Audi Motorenprüfstand - Teil 2: 4.0 TFSI

Fortsetzung der Serie für die Antriebseinheiten der Marke

Der Achtzylinder 4.0 TFSI von Audi und Bentley ist der Inbegriff des Downsizings in der Oberklasse. Er ersetzte den 4,2-Liter-Saugmotor und den 5,2-Liter-V10-Motor des S6, S7 und S8 und war in Leistungsstufen von 420 bis 520 PS erhältlich. bis zu 605 PS je nach Modell. Bei diesen Zahlen ist der Audi-Motor ein direkter Konkurrent zum 4,4-Liter-Biturbomotor N63 von BMW und seiner S63-Version für die M-Modelle. Wie beim BMW sind die beiden Turbolader an der Innenseite der Zylinderbänke platziert, die wie beim bisherigen 90-Liter-Aggregat im 4,2-Grad-Winkel angeordnet sind. Durch diese Anordnung wird eine höhere Kompaktheit erreicht und der Weg der Abgase verkürzt. Die Twin-Scroll-Konfiguration (bei BMW nur ​​in der S-Version verwendet) ermöglicht es, die gegenseitige negative Beeinflussung der Pulsationen der verschiedenen Zylinder zu reduzieren und einen größeren Teil ihrer kinetischen Energie zu extrahieren, und erfolgt durch eine komplexe Kombination von Kanäle aus Zylindern verschiedener Reihen. Dieses Funktionsprinzip sorgt für eine solide Drehmomentreserve beim Beschleunigen, selbst in Modi knapp über der Leerlaufdrehzahl. Schon bei 1000 U/min hat der 4.0 TFSI bereits 400 Nm. Die leistungsstärkere Version stellt ihr maximales Drehmoment von 650 Nm (700 bei den 560- und 605-PS-Versionen) im gesamten Drehzahlbereich von 1750 bis 5000 U/min bereit, während die 550 Nm des Standardmodells noch früher zur Verfügung stehen – von 1400 bis 5250 U/min. Der Motorblock besteht aus Aluminiumlegierungen mit homogenem Aluminiumguss bei niedrigem Druck und ist bei den leistungsstarken Versionen zusätzlich wärmebehandelt. Zur Verstärkung des Blocks sind in dessen Unterteil fünf Sphärogusseinlagen integriert. Wie bei der kleineren EA888-Einheit verfügt die Ölpumpe über eine variable Kapazität, und bei niedriger Drehzahl und Last sind die Kühldüsen am Kolbenboden ausgeschaltet. Die Logik der Motorkühlung ist ähnlich, wobei das Steuermodul die Temperatur in Echtzeit anpasst und die Zirkulation so lange gehalten wird, bis die Betriebstemperatur erreicht ist. Wenn es vorhanden ist, beginnt sich die Flüssigkeit vom Inneren der Zylinder in Richtung Zylinderkopf zu bewegen, und wenn eine Erwärmung erforderlich ist, leitet eine elektrische Pumpe Wasser vom Zylinderkopf in die Kabine. Um eine Kolbenüberflutung nahezu vollständig zu verhindern, werden auch hier mehrere feine Kraftstoffeinspritzungen pro Zyklus bei kaltem Motor durchgeführt.

Schalten Sie einen Teil der Zylinder aus

Das Teillastzylinder-Absperrsystem ist kein neuer Ansatz zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, aber mit dem Turbomotor von Audi wurde diese Lösung perfektioniert. Die Idee solcher Technologien ist es, die sogenannten zu erhöhen. Betriebspunkt - Wenn der Motor eine Leistung benötigt, die vier der acht Zylinder aufnehmen kann, arbeiten diese in einem viel effizienteren Modus mit einer breiteren Drosselklappe. Die Obergrenze des Zylinderdeaktivierungsvorgangs liegt zwischen 25 und 40 Prozent des maximalen Drehmoments (zwischen 120 und 250 Nm), und in diesem Modus steigt der durchschnittliche effektive Druck in den Zylindern erheblich an. Die Kühlmitteltemperatur muss mindestens 30 Grad erreicht haben, das Getriebe muss im dritten oder höheren Gang sein und der Motor muss zwischen 960 und 3500 U / min laufen. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, schließt das System die Einlass- und Auslassventile von zwei Zylindern jeder Zylinderreihe, wodurch die V8-Einheit weiterhin als V4 arbeitet.

Das Schließen der notwendigen Ventile an den vier Nockenwellen erfolgt mit Hilfe einer neuen Version zur Steuerung der Phasen und des Hubs der Ventile des Audi Valvelift-Systems. Die Buchsen mit Nocken zum Öffnen von zwei Ventilen und Kanälen werden mit Hilfe von elektromagnetischen Geräten mit Stiften zur Seite bewegt, und in der neuen Version haben sie auch Nocken für "Nullhub". Letztere wirken sich nicht auf die Ventilstößel aus und die Federn halten sie geschlossen. Gleichzeitig stoppt das Motorsteuerungssystem die Kraftstoffeinspritzung und die Zündung. Bevor die Ventile schließen, werden die Brennräume jedoch mit Frischluft gefüllt - der Austausch von Abgasen durch Luft verringert den Druck in den Zylindern und die zum Antrieb der Kolben erforderliche Energie.

Sobald der Fahrer das Gaspedal stärker drückt, beginnen die deaktivierten Zylinder wieder zu arbeiten. Die Rückkehr in den Achtzylindermodus sowie der umgekehrte Vorgang sind äußerst präzise und schnell und praktisch nicht wahrnehmbar. Der gesamte Übergang erfolgt in nur 300 Millisekunden, und der Moduswechsel führt zu einer kurzfristigen Verringerung des Wirkungsgrads, so dass die tatsächliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs etwa drei Sekunden nach Deaktivierung der Zylinder beginnt.

Laut Audi waren auch Mitarbeiter von Bentley, die den fortschrittlichen 4.0 TFSI für den neuen Continental GT (Debüt 2012) verwenden, am Entwicklungsprozess dieser Technologie beteiligt. Ein solches System ist für das Unternehmen nicht neu und funktioniert in der 6,75-Liter-V8-Einheit.

V8-Motoren sind nicht nur für ihre Traktion und harmonische Gasannahme bekannt, sondern auch für ihren reibungslosen Betrieb - und dies gilt in vollem Umfang für den 4.0 TFSI. Wenn ein V8-Motor jedoch je nach Last und Drehzahl als V4 fungiert, erzeugen seine Kurbelwelle und seine Hubkolbenkomponenten ein hohes Maß an Torsionsschwingung. Dies führt wiederum zum Auftreten spezifischer Geräusche, die in den Innenraum des Fahrzeugs eindringen. Mit seiner Größe erzeugt die Abgasanlage auch spezifische Bassgeräusche, die trotz des intelligenten Gasflussregelungssystems mit Ventilen schwer zu unterdrücken sind. Auf der Suche nach Möglichkeiten zur Reduzierung von Vibrationen und Geräuschen haben die Designer von Audi einen ungewöhnlichen technologischen Ansatz gewählt und zwei einzigartige Systeme entwickelt - Antischallerzeugung und Vibrationsdämpfung.

Aufgrund des intensiven Wirbelprozesses während des Befüllens und der erhöhten Verbrennungsrate kann das Kompressionsverhältnis unabhängig vom Vorhandensein einer Turboaufladung erhöht werden, ohne dass das Risiko besteht, Detonationen im Verbrennungsprozess zu verursachen. Es gibt einige technologische Unterschiede zwischen den verschiedenen Leistungsversionen des 4.0 TFSI, wie die Verwendung eines Ein- oder Zweikreis-Ansaugsystems, unterschiedliche Betriebseinstellungen der Turbolader und das Vorhandensein eines zusätzlichen Ölkühlers in den leistungsstärkeren Einheiten. Es gibt auch strukturelle Unterschiede bei den Kurbelwellen und ihren Hauptlagern, dem Kompressionsgrad, den Gasverteilungsphasen und den Einspritzdüsen.

Aktiver Geräuschschutz und Schwingungsdämpfung

Active Noise Control (ANC) wirkt unerwünschten Geräuschen entgegen, indem es "Anti-Sound" erzeugt. Dieses Prinzip wird als destruktive Interferenz bezeichnet: Wenn sich zwei Schallwellen derselben Frequenz überlappen, können ihre Amplituden so "angeordnet" werden, dass sie sich gegenseitig dämpfen. Zu diesem Zweck müssen ihre Amplituden gleich sein, sie müssen jedoch bei 180 Grad relativ zueinander phasenverschoben sein, dh sie müssen gegenphasig sein. Experten nennen diesen Prozess auch "Reverse Noise Elimination". Die Modelle von Audi, die den neuen 4.0 TFSI anbieten werden, sind mit vier kleinen Mikrofonen ausgestattet, die in den Dachhimmel integriert sind. Jeder von ihnen registriert das gesamte Rauschspektrum im angrenzenden Bereich. Basierend auf diesen Signalen erzeugt das ANC-Steuermodul ein differenziertes räumliches Rauschbild, während gleichzeitig der Kurbelwellendrehzahlsensor Informationen über diesen Parameter liefert. In allen vorkalibrierten Bereichen, in denen das System störende Geräusche erkennt, erzeugt es gezielt präzise modulierte Eliminierungsgeräusche. Die aktive Geräuschreduzierung ist jederzeit betriebsbereit - unabhängig davon, ob das Audiosystem ein- oder ausgeschaltet ist und ob der Ton verstärkt, reduziert usw. wird. Das System funktioniert auch unabhängig von dem System, mit dem das Auto ausgestattet ist.

Die Art und Weise, die Vibrationen zu dämpfen, ist als Idee sehr ähnlich. Grundsätzlich verwendet Audi starre, sportliche Einstellungen für die Motorlager. Für 4.0 TFSI haben Ingenieure aktive Montagehalterungen oder Bremsbeläge entwickelt, die darauf abzielen, Motorvibrationen mit phasenverschobenen Rückwärtsschwingungen zu beseitigen. Eine Schlüsselkomponente im System ist ein elektromagnetisches Gerät, das Vibrationen erzeugt. Es hat einen Permanentmagneten und eine Hochgeschwindigkeitsspule, deren Bewegung mittels einer flexiblen Membran auf eine Kammer mit Flüssigkeit übertragen wird. Diese Flüssigkeit absorbiert sowohl die vom Motor verursachten als auch die ihnen entgegenwirkenden Vibrationen. Gleichzeitig begrenzen diese Elemente Vibrationen nicht nur im atypischen Betriebsmodus wie V4, sondern auch im normalen V8-Modus, wobei besonderes Augenmerk auf den Leerlauf gelegt wird.

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Text: Georgy Kolev

2020-08-30