Abgaskrümmer VAG 2.0TFSI V-Band

Einleitung

Bei den VAG 2.0TFSI Motoren sind mit dem originalen K04-Lader im Optimalfall etwa 360-380 PS möglich, darüber hinaus gibt es etliche Anbieter sogenannter Upgradelader, wo eine größere Rumpfgruppe an den kleinen Serienkrümmer adaptiert wird und teilweise Leistungen bis zu 450PS versprochen werden.

Auf unserem Dynojet Leistungsprüfstand haben wir allerdings bei Fahrzeugen mit diesen Upgradeladern noch nie Leistungen mit mehr als 400PS messen können. Das Hauptproblem liegt hierbei am kleinen Abgaskrümmer, der zwar beim Serienlader ein gutes Ansprechverhalten bewirkt, aber bei hohen Ladedrücken auch recht viel Abgasgegendruck produziert. Selbst wenn die Verdichter der Upgradelader für 450PS ausgelegt sind, bleibt aufgrund des kleinen Serienkrümmers von der in den Motor eingebrachten Leistung nicht viel übrig, da die Ausschiebearbeit um das Abgas aus den Brennräumen heraus durch Krümmer und Abgasturbine zu befördern, einfach zuviel Leistung frisst. Der Gesamtwirkungsgrad des Motors sinkt und der Motor wird thermisch unnötig hoch belastet. Durch den hohen Abgasgegendruck ergibt sich zudem ein schlechtes Spülgefälle und es verbleibt ein größerer Restgasanteil im Brennraum, der sich mit dem Frischgas vermischt und den Motor klopfanfälliger macht.

Abhilfe schafft hier nur ein anderer Abgaskrümmer mit zum Turbolader passendem Turbinengehäuse, wo das Verhältnis von Leistung und Abgasgegendruck wieder passt.


Umsetzung

Wie schon seit Jahren im Bereich Opel erfolgreich im Einsatz, kam für uns nur eine Umsetzung als qualitativ hochwertiger Gusskrümmer mit V-Bandflanschen für TiAL Edelstahlturbinengehäuse und externem Wastegate in Frage. Die zuvor bereits am Markt erhältlichen Abgaskrümmer diverser Wettbewerber waren meist strömungsungünstig konstruiert, gaben ein schlechtes Ansprechverhalten und waren aufgrund der anfälligen Stehbolzen/Dichtungs-Konstruktion nur bedingt alltagstauglich.

Die Vorteile unseres neuen Abgaskrümmers:

  • Material D5S mit hohem Nickelanteil (wie Serie)
  • Wastegate und Turbolader haben V-Band Flansche  – daher keine anfälligen Dichtungen und Stehbolzen!
  • externes 44mm Tial-MVR Wastegate (Wasserkühlung möglich)
  • Tial Abgasgehäuse mit V-Band-Flanschen in allen erdenklichen Größen (selbe Downpipe für alle möglichen Turbolader)
  • Turbolader für 400 bis 850PS möglich (GTX2860R bis GTX3584R)
  • unterschiedliche A/R Varianten für jeden Einsatzzweck (optimales Ansprechverhalten oder mehr Endleistung)

Konstruktion

Bei der Konstruktion wurden zuerst die Positionen von Lader und Wastegate im Motorraum festgelegt.

Anschliessend wurden die Positionen der einzelnen Flansche zueinander im CAD angelegt und mit der Konstruktion der einzelnen Kanäle begonnen. Zielsetzung war hierbei ein hoher Abgasdurchsatz über das Wastegate, um so die Verwendung von kleinen Turbinengehäusen zu ermöglichen und somit ein bestmögliches Ansprechverhalten des Turboladers zu erreichen. Hierzu wurden ständig CFD-Simulationen durchgeführt, um eine gleichmäßige Verteilung von Drücken und Strömungsgeschwindigkeiten auf allen Zylindern zu erreichen.

Durch den hohen Durchsatz über das Wastegate ist es möglich, hohe Leistungen bei niedrigen Abgasgegendrücken zu fahren, was sowohl den Turbolader als auch den Motor schont. Durch das bessere Spülgefälle sinkt zudem die Klopfneigung des Motors, was höhere Zündwinkel ermöglicht und in einer höheren Endleistung bei niedrigerer Abgastemperatur resultiert.

Neben der reinen CFD-Simulation wurden auch FEM-Berechnungen durchgeführt, um neben der maximalen Leistungsfähigkeit auch die bestmögliche Dauerhaltbarkeit zu erreichen. Bei den FEM-Berechnungen lag das Hauptaugenmerk in der Rissbildung. Die Materialstärke liegt zudem gut 30% über der des Serienkrümmers.


Prototyp

Wie auch schon bei unseren anderen Projekten griffen wir wieder auf Rapid-Prototyping zurück, bevor unsere Gießerei sich an die Arbeit machen konnte. Durch dieses 3D-Druckverfahren ist es uns möglich, die Bauteile schon vor der Serienfertigung in Originalgröße am Motor zu verbauen, um das Zusammenspiel mit anderen Komponenten zu testen und um Platzprobleme bei der Montage auszuschliessen.

Bei dieser ersten „Anprobe“ im Fahrzeug wurden dann gleich die Werkzeuge für die notwendigen Silikonformschläuche für Luftansaugung und Ladeluftverrohrung sowie eine Musterdownpipe erstellt.


Endprodukt

Der fertige Krümmer kann bei uns sowohl einzeln als auch als komplettes Kit mit Lader, Wastegate, Ölvor- u. Rücklauf, Wasserleitungen, Silikonformschläuchen sowie den notwendigen V-Bandschellen erworben weden.

Wie auf den Bildern erkennbar, ist im eingebauten Zustand von dem Krümmer mit Wastegate kaum etwas zu sehen, einzig die 90mm Ansaugung zum TTS-Luftfilterkasten fällt größer als Serie aus.

Das Ansprechverhalten liegt mit dem kleinsten GTX2860R und kleinstem Turbinengehäuse auf K04-Niveau, ist aber für über 400PS gut, während mit einem GTX2867R bei minimal späterem Ansprechverhalten sogar 450PS gesund möglich sind. Bei unserem Golf-R20 haben wir zu Beginn einen GTX3071R mit mittlerem Abgasgehäuse (0.82A/R) verbaut, wo das nutzbare Drehzahlband zwischen 3800-7400U/min liegt und 500PS produziert werden.

CAD Entwurf

Unser erster Entwurf des TFSI Abgaskrümmers.

CFD Analyse

Flow Diagramm vom TFSI Abgaskrümmer.

Prototyp

Sinter 3D-gedruckter Prototyp unseres Krümmers.

Werkzeuge

Unsere Werkzeuge für die Gießerei.

Endprodukt

Montierter D5S Stahl TFSI Abgaskrümmer.

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