Tecnología Multiair para motores de Fiat

En el último decenio, el desarrollo de la tecnología Common Rail para motores Diesel ha significado una importantísima evolución tecnológica en el sector de los automóviles y de los vehículos comerciales. Para ser competitivos en el segmento de los motores gasolina, el Grupo Fiat ha decidido adoptar una actitud análoga, basada en la identificación de innovaciones tecnológicas estratégicas. El objetivo es ofrecer al cliente beneficios sustanciales en términos de consumo de combustible y suavidad / agrado de conducción manteniendo, al mismo tiempo, las características de confort intrínsecas de este motor, que derivan de un proceso de combustión fluido y del poco peso de las estructuras y de los componentes.

El parámetro fundamental para el control de la combustión de un motor Diesel, y por lo tanto de sus prestaciones, emisiones y consumo de gasoil, está representado por la cantidad y características del combustible inyectado en los cilindros. Es por esto que el sistema de inyección de control electrónico Common Rail representa un verdadero nuevo paradigma en las tecnologías de motores Diesel de inyección directa.




El parámetro esencial para controlar la combustión de un motor de gasolina y en consecuencia sus prestaciones, emisiones y consumo de combustible, está representado en cambio por la cantidad y características de la carga de aire en los cilindros. En los motores tradicionales, la masa de aire introducida en los cilindros es controlada mediante el funcionamiento de la apertura de las válvulas de aspiración constante y modificando la presión en la máxima apertura, mediante una mariposa. Una de las desventajas de este control tradicional es el desperdicio de alrededor del 10% de la energía útil, a causa de las pérdidas ligadas al bombeo del aire fresco a una presión más baja respecto a la presión atmosférica de descarga.

El salto tecnológico realizado en el control de la masa de aire y, por lo tanto, en las tecnologías de los motores de gasolina, se basa en el control de la carga directamente en el ingreso en los cilindros, mediante un sistema avanzado de actuación electrónica y de control de las válvulas de aspiración, con el mantenimiento de una presión constante en el máximo de los conductos de aspiración.
La investigación que ha llevado a esta gran innovación se remonta a los años ’80, cuando las tecnologías de control electrónico del motor habían llegado a su madurez.

Al principio, los esfuerzos de investigación mundiales estaban dirigidos al concepto de actuación electromagnética, donde la apertura y el cierre de la válvula se obtiene activando alternativamente el electroiman superior e inferior que está conectado a la válvula. Este principio de gestión tenía la ventaja intrínseca de una máxima flexibilidad y de una respuesta dinámica en el control de la válvula. Sin embargo, tras un decenio de importantes esfuerzos de desarrollo, no fue posible superar las principales desventajas de este tipo de tecnología, como su falta de fiabilidad y su elevada absorción de energía.

En este punto, la mayor parte de los fabricantes de coches volvió al desarrollo de conceptos electromecánicos más simples y robustos, basados en la variación de la alzada de las válvulas con mecanismos dedicados, generalmente combinados con variadores de fase, para permitir el control tanto de la alzada de válvula como de la fase. La principal limitación de estos sistemas debe buscarse en el bajo grado de flexibilidad de los regímenes de apertura de las válvulas y en una respuesta dinámica marcadamente inferior, por lo cual, por ejemplo, todos los cilindros de un motor actúan simultáneamente, excluyendo por lo tanto cualquier acción selectiva de los cilindros. En el curso del último decenio se produjeron muchos sistemas de control de las válvulas de esta tipología.
A mitad de los años ’90, la investigación del Grupo Fiat se orientó hacia la actuación electro-hidráulica, aprovechando la experiencia adquirida durante las fases de desarrollo del Common Rail. El objetivo era alcanzar la flexibilidad esperada en los regímenes de apertura de las válvulas y en el control de la masa de aire, cilindro por cilindro y ciclo a ciclo.

La tecnología electro-hidráulica de actuación variable desarrollada por Fiat ha sido elegida por su relativa simplicidad, sus bajos requisitos de potencia, su naturaleza intrínsecamente fiable y su bajo coste potencial.


La tecnología Multiair: su funcionamiento
El principio operativo del sistema aplicado a las válvulas de aspiración es el siguiente: un pistón, accionado por una leva mecánica, es conectado a la válvula de aspiración mediante una cámara hidráulica controlada por una válvula solenoide, del tipo ON/OFF, normalmente abierta.

Cuando la válvula está cerrada, el aceite en la cámara hidráulica se comporta como un cuerpo sólido y transmite a las válvulas de aspiración la ley de alzada impuesta por la leva de aspiración mecánica. Cuando la válvula está abierta, la cámara hidráulica y las válvulas de aspiración están separadas y no siguen a la leva de aspiración, cerrándose por efecto de la fuerza del muelle. La parte final del recorrido de cierre de la válvula es controlada mediante un freno hidráulico específico, que garantiza una fase de cierre suave y regular, en cualquier condición de funcionamiento.

Controlando los instantes de apertura y cierre de la válvula solenoide, es posible obtener fácilmente diferentes funcionamientos óptimos de apertura de las válvulas de aspiración.

Para la potencia máxima, la válvula solenoide está siempre cerrada y la plena apertura de las válvulas se realiza siguiendo completamente la evolución de la leva mecánica, que ha sido optimizada específicamente para la potencia a altos regímenes (tiempos de cierre prolongados).

A bajas revoluciones y carga plena, la válvula solenoide se abre cerca de la extremidad del perfil de la leva, realizando un cierre anticipado de la válvula de aspiración. Esto elimina un reflujo indeseado en el colector y maximiza la masa de aire encerrada en los cilindros.

En las condiciones de carga parcial del motor, la válvula solenoide se abre en forma anticipada (antes de completar el perfil de la leva mecánica) realizando una apertura parcial de las válvulas para controlar la masa de aire introducida según el par requerido. También es posible obtener una apertura parcial de las válvulas, cerrando la válvula solenoide una vez que ya arrancó la leva mecánica. En este caso, el flujo de aire que ingresa en los cilindros tiene una velocidad superior y genera un nivel de turbulencia particularmente elevado dentro de los cilindros.

Es posible combinar estas dos modalidades de actuación para un mismo evento de aspiración, con la modalidad llamada “Multilift”, que aumenta la turbulencia y la velocidad de combustión en cargas y regímenes muy bajos.


Las ventajas de la Tecnología Multiair
Veamos en síntesis las potenciales ventajas de la Tecnología Multiair para motores gasolina:
- Aumento de la potencia máxima en un 10% gracias a la adopción de un perfil de leva mecánica dirigido a la potencia
- Mejora del par en bajo régimen de un 15% mediante estrategias de cierre anticipado de la válvula de admisión, que maximiza el aire introducido en los cilindros
- Eliminación de las pérdidas de bombeo con una reducción del consumo de combustible y de emisiones de CO2 del 10%, tanto en los motores naturalmente aspirados, como en los sobrealimentados de la misma cilindrada
- Los motores Multiair sobrealimentados y de cilindrada reducida (concepto del “downsizing”) pueden alcanzar una mayor eficiencia en términos de consumo de combustible del 25% respecto a los motores naturalmente aspirados, manteniendo el mismo nivel de prestaciones
- La optimización de las estrategias de control de las válvulas en fase de “warm-up” del motor y de recirculación interna de los gases de escape, obtenida mediante la reapertura de las válvulas de aspiración durante la fase de escape, genera una reducción de las emisiones de un 40% de HC/CO y 60% de NOx
- La presión constante del aire en la cámara de los cilindros, atmosférica para los motores naturalmente aspirados y superior para los sobrealimentados, combinada con el control extremadamente rápido de la 0masa de aire, cilindro por cilindro y fase a fase, produce una mejor respuesta dinámica del motor.

Aplicación de la Tecnología Multiair a los motores FPT
La primera aplicación de la tecnología Multiair se encuentra en los motores Fire 1400 cm3 16 válvulas, aspirado y turbocomprimido.

La segunda aplicación estará representada por un nuevo motor de gasolina 900 cm3 bicilindrico (SGE – Small Gasoline Engine), en el que la cámara de los cilindros ha sido optimizada específicamente para la integración de actuador Multiair. También en este caso estará disponible en las versiones aspirada y turbocomprimida.

Estará también a disposición una variante de doble combustible gasolina - metano.
El motor bilicilindrico sobrealimentado de gasolina, con una drástica reducción de la cilindrada, alcanza niveles de emisión de CO2 similares al Diesel. La versión de metano presenta, por su parte emisiones de CO2 inferiores a 80 g/km en muchas aplicaciones.

El potencial posterior de la Tecnología Multiair
Todas las tecnologías innovadoras abren un universo de potenciales ventajas.El Common Rail, un “estreno” mundial Fiat de 1997, preparó el camino a más de diez años de evoluciones tecnológicas como el “Multijet” para las inyecciones múltiples, los motores Diesel de cilindrada reducida y la recientísima tecnología de inyección modular que veremos llegar enseguida al mercado.

La tecnología Multiair, presentada en pre-estreno por Fiat en 2009, preparará el terreno para una serie de evoluciones tecnológicas de los motores de gasolina:
- Integración del control directo de la masa de aire con la inyección directa de gasolina, para mejorar la respuesta transitoria y el ahorro de combustible
- Introducción de avanzadas estrategias de apertura de las válvulas múltiples para reducir las emisiones
- Turbocompresor innovador para el control de la masa de aire introducida a través de la combinación de una presión de alimentación óptima y de estrategias específicas de apertura de las válvulas

Mientras que la inyección electrónica de gasolina desarrollada en los años ’70 y el Common Rail desarrollado en los años ’90 eran tecnologías avanzadas específicamente ligadas a los combustibles, la tecnología de control de las válvulas Multiair puede ser aplicada a los motores de combustión interna independientemente del combustible utilizado.

El Multiair, inicialmente desarrollado para los motores de encendido comandado que utilizan combustibles ligeros como la gasolina, el metano y el hidrógeno, tiene en realidad un amplio potencial de reducción de las emisiones también para los motores Diesel.

Con la recirculación interna de los gases de escape (EGR) a través de la reapertura de las válvulas de aspiración en fase de escape, es posible obtener una reducción de los NOx de hasta el 60%, mientras que las estrategias de control de las válvulas en fase de encendido en frío y “warm-up” llevan hasta un 40% de reducción de HC y CO. Otra reducción sustancial se obtiene de una gestión más eficiente y regeneración del filtro anti-partículas y del catalizador para el almacenaje de los NOx, gracias a un control más dinámico de la masa de aire en fase transitoria del motor.

La mejora en las prestaciones obtenidas en el motor Diesel son similares a los del motor de gasolina, basándose en los mismos principios físicos, mientras que la ventaja en términos de consumo de combustible está limitada a pocos puntos porcentuales a causa de las bajas pérdidas de bombeo del motor Diesel, que constituyen una de las razones de su superior eficiencia.

En el futuro, la evolución de los propulsores podría beneficiarse de una progresiva unificación de las arquitecturas de los motores de gasolina y Diesel.

De este modo, es posible concebir y desarrollar una culata de cilindros unificada, en la que ambos sistemas de combustión puedan estar plenamente optimizados, sin necesidad de compromisos. Además, el gestor electro-hidráulico Multiair es físicamente el mismo, con una diferencia mínima de fabricación, mientras que los sub-componentes internos derivan todos de las aplicaciones Fire y SGE.

Fuente: Fiat | Galería de imágenes