VOLKSWAGEN: 25 AÑOS DE INNOVACIÓN EN TECNOLOGÍA DIESEL

En la primavera de 1976, Volkswagen comenzó la producción en serie de turismos con mecánica diesel. El primer Golf diesel, con 50 CV de potencia, fue la señal de salida para una creciente popularidad de este tipo de motores, inicialmente en el Grupo Volkswagen y, posteriormente, en toda la industria del automóvil.

A lo largo de estos últimos años, los motores diesel se han convertido en puntos de referencia tecnológicos, con un nivel de eficiencia que no admite comparación. La incomparable respuesta a bajo régimen y una motricidad inmediata son razones fundamentales para que los actuales turismos con motor diesel, además de ofrecer un destacado placer de conducción, estén ampliando su cuota de mercado de forma constante.

El continuo desarrollo de las mecánicas diesel ha marcado hitos importantes a lo largo de los últimos años: la inyección directa, la turbocompresión y la recirculación de los gases de escape han sido innovaciones tecnológicas de utilidad para los diesel, pero que también han sido adoptadas por la industria del automóvil para su utilización en los motores de gasolina.

La crisis del petróleo de principios de los setenta y las primeras normas sobre emisiones -que los motores diesel de esa época eran capaces de cumplir con mayor facilidad que los de gasolina- marcaron el comienzo de una carrera tecnológica en que los mayores desafíos han consistido en obtener potencias adecuadas con cilindradas relativamente pequeñas y reducir las emisiones sonoras.

Si bien el primer Golf diesel de 1.5 litros proporcionaba buenas prestaciones desde su puesta en el mercado (0 a 100 km/h en 18 segundos y una velocidad máxima de 140 km/h), era evidente que el siguiente escalón de desarrollo iba a requerir una potencia mayor. Esto aceleró la transición hacia la aspiración forzada por medio de un turbocompresor a principios de la década de los ochenta; en 1982, se presentó el «turbodiesel» (TD), que desarrollaba 70 CV a partir de una cilindrada de 1.6 litros.

El paso decisivo, sin embargo, se produjo a comienzos de los noventa, con la introducción de la inyección directa a través de la marca Audi. El primer motor de cuatro cilindros con sistema de inyección directa y denominación TDI (siglas de turbodiesel de inyección directa) se comercializó en 1991. Una vez más, el mayor desafío lo constituyó la eliminación de las emisiones acústicas, si bien pronto quedó claro que la inyección directa era el único sistema practicable para acceder a todas las reservas de potencia dentro de la combustión diesel. Con relación a motores de inyección indirecta, el TDI ofrecía una economía de consumo del 15%, y tras el rápido control de las emisiones acústicas, esta tecnología comenzó a marcar la senda del futuro.

Un desarrollo posterior llevó a la incorporación del turbo de geometría variable, que proporcionó aún mayor flexibilidad al TDI de cuatro cilindros, con un incremento de potencia desde 90 a 110 CV. Este desarrollo se reflejó en el logotipo TDI, ahora con la «i» en color rojo.

Volkswagen volvió a marcar el camino en el progreso de los motores diesel con la introducción de la inyección de alta presión. La calidad de la combustión depende directamente de la presión absoluta con que el combustible se inyecta en los cilindros. VW decidió adoptar el sistema de bomba-inyector que, desde un principio, fue capaz de garantizar las altas presiones de inyección necesarias y, por añadidura, un proceso de combustión suave para un motor diesel de altas prestaciones. El logotipo TDI con las letras «d» e «i» en rojo diferencian a los motores de sistema bomba-inyector.

Como signo inequívoco de innovación tecnológica, también se producen algunos modelos que incorporan todas las letras del logotipo TDI en rojo. El motor de cuatro cilindros de 1.9 litros dispone, desde principios de 2001, de una potencia de 150 CV. La generación actual de motores de cuatro cilindros y dos válvulas por cilindro se produce actualmente con tres potencias; 100, 130 y 150 CV, una clara evidencia del potencial del que disponen los motores Volkswagen TDI que utilizan el sistema bomba-inyector.

Este motor de diez cilindros en «V» turbodiesel de inyección directa con dos turbos gemelos desarrolla 313 CV de potencia y 750 Nm de par máximo, y utiliza el sistema de alimentación de combustible de bomba-inyector. Su cuidadoso diseño le permite combinar unas importantes cifras de potencia y par con un peso realmente reducido. El próximo año, esta mecánica se montará en la nueva berlina del segmento de lujo de Volkswagen y en el SUV, proporcionando a ambos nuevos modelos destacadas prestaciones.

El alto nivel de potencia y motricidad que desarrolla el nuevo motor provoca unas cargas muy severas a todo el tren de transmisión. Por ello Volkswagen ha desarrollado un sistema de tracción integral (basado en los que utilizan las distintas marcas del Grupo) con capacidad para transferir con total fiabilidad la potencia y par desde el motor a las ruedas.

El diseño de un motor Volkswagen TDI con configuración de 10 cilindros en «V» no es una elección casual. Esta configuración mecánica es común a los más avanzados motores de Fórmula 1, y el equipo de ingenieros de desarrollo de Volkswagen ha elegido el mismo camino que sus colegas deportivos en la búsqueda de nuevos progresos. Cierto es que podrían haber utilizado la excelencia adquirida tras el diseño de los actuales motores TDI de 3, 4 y 5 cilindros, pero el volumen y potencia del nuevo motor aconsejaron un diseño no convencional y la utilización de sistemas de producción nuevos.

Construcción compacta y ligera

Si bien el fiable motor 1.9 litros de cuatro cilindros utiliza un cigüeñal y bloque motor de fundición de alta calidad, para el V10 se optó por un concepto similar al aplicado en la mecánica de tres cilindros y 1.2 litros que monta el Lupo «3L».

La ligereza del V10 se obtuvo sin que ello provocara perjuicio alguno en las emisiones sonoras. El nuevo motor dispone de un bloque de aluminio particularmente rígido, con una innovadora bancada de fundición capaz de soportar las duras fuerzas de combustión.

El cambio a un bloque de cilindros de aluminio también facilita la utilización de otra tecnología avanzada; las paredes de los cilindros son de plasma. Este proceso de revestimiento desarrollado por Volkswagen se utiliza por primera vez en un motor diesel de producción en serie; es una capa de un espesor de unas décimas de milímetro, que proporciona una resistencia permanente a la deformación y al desgaste.

La configuración de los cilindros en «V», en dos filas de cinco, ofrece como ventaja que la mayoría de los elementos auxiliares, como la bomba de agua y el alternador enfriado por agua, pueden situarse en el hueco de la «V» con una transmisión por eje, lo que elimina el desarrollo de fuerzas laterales. Para poder acomodar también los colectores de admisión dentro del hueco de la «V», las culatas utilizan la disposición «crossflow», con colectores de admisión y escape opuestos -de la misma forma que en los motores de cuatro cilindros en línea, de dos válvulas por cilindro y sistema de inyección por bomba-inyector. Ambos colectores de escape se sitúan en las caras externas de las dos bancadas de cilindros del V10.

Anulación de las vibraciones

Los criterios iniciales en el desarrollo del motor V10 no sólo contemplaron una excelente potencia y cifra de par, sino también una ausencia total de vibraciones. La elección de una «V» con ángulo de 90 grados entre bancadas facilita que los momentos de inercia primarios puedan ser equilibrados casi en su totalidad. Aún más, los movimientos de rotación del cigüeñal han sido descentrados de tal forma que los momentos de inercia secundarios resultan prácticamente imperceptibles.

La supresión de la vibración torsional se consigue, además a través de un volante motor de doble masa y un eje de equilibrado de rotación inversa, que gira a la misma velocidad que el cigüeñal. Adicionalmente, las vibraciones resultantes de las cargas altas quedan atenuadas por la separación uniforme del encendido, de 72 grados entre combustión y combustión; algo que se consigue descentrando las muñequillas del cigüeñal en 18 grados. A través de estos sistemas, la oscilación del motor provocada por las masas móviles se limita a sólo unas pocas milésimas de milímetro, y el V10 sale muy bien parado ante cualquier comparación que se realice con una mecánica de doce cilindros en «V».

El sistema utilizado para conducir los árboles de levas también contribuye a mantener contenido el volumen del motor. En vez de una cadena de distribución o una correa dentada, se ha previsto un tren de piñones helicoidales en el extremo del impulsor donde se encuentra el volante motor. Este sistema tiene, además, capacidad para transmitir los «picos» de las cargas altas que se producen en los cojinetes del cigüeñal, dado que las unidades bomba-inyector también tienen que ser activadas.

El alojamiento en el que rueda el tren de piñones es una pieza de alta resistencia fundida en un molde atornillada directamente a la bancada, lo que constituye un excelente sistema para atenuar las transmisiones sonoras al bloque motor. Una junta-placa compensa la diferencia de dilatación térmica que se produce con el bloque motor de aluminio.

Dado que el nuevo motor no sólo está destinado a su utilización en la berlina de lujo, sino también como una mecánica potente y económica para el vehículo SUV actualmente en desarrollo, que requiere una notable funcionalidad y fiabilidad para la conducción «off-road», su sistema de lubricación tiene que ser capaz de superar las más difíciles situaciones operativas. La bomba de caudal de lubricante es doble, y hay dos bombas de barrido de gases; la fiabilidad ha sido comprobada en numerosas pruebas realizadas en operación a ángulos extremos. El motor incorpora un sensor de aviso al conductor para cuando el nivel de aceite se encuentra muy bajo, y el intervalo entre cambios de lubricante se sitúa en 50.000 kilómetros.

Máxima eficacia en la combustión

El nuevo motor V10 TDI basa su eficaz formación de la mezcla, combustión y nivel de potencia en aportes tecnológicos como la inyección de combustible, la aspiración forzada, la recirculación de los gases de escape y la avanzada gestión electrónica. Esto incluye la utilización del sistema bomba-inyector de última generación para la inyección de combustible, con inyectores de cinco toberas que distribuyen el combustible a las cámaras de combustión a presiones de hasta 2050 bar.

Los turbocompresores gemelos suministran el aire de combustión, uno a cada bancada de cilindros. Los álabes variables de las turbinas de geometría variable son eléctricos, para conferir el más exacto control del movimiento de los mismos. Adicionalmente al intercambiador de calor por carga de aire, hay enfriadores adicionales integrados en los circuitos de recirculación para incrementar la eficacia. La configuración general del motor podría definirse como la unión mecánica de dos unidades de cinco cilindros, aunque con sistemas de admisión y escape individuales; estas dos unidades están controladas conjuntamente por sistemas electrónicos de gestión Bosch de última generación, interconectados.

Las emisiones del nuevo motor Volkswagen V10 TDI se encuentran por debajo de los límites vigentes y, si surgen límites aún más exigentes, puede equiparse con sistemas de tratamiento de gases de escape como el filtro CRT de regeneración continua desarrollado por Volkswagen.

Estrategia de sistemas de transmisión

El desarrollo de motores con niveles de fuerza de tracción y par muy elevados -que se deben, en las mecánicas diesel, a la tecnología bomba-inyector- representa un importante desafío para la ingeniería de transmisiones. Volkswagen ha comenzado a reorientar y agilizar su programa de transmisiones para alcanzar el mayor progreso en los diseños, aunque tomando siempre en cuenta objetivos básicos como la reducción de costes que supone una economía de escala.

Los elementos que actualmente se utilizan como pilares fundamentales son consecuencia del principio de diseño modular, en la que se encuadra la conocida «plataforma común» y que permite que conjuntos idénticos puedan ser utilizados en una variada gama de modelos dentro del Grupo Volkswagen.

Los objetivos son los siguientes:

o Todas las cajas de cambio manuales serán de seis marchas.

o Desarrollo de cajas de cambio automáticas de seis marchas.

o Sistemas de tracción integral disponibles para motores de montaje transversal o longitudinal y con cajas de cambio manuales o automáticas.

Nuevas cajas de cambio manual de seis marchas

Las nuevas cajas de cambio denominadas MQ (sigla en la que M significa manual y Q montaje transversal de la mecánica) disponen de:

o Una acción de cambio precisa, que incluye un mínimo nivel de movimiento de la palanca y puntos precisos de engranaje, idénticos para todas las cajas de cambio manual de VW.

o Relaciones cuidadosamente definidas para las características del motor en el que se utilizan.

o Una fabricación con estándares de precisión excepcionales, para que ofrezcan un funcionamiento absolutamente silencioso y una vida útil prolongada.

Las nuevas cajas de cambio con mecanismo por cable disponen de seis o, si es suficiente, de cinco relaciones, y cumplen los siguientes criterios:

o Mínimas pérdidas por fricción para suministrar la máxima eficacia.

o Diseño compacto, a través de la utilización de materiales de alta resistencia y de dimensiones mínimas.

o Peso reducido, a través de la utilización, por ejemplo, de carcasas de magnesio.

Las cajas de cambio MQ 200, 250, 350 y 500 (las cifras indican el par máximo en Nm que la caja tiene la capacidad de trasmitir) ya se utilizan o serán utilizados en un corto plazo en los nuevos modelos Volkswagen. Se ha puesto especial énfasis en asegurar que las cajas de cambio no solo son adecuadas para su uso con diferentes motores sino también en modelos de diversos segmentos.

La tendencia de Volkswagen hacia la utilización de seis marchas hacia delante en los nuevos modelos asegura que las relaciones de cambio puedan ser adecuadas con mucha mayor precisión en función de las características de las diversas mecánicas; esto representa unas respuestas más vigorosas al acelerador y, al mismo tiempo, una reducción en el consumo.

Tal como en el caso del cambio manual, una nueva gama de cajas automáticas con convertidores de par hidráulicos reemplazará de forma inminente a las actuales. Si se marca como ejemplo el motor V10 TDI, con su cifra de par máximo de 750 Nm y una potencia de 313 CV, quedan a la vista los importantes caudales de potencia y par que tendrán que soportar las transmisiones automáticas en el futuro. También, las seis marchas hacia adelante se utilizarán en las transmisiones por las mismas razones que en el cambio manual.

Actualmente Volkswagen está desarrollando tres cajas de cambio automáticas para gamas de par desde los 250 a los 800 Nm, algunas de las cuales serán utilizables con motores de instalación longitudinal o transversal. A través de los continuos progresos que se producen en el desarrollo de software, se podrán utilizar programas de ahorro de combustible sin pérdida alguna de refinamiento en la conducción a través, por ejemplo, de la instalación de un convertidor de par «blindado», para eliminar las actuales pérdidas hidráulicas de transmisión que se producen entre las dos partes del convertidor.

Tecnología de transmisión inteligente

Los adelantos que ofrece la última generación de mecánicas, que desarrollan potencias y cifras de par superiores a las habituales es, desde todo punto de vista, la confirmación de la validez de la política de Volkswagen de adoptar la tracción integral como única forma práctica de transmitir estos incrementos notables en la fuerza de tracción de forma fiable a la carretera. La investigación y desarrollo realizados están dando ya sus frutos, y los sistemas de tracción integral del Grupo Volkswagen -sea por medio del embrague Haldex para los motores montados de forma transversal o a través de sistema de tracción integral con diferencial central Torsen para los motores de instalación longitudinal- son capaces de satisfacer, en la práctica, todas las demandas mecánicas.

El desarrollo del nuevo SUV, que utilizará un motor de montaje longitudinal con transmisión automática, ha requerido el diseño de un sistema de tracción integral capaz de soportar las cargas más severas tanto en la conducción en la carretera como fuera de ella. Para ello se optó por una configuración clásica, con una caja de transferencia mediante engranajes planetarios que, acoplada a la transmisión automática, actúa como una marcha más baja adicional y permite, por lo tanto, circular a velocidad muy lenta en terrenos muy difíciles.

Hasta el 50% del par que se aplica normalmente a las ruedas traseras puede ser dirigido sin problemas a las ruedas delanteras por medio de una cadena dentada y un eje de transmisión externo. Un bloqueo de control electrónico en el diferencial central asegura la mejor distribución de par entre ambos ejes, mientras que los bloqueos de mando eléctricos controlados por el conductor en el eje delantero y trasero controlados garantizan el progreso aún en los terrenos más difíciles.

En la conducción sobre pavimento, todos los bloqueos se liberan, de forma tal que la transmisión alcance las ruedas posteriores sin tensiones almacenadas. Este sistema de tracción integral estará también disponible para vehículos comerciales ligeros, y se utilizará asimismo en otros modelos.

Estrategia de control de emisiones

A lo largo de los veinticinco años que pasaron desde que Volkswagen comercializó su primer motor diesel en vehículos de turismo, los ingenieros de I+D han realizado constantes esfuerzos para proteger al máximo el medio ambiente. La reducción del volumen de emisiones de gases de escape contaminantes es siempre una prioridad durante el desarrollo de cada nuevo motor u optimización de los existentes. En la actualidad, el trabajo de I+D se centra en llevar las emisiones a un nivel claramente por debajo de las regulaciones «Euro 4», que entrarán en vigor a partir de 2005.

Los ingenieros mecánicos de Volkswagen confían en los desarrollos en los que están trabajando actualmente para continuar reduciendo los niveles de contaminación:

Nuevas mejoras en el proceso interno de combustión.

Catalizadores aún más eficientes

Utilización de un filtro de partículas adicional.

Tratamiento adicional del escape para reducir el óxido de nitrógeno (NOX).

Optimización de la inyección y técnicas de combustión

El motor Volkswagen más ecológico, el del Lupo TDI «3L» es, desde 1999, el único que supera la norma D4 sobre emisiones, aunque en un periodo muy corto, otro turismo VW también logrará este objetivo: el Golf 1.9 TDI de 100 CV con tracción delantera cumplirá este estándar de control de emisiones, a partir del próximo mes de junio.

Mantendrá sus prestaciones intactas, con una potencia de 100 CV disponible a 4.800 rpm y un par máximo de 240 Nm a 1.800 rpm. El sistema de inyección de combustible y otros procesos de operación interiores han experimentado nuevos desarrollos.

El paso inicial para conseguirlo es un nuevo diseño de las toberas de los inyectores -con una mecanización aún más precisa de los orificios, que provoca una mejor pulverización del combustible- y una combustión más eficaz, a la que contribuye la utilización de cabezas de pistón planas, para lo cual también se modificaron las válvulas. El nuevo sistema elimina las habituales concavidades para las cabezas de las válvulas que, hasta cierto punto, interferían con la propagación de la llama durante el proceso de combustión.

También se ha incorporado un innovador concepto de recirculación de los gases de escape que contribuye a reducir las emisiones de NOX. Los gases que retornan a las cámaras de combustión son enfriados en función de la temperatura y punto de operación del motor.

Este sistema de enfriamiento adicional permite que los gases de escape que vuelven a las cámaras de combustión lo hagan a la temperatura óptima para mantener contenidas las emisiones de NOX, sin que se produzcan mayores emisiones de monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC) y partículas.

Un catalizador de oxidación de paredes especialmente delgadas facilita que la conversión de gases se inicie con más rapidez tras la puesta en marcha del motor en frío. El aislamiento con una capa intermedia de aire del tubo de escape que llega al catalizador también contribuye a minimizar la pérdida de temperatura.

Ambos factores reducen los componentes que tiene que convertir el catalizador durante la fase de calentamiento del motor. A través de ello, el motor TDI de 100 CV tiene capacidad para cumplir con la futura norma Euro 4, aún con tecnología de dos válvulas por cilindro. Se conseguirán, incluso, mayores progresos con la comercialización de la segunda generación de bomba-inyector, con mayor grado de presión.

Es cada vez más evidente que el ritmo de desarrollo sobre todos los procesos de control de emisión de gases permitirá superar la norma Euro 4 con fiabilidad en el caso de los vehículos con motores de determinada potencia.

Sin embargo, los coches más grandes y pesados, como la berlina de lujo o el futuro SUV con motor V10 TDI, funcionan frecuentemente en puntos operativos en los que existe el riesgo de sobrepasar los límites de la futura norma. Por esa razón, resulta esencial un tratamiento adicional de los gases de escape. El objetivo es reducir el nivel de los óxidos de nitrógeno gaseosos (NOX) y partículas sólidas. Para ello, los ingenieros de desarrollo de Volkswagen han desarrollado un sistema activo de tratamiento de los gases de escape.

Sistema activo CRT de Volkswagen

A diferencia del tradicional sistema de regeneración discontinuo por filtro de partículas, el nuevo sistema CRT (almacenamiento de regeneración continua) opera con una carga de filtro que no supera el 20 o 30% de su capacidad, con lo que evita presiones de retroceso extremados en el sistema de escape, que suelen provocar un consumo muy alto.

La regeneración del sistema continuo utiliza dióxido de nitrógeno (NO2) producido en el catalizador de oxidación situado cerca del motor en vez de oxígeno (O2), como sucede con el sistema actual. Para que el CRT opere de forma continua, es necesaria una temperatura de trabajo de más de 300 grados, que se alcanza con un nivel suave de la pos-inyección.

En la gama de cargas bajas, a velocidades de hasta 100 km/h, el sistema acumula partículas de hollín filtradas hasta que se alcanza el límite del 30% de capacidad del filtro. En este punto comienza la función activa del CRT. El catalizador de oxidación elimina el monóxido de carbono (CO) y los hidrocarburos (HC) del escape y proporciona el dióxido de nitrógeno (NO2) necesario para la oxidación (combustión) de las partículas de hollín en dióxido de carbono (CO2 ) en el segundo catalizador.

Si la carga en el filtro cae por debajo del 20% de la capacidad del mismo, la función CRT activa se detiene. Los valores de control son la temperatura y diferencias de presión en la zona anterior y posterior del filtro; estas pueden ser determinadas con gran exactitud y fiabilidad, para garantizar la operación eficiente del CRT.

El gasóleo que se comercializa actualmente contiene una alta proporción de azufre, que va contaminando los catalizadores de forma gradual. Esta situación afectaría de forma adversa a la función CRT -con una rápida elevación en la contaminación del filtro por partículas de hollín- a menos que se provoque una acción externa para corregirlo. Para mantener la fiabilidad en estas condiciones, se ha incorporado un «freno de emergencia» en el sistema CRT.

Este «freno» provoca una pos-inyección de combustible para elevar la temperatura del gas de escape a más de 500 grados; a esta temperatura, las partículas de hollín en el filtro arden con la presencia del oxígeno atmosférico (O2). Al mismo tiempo, esta «inyección de fuego» limpia los catalizadores removiendo los depósitos de sulfuros.

Como consecuencia de la próxima introducción de gasolina Super-Plus libre de azufre al mercado, los cambios controlados en la composición de los combustibles se irán estableciendo en un tiempo relativamente corto. Es muy probable, por lo tanto, que un plazo medio también se comercialice combustible diesel sin presencia de azufre, lo que hará innecesaria la utilización de esta función adicional en el sistema activo CRT, con el severo incremento en la temperatura que implica.

Catalizador de almacenamiento para óxidos de nitrógeno (NOX)

Para poder alcanzar una composición de gases de escape adecuada para cumplir con las regulaciones Euro 4 en todas las fases de marcha de un motor de gran potencia, ni siquiera la eliminación casi total de las partículas de hollín es suficiente. Los óxidos de nitrógeno (NOX) gaseosos remanentes también deben ser minimizados. La forma más adecuada para lograrlo es el catalizador de almacenamiento para óxidos de nitrógeno, un elemento que ya es conocido por su uso en los motores de inyección directa de gasolina. El recubrimiento catalítico absorbe los óxidos de nitrógeno en el escape como si fuera una esponja.

Sin embargo, su capacidad de absorción limitada implica que debe ser limpiado a intervalos a través del enriquecimiento de la mezcla. Para hacerlo, el aire de admisión de un motor diesel, que normalmente opera con más aire que combustible (es decir, con una mezcla muy suave), es temporalmente acelerado y el motor opera por medio de la pos-inyección. Este procedimiento se mantiene por cinco o diez kilómetros, si bien generalmente no es perceptible para el conductor. El proceso asegura que el catalizador de almacenamiento pueda eliminar el 60 o 70% de los óxidos de nitrógeno del escape en condiciones normales de funcionamiento.