Audi: il futuro dei motori a combustione – La Casa di Ingolstadt, pur portando avanti lo sviluppo di alimentazioni alternative (ibrido, elettrico e idrogeno), punterà ancora sulle nuove e più efficienti motorizzazioni a combustione interna.

La scandalo del Dieselgate e le sempre più severe normative anti-inquinamento hanno sicuramente modificato i piani di sviluppo della mobilità. Un po’ tutte le Case costruttrici si sono, infatti, trovate a fare i conti con controlli sempre più severi, con normative più stringenti e con nuovi cicli di omologazione molto più simili alla realtà. Insomma, realizzare nuovi e più efficienti motori a combustione avrebbe comportato d’ora in avanti un cospicuo incremento nei costi di ricerca e progettazione di sistemi di post-trattamento, sistemi capaci di rendere tali motori più puliti.

Offensiva su più fronti

La Casa dei Quattro Anelli, come già altre Case di cui vi abbiamo parlato recentemente, continuerà a investire e sviluppare propulsori alimentati sia benzina che a gasolio per ancora molti anni, cercando naturalmente di renderli quanto mai puliti ed ecologici. Nello specifico, darà seguito alla sua gloriosa storia che dal 1988 propone motori a V alimentati sia a benzina che a diesel. Tutti caratterizzati da un angolo tra le due bancate di 90°, dal posizionamento della sovralimentazione all’interno della V calda e dall’adozione di iniettori centrali alla camera di combustione, tali nuovi propulsori vedranno anche l’affiancamento dell’elettrificazione grazie allo sviluppo dei modelli mild-hybrid a 48 volt e full-hybrid plug-in e dei nuovi compressori elettrici e degli innovativi generatori/alternatori azionati a cinghia, entrambi a 48 Volt. Ma entriamo più nel dettaglio per capire quali saranno le novità nel breve e lungo periodo.

4.0L V8 TFSI

Il nuovo propulsore 4.0 V8 TFSI, nome in codice EA825, si basa sulla precedente unità sempre 4.0 V8 benzina denominata EA824. Il nuovo motore, che adotta un angolo della V di 90°, alloggia i due turbocompressori twin scroll all’interno delle bancate in modo da ottenere una risposta più rapida da parte delle due unità di sovralimentazione. Grazie alla tipologia twin scroll si è riusciti a fare in modo che i circuiti dei gas di scarico di entrambe le bancate attraversino separatamente il collettore e l’alloggiamento del turbo e si incontrino immediatamente a monte della girante della turbina.

La netta separazione dei flussi e la completa assenza di interferenza tra i cilindri ha così garantito una risposta immediata e lo sviluppo di una coppia tempestiva e corposa. Inoltre, grazie al sistema Audi Valve Lift (AVS) nei regimi transitori quattro degli otto cilindri vengono disattivati tramite l’intervento degli alberi a camme in modo da ottenere un propulsore nettamente più efficiente e dai minori consumi. Infine, gli iniettori posizionati centralmente alla camera, la pressione d’iniezione di 250 bar e il sistema mild hybrid a 48 Volt rendono questa unità ancora più performante ed efficiente.

3.0L V6 TFSI

La nuova unità 3.0 V6 TFSI con V di 90° adotta lo stesso alesaggio (84,5 mm) e la stessa corsa (89,0 mm) del suo predecessore ma la distanza tra i cilindri è stata aumentata di 3 mm fino agli attuali 93 mm. Realizzato tramite colata in sabbia, il nuovo sei cilindri adotta una testata in alluminio, un basamento in lega di alluminio-silicio e canne cilindri integrate in acciaio dello spessore di 1,5 mm. Seppur dotato di una sola unità anche in questo caso il turbocompressore (BorgWarner) twin scroll con sovrappressione massima di 1,5 bar è stato inserito all’interno delle bancate, la pressione d’iniezione raggiunge i 250 bar come sul V8 così da realizzare una nebulizzazione omogenea e un allargamento omogeneo del fronte di fiamma e gli iniettori sono posizionati anche in questo caso al centro della camera di combustione.

Inoltre, tale motore utilizza un rapporto di compressione alto, a tutto vantaggio della qualità della combustione, del rendimento termodinamico e quindi dell’efficienza; il processo di combustione a ciclo B, evoluzione del ciclo Miller, di cui parleremo a breve e il sistema Audi Valve Lift (AVS) a due stadi con il quale i quattro alberi a camme possono essere regolati di 50 gradi di angolo di manovella. In questo modo, ai carichi parziali l’AVS chiude le valvole di aspirazione in ritardo, passando da 130 a 180 gradi di angolo di manovella, ma incrementa la corsa delle valvole di aspirazione da 6,0 a 10,0 mm a tutto vantaggio del riempimento del cilindro.

L’efficienza generale del motore è stata poi ulteriormente incrementata tramite l’adozione di un innovativo sistema di gestione termica. Il basamento e la testata hanno circuiti di raffreddamento separati e il collettore di scarico è integrato nella testata e viene lambito dal liquido di raffreddamento al fine di agevolare un rapido riscaldamento del motore o, quando il motore è caldo, abbassare la temperatura dei gas di scarico. Forte di un peso di appena 172 kg, il nuovo motore è in grado di erogare una potenza massima di 354 CV e una coppia massima di 500 Nm da 1.370 giri/min.

Ciclo B di combustione

Sempre grazie all’AVS tale unità sovralimentata si avvale del ciclo B di combustione. Durante questo ciclo, nella fase di aspirazione le valvole di aspirazione chiudono ben prima che il pistone raggiunga il proprio punto morto inferiore. A causa di questa durata d’apertura particolarmente breve, la quantità d’aria fresca aspirata risulta relativamente ridotta. In tal modo viene ottenuto artificiosamente un volume di cilindrata inferiore. Quando, dopo il punto morto inferiore, il pistone torna a salire, la fase di compressione inizia in ritardo rispetto a un motore convenzionale e genera un elevato rapporto di compressione geometrico (11,2:1). Tale ciclo di combustione quindi genera una fase di compressione minore rispetto a quella di espansione così da migliorare l’efficienza stessa del motore. Il rapporto di espansione, che è rimasto invariato, risulta ora maggiore del rapporto di compressione, modificato tramite la fasatura variabile in aspirazione, generando un maggiore rendimento e di conseguenza una migliore efficienza del motore.

2.9L V6 TFSI

Anche il nuovo 2.9 V6 TFSI (propulsore adottato dalla nuova Audi RS5), derivando direttamente dal fratello 3.0 V6 TFSI, integra al suo interno tutte le novità tecnologiche appena descritte per il 3.0 benzina. Troviamo quindi basamento in alluminio con canne dei cilindri in acciaio, iniettori installati centralmente, ciclo B di combustione, pressione di iniezione di 250 bar, sistema di gestione termica con collettori di scarico integrati nelle testate e sovralimentazione inserita nella parte calda cioè all’interno della V di 90°. In questo caso però la sovralimentazione è garantita non da uno ma bensì da due turbocompressori (BorgWarner) con tecnologia twin scroll, ognuno declinato alla gestione di una sola bancata e in grado di generare fino a 1,5 bar di pressione ciascuno.

Un’altra sostanziale differenza è la minore cilindrata, 2,9 litri invece di3,0 litri, ottenuta tramite un accorciamento della corsa di 3 mm, da 89 a 86 mm, così da sopperire alle maggiori forze interne e i cuscinetti principali dell’albero a gomiti con diametro maggiorato di 2 mm per aumentare ulteriormente le sollecitazioni ammissibili. Forte di tutte queste novità tecniche il nuovo sei cilindri biturbo eroga una potenza di 450 CV e una coppia di 600 Nm da 1.900 a 5.000 giri/min.

4.0L V8 TDI

Caratterizzato da una potenza massima di 435 CV e una coppia massima pari a 900 Nm tra i 1.000 e i 3.250 giri, il nuovo 4.0 V8 TDI è il motore diesel più potente che la Casa dei Quattro Anelli può vantare. L’angolo compreso tra le due bancate è il classico di 90° mentre il rapporto corsa/alesaggio è il medesimo della variante V6 (83,0 x 91,4). La sovralimentazione è garantita da una soluzione biturbo multistadio nella quale due turbocompressori a geometria variabile, posizionati all’interno della V calda, alimentano ciascuno le due bancate con una pressione massima di 2,4 bar relativi.

Il sistema multistadio viene gestito grazie al sistema Audi Valve Lift che, tramite degli attuatori elettromagnetici, sposta gli alberi a camme in modo da attivare o disattivare una delle due valvole di scarico di ogni cilindro. In questo modo i gas di scarico, che fluiscono attraverso canali separati all’interno di un collettore a due vie, vengono regolati in base al carico e al regime motore. Con carico e regime bassi e medi, l’Audi valvelift system tiene chiusa una delle valvole di scarico in modo che l’intero flusso dei gas di scarico giunga al compressore attivo. Se il regime aumenta arrivando a un valore compreso tra 2.200 e 2.700 giri, l’Audi valvelift system apre la seconda valvola attivando così il secondo compressore. In questo modo ciascuna valvola alimenta uno solo dei due turbocompressori.

Il sistema AVS viene utilizzato anche sul lato aspirazione dove, sempre in base al carico e regime motore, ottimizza il riempimento della camera stabilizzando la combustione. La pressione d’iniezione di 2.500 bar e la pressione di accensione di 200 bar contribuiscono, invece, alla polverizzazione ottimale del carburante e all’abbassamento delle emissioni ai regimi transitori. Emissioni ulteriormente abbattute tramite la cooperazione di un catalizzatore ad accumulo di NOx in prossimità del motore con un catalizzatore SCR integrato nel filtro antiparticolato.

3.0L V6 TDI

Progettato con un basamento (ZKG) in ghisa a grafite vermicolare, un materiale ad alta resistenza, il propulsore 3.0 V6 TDI eroga una potenza di 286 CV e una coppia pari a 620 Nm, disponibile tra 1.500 e 3.000 giri al minuto. Prestazioni rese possibili grazie anche a ulteriori accorgimenti come il minore attrito sulle fasce e sui perni dei pistoni (le piste sono state trattate con uno speciale rivestimento) e alla pompa dell’olio a regolazione variabile. Basato anch’esso su un’architettura a V di 90°, sfrutta iniettori piezoelettrici a otto fori in grado di effettuare fino a nove iniezioni per ciclo di combustione a una pressione massima di 2.000 bar.

Per ottimizzare il passaggio dell’aria e il sistema di aspirazione, i canali di aspirazione (uno tarato per il movimento cinetico, l’altro per la carica) e quelli di scarico sono stati modificati rispetto al motore precedente così da garantire una più bassa resistenza aerodinamica. La pressione d’accensione spinta fino a 200 bar e l’albero di equilibratura installato all’interno del basamento nella parte bassa permettono di azzerare le vibrazioni, incrementare il comfort di guida e migliorare l’acustica generale del propulsore in erogazione. La sovralimentazione è basata su un singolo turbocompressore a geometria variabile, dislocato all’interno della V calda, capace di generare una pressione massima di 2,3 bar relativi e il sistema di gestione termica separa il circuito del basamento da quello delle testate e li alimenta in maniera mirata con il liquido di raffreddamento.

Il sistema EGR di bassa pressione non solo abbatte le emissioni di NOx ma, prelevando il gas di scarico a valle del filtro antiparticolato, facendolo passare in uno scambiatore e immettendolo direttamente in turbina, permette di far funzionare il compressore con l’intero flusso del gas di scarico, sopratutto a carichi medi ed elevati, garantendo il massimo del rendimento. Per quanto concerne i sistemi di post trattamento il nuovo sei cilindri diesel si avvale di un grande catalizzatore ad accumulo e ossidazione di NOx e di un filtro antiparticolato per Diesel con rivestimento SCR, entrambi posizionati molto vicino al motore. Se il catalizzatore NOx agisce alle basse temperature e ai bassi carichi tramite l’arricchimento misto nel motore, il filtro antiparticolato si occupa della conversione di NOx nei viaggi più lunghi e in autostrada.

Ibridazione parziale o mild-hybrid

Per poter rispettare il nuovo ciclo di omologazione WLTP (Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure), il nuovo metodo di misurazione in strada RDE (Real Driving Emissions) e la nuova normativa anti-inquinamento Euro 6C, che entreranno in vigore a partire dal 1 settembre 2017, tutti questi innovativi motori verranno pian piano ibridizzati parzialmente tramite un sistema MHEV (Mild Hybrid Electric Vehicle) declinato addirittura in due diverse varianti: sui motori 4 cilindri sarà basato sulla rete di bordo a 12 Volt mentre sui motori a sei e otto cilindri e i gruppi W12 sarà basato sulla nuova rete a 48 Volt, che di norma viene concepita come rete di bordo principale.

Nello specifico il sistema a 48 Volt si avvale di un alternatore-starter a cinghia (RSG) raffreddato ad acqua sul lato frontale del motore e collegato all’albero motore tramite una robusta cinghia trapezoidale a nervature in grado di gestire i 12 kW di energia di recupero e i 60 Nm di coppia che l’alternatore-starter è in grado di generare o recuperare. A questo dispositivo si affianca una batteria agli ioni di litio con capacità di carica 10 Ah e tensione 48 Volt, un convertitore DC/DC per accoppiarsi alla rete classica a 12 Volt e un raffreddamento ad aria regolato che provvede alla sua gestione termica.

Le auto che lo adotteranno non solo potranno veleggiare e avanzare per inerzia a motore spento per una durata massima di 45 secondi e in un range di velocità tra 30 e 160 km/h, ma potranno sfruttare il sistema a 48 Volt e l’alternatore-starter a cinghia (RSG) per riavviare in modo rapido e confortevole il motore una volta spento, per recuperare energia rigenerando in decelerazione o in frenata e per azionare i gruppi ausiliari, come pompe e compressori e cinghie accessori, convertiti al funzionamento elettrico a 48 Volt e gestiti in maniera ancora più precisa in funzione del fabbisogno. Rimarrà comunque presente il motorino d’avviamento a pignone convenzionale che verrà praticamente impiegato solo al primo avviamento, quando l’olio motore è ancora freddo e denso. In tale situazione, infatti, la cinghia dell’RSG potrebbe slittare. Inoltre le piccole utenze, come le centraline di comando o i gruppi ottici resteranno su una rete a 12 volt.

Compressore elettrico

Infine, sul motore 4.0 V8 TDI (sul quale è già stato adottato) e sul motore 3.0 V6 TDI (sul quale verrà implementato), Audi ha deciso di optare per l’adozione di un compressore ad azionamento elettrico (EAV) che, posizionato in un by-pass a monte dell’intercooler, ricava la propria potenza, pari a 7 kW, dalla rete di bordo ausiliaria a 48 Volt. Questo compressore elettrico, in grado di raggiungere il regime di 70.000 rpm in meno di 250 millisecondi, supporta il singolo turbocompressore (3.0 V6 TDI) o i due turbocompressori (4.0 V8 TDI) in fase di partenza e accelerazione in caso di regimi bassi, assicurando al guidatore un maggiore piacere di guida.