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Mese: maggio 2009

FIAT PowerTrain MultiAir Technology

FIAT PowerTrain MultiAir Technology

MULTIAIR: LA STRATEGIA INNOVATIVA PER LA GESTIONE DELL’ARIA
Multiair è il nuovo sistema elettro-idraulico di gestione delle
valvole per un controllo dinamico e diretto dell’aria e della
combustione, cilindro per cilindro e colpo a colpo
Grazie a un controllo diretto dell’aria mediante le valvole di
aspirazione del motore senza l’utilizzo della farfalla, il Multiair
riduce i consumi; le emissioni inquinanti sono altresì ridotte
attraverso il controllo della combustione
Multiair è una tecnologia versatile, facilmente applicabile a tutti i
motori a benzina, con un futuro potenziale sviluppo anche ai
motori Diesel
BENEFICI

  • RIDUZIONE DEI CONSUMI E DELLE EMISSIONI
  • INCREMENTO DELLA POTENZA E DELLA COPPIA MASSIMA
  • MIGLIORI PERFORMANCE E FUN TO DRIVE

La tecnologia Multiair: la storia
Nell’ultimo decennio, lo sviluppo della tecnologia Common Rail per i motori
Diesel ha rappresentato un’importantissima evoluzione tecnologica nel settore
delle automobili e dei veicoli commerciali. Per essere competitivi anche nel
segmento dei motori a benzina, il Gruppo Fiat ha deciso di adottare un
approccio analogo, basato sull’identificazione di innovazioni tecnologiche
strategiche. L’obiettivo è di offrire al cliente benefici sostanziali in termini di
consumo di carburante e fun-to-drive mantenendo, nel contempo, le
caratteristiche di confort intrinseche di questo motore, derivanti da un
processo di combustione fluido e dalla leggerezza della struttura e dei
componenti.
Il parametro fondamentale per il controllo della combustione di un motore
Diesel, e quindi delle sue prestazioni, emissioni e consumo di gasolio, è
rappresentato dalla quantità e caratteristiche del combustibile iniettato nei
cilindri. Ecco perché il sistema di iniezione a controllo elettronico Common
Rail ha rappresentato un vero e proprio nuovo paradigma nelle tecnologie dei
motori Diesel ad iniezione diretta.
Il parametro essenziale per controllare la combustione di un motore a benzina,
e di conseguenza le sue prestazioni, emissioni e consumo di carburante, è
invece rappresentato dalla quantità e dalle caratteristiche della carica d’aria
nei cilindri. Nei motori tradizionali, la massa d’aria immessa nei cilindri è
controllata mantenendo l’andamento dell’apertura delle valvole di aspirazione
costante e modificando la pressione a monte, mediante una farfalla. Uno degli
svantaggi di questo semplice controllo tradizionale è lo spreco di circa il 10%
dell’energia utile, per via delle perdite legate al pompaggio della carica d’aria
fresca da una pressione di alimentazione più bassa rispetto alla pressione
atmosferica allo scarico.

Il salto tecnologico realizzato nel controllo della massa d’aria, e quindi nelle
tecnologie dei motori a benzina, si basa sul controllo della carica direttamente
all’ingresso nei cilindri, mediante un sistema avanzato di attuazione elettronica
e di controllo delle valvole di aspirazione, con il mantenimento di una
pressione costante a monte dei condotti di aspirazione.
La ricerca che ha condotto a questa grande innovazione risale agli anni
Ottanta, quando le tecnologie di controllo elettronico del motore erano ormai
giunte a maturità.
All’inizio, gli sforzi di ricerca mondiali erano focalizzati sul concetto di
attuazione elettromagnetica, laddove l’apertura e la chiusura della valvola è
ottenuta energizzando alternativamente il magnete superiore e inferiore con
l’armatura connessa alla valvola. Questo principio di attuazione aveva il
vantaggio intrinseco della massima flessibilità e di una risposta dinamica nel
controllo della valvola. Tuttavia, dopo un decennio di importanti sforzi di
sviluppo, non fu possibile superare i principali svantaggi di questo tipo di
tecnologia e cioè il suo non essere intrinsecamente fail-safe, nonché il suo
elevato assorbimento di energia.
A quel punto la maggior parte dei costruttori automobilistici ripiegò sullo
sviluppo di concetti elettromeccanici più semplici e robusti, basati sulla
variazione dell’alzata delle valvole con meccanismi dedicati, solitamente
combinati a variatori di fase, per consentire il controllo sia dell’alzata valvola
che della fase. La principale limitazione di questi sistemi è da ricondurre al
basso grado di flessibilità dei regimi di apertura delle valvole e in una risposta
dinamica marcatamente inferiore, per cui, ad esempio, tutti i cilindri di un
motore (o di una bancata nel caso di motori a “V”) vengono attuati
simultaneamente, escludendo quindi ogni azione selettiva dei cilindri. Nel
corso dell’ultimo decennio sono stati immessi in produzione molti sistemi di
controllo delle valvole di questa tipologia.

A metà degli anni Novanta, la ricerca del Gruppo Fiat si indirizzò verso
l’attuazione elettro-idraulica, sfruttando il know-how acquisito durante le fasi di
sviluppo del Common Rail. L’obiettivo era quello di raggiungere la flessibilità
auspicata nei regimi di apertura delle valvole e nel controllo della massa
d’aria, cilindro per cilindro e colpo a colpo.
La tecnologia elettro-idraulica di attuazione variabile sviluppata da Fiat è stata
scelta per la sua relativa semplicità, i bassi requisiti di potenza, la sua natura
intrinsecamente “fail-safe” ed il basso costo potenziale.

La tecnologia Multiair: il suo funzionamento
Il principio operativo del sistema, applicato alle valvole di aspirazione, è il
seguente: un pistone, azionato da una camma meccanica, viene collegato alla
valvola di aspirazione mediante una camera idraulica, controllata da una
valvola solenoide, del tipo ON/OFF, normalmente aperta.
Quando la valvola solenoide è chiusa, l’olio nella camera idraulica si comporta
come un corpo solido e trasmette alle valvole di aspirazione la legge di alzata
imposta dalla camma di aspirazione meccanica. Quando la valvola solenoide
è aperta, la camera idraulica e le valvole di aspirazione sono disgiunte e non
seguono più la camma di aspirazione, chiudendosi per effetto della forza della
molla. La parte finale della corsa di chiusura della valvola è controllata
mediante un freno idraulico dedicato, in grado di garantire una fase di
atterraggio morbida e regolare, in qualsiasi condizione d’esercizio.
Controllando gli istanti di apertura e chiusura della valvola solenoide, è
possibile ottenere agevolmente diversi andamenti ottimali di apertura delle
valvole di aspirazione.
Per la potenza massima, la valvola solenoide è sempre chiusa e la piena
apertura delle valvole è realizzata seguendo completamente l’andamento

della camma meccanica, che è stata ottimizzata specificamente per la
potenza ad alti regimi (tempi di chiusura lunghi).
A basso numero di giri e pieno carico, la valvola solenoide si apre vicino
all’estremità del profilo della camma realizzando una chiusura anticipata della
valvola di aspirazione. Ciò elimina un riflusso indesiderato nel collettore e
massimizza la massa d’aria intrappolata nei cilindri.
Nelle condizioni di carico parziale del motore, la valvola solenoide si apre
anticipatamente (prima del completamento del profilo della camma
meccanica) realizzando una parziale apertura delle valvole per controllare la
massa d’aria introdotta a seconda della coppia richiesta. In alternativa, è
possibile ottenere un’apertura parziale delle valvole chiudendo la valvola
solenoide una volta già partita la camma meccanica. In questo caso, il flusso
d’aria in ingresso nei cilindri ha una velocità superiore e genera un livello di
turbolenza particolarmente elevato all’interno dei cilindri.
È possibile abbinare queste due modalità di attuazione per uno stesso evento
di aspirazione, con la modalità cosiddetta “Multilift”, che aumenta la turbolenza
e la velocità di combustione a carichi e regimi molto bassi.

I vantaggi della Tecnologia Multiair
Ecco in sintesi i potenziali vantaggi della Tecnologia Multiair per i motori a
benzina:
• Aumento della potenza massima del 10% grazie all’adozione di un

profilo di camma meccanica indirizzato alla potenza

• Miglioramento della coppia a basso regime del 15% mediante strategie
di chiusura anticipata della valvola di aspirazione, che massimizza
l’aria immessa nei cilindri
• Eliminazione delle perdite di pompaggio con una riduzione del
consumo di carburante e delle emissioni di CO2 pari al 10%, sia nei
motori naturalmente aspirati, sia in quelli sovralimentati della stessa
cilindrata
• I motori Multiair sovralimentati e a cilindrata ridotta (concetto del
“downsizing”) possono raggiungere una maggiore efficienza in termini
di consumo di carburante pari al 25% rispetto ai motori naturalmente
aspirati, mantenendo lo stesso livello di prestazioni
• L’ottimizzazione delle strategie di controllo delle valvole in fase di
“warm-up” del motore e di ricircolo interno dei gas di scarico, ottenuta
mediante la riapertura delle valvole di aspirazione durante la fase di
scarico, genera una riduzione delle emissioni del 40% di HC/CO e
60% di NOx
• La pressione costante dell’aria a monte dei cilindri, atmosferica per i
motori naturalmente aspirati e superiore per quelli sovralimentati,
abbinata al controllo estremamente rapido della massa d’aria, cilindro
per cilindro e colpo a colpo, produce una migliore risposta dinamica del
motore

Applicazione della Tecnologia Multiair ai motori FPT
La prima applicazione della tecnologia Multiair riguarderà i motori Fire 1400
cm3 16 valvole aspirato e turbocompresso.
La seconda applicazione è rappresentata da un nuovo motore a benzina 900
cm3 bicilindrico (SGE – Small Gasoline Engine), nel quale la progettazione
della testa cilindri è stata ottimizzata specificamente per l’integrazione
dell’attuatore Multiair. Anche in questo caso sarà disponibile nelle versioni
aspirata e turbocompressa.
Sarà inoltre disponibile una speciale variante sovralimentata a doppio
combustibile (benzina – metano).
Il motore bicilindrico sovralimentato a benzina, grazie alla drastica riduzione
della cilindrata, raggiunge livelli di emissione di CO2 simili al Diesel, con
un’ulteriore riduzione nella versione a metano, che presenta emissioni di CO2
inferiori a 80 g/km in molte applicazioni.

Il potenziale ulteriore della Tecnologia Multiair
Tutte le tecnologie di “breaktrough” aprono un universo di ulteriori potenziali
vantaggi, che di solito non possono essere sfruttati da subito, per ridurre al
minimo i rischi industriali.
Il Common Rail, una “prima” mondiale Fiat del 1997, preparò la strada a più di
dieci anni di ulteriori evoluzioni tecnologiche come il “Multijet” per le iniezioni
multiple, i motori Diesel di cilindrata ridotta e la recentissima tecnologia di
iniezione modulare che vedremo presto arrivare sul mercato.
La tecnologia Multiair, presentata in anteprima da Fiat nel 2009, preparerà il
terreno a una serie di evoluzioni tecnologiche successive per i motori a
benzina:

• Integrazione del controllo diretto della massa d’aria con l’iniezione
diretta di benzina, per migliorare ulteriormente la risposta transitoria e il
risparmio di combustibile
• Introduzione di avanzate strategie di apertura delle valvole multiple per
ridurre ulteriormente le emissioni
• Turbocompressore innovativo per il controllo della massa d’aria
intrappolata attraverso l’abbinamento di una pressione di
alimentazione ottimale e di specifiche strategie di apertura delle
valvole

Mentre l’iniezione elettronica di benzina sviluppata negli anni Settanta e il
Common Rail sviluppato negli anni Novanta erano tecnologie avanzate
specificamente connesse ai combustibili, la tecnologia di controllo delle
valvole Multiair può essere applicata ai motori a combustione interna
indipendentemente dal combustibile utilizzato.
Il Multiair, inizialmente sviluppato per i motori ad accensione comandata che
utilizzano combustibili leggeri come la benzina, il metano e l’idrogeno, ha in
realtà un ampio potenziale di riduzione delle emissioni anche per i motori
Diesel.
Con il ricircolo interno dei gas di scarico (iEGR) attraverso la riapertura delle
valvole di aspirazione in fase di scarico, è possibile ottenere una riduzione
degli NOx fino al 60%, mentre le strategie ottimali di controllo delle valvole in
fase di avviamento a freddo e “warm-up” portano fino ad un 40% di
abbattimento di HC e CO. Un’ulteriore sostanziale riduzione si ottiene poi da
una più efficiente gestione e rigenerazione del filtro anti-particolato e del
catalizzatore per l’immagazzinamento degli NOx, grazie ad un più dinamico
controllo della massa d’aria in fase transitoria del motore.

I miglioramenti in termini di prestazioni ottenuti sul motore Diesel sono simili a
quelli del motore a benzina, basandosi sugli stessi principi fisici, mentre il
vantaggio in termini di consumo di combustibile è limitato a pochi punti
percentuali per via delle basse perdite di pompaggio del motore Diesel, che
costituiscono una delle ragioni della sua superiore efficienza.
In futuro, l’evoluzione tecnica dei motopropulsori potrebbe beneficiare di una
progressiva unificazione delle architetture dei motori a benzina e Diesel.
È così possibile concepire e sviluppare una testa cilindri unificata, nella quale
entrambi i sistemi di combustione possono essere pienamente ottimizzati
senza necessità di compromessi. Inoltre, l’attuatore elettro-idraulico Multiair è
fisicamente lo stesso, a parte una differenza minima di lavorazione, mentre i
sottocomponenti interni sono tutti derivati dalle applicazioni Fire e SGE.

Le immagini sono disponibili sul sito
www.fiatgroupautomobilespress.com e sul sito www.fptpowertrain.com
Il materiale video, in qualità broadcast, è disponibile sul sito
www.thenewsmarket.com/FiatGroupAutomobiles .

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Per maggiori informazioni e per il video integrale della conferenza stampa visitate : http://www.fptmultiair.com/

una rivoluzione epocale nel campo dei motori a combustione interna ad accensione comandata TUTTA ITALIANA! come fu per il CommonRail, la rivoluzione oggi è il MultiAir

(M.B.)