Der Lupo FSI von Volkswagen – So sparsam ist sportlich · 2016. 4. 5. · Pumpzelle wird der...

ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 102 (2000) 11964

Entwicklung Neue Automobile

5 Abgasnachbehandlung

Ein wesentliches Hindernis beim Einsatzvon Ottomotoren mit Direkteinspritzungwar bisher die Abgasnachbehandlung. ZurErfüllung der europäischen Abgasgrenz-werte sind auch in den Magerbetriebspha-sen hohe NOx-Umsatzraten von über 80 %erforderlich. Kontinuierlich arbeitende Sys-teme, beispielsweise auf Iridium-Basis, stel-len aufgrund ihrer beschränkten Mager-NOx-Konvertierungsrate hier kein zielfüh-rendes Konzept dar. Für die FSI-Abgasnach-behandlung wurde daher bereits in einemfrühen Entwicklungsstadium das NOx-Speicherkatalysatorverfahren festgelegtund von Volkswagen entscheidend weiter-entwickelt.

Bei diesem diskontinuierlich arbeitendenVerfahren, Bild 12, werden in mageren Be-triebsphasen Stickoxide zurückgehalten

Mit dem Lupo FSI führt Volkswagen als erster deutscher Automobil-hersteller einen Ottomotor mit Direkteinspritzung ein. Der erste Teildes Beitrags in der Oktober-Ausgabe der ATZ behandelte den Aufbaudes Motors sowie das Brennverfahren. In diesem Teil wird – neben derAbgastechnik und weiterer motorischer Betrachtungen – das wesent-liche Fahrzeugkonzept des Lupo FSI erläutert.

Der Lupo FSI® von Volkswagen –So sparsam ist sportlich Teil 2

und durch kurze, periodische Beaufschla-gung mit unterstöchiometrischem Abgaszu Stickstoff reduziert. Die Innovationenauf dem Gebiet der Abgasnachbehandlungfür den FSI-Motor sind durch umfangreicheSchutzrechtsanmeldungen dokumentiert.

Der NOx-Speicherkatalysator entspricht inseinem Aufbau dem bekannten Dreiwege-Katalysator, dem eine zusätzliche NOx-Speicherkomponente in Form einer Alkali-oder Erdalkaliverbindung beigemischt ist.Bei Motorbetrieb mit λ=1 werden somitauch die am Dreiwege-Katalysator übli-chen Schadstoff-Umsatzraten nahe 100 %beobachtet. In magerem Abgas werden dieanströmenden, vom Motor emittiertenStickoxide zunächst zu NO2 aufoxidiert undanschließend durch Nitratbildung an derSpeicherkomponente eingelagert, Bild 13.Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxidwerden analog zu Oxidationskatalysatorenzu H2O und CO2 umgesetzt.

Ist die NOx-Speicherkapazität durch Nitrat-bildung erschöpft, wird der Motor kurzzei-tig im NOx-Regenerationsmodus betrieben.Durch unterstöchiometrische Verbrennungenthält das Rohabgas hohe Konzentratio-nen an HC und CO. Diese Abgaskomponen-ten zersetzen zunächst die im Speicherka-talysator eingelagerten Nitrate und stellenauf diese Weise den ursprünglichen Zu-stand der Speicherkomponenten wiederher. In den vom Dreiwege-Katalysator herbekannten Reaktionen werden an-schließend die herausgelösten Stickoxidezu N2 reduziert und mit dem freiwerdendenSauerstoff die Kohlenwasserstoffe undKohlenmonoxid oxidiert. Somit verlassenden Katalysator unabhängig vom Betriebs-zustand nur H2O und CO2. Im üblichen Ma-gerbetriebsbereich des FSI-Motors liegt diemögliche Magerbetriebsdauer bei etwa60 s, gefolgt von einer Regenerationsphase,die rund 2 s dauert, Bild 14.

Die NOx-Regeneration wird bedarfsgerechtdurch Auswertung der NOx-Sensorsignaleeingeleitet und durchgeführt. Das Wirk-prinzip des NOx-Sensors ähnelt dem derBreitband-Lambdasonde. In einer erstenPumpzelle wird der Sauerstoffgehalt einemkonstanten, etwa stöchiometrischen Wertangepasst und über den Pumpstrom wirdder Lambdawert abgegriffen. Anschließendgelangt der Gasstrom über eine Diffusions-barriere in eine zweite Pumpzelle, die die

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Stickoxide in O2 und N2 aufspaltet und überden Sauerstoff-Pumpstrom die NOx-Kon-zentration ermittelt, Bild 15.

Die NOx-Regenerationen werden unabhän-gig von motorischen Randbedingungenund vom NOx-Füllstand des Katalysatorsbedarfsgerecht und somit emissions- undverbrauchsoptimiert ausgelöst, auch wennder Katalysator zum Beispiel durch Teilver-schwefelung nicht mehr dieselbe NOx-Mas-se wie im Frischzustand einspeichern kann.Mögliche Verschlechterungen des NOx-Speicherkatalysators werden zudem durcheine NOx-Sensor-basierte Adaption der Be-triebsgrenzen des Speicherkatalysatorskompensiert, Bild 16. Der Katalysator arbei-tet im Frischzustand in einem Temperatur-bereich von etwa 250 bis 500 °C mit hohenNOx-Speicherwirkungsgraden. Verschlech-

tert sich die Einspeicherfähigkeit unter einzur Einhaltung der Abgasgrenzwerte not-wendiges Maß, so wird der zulässige Tem-peraturbereich eingeschränkt. Verbessertsich die Speicherfähigkeit des Katalysators,beispielsweise durch einen Entschwefe-lungsvorgang, so erfolgt auf Basis der NOx-Sensor-Messungen auch wieder eine Auf-weitung des zulässigen Temperaturbe-reichs. Auf diese Weise wird unter Einhal-tung der Abgasgrenzwerte ein maximalesAusnutzen des verbrauchsgünstigen Ma-gerbetriebs erreicht.

Durch das eingeschränkte NOx-Arbeitstem-peraturfenster ist im Realverkehr eine Un-terdrückung des Magerbetriebs bei zu ho-hen Katalysatortemperaturen auch dannerforderlich, wenn motorseitig durchausmit Schichtladung gefahren werden kann.Damit verbunden ist ein Kraftstoff-Mehr-verbrauch, dessen Höhe stark vom Fahrpro-fil abhängt. Zur Verbrauchsminderung undzur Vermeidung einer unzulässig hohenTemperaturbelastung wurden daher dieeingangs beschriebenen Abgaskühlungs-maßnahmen umgesetzt, die eine deutlicheAbgas- und Katalysatortemperaturabsen-kung ermöglichen. Mit beiden Kühlungs-

Dr. Martin Winterkorn,Konzernvorstand Forschung& Entwicklung bei derVolkswagen AG.

Peter Bohne, Produkt-management A00-Klasse,Volkswagen AG.

Günter Söhlke,Projektleitung FSI-Motorenfür Konstruktion, Dauer-erprobung, VolkswagenAG.

Dr. Leo Spiegel,Projektleitung FSI-Motorenfür Brennverfahren,Abgasnachbehandlung,Motorsteuerung, Volkswagen AG.

Die Verfasser

Bild 12: Funktionsprinzip Mager-NOx-Katalysatoren

Figure 12: Operating principle of lean-burn NOx catalysts

Bild 13: Wirkprinzip des NOx-Speicherkatalysators

Figure 13: Operating principle of the NOx trap catalyst

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maßnahmen wird dem Abgas bei der Kon-stantfahrt in der Ebene und einer Fahrzeug-geschwindigkeit von vfzg = 100 km/h einezusätzliche Wärme von etwa 3 kW entzo-gen. Bei Betrieb des Fahrzeugs mit Höchst-geschwindigkeit wird die Kühlungsleis-tung der Abgasanlage um etwa 7,5 kW er-höht.

Neben der erwünschten Nitratbildungwird auch stets der im Kraftstoff enthalte-ne Schwefel in die Speicherkomponentedes NOx-Speicherkatalysators eingelagert.Da die hierbei gebildeten Sulfate chemischstabiler als Nitrate sind, ist ein Sulfatzerfallbei der NOx-Regeneration nicht möglich.Erst bei Katalysatortemperaturen oberhalb650°C kann unter reduzierenden Bedingun-gen ein Schwefelaustrag erzielt werden. Eskommt daher im Stadt- und Überlandver-kehr zu einer schleichenden Anlagerungvon Schwefel im NOx-Speicherkatalysator,der durch Belegung der NOx-Speicherplätzedie Nitratbildung zunehmend hemmt unddamit die NOx-Aktivität mindert.

Während in Japan nahezu schwefelfreierKraftstoff mit weniger als 10 ppm Schwefelangeboten wird, liegt der Schwefelgrenz-wert für Kraftstoffe in der EU derzeit bei 150ppm; außerhalb der Europäischen Unionsind in Einzelfällen maximal 1500 ppmSchwefelgehalt zulässig. Für die Abgasrei-nigung der Volkswagen FSI-Motoren wardaher die Entwicklung einer ausgefeiltenEntschwefelungsstrategie zwingend erfor-derlich. Die Entschwefelungsfunktion ba-siert auf zwei Wirkprinzipien:– passive, „natürliche“ Entschwefelung

bei hohen Katalysatortemperaturen – aktive Entschwefelung durch Katalysa-

torheizmaßnahmen bei niedrigen Ab-gastemperaturen im Teillastbetrieb.

Unter reduzierenden Bedingungen wird beider Entschwefelung stets eine geruchsin-tensive Schwefelwasserstoff-Bildung beob-achtet. Mit sinkenden λ-Werten nimmt dieEntschwefelungsgeschwindigkeit, aberauch der H2O-Anteil am Schwefelaustrag,zu. Bei Übergang auf unterstöchiometri-sches Abgas dominiert die SO2-Bildungzunächst gegenüber der H2S-Emission, so-lange noch Restsauerstoff im Katalysatorvorliegt. Daher wird der NOx-Speicherkata-lysator während der Entschwefelung peri-odisch mit reduzierendem und oxidieren-dem Abgas beaufschlagt. Zur optimalenUnterdrückung der H2S-Bildung wird dieUmschaltung zwischen fettem und mage-rem Abgas über das λ-Signal des NOx-Sen-sors geregelt, Bild 17. Bei Erkennen vonReduktionsmitteldurchbrüchen stromab


Bild 15: Aufbau desNOx-Sensors

Figure 15: Design ofthe NOx sensor

Bild 16: Temperaturgrenzenadaption mit NOx-Sensor

Figure 16: Temperature limit adaptation with an NOx sensor

Bild 14: Regenerationszyklus des NOx-Speicherkatalysators

Figure 14: Regeneration cycle of the NOx trap catalyst


des Speicherkatalysators wird der Motor solange in einen leicht mageren Betrieb um-gestellt, bis hinter dem NOx-Speicherkata-lysator ebenfalls mageres Abgas gemessenwird. Während dieses alternierendenMager-Fett-Betriebs wird der Schwefelaus-trag aus dem NOx-Speicherkatalysator tem-peratur- und lambdaabhängig modelliert.Die Entschwefelung wird bei berechnetemvollständigem Schwefelaustrag beendet.

Aus Verbrauchsgründen wird die Anzahlder aktiven Entschwefelungen auf einMinimum begrenzt. Daher empfiehltVolkswagen für den Lupo FSI die Verwen-dung von SuperPlus-Kraftstoff mit 98 ROZ,da diese Sorte den geringsten Schwefelge-halt aller Ottokraftstoffe aufweist.

Seit Frühjahr 2000 haben mehrere Mine-ralölkonzerne die Einführung schwefelfrei-er Ottokraftstoffe mit weniger als 10 ppmSchwefel in Deutschland angekündigt.Shell Optimax, ein schwefelfreier Super-Plus-Kraftstoff mit 99 ROZ, wurde in Zu-sammenarbeit mit Volkswagen entwickelt.Volkswagen begrüßt die zunehmende Ver-fügbarkeit schwefelfreier Kraftstoffe; ver-bunden mit der Hoffnung, dass kurzfristigdiese Kraftstoffqualität auch in andereneuropäischen Ländern angeboten wird.

Sobald schwefelfreie Kraftstoffe europaweitverfügbar sind, ist der Einsatz neuer NOx-Speicherkatalysatorformulierungen mitbreiterem NOx-Arbeitstemperaturfensterunter Inkaufnahme einer höheren Ent-

schwefelungstemperatur vorstellbar, Bild18. Wenn die Schwefelvergiftung des NOx-Katalysators mit schwefelfreiem Kraftstoffextrem langsam abläuft, steigt die Wahr-scheinlichkeit einer natürlichen Entschwe-felung vor Erreichen der Vergiftungsschwel-le, die eine aktive Entschwefelung auslöst.

Somit wird der Kraftstoffverbrauch nichtnur durch die geringere Anzahl aktiver Ent-schwefelungen gesenkt. Der wesentlicheVorteil ist in einem ausgedehnten Mager-betriebsanteil des Motors bei höheren Ka-talysatortemperaturen zu sehen.

6 On-Board-Diagnose-System

Mit dem Volkswagen FSI wird erstmalig einmit On-Board-Diagnose-System (OBD) aus-gestatteter, magerlaufender Ottomotor mitDirekteinspritzung in Europa eingeführt.Dieses On-Board-Diagnose-System erfülltdie im Jahr 2000 in Kraft getretenen eu-ropäischen OBD-Richtlinien. Neben derÜberwachung des Katalysatorsystems undder λ-Sonden erkennt das System Verbren-nungsaussetzer und überwacht alle mitdem Steuergerät verbundenen, emissions-relevanten Komponenten.

Im Vergleich zu MPI-Konzepten hat sich derOBD-Funktionsumfang für den FSI-Motorerheblich erhöht. Zusätzlich zu einer ge-meinsamen Basis an Funktionalitäten istdie Überwachung neuer, im WesentlichenFSI-spezifischer Komponenten hinzu ge-kommen.

In Bild 19 sind im Überblick die wesentli-chen Umfänge für MPI- und FSI-Motorenim Vergleich dargestellt. Zusätzliche Funk-tionalitäten gegenüber vergleichbarenMPI-Motoren sind Diagnosefunktionen für:– Kraftstoffhochdrucksystem – Nockenwellenverstelleinheit– Abgastemperatursensor– Ladungsbewegungsklappe– AGR-System mit Hoch-AGR.

Eine hervorzuhebende Eigenentwicklungvon Volkswagen ist die Ausführung undUmsetzung von Funktionalitäten zur Über-wachung des im System integrierten NOx-Sensors. Diese Funktionalitäten umfassen


Bild 17: Prinzip der lambdageregelten Entschwefelung

Figure 17: Principle of lambda-controlled desulphurisation

Bild 18: Erweiterung des NOx-Arbeitstemperaturfensters bei europaweiter Verfügbarkeit schwefelfreierKraftstoffe

Figure 18: Increase in the NOx working temperature window if sulphur-free fuel is available throughout Europe


die elektrische Überwachung des Bauteils,die Plausibilisierung der NOx-Sensor-Signa-le, sowie die Überwachung der Sensor-Be-heizung.

Schwerpunkt der Softwareentwicklung wardie Anpassung der Diagnosen an die beson-deren Erfordernisse von Magermotoren. Da-bei war das Hauptentwicklungsziel die Ent-wicklung von Diagnosen, die im Magerbe-trieb passiv ablaufen können. Vorhandeneλ-1–Funktionalitäten wurden auf denSchichtbetrieb angepasst. Mit diesen Maß-nahmen konnte vermieden werden, dassaus Diagnosegründen der verbrauchsspa-rende Magerbetrieb verlassen wird.

7 Volllastverhalten desFSI-Motors – eine wichtigeAnforderung

Bei der Entwicklung dieses Aggregats wur-de großes Augenmerk auf das Volllastver-halten gelegt, so dass auch bei der Auswahldes Verbrennungskonzepts dieses Verhal-ten ein entscheidendes Kriterium war. Umden Drehmomentverlauf im Vergleich zumMPI-Basismotor – über die aus der direktenEinspritzung resultierenden Vorteile hin-aus – weiter zu verbessern, wurde einEinlassnockenwellensteller mit einem Ver-stellbereich von 40°KW eingesetzt. DurchOptimierung des Ladungsbewegungsni-veaus bei geöffneter Ladungsbewegungs-klappe durch die Einlasskanalgestaltung,der Brennraumform sowie der Einspritzpa-rameter (Kraftstoffdruck, Einspritzbeginn)werden mit dem FSI-Motor sehr hohe Um-setzungsgrade an der Volllast erreicht. Miteinem spezifischen Drehmoment von über

>93,5 Nm/l (= 130 Nm bei 4500/min) und ei-ner spezifischen Leistung von über >55,4kW/l (= 77 kW bei 6000/min) werden fürdiese Hubraumklasse sehr gute Werte er-zielt.

Bild 20 zeigt den Verlauf des effektivenMitteldrucks über Drehzahl für einen FSI-Vorserienmotor im Vergleich zu 23 Großse-rienmotoren in der Hubraumklasse 1,2 bis1,6 l. Die Obergrenze des dargestelltenStreubands wird bei niedrigen Drehzahlendurch drehmomentorientierte Motoren(teilweise mit Schaltsaugrohr) geprägt, beihohen Drehzahlen durch leistungsorien-tierte Motoren. Das exzellente Volllastver-halten des FSI-Motors dokumentiert sichfolglich darin, dass sowohl bei hohen alsauch bei niedrigen Drehzahlen die Streu-bandobergrenze erreicht wird.

8 Teillastverhalten des FSI-Motors –der entscheidendeVerbrauchsvorteil

Um einen möglichst günstigen Kraftstoff-verbrauch im Fahrzeug realisieren zu kön-nen, muss betriebspunktabhängig die un-ter Berücksichtigung der Abgasemissionengünstigste Betriebsart ausgewählt werden.Aufgrund der Verwendung der Speicherka-talysatortechnologie sind hier insbesonde-re die NOx-Emissionen zu betrachten, dahöhere NOx-Rohemissionen einen erhöh-ten Regenerierungsaufwand und damitauch Kraftstoffverbrauch nach sich ziehen.

Bild 21 zeigt beispielhaft im Betriebspunktnmot=2000/min, pme=2 bar, wie sich ver-schiedene Betriebsarten im Vergleich zumBasiskonzept auf den Kraftstoffverbrauchauswirken. Aufgrund der geringeren Klopf-neigung des FSI-Motors durch die Innen-kühlung der angesaugten Luft konnte dieVerdichtung von ε=10,5 auf ε=11,5 angeho-ben werden. Dies führt zu einer Steigerungdes Wirkungsgrads von rund 2 %, die im ge-samten Kennfeld – und somit auch im Ho-mogenbetrieb – wirksam wird.

Eine weitere Verbrauchseinsparung vonetwa 3,5 % wird in diesem Betriebspunktdurch die Zugabe von externer AGR erzielt,wobei hier die bereits angesprochene guteAGR-Verträglichkeit durch die intensive La-dungsbewegung wirksam wird. Bei höhe-ren Lasten und weiter angehobenen AGR-Raten sind beim FSI-Konzept in dieser Be-triebsart Verbrauchseinsparungen gegen-über λ=1 ohne AGR von bis zu 8 % möglich.Homogener Magerbetrieb führt in diesem


Bild 20: Volllastverhalten des Lupo FSI im Streubandvergleich

Figure 20: Full-load characteristics of the Lupo FSI in comparison

Bild 19: Überblick EOBD-Diagnoseumfang: Vergleich MPI – FSI

Figure 19: Overview of OBD functions: comparison between MPI and FSI


Betriebspunkt bei einem hier verbrauchs-optimalen Luftverhältnis von λ=1,4 zu einerweiteren Verbrauchsabsenkung von 6,6 %.Bei höheren Lasten sind gegenüber Homo-genbetrieb bei λ=1 ohne AGR Verbrauchs-einsparungen durch diese Betriebsart von10 bis 11 % realisierbar.

Das größte Verbrauchseinsparpotenzialbietet in diesem Betriebspunkt der Schicht-lademodus, der hier bei einem Luftverhält-nis von λ=2,3, einer AGR-Rate von 23 % unddamit beinahe vollständiger Entdrosselungnoch einmal zu einer Absenkung des Ver-brauchs um 10 % führt. Somit ergibt sich ge-genüber dem Basistriebwerk eine Ver-brauchseinsparung durch Schichtladungvon rund 22 % in diesem Betriebspunkt.

Die direkte Zumessung des Kraftstoffs so-wie die intensivere Ladungsbewegung beigeschlossener Ladungsbewegungsklappeführen auch im homogenen Leerlauf zuverbesserter Verbrennungsstabilität. Bild22 zeigt den indizierten Mitteldruck überZyklen für den homogen und geschichtetgefahrenen Leerlauf.

Der homogene Leerlauf erreicht mit einerStandardabweichung des indizierten Mit-teldrucks von 0,12 bar bereits sehr guteWerte. Im Schichtladebetrieb zeichnet sichder Motor durch eine noch bessere Verbren-nungsstabiltät aus, die in einer Standard-abweichung des indizierten Mitteldrucksvon 0,06 bar dokumentiert wird. Aufgrunddieser guten Verbrennungsstabilität in bei-den Betriebsarten konnte die Leerlaufdreh-zahl im Vergleich zum Basismotor um140/min auf 700/min reduziert werden. DerSchichtladebetrieb würde hier aufgrund

seiner hervorragenden Verbrennungsstabi-lität und großen Momentenreserve einenoch weitere Absenkung erlauben. UmDrehzahländerungen bei Betriebsarten-wechseln im Leerlauf zu vermeiden, wurdejedoch darauf verzichtet.

Die resultierenden Leerlaufkraftstoffver-bräuche im Vergleich zur Ausgangsbasiszeigt Bild 23. Erwartungsgemäß führt hierder Schichtlademodus aufgrund der star-ken Entdrosselung zu beachtlichen Ver-brauchsvorteilen. Bereits im Homogenbe-trieb wird eine Verbrauchsverbesserungvon über 16 % durch die Drehzahlabsen-kung und stabile Verbrennung erreicht,weitere gut 33 % resultieren aus demSchichtbetrieb. In Summe wird somit eineVerbrauchsverbesserung – bezogen auf dasBasistriebwerk – von über 44 % erzielt.


Bild 21: Verbrauchsvorteil verschiedener Betriebsarten bezogen auf Basismotor; n=2000/min, pme=2 bar

Figure 21: Fuel saving potential of different operating modes related to the basic engine; n=2000 rpm, pme=2 bar

Bild 22: Verbrennungsstabilität im geschichteten und homogenem Leerlauf

Figure 22: Combustion stability during homogeneous and stratified idling

Bild 23: Verbrauchs-Potenzial im Leerlauf; homogener und geschichteter Betrieb

Figure 23: Fuel saving potential at idling speed; homogeneous and stratified operation


Wie bereits erwähnt, führt die hohe La-dungsbewegung im Zylinder bei geschlos-sener Ladungsbewegungsklappe zu einerguten Abmagerfähigkeit und AGR-Verträg-lichkeit des Motors im Homogenbetrieb.Die durch die direkte Einspritzung abge-senkte Klopfneigung erlaubt darüber hin-aus wirkungsgradoptimale Zündwinkel imMagerbetrieb und bei hohen externen Ab-gasrückführraten. Bild 24 zeigt für den Be-triebspunkt 1500/min, 5 bar Mitteldruckeine Variation der externen AGR-Rate von 0 bis 35 %, also quasi eine vollständige Ent-drosselung über AGR. Es wird ersichtlich,dass eine Abgasrückführrate von 30 % zueiner Verbrauchsabsenkung von rund 8 %führt.

Die höhere Brennraumtemperatur unter-stützt bei AGR-Raten bis 15 % zunächst dieGemischbildung, so dass die HC-Emissio-nen – bei konventionellen MPI-Motorendas Auslegungskriterium für die applizier-ten AGR-Raten – sogar leicht abnehmen,um bei 30 % AGR-Rate nur rund 3 % überdem Ausgangsniveau zu liegen. Auch dieVerbrennungsstabilität bleibt bis etwa30 % AGR-Rate auf sehr gutem Niveau.

Für die Praxis bedeutet dies, dass dieser Be-triebspunkt mit einer AGR-Rate von 25 %mit ausreichender Sicherheit bedatet wer-den kann, um dann einen Verbrauchsvor-teil von 7,5 % HC-neutral bei guter Laufruheaufzuweisen. Die Absenkung der NOx-Emissionen auf unter 20 % des Ausgangsni-veaus ist hier ein angenehmer aber nichtzwingend erforderlicher Nebeneffekt. Auf-grund dieses positiven Verhaltens weistder FSI-Motor im Homogenbetrieb bis zuetwa 80 % der Last in weiten Kennfeldbe-reichen AGR-Raten von bis zu 30 % auf.

9 Direktschaltgetriebe DS 085

Die Grundlage bildet das Fünfgang-Hand-schaltgetriebe aus dem Dreiliter-Lupo, dashinsichtlich Gewicht und mechanischemWirkungsgrad sowohl einem konventio-nellen Stufenautomaten als auch einemCVT-Getriebe überlegen ist.

Um beim Handschaltgetriebe den Einflussdes Fahrers durch die Wahl der Schaltpunk-te zu eliminieren, erfolgt das Schalten auto-matisiert. Auf diese Weise ist es möglich,die Schaltpunkte für minimalen Kraftstoff-verbrauch vorzugeben. Sowohl die Gang-wahl als auch die Kupplungsbetätigung er-folgt über elektrohydraulische Stelleinrich-tungen automatisiert. Ein Kupplungspedalexistiert nicht.

Das gesamte Getriebe DS 085 setzt sich auseinem gewichtsoptimierten und modifi-zierten 085-Schaltgetriebe und den eben-falls gewichtsoptimierten DS-Komponen-ten Gangsteller, Druckversorgung undKupplungsnehmerzylinder, einem elektro-nischen Wählhebel und einem Getriebe-steuergerät zusammen. Die elektrohydrau-lischen Komponenten werden von dem Ge-triebesteuergerät gesteuert. Die Druckver-sorgung besteht aus einem Motor, einerPumpe, einem Druckspeicher und einemÖlreservoir. Es wird ein Druck erzeugt, mitdem der Kupplungsnehmerzylinder die füreinen Handschalter übliche Serienkupp-lung bedient und der Gangsteller dieSchaltgassen im Getriebe wählt und dieGänge schaltet.

Der Fahrer gibt über einen elektronischenWählhebel Schalt- und Gangwünsche andas Getriebesteuergerät. Es besteht dieMöglichkeit, über den Wählhebel zwischenzwei Betriebsmodi zu wählen. In der Tiptro-nic-Gasse bestimmt der Fahrer durch Tip-pen von „+“ oder „–“ selbst den Schaltzeit-punkt und Hoch- oder Rückschaltung. Aberauch in dieser Betriebsart übernimmt dasSteuergerät Schaltvorgänge selbst: So wirdder erste Gang eingelegt, wenn das Fahr-zeug steht. Erreicht der Motor eine be-stimmte Drehzahl, wird der nächst höhereGang eingelegt. Wird die Leerlaufdrehzahlerreicht, wird zurückgeschaltet. Das Steuer-gerät verhindert darüber hinaus unsach-gemäße Schaltungen, zum Beispiel Rück-schaltungen bei zu hoher Drehzahl.


Bild 24: AGR-Variation im Homogenbetrieb, λ=1; n=1500/min, pme=5 bar, LBK geschlossenFigure 24: Variation of EGR in homogeneous operation, λ=1; n=1500 rpm, pme=5 bar, charge motion valve(LBK) closed

Bild 25: Gewichtsbilanz Lupo 16V vs. Lupo FSI

Figure 25: Weight balance Lupo 16V vs. Lupo FSI


In der Automatik-Gasse führt das Getriebe-steuergerät selbsttätig die Schaltungenaus. Im sogenannten Economy-Modus wer-den die Schaltpunkte verbrauchsoptimalgewählt. Steigungen und Gefällstreckenwerden über den Fahrwiderstand ermitteltund die Schaltpunkte angepasst. So werdenzum Beispiel Pendelschaltungen an Stei-gungen verhindert.

Ein weiterer Vorteil des elektronischenWählhebels ist die mechanische und akus-tische Entkopplung zum Motor, da nur eineelektrische Verbindung zwischen Wählhebelund Schaltwelle im Getriebe vorhanden ist(shift by wire). Es wird ein elektronischesFahrpedal eingesetzt, so dass der Fahrer beiden Schaltungen in jeder Betriebsart seinenFuß auf dem Fahrpedal stehenlassen kann.Das Getriebesteuergerät tauscht dabei mitdem Motorsteuergerät je nach Schaltungsartunterschiedliche Daten aus. Bei Hochschal-tungen reduziert das Motorsteuergerät dasabgegebene Motormoment und verhindertso ein Hochdrehen des Motors bei geöffneterKupplung, bei Rückschaltungen passt dasMotorsteuergerät bei geöffneter Kupplungdie Motordrehzahl so an, dass ein komforta-bles Einkuppeln ermöglicht wird. Der dazunotwendige umfangreiche Datenaustauschzwischen Motor- und Getriebesteuergerätwird über das serielle Bussystem CAN abge-wickelt. Durch das Öffnen der Kupplungbeim Schalten wird, wie bei einem konven-tionellen Handschaltgetriebe, die Zugkraftunterbrochen. Um den Fahrkomfort zu stei-gern, werden die Schaltvorgänge kurz gehal-ten. Die automatisierte Betätigung der Kupp-lung arbeitet kupplungsschonend und ver-hindert Fehlbedienungen. Der Kupplungs-verschleiß ist dadurch geringer als bei einermanuellen Betätigung durch den Fahrer.

10 Karosserie

Neben aerodynamischen Aspekten, die aufdem Konzept des Dreiliter-Lupo aufsatteln,war es auch hier Ziel, möglichst viel Gewichtzu sparen, Bild 25. Die Karosserie besteht auseiner selbsttragenden Ganzstahlkonstruktionmit Anbauteilen aus Aluminium und Magne-sium und erfüllt die hohen Sicherheitsstan-dards von Volkswagen. Darüber hinaus ver-fügt der Lupo FSI über zahlreiche Sicherheits-features wie Doppelairbag, ABS, Dreipunkt-Automatik-Sicherheitsgurte mit Gurtstraf-fern und Gurtkraftbegrenzern, eine höhen-einstellbare Lenksäule mit automatischerCrashabsenkung und Seitenaufprallschutz.

Die Fertigung des Lupo FSI erfolgt auf derFertigungslinie des Dreiliter-Lupo. Um bei

der Verarbeitung einem Entstehen vonKontaktkorrosion vorzubeugen, werden dieAluminium-Komponenten der Karosseriein einem separierten Bereich bearbeitet. Beider Produktion kommen neue Fertigungs-verfahren wie das Laserlöten, Stanznietenund Durchsetzfügen zum Einsatz.

Um Türaußen- und -innenblech miteinan-der zu verbinden, kommt das Stanznietenzum Einsatz. Hierbei werden die Teile ohneVorlochen miteinander verbunden. An der

Fügestelle wird der Halbhohlniet durch dieStanznietzange zugeführt. Er durchtrenntdie obere Blechlage und verformt beigleichzeitiger Verspreizung die untereBlechlage zu einem Schließkopf. Der Vorteilbei diesem Verfahren ist, dass die untereBlechlage somit nur verformt und nichtvollständig durchtrennt wird.

Zusätzlich zum Stanznieten kommt bei derTürfertigung das Durchsetzfügen zum Ein-satz. Hierbei entfällt ein zusätzlicher Niet.



An der Fügestelle presst der Stempel diebeiden Bauteilen gegen die Matritze. DurchEinsenken und Stauchen des oberen in dasuntere Blech wird eine kraft- und form-schlüssige Verbindung geschaffen.

Wie schon der Dreiliter-Lupo hat auch derLupo FSI die aerodynamisch optimierteSchwellerkontur. Seitenteil und Schwellerwerden durch Laserlöten miteinander ver-bunden. In die Verbindungsstelle wird ge-zielt Zusatzmaterial eingebracht und durchden Laserstrahl aufgeschmolzen. Durch dasLaserlöten wird eine hochfeste Verbindungbei einer qualitativ hochwertigen Ober-fläche erreicht.

11 Aerodynamik

Bei der aerodynamischen Optimierung desLupo FSI galt es, die ohnehin schon sehrströmungsgünstige Karosserieform desDreiliter-Lupo so anzupassen, dass die fürdieses Fahrzeug extrem niedrige Vorgabefür den Luftwiderstandsbeiwert von cW ≤0,30 erreicht wird.

Aerodynamisch geformte Stoßfänger, vornmit integriertem Frontspoiler, minimaleSpalt- und Fugenmaße, sowie mit derAußenhaut bündige Scheiben und Schein-werfer hatten schon beim Dreiliter-Lupodafür gesorgt, dass dieses anspruchsvolleZiel erreicht wurde. Die Seitenschwellerwurden in Verbindung mit speziellen Ab-weiskanten vor den Hinterrädern so gestal-tet, dass die seitliche Umströmung optimalgeführt werden kann.

Bei der Optimierung der Heckklappe wurdemit einem aufgesetzten Spoiler ein hervor-

ragender Kompromiss zwischen dem fürFahrleistung und Verbrauch relevantenLuftwiderstand und den auf Grund höhererFahrleistungen gestiegenen Anforderun-gen an den für die Fahrdynamik und -si-cherheit wichtigen Heckauftrieb gefunden,Bild 26.

Um dem ebenfalls durch die höhere Motor-leistung gestiegenen Bedarf an Motorküh-lung gerecht zu werden, musste im Gegen-satz zum Dreiliter-Lupo das obere Kühlluft-eintrittsgitter geöffnet werden. Trotzdemrangiert der Lupo FSI mit einem cw-Wertvon 0,30 ganz vorne unter seinen Wettbe-werbern.

Mit dieser aerodynamischen Feinoptimie-rung ist es gelungen, das für den Luftwider-stand maßgebende Produkt cw x A mit 0,60m2 auf ein für diese Klasse ausgezeichnetesNiveau zu bringen.

12 Fahrwerk

12.1 Achsen

Die Basis von Vorder- und Hinterachse bil-det das bewährte Fahrwerk des Lupo 16Vmit 74 kW. Wesentliche Leichtbauumfängewurden vom Dreiliter-Lupo übernommen,wie zum Beispiel die Aluminiumdämpferfür Vorder- und Hinterachse. Die Verbund-lenker-Hinterachse (V-Profil) besitzt Schei-benbremsen und einen Rohr-Stabilisator.Darüber hinaus bestehen die Schraubenfe-dern der Hinterachse erstmalig aus dem be-sonders leichten Werkstoff Titan. Sie kom-men ohne Oberflächenschutz aus und sindgegenüber konventionellen Stahlfedernrund 40 % leichter.

Die Dreiecksquerlenker der Vorderachsestammen ebenfalls vom Dreiliter-Lupo undsind als Aluminiumschmiedeteil mit inte-griertem Führungsgelenk und außenlie-gender Anbindung der Stabilisatorkoppel-stange ausgeführt. Die gegenüber dem Ba-sisfahrzeug im Wirkungsgrad verbesserteStabilisatorverlegung ermöglichte eine Re-duzierung des Stabilisator-Durchmessersum 10 % – bei besserer Stabilisierung undgeringerem Gewicht.

Mit diesem Achskonzept wird ein sicheresFahrverhalten bei gleichzeitig gutemHandling – auch bei Einsatz der vergleichs-weise hohen Motorleistung – erreicht, wasvor allem durch die Vergrößerung derNachlaufstrecke auf 20 mm zurückzu-führen ist.

Der spurstabilisierende Lenkrollradius, wie-derum abhängig von der Einpresstiefe derRäder, bewirkt eine gute Bremsstabilität


Bild 27: Elektro-Hydraulisches Lenkungssystem

Figure 27: Electro-hydraulic steering system

Bild 26: Strömungsverlauf am Heckspoiler

Figure 26: Aerodynamic flow at spoiler


auch auf Fahrbahnen mit einseitig unter-schiedlichen Reibwerten.

Der Lupo FSI verfügt über eine geringe Auf-bauquerneigung bei Kurvenfahrten beigleichzeitig komfortabler Federabstim-mung. Dies wird unter anderem durch dieschon beschriebene Verbesserung der Sta-bilisierung und natürlich durch das geringeFahrzeuggewicht erreicht. Die ABS-Sensie-rung erfolgt über die vom Dreiliter-Lupoübernommene zweite Radlager-Genera-tion.

12.2 Räder und Reifen

Aus Gewichts- und Verbrauchsgründenwurde dem Lupo FSI ein geschmiedetesLeichtbaurad in der Größe 5Jx14 H2-ET38mit einem gewichts- und rollwidertstands-optimierten Reifen 175/60 R14 78H zugeord-net. Das geschmiedete Leichtbaurad isteine gelungene Synthese aus Gewicht, De-sign und Kosten.

Wie schon beim Dreiliter-Lupo in Serie, er-hält auch der Lupo FSI ein Pannenset, wel-ches den Fahrer in die Lage versetzt bei ei-ner Reifenpanne anhand eines Dichtmit-tels und eines Kompressors das Fahrzeugwieder fahrbereit zu machen.


Bild 28: Interieur des Lupo FSI

Figure 28: Interior of the Lupo FSI


12.3 Elektro-Hydraulische Lenkung

Der Lupo FSI wird serienmäßig mit einerServolenkung (Lenkgetriebeübersetzung15,8) ausgerüstet. Hierbei kommt eine hy-draulische Servounterstützung mit elektri-schem Pumpenantrieb zum Einsatz, Bild 27.Servoölbehälter, Pumpe und Ansteuerelek-tronik sind in einem kompakten Motor-pumpenaggregat zusammengefasst. Durchdie bedarfsgesteuerte elektrische Ansteue-rung dieses Motorpumpenaggregats wirdein nennenswerter Beitrag zur Kraftstoffer-sparnis geleistet. Abhängig von Fahrge-schwindigkeit und Lenkwinkelgeschwin-digkeit wird für jeden Fahrzustand die opti-male Lenkkraftunterstützung zur Verfü-gung gestellt. Das Motorpumpenaggregatist in die CAN-Bus-Umgebung des Antriebs-strangs eingebunden und tauscht über denCAN-Bus die erforderlichen Daten aus.Mögliche Fehlfunktionen werden dem Fah-rer im Instrumenteneinsatz über eineWarnleuchte signalisiert.

13 Ausstattung

Ohne den Komfort und die Sicherheit imBereich der Innenausstattung gegenüberder Basis-Version zu verändern, sind einer-seits Gewichtsoptimierungen an Schäu-men wie auch anderseits Leichtbaumaß-nahmen an den Sitzgestellen vorgenom-men worden, die vom Dreiliter-Lupo stam-men. Der Längsverstellhebel ist in Alumini-um ausgeführt, und der Lehnenrahmen be-steht vollständig aus Aluminium-Strang-pressprofilen und -Blechen.

Das Kopfstützsystem wurde aus dem Kon-zernsitz übernommen. Die Polster sind inden komfortbestimmenden Konturen mitdem Golf identisch. Das Interieur zeigt Bild28. Die Lehne der Hintersitzanlage ist in derBasisversion einteilig klappbar und kann inzwei Positionen arretiert werden. Durch dieUmstellung des Drahtrahmens auf Rohr-rahmen konnte das Gewicht auch hierdeutlich reduziert werden.

Erstmalig kommt eine elektronisch gere-gelte Klimaautomatik zum Einsatz. Sie wirdextern geregelt und ermöglicht dadurcheine dem Kältebedarf angepasste Tempera-tur der Luft nach dem Verdampfer. Die inden Fahrgastraum strömende Luft ist weni-ger trocken und die Leistungsaufnahmedes Kompressors fällt geringer aus, wassich wiederum günstig auf den Kraftstoff-verbrauch beim Betrieb der Klimaanlageauswirkt.

14 Fahrleistungen und Verbrauchswerte

Die Kombination verschiedener motori-scher Maßnahmen wie Schichtladung, Ho-mogenbetrieb mit AGR, angehobenes Ver-dichtungsverhältnis, Abgas- und Kennfeld-kühlung kombiniert mit fahrzeugseitigenMaßnahmen wie Leichtbau, Optimierungvon Luft- und Rollwiderstand, Einsatz einerelektro-hydraulischen Servolenkung sowiedem Direktschaltgetriebe, führen im Ge-samtergebnis zu einem Kraftstoffver-brauch im europäischen Fahrzyklus vonunter 4,9 Liter Kraftstoff auf 100 Kilometerbei gleichzeitig überdurchschnittlichen

Fahrleistungen. Insbesondere die Höchst-geschwindigkeit von 199 km/h stellt einenhervorragenden Wert dar. Die Qualität desVerbrauchswerts wird besonders deutlichim Streuband von Verbrauch über Motor-leistung, Bild 29.

Bezogen auf den Mittelwert ergibt sich fürden Lupo FSI ein Verbrauchsvorteil von35 %. Der absolute Verbrauchswert von4,9 l/100 km wird selbst von Fahrzeugenmit beinahe halbierter Motorleistung nichterreicht.

Literaturhinweise

[1] Winterkorn, M.; Bohne, P.: Das Drei-Liter-Autovon Volkswagen – der Lupo 3L TDI, ATZ06/1999 und 07-08/1999

[2] Bohne, P.: Vom Lupo zum Drei-Liter-Lupo,Auto-Zeitung Nr.11, 05/2000

[3] Krebs, R.; Spiegel, L.; Stiebels, B.: Ottomotorenmit Direkteinspritzung von Volkswagen, 8. Aa-chener Kolloquium Fahrzeug und Motoren-technik 1999

[4] Olszok, T.; Weltens, H.; Bielert, F.; Garcia, P.,:Entwicklung, Erpobung und Serieneinsatz ei-nes neuartigen semi-aktiven Schalldämpfers,ATZ 01/1999

[5] Krebs, R.; Spiegel, L.; Stiebels, B.; Pott, E.: Der FSI-Motor mit Direkteinspritzung im VW-Lupo,Wiener Motorensymposium 2000


Bild 29: Wettbewerbsvergleich Testverbrauch über Motorleistung; A00-A-Klasse, Motoren mit 1,2 bis 1,6 l Hubraum

Figure 29: Comparison with competitors: test fuel consumption over engine output; A00 class, engines with 1.2 to 1.6 litres displacement

Der Lupo FSI von Volkswagen – So sparsam ist sportlich · 2016. 4. 5. · Pumpzelle wird der...

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