4.0T Highend-Technologien für Effizienz und Komfort

Audi steigert die Effizienz seiner Motoren weiter. Der neue 4.0 TFSI, ein starker Biturbo-V8, bringt die Technologie cylinder on demand mit. Im Teillastbereich deaktiviert er vier Zylinder, das verringert den Verbrauch im Mittel um etwa fünf Prozent. Zwei weitere Technologien ergänzen das System – die Active noise control (ANC) und die aktiven Motorlager. Sie sorgen dafür, dass die Passagiere auch im Vierzylinderbetrieb keine störenden Geräusche oder Vibrationen hören und spüren.

Ein neuer Effizienz-Sprung von Audi – das System cylinder on demand
Audi senkt den Verbrauch seiner Motoren weiter. Der 4.0 TFSI, der Anfang 2012 im Audi S6, S6 Avant, S7 Sportback und S8 debütiert, hat die neue Technologie cylinder on demand an Bord. Bentley war in den Entwicklungsprozess dieses Motors involviert und wird diesen in naher Zukunft im Continental GT einsetzen.

Im Teillastbereich schaltet der Biturbo-V8 vier Zylinder ab, dadurch sinkt sein Konsum im NEFZ-Zyklus um rund fünf Prozent, etwa 10 bis 12 Gramm CO2 pro km. Nimmt man das bei den S-Modellen von Audi eingesetzte Start-Stopp-System hinzu, das den Motor im Stillstand deaktiviert, beträgt die Einsparung bis zu 24 Gramm CO2 pro km.

Für die Passagiere bringt die neue Technologie keine Komfort-Nachteile mit sich. Wenn der 4.0 TFSI im Vierzylinderbetrieb läuft, sind im Innenraum keine unerwünschten Geräusche oder Schwingungen wahrzunehmen. Verantwortlich dafür sind zwei flankierende Highend-Audi-Technologien – die Active noise control (ANC) und die aktiven Motorlager.

Die Zylinderabschaltung beim neuen 4.0 TFSI ist bei geringer Last, niedrigen und mittleren Drehzahlen und vom dritten Gang an aktiv. In diesem Kennfeld schließt das System die Ein- und Auslassventile der Zylinder 2, 3, 5 und 8. In den aktiven Zylindern erhöht sich der Wirkungsgrad, weil sich die Betriebspunkte zu höheren Lasten hin verlagern.

Das weiterentwickelte Audi valvelift system nutzt verschiebbare Hülsen auf den Nockenwellen um die Ventile zu schließen. Unmittelbar davor werden die Brennräume noch einmal mit Frischluft gefüllt. Die Kraftstoffeinspritzung und die Zündung werden still gelegt.

Der gegenüber dem Einschluss von Abgas geringere Zylinderinnendruck ist ein wichtiger Effizienzfaktor. Das Display des Kombiinstruments zeigt den Vierzylinder-Status an. Wenn der Fahrer kräftig Gas gibt, schalten sich die deaktivierten Zylinder wieder zu – alle Umschaltvorgänge laufen geschmeidig und schnell ab.

Das System cylinder on demand ist permanent betriebsbereit, auch im S-Modus des Automatikgetriebes und im Kennfeld dynamic von Audi drive select. Im NEFZ-Zyklus reduziert es den Verbrauch um über fünf Prozent. Rechnet man das Start-Stopp-System mit ein, das den Motor im Stillstand ganz deaktiviert, dann erzielt das System bis zu zwölf Prozent Einsparung. Besonders deutlich wird das Effizienzpotenzial des Motors bei häufig gefahrenen Geschwindigkeiten. So beträgt bei 80 km/h für alle S-Modelle der Effizienzgewinn zwölf Prozent und selbst bei 130 km/h schlägt dieser noch mit sieben Prozent zu Buche.

Wenn der 4.0 TFSI im Vierzylinderbetrieb läuft, wirken zwei Highend-Technologien unerwünschten Geräusche im Innenraum oder Schwingungen entgegen. Diese sind zum einen die Active noise control (ANC) und zum anderen die aktiven Motorlager.

Die ANC zeichnet das Geräuschbild im Interieur über vier Mikrofone fein differenziert auf und analysiert es auf störende Klanganteile. Wenn erforderlich, schickt sie einen gezielten Gegenschall über die Lautsprecher der Soundanlage – er verringert den Störschall so weit, dass ihn die Passagiere nicht mehr hören. Die aktiven Motorlager arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip. Von Sensoren mit Daten versorgt, gleichen sie die Impulse des Motors mit Gegenschwingungen aus. Damit senken sie die Vibrationen auf ein nicht mehr spürbares Niveau.

Die Summe dieser Hightech-Lösungen – der Active noise control, der aktiven Motorlager und des Frischgaseinschlusses im Zylinder – macht die Audi-Technologie cylinder on demand komfortabel und hocheffizient zugleich. Früheren Lösungen der Wettbewerber ist sie klar überlegen. Für den Kunden bedeutet sie konkrete Verbrauchsvorteile, aber keinerlei Nachteil – eine Anforderung, die Audi generell an alle Innovationen stellt.

Wenn der neue 4.0 TFSI im Frühjahr 2012 in den großen S-Modellen von Audi startet, wird er im S8 nur etwa zehn Liter Kraftstoff pro 100 km verbrauchen. Im S6 und S7 Sportback liegt der Verbrauch deutlich unter der zehn Liter Marke. Der V8 geht in zwei Versionen ins Rennen. Im S6, S6 Avant und S7 Sportback gibt er 309 kW (420 PS) und 550 Nm Drehmoment ab, im S8 sind es 382 kW (520 PS) und 650 Nm Drehmoment.

Der 4.0 TFSI präsentiert ein ganzes Bündel Highend-Technologien. Neben dem System cylinder on demand sind dies vor allem die Twin-Scroll-Biturbo-Aufladung, das aufwändige Thermomanagement, die minimale innere Reibung und der neuartige Aufbau der Zylinderköpfe – die Abgasseite liegt innen, die Frischluftseite außen. Dieses Layout sorgt für eine kompakte Bauweise von nur 497 mm und kurze Gaslaufwege mit minimalen Strömungsverlusten.

Das System cylinder on demand
Die Zylinderabschaltung des neuen 4.0 TFSI wird bei geringer Motorlast aktiv. Die Obergrenze dafür liegt, abhängig von der Drehzahl, zwischen etwa 25 und

40 Prozent des maximalen Drehmoments, etwa 120 bis 250 Nm; der effektive Mitteldruck beträgt hier bis zu acht bar. Das Kühlmittel muss wärmer als 30 Grad sein, im Getriebe muss der dritte oder ein höherer Gang eingelegt sein, und die Drehzahl muss zwischen 960 und 3.500 1/min liegen, also über der Leerlauf­drehzahl.

Wenn diese Voraussetzungen gegeben sind, schließt das System pro Bank die Ein- und Auslassventile von jeweils zwei Zylindern. Der V8 arbeitet jetzt, weiterhin mit regelmäßiger Zündfolge, als V4, zündet jedoch pro Kurbelwellen­umdrehung nur noch zwei- statt viermal. Statt 1 – 5 – 4 – 8 – 6 – 3 – 7 – 2 lautet die Zündfolge jetzt 1 – 4 – 6 – 7; in den aktiven Zylindern erhöht sich der Wirkungsgrad, weil sich die Betriebspunkte zu höheren Lasten hin verlagern.

Intelligente Betätigung: Das weiterentwickelte AVS-System
Das Schließen der Ventile auf den vier Nockenwellen erfolgt über das weiter­entwickelte Audi valvelift system (AVS). Seine elektromagnetisch verschiebbaren Hülsen tragen einen so genannten Nullnocken als zusätzliches Profil; er betätigt die Schlepphebel nicht, die Ventilfedern halten die Ventile geschlossen.

Gleichzeitig legt das Motormanagement die Einspritzung und die Zündung still. Der Fahrer erkennt den Vierzylinder-Status im FIS-Display des Kombiinstruments – der Balken der Verbrauchsanzeige färbt sich grün, zugleich erscheint ein Text-Hinweis.

In den deaktivierten Zylindern bewegen sich die Kolben durch den Antrieb von der Kurbelwelle; vor dem Schließen der Ventile werden die Brennräume noch einmal mit Frischluft gefüllt, die Einspritzung und Zündung werden unterbunden. Dieser Frischgaseinschluss bedeutet einen geringeren Druck im Zylinder und einen entsprechend niedrigen Energieaufwand – ein wichtiger Faktor für die Effizienzsteigerung.

Sobald der Fahrer kräftig Gas gibt, schalten sich die deaktivierten Zylinder wieder zu. Die Rückkehr in den Achtzylinderbetrieb verläuft, ebenso wie das Abschalten, so geschmeidig und schnell, dass sie de facto nicht zu spüren ist; sie nimmt im Schnitt gerade mal 300 Millisekunden in Anspruch. Prinzipiell sind die Umschalt­ungen mit kurzzeitigen Wirkungsgrad-Nachteilen verbunden, so dass erst ab Abschaltzeiten von über drei Sekunden ein Verbrauchsvorteil entsteht.

Audi hat deshalb eine Steuerungslogik entwickelt, welche die Gaspedal-, Bremspedal- und Lenkbewegungen des Fahrers beobachtet. Wenn sie aus ihnen ein ungleichmäßiges Muster erkennt, unterlässt sie die Abschaltung in bestimmten Situationen, etwa bei einer Fahrt im Kreisverkehr oder bei sportlicher Gangart auf der Landstraße. Eine Deaktivierung von nur wenigen Sekunden Dauer würde den Verbrauch eher erhöhen als senken.

Das System cylinder on demand ist permanent betriebsbereit, auch im S-Modus des Automatikgetriebes und im Kennfeld dynamic von Audi drive select. Die größten Einsparungen erzielt es bei konstanter Fahrt mit moderater Geschwin­digkeit, wie sie auf vielen Schnellstraßen üblich ist. So beträgt bei 80 km/h für alle S-Modelle der Effizienzgewinn zwölf Prozent und selbst bei 130 km/h werden noch sieben Prozent eingespart. Im NEFZ-Zyklus beträgt die Effizienzsteigerung über fünf Prozent. Rechnet man die Start-Stop-Funktion mit ein, die den Motor im Leerlauf deaktiviert, addiert sich der Einspareffekt auf etwa zwölf Prozent.

Bentley war in den Entwicklungsprozess dieser Technologie involviert und wird den wegweisend neuen 4.0 TFSI im neuen Continental GT einsetzen.

Im Teillastbereich nutzt er das cylinder on demand-System. Indem er vier der acht Zylinder abschaltet reduziert er den Verbrauch im NEFZ-Zyklus um bis zu 40 Prozent. Bentley verwendet bereits bei seinem "großen" V8 mit 6,75 Liter Hubraum und über 1000Nm im Mulsanne ein ähnliches System.

Der ruhige Lauf zusammen mit der harmonischen Kraftentfaltung des 4.0 TFSI harmoniert perfekt mit dem Gran Turismo in dem der Motor 2012 debütiert.

Die ANC und die aktiven Motorlager
Achtzylinder-Motoren sind neben der Durchzugskraft und der harmonischen Kraftentfaltung auch für ihr ruhiges Laufverhalten bekannt – das gilt auch für den neuen 4.0 TFSI von Audi. Wenn der V8 als V4 arbeitet, produziert sein Kurbel­trieb, abhängig von der Last und der Drehzahl, höhere Drehschwingungen; sie dringen als Luftschall in den Innenraum. Die groß dimensionierte Abgasanlage emittiert ebenfalls gewisse Brummgeräusche, die sich trotz einer intelligenten Klappen-Steuerung nicht vermeiden lassen. Von all diesen Störgeräuschen sollen die Fahrer und Passagiere nichts hören.

Die ANC: Ruhe durch Gegenschall
Die Active noise control (ANC) bekämpft den unerwünschten Schall mit Antischall. Dabei nutzt sie das Prinzip der destruktiven Interferenz: Wenn sich zwei Wellen von gleicher Frequenz überlagern, löschen sich ihre Amplituden – die Auslenkung der Schallwelle, die den Schalldruck bestimmt – gegenseitig aus. Voraussetzung dafür ist, dass die Amplituden gleich und die Phasen um 180 Grad zueinander versetzt sind. Akustiker sprechen hier vom Gegenschall-Prinzip.

In den Modellen, in denen der neuen 4.0 TFSI zum Einsatz kommt, sind vier kleine Mikrofone sichtbar im Dachhimmel integriert. Jedes von ihnen zeichnet die Geräuschkulisse in seinem Bereich auf. Das ANC-Steuergerät errechnet aus diesen Signalen ein differenziertes räumliches Schallfeld, darüber hinaus nutzt es Informationen vom Kurbelwellensensor über die aktuelle Motordrehzahl.

In allen Zonen, in denen das System Störgeräusche erkennt, auf die es zuvor kalibriert worden ist, veranlasst es einen gezielten, präzise modulierten Gegen­schall. Eine besondere Herausforderung bildet dabei jener kurze Moment, in dem der Motor die Zylinder ab- beziehungsweise zuschaltet – hier muss die ANC besonders schnell und exakt agieren.

Die Active noise control ist immer aktiv – egal ob die Soundanlage eingeschaltet, deaktiviert, laut, leise oder stumm gestellt ist. Sie funktioniert mit allen lieferbaren Soundsystemen, bis hin zum advanced sound system von Bang & Olufsen.

Die aktiven Motorlager: Komfort durch Gegenschwingungen
Audi lagert seine Motoren generell sportlich-straff. Schon seit vielen Jahren setzt die Marke deshalb bei einigen Modellen – etwa beim Flaggschiff A8 – und bei verschiedenen Motorisierungen elektromagnetisch geschaltete Motorlager ein. Sie arbeiten auf zwei Stufen: Im Leerlauf halten sie mit weichen Kennlinien störende Geräusche und Vibrationen vom Innenraum fern; in Fahrt wird die Dämpfung höher, um Triebwerks-Schwingungen zu unterdrücken.

Das aktive Motorlager, das Audi für den 4.0 TFSI entwickelt hat, führt diese Technologie einen entscheidenden Schritt weiter – es gleicht die Vibrationen des Motors mit phasenversetzen Gegenschwingungen aus. Sein Herzstück ist ein elektromagnetischer Schwingspulenaktor. Die schnellen Hubbewegungen, die er ausführt, werden über eine elastische Membran an die Hydraulikflüssigkeit des Lagers übertragen, die auch die Anregungen des Motors aufnimmt. Im Fluid überlagern die Gegenschwingungen die Vibrationen des Motors und löschen sie somit aus.

Die Steuergeräte der aktiven Motorlager erhalten ihre Informationen aus zwei Quellen. Die Signale des Kurbelwellensensors liefern Informationen über die Motordrehzahl; aus ihnen werden die genaue Phase und Frequenz des Aktor­signals berechnet. Beschleunigungssensoren an den beiden Motorlagern stellen jene Daten bereit, welche die notwendige Amplitude zur Auslöschung der Schwingungen bestimmen.

Wenn der neue 4.0 TFSI im Vierzylinderbetrieb läuft, produziert er Vibrationen und Brummgeräusche der so genannten zweiten Motorordnung, die für einen V8 untypisch sind. Die Gegenschwingungen der aktiven Motorlager tilgen sie auf ein nicht spürbares Niveau.

Im Leerlauf, in dem alle acht Zylinder arbeiten, wirken sich die Anregungen der vierten Motorordnung aus. Auch sie werden von den aktiven Motorlagern weitgehend eliminiert, der Motorlauf wirkt noch ruhiger.

Der neue 4.0 TFSI
Der neue 4.0 TFSI von Audi ist ein Hightech-Aggregat. Neben dem System cylinder on demand bringt er viele weitere Lösungen mit, die seinen Output und seine Effizienz weiter steigern. Der Biturbo-V8 geht in zwei Konfigurationen an den Start. Im S6, S6 Avant und S7 Sportback leistet er 309 kW (420 PS), im S8 382 kW (520 PS), sein Drehmoment beträgt 550 respektive 650 Nm. In allen Audi-Modellen, in denen er zum Einsatz kommt, liegt sein durchschnittlicher Verbrauch um 10 Liter pro 100 km oder darunter.

Der 4.0 TFSI schöpft aus 3.993 cm3 Hubraum; seine Bohrung misst 84,5 Milli­meter, sein Hub 89,0 Millimeter. Der 4.0 TFSI ist das jüngste Mitglied der großen V-Motorenfamilie von Audi, er weist all ihre typischen Merkmale auf. Sein Zylinderwinkel beträgt klassische 90 Grad, der Kettentrieb für die vier Nocken­wellen und die Nebenaggregate liegt platzsparend auf der Rückseite.

Das Zylindergehäuse, aus einer Aluminium-Silizium-Legierung bestehend, wird im Niederdruck-Kokillenguss-Verfahren gefertigt, das besondere Homogenität gewährleistet. Der hohe Silizium-Anteil verleiht den Laufbahnen extreme Verschleißfestigkeit. Ein stabiler Rahmen für die unteren Lagerbrücken der Kurbelwelle, das so genannte Bedplate, erhöht die Steifigkeit des Blocks weiter. Durch die sehr kompakte Bauweise beträgt die Länge des Motors nur 497 mm. Dadurch kann er direkt über der Vorderachse platziert werden und begünstigt die Gewichtsverteilung im Fahrzeug, wodurch die Fahrdynamik zusätzlich gesteigert wird.

Wie fast alle Audi-Motoren folgt der neue 4.0 TFSI dem Prinzip des Downsizings – Aufladung ersetzt Hubraum; sie harmoniert perfekt mit der Direkteinspritzung FSI. Pro Zylinderbank verdichtet ein so genannter Twinscroll-Turbolader die Frischluft.

Die Abgaskanäle von jeweils zwei Zylindern verlaufen im Krümmer und im Ladergehäuse voneinander getrennt, sie treffen erst unmittelbar vor der Turbine zusammen. Dadurch wird die gegenseitige Beeinflussung der Abgasströme verhindert. Dies garantiert einen schnellen Momentenaufbau und ein hervorragendes Ansprechverhalten.

Die Folge ist ein starker und früher Drehmomentaufbau direkt aus dem Leerlauf heraus. Bereits bei 1.000 1/min stemmt der 4.0 TFSI zirka 400 Nm Drehmoment. Die Topversion stellt ihre maximal 650 Nm von 1.750 bis 5.000 1/min permanent bereit, die 550 Nm der zweiten Variante liegen sogar von 1.400 bis 5.250 Touren an. Die Nenndrehzahl lautet 6.000 beziehungsweise 5.500 1/min.

Neuartig: Der Aufbau der Zylinderköpfe
Die Turbos und ihr Ladeluftkühler – ein Luft-Wasser-Kühler – sitzen im Innen-V der Zylinderbänke statt, wie sonst üblich, außen neben dem Kurbelgehäuse. Die Zylinderköpfe sind auf neuartige Weise konzipiert – die Abgasseite liegt innen, die Ansaugseite außen.

Dieses Layout sorgt für eine kompakte Bauweise, für eine verbesserte Thermodynamik und für kurze Gaslaufwege mit minimalen Strömungsverlusten – der 4.0 TFSI reagiert spontan auf die Gaspedalbefehle. Eine aufwändige Isolierung der heißen Bauteile, insbesondere der Krümmer, hält die thermischen Verhältnisse im Innen-V stabil.

Die Ansauganlage für die Frischluft ist außen an den Zylinderbänken platziert. Schaltbare Klappen in den Einlasskanälen versetzen die einströmende Luft in eine walzenförmige Rotation. Das intensiv verwirbelte Kraftstoff-Luft-Gemisch kühlt die Brennräume – das erlaubt auch mit der Aufladung eine hohe Verdichtung, ohne dass die Verbrennung zum Klopfen neigen würde.

Der 4.0 TFSI nutzt alle Technologien aus dem Modularen Effizienzbaukasten von Audi. Sie reichen vom Start-Stop-System über das Rekuperationssystem bis zu einem breiten Bündel reibungssenkender Maßnahmen. Bei der Montage des V8 im ungarischen Audi-Werk Györ sind Highend-Technologien wie das so genannte Brillenhonen im Spiel. Die Kolbenbolzen tragen eine feine, Diamant-ähnliche Kohlenstoff-Beschichtung mit der Bezeichnung DLC (Diamond-like-carbon); die Ventilfedern arbeiten mit relativ geringer Spannung.

Das innovative Thermomanagement nutzt ein Kugelventil – es koppelt die Wasserpumpe während der Warmlaufphase ab. Das Kühlmittel bleibt im ganzen Motor stehen; das Öl kommt rasch auf Temperatur, die Phase der erhöhten Reibungsverluste verkürzt sich.

Die Siebengang S tronic und die Achtstufen-tiptronic, mit denen der 4.0 TFSI kooperiert, sind in das Thermomanagement eingebunden. Die Ölpumpe baut den Öldruck in zwei Stufen auf. Die Spritzölkühlung für die Kolbenböden und Laufbahnen ist kennfeldgesteuert.

Die Leistungsdifferenz zwischen den beiden Varianten des 4.0 TFSI entsteht vor allem durch die ein- beziehungsweise zweiflutige Ansauganlage, durch die Auslegung der Abgasturbolader und durch den zusätzlichen Ölkühler, den die Topversion besitzt. Weitere Unterschiede bestehen bei der Kurbelwelle und ihren Hauptlagern, der Verdichtung, den Ventilsteuerzeiten und den Einspritzventilen.

Quelle: Audi