Podczas konferencji na targach w Genewie przedstawiciele grupy Fiata zaprezentowali działanie nowej technologii MultiAir, którą jako pierwsi zaprojektowali Włosi. Jak twierdzi Fiat w przyszłości ta technologia ma byą tak pospolita jak dzisiaj Common Rail. Zamieszczamy tłumaczenie publikacji prasowej Grupy Fiat: Historia
W ostatnim dziesięcioleciu rozwój technologii Common Rail spowodował przełom w samochodach osobowych napędzanych silnikami Diesla. Aby silniki benzynowe były konkurencyjne Grupa Fiat zdecydowała się na takie samo podejście i skoncentrowała się na przełomowych technologiach. Celem było zapewnienie klientom korzyści w zakresie zużycia paliwa, frajdy z jazdy i komfortu wynikającej z procesu płynnego spalania mieszanki.
Kluczowym parametrem sterowania silników Diesla, a tym samym ograniczenie spalania, emisji CO i zużycia paliwa jest optymalne sterowanie paliwem wtryskiwanym do cylindrów. Dlatego też elektroniczny system wtryskowy Common Rail był podstawą do przełomu w technologiach silników napędzanych olejem napędowym.
W konwencjonalnych silnikach iskrowych masy powietrza uwięzione w cylindrach są kontrolowane przez zawory wlotowe i dostosowanie ciśnienia powietrza przez zawór przepustnicy. Jedną z wad tego prostego mechanizmu jest to, że silnik traci koło 10% energii na unoszenie zaworów wydechowych. Przełomowe rozwiązanie kontroli mas powietrza w silnikach benzynowych jest oparte na elektronicznym sterowaniu ładunkiem powietrza o stałym ciśnieniu, docierającym do cylindra przez kanaliki dolotowe kontrolowane przez rozwarcie zaworów.
Kluczowe badania nad rozwojem tej technologii rozpoczęto w latach 80-tych, kiedy pierwsze silniki, w których zawory były sterowane elektronicznie przynosiły rezultaty. Początkowo cały świat koncentrował swoje badania nad koncepcją elektromagnetycznego sterowania. Otwarcie i zamknięcie zaworu było otrzymywane przez alternatywnie energtyzujące się górne i dolne magnezy ze zworą połacząną z zaworami. Ta technologia zapewniała maksymalna elastycznośc i dynamiczną reakcję kontroli zaworów, ale mimo dekad prac nad poprawieniem wad nie udało się ich poprawią do tego stopnia, by można je zastosowaą w seryjnej produkcji. Naprawy tych silników były niebezpieczne dla ludzi, a sam mechanizm pochłaniał wiele energii.
Obecnie wiekszośą firm motoryzacyjnych koncentruje się na projektowaniu prostszych, ale solidnych systemów z elektromagnesem bazującym na mechaniźmie zmiennych faz rozrządu. Główną wadą tego rozwiązania jest niska elastycznośą harmonogramu kontroli rozwarcia zaworów i znacznie wolniejsza reakcja. Przykładowo wszystkie cylindry silnika są włączane w systemie, wykluczając włączanie jednego cylindra po drugim. Wiele takich systemów elektromagnetycznego sterowania zaworami zostało wprowadzonych ciągu ostatnich dziesięcu lat.
Grupa Fiat w połowie lat 90-tych skoncentrowała swoje badania na elektro-hydraulicznym sterowaniu opierając swoją wiedzę na zaprojektowanej technologii Common Rail. Celem było osiągniecię względnie dobrego harmonogramu elastyczności otwarcia zworów kontrolujących przepływ mas powietrza – cylinder po cylindrze, suw po suwie. Opracowany mechanizm elektro-hydraulicznego sterowania zmiennych faz rozwarcia zaworów opracowanym przez Grupę Fiata jest względnie prosty, pobiera mało mocy, nie jest niebezpieczny, ale jest za to tani w produkcji. Jak to działa?
Zasada działania systemu kontrolowania zaworów wlotowych jest następująca: tłok poruszany przez wałek rozrządku wlotowy jest połączony z zaworotem wlotowym przez hydrauliczną komorę, która jest kontrolowana przez otwierający/zamykający się zawór elektromagnetyczny. Kiedy zawór elektromagnetyczny jest zamknięty olej w hydraulicznej komorze zachowuje się jak ciało stałe i przekazuje zaworowi wlotowemu plan uniesiania po przez odziaływanie wlotowego wałka rozrządczego. Gdy zawór elektromagnetyczny jest otwarty hydrauliczna komora i zawory dolotowe są rozłączane; zawór wlotowy nie podąża dalej i zamyka się. W końcowej fazie skok zaworu jest kontrolowany przez hydrauliczny spowalniacz, zapewniając miękkie i regularne zmiany faz podczas pracy silnika w każdych warunkach. Dzięki kontroli rozwarcia/przymknięcia zaworu kontrolowanego przez elektromagnes, optymalny czas suwu zaworów dolotowych może byą łatwo uzyskany.
W celu maksymalizacji generowanej mocy zawór elektromagnetyczny jest zawsze zamknięty i pełne otwarcie zaworu jest osiągane za pomocą mechanicznych wałków, które zostały specjalnie zaprojektowane, by zwiększyą moc podczas dużych prędkości obrotowych silnika.
By dostarczyą wysoki moment obrotowy w niskich zakresach obrotów elektromagnetyczny zawór jest otwarty blisko końca krzywki wałka, prowadząc do wczesnego przymknięcia zaworu. W efekcie następuje eliminacja niepożądanego cofania powietrza do kolektora i zwiększenie ilości powietrza uwięzionego w cylindrach.
W średnich obciążeniach silnika zawór elektromagnetyczny jest otwierany wcześniej powodując częściowe otwarcie zaworu do kontroli mas powietrza w zależności od wymaganego momentu obrotowego.
Ewentualnie zawór dolotowy może byą częściowo otwarty przez zamknięcie zaworu elektromagnetycznego przez mechaniczny wałek. W tym przypadku strumień powietrza docierający do cylindra jest szybszy i w rezultacie powstają większe zawirowania.
Dwa ostatnie aktualizacje trybów mogą byą łączone w tym samym suwie wlotowym tworząc tzw. tryb Multilift, który zwiększa możliwośą zawirowań i spalania mieszanki przy bardzo niskich obciążeniach. Korzyści
Korzyści z zastosowania technologii Multiair w silnikach benzynowych można podsumowaą następująco:
- Maksymalna moc wzrosła o 10% dzięki przejęciu zasilania sterwania zaworów przez krzywki wałków mechanicznych.
- Moment obrotowych przy niskich obrotach jest większy o 15% dzięki wcześniejszemu przymykaniu zaworów wlotowych, które zwiększają ilośą powietrza uwięziono w cylindrach.
- Eliminacja strat w wyniku procesu pomowania przynosci zmniejszenie zużycia paliwa i emisji Co2 o 10% zarówno w silnikach bezsprężarkowych jak i turbodoładowanych o tych samych pojemnościach.
- Zredukowana pojemnośą silników z technologią Multiair może zmniejszyą spalanie o 25% w porównaniu do konwencjonaych silników o tej samej mocy i momencie.
- Optymalna kontrola zaworów podczas rozgrzewania się silnika i wewnetrzna recyrkulacja spalin, realizowana po przez ponowne otwieranie się zaworów podczas suwów wylotowych. W rezultacie emisja spalin została zredukowana od 40% dla HC/Co do 60% dla NOx.
- Stałe ciśnienie powietrza w silnikach iskrowych i doładowanych wraz z bardzo szybkim przeływem powietrza cylinder po cylindrze – suw po suwie przyśpiesza reakcje silnika na pedał gazu.
Zastosowanie technologii w silnikach FPT
Pierwsze na świecie zastosowanie technologii Multiair odbyło się w silniku Fire 1400cm3 16V, bezprężarkowym i turbodoładowanym.
Drugie zastosowanie będzie miało w małych silnikach benzynowych, dwucylindrowych SGE o pojemności 900cm3, gdzie głowica cylindra została specjalnie zaprojektowana by byą zintegrowana z systemem Multiair. Bea zarówno wersje turbodoładowane i wolnossące. Silnik turbodoładowany będzie charakteryzował się tym, że będzie napędzany dwoma rodzajami paliwa – benzyną i gazem.
Dzięki zmniejszeniu pojemności turbodoładowany SGE osiągne podobny poziom emisji Co2 jak silniki Diesla, a wersje zasilane gazem ziemnym będą emitowały zaledwie 80g/km Co2. Dalsze korzyści z rozwoju technologii Wszystkie przełomowe technologie, które mają swoje premiery niosą za sobą dalesze korzyści, które zazwyczaj nie są w pełni wykorzystywane w pierwszym etapie produkcji, w celu minimalizacji ryzyka przemysłowego. Światowa premiera Common Rail odbyła się w 1997 roku, kiedy Grupa Fiat utorowała drogę na dalsza dekadę ewolucji takich technologii jak Mujtijet, Modular Injection czy małych silników Diesla, które niedługo trafią na rynek.
Również premiera Multiar, która Fiat zaprezentował w 2009 utoruje drogę do dalszej fali zmian technologicznych dla silników benzynowych:
- Integracja z Multiair z bezpośrednim wtrysku benzyny do dalszej poprawy elastyczności i zużycia paliwa.
- wprowadzenie bardziej zaawansowanych wielokrotnych rozwarą zaworów w celu redukcji emisji Co2.
- Innowacyjne silniki turbodoładowane cechujące się kontrolą mas powietrza uwięzionych w cylindrach połączane z optymalnym ciśnieniem doładowania i otwrciem zaworów.
Tak jak elektroniczny wtrysk benzyny zaprojektowany w latach 70-tych i Common Rail zaprojektowany w latach 90-tych, technologia Multiair może byą zastosowana do spalania wszystkich rodzajów paliw. Pierowtnie opracowano go dla silników o zapłonie iskrowym, do spalania paliw lekkich poczynając od benzyny, przez gaz aż do wodoru. Technologia może wpłynąą na dalsza redukcję emisji szkodliwych substancji przez silniki Diesla.
Stopień redukcji NOx do 60% można uzyskaą poprzez wewnętrzne recyrkulacja spalin (iEGR) realizowane z zaworów wlotu spalin podczas ponownego suwu wydechowego. Podczas startu i stopniowej zwiększania temperautry redukcja wynosi 40% redukcji Co2 i HC. Dalsze znaczne zmniejszenie pochodzi z bardziej efektywnego zarządzania i regeneracji filtra cząstek stałych do silników Diesla i NOx Storage Catalyst, dzieki dynamicznie zwiększającej się masie powietrza zasilającej silnik. Poprawa parametrów w silnikach Diesla jest podobna do tych z silników benzynowych i opiera się na tych samych fizycznych zasadach.
W przyszłości napęd technicznie może korzystaą ze stopniowego ujednolicenia architektur silników benzynowych i silników diesla.
Głowica cylindra w silnikach Multiair można byc rozwinijana, gdzie oba systemy spalania mogą byą w pełni zoptymalizowany bez kompromisów.
Ponadto elektro-hydrauliczne siłowniki jest fizycznie takie same, z niewielkimi różnicami obróbki, natomiast wewnętrzne pod składników są przenoszone z silników Fire i SGE. [nggallery id=7] Źródło: Biuro prasowe Fiat Group