Der neue Blackwing 4,2 Liter Twin Turbo V8 von General Motors

Blackwing 4,2 Liter Twin Turbo DOHC Motor

29. November 2018 | Engineering Service

Bei General Motors haben V8-Motoren, die für ihre Leistung, Langlebigkeit und Ausgereiftheit bekannt sind, lange Tradition. In diesem Artikel wird der neue Blackwing 4,2 Liter Twin Turbo DOHC Motor mit Direkteinspritzung beschrieben, der im Cadillac CT6 V zum Einsatz kommt. Der Motor stellt bei Spitzengeschwindigkeit viel Leistung bereit, wurde aber auf die Vermittlung eines mühelosen Fahrgefühls durch Erzeugung eines Best-in-Class-Drehmoments bei niedrigen und mittleren Motordrehzahlen ausgelegt. So kann der Motor den Anforderungen einer Hochleistungslimousine gerecht werden und gleichzeitig das straffe Ansprechverhalten eines Luxusautos bieten. Der Artikel stellt Details zu dem neuen Motor vor und hebt einzelne Technologien zur Unterstützung seiner ausgewogenen Leistung gesondert hervor.

Die Anzahl der Leistungsmerkmale in modernen Fahrzeuge nimmt aufgrund preisgünstigerer Rechenleistung und höheren Kundenansprüchen immer mehr zu. Diese zusätzlichen Komponenten erfordern immer mehr Einbauraum im gesamten Fahrzeug. Von diesen Fortschritten ist auch der Bereich unter der Motorhaube nicht ausgenommen. Fortgeschrittene Bremssysteme, Transaxle-Allradantrieb, Schallschutzisolierung und Resonanzvolumen sowie fortschrittliche Fahrgastkomfortsysteme benötigen zusätzlichen Raum, der bisher dem Antriebsstrang zur Verfügung stand. Daher sind neue und innovative Konzepte zur Entwicklung kompakterer Motoren, die in den verfügbaren Platz passen, erforderlich.
Ein immer beliebteres Konzept im Luxusfahrzeugmarkt ist ein V8-Motor mit im Tal zwischen den Zylinderbänken eingebauten Turboladern. Dieses Konzept bietet die Vorteile eines geringvolumigen Abgassystems, was das Turboloch reduziert, und kompaktes Packaging ermöglicht, wodurch der Motor in den immer geringer werdenden Platz unter der Motorhaube passt. Da das Team die Freiheit zur Entwicklung einer ganz neuen Motorarchitektur hatte, wurde schon zu Beginn des Programms entschieden, den Turbolader im Tal zwischen den Zylinderbänken zu platzieren. So konnte das Entwicklungsteam gleichzeitig die Ziele zu Einschwingverhalten, Spitzendrehmoment und Spitzenleistung erreichen. Zusätzlich wurde jeder Motorenaspekt, von der Höhe des Motorblocks bis hin zum Durchmesser des Gestängelagers, auf maximale Dichte ohne Verzicht auf Leistung, Langlebigkeit oder Robustheit des Motors geprüft.

Abb. 2: Erreichte Motorenleistung

Motorenkonzept
Der vollkommen neue V8-Motor mit einem Zylinderbankwinkel von 90 Grad ist für den Cadillac CT6 V, die neue Oberklasse-Limousine von GM, bestimmt. Der Hauptfokus des Motors liegt auf einem hohen Drehmoment bei niedriger Drehzahl, wodurch ein müheloses Fahrgefühl vermittelt wird. Die wichtigsten Leistungsziele für den Motor sind in Abbildung 2 aufgeführt.
Der CT6 V, für den der Motor maßgeschneidert entwickelt wurde, war ursprünglich darauf ausgelegt, entweder von einem Vierzylinder-Reihenmotor oder einem 60-Grad-V6-Motor angetrieben zu werden. Das Packaging eines DOHC-V8 mit Turbolader stellte dadurch sowohl in Bezug auf die Höhe als auch auf die Breite eine Herausforderung dar. Der Motor steht nur mit einem Allrad-Antriebsstrang zur Verfügung, was den unter der Motorhaube für den Motor verfügbaren Raum noch weiter einschränkt. Unter diesen Bedingungen war das einzige V8-Twin-Turbo-Motorenkonzept mit einem Zylinderbankwinkel von 90 Grad, das in das Fahrzeug passte, eines, bei dem sich Auslass und Turbolader in der Mittel des Tals zwischen den Zylinderbänken und die Ansaugkanäle an der Außenseite der Zylinderköpfe befinden.

Abb. 3: Kennzahlen des 4,2 Liter Twin Turbo

Technische Spezifikationen
Zylinderblock: Der Zylinderblock aus Präzisionssandguss in Schürzenbauweise besteht aus A319-Aluminium mit T7-Hitzebehandlung. Die Zylinder verfügen über eingepresste Laufbuchsen und die Vier-Bolzen-Hauptlagerdeckel aus Sphäroguss sind zusätzlich radial mit der Schürze verschraubt, was eine stabile Struktur für den effektiven Mitteldruck (BMEP) von 25,4 bar schafft.
Der begrenzte Platz für Motor und das Allraddifferential machte eine genaue Prüfung des Packaging-Platzes aller Teilsysteme des Motors erforderlich. Es wurden ein für einen Zylinderblock mit Laufbuchsen relativ enger Bohrungsabstand von 96 mm und eine optimierte Deckhöhe von 215 mm erreicht. Zur Ermöglichung der reduzierten Deckhöhe des Zylinderblocks wurden die äußeren Befestigungselemente für den Hauptlagerdeckel abgewinkelt. So wurde die richtige Einschraubtiefe für das Befestigungselement ohne Beeinträchtigung des Kolbens und das Überarbeiten von Nachlauf-Auslässen, wie in Abbildung 4 dargestellt, möglich gemacht.

Transparente Darstellung der abgewinkelten äußeren Befestigungselemente für den Hauptlagerdeckel
Abb. 4: Transparente Darstellung der abgewinkelten äußeren Befestigungselemente für den Hauptlagerdeckel

Ein inhärentes Problem von V8-Motoren mit Crossplane-Kurbelwelle ist die ungleichmäßige Zylinderfüllung. Daher ist die optimierte Kühlung der Brennkammer zur Minimierung der Klopfneigung des Motors und zur Gewährleistung der Langlebigkeit des Motors von wesentlicher Bedeutung. Zur Kühlung der Oberseite der Zylinderbohrung wurde eine Stufenbohrung eingesetzt. So fließt Kühlmittel zwischen den Zylindern, wie in Abbildung 5 gezeigt. Diese Bohrung leitet das Kühlmittel vom Zylinderblock-Kühlmantel zum Kühlmantel des Zylinderkopfes. Mit einer Dosieröffnung in der Kopfdichtung wird der Kühlmittelfluss geregelt, wodurch eine individuelle Versorgung für jeden Zylinder möglich ist. Die Temperatur des jeweiligen Zylinders bestimmt die individuelle Öffnung.

CFD-Ergebnisse der Flussrate des Kühlmittelfluss durch die Bohrungen
Abb. 5: CFD-Ergebnisse der Flussrate des Kühlmittelfluss durch die Bohrungen

Kurbeltrieb und Power Cell: Der Platz für Kurbeltrieb und Power Cell war durch die Platzierung des Allrad-Verteilergetriebes, den verfügbaren Packaging-Platz für den Anlasser und die geringe Deckhöhe des Zylinderblocks begrenzt. Daher musste der Kurbeltrieb optimiert werden, um in den verfügbaren Raum zu passen. Zur Umsetzung dieser Packaging-Einschränkungen wurde der Durchmesser des Gestängelagers zur Schaffung eines kleinen Stangenwegs auf ein Minimum reduziert und gleichzeitig der Hauptlagerdurchmesser erhöht, um die erforderliche Überschneidung von Steifigkeit und Stärke der Kurbelwelle zu erreichen. Die auf dem FEV-Streuband in Abbildung 6 dargestellten Lagergrößen zeigen, wie die Kurbelwelle an die Packaging-Einschränkungen der Anwendung angepasst wurde.

Durchmesser Haupt- und Gestängelager
Abb. 6: Durchmesser Haupt- und Gestängelager (FEV-Datenbank)

Die Deckhöhe des Motors wurde ebenfalls auf ein Minimum reduziert, um die Gesamtbreite des Motors zu verringern und die erforderlichen Abstände beim Einbau des Motors in das Fahrzeug einzuhalten. Zur Erreichung dieses anspruchsvollen Ziels mit einem relativ langen Hub und DOHC-Architektur wurde die Power Cell auf minimale Länge am oberen Totpunkt optimiert. Diese Optimierung der Gesamtlänge der Power Cell führte zu einer kurzen Pleuelstange mit einem L/R-Verhältnis von 3,89. Zur Veranschaulichung der Kompaktheit dieses Packaging sind Pleuellänge und Motorhub für den neuen V8-Motor auf dem FEV-Streuband in Abbildung 7 dargestellt.

Pleuellänge ggü. Motorhub (FEV-Datenbank)
Abb. 7: Pleuellänge ggü. Motorhub (FEV-Datenbank)

Die Pleuelstange wird vom Kolben statt von der Kurbelwelle geführt. Durch Reduzierung der Größe und der relativen Geschwindigkeit des die Pleuelstange führenden Lagerbereichs wurde eine Reduzierung der Gesamtreibung erreicht.

Zylinderkopf: Die Rotocast®-Zylinderköpfe bestehen aus A356-Aluminium mit einer T6-Hitzebehandlung. Dieser Herstellungsprozess wurde von dem Team gewählt, da er überlegene mechanische Eigenschaften garantiert, die für einen Motor mit hohem effektivem Mitteldruck von Vorteil sind.
Das Verbrennungssystem wurde teilweise von dem Vorgänger-LGW-Motor, einem 3,0 Liter Twin Turbo V6, übernommen. Zur Übernahme des Verbrennungssystems und seines im Tal zwischen den Zylinderbänken platzierten Auslasses für diesen Motor mussten einige Modifikationen an dem System vorgenommen werden. Die auffälligste Änderung war der Eintrittswinkel des Ansaugkanals, der für den außen angebrachten Ansaugkrümmer nach oben gebogen werden musste. Dieser nach oben gebogene Einlass leitet den Fluss zur Unterseite des Kanals. Mit aufwendigen CFD-Simulationen wurde der angemessene Tumble des neuen Designs sichergestellt. Abbildung 08 zeigt einen Vergleich der Ansaugkanäle des 4,2 Liter Twin Turbo und des LGW-Motors.

Vergleich der Ansaugkanäle des 4,2 Liter Twin Turbo und des LGW-Motors
Abb. 8: Vergleich der Ansaugkanäle des 4,2 Liter Twin Turbo und des LGW-Motors

Erhebliche Entwicklungsarbeiten machten eine Kühlung des Zylinderkopfs mit einem einteiligen Kühlmantel möglich. Einteilige Kühlmäntel sind zwar relativ häufig, die auf der Innenseite angebrachten Auslassöffnungen erfordern jedoch einen einzigartigen Kühlmittelkreislauf. Zur Erreichung einer hohen Kühlmittelflussrate durch den Brückenbereich des Auslassventils wird der Großteil des Kühlmittels direkt vom Block in den Zylinderkopf unter den Auslassöffnungen geleitet, wie dies bei den meisten konventionellen Motor­architekturen geschieht. Allerdings tritt das Kühlmittel zur Entgasung des Kühlmantels bei der Befüllung mit Kühlmittel und im Betrieb aus dem Zylinderkopf auch auf der Auslassseite des Motors aus, da es sich dabei um den höchsten Punkt im Kühlmittelkreislauf handelt. Daher ist der Kühlmittelweg so angelegt, dass der Einlass unter den Auslassöffnungen liegt und das Kühlmittel dann über die Brennkammer und nach einer 180°-Wendung über die Auslassöffnungen fließt, wo es gesammelt und zurück zum Kühler an der Vorderseite des Motors geleitet wird.
Zur Sicherstellung, dass alle Bereiche des Zylinderkopfs mit einer konventionellen Kühlmittelflussrate ausreichend gekühlt werden, wurden im Entwicklungsprozess aufwändige CFD-Entwicklungsarbeiten durchgeführt.

Ventil- und Steuertrieb: Das Ventiltriebkonzept wurde vom LGW V6 übernommen. Zur Erfüllung der Packaging-Anforderungen des 4,2 Liter Twin Turbo und zur Implementierung einer Abschaltungsstrategie von acht auf vier Zylinder wurden wesentliche Änderungen vorgenommen. Die schaltbaren Rollenschlepphebel werden über hydraulischen Druck betätigt, der über Magnetventile an den Ventildeckeln gesteuert wird. Das Entwicklungsteam hat ein Nockenwellen-Trägersystem entworfen, das gleichzeitig Reibung reduziert und Packaging-Platz für die zur Zylinderabschaltung benötigten schaltbaren Rollenschlepphebel bereitstellt. Dieser Druckgussträger ist komplex, beherbergt die Nockenwellen und die Hochdruck-Kraftstoffpumpe und stellt Schneckengetriebe-Schmiermittelwege für den Zylinderabschaltmechanismus bereit.

Ansaugsystem und Ladeluftkühlung: Zur Erreichung eines extrem straffen Ansprechverhaltens und schnellen Time-to- Torque wurde das Ansaugvolumen durch die Platzierung der Wasser-Luft-Ladeluftkühler über den Ventildeckeln minimiert. Die Ansaugkrümmer werden direkt durch die Ladeluftkühler gespeist und führen über die Ansaugnockenseite der Zylinderköpfe in die Ansaugkanäle. Dieses kompakte Packaging des Ansaugsystems in Kombination mit dem geringvolumigen Abgassystem, das durch im Tal zwischen den Zylinderbänken platzierte Turbolader erreicht wird, war zur Realisierung der Anforderungen an das Ansprechverhalten des Motors wesentlich, ohne dabei die anspruchsvollen Leistungsziele, die relativ große Turbolader erforderlich machen, zu beeinträchtigen.

Dem Design des Ansaugtrakts wurde besondere Aufmerksamkeit gewidmet. So wurde eine gute Ausnutzung der Ladeluftkühler sichergestellt, ohne dass einschränkende Komponenten wie zum Beispiel Leitbleche eingesetzt werden müssen. Aufgrund des Bankversatzes des Motors und der einzigartigen Packaging-Einschränkungen auf beiden Seiten sind die Ladeluftkühler nicht an der gleichen Position angebracht. Daher mussten zwei verschiedene Ansaugtrakte entwickelt werden, wobei beide Pfade für die Kühlernutzung unter Beibehaltung eines ähnlichen Volumens optimiert wurden. Die sich daraus ergebende Ladeluft-
kühlernutzung liegt für beide Zylinderbänke bei über 90 Prozent, wodurch eine ausgewogene Ladelufttemperatur für beide Ansaugkrümmer gewährleistet wird.

Da die Ladeluftkühler gut sichtbar oben auf dem Motor platziert sind, wurden an jedem Kühlergehäuse Stilelemente angebracht, unter anderem eine Plakette mit der Beschriftung „hand crafted with pride“ („Mit Stolz von Hand gefertigt“), die von dem Motorenbauer maßgefertigt und am rechten Ladeluftkühler angebracht wird. Bei offener Motorhaube verleihen die Kühler zusammen mit der Aluminiumabdeckung dem Motor ein beeindruckendes Erscheinungsbild.

Kühlmittelflussweg
Abb. 9: Kühlmittelflussweg

Turboaufladung und Abgassystem: Der Motor verfügt über zwei Twin-Scroll-Turbolader, die über elektrische Wastegate-Steller gesteuert werden. Die integrierten Abgaskrümmer der Twin-Scroll-Turbolader sorgen für ein minimales Abgasvolumen. Die Turbolader sind so im Tal an der jeweiligen Zylinderbank angebracht, dass sie in Kombination mit dem zuvor angesprochenen Ansaugsystem einen extrem geringvolumigen Luftstromweg realisieren.

Obwohl der Crossplane V8 die Turbolader nicht mit gleichmäßigen Verbrennungsimpulsen versorgt, sorgen die Twin-Scroll-Turbolader gemeinsam mit dem geringvolumigen Abgassystem für ein signifikantes Einschwingverhalten und Volllastvorteile, ohne dabei klassische V8-NVH-Merkmale zu beeinträchtigen.

Durch die Platzierung von Abgaskrümmern, Turboladern und Katalysatoren im Tal zwischen den Zylinderbänken entstehen unter der Haube erhebliche thermische Herausforderungen. Bei der Entwicklung war das Thermomanagement einer der wichtigsten Punkte. Zur Erzielung einer überragenden Robustheit wurden verschiedene Strategien zur thermischen Abschirmung und zur Kühlung des Tals getestet, wobei mehrere Strate­gien umgesetzt wurden. Dazu gehören der direkte thermische Schutz von empfindlichen Komponenten, gezielte Luft- und Wärmestromwege sowie verschiedene Wärmeschutzbleche. Die Abgaskrümmer und die integrierten Turbinengehäuse sind durch Kontakt-Wärmeschutzbleche geschützt. Die Kontakt-Wärmeschutzbleche mit Faserisolierung und Außenhülle aus Metall bieten das beste Thermomanagement und benötigen den geringsten Packaging-Platz. Außerdem wurde der Montageablauf der Hardware im Tal durch vorherige Anbringung der Wärmeschutzbleche an Turbolader und Krümmer vereinfacht.

Kraftstoffsystem: Zur Minimierung der Feinstaubemissionen und zur Ermöglichung einer schnellen Verbrennung bei hohen Einspritzmengen wurde ein Kraftstoffsystem mit 350 bar Direkteinspritzung ausgewählt. Dieses System verfügt über zwei Einlassnockenwellen-getriebene Kraftstoffpumpen mit seitlich angebrachten Einspritzventilen außerhalb des Tals. Jede Einlassnockenwelle weist drei Nocken zum Antrieb der Pumpen auf. Es wurden ausgiebige Mehrkörperanalysen der Nockenwelle und des Antriebssystems sowie Kraftstoffdrucksimulationen für das Kraftstoffsystem durchgeführt, um einen langlebigen Betrieb und optimale Motorleistung zu gewährleisten. Die Nockenwellen mit drei Nocken weisen mit Blick auf die Programmziele ein besseres Timing der Kraftstoffpumpenimpulse zwischen den Ventilbewegungen auf, was die Spitzenlast am Steuertrieb reduziert und gleichzeitig weiterhin eine einheitliche Kraftstoffversorgung bietet.

Schmierung und Kurbelgehäuse-Entlüftungssystem: Die stufenlose Flügelzellen-Ölpumpe ist das Herz des Schmiersystems. Die Pumpe wird über das Kurbelwellenende angetrieben und verfügt über ein PWN-gesteuertes Magnetventil zur Steuerung der Exzentrizität der Ölpumpe.

Das Kurbelgehäuse-Entlüftungssystem verfügt über einen im Tal zwischen den Zylinderbänken montierten, zweistufigen Ölabscheider mit dedizierten Auslässen an der Rückseite des Motors für den Grob­abscheider und an der Vorderseite des Motors für den Feinabscheider, von wo aus das abgeschiedene Öl wieder zur Ölwanne geleitet wird. Diese Auslässe führen unter dem Ölspiegel zur Ölwanne, wodurch verhindert wird, dass Gase aus dem Kurbelgehäuse den Abscheider kurzschließen.

Der Ölauslass des Feinabscheiders befindet sich an einer relativ seichten Stelle im vorderen Abschnitt der Ölwanne. Zur Verhinderung, dass der Auslass bei starker Beschleunigung oder in engen Kurven freigelegt wird, wurde ein zum Patent angemeldetes Design entwickelt. Bei diesem Design wurde ein lokaler Behälter rund um den Auslass konzipiert. Das Design dieses Merkmals wurde kosteneffizient umgesetzt, indem ein Bohrer für die Ölwanne genutzt wurde und mit einem weiteren Bohrer der Behälter geschaffen wird, wie in Abbildung 10 gezeigt.

Ölauslassbehälter des vorderen Entlüftungsölabscheiders
Abb. 10: Ölauslassbehälter des vorderen Entlüftungsölabscheiders

Motorleistung: Der Motor weist eine in seiner Klasse führende Leistung auf, wie in den Diagrammen zu Leistung und Drehmoment zu sehen ist. Das Spitzendrehmoment von 850 Nm (627 ft lb) steht von 2.800 U/min bis 4.200 U/min zur Verfügung, wobei eine Spitzenleistung von 410 kW (550 PS) erreicht wird. Das hohe Drehmoment im unteren Drehzahlbereich zusammen mit dem breiten Spitzendrehmomentbereich bietet dem Cadillac-Besitzer das mühelose Fahrgefühl, das von Anfang an Entwicklungsziel war.

Die Drehmomentdichte des Motors ist besonders beeindruckend und entspricht der Dichte der besten Motoren auf dem Markt, selbst mit der V8-Motoren mit Crossplane-Kurbelwelle inhärenten Atmungsdynamik. Wenn das Streuband nur V8-Motoren zeigt, ist die Leistung sogar noch beeindruckender.

Die Ergebnisse zeigen, dass dieser Motor die Bedürfnisse einer Hochleistungs­limousine erfüllen und gleichzeitig das straffe Ansprechverhalten eines Luxus­autos bieten kann. Der Motor wird eine kritische Rolle bei General Motors übernehmen, da er nur im Cadillac CT6 V, der Oberklasse-Limousine von GM, eingesetzt wird.

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