LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN DE AUDI

1. Eficiencia y placer de conducción: los innovadores motores en V de Audi

Los motores en V de la marca de los cuatro aros existen desde hace 29 años. El V8 de 3,6 litros debutó en el Audi V8 en 1988, al que siguió dos años más tarde un V6 de 2,8 litros en el Audi 100. El verdadero despegue se produjo en la década de los ’90: en 1997 apareció el 2.5 TDI, primer turbodiésel del mundo con seis cilindros en V, seguido en 1998 del V8 TDI, con una cilindrada de 3,3 litros. Y el V6 biturbo de 2,7 litros presentado en el año 2000 fue muy especial: con una potencia de 279 kW (380 CV) y 440 Nm de par máximo, impulsaba al Audi RS 4 Avant hasta un nivel desconocido en la categoría.

En la actualidad, Audi utiliza motores V6 y V8 en todos los modelos basados en la plataforma modular longitudinal, concretamente en los Audi A4, A5, A6, A8, Q5 y Q7. Los V6 –gasolina y diésel– cuentan con una cilindrada de 3 litros; de 4 litros en el caso de los V8; y de 2.9 en el caso del nuevo Audi RS 5 Coupé. Su potencia va desde los 180 kW (218 CV) hasta los 445 kW (605 CV).

1.1 Efectos de la sinergia en el Grupo: la estrategia para motores en V

Audi y Porsche colaboran estrechamente en el desarrollo de motores: ambas marcas premium emplean los potentes y eficientes motores V6 y V8 de gasolina en sus modelos. “A la vez que Audi y Porsche compiten en el segmento superior, ambas marcas han de satisfacer a diferentes grupos de clientes”, explica Nikolai Ardey, Jefe de Desarrollo de Motores en Audi. “Es lógico, por lo tanto, tener una estrategia para cada marca, compartiendo ingeniería y ciertas tecnologías”.

Una amplia gama de módulos tecnológicos está disponible para los motores en V sobrealimentados, que presentan muchas soluciones idénticas y estrechamente relacionadas. Entre ellas se encuentra el cárter de fundición de aluminio, que es particularmente ligero. Las bancadas de los cilindros se establecen en un ángulo de 90 grados en los motores de seis y ocho cilindros en V. Para los motores V8, este es el ángulo clásico; en el caso de las unidades V6, un árbol de equilibrado en el interior de la V compensa el par inercial.

Esta disposición con el ángulo de 90 grados ofrece grandes ventajas a los clientes. Proporciona un centro de gravedad bajo, que mejora la dinámica de conducción. El diseño estandarizado lleva a muchas coincidencias en el montaje del motor en el coche, en la colocación de los convertidores catalíticos cerca del motor y en las ubicaciones en las que se instalan las unidades auxiliares.

El desarrollo de la nueva generación de motores en V de gasolina está en marcha. La base de partida la proporciona el V8 4.0 TFSI (EA 824), que se diseñó en Neckarsulm y se lanzó al mercado en 2012. Audi es responsable del desarrollo de los nuevos motores V6 de gasolina (código interno EA 839), mientras que Porsche es responsable del nuevo V8 (código EA 825). En la fase final de su etapa actual de desarrollo propulsa al Panamera Turbo; y Audi está planeando incorporarlo también en la nueva generación de su buque insignia, el Audi A8.

El concepto del nuevo V8 4.0 TFSI proviene por lo tanto del anterior motor de Audi. Los dos turbocompresores de doble entrada twin scroll se ubican en el interior de la V. El principio es el siguiente: los gases de escape de las dos bancadas de cilindros llegan por separado al colector de escape y a la carcasa del turbocompresor, para unirse justo al llegar a la turbina. Esta tecnología mejora las características del flujo de los gases, de manera que la turbina se acelera de forma más espontánea, contribuyendo a la rápida entrega de empuje. Cuando se funciona con carga parcial, un perfil especial de las levas entra en acción a través del sistema Audi valvelift system (AVS) para desconectar cuatro cilindros. Una nueva característica es el revestimiento de plasma aplicado mediante pulverización a las paredes de los cilindros, extremadamente resistente al desgaste. Otra innovación es el circuito de aceite, con diferentes secciones para el bloque y la culata, lo que permite al lubricante alcanzar rápidamente su temperatura óptima de funcionamiento, contribuyendo así a la reducción del consumo de combustible.

Una nueva característica para los motores V6 TFSI, tanto el 3.0 TFSI como su variante de alto rendimiento, el 2.9 TFSI, desarrollados por Audi y que también utiliza Porsche, es la ubicación de los inyectores en posición central en la cámara de combustión, una característica que también se encuentra en el V8 4.0 TFSI. En Porsche, estos motores ya se utilizan en el Panamera. En Audi, el 3.0 TFSI se equipa en varios modelos, mientras que el RS 5 Coupé es el primero en utilizar el nuevo 2.9 TFSI.

La colocación de los inyectores en posición central es una característica importante de cara a la alta eficiencia del ciclo B de combustión utilizado por ambos motores de seis cilindros. Aquí también tenemos un desarrollo basado en el sistema AVS. Con una fase de compresión acortada de forma artificial, el ciclo B permite que el motor funcione con mayor relación de compresión. Combinado con una carrera de explosión normal, pero larga en relación con la carrera de compresión, se logra una combustión más eficiente.

Bajo carga parcial, el sistema Audi valvelift system permite acortar el tiempo que las válvulas de admisión permanecen abiertas, a través del cierre anticipado de las mismas, lo cual acorta la fase de admisión. Con cargas más altas, el sistema cambia a un perfil del árbol de levas con un tiempo de apertura más largo y una carrera de válvulas mayor. El motor funciona entonces con una relación de compresión normal y con un rendimiento máximo.

En los motores V6, los turbocompresores –uno en el caso del 3.0 TFSI, dos para el 2.9 TFSI– también se encuentran en el interior de la V. Esta disposición permite un diseño compacto y minimiza la pérdida de flujo de los gases de escape, consiguiendo una respuesta del motor directa y espontánea. Otra característica especial de los motores V6 TFSI es el colector de escape integrado en la culata, como elemento del sistema de gestión térmica, por lo que el colector cuenta con refrigeración líquida. Esto ayuda a que el motor alcance su temperatura óptima rápidamente. Cuando el motor está caliente, el sistema reduce la temperatura del escape. El resultado es una reducción del consumo de combustible, particularmente durante una conducción deportiva. En el caso del 4.0 TFSI, el sistema de inyección por common rail alcanza una presión de 250 bar. Esta alta presión atomiza el combustible en finas gotas, lo que mejora el proceso de combustión.

Los nuevos motores V6 y V8 de gasolina también son adecuados para la hibridación, sobre una base de alta y baja tensión. En el lanzamiento del próximo Audi A8, todos los motores contarán con sistema de hibridación ligera mild hybrid, diseñado para funcionar junto con la nueva red de 48 voltios.

El V6 TFSI se produce en la planta húngara de Györ, la mayor fábrica de motores del mundo, mientras que el V8 TFSI se fabrica en la línea de montaje de motores de la factoría de Porsche en Zuffenhausen. En 2016 se fabricaron más de 212.500 motores V6 y más de 19.500 bloques V8. El concepto modular permite compartir numerosos componentes. La bomba de aceite, el sistema de distribución por cadena para los árboles de levas –incluyendo su carcasa– y la brida de sellado trasera son sólo algunos ejemplos. Algo que se traduce en ahorro para las líneas de producción.

El desarrollo de los motores diésel, tanto el 3.0 TDI como el nuevo 4.0 TDI, es responsabilidad de Audi. Porsche utiliza los motores diésel en distintas evoluciones, incluyendo ligeras modificaciones.

1.2 Profundamente evolucionado: el nuevo 3.0 TDI

Los ingenieros de Audi han evolucionado intensivamente el nuevo motor 3.0 TDI en muchos aspectos. En los nuevos Audi A5 y Q5, el V6 genera una potencia de 210 kW (286 CV) y un par máximo de 620 Nm (esta versión todavía no se comercializa, por lo que no está sujeta a la directiva 1999/94/EC), este último entre 1.500 y 3.000 rpm.

El seis cilindros tiene una cilindrada de 2.967 cm3 (diámetro x carrera 83,0 x 91,4 mm). Al igual que en todos los motores en V de Audi, sus bancadas de cilindros forman entre sí un ángulo de 90 grados. Dentro del cárter, realizado en fundición de hierro con grafito vermicular, se instala un árbol de equilibrado para reducir vibraciones y mejorar la acústica.

El estricto concepto de construcción ligera de Audi utilizado para el cigüeñal, las culatas y el bloque incrementa la eficiencia. Otro aspecto que desempeña aquí un importante papel es la reducida fricción en los segmentos de los pistones gracias al recubrimiento especial en las paredes de los cilindros. La utilización de una bomba de aceite de caudal variable también supone un beneficio de cara a la eficiencia. El sistema de gestión térmica controla los circuitos de refrigeración independientes para el cárter y para la culata tras un arranque en frío, de forma que el aceite del motor alcance lo antes posible su temperatura óptima de funcionamiento. La culata tiene dos camisas para la refrigeración –en función de las necesidades– y el radiador de aceite se integra en el circuito de refrigeración de la culata cuando se requiere.

El sistema common rail genera hasta 2.000 bar de presión de inyección. Los inyectores piezoeléctricos con ocho orificios pueden realizar hasta nueve inyecciones por cada ciclo de trabajo. Para optimizar el flujo de aire y la preparación de la mezcla de combustible, una de las entradas de admisión cuenta con un diseño que genera una turbulencia, mientras que las salidas de escape se han modificado respecto al motor precedente, para reducir la resistencia al paso de los gases. El motor adquiere así una mayor espontaneidad y rapidez en su respuesta, con una entrega de potencia más homogénea.

El turbocompresor del motor 3.0 TDI funciona con una presión de soplado relativa de 2,3 bar. La turbina de geometría variable (VTG) está diseñada para funcionar con flujos de aire muy bajos. El sistema de recirculación de gases de escape de baja presión (EGR) recupera el gas únicamente tras su paso por el filtro de partículas, y lo envía a través de un radiador, para posteriormente impulsar la turbina con la máxima corriente de aire posible cuando se funciona con cargas medias y altas.

Los sistemas de control de emisiones están situados muy cerca del motor. El primer componente es un gran catalizador de oxidación NOC (oxidación catalítica de NOx), que almacena los óxidos de nitrógeno hasta que se llena, para posteriormente limpiarse mediante un proceso de enriquecimiento de la mezcla de aire y combustible en el motor. Para minimizar el consumo extra, el NOC se activa principalmente a bajas temperaturas de los gases de escape. Una vez alcanzada la temperatura de funcionamiento, el segundo módulo, un sistema SCR de tratamiento de las partículas, se encarga de la transformación de los óxidos de nitrógeno durante la conducción interurbana y en carretera, es decir, cuando se funciona a un régimen moderado de revoluciones.

El evolucionado 3.0 TDI está preparado para la hibridación ligera, que se introducirá por primera vez con este motor en el nuevo Audi A8, modelo que se presentará mundialmente el próximo mes de julio. El sistema eléctrico de 48 voltios, que aquí acciona un alternador que hace las veces de motor de arranque (BAS) movido por correa, puede proporcionar también la energía a partir de un compresor accionado eléctricamente (EPC), que se encarga al mismo tiempo de acelerar la turbina del turbocompresor al iniciar la marcha o al acelerar desde bajas velocidades, lo que beneficia la respuesta y la elasticidad del motor

1.3 El diésel de producción más potente de Audi: el V8 4.0 TDI

Con una potencia de 320 kW (435 CV) y 900 Nm de par máximo entre 1.000 y 3.250 rpm, el 4.0 TDI es el V8 diésel más potente de Audi. Su cilindrada es de 3.956 cm3 , con las mismas cotas internas que el motor V8 (diámetro x carrera: 83,0 x 91,4 mm). Acelera al Audi SQ7 de 0 a 100 km/h en 4,8 segundos, y la velocidad máxima está limitada electrónicamente a 250 km/h. En el ciclo NEDC, sin embargo, consume sólo 7,6 – 7,2 litros de combustible por cada 100 km, con unas emisiones de CO2 de 198 – 189 g/km.

El 4.0 TDI está diseñado como un motor biturbo con sobrealimentación secuencial. Cada uno de los turbocompresores suministra aire a ambas bancadas de cilindros. Como es característico en los motores en V de Audi, los turbocompresores se encuentran situados en el interior de la V que forman las bancadas, de forma que el corto recorrido del flujo de gases contribuye a una respuesta espontánea. Ambos turbocompresores cuentan con una turbina de geometría variable y generan una presión relativa de hasta 2,4 bar. Están controlados por el sistema Audi valvelift system (AVS): unos actuadores electromagnéticos desplazan unos manguitos en los árboles de levas para conectar una o las dos válvulas de escape en cada cilindro.

El gas de escape fluye a través de conductos separados en un colector de doble flujo; cada válvula y su correspondiente conducto suministran flujo de aire a uno de los turbocompresores. Para bajas revoluciones y cargas medias, el AVS mantiene una de las válvulas de escape cerradas, de forma que la corriente de gases de escape se dirige hacia el turbocompresor activo. Si el régimen de giro del motor aumenta y se sitúa entre 2.200 y 2.700 rpm, el AVS abre la segunda válvula de escape, activando el segundo turbocompresor al recibir el flujo de aire. El funcionamiento conjunto de los dos turbocompresores permite al 4.0 TDI rendir su potencia máxima. La cooperación entre los dos turbocompresores permite que el TDI 4.0 alcance su máxima potencia.

Los árboles de levas de admisión también cuentan con unidades AVS, para asegurar el llenado óptimo de la cámara de combustión en cualquier condición de funcionamiento. A velocidades bajas del motor, estabilizan la combustión; y a altas revoluciones, lo hacen con la carga de los cilindros. El sistema common-rail genera hasta 2.500 bar de presión de inyección, lo que permite alcanzar al motor 4.0 TDI la alta potencia específica, manteniendo bajas las emisiones en el rango de carga parcial gracias a la atomización del combustible. La presión de ignición alcanza los 200 bar.

La gestión térmica continuamente variable y las medidas adoptadas para el cigüeñal y los árboles de levas aseguran una baja fricción en el motor de ocho cilindros. Al igual que sucede con el motor V6 diésel, la combinación de un catalizador NOx con un convertidor SCR integrado en el filtro de partículas garantiza un tratamiento eficaz de los gases de escape.

En el Audi SQ7, el 4.0 TDI funciona con un compresor eléctrico (EPC) que proporciona 7 kW de potencia y se alimenta de un subsistema eléctrico de 48 voltios. El EPC, que se encuentra instalado en un bypass por detrás del intercooler, apoya a los dos turbocompresores en el momento de iniciar la marcha y a bajas revoluciones. En lugar de emplear una turbina, funciona con un compacto motor eléctrico, que acelera la rueda del compresor hasta las 70.000 rpm en menos de 250 milisegundos. El deportivo SQ7 TDI se beneficia así de un rendimiento deportivo y de una respuesta todavía más inmediata incluso desde parado.

1.4 Potencia versátil: el nuevo 3.0 TFSI

Con el nuevo 3.0 TFSI, Audi continúa la historia de éxito de sus motores de gasolina. El V6 turboalimentado combina rendimiento –altas prestaciones, respuesta espontánea, gran empuje desde bajas revoluciones y un sonido característico– con nuevos niveles de eficiencia. Desarrollado en Neckarsulm, el motor debutó en los nuevos modelos S, pero también se montará en vehículos de la clase superior, incluyendo el nuevo Audi A8. Durante su desarrollo, los ingenieros de Audi también tuvieron en cuenta la futura hibridación para sistemas de alto o bajo voltaje. Por tanto, este motor está preparado para la utilización de un alternador accionado por correa, o para un compresor eléctrico.

Aunque el nuevo seis cilindros comparte diámetro (84,5 mm) y carrera (89,0 mm) con el anterior motor sobrealimentado por compresor, la distancia entre cilindros aumenta en 3 mm hasta los 93 mm. Con sus 2.995 cm3, el V6 turbo rinde 260 kW (354 CV) de potencia (consumo combinado: 8,5 – 7,3 l/100 km; emisiones combinadas de CO2 : 195 – 166 g/km). A 1.370 rpm ya alcanza su par máximo de 500 Nm, que permanece constante hasta las 4.500 rpm. En los nuevos Audi S4, S5 Coupé y S5 Sportback, consume apenas 7,3 litros de combustible cada 100 km en el ciclo NEDC, con una emisiones equivalentes de CO2 de 166 g/km. Como versión más deportiva de la familia Q5, el nuevo Audi SQ5 con este motor (consumo combinado: 8,5 – 8,3 l/100 km; emisiones combinadas de CO2: 195 – 189 g/km) hace gala más que nunca de la versatilidad de un SUV con prestaciones deportivas y un alto nivel de eficiencia. La aceleración de 0 a 100 km/h se completa en 5,4 segundos, mientras que la velocidad máxima está limitada electrónicamente a 250 km/h. En el ciclo NEDC, el nuevo Audi SQ5 3.0 TFSI consume sólo 8,3 litros de combustible cada 100 km, lo que equivale a unas emisiones de CO2 de 189 g/km.

La característica definitiva para la eficiencia del motor TFSI es el nuevo ciclo B de combustión de Audi (ver sección 1.1 Efectos de la sinergia en el Grupo: la estrategia para motores en V), una evolución del ciclo Miller. En el colector de admisión, las válvulas se cierran antes de que el pistón alcance su punto muerto inferior. Este tiempo de apertura inusualmente corto mantiene el flujo de gas fresco comparativamente pequeño, creando artificialmente un desplazamiento menor.

Cuando el pistón retrocede nuevamente tras alcanzar el punto muerto superior, la fase de compresión comienza más tarde que en un motor convencional. Esto permite una relación de compresión elevada de 11,2:1, por lo que la combustión tiene lugar en una cámara relativamente pequeña. En comparación con la fase de compresión, la fase de expansión se alarga, con lo que la mayor expansión del gas aumenta la eficiencia.

Audi completa el ciclo Miller con tecnologías innovadoras: el turbocompresor introduce aire en los cilindros con hasta 1,5 bar de sobrepresión. El sistema common-rail inyecta el combustible en la cámara de combustión a una alta presión de 250 bar, lo que garantiza una pulverización homogénea y, por lo tanto, una propagación uniforme del frente de llama. Debido a que el inyector se encuentra situado en el centro de la cámara de combustión, los desarrolladores han diseñado una geometría en la zona de las válvulas de admisión que, junto a la forma de los conductos de entrada de aire de admisión, genera un remolino que enfría las paredes de la cámara. Esto evita el fenómeno de autoencendido o detonación, lo que permite a Audi utilizar una alta relación de compresión en sus motores TFSI. La calidad de la combustión, la eficiencia termodinámica y, por lo tanto, la eficiencia del motor, también mejoran.

Cada uno de los cuatro árboles de levas del motor 3.0 TFSI se pueden ajustar en un ángulo de cigüeñal de hasta 50 grados. Para cargas altas, el sistema Audi valvelift system de dos etapas retrasa el cierre de las válvula de admisión, aumentando el tiempo que permanecen abiertas de 130 a 180 grados de giro del cigüeñal, mientras que al mismo tiempo también aumenta la alzada de las válvulas de 6 a 10 mm. La carga en el cilindro aumenta así considerablemente, lo que permite al 3.0 TFSI ganar revoluciones de forma poderosa y con un empuje exuberante.

El turbocompresor del nuevo 3.0 TFSI funciona de acuerdo al principio twin scroll: los conductos de escape de las dos bancadas de cilindros dirigen el aire por separado en el colector de escape y hasta la carcasa del turbo, fusionándose únicamente delante de la turbina. Esta tecnología evita las posibles interacciones entre los dos flujos de gases de escape, contribuyendo a una inmediata respuesta y un poderoso empuje. El turbocompresor se sitúa entre la V a 90 grados que forman las dos bancadas de cilindros, con el lado de escape en el interior y el de admisión en la parte exterior. Una disposición que permite un diseño compacto y cortos recorridos para el flujo de gases, lo que minimiza las pérdidas. El 3.0 TFSI responde así de forma directa y espontánea a los movimientos del pedal del acelerador.

Gracias a una profunda evolución, el potente motor V6 de aluminio apenas pesa 172 kilogramos. El bloque, fabricado en aleación de aluminio y silicio mediante el método de fundición por colada en arena, integra las camisas de los cilindros de acero con un grosor de 1,5 mm. El denominado diseño “deep-skirt” extiende las paredes del bloque de los cilindros hacia abajo, lo cual también ayuda al ahorro de peso. En combinación con los nuevos segmentos diseñados para los pistones de aluminio, se reduce la fricción. El montaje del motor V6 en la planta húngara de Györ utiliza el método de rectificado de placa para evitar tensiones en la culata durante su instalación.

La gestión térmica también contribuye a los elevados niveles de eficiencia. El bloque y la culata tienen circuitos de refrigeración individuales, que pueden desconectarse del resto del circuito de refrigeración del motor V6 individualmente. En un arranque en frío, la bomba de agua desconecta el flujo de refrigerante a través del motor, activándolo de nuevo cuando se alcanza la temperatura adecuada, incluyendo el tramo del circuito individual del bloque de cilindros. Este último sólo se activa cuando se alcanza el límite de temperatura marcado. El colector de escape está integrado en la culata y también cuenta con refrigeración, lo que ayuda al motor a calentarse rápidamente. Esta tecnología permite reducir la temperatura del escape una vez que el motor está caliente, lo que reduce significativamente el consumo de combustible, especialmente cuando se conduce de forma deportiva. El convertidor catalítico de tres vías está localizado muy cerca del motor, por lo que alcanza su temperatura de funcionamiento muy pronto.

El mismo principio se aplica para el filtro de partículas, que Audi introducirá en el A5 Coupé 2.0 TFSI a mediados de año (consumo combinado: 6,5 – 5,1 l/100 km; emisiones combinadas de CO2: 148 – 117 g/km), y que posteriormente irá extendiéndose a más modelos de la gama.

Otras soluciones de alta tecnología contribuyen a la alta eficiencia del nuevo 3.0 TFSI. La bomba de aceite de caudal variable totalmente ajustable sólo acumula tanta presión como sea necesaria en cada momento. La potencia requerida para el accionamiento de la distribución por cadena se ha reducido gracias a un nuevo concepto. El cigüeñal acciona el árbol de equilibrado situado en una posición muy baja en la V que forman los cilindros a través de engranajes. Desde aquí, las cadenas mueven los cuatro piñones de los árboles de levas, que tienen una forma ligeramente oval para compensar los picos de potencia y asegurar un funcionamiento suave. El eje de equilibrado gira sobre rodamientos de rodillos de baja fricción.

1.5 Altas prestaciones: el nuevo 2.9 TFSI

Con el nuevo 2.9 TFSI, Audi recoge la herencia del legendario 2.7 V6 de altas prestaciones. Este último entregaba 280 kW (380 CV) en el primer Audi RS 4 Avant (comercializado entre los años 2000 y 2001). El nuevo motor supera en gran medida al anterior, con sus 331 kW (450 CV) de potencia y un par máximo de 600 Nm desde 1.900 a 5.000 rpm (consumo combinado: 9,6 – 8,7 l/100 km; emisiones combinadas de CO2: 224 – 197 g/km), catapultando al nuevo Audi RS 5 de 0 a 100 km/h en apenas 3,9 segundos, con una velocidad máxima que –opcionalmente– puede ampliar la limitación electrónica a 280 km/h.

El nuevo motor de seis cilindros de altas prestaciones de Audi deriva directamente del 3.0 TFSI. Debido a las mayores fuerzas en el interior, la carrera se ha acortado 3 mm hasta los 86 mm. De cara a la robustez se ha aumentado el diámetro de los cojinetes principales del cigüeñal en 2 mm. Los componentes tecnológicos más importantes son los mismos para ambos motores: el cárter de aluminio con camisas de cilindros de acero, el nuevo proceso de combustión TFSI con el inyector en posición central y la gestión térmica con los colectores de escape integrados en las culatas.

En el 2.9 TFSI, el lado del escape se encuentra en el interior de la V que forman los cilindros. En vez de utilizar un único turbocompresor twin scroll, dos turbocompresores comprimen el aire de admisión, como en el RS 4 original. Cada uno de ellos es responsable de una bancada de cilindros y puede proporcionar una sobrepresión de 1,5 bar. En el sistema de admisión del V6 biturbo, componentes de acero inoxidable permiten que el aire fluya casi sin encontrar resistencia, mientras que en el escape las mariposas conmutables se encargan de modular el sonido de acuerdo a la carga y a la solicitud del conductor sobre el pedal del acelerador. De esta forma, el sonido del escape del Audi RS 5 recuerda al del motor del primer RS 4.