NUEVA TECNOLOGÍA DE DESCONEXIÓN SELECTIVA DE CILINDROS «AUDI CYLINDER ON DEMAND»

Audi ha rebajado una vez más el consumo de combustible de sus motores. El motor 4.0 TFSI, que hará su aparición a principios de 2012 en los Audi S6, S6 Avant, S7 Sportback y S8, estrenará la nueva tecnología de desconexión selectiva de cilindros «Audi cylinder on demand». Bentley también ha estado involucrada en el proceso de desarrollo de este nuevo motor y también dispondrá de esta mecánica en su modelo Continental GT en un futuro próximo.

Cuando este V8 Twin Turbo está funcionando a carga parcial, cuatro de sus cilindros están desactivados. Esto reduce el consumo de combustible de acuerdo con el ciclo de pruebas NEDC alrededor de un cinco por ciento y reduce las emisiones de CO2 entre aproximadamente 10 a 12 g/km. A esto habría que añadir además el efecto del sistema de arranque y parada del motor -integrado en los modelos Audi S- que apaga automáticamente el motor cuando el coche permanece parado, y la reducción de las emisiones de CO2 en los modelos de Audi puede llegar a ser de hasta 24 g/km.

Los ocupantes de los coches equipados con esta nueva tecnología disfrutarán del mismo elevado nivel de confort de viaje que siempre. Cuando el 4.0 TFSI está funcionando en cuatro cilindros, ningún ruido o vibración molesta se percibe en el interior del habitáculo. Esto se ha conseguido gracias al desarrollo combinado de otras dos avanzadas tecnologías Audi: la del control activo de ruidos (active noise control – ANC) y la de los soportes activos del motor (active engine mounts)

La desactivación de cilindros en el nuevo TFSI 4.0 se produce en los momentos de baja carga, rodando a velocidades bajas y moderadas del motor y con la tercera velocidad o las superiores engranadas. Si estas características de funcionamiento están presentes, el sistema cierra las válvulas de entrada y salida de los cilindros 2,3,5 y 8. La eficiencia es entonces superior en los cilindros activos, porque los puntos de funcionamiento se desplazan entonces para soportar cargas mayores.

Una versión mejorada del sistema de calado variable de válvulas Audi valvelift cierra las válvulas mediante el deslizamiento de las mangas de los árboles de levas. Justo antes de que esto suceda, las cámaras de combustión se han llenado con aire fresco. La inyección de combustible y el encendido se cortan. La reducción de la presión interna de los cilindros en relación a la inyección de los gases de escape es un importante factor de eficiencia.

La pantalla del panel de la instrumentación indica cuando el modo de funcionamiento en cuatro cilindros está activo. Si el conductor pisa el acelerador con firmeza, los cilindros desactivados vuelven a ponerse de nuevo en funcionamiento. Todos estos cambios se producen sin problemas rápida y suavemente.

El sistema «Audi cylinder on demand» está permanentemente preparado para ser utilizado, incluso con la transmisión automática en el modo de funcionamiento «S» y el ajuste dinámico del Audi drive Select seleccionado. En la prueba NEDC esto reduce el consumo de combustible alrededor de un cinco por ciento. A esto habría que añadir los efectos del sistema Start-stop que detiene el motor cuando el coche permanece en parado, y el sistema puede reducir el consumo de combustible como mucho en hasta un 12 por ciento. La eficiencia potencial del motor comienza a hacerse especialmente evidente a las velocidades a las cuales el coche se conduce más habitualmente. A 80 km/h, por ejemplo, la ganancia en eficiencia es de un 12 por ciento para todos los modelos S, y todavía puede ser de hasta un un 7 por ciento incluso rodando a velocidades superiores a los 130 km/h.

Cuando el 4.0 TFSI está trabajando en el modo de funcionamiento en cuatro cilindros, dos avanzadas tecnologías contrarrestan los sonidos y vibraciones no deseadas en el interior del coche: Active noise control (ANC) -control activo de ruidos- y active engine mounts -soportes activos del motor-.

ANC registra los ruidos del interior del vehículo de una forma precisa y bien diferenciada a través de cuatro micrófonos de ambiente, y los analiza para identificar los que potencialmente pueden constituir fuentes perturbadoras de sonido. Si fuera necesario, el sistema emite entonces un sonido en oposición al ruido a través de sus altavoces que anula el ruido original con tanta eficacia que los ocupantes del vehículo no pueden llegar a percibirlo. El sistema de soportes activos del motor utiliza un principio similar. Si los sensores detectan vibraciones procedentes del motor, se inicia una contra vibración hasta que la vibración original cae a un nivel imperceptible.

El efecto total de estos avanzados métodos -Active noise control, active engine mounts y la inyección de aire fresco en el interior de los cilindros- es conseguir hacer que la tecnología «Audi cylinder on demand» resulte tan refinada como altamente eficiente. Esta solución resulta claramente superior a las previamente existentes ofrecidas por los competidores. Proporciona a los clientes auténticos beneficios en cuanto a economía de combustible y sin producir ningún inconveniente -una prueba crucial que todas las innovaciones de Audi tienen que superar antes de ser presentadas-.

En la primavera de 2012, cuando el nuevo 4.0 TFSI comience a estar disponible en las versiones superiores de los modelos Audi S, su consumo en el S8 no será superior a una cifra de alrededor de 10 l/100 km. El S6 y S7 Sportback ofrecerán un consumo claramente inferior a los 10l/100 km. Dos versiones del motor V8 serán comercializadas: con una potencia de salida de 420 CV y un par máximo de 550 Nm para los S6, S6 Avant y S7 Sportback, mientras que para el S8 las cifras equivalentes serán de 520 CV de potencia y 650 Nm de par.

El 4.0 TFSI incorpora un completo conjunto de avanzadas tecnologías. Además del sistema «Audi cylinder on demand», incluye turbocompresores «biturbo» de doble entrada, un sistema gestión térmica integral que minimiza la fricción interna y una innovadora construcción de la culata, con las válvulas de escape en el interior y la entrada de aire fresco en el exterior. Este diseño mantiene las compactas dimensiones del motor, con una longitud de sólo 497 mm y cortas rutas del flujo de gases con mínimas pérdidas por fricción.

En el nuevo 4.0 TFSI, los cilindros son desactivados si la carga del motor es baja. El límite superior al que la desactivación tiene efecto, dependiendo de la velocidad del motor, está entre aproximadamente un 25 y el 40 por ciento del par máximo, en otras palabras, entre alrededor de 120 (12,2) y 250 (25,51) Nm (mkg). En este rango operativo, la presión media efectiva se eleva hasta los ocho bares. La temperatura de refrigeración debe ser finalmente de 30º y la tercera marcha o una superior deben haber sido seleccionadas. El motor debe de estar funcionando a velocidad superior a la del ralentí, es decir, entre las 960 y las 3.500 revoluciones por minuto.

Si todas esas condiciones se producen, el sistema cierra las válvulas de admisión y escape de dos cilindros en cada bancada. El V8 continúa funcionando como un V4 con una orden normal de encendido pero con la mezcla de dos cilindros en lugar de los cuatro que se encienden en cada revolución del cigueñal. En lugar de 1-5-4-8-6-3-7-2, el orden de encendido es entonces 1-4-6-7; la eficiencia en los cilindros activos se incrementa entonces debido a que las cotas de funcionamiento se desplazan para facilitar mayores cargas.

Las válvulas necesarias están cerradas en los cuatro árboles de levas gracias a una versión mejorada del sistema Audi de alzado variable de válvulas (AVS). Sus mangas se pueden deslizar hacia los lados electromagnéticamente, y además tendrá leva adicional sin elevación; ya que esto impide moverse a las levas que le siguen, los muelles de las válvulas mantienen estas cerradas.

Al mismo tiempo, el sistema de gestión del motor corta la inyección de combustible y el encendido. El estado en cuatro cilindros se visualiza en el panel de la instrumentación, en la pantalla del sistema de información al conductor: la barra indicadora del consumo de combustible se vuelve de color verde y también se muestra un mensaje de texto.

En los cilindros desactivados los pistones continúan en movimiento porque continúan siendo impulsados por el cigueñal; antes de que las válvulas se cierren las cámaras de combustión están siendo rellenadas con aire fresco y la inyección de combustible y el encendido se cortan. Esta bocanada de aire fresco a baja presión en los cilindros reduce la energía necesaria para mover los pistones -un factor importante para incrementar la eficiencia.

Tan pronto como el conductor pisa firmemente y con decisión el pedal del acelerador, los cilindros desactivados vuelven a arrancar de nuevo. El retorno al funcionamiento en ocho cilindros, como en el proceso de desactivación de los cilindros, tiene lugar con tanta facilidad y rapidez que es muy difícil de notar. El proceso se completa en un promedio de 300 milisegundos. El intercambio real naturalmente implica una caída de la eficiencia, por lo que la reducción en el consumo de combustible únicamente se establece tras pasados tres segundos o más después de la desactivación de los cilindros.

Por eso Audi ha desarrollado una lógica de control que monitoriza los movimientos de los pedales del acelerador y el freno y del volante efectuados por el conductor. Si se detecta una patrón irregular de los mismos, la desactivación de los cilindros puede ser inhibida en determinadas situaciones, por ejemplo en una glorieta o cuando el coche es manejado con fuerza en carreteras interurbanas. La desactivación de cilindros que durase solo unos pocos segundos tendería a incrementar el consumo de combustible en lugar de a reducirlo.

El sistema «Audi cylinder on demand» está preparado para funcionar durante todo el tiempo, incluso en el modo S de la transmisión automática o con la configuración dinámica seleccionada en el Audi drive Select. Ahorra aún más combustible cuando el coche se conduce de forma constante a velocidades moderadas en la forma acostumbrada en muchas carreteras principales.

A 80 km/h, por ejemplo, la ganancia en eficiencia de los modelos «S» es de un 12 por ciento, e incluso a 130 km/h se pueden alcanzar ahorros del siete por ciento. En las pruebas estandarizas del ciclo NEDC, el incremento de la eficiencia es superior al cinco por ciento y si añadimos a esto los efectos de la función Start-stop que apaga el motor al ralentí, el efecto economizador total estaría alrededor del 12 por ciento.

Bentley estuvo involucrado en proceso de desarrollo de esta tecnología e instalará el nuevo y revolucionario motor 4.0 TFSI en el nuevo Continental GT.

Los motores V8 no son únicamente conocidos por su poder de empuje y su armoniosa capacidad de respuesta al acelerador, también lo son por su buen y suave funcionamiento. Esto también es cierto en el nuevo Audi 4.0 TFSI. Cuando el motor V8 trabaja como un V4, el cigueñal y los componentes alternativos tienden a genera una elevada vibración torsional, dependiendo de la carga y de la velocidad de giro del motor. Esto provoca ruidos ambientales en el interior del vehículo. El sistema de escape, que es de gran tamaño, también emite ruidos como de tambores que resultan difíciles de suprimir por completo pese a la utilización del un sistema inteligente de accionamiento de las válvulas. El objetivo está entonces en reducir todos estos molestos ruidos a unos niveles que ni el conductor ni los pasajeros puedan escuchar.

El Active noise control (ANC) -control activo de ruidos- contrarresta el ruido no deseado mediante la generación de un ruido similar. El principio se conoce como la interferencia destructiva: si dos ondas de sonido de la misma frecuencia se superponen, sus amplitudes -los picos y los valles que determinan la presión del sonido- se pueden arreglar para cancelar la una a la otra. Las amplitudes deben ser de la misma fuerza, pero sus fases han de estar opuestas 180º la una de la otra. Los expertos en acústica se refieren a esto como la «cancelación del ruido».

Los modelos Audi en los cuales el nuevo 4.0 TFSI estará disponible estarán equipados con cuatro pequeños micrófonos en el interior del habitáculo; estos será visibles en el revestimiento del techo. Cada uno de ellos registra un espectro completo del ruido existente en su área más inmediata. A partir de esas señales, la unidad de control del sistema ANC calcula una imagen diferenciada del sonido espacial; la información sobre la velocidad actual del motor también se obtiene mediante un sensor en el árbol de levas.

En todas las zonas previamente calibradas en las cuales el sistema identifica ruidos molestos, este emite otro, calibrado y modulado precisamente para cancelar el sonido molesto. En particular, supone todo un reto para el ANC reaccionar especialmente rápido y con total precisión en los cortos períodos durante los cuales tiene lugar la desactivación o activación de los cilindros.

El Active noise control se pone en funcionamiento siempre que realmente se necesita -cuando el sistema de sonido está en funcionamiento, incluso con el avanzado sistema de sonido Bang & Olufsen.

Audi normalmente utiliza la configuración deportiva de la empresa para el montaje de sus motores. Durante muchos años y ahora en ciertos modelos -en particular en el Audi A8 en el extremo superior de la gama- determinados motores han dispuesto de soportes electromagnéticos conmutables. Estos tienen dos configuraciones de funcionamiento: al ralentí tienen un funcionamiento blando característico a fin de evitar que tanto el ruido como las vibraciones puedan alcanzar el interior del coche, pero cuando el vehículo está siendo conducido de forma decidida una amortiguación tarada de forma más firme es seleccionada con el fin de suprimir las vibraciones del motor.

Los active engine mount -montantes activos del motor- que Audi ha desarrollado para el 4.0 TFSI sitúan esta tecnología en un decisivo paso más adelantado: anula las vibraciones del motor mediante oscilaciones fuera de fase. El componente clave es la actuación de una bobina oscilante electromagnética. Esta tiene un movimiento rápido que se transmite mediante un diafragma flexible al fluido hidráulico dispuesto en el montante, el cual absorbe también los movimientos oscilatorios procedentes del motor. En el fluido, estos se superponen a los movimientos generados por el actuador y los cancelan.

La unidad de control para los soportes activos del motor reciben sus señales desde dos fuentes. La velocidad del motor se detecta a través del sensor del árbol de levas; estas señales se usan para programar con precisión la fase y la frecuencia de la señal del actuador. Sensores de aceleración en dos de los soportes del motor aportan los datos que determinarán la amplitud necesaria para suprimir la vibración.

Cuando el nuevo 4.0 TFSI esté funcionando en modo de cuatro cilindros, generará una cierta cantidad de las vibraciones del motor y ruido de tambores que se reconocen como sonidos de segundo orden. Estos no son los típicos de un V8, pero el sistema anti-vibraciones generado por los soportes activos reducirá los mismos a niveles prácticamente indetectables.

Al ralentí funcionando en modo de ocho cilindros, se produce la excitación de cuarto orden del motor. Esto también es eliminado en gran medida por los soportes activos del motor, hasta el punto de que parece que el motor incluso está funcionando mejor y más suavemente.

Nuevo motor 4.0 TFSI

El nuevo Audi 4.0 TFSI es una unidad avanzada de alta tecnología. Además del sistema de desconexión selectiva de cilindros «Audi cylinder on demand», dispone de un elevado número de características diseñadas para impulsar su potencia de salida y su eficiencia aún más. Dos versiones de este doblemente turboalimentado V8 serán comercializadas. En los S6, S6 Avant y S7 Sportback, esta mecánica desarrolla 420 CV en el S8 520 CV. El par máximo es de 550 y 650 Nm (56,12 y 66,32 mkg) respectivamente. En todos los modelos Audi disponibles con este motor se obtiene una media de consumo de combustible de 10 l/100 km o incluso menor.

El 4.0 TFSI tiene una cilindrada de 3.993 cm3 un diámetro de 84,5 milímetros y una carrera de 89 milímetros. El 4.0 TFSI es la incorporación más reciente a la familia de motores en V de Audi, y cuenta con todas sus típicas características. El ángulo comprendido entre las dos bancadas de cilindros es el clásico de 90º. Como medida para ahorrar espacio, la cadena de transmisión a los cuatro árboles de levas y a los elementos auxiliares está situada en la parte trasera del motor.

El bloque de cilindros está elaborado en una aleación de aluminio y silicio mediante un proceso de enfriamiento a baja presión que permite alcanzar un elevado grado de homogeneidad. La elevada proporción de silicio hace que las paredes del cilindro sean muy resistentes al desgaste. Una bancada rígida de los puentes principales de apoyo inferior incrementan aún más la ya de por sí notable rigidez del bloque. El diseño, extremadamente compacto, mantiene la longitud del motor en hasta sólo 497 mm. Esto facilita su instalación directamente sobre el eje delantero, facilitando la buena distribución del peso, gracias a lo cual el coche es aún más dinámico en la carretera.

Como siempre en los motores Audi, el nuevo 4.0 TFSI sigue los principios del «downsizing» -reducción de tamaño-, con aspiración forzada mediante turbo alimentación en lugar de recurrir a un tamaño de motor enorme. Este principio armoniza a la perfección con la inyección directa de combustible FSI. Cada bancada de cilindros dispone de un turbocompresor de doble entrada para suministrar aire fresco al motor.

Desde cada par de cilindros, los orificios de escape llevan por separado los gases a un colector y a la cámara del turbocompresor. Estos no se mezclan hasta inmediatamente antes de entrar en la turbina. De este modo se previene que los flujos de los gases de escape se puedan ver influidos por los demás al tiempo que se garantiza una rápida subida del par y una excelente respuesta al acelerador.

Este principio asegura una poderosa entrega del par en una etapa temprana cuando aceleramos desde ralentí. Incluso a 1.000 rpm, el 4.0 TFSI entrega un par de 400 Nm (40,8 mkg). La versión superior está preparada para entregar un par máximo de 650 Nm (66,32 mkg) hasta el final entre las 1.750 y las 5.000 rpm; los 550 Nm (56,12 mkg) de la otra versión del motor están disponibles incluso antes, entre las 1.400 y las 5.250 rpm. Los regímenes de giro límites nominales de los motores son de 6.000 y 5.500 rpm respectivamente.

Los turbocompresores y su intercambiador de carga de aire -un intercooler aire-agua- se encuentran situados en la V existente entre las bancadas de los cilindros, en lugar de en su posición más habitual situada en el exterior del bloque motor. Las culatas de los cilindros tienen una nueva e innovadora disposición, con el lado del escape en el interior y el lado de la admisión en el exterior.

Esta disposición es más compacta, mejora el rendimiento termodinámico y mantiene los flujos de gas en recorridos cortos, con el mínimo de pérdidas por fricción, por lo que el 4.0 reacciona espontáneamente a los movimientos del pedal del acelerador. Los componentes calientes, especialmente en los colectores, están ampliamente aislados para garantizar la estabilidad de las condiciones térmicas en la V del motor.

Los sistemas de admisión de aire fresco están montados en el exterior de las bancadas de cilindros. Válvulas conmutables y regulables situadas en los puertos de entrada regulan la entrada de aire que entra a rotar siguiendo un patrón como el de un tambor. Esto confiere de una intensa turbulencia a la mezcla aire-combustible y enfría las cámaras de combustión. Las relaciones de compresión del motor pueden entonces ser superiores, a pesar del empleo de la turbo alimentación, pero sin el riesgo que supone inducir a regular la combustión.

El 4.0 TFSI hace uso de todas las tecnologías procedentes de la plataforma modular eficiente de Audi. Estas van desde el sistema de parada y arranque del motor, al sistema de recuperación de energía y una variedad de medidas destinadas a reducir la fricción. Durante el ensamblaje del V8 en la factoría Audi de Gyor, Hungría, se han empleado avanzadas tecnologías, como las utilizadas para el pulido de las superficies. Los bulones han recibido una fina capa de carbono tipo diamante (DLC) y los muelles de las válvulas tienen un índice de compresión relativamente bajo.

El innovador sistema de gestión térmica utiliza una válvula de tipo bola para desconectar la bomba de agua durante la fase de calentamiento del motor. No hay flujo de refrigerante en todo lo largo del motor, el aceite alcanza así su temperatura de funcionamiento más rápidamente y la fase en la cual se producen las mayores pérdidas por rozamiento es menor.

Los sistemas de transmisión S Tronic de siete velocidades y tiptronic de ocho, disponibles ambos con el motor 4.0 TFSI, también están incluidos en el concepto de gestión térmica. La bomba de aceite incrementa su presión en dos etapas. De chorro de aceite de refrigeración para las cabezas de los pistones, mientras que en las paredes de los cilindros está controlada de acuerdo a unas características preasignadas.

La diferencia en la potencia de salida entre las dos versiones del 4.0 TFSI se debe fundamentalmente a la utilización de un sistema de admisión de una sola vía o de doble vía, a los ajustes de funcionamiento del turbocompresor y a una versión tope adicional del enfriador del aceite. También hay otras diferencias más relativas al cigueñal y sus cojinetes de bancada, a la relación de compresión, la sincronización del funcionamiento de las válvulas y a los inyectores.

14-09-2011