Il funzionamento del nuovo motore Multiair Come funziona il nuovo gioiello montato sulla Mito di: Roberto Petrini Pubblicato il 24/10/2009 (Letture 2425)
Il sistema Multiair, sviluppato dalla Fiat PowerTrain, è un particolare sistema che permette di modulare a piacimento l’alzata delle valvole ottenendo così una erogazione della potenza più fluida ed un sensibile risparmio nei consumi, risparmio che può arrivare fino al 25%. Dopo la tecnologia Common Rail quindi, un’altra innovazione tecnica in casa Fiat. A differenza del Common Rail però, sembra che il gruppo sia intenzionato a sfruttarne in proprio le potenzialità.
Montato per la prima volta sulle Alfa Romeo Mito, il nuovo propulsore sta piano piano motorizzando nuove vetture del gruppo, e già si sente parlare di un nuovo 6 cilindri multiair.
Facciamo ora innanzi tutto un po di teoria. Nei motori tradizionali a benzina, la potenza erogata viene modulata agendo sulla valvola a farfalla, che ha il compito di regolare l’afflusso di miscela aria/benzina (nelle proporzioni stechiometriche di 1 a 14) nel collettore di aspirazione. Regolando questo flusso si regola anche la potenza erogata dal motore.
A valle del condotto di aspirazioni troviamo la valvola di aspirazione che, alla sua apertura, consentirà l’inserimento del combustibile in camera di scoppio. Quando la valvola a farfalla è parzialmente aperta, segno che non si sta richiedendo chissà quale potenza al motore, la valvola apre e resta aperta per un angolo che è esattamente lo stesso di quando richiediamo al motore la massima potenza. Per analogia, la regolazione con la valvola a farfalla corrisponde ad una persona che succhiando una bibita da una cannuccia regola la quantità di liquido che vuole bere non modulando la pressione della aspirazione con la bocca, ma schiacciando la cannuccia stessa. Il risultato è che per succhiare il liquido dovrà fare uno sforzo maggiore, con conseguente spreco di energia. Qualcosa di analogo avviene nel caso di regolazione della potenza mediante valvola a farfalla, e sotto questo punto di vista possiamo quindi affermare che l’uso della valvola a farfalla fa perdere energia al motore aumentando in questo modo consumi ed emissioni in condizioni di scarso carico di potenza, e cioè tipicamente in città.
Tornando alla similitudine della cannuccia, è chiaro che è molto più conveniente regolare la quantità di bibita andando a modulare con la bocca la pressione con la quale si aspira, che nel caso del nostro motore vuole dire modulare e controllare il tempo e l’ampiezza di apertura della valvola di aspirazione. Una soluzione tecnica raffinata ed intelligente ma molto complicata da mettere in atto.
Per fare questo i tecnici della Fiat PowerTrain hanno dovuto lavorare a lungo sulle valvole lato aspirazione ed hanno messo a punto una soluzione al problema altrettanto raffinata e tecnologicamente avanzata.
Le valvole tradizionali
(Vedi anche articolo sulla distribuzione)
Nella maggior parte dei motori a quattro tempi, l’apertura delle valvole è regolata attraverso profili fissi ottenuti attraverso gli eccentrici di camme poste in rotazione in un albero in fase con l’albero motore. La camma ruotando spinge la valvola, direttamente o mediante un sistema di aste e bilancieri, provocandone l’apertura.
Nel tempo numerose sono state le varianti proposte per modificare questo meccanismo di apertura delle valvole; mediante un motorino elettrico (Valvetronic di Bmw), con un pistone idraulico oppure con elettrocalamite. Ma tutte queste soluzioni non si sono mai imposte anche per l’impossibilità di raggiungere sufficiente grado di affidabilità, oltre che per problemi di costo e di ingombro.
Modulare l’apertura delle valvole
La soluzione sviluppata da Fiat viene ottenuta da uno schema tradizionale di gestione delle valvole; albero a cammes, bicchierozzo e valvola modificato dalla aggiunta tra cammes e bicchierozzo un particolare pistone idraulico che può essere pilotato da un comando elettrico esterno attraverso una elettrovalvola. Mediante questa elettrovalvola, andiamo a pompare o a togliere olio dal pistone in modo da modificarne il comportamento; se l’elettrovalvola è chiusa non consentendo all’olio di uscire dal pistone, la forza impressa dall’eccentrico della camme viene trasmessa integralmente al bicchierozzo (in questo caso il pistone lavora come un banale spessore fisso rigido). Quando invece l’elettrovalvola è aperta, consentendo all’olio di uscire dal pistone affluendo in un serbatoio esterno, questo fungerà da ammortizzatore e se l’elettrovalvola resterà aperta per tutto il tempo in cui l’eccentrico imprimerà una forza al pistone, questo non trasmetterà nulla al bicchierozzo lasciando la valvola chiusa. E’ chiaro quindi che se io chiudo l’elettrovalvola con un certo ritardo di tempo rispetto all’inizio della apertuta della valvola dalla camme, riuscirò a modulare l’apertura della valvola sia in termini di apertura che in termini di angolo di apertura.
Addio valvola a farfalla?
Sulla base delle considerazioni che abbiamo posto, è chiaro che la farfalla sui motori Multiair non è necessaria. La potenza del motore viene modulata andando ad influire sul tempo di ritardo con il quale viene chiusa l’elettrovalvola che abbiamo descritto nel paragrafo precedente. Il guidatore, mediante l’acceleratore cambierà attraverso una centralina questo tempo di ritardo che andrà da un valore minimo di zero (acceleratore spalancato, massima apertura delle valvole) ad un valore massimo in condizioni di regime minimo.
Questo il funzionamento teorico del sistema. In pratica occorre però fare i conti con la situazione reale, nella quale non sappiamo esattamente le modalità di apertura della valvola in funzione di fattori esterni e ambientali. Il sistema infatti permette di scegliere quando inviare il comando per aprire o chiudere la valvola, ma non si può conoscere esattamente quando e se questo avverrà, né può essere misurata la posizione che la valvola raggiunge. Questo aspetto si enfatizza se si considera che la comprimibilità dell'olio varia con la temperatura e con il suo grado di invecchiamento, e ciò influisce sul ritardo tra il comando e l'effettiva apertura. Quindi, probabilmente per scelte legate alla sicurezza, nonostante che i motori Multiair non necessitano della valvola a farfalla, in realtà la farfalla è ancora presente ma ora è elettro-attuata, quindi non è più gestita dal guidatore attraverso il pedale dell'acceleratore. Probabilmente, anche se la Fiat non ha rilasciato documentazioni tecniche al riguardo, la presenza della farfalla aiuta nelle condizioni critiche.
Le strategie di apertura delle valvole sono definite in base alla condizione operativa del motore. In particolare ai bassi giri con poco acceleratore le valvole sono aperte in ritardo e chiuse in anticipo per ottenere una bassa alzata e quindi una piccola portata.
Quando si chiede coppia al motore partendo da bassi giri, viene raggiunta l'alzata massima ma la chiusura della valvola viene anticipata. Ciò permette di ridurre l'incrocio con la valvola di scarico, migliorando la carica d'aria ai bassi regimi.
Nelle zone di funzionamento intermedio, il sistema può effettuare le doppie aperture (multi-lift) che creano una maggiore turbolenza favorendo la miscelazione di aria e benzina per ottenere una migliore combustione.
Uno dei punti di forza di questo nuovo sistema multiair, sta anche nella sua realizzazione. Come abbiamo visto finora, il sistema si basa sulla modulazione dell’apertura delle valvole lato aspirazione e quindi solo in questa zona vengono concentrate le modifiche rispetto ad un motore tradizionale. Il multiair è formato da una sovratestata che si pone nella zona dove normalmente è presente l'asse a camme delle valvole di aspirazione, come visibile nello spaccato del motore. Sull'asse a camme posteriore sono aggiunte le camme per il Multiair.
In definitiva il sistema ha ingombri ridotti e si passa da un motore classico ad un Multiair semplicemente sostituendo l'albero a camme classico con questa sovratestata. In termini industriali questa soluzioni ha vantaggi notevoli.
Come il Common Rail
La rivoluzione della tecnologia MultiAir in Fiat è stata paragonata a quella introdotta a suo tempo dal Common Rail, altra soluzione "Made in Italy" poi ceduta a Bosch.
A ben vedere il confronto non è del tutto campato in aria; i motori diesel infatti lavorano con carica d'aria massima e regolano solo la quantità di combustibile. Per ottenere una flessibilità analoga anche sui benzina era necessario un sistema che consentisse di regolare sia l'aria che la benzina immessa nel motore.
Un ulteriore aspetto interessante nella tecnologia MultiAir è rappresentato dalla possibilità di applicarlo anche ai motori diesel. L'idea è quella di gestire almeno in parte l'aria immessa nei cilindri riducendo la formazione degli ossidi di azoto, condizione necessaria per rientrare nelle normative Euro VI.
Da quanto sembra, Fiat, almeno sul breve periodo, non cederà il brevetto a terzi come successe per il Common Rail. Ma lo utilizzerà esclusivamente sulle auto del proprio gruppo o al massimo ne venderà una "licenza di utilizzo" ai propri partner.
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