Il motore leggero FEV aumenta l’efficienza grazie alla stampa 3D
Affinché i veicoli emettano meno CO2, la riduzione del peso rimane una questione chiave. L’azienda tedesca FEV ei suoi partner nel progetto LeiMot (motore leggero) mostrano ciò che è ancora possibile con i motori a combustione. I grandi gruppi di un diesel per auto di riferimento sono circa il 21% più leggeri grazie ai metodi di produzione additiva. Allo stesso tempo, gli esperti FEV sono stati in grado di aumentare l’efficienza delle funzioni del motore come il raffreddamento o il circuito dell’olio.
In vista delle imminenti emissioni e requisiti di dinamica di guida, è necessario ridurre ulteriormente la massa del veicolo e aumentare l’efficienza di guida. I moderni motori a combustione interna in costruzione interamente in alluminio hanno già raggiunto un livello molto alto qui. I grandi balzi nello sviluppo possono probabilmente essere raggiunti solo con processi di produzione alternativi. FEV ha ora evidenziato il proprio potenziale nel progetto di ricerca LeiMot.
L’attenzione era concentrata sulla testata e sul basamento di un moderno diesel di grandi dimensioni da due litri. Invece di utilizzare l’alluminio fuso come prima, i due componenti sono stati prodotti utilizzando il processo di fusione laser selettiva (Laser Powder Bed Fusion, LPBF). “Ciò consente di creare componenti in modo additivo, in altre parole: in strati basati su una materia prima inizialmente polverosa”, afferma Ralf Bey, responsabile del progetto LeiMot presso FEV. “Nel caso specifico, si trattava della lega di alluminio AlSi10Mg, ma sono state prese in considerazione anche le plastiche rinforzate con fibre. Gli assemblaggi implementati in questo modo pesano circa il 21% in meno. Allo stesso tempo, i nuovi componenti del motore compatibili con l’installazione – testata cilindri e basamento – aumentano l’efficienza della trasmissione “.
La testata del cilindro perde massa e mantiene la resilienza
La testata del cilindro di nuova concezione da sola consente di risparmiare 2,3 kg di peso, che corrisponde al 22 percento rispetto al componente originale. A tale scopo, in particolare, le zone meccanicamente molto sollecitate dovevano essere rinforzate in modo specifico: questo perché la combustione si traduce principalmente in carichi flettenti, mentre i carichi torsionali si verificano nel motore nel suo complesso. Il miglior rapporto tra risparmio di peso e rigidità è la combinazione di una doppia trave a T (IPB) e di un cassetto integrato e chiuso.
“Grazie alla produzione additiva, il condotto di uscita potrebbe essere prodotto direttamente isolato termicamente utilizzando la stampa 3D”, afferma Bey. “Di conseguenza, non solo i sistemi di post-trattamento dei gas di scarico si riscaldano più velocemente. Aumentano anche la temperatura di ingresso della turbina e quindi l’efficienza del turbocompressore “.
Ripensare il carter
Per ragioni di peso e rigidità, per il basamento è stato scelto il cosiddetto design a gonna corta con sottostruttura in alluminio (piastra base). La sostituzione del coperchio del cuscinetto in acciaio per il basamento è stata resa possibile dal diametro del cuscinetto principale ridotto per attrito del motore diesel di base. Con il basamento di nuova concezione che include il basamento, il peso è stato ridotto di 5,1 chilogrammi rispetto al componente originale.
Le paratie del basamento erano dotate di strutture di carico orizzontali aperte, irrigidite da una struttura a nervature trasversali in punti opportuni. Due tubi di collegamento a peso ridotto nell’area degli alberi di bilanciamento forniscono ulteriore rinforzo. Sulla base delle analisi topologiche, le zone a basso stress sono state ottimizzate utilizzando griglie (strutture reticolari) e cavità.
Le coperture laterali del basamento sono ora realizzate in resina fenolica rinforzata con fibra di vetro e sono quindi circa il 15% più leggere.
Meno acqua significa più raffreddamento
Il nuovo raffreddamento tangenziale permette di abbassare in modo mirato le temperature dei cilindri e allo stesso tempo ridurre la quantità di acqua necessaria. Una differenza strutturale principale è rappresentata dalle singole linee di raffreddamento nella testata, che sostituiscono la camicia d’acqua di grande volume. Le temperature nella piastra della camera di combustione scendono fino al 40 percento. E nonostante il 40% di refrigerante in meno, le temperature delle pareti sono ben al di sotto di quelle del motore di riferimento. Di conseguenza, la fase di riscaldamento dopo un avviamento a freddo può essere abbreviata e la potenza di azionamento della pompa dell’acqua può essere ridotta.
Il circuito dell’olio ulteriormente sviluppato riduce la perdita di pressione
Il circuito dell’olio ulteriormente sviluppato porta a ulteriori vantaggi durante le partenze a freddo e nel normale funzionamento. Le misure di ottimizzazione includono un nuovo tipo di percorso della linea – le curve sostituiscono le flessioni brusche – e modifiche nella sezione trasversale. Insieme, ciò ha ridotto del 22 percento la perdita di pressione nella testata e nel basamento. Un sifone capovolto impedisce lo scarico dell’olio a macchina ferma. Ciò significa che la giusta pressione dell’olio per il treno valvole è disponibile più rapidamente dopo che il motore è stato avviato e le paratie cave possono essere utilizzate per il ritorno dell’olio.
Lavoro di squadra “additivo”
Il Ministero Federale dell’Economia e dell’Energia finanzia il progetto di ricerca LeiMot. FEV guida il consorzio corrispondente, composto da un rinomato produttore di automobili, istituti di ricerca, università di scienze applicate, fornitori di servizi di sviluppo, produttori di sistemi e fornitori di automobili. L’obiettivo comune è consentire ai processi di produzione convenzionali di beneficiare sempre più delle possibilità della produzione additiva, ben oltre l’esempio di motore descritto.
FEV è un fornitore leader internazionale e indipendente di servizi nello sviluppo di veicoli e azionamenti per hardware e software . La gamma di competenze comprende lo sviluppo e la sperimentazione di soluzioni innovative fino alla produzione in serie, nonché i relativi servizi di consulenza.
