Techniczna rewolucja u Fiata

Dlatego też elektroniczny system wtryskowy Common Rail stał się podstawą do przełomu w technologii wytwarzania silników zasilanych olejem napędowym. W przypadku siników 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 masa powietrza "uwięziona" w cylindrach jest sterowana przez utrzymywanie stałego otwarcia zaworów ssących i regulowanie ciśnienia strumienia powietrza zasilającego przez zawór przepustnicy. Jedną z wad tego prostego mechanizmu jest to, że silnik traci około 10% energii na sprężenie ładunku powietrza 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. Badania nad rozwojem tej kluczowej technologii rozpoczęto w latach 80-tych, kiedy to pierwsze silniki z zaworami sterowanymi elektronicznie osiągnęły stan "dojrzałych" technologii.

Początkowo cały 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.

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.

Opracowany przez Grupę Fiata mechanizm elektrohydraulicznego sterowania zmiennych faz rozwarcia zaworów jest stosunkowo prosty, zużywa niewiele energii, jest samoistnie odporny na uszkodzenia oraz tani w produkcji. 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.

Jakie korzyści niesie za sobą takie rozwiązanie:

- maksymalna moc jest większa o 10% dzięki zastosowaniu bardziej energooszczędnego rozrządu

- moment obrotowy przy niskich obrotach jest większy o 15% 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% - 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% 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% dla HC/CO i 60% 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.

Rozwiązanie te znajdzie zastosowanie w nowym fiatowskim dwucylindrowym silniku benzynowym o poj. 900 ccm, którego produkcja jest przygotowywana w nowej Spółce Fiat Powetrain w Bielsku-Białej.