Siamo stati a Norimberga, presso gli stabilimenti di Federal-Mogul per conoscere in anteprima le novità dei motori del futuro e l’impatto che avranno sull’aftermarket.

“I motori delle vetture saranno sempre più ecologici e per raggiungere questo obiettivo aumenterà la potenza per litro”, Ralf Peter Glänzer, field marketing manager per la Germania di Federal-Mogul, non ha dubbi. In questa partita la multinazionale americana gioca con tutte le sue linee di prodotto della parte motore, una sfida a tutto campo per permettere ai moderni propulsori di essere sempre più parsimoniosi garantendo al contempo prestazioni di alto livello.
È nata così l’idea di una presentazione internazionale sullo stato dell’arte della tecnologia motoristica: Advanced technology for cleaner engines. Tecnologia che, per quanto riguarda la produzione Federal-Mogul, con i suoi marchi AE (valvole e distribuzione), Glyco (cuscinetti), Goetze  (fasce elastiche e canne cilindro), Nüral (pistoni) e Payen (guarnizioni), riveste un ruolo fondamentale nello sviluppo di nuove applicazioni e garantisce all’azienda un’ottima visione di insieme sul futuro dei propulsori.
Un appuntamento importante anche per capire il futuro della rigenerazione dei motori e il ruolo della riparazione in un mondo sempre più efficiente e con tolleranze di errore sempre più basse.
Vediamo allora quali sono i cambiamenti per tipologia di prodotto.

Fasce elastiche
Migliorare le prestazioni di un motore, in termini di consumi e quindi di rendimento, vuol dire in primo luogo ridurre gli attriti. Secondo gli studi di Federal-Mogul, circa il 4-5% dell’energia chimica contenuta nel carburante si perde a causa dell’attrito delle fasce (o segmenti) sulle canne del cilindro. Una cifra considerevole che può essere ovviata solo migliorando la scorrevolezza. Sulle fasce elastiche, quindi, il lavoro si è concentrato, negli anni, principalmente sul tipo di trattamento superficiale: per ridurre gli attriti e aumentare la resistenza delle fasce. Un lavoro non semplice, perché, parallelamente, la lubrificazione del motore è stata ottimizzata con quantità sempre minore di olio e, anche i carburanti, contengono sempre meno agenti lubrificanti al loro interno. Così, dai trattamenti al cromo, si è passati a quelli cromo ceramici, fino, e siamo ai giorni nostri, ai segmenti con ricopertura in polvere di diamante (esattamente come le lame di molti elettroutensili), che garantisce una importante riduzione degli attriti.
Quando si parla di pistoni, tuttavia, non si può non parlare anche del raschia olio (a tutti gli effetti una fascia elastica che avvolge il pistone). In questo caso, Federal Mogul, per ridurre gli attriti di questo componente, ha realizzato uno speciale e brevettato raschia olio asimmetrico (che nel 2011 è stato anche premiato con il Pace Award). In sostanza, i due profili del raschiaolio sono asimmetrici (nel senso che il raschiaolio ha un “alto” e un “basso” di cui tenere conto durante il montaggio) e questa particolare geometria riduce gli attriti e garantisce un miglior contenimento dell’olio rispetto alla camera di combustione (olio che, una volta bruciato, è causa di incrostazioni carboniose e inquinamento atmosferico). L’insieme di queste tecnologie permette una riduzione di circa il 50% del consumo di olio e del 15% di attriti.

Pistoni: temperature sempre più alte
Il pistone è il cuore del motore. Un cuore caldo e stressato, però, specie considerando gli obiettivi che gli ingegneri si sono posti per i prossimi propulsori: aumentare la potenza specifica. Un obiettivo che si scontra con un classico problema della meccanica: l’aumento della temperatura e della pressione. I pistoni sono costruiti con speciali leghe di alluminio le cui proprietà meccaniche crollano attorno ai 480°C (perché alcuni componenti iniziano a fondere). L’obiettivo dei motoristi, per raggiungere alte prestazioni, è di portare la temperatura dei pistoni a circa 420°C (attualmente si arriva attorno ai 400°C nelle applicazioni turbo più performanti). Considerando che le pressioni si aggirano attorno ai 200 bar, si può affermare che ci si trova molto vicini alla massima soglia sopportabile dalla lega. Per ovviare a questo problema, i tecnici stanno operando su varie strade: i pistoni già oggi in commercio prevedono un sistema di raffreddamento della lega grazie a una cava in cui passa l’olio motore (nelle ultime versioni tale cavità è stata spostata più in alto possibile, in sostanza all’altezza della prima fascia elastica) e ci si concentra sul “coating” dei pistoni, vale a dire la protezione delle superfici, che è specifica per le applicazioni Diesel, benzina e carburanti alternativi. Infine, si studiano anche soluzioni di leghe completamente differenti: per esempio il ritorno all’acciaio. Questo materiale è stato infatti utilizzato per anni nella realizzazione dei pistoni di grandi motori dei veicoli industriali. Grazie alle nuove tecnologie si sta riuscendo a ridurre il peso di questi pistoni, che però mantengono le proprietà tipiche delle leghe di acciaio, cioè un punto di fusione più alto (si parla di 500/520°C). In questo modo si potrebbero aumentare notevolmente le prestazioni dei motori.
L’altro fronte su cui si lavora è quello della riduzione degli attriti. Grazie ai trattamenti superficiali e all’uso, nelle leghe, di particelle lubrificanti, come la grafite, si arriva a una riduzione degli attriti legati al pistone che può raggiungere anche il 18%. Ma tutte queste innovazioni come incideranno sulla durata dei motori? Nonostante le prestazioni sempre maggiori e l’utilizzo di leghe sempre più leggere e performanti, le aziende stanno lavorando per far durare sempre più i pistoni. Nel pistone Durabowl® di Federal-Mogul (marchiato Nüral), ad esempio, grazie a una speciale lavorazione di tutte le parti soggette ad usura, come le scanalature sul cielo del pistone, le parti sono rinforzate con un procedimento termochimico brevettato, tanto che gli ingegneri si spingono a pronosticare una vita utile anche sette volte superiore a quella di un pistone tradizionale.

Canne cilindro
L’altra faccia dei segmenti (o fasce elastiche) sono, letteralmente, le canne cilindro. Se la fascia elastica è dotata delle più alte tecnologie, ma la superficie della canna cilindro non è perfettamente liscia, ogni vantaggio viene perso nella lotta alla riduzione delle emissioni di CO2 (che, ricordiamolo, sono direttamente proporzionali al consumo di carburante a parità di rendimento). Il problema delle canne cilindro, che comunque quando sono nuove si suppone abbiano una rugosità minima delle superfici, è che a causa delle sollecitazioni termiche possono deformarsi andando a distorcere l’alesaggio della canna stessa.
Per ovviare a questo problema gli ultimi studi di Federal-Mogul hanno portato alla realizzazione di una nuova tipologia di canne cilindro destinate per lo più ai nuovi motori benzina che, tra iniezione diretta e sovralimentazione, sono sottoposti a sollecitazioni estreme. Queste canne, che in Federal-Mogul definiscono “ibride”, sono realizzate con una lega di due materiali (su cui vige il massimo riserbo) e garantiscono una riduzione del consumo di olio pari anche al 40%.
Inoltre, siccome le temperature di esercizio dei motori benzina stanno salendo in maniera importante, questo tipo di tecnologia contribuirebbe anche a una migliore dissipazione del calore verso il blocco motore del 30%, che si tradurrebbe, secondo i calcoli degli ingegneri Federal-Mogul, in una riduzione della temperatura della parete del cilindro fino a 40°C rispetto a tecnologie alternative.

Cuscinetti albero motore
Nella lotta agli attriti i cuscinetti sono una delle armi più affilate della tecnologia automobilistica. Per comprendere quali sono però le problematiche connesse a questo componente e come si sta cercando di risolverle bisogna partire da un minimo di tecnica. I cuscinetti dell’albero motore (o di banco, come vengono a volte chiamati) sono infatti dei cuscinetti a strisciamento. Ciò significa che le parti metalliche sono distanziate da un sottilissimo strato di lubrificante (chiamato meato) che garantisce la massima scorrevolezza. Ovviamente, può capitare che le parti metalliche si tocchino comunque e per questo motivo questi cuscinetti sono realizzati con speciali leghe contenenti particelle lubrificanti. Storicamente queste particelle erano di piombo, che è un lucidante e lubrificante naturale (si pensi che alcuni trattamenti per i pavimenti casalinghi sono realizzati proprio con il piombo). Dal primo luglio 2012, tuttavia, le vetture devono essere “lead free”, cioè senza piombo. Tutti i cuscinetti di nuova produzione (ma già presenti su vetture a partire dal 2011) sono realizzati senza elementi in piombo. Questo ha comportato l’analisi di nuove leghe metalliche e trattamenti. Anche in questo caso, tuttavia, per comprendere il problema dei cuscinetti dell’albero bisogna prima capire alcune evoluzioni del mercato. I cuscinetti idrodinamici (come sono appunto le bronzine) soffrono particolarmente i bassi regimi di rotazione. Il momento di massimo attrito e usura è quindi quello della partenza. Oggi una vettura normale esegue, durante il ciclo di vita, circa 25.000 partenze (secondo i dati Federal-Mogul) e le bronzine sono state calibrate per resistere a tali sollecitazioni. Eppure, sul mercato si stanno sempre più affermando vetture, anche di piccole dimensioni, dotate di sistemi Stop&Start. Secondo tutti i costruttori automobilistici, questa tendenza incrementerà notevolmente e la conseguenza più evidente sarà che il numero di partenze che vengono effettuate da una vettura nel suo ciclo di vita arriverà anche a 500.000 e, nelle applicazioni più estreme, supererà il milione di cicli. Utilizzare le bronzine corrette diventa allora un fattore fondamentale per la durata della vettura e questo fenomeno impatterà inevitabilmente anche sul mondo delle rettifiche, che dovranno utilizzare cuscinetti con le nuove tecnologie. Con il marchio Glyco, Federal-Mogul ha così presentato (anche se già sono presenti in OE) le sue nuove bronzine rivestite IROX® (riconoscibili perché l’interno è di colore rosso), che sono state progettate appositamente per questo tipo di impieghi gravosi. 

Paraolio albero motore
Quando si parla di albero a gomiti, di bronzine e di attriti, non si può non menzionare anche il paraolio dell’albero motore. Questo componente, infatti, deve garantire la massima tenuta e al contempo permettere all’albero di ruotare liberamente, con il minimo di attriti. Molti produttori si sono spinti in produzioni avanzate per raggiungere questo risultato e molto spesso (specie su alcune vetture tedesche) c’è bisogno di uno specifico strumento per montare correttamente il paraolio dell’albero a gomiti (anche perché in alcuni casi all’interno della gomma è affogato un trasduttore per misurare la velocità di rotazione).
Federal-Mogul ha presentato il nuovo sistema PTSB chiamato Microtorq®, speciali paraoli che possono essere montati senza l’ausilio di alcuno strumento e che presto saranno disponibili anche in aftermarket e potranno essere installati anche su motori già esistenti (che quindi avevano un paraolio tradizionale). Questa soluzione, oltre a semplificare le lavorazioni di officina, permette anche un considerevole abbattimento degli attriti e quindi dei consumi.

Guarnizioni testa e scarico
Le guarnizioni della testata, e in generale tutte le guarnizioni del motore, sono componenti che, nonostante possano sembrare semplici, racchiudono al loro interno una tecnologia molto avanzata. Per comprendere come stanno cambiando le guarnizioni bisogna considerare tre fattori: la tensione esercitabile dai prigionieri della testa è più o meno costante, i motori devono tollerare maggiori deformazioni e le pressioni durante la compressione sono sempre più elevate. Una guarnizione, quindi, si trova in una posizione difficile: compensare gli scostamenti strutturali, quindi essere molto flessibile, al contempo “reggere” una pressione maggiore potendo contare sempre sulla stessa coppia di serraggio. In questo caso la soluzione OE di Federal-Mogul si chiama Payen® MLS (multi layer steel), una guarnizione realizzata con l’utilizzo dell’analisi degli elementi finiti, che permette di risolvere in un colpo solo tutti questi problemi. Il vantaggio di questa soluzione è anche che è già disponibile in aftermarket e, nei processi di rifacimento della testata di un motore, può già essere utilizzata in luogo di quella originale. Aumentano però le accortezze, perché ordine e valori delle coppie di serraggio vanno rispettati in maniera scrupolosa per non danneggiare la guarnizione.
Infine, le guarnizioni attorno alla testata implicano anche la parte dello scarico e c’è da considerare che le temperature di scarico superano, oramai, anche i 1.000 gradi, ragion per cui le guarnizioni di scarico si rompono. In questo caso bisogna utilizzare specifiche guarnizioni in grado di sopportare questi carichi termici, come ad esempio le guarnizioni HTA di Federal-Mogul.

Sedi valvole motore
Può sembrare superfluo, nella lotta alle emissioni di CO2, concentrarsi su un componente semplice come la sede delle valvole. Eppure questo componente svolge un ruolo fondamentale ed è sempre più chiamato in causa, vediamo perché.
Nei motori di nuova generazione, in cui la potenza specifica è alta, infatti, le temperature di esercizio sono molto elevate; per questo la lubrificazione delle valvole è fondamentale: le raffredda e permette che scorrano in maniera perfetta. La sede valvola, infatti, dissipa anche il calore della valvola stessa e, considerando che le temperature spaziano tra i 100°C e i 200°C, si tratta di un lavoro gravoso. Ma ancora più importante è la lubrificazione, perché è il primo fattore di riscaldamento e di perdita di potenza dell’intero motore. Federal-Mogul ha presentato delle nuove sedi valvole che utilizzano un materiale sviluppato appositamente per questa applicazione, chiamato PMF-10E e che permette di mantenere inalterata la lubrificazione nel tempo e garantire una durata in linea con le aspettative di questo tipo di prodotti (cioè come la durata del veicolo stesso).
Ma le sedi valvole e le valvole stesse giocano anche un ruolo fondamentale in alcune applicazioni che sempre più stanno prendendo piede: quelle relative cioè ai carburanti alternativi, dal metano al GPL. In particolare il primo, il metano, rappresenta una vera sfida perché si tratta di un carburante particolarmente secco. Inoltre le temperature sempre più elevate a cui opera questo tipo di propulsori non semplificano la vita di valvole e relative guide, che rischiano così di collassare. Per ovviare a questo problema, in commercio, esistono anche sistemi di raffreddamento delle valvole che migliorano la situazione, ma se un impianto non prevede questo tipo di soluzione i tecnici Federal-Mogul consigliano di valutare anche la sostituzione delle valvole.

Approfondimenti:

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