Audi V8 4V und V10 4V für RS4, RS5 und R8

Sport Auto 10/2015 offenbart es mit der Leistungsmessung des R8 V10 Plus erneut :
Der Langhuber mit 92,8mm Hub und einer Bohrung von 84,5mm stößt an seine Grenzen. Die Werksangabe beträgt 610 PS / 8250 U/min und 560 Nm bei 6500 U/min, jedoch in der Messung mit 579 PS / 548 Nm werden die Werte teils deutlich verfehlt. Ein Zufall ? Sicher nicht! Der V10 (und die vergleichbaren V8 für RS4 und RS5) werden auf der gleichen Fertigungsstraße gefertigt und haben das gleiche Stichmaß. Die Bohrung ist ausgereizt. Um die angestrebte Leistung herauszuholen muß Drehzahl und Gasdurchsatz erhöht werden. Aber 8250 U/min bedeuten eben auch 25,5 m/s mittlere Kolbengeschwindigkeit. Das ist sehr hoch! Und es hat Folgen. Der Kolbenfläche liegt im Bereich von 5,3 fachen des Ansaugkanalquerschnitts. So werden eben auch 135 m/s mittlere Gasgeschwindigkeit erreicht. Das ist die absolute Obergrenze für Saugmotoren. Nimmt man einen Kanaldurchflußbeiwert von 0,63 an, der für einen Langhuber realistisch ist, so wird bei 76° Kurbelwellenwinkel und 7600 U/min in der Mitte der hyperbolischen Geschwindigkeitsverteilung des ovalen Ansaugquerschnitts Schallgeschwindigkeit erreicht. Bei 8250 U/min sind bereits 34° Kw der schwingenden Gassäule auf Schallgeschwindigkeit begrenzt. Damit bleibt die angesaugte Gasmasse immer deutlicher hinter der erwarteten durchgesetzten Gasmasse zurück und die Leistung ebenso. Weiterhin steigt die von der Kurbelwelle abgezweigte Leistung, die zum Ansaugen des Frischgases aufzubringen ist, erheblich. Mechanisch ist der Block im Parameter mittlere Kolbengeschwindigkeit ausgereizt und kratzt an der Laufleistung. Während sich der Sauger mittels seiner Kolbenbewegung durch die flächenmäßig begrenzten Gaswechselquerschnitte sichtbar von der Sinusform abweichende Saugrohrdruckamplituden erzeugen muß , profitiert der Motor von Kompressor oder Turboladern dergestalt, das in dem mittels kurzen Saugrohrarmen angeschlossenen Sammelsaugrohr unter Volllast permanent und damit nahezu unabhängig vom Kurbelwellenwinkel Drücke vom Lader aufgeboten werden können, wie sie der freisaugende Motor nicht erzeugen kann. Um die Fertigungsanlagen weiter zu nutzen, werden wohl ähnlich wie bei Ferrari oder BMW die hochdrehenden Saugmotoren verabschiedet werden und das down sizing läßt grüßen. Das das kein Nachteil in einem Sportwagen darstellen wird, zeigt bereits der Ferrari California mit 3,9 L V8 Bi Turbo deutlich, der den Drehmomentverlauf, die Leistung und folgerichtig die Fahrleistung seines freisaugenden Vorgängers mehr als deutlich in den Schatten stellt.

Grüße, Stefan

Beste Grüße, Stefan

Para, danke für die Kopie des Artikels !

Dazu folgende Anmerkungen :
Der abgesenkte Schwerpunkt des Motors und die Trockensumpfschmierung sind ein guter Fortschritt. Das Trockengewicht von m= 1454kg ist ein netter Marketing Wert, kommt in der Praxis nicht wirklich an. Mit allen Betriebsmitteln und vollgetankt wog der bei Sport Auto angetretene R8 V10 Plus dann 1636 kg oder +12,4%. Immer noch ein recht guter Wert für einen Sportwagen mit Quattro Antrieb, 7 Gang DKG und V10 Motor.
Der Motor erhält ein höheres Verdichtungsverhältnis und somit einen geringfügig gestiegenen thermischen Wirkungsgrad. Weiterhin reduziert das geringere Kompressionsvolumen die negative Auswirkung des hohen Abgasgegendrucks im Wesentlichen der Katalysatoren. Audi reduziert den Abgasgegendruck unter Volllast durch Klappen im Abgasstrang und verbessert den Sound. Gut so !! Weiterhin unterstützt der verringerte Abgasgegendruck die Wirksamkeit der Fächerkrümmer, das den so kritischen Ladungswechsel des Hochdrehzahllanghubers unterstützt. Die Kanäle sind erweitert und strömungstechnisch optimiert, große Bedeutung kommt dem verringerten Ventilschaftdurchmesser mit nur 4,8 mm zu. Diese Maßnahmen verbessern den Kanaldurchflußbeiwert und steigern so die Füllung und senken die mittlere Gasgeschwindigkeit im Vergleich zum Vorgängermotor.
Das „neue“ Brennverfahren hat die veröffentlichten Vorteile und löst Probleme, die auch eigentlich nicht in eine solche Veröffentlichung hinein gehören, weshalb ich dieses nun hier hinzufüge. Dazu ein kurzer Exkurse :
1) Der Ladungswechsel ausgeprägter Langhub Ottomotoren mit MPI weist die Besonderheit auf, das sich im Brennraum ein volumenmäßig großer und ein kleiner Wirbel aufbauen, die orthogonal zur Zylinderachse stehen. Darüber hinaus ein Wirbelzopf, der auf dem Kolbenboden liegenden um die Zylinderache dreht und nur geringen Austausch mit den beiden erst erwähnen Wirbeln Massenaustausch pflegt. Er besteht im Wesentlichen aus Restgas und fettem Gemisch, das dem vor dem Einlassventil vorgelagerten sehr fetten Kraftstoff Luft Gemisch entstammt. Demzufolge verbrennen diese Ladungsbestandteile sehr fett und unvollständig, enthalten Ruß, CO und HC. Diese Ladungsbestandteile erhöhen somit die Rohemissionen und den Verbrauch.
2) Ein Problem der FSI Motoren besteht darin, das der Kraftstoff erst eingespritzt wird, den der Kolben wieder aufwärts läuft. Die während des Gaswechsel OT überströmenden Restgase lagern Verbrennungsrückstände und Ölkohle auf den Einlassventilen ab. Da aber der Kraftstoffnebel nie die Oberseite des Ventiltellers erreicht, wird auch von sinnvoll additioniertem Kraftstoff kein Abtrag der Rückstände erzielt, speziell der Saugmotor verliert über die Zeit an Füllung und damit an Drehmoment und Leistung
Mit der Kombination von FSI und MPI lassen sich diese Probleme reduzieren. Im Teillastbereich und im unteren Drehzahlbereich wird viel Ventilüberschneidung mit Drosselklappe betrieben werden, was den notwendigen Mitteldruck für den Ladungswechsel reduziert. Der FSI würde unter diesen Randbedingungen über die Zeit viel Verbrennungsrückstände auf den E Ventiltellern ablagern, nun aber mit zusätzlicher MPI erfolgt die Kraftstoffgabe auf die Ventilteller um sie permanent zu reinigen. Das Timing der Einspritzung erfolgt so, das dem liegenden Wirbelzopf nicht auch noch Kraftstoff zugemischt wird. Ergebnis : Saubere Ventile, deutlich verbesserte Rohemission.
Die Kombination von FSI und MPI eröffnet weitere Vorteile, die Audi nutzt. Im Volllastbereich wird in Spritzt die MPI Kraftstoff in das Saugrohr, um durch die Verdunstungskälte den Füllungsgrad zu und die Gemischhomogenität zu erhöhen. Die FSI Einstritzung im Verdichtungstakt kühlt das Gemisch und die Brennraumwandungen, reduziert somit die Klopfneigung und ermöglicht über die höhere Verdichtung einen höheren thermischen Wirkungsgrad der Maschine.
Grundmotor: die Common Pin Kurbelwelle erzeugt eine ungleichmäßige Zündfolge, zusammen mit den Klappen im Abgasstrang wird das Brabbeln und Patschen hervorgehoben. Ja das spricht die Emotionen an und die Welle kostet weniger in der Produktion. COD ist eine sinnvolle Ergänzung, vor allem auch das der Wechsel der Bänke zum Aufrechterhalten der Kat Temperaturen realisiert ist, zeugt von einem durchdachtem Konzept.
Die Segelfunktion enthält vermutlich zusätzlich eine Kennfeldregelung, die den Segelmodus nur freigibt, wenn der Motor mit Wasser- und Öltemperatur in einem sinnvollen Fenster liegt. Denn nach einer Hatz in den unteren Gängen einen Pass hinauf wird es von Nöten sein, zunächst bergab den Motor auf Drehzahl zu halten, bis die Betriebsstoffe wieder im Normalbereich ihrer Temperatur angekommen sind, da ansonsten sich Hitzenester bilden und der Motor den Hitzetot stirbt.
Marketing : Das schnelle Hochdrehen sei besser als bei allen anderen Kurzhubern ist als Marketing Statement zu verstehen, es soll überspielen das halt keine Motoren und keine Fertigungsstraße für Motoren mit größerem Stichmaß zur Verfügung stehen. Eine Ansprechzeit von 0,66s ist auch nicht wirklich messerscharf. Und spezifisch wurden gemessen von Sport Auto 105,3 Nm/L in der Spitze. Und nur im Drehzahlbereich von 6400 … 7500 U/min werden 100 Nm/L überschritten. Das toppt der R6 des E46 S54 schon seit 2001 mit 112,5 Nm/L. Die gemessene Literleistung des R8 V10 Plus liegt bei 111,3 PS/ Liter und 25,5 m/s mittlere Kolbengeschwindigkeit … mutig mutig, und wie schaut‘s mit der Lebensdauer aus? Das Marketing sollte mal auf die Leistungsdaten des Ferrari 458 schauen, die holen vergleichbare absolute Werte mit einem geschmähten Kurzhuber aus einem nur 4,5 L großen V8 mit entsprechend deutlich besseren spezifischen Werten (126,8 PS/L und gleichzeitig 120 Nm/L) vor allem bedingt durch den Vorteil des Kurzhubers : Größere Ventilflächen, größere Kanalquerschnitte und folgerichtig deutlich besseren Füllungsgrad bei niedriger mittlerer Kolbengeschwindigkeit (24,3 m/s)
Fazit : Der überarbeitete R8 ist optisch gelungener, speziell von vorn. Er ist geringfügig leichter geworden. Der Motor ist drehfreudiger und profitiert sicher von den überarbeiteten Kanälen und den geringeren Ventilschaftdurchmessern. Ebenso ist die kombinierte FSI und MPI Einspritzung ein Fortschritt. In Ermangelung von Fertigungsstraßen mit größerem Stichmaß hat die Entwicklungsabteilung von Audi sicher herausgeholt was zu holen war und geht an die Grenzen der Kolbengeschwindigkeit. Ich bin gespannt, ob der Kurbeltrieb 250.000 km durchhält.

Grüße, Stefan

Hallo Para !

Doch es kommt drauf an das die Motoren liefern was per Prospekt versprochen wird. Der Maha Prüfstand ist von Audi ausdrücklich akzeptiert mit einer Verfahrensgenauigkeit von 2%. Bei den VR6 3.2 4V ( ja ich weiß, es ist ein VW Gewächs) lagen Leistung und Drehmoment zu niedrig. Anfangs lief meiner nur V max 235 km/h laut Tacho. Ich kümmerte mich dann darum ... NWT läßt grüßen. Aber gerade die V8 und V10 Sauger lagen deutlich unter Prospekt. Mir liegen Messungen vor des ersten S4 mit 4.2L V8. Prospekt : 344 PS Messung : 299 PS !! Das ist ein Desaster !! Aber schon eine Weile her ... Das es eine Streuung (Verteilung) gibt, ist mir klar. Das aber ein Sauger bei Audi in den seltensten Fällen seine Nenndaten reicht oder gar erfreulicherweise überschreitet, kommt so gut wie nie vor. Da gibt es eine große Differenz, die sicher in der Diskrepanz von idealem Prüfstand zur abgeschlossenen Applikation im Fahrzeug zu suchen ist. Ein Beispiel hier die Luftführungen im A3 3.2 Quattro, die hälftig Warmluft aus dem Motorraum ansaugen uns so Luftdichte und Leistung verlieren. Hier hat erst Domi aktiv werden müssen. Auch beim jüngsten R8 V10 plus Prüfstandslauf liegt die OBD Temperatur 10°C über Umgebung. Andere Hersteller können das besser. Und dann noch ein Marketing das wider besseren Wissens den Kurzhuber schmäht.

Es ist nun mal Fakt, das gerade im Sportwagenbereich viele Kunden präsent sind, die genug Wissen im Motorenbereich mitbringen um zu unterscheiden zwischen Beworbenem und faktischer Realität.
Leider setzt das Marketing heut lieber ausschließlich auf Emotionen ( siehe Sound oben ). Ich bin etwas Technik bewandert und schätze nicht wenn mein Sportwagen nicht bringt was versprochen wurde.

Grüße, Stefan

Hallo Quattro4ever

Es ist definitiv so, das beim V10 Direkteinspritzung mit 200 Bar Raildruck und eine Niederdruck Saugrohreinspritzung verbaut ist. Also 2 unterschiedliche Einspritzdüsen pro Zylinder

Buch : Ja, ich überlege etwas über Ladungswechsel zu verfassen, da hier in den frühen Tagen sehr oft mit 1 ... 2 (Register-) Vergaser(n) pro Motor gearbeitet wurde. Zu der Zeit stand im Vordergrund die Gleichverteilung von Gemisch (und auch Lambda) auf die Zylinder. Weiterhin waren der Warmlauf ein Thema, siehe der "Igel" im Sammelsaugrohr oder Temperatur geregelte Ansaugluftvorwärmung. Dann kamen K Jetronic mit mechanischem Luftmengenmesser auf. Als dann [lexicon]Luftmassenmesser[/lexicon] und MPI Einzug hielt, kamen die ersten finite Elemente Ladungswechselprogramme auf. Also der direkte Übergang von Erfahrung und Versuch auf Simulation. Wie aber Saugrohr properties ausgelegt werden mit mittlerer Gasgeschwindigkeit etc, da wird heute immer noch auf Erfahrungswerte verwiesen. Z.B. mittlere Gasgeschwindigkeit 60 ... 100 m/s für den Einlasskanal als Erfahrungswert. Fakt ist, das ich Berechnungsverfahren gefunden habe, die die Auslegung der Parameter mittlere Gasgeschwindigkeit, Saugrohrquerschnittsfläche, Saugrohrlänge, Nockenhub, Einlaßschluß, etc. punktgenau berechnen kann. Was ich aufgestellt habe, ist das Bindeglied zwischen dem früher üblichen und auch heute notwendigen Versuch und der finite Elemente Simulation. Das ist ein Formelwerk für den Motortuner, den Privatier, der seinen Motor für seinen Bergrennwagen oder Motorrad optimieren möchte und auch den Motorenentwickler von großer Hilfe. Es gibt haufenweise Formeln, die ich der Literatur entnommen hab, die zu wertfreien Ergebnissen führen und der Praxis widersprechen. Z.B. : der VR6 3.2 4V hat für die Leistungsstellung eine mittlere Saugrohrlänge von ca 380 mmm, die Formel aus dem Trzeniowski kommt auf 1,2m. Ich habe mich an 2 Uni's gewandt. Keine Reaktion. Ich bin hingefahren. Kein Interesse.
Ich werde also eine Veröffentlichung oder ein Buch schreiben über den Ladungswechsel der freisaugenden Hochleistungsmotoren für den interessierten Laien, Tuner und Motorenentwickler. Es wird auch verschiedene Tools in Excel geben, mit deren Hilfe die Auslegung erfolgt. Weiterhin kann ich einen Foliensatz dazu machen, um Euch diese Auslegung bei dem nächsten A3 3.2 Quattro Treffen (in Nekarsulm?) vorzustellen.
Grüße, Stefan