FPT Industrial e Stanadyne parlano dell'innovazione dei motori a combustione interna

Un recente webinar dell'Engine Technology Forum (ETF) si è concentrato sulle diverse innovazioni apportate ai motori a combustione interna (IC) per migliorare l'efficienza e le emissioni. I relatori del settore hanno affrontato argomenti che spaziano dai carburanti al post-trattamento.

Tuttavia, una parte significativa del webinar era incentrata sui progressi tecnologici dei motori a combustione interna stessi.

Ad aprire questa parte del webinar è stato Ivan Tate, direttore del centro tecnico di FPT Industrial, produttore di motori e gruppi propulsori. Ha esaminato le innovazioni introdotte da FPT per migliorare prestazioni, consumi e produttività.

Definendo il motore a combustione interna "un motore di punta per molti anni a venire", Tate si è concentrato in particolare sulla piattaforma del motore XC13 da 13 litri di FPT, configurabile per diversi tipi di carburante, tra cui diesel e gas naturale, entrambi al centro del suo intervento.

Evoluzione del motore

Tate ha parlato dell'evoluzione della XC13, a partire dalla Cursor C13 del 1998.

Il modello XC13 di FPT Industrial presentato all'IAA Transportation 2022. (Foto: FPT Industrial)

"Concepito come motore per uso stradale, abbiamo fatto il passo verso l'off-highway all'inizio degli anni 2010", ha affermato. "C'è stato un aumento di potenza, con turbocompressore a doppio stadio. Poi, più o meno in quel periodo (2012), sono iniziate ad arrivare le pesanti modifiche legislative. Si è evoluto verso il gas naturale (2017) e, come azienda, abbiamo in un certo senso riconosciuto la situazione. Quindi, con il concept Cursor X (2018), abbiamo puntato molto sulla sostenibilità, la modularità e la flessibilità dei nostri prodotti. E la XC13 rappresenta davvero la nuova generazione".

Una delle innovazioni più comuni adottate da FPT per l'XC13, indipendentemente dal tipo di carburante, è stata quella di passare dalle fusioni standard per il blocco cilindri e la testata alla ghisa a grafite compatta (CGI).

"Questo ci permette di essere più leggeri ma anche più rigidi", ha affermato. "Questo contribuisce a migliorare le emissioni e anche la pressione nei cilindri che possiamo mantenere."

I miglioramenti apportati da FPT hanno ridotto il peso di circa il 10 percento sia sui modelli diesel che su quelli a gas naturale rispetto al motore C13.

Riduzione dell'attrito

La FPT ha anche cercato di ridurre l'attrito nella XC13 utilizzando nuovi materiali sulle bielle e sui perni, un'innovazione che Tate ha definito fondamentale.

"Sembra facile", ha detto. "Prendere la superficie del cuscinetto, migliorare i materiali, ridurre l'area superficiale, modificare i giochi per ottimizzare l'attrito. Ma stiamo anche considerando la facilità di manutenzione, quindi intervalli di manutenzione più lunghi, un carico maggiore rispetto alle generazioni precedenti. Quindi, collaborando con i produttori di lubrificanti, è stato necessario molto lavoro sulla durata per ottenere questi vantaggi e fornire esattamente ciò di cui avevamo bisogno."

Ulteriori miglioramenti al sistema di distribuzione hanno aumentato la potenza frenante del 29 percento nella versione diesel della XC13 e di oltre il 300 percento nell'unità a gas naturale, in entrambi i casi rispetto al modello precedente C13.

"Ciò migliora ovviamente in parte la guidabilità, ma si avvicina anche ad altre emissioni che stanno entrando nello spettro delle emissioni", ha affermato, aggiungendo che tra queste rientrano la polvere dei freni e le emissioni legate all'usura dei componenti che hanno iniziato ad apparire nei grafici delle emissioni in seguito a emissioni di combustione dallo scarico significativamente inferiori.

Ausiliari e controlli

Due ulteriori miglioramenti che, uniti al peso ridotto del motore, hanno contribuito a migliorare le prestazioni e i consumi sono i sistemi ausiliari intelligenti e il controllo avanzato della combustione. I sistemi ausiliari in questione sono pompe dell'olio e dell'acqua a velocità variabile, che possono essere a due stadi o completamente variabili, ha affermato Tate. Dal punto di vista dei controlli, la XC13 è dotata di un controllo avanzato della combustione e di una gestione termica.

"Soprattutto in condizioni di avviamento, a freddo e nei transitori, i vantaggi dell'iniezione di carburante, la possibilità di controllare le contropressioni del turbocompressore, le contropressioni allo scarico e quindi modificare i modelli di iniezione, dimostrano che possiamo aumentare la potenza, ma possiamo anche raggiungere gli obiettivi di emissioni e consumo di carburante", ha affermato.

Rispetto alla C13, questi e altri miglioramenti apportati alla XC13 hanno portato a un aumento di potenza di oltre il 2% e di coppia di oltre il 12% nella versione diesel, con una corrispondente riduzione del consumo di carburante del 7%. Il modello a gas naturale ha registrato aumenti di potenza e coppia rispettivamente di oltre il 9% e di oltre il 10%, con un miglioramento dell'efficienza nei consumi di circa l'8%.

Iniezione diretta GPL

Srinu Gunturu, ingegnere capo dell'azienda produttrice di sistemi di alimentazione Stanadyne, ha parlato delle innovazioni nei motori a combustione interna alimentati a propano, in particolare l'iniezione diretta di gas di petrolio liquefatto (GPL).

L'iniettore e la pompa del carburante Stanadyne erogano GPL tramite il sistema di inibizione del vapore a blocco sviluppato e progettato da Katech. (Foto: Stanadyne)

"Crediamo che sarà un'ottima alternativa", ha affermato, "e che aumenterà anche l'efficienza degli attuali sistemi di alimentazione a propano liquido disponibili sul mercato".

Tra i vantaggi del GPL, Gunturu ha sottolineato il miglioramento dell'efficienza del motore e delle emissioni.

"Il numero di ottano è 105 e, utilizzando un catalizzatore a tre vie, probabilmente potremo ridurre ulteriormente le emissioni, a un costo inferiore rispetto ai sistemi aftermarket diesel", ha affermato. "E grazie al propano liquido, si otterrà un livello di particolato (PM) prossimo allo zero."

Gunturu ha citato il lavoro svolto da Stanadyne in collaborazione con Katech Engineering e il Propane Education & Research Council (PERC) per introdurre sul mercato l'iniezione diretta di GPL.

Affrontare il blocco del vapore

"Abbiamo realizzato un sistema su una piattaforma GM, ovvero il motore L8T, senza modifiche sostanziali rispetto a un motore a benzina: lo abbiamo convertito direttamente in un motore a propano liquido", ha affermato. "Siamo riusciti a convertire e apportare piccole modifiche al software e all'hardware, e ad aggiungere al sistema alcuni inibitori di blocco del vapore, in forma di applicazione, per poter alimentare questo motore con il propano liquido".

Il blocco del vapore è stato un problema chiave che Stanadyne ha dovuto risolvere quando ha utilizzato il motore a GPL.

"L'ostacolo principale che abbiamo incontrato è stato il carburante", ha detto Gunturu. "Il propano si trasforma in gas a pressione ambiente ed evapora nel sistema."

Gunturu ha affermato che sono state apportate modifiche alla pompa del propano e all'iniettore per risolvere il problema del blocco del vapore.

"Abbiamo apportato modifiche progettuali alla nostra pompa e al sistema per poter eliminare il blocco di vapore con il propano liquido", ha affermato, "per l'erogazione dalla pompa ad alta pressione, in modo che la pompa non si blocchi e funzioni a pressioni più elevate, evitando così il blocco di vapore. Inoltre, ho sviluppato un sistema di sfiato della pressione nel caso in cui si formi vapore nel rail, che contribuirà a eliminarlo, rilasciandolo e ricollegandolo al lato del telaio".

Gli iniettori sono stati progettati anche per ottenere un flusso maggiore, ha aggiunto Gunturu, per migliorare la combustione del GPL nel cilindro.

Paragonabile alla benzina

Il motore di prova General Motors L8T 6.6L GDI è stato aggiornato con componenti Stanadyne e funzionava con iniezione diretta di GPL. (Foto: Stanadyne)

Secondo Gunturu, le prestazioni del motore L8T a GPL erano paragonabili a quelle del motore a benzina. La potenza del motore era leggermente superiore a quella di base della benzina nell'intervallo tra 3000 e 3500 giri/min.

Stanadyne ha effettuato prove al dinamometro per garantire che il funzionamento del motore a GPL non avrebbe danneggiato o distrutto il motore, le testate dei cilindri e gli altri componenti meccanici.

"Non abbiamo riscontrato alcun segno di usura meccanica anomala o di arretramento delle sedi valvola, né alcun problema con le pompe del carburante o gli iniettori", ha affermato Gunturu, aggiungendo che questo è avvenuto dopo oltre 16 milioni di cicli sugli iniettori e oltre 50 milioni di corse della pompa del carburante. "E non solo a regime costante. Abbiamo eseguito cicli transitori con diverse condizioni di avvio/arresto, condizioni di avviamento a freddo e test di crociera a 89-105 km/h per poter verificare se questa tecnologia avrebbe avuto un impatto sull'affidabilità o sulla durata del motore e anche sui componenti del sistema di alimentazione".

Piani futuri

Stanadyne sta valutando se la tecnologia possa sfruttare miscele di dimetiletere rinnovabile (rDME) oltre al propano rinnovabile.

Gunturu ha aggiunto che Stanadyne ha in programma di convertire un camion GM dotato di motore V8 da 5,3 litri per farlo funzionare a GPL.

"Stiamo pianificando di completare tutti i test completi sulle emissioni EPA per dimostrare che si otterrà un beneficio misurabile in termini di CO2 e anche numerose riduzioni delle emissioni che, come vedrete, saranno i prossimi passi per portare tutto questo al livello successivo per il mercato."

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