Opisaliśmy niedawno innowacyjną technologię w silnikach benzynowych Camless, oparta na wykorzystaniu elektroniki i elektromechaniki zamiast wałków rozrządu i... paska (łańcuszka) rozrządu. Dziś przypominamy pionierską technologię Fiata Multiair Electronic Valve Control, za którą koncern otrzymał nagrodę i tytuł "Międzynarodowego Silnika Roku 2010".
fot. Krzysztof Golec/Fiat Bravo 1.4 turbo MultiAir
Opracowaną przez Fiata technologię Multiair Electronic Valve Control zastosowano po raz pierwszy do wolnossących i turbodoładowanych 16-zaworowych silników benzynowych Nuovo Fire o pojemności 1400 ccm (140-, 150-, a nawet 180KM).
Początki były trudne
Rozwój technologii common rail w ostatnim dziesięcioleciu spowodował przełom na rynku aut osobowych napędzanych silnikami wysokoprężnymi. Nawet Volkswagen zmienił orientację i zrezygnował z technologii pompowtryskiwaczy na wspomniany common rail.
Grupa Fiata zdecydowała się na takie samo podejście w sektorze silników benzynowych i skoncentrowała się na przełomowych technologiach. Celem było zapewnienie klientom istotnych korzyści w zakresie zużycia paliwa i przyjemności z jazdy, przy jednoczesnym zachowaniu nieodłącznej dla silników benzynowych charakterystyki, przyczyniającej się do komfortu jazdy, a wynikającej z łagodnego procesu spalania mieszanki, programowania kolejnych jego faz czy zastosowania tzw. przedwtrysku.
W przypadku silników iskrowych zasilanych benzyną, kluczowym parametrem kontrolującym proces spalania mieszanki jest ilość oraz charakterystyka powietrza wtłaczanego do komór spalania. Parametry te mają bezpośredni wpływ na wydajność silnika, emisję spalin oraz zużycie paliwa. W konwencjonalnych silnikach iskrowych mieszanka powietrza w cylindrach jest regulowana przez utrzymywanie stałego otwarcia zaworów ssących i utrzymywanie ciśnienia strumienia powietrza zasilającego przez zawór przepustnicy.
Jedną z wad tego prostego mechanizmu jest to, że silnik traci około 10 proc. energii na sprężenie ładunku powietrza w stosunku do dolotowego do ciśnienia atmosferycznego, wylotowego. Przełomowe rozwiązanie kontroli mas powietrza w silnikach benzynowych jest oparte na bezpośrednim dozowaniu ładunku powietrza pod stałym ciśnieniem przy pomocy nowoczesnego elektronicznego układu wykonawczego i sterowaniu zaworami ssącymi za pomocą wałka rozrządu(ków) i paska (łańcuszka) rozrządu.
Badania nad poprawą systemów elektromagnetycznych w układzie rozrządu trwały od dawna
Badania nad rozwojem tej kluczowej technologii rozpoczęto w latach 80-tych ubiegłego wieku, kiedy to pierwsze silniki z zaworami sterowanymi elektronicznie osiągnęły poprawną dojrzałość technologiczną. Początkowo świat koncentrował swoje badania nad koncepcją sterowania elektromagnetycznego, w myśl której otwarcie i zamknięcie zaworu pochodziło od naprzemiennie wzbudzanych górnych i dolnych magnesów ze zworą połączoną z zaworem.
Ta technika sterowania odznaczała się wrodzoną maksymalną elastycznością i dynamiką w zakresie sterowania zaworami, natomiast pomimo kilkudziesięciu lat prac rozwojowych nie udało się przezwyciężyć jej nieodłącznych wad – zawodności oraz wysokiego zapotrzebowania mechanizmów na energię. Dlatego większość firm motoryzacyjnych zaczęła koncentrować swoje wysiłki badawcze na opracowaniu prostszych, niezawodnych i sprawdzonych układów elektromechanicznych opartych na zmianie wzniosu zaworów przy pomocy specjalnych mechanizmów – zwykle w połączeniu z regulatorem faz rozrządu - umożliwiających sterowanie zarówno wzniosem jak i czasem otwarcia zaworu.
fot. Fiat MultiAir
Głównym ograniczeniem tego typu rozwiązań jest niska elastyczność faz otwarcia zaworów i znacznie gorsza dynamika ich reakcji – na przykład wszystkie cylindry silnika są włączane równocześnie, co wyklucza selektywne działanie poszczególnych cylindrów. Wiele podobnych systemów elektromagnetycznego sterowania zaworami zostało wprowadzonych w ciągu ostatnich dziesięciu lat.
W połowie lat 90-tych Grupa Fiata skoncentrowała swoje badania na sterowaniu elektrohydraulicznym, opierając swoją wiedzę zdobytą podczas opracowywania technologii common rail. Celem było osiągniecie pożądanej elastyczności faz otwarcia zaworów sterujących przepływem mas powietrza na zasadzie cylinder po cylindrze, suw po suwie.
Opracowany przez Grupę Fiata mechanizm elektrohydraulicznego sterowania zmiennych faz rozwarcia zaworów jest stosunkowo prosty, zużywa niewiele energii, jest samoistnie odporny na uszkodzenia oraz dość tani w produkcji.
Technika Fiata Multiair: jak to działa?
Zasada działania systemu sterowania zaworami ssącymi jest następująca: tłok poruszany przez wałek rozrządu sterujący zaworami ssącymi jest połączony z zaworem poprzez poduszkę hydrauliczną, sterowaną przez normalnie otwarty dwupołożeniowy elektrozawór. Gdy elektrozawór jest zamknięty, olej w poduszce hydraulicznej zachowuje się jak ciało stałe i przekazuje zaworowi ssącemu przebieg czasowy wzniosu narzucony przez wałek rozrządu. Gdy elektrozawór jest otwarty, poduszka hydrauliczna i zawory ssące nie są połączone ze sobą i zawór, który nie jest już sterowany przez przebieg czasowy wzniosu zamyka się pod działaniem sprężyny. W końcowej fazie skok zaworu jest sterowany przez specjalny hydrauliczny hamulec, zapewniający łagodny i regularny przebieg zmiany faz podczas pracy silnika w każdych warunkach.
Dzięki czasowemu sterowaniu otwarcia/zamknięcia elektrozaworu możliwe jest łatwe uzyskanie szerokiego zakresu optymalnego przebiegu czasowego otwarcia zaworów ssących. W celu maksymalizacji mocy elektrozawór jest zawsze zamknięty, a jego pełne otwarcie jest sterowane całkowicie przez mechaniczny wałek rozrządu, specjalnie zaprojektowany pod kątem maksymalizacji mocy na dużych prędkościach obrotowych silnika. By dostarczyć wysoki moment obrotowy w niskich zakresach obrotów, elektrozawór otwiera się pod koniec profilu krzywki wałka, co pociąga za sobą wcześniejsze zamknięcie zaworu. W konsekwencji następuje wyeliminowanie niepożądanego wstecznego przepływu powietrza do kolektora oraz zwiększenie ilości powietrza uwięzionego w cylindrach.
Podczas pracy silnika z częściowym obciążeniem, elektrozawór jest otwierany wcześniej, co powoduje częściowe otwarcie zaworu, aby mógł sterować masą powietrza w zależności od wymaganego momentu obrotowego. Ewentualnie zawory ssące mogą zostać częściowo otwarte przez zamknięcie elektrozaworu pod działaniem wałka mechanicznego. W tym przypadku strumień powietrza docierający do cylindra jest szybszy i w rezultacie powstają większe turbulencje. Te dwa ostatnie tryby sterowania mogą zachodzić podczas tego samego suwu dolotowego (ssania) i mamy wtedy do czynienia z trybem sterowania „Multilift”, który intensyfikuje turbulencje i prędkość spalania mieszanki przy bardzo niskich obciążeniach.
Korzyści wynikające z rozrządu Multiair
- Maksymalna moc większa o 10 proc. dzięki zastosowaniu bardziej energooszczędnego rozrządu.
- Moment obrotowy przy niskich obrotach jest większy o 15 proc. dzięki wcześniejszemu przymykaniu zaworów ssących, które maksymalizują ilość powietrza uwięzionego w cylindrach.
- Eliminacja strat na bezużyteczne pompowanie powietrza oznacza zmniejszenie zużycia paliwa i emisji CO2 o 10 proc. - zarówno w przypadku silników wolnossących jak i turbodoładowanych o tej samej pojemności skokowej.
- W przypadku silników z rozrządem Multiair „downsized” - czyli o małej pojemności, ale sporej mocy - może zmniejszyć spalanie o 25 proc. w porównaniu do konwencjonalnych silników o tych samych osiągach.
- Optymalne sterowanie zaworów podczas rozgrzewania się silnika i wewnętrzna recyrkulacja spalin, realizowana poprzez ponowne otwieranie się zaworów podczas suwu wydechu, powoduje zmniejszenie poziomu emisji rzędu 40 proc. dla HC/CO i 60 proc. dla NOx.
- Stałe, atmosferyczne ciśnienie powietrza dolotowego w silnikach iskrowych i turbodoładowanych oraz bardzo szybkie sterowanie przepływem mas powietrza cylinder po cylindrze - suw po suwie oznaczają znakomitą elastyczność silnika.
Zastosowanie techniki Multiair w silnikach produkowanych przez Fiat Powertrain Technologies (FPT)
Po raz pierwszy na świecie rozrząd Multiair zastosowano do wolnossących i turbodoładowanych 16-zaworowych silników Nuovo Fire 1400 ccm. Drugie zastosowanie dotyczy niewielkiego dwucylindrowego silnika benzynowego (Small Gasoline Engine, SGE) o pojemności 900 cc, ze specjalną, zoptymalizowaną głowicą cylindrów zintegrowaną z systemem Multiair (dziś to wybrane jednostki Fiata 500 i Abarta TwinAir, a także nowej Pandy czy Fiata Bravo 1.4 MultiAir).
fot. Fiat Multiair
Rozwiązanie to zastosowano również w wersjach wolnossących i turbodoładowanych. Silnik turbodoładowany będzie charakteryzował się tym, że będzie napędzany dwoma rodzajami paliwa - benzyną i sprężonym gazem ziemnym (CNG).
Dzięki zmniejszeniu pojemności turbodoładowany SGE osiąga podobny poziom emisji CO2 jak silniki wysokoprężne, a wersje zasilane gazem ziemnym będą emitowały zaledwie 80g/km CO2.
Dalsze korzyści z rozwoju techniki Multiair
Wszystkie przełomowe technologie otwierają nowy świat dalszych potencjalnych korzyści, które zazwyczaj nie są w pełni wykorzystywane w pierwszych generacjach rozwiązań, co wynika z chęci minimalizacji ryzyka przemysłowego. Światowa premiera opatentowanej przez Fiata techniki common rail* miała miejsce w 1997 roku i utorowała drogę na dalszą dekadę ewolucji technologicznych takich, jak Multijet (i kolejne rozwinięcia aż do Multijet III), SGE czy najnowszej Modular Injection.
*/ należy dodać, że technologi common rail nie została wymyślona przez inżynierów Fiata. Podwaliny tej koncepcji opracowano na uniwersytecie ETH (Eidgenössischen Technischen Hochschule). Jeszcze w okresie międzywojennym właśnie tam był rozwijany i doskonalony common rail (CP1H - pierwsza generacja). Znacznie później systemem tym zainteresowały się koncerny lotnicze w Stanach Zjednoczonych i Magneti Marelli. Ten ostatni koncern był nadwornym dostawca elektroniki i elektrotechniki motoryzacyjnej dla Fiata. W ten sposób powstał najpierw Unijet-Systems dla technologii common rail.
Warto też dodać,że system wtrysku bezposredniego benzyny nie powstał w Ośrodku Badawczo Rozwojowym Fiata czy Magneti Marell, jak wielu sądzi i przypisuje zasługi Włochom. Już w 1823 roku, to nie pomyłka, Rudolf Diesel próbował w fabryce firmy MAN pionierskie konstrukcje z jednostką o wtrysku bezpośrednim! Jednak dopiero w 1923 r. zastosowano pierwszy na świecie wtrysk bezpośredni ON.
Po zakończeniu pierwszej wojny światowej inżynierowie zakładów w Augsburgu i spółka akcyjna budowy maszyn w Norymberdze (po połączeniu powstał gigant MAN) ponownie przystąpili do prac nad udoskonaleniem silnika Diesla. Główny problem, jaki stanowił wtrysk za pomocą sprężonego powietrza i konieczność stosowania sprężarek został w końcu rozwiązany przez inżynierów MANa - tak powstał wtrysk bezpośredni. W roku 1924 na Wystawie Samochodowej w Berlinie firma MAN zaprezentowała pierwszy pojazd ciężarowy napędzany silnikiem Diesla o mocy 45KM, który wkrótce był już produkowany w krótkich seriach.
Zatem przypisywanie Włochom, a szczególnie Fiatowi i Magneti Marelli podstaw tej technologii jest nadużyciem. Trzeba jednak obiektywnie przyznać, że obie firmy zainteresowały się bliżej tą technologią w celu dalszego rozwijania. Tak powstał w 1990 roku pierwszy Fiat Tempra z systemem common rail I generacji. Dokładnie nie wiadomo, dlaczego po kilku latach Fiat i MM nie chciały dalej rozwijać tej technologii. Podano oględnie, że z powodu braku środków odsprzedano ten patent kolejnemu gigantowi firmie BOSCH GmbH.
Podobnie ma się z techniką Multiair, którą Fiat zaprezentował w 2009 roku (a w 2010 otrzymał nagrodę i tytuł "Międzynarodowego Silnika Roku"), a która utoruje drogę do dalszej fali zmian technologicznych w silnikach benzynowych:
- Integracja bezpośredniego sterowania masami powietrza Multiair Direct z bezpośrednim wtryskiem benzyny - w celu dalszej poprawy elastyczności i zmniejszenia zużycia paliwa.
- Wprowadzenie bardziej zaawansowanych wielokrotnych otwarć zaworów w celu redukcji emisji CO2.
- Innowacyjne silniki turbodoładowane przeznaczone do sterowania mas powietrza uwięzionych w cylindrach w połączeniu z optymalizacją ciśnienia doładowania i przebiegiem otwierania zaworów.
fot. Fiat, Multiair
Podobnie jak opracowany w latach 70-tych ubiegłego stulecia elektroniczny wtrysk benzyny, stanowiący swego rodzaju przełom techniki wtrysku oraz system common rail opracowany w latach 90-tych, technika Multiair Electronic Valve Control może znaleźć zastosowanie do spalania wszystkich rodzajów paliw. Opracowana pierwotnie dla silników o zapłonie iskrowym do spalania paliw lekkich poczynając od benzyny, poprzez gaz aż do wodoru może również znaleźć zastosowanie w silnikach wysokoprężnych, przyczyniając się do dalszej redukcji emisji szkodliwych substancji.
Znaczne obniżenie emisji składników toksycznych
Zmniejszenie poziomu emisji NOx do 60 proc. można uzyskać poprzez wewnętrzną recyrkulację spalin (EGR) realizowaną z zaworów wydechowych w trakcie ponownego suwu wydechowego, podczas gdy optymalizacja przebiegu sterowania zaworami podczas zimnego rozruchu silnika i stopniowego zwiększania temperatury może przynieść obniżenie poziomu emisji CO2 i HC o 40 proc.
Dalsze znaczne zmniejszenie emisji pochodzi z bardziej efektywnego zarządzania eksploatacją filtra cząstek stałych i katalizatora zasobnikowego NOx oraz ich regeneracją, dzięki dynamicznie zwiększającej się masie powietrza zasilającej silnik. Polepszenie osiągów silnika wysokoprężnego jest podobne jak w przypadku silnika benzynowego i opiera się na tych samych zasadach fizycznych. Natomiast korzyści w sensie zmniejszonego zużycia paliwa ograniczają się do kilku procent, ze względu na niskie straty na pompowanie w przypadku silników wysokoprężnych, co jest jednym z powodów ich znakomitej ekonomiki.
Źródło: Fiat Auto Poland /marzec 2009/