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Titolo: [TECNICA] Uniair

 
In un prossimo futuro il limite di 140g/100km di CO2 assumerà un importanza 
fondamentale nella diffusione dei motori a benzina, per cui diventerà 
essenziale ridurre al massimo le perdite, così da ridurre i consumi, e, 
quindi, anche le emissioni.
Le perdite più importanti in un motore a benzina, e quindi quelle da ridurre 
in modo più massiccio, sono quelle di pompaggio a basso carico.
Le tecnologie messe a punto per questo scopo sono:
- Diluizione carica tramite pesanti EGR (detto metodo stechiometrico).
- Diluizione carica con aria (detto metodo di combustione magra 
stratificata).
- Controllo del carico senza la valvola a farfalla tramite la regolazione 
variabile dell`alzata delle valvole.
- L`iniezione diretta di benzina (GDI), che accresce sia il potenziale sia 
la flessibilità di tutti i metodi mostrati sopra.
Durante gli ultimi 5 anni i costruttori europei hanno lavorato intensamente 
sulla iniezione diretta di carburante a carica magra, e l`esperienza 
acquisita finora conduce alla generale ed accettata opiniione che i problemi 
tecnici, legati sopratutto a problemi di sviluppo, fossero stati 
sottovalutati e che di conseguenza la riduzione reale dei consumi sia più 
bassa di quando inzialmente teorizzato.
Nonostante la sua utilità relativa, è previsto che la tecnologia GDI 
aumenterà la sua diffusione entro i prossimi anni proprio per le sue 
potenzialità, che rimangono comunque superiori, rispetto agli attuali motori 
a iniezione indiretta, in termini di maggiori performance, minori emissioni 
e migliore sistema di controllo. Una effettiva riduzione dei costi deve 
comunque essere raggiunta, al fine di massimizzare i vantaggi di tale 
soluzione.
In questo contesto il concetto di attuazione variabile delle valvole, con 
l`assenza della valvola a farfalla per il controllo del carico motore, 
mostra decisi vantaggi rispetto ad un tradizionale sistema, rendendosi 
adatto a permettere l`adeguamento a misure restrittive maggiori in campo di 
emissioni senza peraltro avere l`impatto di ulteriori costi di sviluppo; al 
contrario l`aumento di flessibilità diminuirà la necessità di utilizzare 
materiali nobili (e quindi costosi) per il catalizzatore.
In particolare, questo articolo focalizza l`attenzione sulla tecnologia per 
il controllo delle valvole denominata UNIAIR, sviluppata dal CRF (Centro 
Ricerche Fiat) durante gli ultimi 10 anni.
Dopo aver risolto tutti i problemi di ordine tecnologico che ne impedivano 
un pieno sfruttamento, questa tecnologia è pronta per essere 
industrializzata. Gli ultimi risultati ottenuti e qui riportati sono stati 
ottenuti da una recente applicazione dell`Uniair su un 4 cilindri, 2 litri 
di cilindrata alimentato a benzina dove per ottimizzare l`intero ciclo di 
combustione, minimizzando quindi l`emissione di gas inquinanti, vengono 
gestiti in modo flessibile sia l`attuazione dell`apertura di ogni singola 
valvola sia la sua chiusura.
Vengono inoltre descritti gli sviluppi di alcune tecnologie di compensazione 
per recuperare alcuni errori di valutazione nell`immissione dell`aria.
Per quanto riguarda i veicoli, l`acquisizione di tali conoscenze riguardo ai 
motori senza farfalla ha portato ad alcuni benifici, con un risparmio di 
carburante dell`ordine del 9%, una coppia molto costante nell`arco dei giri, 
un aumento di potenza massima e una buona riduzione delle emissioni 
inquinanti.
La capacità dei motori Uniair di poter essere avviati a -25°C è stata 
dimostrata essere molto simile a quella, nelle stesse condizioni, di un 
normale motore con farfalla.
Lo studio dell`integrazione della tecnologia Uniair permetterà, inolte, di 
esplorare l`opportunità di una maggiore integrazione delle nuove e avazate 
strategie di controllo dell`aria con il tradizionale software di controllo 
motore.
La Tecnologia dell`attuatore UNIAIR
La tecnologia di attuazione elettro-idraulica delle valvole, sviluppata dal 
CRF, è basata sul principio del "moto perso", che è stato scelto per la sua 
semplicità, bassa richiesta di potenza, la sua natura affidabile e i bassi 
costi. Un ulteriore punto importante, al contrario di altri sistemi 
concorrenti, era la possibilità di applicare tale tecnologia anche a motori 
a gasolio.
Lo schema di principio operativo è visibile in figura 1.
La tecnologia UNIAIR in un motore a benzina è però applicata esclusivamente 
alle valvole di aspirazione, poichè il rapporto costo/prestazioni per una 
applicazione anche alle valvole di scarico è ancora troppo elevato.
Il pistoncino della punteria e la valvola di aspirazione sono connesse 
tramite una camera piena d`olio, che è a sua volta controllata da una 
normale valvola di apertura/chiusura a solenoide.
Quando la valvola a solenoide è chiusa (ovvero attiva) la valvola di 
aspirazione segue il moto della camma, realizzando la piena alzata della 
stessa.
La chiusura anticipata della valvola di aspirazione (EIVC) si ottiene 
aprendo (ovvero disattivando) la valvola a solenoide ad un certo angolo 
della camma facendo sì che l`olio contenuto nella camera fluisca rapidamente 
nel canale a bassa pressione.
Il movimento della valvola viene cosi disaccoppiato dal movimento della 
punteria e, forzato dalla molla, la valvola chiude più rapidamente rispetto 
ad un sistema tradizionale ed il rientro morbido nella sua sede viene 
assicurato tramite un`unità di freno idraulica.
Durante la seguente ricarca della camera d`olio ad alta pressione, l`olio 
scorre indietro grazie alll`apertura della valvola a solenoide.
In modo analogo, l`apertura ritardata della valvola d`aspirazione (LIVO) può 
essere raggiunta ritardando l`attivazione del solenoide.
In figura 2 è possibile vedere il dettaglio dell`alzata della valvola.
Questa flessibilità di controllo porta ai seguenti benefici:
- Ottimizzare il coefficiente di riempimento lungo tutto l`arco di giri del 
motore.
- Eliminazione della valvola a farfalla e del relativo effetto "ostruente".
- Controllo dinamico cilindro per cilindro della quantità di aria entrante.
- Controllo specifico per ogni cilindro delle turbolenze.
- Riduzione delle inerzie.
Il disegno dell`attuatore è stato studiato in modo da ottenere tutte le 
funzioni sopra illustrate, migliorare la robustezza del sistema, ridurre i 
costi, la complessità e minimizzare l`impatto sulla configurazione di una 
testa convenzionale, rendendo possibile montare il sistema senza dover 
riprogettare da testata motore.
Le linee guida del progetto erano orientate a raggiungere i seguenti 
obietivi:
- Usare olio tradizionale con minore manutenzione del sistema di 
lubrificazione
- Ridurre le masse rotanti minimizzando i consumi di energia meccanica
- Ridurre la dipendenza della performance dell`attuatore dalla viscosità del 
lubrificante
- Eliminare le necessità di manutenzione di ogni tipo per l`attuatore
Il problema della lubrificazione è stato risolto con l`adozione di 
specifiche soluzioni per garantire il completo rabbocco della camera d`olio 
ad alta pressione in ogni condizione, quindi assicurando la regolare e 
controllabile operatività. In particolare sono state introdotte alcune 
sacche di olio all`interno del sistema, allocate in posizioni adatte a 
mantenere una adeguata quantità d`olio dopo lo spegnimento del motore. Il 
sistema è stato inoltre munito di ugelli di sfiato al fine di garantire la 
completa fuoriuscita di aria dall`interno dell`attuatore.
L`architettura di questo sistema permette un`industrializzazione basata 
sull`assemblaggio di componenti lavorate, assemblate e testate 
separatamente.
In figura 3 è visibile un esempio di un unità di attuazione.
Le performance dell`UNIAIR
Durante gli anni si sono succedute molte sperimentazioni del sistema, al 
fine di ottenere i seguenti obiettivi:
- Estensione dell`affidabilità del sistema fino agli alti regimi di 
rotazione del motore
- Estensione dell`affidabilità del sistema anche a temperature molto basse
- Rientro delicato della valvola nella sede in ogni condizione operativa
- Basso spreco di energia
- Un preciso controllo dell`aria ad ogni carico/giri motore
- Allineare la durata di efficenza della valvola a solenoide alla durata di 
efficenza degli altri componenti del propulsore
L`obiettivo primario di questo progetto era quello di ottenere piena 
capacità di controllo fino a 7000 giri/min, ed è stato raggiunto, 
dimostrando inoltre che il potenziale dell`intero sistema può superare gli 
8000 giri/min.
L`intervallo di temperatura esterna tollerato dal sistema viene fissato tra 
i -30° e i +150°, dato che oltre gli estremi di questo intervallo 
intervengono problemi difficilmente risolvibili riguardanti la variazione di 
viscosità dell`olio.
In particolare, il solenoide è stato migliorato per garatire il corretto 
funzionamento a basse temperature mentre i parametri dei componenti interni 
sono stati ottimizzati per diminuire eventuali frizioni, ed inoltre sono 
state trovate soluzioni per garantire un certo riscaldamento dell`olio nella 
camera ad alta pressione
Alla fine è stato possibile dimostrare l`operatività del sistema anche a 
temperature inferiori ai -30°C grazie a un olio 10W40.
La viscosità dell`olio può avere effetti drammatici sul funzionamento del 
freno idraulico: una bassa viscosità fa aumentare la velocità di rientro 
della valvola nella sede incrementando il rumore, mentre una viscosità 
troppo alta può portare ad un ritardo troppo lungo nella chiusura della 
valvola. Gli sforzi sono stati concentrati al fine di progettare un freno 
che fosse il meno possibile sensibile alla viscosità dell`olio.
La potenza netta assorbita dall`UNIAIR in certe condizioni di carico è più 
alta rispetto a quella di un sistema di distribuzione convenzionale, e ciò è 
principalmente dovuto alla perdita durante la fase di disaccoppiamento della 
valvola.
La figura 4 riporta i risultati di un esperimento compiuto su un 4 cilindri 
dotato di UNIAIR a 2000 giri/min, in condizioni di marcia, comparato al 
consumo di potenza del medesimo motore alimentato da un sistema di 
distribuzione tradizionale.
La richiesta totale viene mostrata per il controllo del`EIVC, separando gli 
effetti di frizione della camma, momento perso e energia elettrica 
consumata.
Ci sono 3 differenti zone, in funzione del carico del motore (o angolo di 
chiusura delle valvole).
Nell`operazione di piena alzata (A) non c`è movimento perso, ma l`uso di 
energia elettrica per l`attuazione del solenoide fa sì che il consumo di 
energia elettrica sia più alto; poi, durante l`EIVC (B), c`è un forte 
contributo del "movimento perso" che fa incrementare il consumo di energia 
nella soluzione UNIAIR.
Al contrario, nella parte C, a causa del piccolo spostamento richiesto dalle 
valvole, l`energia totale consumata è più bassa rispetto a quella di un 
motore tradizionale e l`analisi del ciclo ha mostrato che più del 90% delle 
operazioni del motore sono riferite alla parte C del diagramma
Il consumo elettrico delle attuali valvole a solenoide, per un motore a 4 
cilindri, vanno dai 130W sino ai 250W in condizioni di pieno carico ma 
ulteriori riduzioni saranno possibili con l`indroduzione di valvole a 
solenoidi di seconda generazione.
Al fine di soddisfare le severe norme in materia di inquinamento è 
fondamentale avere un ottimo controllo della quantità d`aria, percui, per 
prima cosa, è stato sviluppato un modello di algoritmo adatto a compensare 
gli effetti del cambiamento della viscosità dell`olio su l`attuazione delle 
valvole, durante l`accensione a freddo del motore. L`errore massimo che può 
essere commesso come quantità d`aria intrappolata durante questa fase è 
minore del 3% e può essere facilmente compensata da una semplice sonda 
lamba.
Oltre alla fase di riscaldamento iniziale esistono 3 altri fattori che 
influiscono sulla precisione del controllo dell`aria: la dispersione nel 
movimento delle valvole fra attuatori differenti, la ripetizione ciclo dopo 
ciclo della stessa operazione dell`attuatore e la durata a lungo termine dei 
componenti di comando.
Il peggior caso di dispersione di quantità d`aria in un punto di lavoro 
critico fra differenti attuatori è nell`ordine del 3-4% e circa il 90% delle 
alzate misurate sono vicine ai valori richiesti, ad indicare bassissime 
dispersioni d`aria.
Durante i test di durata, che hanno sottolineato la capacità del solenoide 
di reggere oltre i 300 milioni di cicli senza problemi, sono stati 
effettuati controlli del movimento delle valvole che hanno dimostrato la 
precisione di questo sistema anche dopo molto lavoro (ad esempio è stato 
misurato uno sfasamento un 1° di anticipo durante la fase di chiusura della 
valvola solo dopo 600 ore di test severi e continui).
Sistema di controllo motore
In un motore dotato di valvola a farfalla l`Engine Control controlla 
sinergicamente e simultaneamente tutti i parametri relativi alla combustione 
attraverso il monitoraggio di vari sottosistemi, come ad esempio l`iniezione 
carburante, il debimetro per il controllo della quantità d`aria, le bobine 
di accensione, la valvola EGR, oltre ad una eventuale sovralimentazione.
In figura 5 è visibile lo schema dell`Engine Control del sistema UNIAIR.
Per la prima applicazione industriale dell`UNIAIR è stato adottato un 
approccio molto flessibile, che ha portato l`UNIAIR Engine Control ad essere 
formato da due unità distinte, l`Air Control e l`Engine Control.
L` "Air Control" controlla l`attuazione elettro-idraulica delle valvole al 
fine di controllare la quantità d`aria (massa) e la qualità dell`aria 
(turbolenze).
L` "Engine Control" invece gestisce tutti i parametri riguardanti la 
combustione, comunicando con l`unita Air Control tramite e veloce linea CAN.
Quando l`Engine Control riceve una richiesta, che avviene tramite la 
pressione sul pedale dell`accelleratore da parte del guidatore, la richiesta 
viene convertita in una certa massa d`aria che viene monitorata dall`Air 
Control il quale, controllando l`alzata delle valvole in funzione delle 
condizioni dell`olio e dello stato del motore, adeguerà l`azionamento.
L`Air Control si incarica quindi di dialogare costantemente con l`Engine 
Control per rendergli noto lo stato dei diversi componenti meccanici, 
ottimizzando di conseguenza tutti i vari parametri.
L`alzata indipendente delle 2 valvole di aspirazione permette inoltre un 
controllo ancora più accurato sulle caratteristiche della combustione.
La figura 6 mostra una mappa delle possibili strategie di controllo delle 
valvole in funzione delle condizioni del motore. Nel caso di massimo carico 
e massima potenza erogata la strategia più efficacie è quella di operare 
nella modalità di piena alzata, mentre riducendo la velocità di rotazione la 
chiusura delle valvole di aspirazione deve essere anticipata per aumentare 
il riempimento volumetrico.
E` possibile individuare strategie per ottimizzare al meglio la combustione 
e l`efficenza della nostra macchina termica.
La condizione LIVO (Late Intake Valve Opening - apertura ritardata delle 
valvole di aspirazione) ha un impatto positivo sulla combustione e 
sull`efficenza meccanica, anche se possono venire generate perdite di 
pompaggio.
In caso di EIVC (Early Intake Valve Closing - chiusura anticipata delle 
valvole di aspirazione) di entrambe le valvole la combustione può essere 
invece sprecata a causa della sovraespansione della carica prima della 
compressione, la quale raggiunge bassi valori di pressione e temperatura 
all`interno della camera di combustione. Ciò è negativo per quanto riguarda 
il risparmio di carburante e l`emissione di HC, anche se, teoricamente, è la 
migliore strategia per ridurre le perdite di pompaggio.
E` stato provato però che esiste una strada che permette di recuperare una 
parte delle perdite sopra citate tramite un piccolo cambiamento dell`angolo 
di chiusura delle valvole.
E` quindi interessante la strategia di far funzionare solo una delle due 
valvole in modalità EIVC: i benefici di forti turbolenze sono combinati con 
bassi consumi di energia.
La strategia vincente risulta quindi combinare il vantaggio delle basse 
perdite di pompaggio del controllo EIVC con il miglioramento delle 
turbolenze, e quindi della combustione, fornito dal controllo LIVO. 
Definendo correttamente il profilo di alzata di ogni valvola è possibile 
controllare anche l`indice di calore rilasciato.
Sono state sviluppate anche strategie per recuperare eventuali errori di 
quantificazione dell`aria tramite un sistema di correzione basato sul 
segnale HFM: viene definita una stima affidabile della quantità d`aria 
intrappolata e vengono calcolate e applicate le correzioni angolari per 
l`attuazione di tutte le valvole a solenoide con una compensazione cilindro 
per cilindro che ha come scopo la riduzione delle dispersioni e 
l`allungamento del periodo di efficenza degli attuatori.
Viene quindi effettuata una lettura del sensore HFM con un algoritmo 
sviluppato appositamente per avere una precisa ed efficiente determinazione 
dell`aria intrappolata in ogni cilindro ad ogni istante.
Questa strategia adattativa consente di compensare l`attuazione del 
solenoide senza avere effetti sull`efficenza della combustione.
Tuttavia una reintroduzione di un sistema elettronico di comando dell`aria, 
come è la valvola a farlalla, potrebbe essere utile per migliorare 
ulteriormente alcune funzioni (ad esempio il controllo della carica a 
temperature inferiori ai -15°C) in modo tale minimizzare ulteriormente 
l`impatto sul consumo carburante e sulle emissioni.
L`uso della farfalla per effettuare altre funzioni ausiliarie deve essere 
valutata accuratamente anche se comunque in futuro si cercherà di ridurre la 
complessità del sistema e ridurre i costi.
Risultati delle applicazioni del sistema UNIAIR
Negli ultimi anni è stato effettuato un gran numero di prove del sistema 
UNIAIR su vari prototipi di motori a benzina per verificare direttamente gli 
effettivi vantaggi di questa tecnologia su un veicolo. Da ultimo è stato 
equipaggiato con il sistema descritto in queste pagine un motore 4 cilindri 
di 2 litri di cilindrata a 16 valvole.
L`obiettivo di questa prova era quello di dimostrare gli effettivi vantaggi 
in termini di riduzione dei consumi e delle emissioni, di riduzione della 
perdita di efficienza nell`avviamento a freddo, e di guidabilità.
Il motore di partenza è a benzina, dal quale è stato recentemente derivata 
la versione JTS.
La figura 7 mostra i componenti fondamentali dell`UNIAIR in uso, mentre in 
figura 8 vengono mostrati i dati di un normale ciclo NEDC.
La riduzione di consumi registrati è invece riportata in figura 9.
Considerando la capacità dell`UNIAIR di ridurre le perdite di pompaggio, non 
c`è dubbio che il maggior risparmio di carburante avviene a basso regime e 
che descrese con l`aumentare del regime di rotazione.
L`analisi della simulazione ha messo in luce una riduzione dei consumi 
nell`ordine dell`8-9%. Il veicolo reale ha mostrato una riduzione dell`8,5% 
delle emissioni di CO2, se si comparano i dati rispetto al motore 
tradizionale di partenza. Una riduzione ulteriore delle inerzie, assicurata 
dall`UNIAIR, e un ulteriore miglioramento di alcune tecnologie di controllo, 
porterebbero certamente ad una riduzione finale della CO2 attorno al 10%.
Questo risparmio in termini di consumi è stato raggiunto senza penalizzare 
le buone prestazioni ottenute in termini di coppia e potenza, superiori alla 
versione tradizionale. C`è inoltre da considerare che il cambio ed i 
relativi rapporti non sono stati modificati.
Il grafico in figura 10 mostra il confronto di prestazioni tra il motore di 
partenza e quello sperimentale.
Il livello di emissioni del prototipo rientra nei limiti della normativa 
EURO 4.
E` risaputo che i primi secondi di avvio del motore sono cruciali per 
determinare i risultati di tutto il test e in molti casi è addirittura 
necessario adottare compromessi fortemente negativi per quanto riguarda le 
prestazioni al fine di rientrare nelle normative, e la flessibilità 
dell`UNIAIR può contribuire a diminuire drasticamente le emissioni durante 
la fase di riscaldamento, grazie alla sua capacità intrinseca di controllare 
il rapporto di combustione e mantenere bassi i livelli di emissione di HC, 
senza inficiare le prestazioni.
I primi risultati confermano la possibilità di ridurre gli HC del 20%.
Ultimo ma non meno importante, sul prototipo sono state effettuate anche le 
prove di accensione a freddo.
Dopo essere stato rabboccato con olio standard 5W40, sul motore UNIAIR sono 
state effettuate numerose partenze a freddo, a -25°C, al fine di testare al 
meglio le strategie apposite di controllo delle valvole, cercando di 
raccogliere dati per un ulteriore ottimizzazione.
La figura 11 mostra i risultati finali ottenuti, i primi 3 plot mostrano la 
pressione dell`olio all`interno della camera di combustione dei 3 differenti 
cilindri in funzione del tempo, assieme alle relative temperature di 
scarico.
Si può notare come l`olio è immediatamente disponibile in ogni camera e la 
valvola viene aperta e chiusa corretamente.
Il plot in fondo mostra la velocità del motore nei primi 10 secondi, 
ulteriore conferma delle eccellenti capacità di partenza da freddo del 
sistema.
Conclusioni
La relazione ha trattato una descrizione completa della tecnologia UNIAIR, 
con particolare attenzione sia al comparto idraulico sia alla logica di 
controllo.
Sono stati quindi descritti gli obiettivi preposti e i risultati raggiunti 
tramite una trattazione teorica, ma anche mettendo in strada un prototipo 
adeguatamente equipaggiato, al fine di verificare i vantaggi del sistema e 
trarne spunti per ulteriori miglioramenti.
I risultati parlano di buone prestazioni in termini di coppia e potenza, 
oltre ad una drastica riduzione dei consumi e delle emissioni a parità di 
motore.
In futuro si potranno certamente espandere le possibilità di questo sistema, 
già oggi pronto per un industrializzazione su grande scala ma con ancora un 
grande margine di sviluppo davanti a sé, sia per quanto riguarda 
l`incremento prestazionale, sia per quanto concerne la riduzione dei costi, 
per esempio estendendo questa tecnologia, inizialmente pensata per i 
propulsori a benzina, anche sui motori a gasolio.
Testo originale edito da Fiat Auto per scopi informativi
Fonte: 
dazeroacento.com
-- 
Bourne
www.bourneforum.tk
Vice presidente Comitato Italiano Anti Esterofilìa Automobilistica.
"Non sono io ke sono esterofilo, ma e' la fiat ke non mi vuole bene."  Taffo 
il Trollone
"Sei proprio un pupo a filo telecomandato." (Mototopo ad Alex Rossi)

 Sistema di controllo motore
Detto questo e letto tutto il resto, imho il sistema sulla carta non è male, 
anche se va detto che fa tutto quello che fa il valvetronic bmw da 4 anni, 
solo che il motore bmw funziona in maniera molto meno complessa. Non mi 
stupisco pertanto che al CRF ci siano dietro da 10 anni, mentre se non erro 
lo sviluppo del valvetronic è durato meno della metà. C'è da sperare che a 
giochi fatti i rendimenti di questo sistema siano superiori al valvetronic, 
altrimenti un sistema costoso come uniair (ha SIA i costi tipici di un 
motore tradizionale a camme in testa, SIA quelli del valvetronic, più tutti 
quelli legati alla circuiteria idraulica supplementare) dubito potrà avere 
un successo che tanto sforzo dedicato alla progettazione meriterebbe.
ciao
nico

 potenzialità,
Ecco appunto ... l'iniezione diretta  ;-)
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ciao,
acme,
e' inutile andare da A a B perché io vado a C