GM Duramax 6.6L V8 MY17 (L5P): focus tecnico

2017 Duramax 6.6L V8 Turbo Diesel (L5P)

GM Duramax 6.6L V8 MY17 (L5P): focus tecnico – Prodotta solamente per il mercato americano, la nuova versione dell’ormai famosissimo GM Duramax V8 parla anche italiano.

Vi siete mai chiesti dove vengono progettati e ingegnerizzati i motori diesel prodotti da GM General Motors? Ebbene, vi sembrerà strano ma la totalità dei propulsori diesel prodotti dal costruttore americano vengono ideati e sviluppati sotto la responsabilità della principale sede europea di GM con sede a Torino. Avete capito bene, sia che si parli del piccolo 1.6 litri 4 cilindri turbodiesel o del 6.6 litri V8 Duramax, quello prodotto esclusivamente per il mercato americano per intenderci, la responsabilità dello sviluppo è sempre quella della città di Torino.

2017 Duramax 6.6L V8 Turbo Diesel (L5P)

All’interno del centro GM di Torino (General Motors Global Propulsion Systems) vi lavorano circa 700 persone di cui l’80% ha una laurea, il 4% ha anche un dottorato (PhD) e il restante 16% sono tecnici super specializzati addetti alle sale prova. L’età media si aggira intorno ai 37 anni, il 16% di tutti i dipendenti ha sotto i 30 anni e ben il 17% è di sesso femminile. Il centro è un polo internazionale in primis per i continui rapporti con ben 15 diverse nazioni e in secundis per la multiculturalità delle persone che vi lavorano. In questo polo, sede mondiale per le motorizzazioni diesel mentre gli Stati Uniti lo sono per i motori benzina, si lavora all’interno delle sale prova su 3 diversi turni: i due giornalieri, caratterizzati da maggiore forza lavoro, sono l’ideale per fare prove manuali; il turno notturno, caratterizzato da minore personale a disposizione, è l’ideale per far funzionale le prove automatizzate programmate e avviate nei due turni precedenti.

2017 Duramax 6.6L V8 Turbo Diesel (L5P)

Per carpire tutti i segreti alla base dei moderni motori diesel prodotti dal costruttore americano, ci siamo recati presso la General Motors Global Propulsion Systems di Torino dove l’ingegner Nicola Costa, program manager diesel engine, ha saputo spiegarci con dovizia di particolari quali sono le novità introdotte nella nuova generazione di propulsori diesel GM. In questo primo incontro abbiamo analizzato nello specifico il Duramax 6.6 litri V8 model year 2017 ma in un prossimo incontro andremo analizzare anche il Duramax 2.8 litri 4 cilindri. Vi starete chiedendo come mai due motori così diversi? In quanto entrambi i motori vengono installati sui moderni pick-up americani. Il primo è, infatti, installato sotto i pick-up full size truck, sia light duty che heavy duty, esclusivamente per il mercato americano, mentre il secondo è installato sotto i pick-up mid size truck e viene commercializzato a livello globale.

STORIA

2017 Duramax 6.6L V8 Turbo Diesel (L5P)

Prima di analizzare il nuovo motore GM Duramax 6.6 litri V8 model year 2017, nome in codice L5P, vediamo un po’ di storia del motore Duramax 6.6 litri V8. Frutto della joint venture tra General Motors, Isuzu e DMAX, il primo motore Duramax 6.6 litri V8 turbodiesel, nome in codice LB7, uscì dalle linee di assemblaggio di Moraine, nell’Ohio, il 17 luglio dell’anno 2000. A questa prima versione ne seguirono molte altre come diretta evoluzione della prima: LLY del 2004, LBZ del 2005, LMM del 2007, LGH del 2010 e LML del 2011. La versione L5P del 2017, la motorizzazione da noi analizzata, va quindi a sostituire il vecchio propulsore Duramax 6.6 litri V8 del 2011, nome in codice LML, un motore in grado di erogare 397 CV a 3.000 rpm e 1.037 Nm a 1.600 rpm. Montato sia sullo Chevrolet Silverado che sul GMC Sierra HD, il nuovo Duramax 6.6 litri V8 model year 2017 vanta, invece, una potenza massima di 445 CV a 2.800 giri/min e una coppia massima di ben 1.234 Nm a 1.600 giri/min che, tradotte in percentuale, significano un incremento del 12% sul valore di potenza massima e del 19% sul valore di coppia massima rispetto alla generazione precedente. Ma entriamo nel dettaglio per capire cosa ha portato a questo incremento di prestazioni, quali accorgimenti sono stati attuati a riguardo e quali ulteriori novità ha introdotto questa nuova versione rispetto alla precedente generazione.

CARATTERISTICHE DEL MONOBLOCCO

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La prima cosa che salta subito all’occhio è che le dimensioni caratteristiche non sono state modificate, il nuovo motore, infatti, adotta il medesimo prodotto corsa per alesaggio (103mm x 99mm) del precedente modello. L’architettura di base è rimasta quella classica a V di 90°, con parte bassa del motore, misure del basamento, albero a camme centrale con aste e bilancieri e cilindrata che non ha subito alcuna modifica, facendo registrare il medesimo valore di 6.6 litri distribuiti su 8 cilindri. L’incremento prestazionale è stato quindi ottenuto tramite un innalzamento della pressione massima che si raggiunge in camera di combustione, passando dai precedenti 150 bar agli attuali 180 bar, e tramite un leggero aumento della pressione di sovralimentazione (+1.93 bar) a fronte del medesimo rapporto di compressione (16:1). Un risultato che ha però richiesto tutta una serie di accorgimenti atti a sopportare le maggiori sollecitazioni a carico dei componenti meccanici, accorgimenti che hanno riguardato nello specifico la testa cilindri, l’albero motore, i pistoni, gli spinotti e le bielle così da adeguarli alle nuove richieste.

2017 Duramax 6.6L V8 Turbo Diesel (L5P)
Vecchia biella
2017 Duramax 6.6L V8 Turbo Diesel (L5P)
Nuova biella

La testa cilindri in alluminio adotta ora una doppia water jacket (camicia acqua) che ha permesso un miglior raffreddamento delle parti interessate. I due canali di passaggio dell’acqua sono, infatti, di diverse dimensioni: in quello di minori dimensioni si è ottenuto un passaggio del liquido refrigerante a maggiore velocità, così da accentuare lo smaltimento e la dispersione del calore, mentre quello di maggiori dimensioni è ora in grado di collegarsi anche con il basamento consentendo un migliore raffreddamento della zona attorno ai cilindri. L’albero motore in acciaio forgiato è stato ingrandito nel diametro mentre i perni di banco e di biella con i relativi cuscinetti sono stati allargati così da garantire un maggiore spessore del film di olio protettivo. Avendo, infatti, aumentato la pressione di combustione si rese necessario un meato di lubrificante più spesso che fosse in grado di sostenere le maggiori pressioni in gioco. I pistoni ricondizionati in alluminio fuso hanno visto l’aumento dello spessore strutturale tra spinotto e cielo del pistone, così da renderli più robusti, e l’incremento del livello di lubrificazione del cielo grazie al maggior apporto di olio all’interno del canale che attraversa la corona.

2017 Duramax 6.6L V8 Turbo Diesel (L5P)
Vecchia testata
2017 Duramax 6.6L V8 Turbo Diesel (L5P)
Nuova testata

Anche il design della biella, prodotta in lega metallica forgiata e sinterizzata, è stato modificato notevolmente, optando per una soluzione con testa di biella inclinata. L’irrigidimento del basamento, tramite allungamento delle gonne, ha reso infatti necessario modificare il design della biella per impedirne l’interferenza durante il normale movimento. Gli spinotti hanno ora un diametro maggiore sempre per resistere alle maggiori sollecitazioni meccaniche, le canne cilindri sono state indurite tramite un trattamento di tempra e l’albero a camme è sempre progettato in acciaio ma adotta ora un nuovo profilo delle camme. Chiudono il quadro un blocco in ghisa, un basamento in alluminio pressofuso con disegno a gonna lunga, cappellotti di banco in ghisa sferoidale e una coppa dell’olio progettata nella parte alta in alluminio, così da accentuare le caratteristiche di robustezza del motore, e nella parte bassa in acciaio laminato in modo da contenere il rumore e abbattere le vibrazioni generate dallo stesso motore.

2017 Duramax 6.6L V8 Turbo Diesel (L5P)

Infine, per non inficiare le doti di robustezza e affidabilità che da sempre rendono famoso e apprezzato il motore GM Duramax, il sistema di iniezione common-rail ha mantenuto la stessa pressione massima d’iniezione (2000 bar) della precedente versione ma adotta ora ben 3 pompanti all’interno della pompa del gasolio e iniettori a solenoide in grado di effettuare fino a 7 diverse iniezioni per ciclo di combustione; la distribuzione è affidata a una cascata d’ingranaggi che, eliminando qualsiasi tipo di cinghia o catena, va ad azionare, oltre all’albero a camme collegato al classico sistema di aste e bilancieri, anche la pompa del gasolio, dell’olio e dell’acqua; la lubrificazione si avvale di una nuova pompa dell’olio in grado di garantire una migliore e costante lubrificazione a tutti quei componenti meccanici che, sottoposti a maggiori stress meccanici e termici, potrebbero non avere uno spessore del meato lubrificante sufficiente a garantirne la lubrificazione.

ASPIRAZIONE, SOVRALIMENTAZIONE E FRENO MOTORE

 

2017 Duramax 6.6L V8 Turbo Diesel (L5P)
Vecchia testata VS nuova testata

Due caratteristiche che da sempre contraddistinguono i motori GM Duramax sono la towing capability (capacità di traino) in salita e la bontà dell’engine brake (freno motore) in discesa, entrambe sinonimo di quanta coppia e potenza il motore è in grado di erogare. Per raggiungere, infatti, valori prestazionali così elevati (445 CV a 2.800 giri/min e ben 1.234 Nm a 1.600 giri/min), il nuovo Duramax L5P fa affidamento non solo su una maggiore pressione in camera di combustione (180 bar) e su una più alta pressione di sovralimentazione (3,5 bar relativi) ma anche su una testata motore completamente rivista dal punto di vista fluidodinamico. Se nella versione precedente (model year 2011-2016) gli ingegneri avevano progettato una testata motore con una netta separazione tra i condotti di aspirazione e con una sorta di polmone totalmente ed esclusivamente inserito nel collettore di aspirazione, nella versione attuale (model year 2017) gli ingegneri hanno eliminato la separazione tra i condotti di aspirazione così da creare una sorta di “zona polmone” direttamente nella testata motore che si aggiunge al polmone già presente nel collettore di aspirazione. Soluzione che, con la divisione dei condotti solamente in prossimità delle valvole di aspirazione, ha permesso di creare un miglior approvvigionamento di aria ai cilindri e una migliore distribuzione su ogni singolo cilindro della quota parte di EGR recuperato e reimmesso in aspirazione, così da abbassare le temperature in camera di combustione e abbattere la formazione di sostanze inquinanti.

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La sovralimentazione fa affidamento su un singolo e generoso turbocompressore a geometria variabile con attuatore elettrico della geometria. L’unità, prodotta dalla Borgwarner, è installata all’interno della “V calda” e, ruotando a una velocità massima di 150.000 rpm, è in grado di generare una pressione massima di sovralimentazione di circa 3,5 bar relativi. La scelta  di posizionare l’unità all’interno delle due bancate ha permesso ai progettisti di ridurre al minimo sia la lunghezza dei condotti di scarico, abbattendo in questo modo il turbo-lag, che la perdita di calore dei gas di scarico in uscita dal motore (dissipato sia per convezione che per irraggiamento) così da poter sfruttare tutta questa energia all’interno della turbina e quindi lavorare con un grado di efficienza migliore. Il rovescio della medaglia è però il maggior carico termico al quale vengono coinvolti sia il turbocompressore che tutte le parti meccaniche all’interno delle bancate a causa dell’elevata temperatura (780 °C) dei gas di scarico in ingresso alla turbina. Una complicazione prontamente risolta dai tecnici tramite un efficiente sistema di raffreddamento ad acqua, infatti sia il turbocompressore a geometria variabile, che l’attuatore elettrico della geometria che la parte centrale della V sono raffreddati da appositi canali dentro i quali scorre il liquido refrigerante così da abbattere le eccessive temperature.

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Ma la parte sicuramente più interessante di questa unità di sovralimentazione è la sua capacità di generare engine brake cioè freno motore. Si, avete capito proprio bene! In GM hanno, infatti, pensato di sfruttare le palette della geometria variabile per generare una sorta di strozzatura (perdita di carico) sul condotto di scarico in modo da aumentare l’efficacia del freno motore. Un pò quello che fino a qualche anno fa veniva fatto sui motori diesel dei camion applicando una valvola motorizzata all’interno dell’impianto di scarico. Su questo innovativo motore, invece, l’engine brake viene fatto per la maggior parte con lo sfruttamento della geometria variabile, così da creare una perdita di carico allo scarico, e in piccola parte con l’utilizzo della throttle valve (valvola a farfalla) creando una seconda strozzatura in ingresso aspirazione. Azionando il freno motore, l’attuatore elettrico della geometria variabile va a chiudere tutti i vani della geometria e, strozzando in questo modo al massimo i gas di scarico, ricrea una sorta di perdita di carico allo scarico. Nello stesso momento la centralina motore attua un completo cut-off del motore, interrompe del tutto l’iniezione e va ad azionare la throttle valve in ingresso aspirazione così da ricreare una seconda perdita di carico per ottenere un controllo più rapido e preciso del freno motore.

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Per poter utilizzare questa strategia come engine brake in GM hanno dovuto optare però per un turbocompressore che avesse ognuna delle palette della geometria variabile corredata di un doppio pin di azionamento in luogo del classico pin singolo utilizzato sulla maggior parte delle unità di sovralimentazione. Questo perché le palette, pur non avendo una chiusura ermetica perché se non il motore andrebbe a spegnersi ma dovendo modulare e garantire l’effetto frenante dell’engine brake, sono soggette a intense sollecitazioni sia pressorie che termiche che in presenza di un singolo pin avrebbero sicuramente portato a fenomeni di deformazione delle stesse palette durante la fase di chiusura e strozzamento dei gas di scarico. Adottando, invece, una geometria variabile con azionamento a doppio pin in GM sono riusciti a evitare questo spiacevole fenomeno.

SCARICO E POST TRATTAMENTO

 

2017 Duramax 6.6L V8 Turbo Diesel (L5P)

Venduto esclusivamente negli Stati Uniti, un mercato soggetto a normative antinquinamento più severe rispetto a quelle vigenti in Europa, il nuovo GM Duramax 6.6 litri V8 (L5P) si avvale di un complesso e moderno sistema di post trattamento dei gas di scarico composto da: un circuito EGR di alta pressione raffreddato, un catalizzatore ossidativo (DOC) montato a ridosso del turbocompressore, un catalizzatore SCR con iniezione di Urea (AdBlue) e un ulteriore catalizzatore ossidativo più filtro antiparticolato (DOC + DPF) a valle degli altri due. La decisione di montare il primo catalizzatore ossidativo (DOC) subito a ridosso del turbocompressore si è resa necessaria in quanto bisognava raggiungere quanto prima le temperature di light-off (esercizio) del catalizzatore e per questo il catalizzatore doveva essere montato quanto più vicino possibile alle valvole di scarico. Una scelta opposta a quanto veniva fatto in passato quando i catalizzatori venivano montati under floor (sotto il veicolo) comportando però tempistiche d’esercizio maggiori e cicli di avviamento più severi.

2017 Duramax 6.6L V8 Turbo Diesel (L5P)

La scelta, invece, di utilizzare anche l’iniezione di Urea (AdBlue) è stata dettata dal dover rispettare le sempre più severe normative antinquinamento. Adottando, infatti, questa strategia in GM sono riusciti a limitare la produzione degli ossidi di azoto (NOx) in funzione delle condizioni di esercizio e senza dover per forza intervenire sui parametri di funzionamento del motore. Un sistema di aftertreatment sicuramente complesso montato su un motore certamente moderno che però è stato certificato per funzionare anche con Biodiesel B20 senza per questo avvelenare i catalizzatori o inficiare la durata del motore.

AVVIAMENTO E GESTIONE MOTORE

 

2017 Duramax 6.6L V8 Turbo Diesel (L5P)

Ultima ma non meno importante peculiarità di questo motore è l’utilizzo di centraline di controllo motore e software di gestione che vengono prodotte in casa direttamente dalla stessa General Motors sempre nello stabilimento di Torino (unico costruttore al mondo a fare una cosa simile). Questa centralina, chiamata controller E41, dialoga con un controller intermedio (Glow Plug), non integrato nella stessa centralina, per gestire il funzionamento delle candelette di avviamento, candelette che su questo nuovo motore sono in materiale ceramico in luogo di quelle in materiale metallico per poter rispondere alle richieste di avviamenti  a temperature davvero rigide (-40 °C) che si possono trovare in paesi come il Canada.

2017 Duramax 6.6L V8 Turbo Diesel (L5P)

Queste candelette di accensione controllate a microprocessore sono in grado di eseguire avviamenti a temperature inferiori ai -29 °C in meno di 3 secondi e senza l’utilizzo di riscaldatori supplementari. Grazie, infatti, alla compensazione automatica della temperatura, la centralina valuta e regola la corrente ideale da inviare a ciascuna candeletta d’incandescenza in base alla specifica condizione di utilizzo, così da fornire una temperatura ottimale per tutta la durata dell’avviamento a freddo. Un motore insomma sicuramente prestazionale, robusto, affidabile ed ecologico che ha saputo rinnovarsi non poco rispetto alla vecchia generazione (LML) che va a sostituire ma nel quale ritroviamo alcune soluzioni che erano già state presentate sul Duramax 4.5 litri V8 del 2009, nome in codice LMK, che purtroppo rimase soltanto un concept e non vide mai una reale applicazione.