Nuove tecnologia da Federal Mogul

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Anche quest’anno Federal Mogul ha presentato alla stampa specializzata una serie di interessanti innovazioni nell’ambito della componentistica hi-tech destinate a portare un significativo contributo all’efficienza dei motori a combustione interna.

Sistema di accensione ACIS

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ACIS di Federal Mogul utilizza un campo elettrico per produrre molteplici sciami di ioni che innescano un’estesa combustione.

L’acronimo significa Advanced Corona Ignition System ed è un sistema che consente di implementare complesse strategie di combustione e che può sostituire la tradizionale candela di accensione. Sviluppata da qualche anno sui motori a benzina, questa tecnologia è ora disponibile anche per i motori alimentati a gas per applicazioni industriali e su veicoli commerciali. Il principio di funzionamento consente una drastica riduzione dei costi di esercizio, con una vita ben superiore a quella dei sistemi di accensione tradizionale.

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La tecnologia ‘a corona’ può già funzionare con differenti tipologie di carburante.

L’ACIS di Federal Mogul si basa sull’utilizzo di un campo elettrico ad alta frequenza ed elevata intensità che genera una ionizzazione controllata della miscela aria-gas, creando sciami di ioni ad alta energia capaci di attivare la combustione in ogni zona della camera di combustione. E’ questa la principale differenza col sistema tradizionale, nel quale la scintilla scocca in un punto preciso e la rapida combustione è affidata all’ottimizzazione della turbolenza in camera di scoppio. Nel caso dell’ACIS si genera una corona che estende la zona di innesco della combustione, che avviene più rapidamente e consente quindi ai motori che utilizzano gas naturale di operare con miscele magre, con la conseguente riduzione delle emissioni.

Riguardo i costi di esercizio, va osservato che l’arco elettrico generato tra gli elettrodi della candela tradizionale ne provoca la lenta erosione.

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Eliminando la candela e relativo arco elettrico ad alta temperatura, ACIS annulla l’erosione dell’elettrodo, causa principale di usura di un sistema tradizionale di accensione.

Come per la versione dedicata ai motori a benzina, ACIS può essere applicato in sostituzione al sistema tradizionale ed è particolarmente vantaggioso in presenza di forti alesaggi. Il sistema è attualmente in fase avanzata di test per l’acquisizione dei dati che ne possano oggettivare durata ed efficienza, oltre alla riduzione dei consumi e delle emissioni di NOx.

Valvole al sodio

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Alta precisione per la foratura e successiva saldatura per attrito consentono a Federal-Mogul di produrre steli valvola cavi anche di soli 5 mm di diametro.

Il raffreddamento del motore e dei suoi componenti è sempre stato uno dei maggiori problemi per i tecnici motoristi. Tanto più sentito quanto maggiori sono il rapporto di compressione e la pressione media effettiva, ovvero quanto più alta è la potenza specifica del motore. Ma le odierne forti limitazioni delle emissioni che obbligano a carburazioni sempre più magre e a downsizing sempre più spinto, hanno trasferito tali problematiche anche sui motori non tipicamente da corsa, con temperature attorno alla camera di combustione sempre più elevate e che richiedono l’applicazione di ogni artifizio per essere abbassate. L’utilizzo del sodio per migliorare il raffreddamento delle valvole risale agli anni Venti, per merito di Sam D. Heron. Il principio è quello di creare un vano assiale nello stelo della valvola che col sodio (la cui conducibilità termica è più che doppia rispetto a quella dell’acciaio) possa trasmettere una maggior quantità di calore alla guida valvola, che a sua volta lo trasmette alle pareti della testata, raffreddate dall’aria, dall’acqua o da entrambe. La foratura dello stelo non è un’operazione banale, poichè il rapporto tra la lunghezza e il diametro del foro è molto elevato, con le immaginabili complicazione esecutive. Inoltre, ovviamente, più la parete è sottile e migliore sarà il trasferimento termico e questo implica lavorazioni estremamente precise e delicate. Il vano è poi riempito per il 60% con un composto chimico a base di sodio che cambia stato, passando da solido a liquido, attorno ai 100°C. Nel moto alternato della valvola il movimento inerziale del sodio liquido trasferisce calore dalla zona più calda (quella del fungo che si affaccia nella camera di scoppio) a quella più fredda (la zona di contatto tra stelo e guida). Il vano riempito che poi essere chiuso da un tappo, che è poi l’estremità superiore saldata sullo stelo. Oltre al vantaggio termico, lo stelo cavo consente anche un risparmio di peso che, specie agli elevati regimi tipici dei motori motociclistici, riduce le inerzie del sistema.

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La saldatura per attrito del tappo che chiude il foro riempito di sodio.

L’evoluzione operata da Federal Mogul in questo settore è stata quella di implementare un processo produttivo in grado di produrre a costi industriali ragionevoli valvole col diametro dello stelo ridotto. Normalmente, in una valvola a stelo pieno circa il 75% del calore generato dalla combustione viene trasmesso al fungo e da questo alla sede valvola. La soluzione Federal Mogul consente di dimezzare il flusso di calore attraverso il fungo, riducendo la sua temperatura locale da 80°C a 150°C, trasmettendolo al sodio che riempie lo stelo. Normalmente le valvole al sodio sono impiegate sullo scarico, dove le temperature sono più importanti, ma possono trovare impiego anche in aspirazione, contribuendo alla riduzione della massa.

Ogni valvola Federal Mogul subisce un controllo finale  dimensionale.
Ogni valvola Federal Mogul subisce un controllo finale dimensionale.

La tecnologia Federal Mogul consente di produrre steli cavi di soli 5 mm di diametro esterno, col tappo di chiusura saldato per attrito in un solo passaggio rendendo quindi disponibili le valvole al sodio ai motori di piccola cilindrata e alte prestazioni, sia automobilistici sia motociclistici. Una tecnologia che può ridurre, anche se indirettamente, i consumi e le emissioni. Non è infatti da trascurare come la minor massa delle valvole al sodio consenta di ridurre gli attriti di scorrimento dando ai progettisti libertà di operare un downsizing più spinto, rivolto a motori sovralimentati di piccola cilindrata.

Tenute dinamiche

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La nuova geometria a labbro “a doppia cerniera” di MicroTorq® consente di mantenere la tenuta con una pressione di contatto ridotta ed uniforme.

E’ denominata MicroTorq, è brevettata e si tratta di una tenuta dinamica per alberi rotanti, come alberi motore o alberi a camme con labbro di tenuta realizzato con un evoluto materiale elastomerico.

MicroTorq riduce fino all’80% l’attrito nel punto di strisciamento, contribuendo in modo significativo al contenimento dei consumi e delle emissioni, valutato dai test condotti da Federal Mogul, fino a 1,5 gCO2/km.

Alla base dell’efficienza di queste tenute c’è il labbro a doppia cerniera che, grazie all’elevata flessibilità, consente di mantenere ridotta e uniforme la pressione nel punto di contatto. In una tenuta tradizionale, l’elevata pressione necessaria a garantire la tenuta anche in condizioni di disallineamenti radiali tra albero e labbro, generano forti attriti e aumenti locali della temperatura, che possono generare, oltre a usure dei componenti, anche dei depositi carboniosi derivati dal degrado dell’olio surriscaldato che esaltano il fenomeno.

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Le prestazioni del MicroTorq® sono strettamente legate all’elevata precisione con cui sono realizzati i suoi componenti e alla stabilità del materiale.

Le tenute MicroTorq sono semplici da installare poiché non richiedono attrezzi speciali e occupano uno spazio assiale fino al 50% inferiore rispetto a una tenuta tradizionale.

Ormai ampiamente utilizzati sui veicoli leggeri, le tenute MicroTorq stanno trovando impiego anche sui mezzi pesanti, un mercato a cui Federal Mogul si sta rivolgendo in modo sistematico, ampliando la sua gamma dimensionale.

Pistoni per motori diesel

 

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Il DuraForm-G91 di Federal Mogul mostra una durata a fatica dalle tre alle cinque volte superiore a quella delle leghe normalmente utilizzate in queste applicazioni.

Si chiama DuraForm-G91 ed è una nuova lega sviluppata da Federal Mogul per l’applicazione su motori diesel ad alte prestazioni, impiegate sia sulle vetture sia sui veicoli commerciali. La durata, fino a cinque volte superiore (test CMF e HCMF) a quella di un pistone realizzato con una lega comune, consente di impiegare questa soluzione su motori di piccola cilindrata e elevata potenza specifica senza intaccare l’affidabilità del componente. I pistoni in DuraForm-G91 possono avere minore altezza di compressione e massa ridotta, con la conseguente maggior compattezza dei motori, la riduzione del peso e la riduzione degli attriti, tutti fattori importanti per il contenimento dei consumi e delle emissioni. Alla base delle prestazioni della nuova lega una migliorata morfologia del silicio contenuto nella lega (componente indispensabile per contenere le dilatazioni termiche del pistone) e della altre fasi intermetalliche. Oltre a questo, lo sviluppo ha interessato anche il processo di fusione per eliminare difettosità anche in presenza di forme complesse e spessori ridotti. Il materiale è arrivato velocemente alla produzione grazie alle avanzate tecniche di test accelerati che hanno abbreviato la fase di sviluppo. In particolare sono stati utilizzati banchi prova che simulano l’impiego reale sul motore e combinano prove sulla fatica termomeccanica (TMF) a prove di fatica meccanica ad alto numero di cicli (HCMF), simulando le reali condizioni operative.

Boccole a pareti sottili

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Il Glycodur® G-290 di Federal-Mogul con spessore di soli 0,5mm, assicura una soluzione salvaspazio in quelle applicazioni dove non c’è spazio per le tradizionali boccole rigide di spessore superiore ai 0,7 mm.

L’utilizzo di boccole a parete sottile è da sempre un’esigenza dei progettisti: lo spazio recuperato può infatti essere utilizzato per aumentare il diametro dell’albero, oppure aumentare lo spessore della cartella metallica dell’alloggiamento. Il Glycodur G-290 è un nuovo materiale sviluppato da Federal Mogul per la fabbricazione di boccole autolubrificanti che con uno spessore di parete di 0,5 mm sono in grado di assicurare capacità di carico e resistenza all’usura addirittura superiori a quelle delle precedenti boccole Glycodur di spessore >0,7 mm, col vantaggio di poter essere montate con interferenza anche in processi automatici. Nella esecuzione tradizionale, le boccole erano costituite da un dorso di acciaio sul quale era depositato uno strato sinterizzato di bronzo stagnato a sua volta ricoperto da uno strato polimerico di scorrimento. Nel nuovo prodotto una miscela di resina è impregnata direttamente sul supporto d’acciaio, fungendo anche da protezione alla corrosione in caso di impieghi in atmosfera aggressiva.