweizylinderbetrieb im Vergleich zur Konfiguration des TSI-evo-Brennverfahrens im Vierzylinderbetrieb.
In Bild 5 ist der Betriebsbereich der Zylinderdeaktivierung einschließlich der Verbrauchsdifferenz zum Vollmotorbetrieb dargestellt. Das breite zur Verfügung stehende Drehmomentband mit einem Verbrauchsvorteil ermöglicht die Nutzung des HMB bei Stadt- und Überlandfahrten. Bei Lastanforderungen, bei denen der HMB keinen Verbrauchsvorteil mehr erzielt, wird in den VMB umgeschaltet. Hier hilft das hohe darstellbare maximale Drehmoment im HMB, um eine ansatzlose Beschleunigung bis zur Aktivierung der inneren Zylinder zu ermöglichen.

Reduktion der Umschaltverluste

Die Umschaltphasen zwischen den beiden Motorbetriebsarten wirken sich immer negativ auf den Verbrauch aus. Als Vorbereitung für den HMB wird ein Druckvorhalt im Saugrohr aufgebaut, sodass bei der anschließenden Zylinderdeaktivierung ausreichend Frischluftmasse in den weiter aktiven Zylindern zur Verfügung steht, um das geforderte Drehmoment darzustellen. Das hierdurch in allen vier Zylindern erzeugte, theoretisch mögliche Mehrmoment wird bis zur erfolgten Umschaltung durch eine Verschlechterung des Zündwinkelwirkungsgrads kompensiert. Der so hervorgerufene erhöhte Kraftstoffverbrauch steigt bei gleichbleibendem Verbrennungsluftverhältnis proportional zum Druckvorhalt.
In Bild 6 werden die Verläufe der maßgeblichen motorischen Größen bei einer Umschaltung vom VMB in den HMB ersichtlich. Beim klassischen ACT-System steigt die Zylinderfüllung im Vorfeld der Umschaltung auf den im HMB erforderlichen Wert an. Die Einlassnockenwelle wird zur Steigerung der Füllungsdynamik und zur Minderung des auf die Verbrennung destabilisierend wirkenden Restgasanteils im Brennraum in eine spätere Position verfahren.
Beim ACT+-System ist die Einlassnocke der weiter aktiven Zylinder nun gegenüber der VMB-Konfiguration zu späteren Steuerzeiten verdreht. Das hat zum Zeitpunkt der Umschaltung einen Sprung im Liefergrad zur Folge; bei gleichem Saugrohrdruck strömt mehr Frischluft in den Brennraum. Unter Berücksichtigung dieses Liefergradsprungs wird der Saugrohrdruck nur so weit angehoben, dass erst durch die Umschaltung in den HMB die erforderliche Frischluftmasse zur Verfügung steht. In der Folge konnte im ACT+-System der Mehrverbrauch in der Umschaltphase gegenüber dem herkömmlichen ACT-System deutlich reduziert werden.

Konzept motornahe Abgasreinigung

Die Einhaltung ambitionierter Emissionsziele ist eine zentrale Herausforderung in der Motorentwicklung. Besonderes Augenmerk liegt auf der schnellen Aufheizung des Abgassystems bis zur vollständigen Betriebsbereitschaft - unterstützt durch Hard- und Softwaremaßnahmen. Um den sich verschärfenden gesetzlichen Anforderungen in Zukunft gerecht zu werden und darüber hinaus eine signifikante Emissionsreduktion unter allen Fahrbedingungen zu erreichen, wurde das Abgasreinigungskonzept umgestellt und das Aufheizverfahren verbessert. Die Abgasanlage im 1,5 l TSI evo2 wird als Motornahe Abgasreinigung (MAR) bezeichnet, Bild 7, in der die Aufgaben zur Reduktion sowie Oxidation der gasförmigen Emissionen von der Partikelabscheidung getrennt sind. Dabei befindet sich ein Dreiwegekatalysator in erster Position unmittelbar am Austritt der Turbine des Turboladers, um möglichst schnell die Betriebstemperatur zu erreichen. Der Ottopartikelfilter (OPF) ist in Strömungsrichtung danach angeordnet. Differenzdruck- und Temperatursensoren, die in die MAR eingebunden sind, dienen der Erfassung des Beladungszustands des OPFs sowie der Abgastemperatur. Die neue Anordnung ermöglicht einen reduzierten Einsatz von Edelmetallen gegenüber der ersten Generation, leistet damit einen Beitrag zur Nachhaltigkeit und schafft die Basis für künftige Abgasnormen.

Weiterentwicklung der Katheizstrategie

Damit die Oxidations- und Reduktionsvorgänge im Katalysator stattfinden können, wird eine Abgastemperatur von mindestens T = 300 °C benötigt, weshalb diese auch als Light-Off-Temperatur bekannt ist. Für eine möglichst schnelle Aufheizung des Systems kommt eine Zündwinkelspätverstellung zum Einsatz. Durch die demensprechend späteren Verbrennungsschwerpunktlagen wird eine deutlich höhere Abgastemperatur in den Abgastrakt eingebracht, als es bei einer verbrauchsoptimalen Zündung der Fall wäre. Damit wird die Light-Off-Temperatur unter allen erforderlichen Randbedingungen schnellstmöglich erreicht.
Nach dieser initialen Phase der Zündwinkelspätverstellung kommt das energieeffizientere Lambda-Split-Verfahren oder das chemische Katheizen zum Einsatz. Grundsätzlich ist diese Betriebsweise bereits von CNG-Motoren bekannt [4] und erfährt jetzt eine Optimierung und Adaption für den Betrieb mit Ottokraftstoff. Bei dieser Strategie wird nicht der gesamte Abgasstrang aufgeheizt, die Beheizung erfolgt vielmehr lokal an der benötigten Stelle im Katalysatormonolith durch eine Nachreaktion von unverbrannten Luft- und Kraftstoffbestandteilen. Konkret werden zwei Zylinder überstöchiometrisch und zwei Zylinder unterstöchiometrisch betrieben. Die unverbrannten Reaktionspartner homogenisieren sich im Abgastrakt, wodurch die exotherme Nachreaktion direkt im Katalysator erfolgt, was zu einer kontrollierten Aufheizung des Substrats führt. Der Gradient der Aufheizung ist bei diesem Verfahren abhängig von der Aufteilung und Abstimmung des sogenannten Split-Faktors, der die Höhe des unterstöchiometrischen Betriebs beschreibt. Das Verhältnis zu den überstöchiometrisch betriebenen Zylindern ergibt sich automatisch, mit dem Ziel, im Katalysator ein Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1,0 zu realisieren. Bild 8 zeigt exemplarisch die erreichte Temperaturanhebung infolge des Split-Betriebs.
Infolge der beschriebenen, kombinierten Aufheizmethode aus initialem Zündwinkelheizen und anschließendem Split-Betrieb ist eine signifikante CO2- Ersparnis in der Katheizphase möglich.

Zusammenfassung

Die entscheidenden Erfolgsfaktoren bei der zweiten TSI-evo-Generation sind die Kombination aus TSI-evo-Brennverfahren mit VTG-Aufladetechnologie sowie Weiterentwicklungen beim ACT-System und der Emissionierung. Die hohe Komplexität erfordert passgenaue Softwarelösungen, die eigens entwickelt werden und im geschützten, volkswageninternen Teil der Motorsteuerung eingebunden sind. Das eröffnet die Möglichkeit, die einzelnen Komponenten im Systemverbund technisch auszureizen.
Bild 9 veranschaulicht die Ergebnisse der beschriebenen Weiterentwicklungen. Der 1,5 l TSI evo2 erreicht eine Verbrauchsreduktion im gesamten Betriebsbereich bei gleichzeitig hervorragenden Dynamikkennwerten. Die Lastsprungzeit ist insbesondere bei niedrigen Motordrehzahlen signifikant verkürzt. In Verbindung mit dem hocheffektiven Abgasnachbehandlungssystem ist der Motor somit für den weltweiten Einsatz und künftige Abgasnormen vorbereitet.

Literaturhinweise

[1]
Eichler, F.; Demmelbauer-Ebner, W.; Theobald, J.; Stiebels, B.; Hoffmeyer, H.; Kreft, M.: Der neue EA211 TSI evo von Volkswagen. 37. Internationales Wiener Motorensymposium, Wien, 2016
 
[2]
Demmelbauer-Ebner, W.; Middendorf, H.; Birkigt, A.; Ganzer, M.; Hagelstein, D.; Persigehl, K.: EA211 TSI evo - Die neuen 4-Zylinder Ottomotoren von Volkswagen. 25. Aachener Fahrzeug- und Motorenkolloquium, Aachen, 2016
 
[3]
Bennewitz, K.; Willmann, S.; Mühlmann, J.; Hoffmeyer, H.: Ready for Future - Volkswagens neue TSI-Motoren-Generation. 43. Internationales Wiener Motorensymposium, Wien, 2022
 
[4]
Demmelbauer-Ebner, W.; Theobald, J.; Worm, J.; Scheller, P.: Der neue 1,5-l-EA211 TGI evo - Volkswagen gibt e-gas. 39. Internationales Wiener Motorensymposium, Wien, 2018
 

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Metadaten
Titel
Der neue EA211 1,5 l TSI evo2
verfasst von
Pierre Scheller
David Sudschajew
Dirk Warnke
Tim Thaler
Publikationsdatum
01.01.2023
Verlag
Springer Fachmedien Wiesbaden
Erschienen in
MTZ - Motortechnische Zeitschrift / Ausgabe 1/2023
Print ISSN: 0024-8525
Elektronische ISSN: 2192-8843
DOI
https://doi.org/10.1007/s35146-022-1420-7

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