Obiettivo: fare a meno delle valvole a farfalla. Quando nel 1999 tenne il suo discorso per il centenario della Fiat, Gianni Agnelli concluse dicendo: "Avanti, noi siamo grandi motoristi". Me lo sono ricordato quando ho iniziato ad approfondire la mia conoscenza dell'ultimo brevetto di Fiat, l'innovativo sistema battezzato Multiair, messo a punto da FPT (Fiat Powertrain Technologies) e destinato ai vari marchi del gruppo, Alfa Romeo in primis.

Ogni motore ad Accensione Comandata (motori a benzina e motori alimentati a metano o GPL) necessita, per il suo corretto funzionamento, dell'immissione nei condotti d'aspirazione (o, nel caso di motori ad iniezione diretta, direttamente nelle camere di combustione) di una miscela più o meno magra (dove per magra si intende una miscela con più aria e meno carburante) di aria e carburante, miscela che, fatta detonare dalle candele, consente al propulsore di girare. Le dosi delle due componenti - aria e carburante - possono variare a seconda delle specifiche di progetto, oscillando al di sopra o al di sotto del rapporto stechiometrico ideale, anche detto lambda=1 (pari a 14.7/1, cioè per la completa combustione di 1 Kg di benzina sono necessari 14,7 Kg di aria): di questo particolare aspetto, cuorialfiati.com si è gia occupato trattando, nel dicembre 2003, del motore Alfa Romeo 2.0 JTS.

Ciò che adesso importa sottolineare, invece, è che - al di là di quali siano le proporzioni di aria e carburante di volta in volta previste dalle specifiche di progetto - persiste sempre e comunque l'esigenza di bruciare aria e carburante nelle dosi appunto stabilite. In questo contesto, la potenza erogata dal propulsore viene tradizionalmente regolata parzializzando la quantità di aria aspirata attraverso l'impiego di una o più valvole a farfalla (cosiddetti corpi farfallati), in vario modo comandate dal pilota attraverso il pedale dell'acceleratore: più elevato sarà il grado di apertura della valvola a farfalla, maggiori saranno la quantità d'aria aspirata all'interno delle camere di combustione e la quantità di carburante immessa (tramite appositi iniettori comandati dalla centralina elettronica di iniezione/accensione) nelle stesse camere di combustione. In definitiva, proprio la quantità (insieme alla sua temperatura) d'aria aspirata all'interno dei condotti di aspirazione rappresenta un parametro fondamentale per gestire al meglio l'erogazione della potenza del propulsore, parametro rilevato attraverso apposito sensore (debimetro, anche detto flussometro o, ancora, misuratore di massa aria) che invia i dati rilevati alla centralina di iniezione/accensione. 

Dunque, normalmente, la massa d'aria immessa nei cilindri è controllata mantenendo costante l'apertura delle valvole di aspirazione e modificando la pressione a monte mediante una o più valvole a farfalla. Lo svantaggio principale di questo tradizionale sistema di controllo dell'aria aspirata è lo spreco di circa il 10% dell'energia utile, per via delle perdite legate al pompaggio della carica d'aria fresca da una pressione di alimentazione più bassa rispetto alla pressione atmosferica allo scarico.

Ebbene, proprio sul sistema di regolazione della quantità d'aria aspirata dal motore interviene la tecnologia Multiair. Essa, infatti, consente di regolare la quantità d'aria non più parzializzando l'apertura della valvola a farfalla, ma variando elettro-idraulicamente direttamente l'alzata (cioè, i millimetri che separano la valvola dalla sua sede, per far entrare l'aria nel cilindro) e i tempi di apertura e chiusura delle valvole di aspirazione.

Viaggio dentro il Multiair. Come detto, l'innovazione del Multiair si basa sul controllo dell'aspirazione direttamente all'ingresso dei cilindri, attraverso un nuovo sistema elettro-idraulico di attuazione variabile e di controllo delle valvole di aspirazione, con il conseguente mantenimento di una pressione costante a monte dei condotti di aspirazione. Questo obiettivo viene raggiunto attraverso l'interposizione, tra la camma e la valvola di aspirazione, di un volume d'olio (camera ad alta pressione) che può essere variato attraverso l'impiego di una valvola a solenoide di tipo on-off, a sua volta controllata da una specifica centralina elettronica. Così facendo, il profilo di alzata valvola può essere variato in infiniti modi, in funzione della richiesta di aria del motore, in qualsiasi punto di funzionamento e senza penalizzazioni sul consumo di carburante. Inoltre, l'esistenza di una pressione d'aria sempre costante a monte delle valvole e l'elevata dinamica di attuazione del sistema (da carico parziale a pieno carico in un ciclo motore) consentono di aumentare la risposta in coppia del motore senza alcun ritardo, sia nel caso di propulsore aspirato che nel caso di propulsore sovralimentato.

Più in dettaglio, la figura 1 ci aiuta a capire meglio il funzionamento del Multiair per ogni singolo cilindro. Sull'albero di distribuzione (uno e solo uno!) sono presenti tre camme: le due di scarico lavorano nel modo tradizionale, agendo sulle classiche punterie idrauliche; la camma di aspirazione, invece, lavorando su un rullino, mette in pressione - attraverso un pistone e un'elettrovalvola -  l'olio presente nella camera ad alta pressione. Il circuito elettro-idraulico così strutturato consente di comandare l'alzata delle valvole d'aspirazione da tutto aperto a tutto chiuso passando per infinite regolazioni intermedie. 

Determinante è il ruolo dell'elettrovalvola, che rende possibile variare la pressione dell'olio del circuito, a seconda che le valvole debbano essere aperte o chiuse e che si debba anticipare o ritardare la loro chiusura. Cinque sono le possibili modalità di gestione delle valvole, tutte ben riassunte in figura 2.

Con l'elettrovalvola chiusa, le valvole lavorano in modo tradizionale e con tempi di chiusura lunghi: è questa la condizione di alzata massima delle valvole e di massima aspirazione, per una massima potenza (a).

Al momento dell'avviamento del motore e ai carichi intermedi, l'apertura delle valvole viene ridotta e ritardata (b).

Quando il propulsore lavora a basso regime di rotazione ma interviene un pieno carico (in pratica, quando è richiesta un'improvvisa accelerazione o una immediata ripresa) oppure quando lavora ai medi regimi, l'elettrovalvola si apre vicino all'estremità del profilo della camma, causando una chiusura anticipata delle valvole di aspirazione. (c)

In condizione di carico intermedio, l'elettrovalvola si chiude leggermente prima del completamento del profilo della camma, causando una apertura parziale delle valvole. (d)

Infine, è pure possibile combinare tra loro due differenti modalità di gestione: è questo l'effetto Multilift: il risultato è un sensibile miglioramento della velocità di combustione a regimi e carichi bassi. (e)

Un vantaggio dopo l'altro. I vantaggi del Multiair sono molteplici. Innanzitutto, un aumento del 10% della potenza massima, grazie all'adozione di un profilo di camma meccanica spinto, indirizzato alla potenza. In secondo luogo, un incremento della coppia a basso regime del 15%, grazie a strategie di chiusura anticipata della valvola di aspirazione, in grado di massimizzare l'aria immessa nei cilindri. Poi, l'eliminazione delle perdite di pompaggio con una riduzione del consumo di carburante e delle emissioni di CO₂ pari al 10%, sia nei motori aspirati sia in quelli sovralimentati. Ancora, i motori Multiair sovralimentati e con cilindrata ridotta (secondo la filosofia del downsizing) possono raggiungere una maggiore efficienza in termini di consumo di carburante pari al 25% rispetto ai motori aspirati di pari prestazioni. Inoltre, l'ottimizzazione delle strategie di controllo delle valvole in fase di warm-up del motore e di ricircolo interno dei gas di scarico (EGR), ottenuta mediante la riapertura delle valvole di aspirazione durante la fase di scarico, garantisce una riduzione delle emissioni del 40% di HC/CO e del 60% di NO_x. Infine, la pressione costante dell'aria a monte dei cilindri (pressione atmosferica nel caso di motori aspirati e pressione superiore nel caso di motori sovralimentati),abbinata al controllo estremamente rapido della massa d'aria, cilindro per cilindro e colpo a colpo, produce una migliore risposta dinamica del motore.

Multiair e diesel. Il Multiair, pensato innanzitutto per i motori ad Accensione Comandata (motori alimentati a benzina, metano, GPL, idrogeno...), ha grandi potenzialità di impiego anche nei motori a ciclo Diesel.

Come già detto, l'ottimizzazione delle strategie di controllo delle valvole in fase di warm-up del motore e di ricircolo interno dei gas di scarico (EGR), ottenuta mediante la riapertura delle valvole di aspirazione durante la fase di scarico, garantisce una riduzione delle emissioni del 40% di HC/CO e del 60% di NO_x. Miglioramenti ulteriori in termini di emissioni inquinanti derivano anche da un più efficiente impiego del filtro anti-particolato e del catalizzatore per gli ossidi azoto (NO_x): il tutto grazie ad una più flessibile gestione della massa d'aria nei transitori. Infine, sempre nei motori a gasolio, miglioramenti prestazionali analoghi a quelli ottenuti nei motori a ciclo Otto, ma diminuzione nei consumi più contenuta; i motori a gasolio, infatti, sono già di per sé caratterizzati da basse perdite di pompaggio, in quanto, nei motori Diesel, l'aria aspirata affluisce sempre liberamente: l'erogazione di potenza viene regolata non attraverso una valvola a farfalla ma semplicemente riducendo la portata del combustibile iniettato.

E gli altri? Il sistema Multiair di Fiat Powertrain Technologies non è il primo che varia l'alzata delle valvole di aspirazione. BMW utilizza il sistema Valvetronic, essenzialmente allo scopo di migliorare i consumi: un ingranaggio dentato tra le camme e le valvole di aspirazione, ruotando, modifica il grado di apertura di queste ultime. Subaru adotta una soluzione simile al VarioCam Plus della Porsche: un pistoncino all'interno dei bicchierini delle punterie viene spinto da olio in pressione, così le valvole seguono l'uno o l'altro profilo della camma.

Ebbene, il vantaggio del Multiair rispetto agli altri sistemi finora impiegati da altre case sta tutto nella possibilità di variare molto rapidamente cilindro per cilindro il tempo di apertura e l'alzata delle valvole d'aspirazione, in base alle condizioni di funzionamento del motore. Maggiore flessibilità e straordinaria ottimizzazione, dunque. Sì, è proprio vero: siamo grandi motoristi.

maggio 2009