Fiat MultiAir

Multiair je novi elektrohidravlični sistem pogona ventilov motorja za dinamičen in neposreden nadzor pretoka zraka in s tem zgorevanja. S pomočjo neposrednega nadzora zraka na sesalnih ventilih brez uporabe dušilne lopute prispeva multiair k manjši porabi goriva in poskrbi za manjši izpust nečistih snovi. Tehnologija multiair je vsestranska, uporabiti jo je mogoče pri vseh vrstah bencinskih motorjev, v prihodnosti pa jo bo mogoče prilagoditi tudi za dizelske.

Tehnologija fiat multiair: zgodovina

Razvoj tehnologije vbrizga goriva s skupnim vodom (common rail) pri dizelskih motorjih je pomenil prelomnico na trgu osebnih avtomobilov. Da bi bili konkurenčni tudi na področju bencinskih motorjev, so se v Skupini Fiat odločili za enak pristop in se osredotočili na napredne tehnologije. Njihov cilj je bil kupcem ponuditi znatne prednosti pri varčevanju z gorivom in uživanju v vožnji. Pri tem so želeli ohraniti bistvene značilnosti, povezane z udobjem, k čemur prispevajo gladek proces zgorevanja ter lahke strukture in sestavni deli.

Ključni parametri za nadzor zgorevanja pri dizelskih motorjih in s tem za zmogljivosti, izpuste in porabo goriva so količina in značilnosti goriva, vbrizganega v valje. To je razlog, zakaj je elektronski sistem vbrizga dizelskega goriva s skupnim vodom pomenil tako velik korak v razvoju neposrednega vbrizga goriva pri tehnologiji dizelskih motorjev. Ključni parametri za nadzor zgorevanja pri bencinskih motorjih in s tem za zmogljivosti, izpuste in porabo goriva, so količina in kakovost svežega zraka, ki prihaja v valje. Pri običajnih bencinskih motorjih je količina zraka v valjih pod nadzorom z enakomernim odpiranjem sesalnih ventilov in prilagajanjem pretoka na dušilni loputi. Ena od slabosti tega preprostega mehanskega nadzora je izguba okoli 10 % energije, ki se porabi za ustvarjanje podtlaka v sesalni cevi.

Najpomembnejša novost pri tehnologiji bencinskih motorjev je nadzor količine zraka. Ta temelji na neposrednem merjenju količine zraka pri sesalnih kanalih valjev ter uporabi naprednega elektronskega krmiljenja za nadzor hoda sesalnih ventilov ob stalnem naravnem tlaku. Raziskave te pomembne tehnologije so se začele v 80. letih, ko so tehnologije za elektronski nadzor motorja dosegle raven zrelih tehnologij. Na začetku so se raziskave, ki so potekale po vsem svetu, osredotočale na elektromagnetno delovanje, pri katerem odpiranje in zapiranje ventilov dosežemo z izmeničnim spodbujanjem elektromagnetov, povezanih z ventilom. Ta princip delovanja je bil privlačen zaradi velike prilagodljivosti in dinamičnega odziva pri nadzorovanju ventilov, vendar kljub desetletnemu trudu pri razvoju ni bilo mogoče popolnoma premagati glavnih pomanjkljivosti v zasnovi: ni bila zanesljiva in porabila je veliko energije.

Večina avtomobilskih proizvajalcev se je tako umaknila in se lotila razvoja enostavnih, trdnih in dobro znanih elektromehanskih rešitev, ki temeljijo na uravnavanju dvigovanja ventilov s pomočjo ustreznih mehanizmov, navadno v povezavi z odmikačem, kar je omogočalo hkraten nadzor nad hodom ventila in fazo. Glavna omejitev pri tem sistemu je bila majhna prilagodljivost programa za odpiranje in precej slabši dinamični odziv, na primer: vsi valji na eni strani delujejo hkrati in selektivno delovanje posameznih valjev ni mogoče. V zadnjem desetletju so razvili več podobnih elektromehanskih sistemov za nadzor delovanja ventilov.

Sredi 90. let so raziskovalci Skupine Fiat preusmerili svoje moči v elektrohidravlične sisteme, pri čemer so se naslonili na znanje, ki so ga pridobili z razvijanjem sistema vbrizga goriva s skupnim vodom. Njihov cilj je bil doseči želeno prilagodljivost pri načrtovanem odpiranju ventilov z nadzorovanjem količine zraka v valju za posamezen delovni takt.

Elektrohidravlična tehnologija prilagodljivega delovanja ventilov, ki so jo razvili pri Fiatu, je bila izbrana zaradi razmeroma velike preprostosti, majhnih zahtev po energiji, velike zanesljivosti in predvidenih nizkih stroškov.

Tehnologija fiat multiair: kako deluje

Sistem delovanja, uporabljen na sesalnih ventilih, je naslednji: bat, ki ga premika mehanski odmikač odmične gredi, je povezan s sesalnim ventilom prek hidravličnega valja, nadzira ga običajno odprti on/off elektromagnetni ventil. Ko je elektromagnetni ventil zaprt, se olje v hidravlični komori obnaša kot trdno telo in na sesalne ventile prenaša hod, kot ga določa odmikač odmične gredi. Ko je elektromagnetni ventil odprt, pa med odmikačem in sesalnim ventilom ni več toge povezave. Sesalni ventili ne sledijo več krivulji odmikača in se zaradi delovanja vzmeti manj odprejo. Zadnji del pri zapiranju ventila nadzira ustrezna hidravlična zavora, ki zagotavlja mehko in pravilno fazo v vseh razmerah delovanja motorja.

S pomočjo krmiljenja časovnega usklajevanja odpiranja in zapiranja ventilov z elektromagnetnim ventilom zlahka dobimo široko paleto optimalnih programov za odpiranje sesalnih ventilov. Za največjo moč je elektromagnetni ventil vselej zaprt, ventil popolnoma sledi mehanskemu odmikaču odmične gredi, ki je bil zasnovan posebej za doseganje večje moči in velike hitrosti motorja (dolgi odpiralni časi). V primeru nizkih vrtljajev motorja se elektromagnetni ventil odpre blizu konca profila odmikača, kar vodi v zgodnje zapiranje sesalnega ventila. To preprečuje neželeno vračanje zraka v sesalno cev in povečuje količino zraka, ujetega v valjih.

Pri delni obremenitvi motorja se elektromagnetni ventil odpre prej in povzroči delno odpiranje ventila za nadzor ujetega zraka kot funkcijo zahtevanega navora. Sesalni ventili se lahko delno odprejo tudi z zapiranjem elektromagnetnega ventila po začetku delovanja mehanskega odmikača. V tem primeru zračni tok priteka v valj hitreje in v samem valju ustvarja večje vrtinčenje. Možna je kombinacija zadnjih dveh načinov delovanja v enem samem sesalnem gibu, pri čemer nastaja t. im. način “multilift”, ki spodbuja vrtinčenje in zgorevanje pri zelo nizki obremenitvi.

Prednosti tehnologije multiair

Prednosti tehnologije multiair, ki bi jih bencinski motorji že lahko izkoriščali, lahko povzamemo v naslednjih točkah:

Uporaba tehnologije multiair pri motorjih FPT

Prvi motor na svetu, ki bo uporabljal tehnologijo multiair, bo motor fire 1400 cm3 16V, atmosferski in s turbinskim polnilnikom. Drugi bo nov majhen bencinski motor (dvovaljni SGE – 900 cm3) z na novo oblikovano glavo valja za boljšo povezavo z napravo multiair. Tudi v tem primeru bo na voljo za obe različici, atmosfersko in s turbinskim polnilnikom. Poseben motor s turbinskim polnilnikom bo lahko uporabljal dve vrsti goriva (bencin ali stisnjen zemeljski plin). Kot posledica korenitega zmanjševanja prostornine motorja dosega mali bencinski motor s turbinskim polnilnikom izpust CO2, ki je primerljiv z ravnijo izpusta pri dizelskih motorjih, medtem ko je pri različicah na stisnjen zemeljski plin izpust CO2 pri številnih vozilih manjši od 80 g/km.

Nadaljnje možnosti tehnologije multiair

Nove tehnologije odpirajo vrata v nov svet dodatnih prednosti, ki jih pri prvem rodu navadno ni mogoče polno izkoristi, saj mora biti industrijsko tveganje kar najmanjše. Tehnologija vbrizga goriva s skupnim vodom (common rail), Fiatova svetovna premiera je bila leta 1997, je utrla pot več kot desetletnemu tehnološkemu razvoju. Nastali so multijet za večkratni vbrizg, majhni dizelski motorji in nedavno še tehnologija modularnega vbrizga, ki bo kmalu na trgu. Podobno bo tehnologija multiair, ki jo Fiat premierno predstavlja letos, utrla pot bodočim tehnološkim izboljšavam za bencinske motorje:

Medtem ko so v 70. letih razvili elektronski vbrizg bencina, v 90. letih pa vbrizg dizelskega goriva po skupnem vodu (common rail) in sta to bili vrhunski tehnologiji, namenjeni vsaka eni vrsti goriva, je tehnologija elektronskega nadzora delovanja ventilov namenjena vsem motorjem z notranjim izgorevanjem, ne glede na vrsto goriva, ki jih poganja. Multiair, sprva so ga razvijali za motorje z električnim vžigom, ki jih poganja lahko gorivo, od bencina do stisnjenega zemeljskega plina in vodika, ima velike možnosti tudi pri zmanjševanju izpustov pri dizelskih motorjih.

Znatno zmanjšanje NOx (do 60 %) je mogoče doseči z recirkulacijo izpušnih plinov (iEGR), ki poteka s pomočjo ponovnega odpiranja sesalnih ventilov med izpušnim taktom, medtem ko strategije za optimalni nadzor ventilov med zaganjanjem mrzlega motorja in ogrevanjem prinašajo do 40 % manjši izpust HC in CO. Dodatno pomembno zmanjšanje je posledica učinkovitejšega upravljanja in obnavljanja filtra trdih delcev za dizelske motorje in lovilca NOx, za kar gre zasluga zelo dinamičnemu nadzoru gibanja zračnih tokov med prehodnimi fazami delovanja motorja. Izboljšave zmogljivosti dizelskih motorjev so podobne kot pri bencinskih in izhajajo iz istih fizikalnih principov. Prednosti pri porabi se omejujejo le na nekaj odstotnih točk zaradi majhnih izgub pri dizelskih motorjih, kar je tudi razlog za varčnejšo porabo goriva.

V prihodnosti bi revolucijo v razvoju agregatov lahko prineslo postopno izenačevanje arhitekture bencinskih in dizelskih motorjev. Mogoče je torej zasnovati in razviti glavo valja multiair za optimizacijo pri obeh zgorevnih sistemih, brez odrekanja. Elektrohidravlična naprava multiair je na pogled za oba enaka, z manjšimi razlikami v obdelavi, medtem ko so notranje podkomponente plod izkušenj z uporabo pri motorjih fire in dvovaljnem SGE.