Presentato in occasione di Iaa 2022, “Xc13” rivoluziona l’offerta propulsiva di Fpt Industrial rispondendo alle nuove esigenze del segmento motoristico indotte dai più recenti vincoli di sostenibilità imposti dall’Unione Europea. In tale ottica gli investimenti per lo sviluppo di nuovi propulsori hanno dovuto assecondare una duplice necessità. Da una parte assicurare la messa a punto di prodotti in grado di ammortizzare sul lungo periodo le risorse destinate al loro sviluppo assicurando gli standard richiesti. Dall’altro garantire la competitività delle nuove generazioni di motori a combustione interna nell’ambito di un panorama tecnologico estremamente dinamico, che per il momento non vede soluzioni definitive a livello di powertrain nei segmenti industriali, off-road, marino e on-highway.
Motore “Xc13” di Fpt Industrial, un progetto completamente nuovo
Da qui “Xc13”, motore innovativo nato in un’ottica multifuel e multipurpose. Una piattaforma propulsiva in grado di adattarsi ai più diversi contesti applicativi intervenendo solo sul 20 per cento dei componenti e che di primo acchito potrebbe sembrare solo un’evoluzione degli attuali “Cursor 13”.
Il motore “Xc13” di Fpt Industrial sviluppato ad hoc
Come spiega l’ingegner Pierpaolo Biffali, vice presidente Product engineering di Fpt Industrial, in realtà non è così. “A livello progettuale ‘Xc13’ costituisce un progetto completamente nuovo in quanto gli unici punti in comune con gli attuali ‘Cursor 13’ sono l’architettura a sei cilindri in linea e la cilindrata di 12 litri e 876 centimetri cubi definita da canne cilindri da 135 millimetri di alesaggio per 150 millimetri di corsa.
Al di là dell’architettura e della cilindrata accade però che non ci sia un solo componente del motore che non sia stato oggetto di riprogettazione per raggiungere gli obiettivi di progetto. In primis una riduzione delle masse mantenendo invariati o addirittura migliorando i margini di affidabilità che contraddistinguono le unità Fpt Industrial. Non a caso basamento, sotto basamento e testa del motore Xc13’ sono realizzati con ghisa a grafite compatta, anche detta ‘vermiculare’. Un materiale che si colloca fra la tradizionale ghisa lamellare e la più pregiata ghisa sferoidale a livello di caratteristiche fisiche e prestazionali, e che quindi offre proprietà di resistenza meccanica più elevata rispetto alle ghise tradizionali.
Ciò ha permesso di ridurre gli spessori delle pareti dei componenti abbassando le masse di circa il dieci per cento. Percentuale che all’atto pratico porta ‘Xc13’ in versione diesel a pesare circa un quintale meno del ‘Cursor 13’ e in versione natural gas ad alleggerirsi di circa 80 chili. La grafite compatta è inoltre caratterizzata da una superiore conduttività termica che ha permesso di incrementare le performance di raffreddamento dei componenti a favore delle prestazioni motore.
Più energia della combustione
Tollerando infatti picchi di temperature più elevati, il motore può assecondare dinamiche di combustione più efficienti favorendo un incremento delle prestazioni delle unità.
Va precisato in tal senso che le nuove unità sono caratterizzate da rapporti di compressione più elevati che permettono di raggiungere pressioni di combustione dell’ordine dei 250–270 bar. Ne derivano rendimenti più elevati, minori consumi a parità di erogazione, minori emissioni di ossidi di azoto ed emissioni del dieci per cento circa inferiori di anidride carbonica. Questo senza che si inneschino problemi a livello di iniezione del combustibile, quest’ultima gestita tramite un impianto Bosch che opera a pressioni dell’ordine dei due mila e 500 bar.
Si può quindi affermare che a livello di prestazioni il motore ‘Xc13’, nella sua versione diesel, si inserisce al vertice della propria classe di potenza, pari a 600 cavalli nella taratura massima, migliorando di circa un cinque per cento lo spunto offerto da ‘Cursor 13’, a fronte di un incremento di coppia del 14 per cento ed un valore massimo di due mila e 850 newtonmetro. Per sostenere tali erogazioni sono stati rivisti tutti i componenti del manovellismo, a partire dai pistoni, realizzati con acciaio ad alto tenore di carbonio per arrivare alle bielle, caratterizzate da perni maggiorati che concorrono a ridurre gli attriti contribuendo a una maggiore efficienza di funzionamento.
Vgt a flussi separati
Anche il sistema di sovralimentazione è stato oggetto di ottimizzazione, ora asservito da un turbocompressore Garret a geometria variabile e a flussi separati che migliorare la dinamica dei gas combusti riducendo le onde di contropressione all’interno dei condotti di scarico. Questo grazie alla presenza di un setto divisorio inserito sul componente che evitale interferenze di pressione tra i flussi di gas provenienti dai cilindri uno, due e tre e dai cilindri quattro, cinque e sei.
L’utilizzo di un turbocompressore a geometria variabile inoltre permette di ottimizzare l’erogazione delle unità a tutti i regimi garantendo un elevato spunto in accelerazione e un’ottima elasticità senza compromettere la potenza. Il nuovo gruppo turbocompressore collabora inoltre attivamente anche alle prestazioni offerte dal freno a decompressione, altro aspetto oggetto di grandi miglioramenti rispetto a quanto offerto sulle unità ‘C13’. In collaborazione con Eaton è stato messo a punto un sistema di distribuzione a bilancieri collassabili che tramite un comando idraulico modifica la dinamica delle valvole di scarico per sfruttare le compressioni dell’aria presente nei cilindri attuate quando i pistoni sono trascinati dalla trasmissione così da ottenere una maggiore potenza frenante. L’impianto limita l’utilizzo dei rallentatori nelle applicazioni on-highway, ed è in fase di ulteriore evoluzione per arrivare ad attuare strategie di disattivazione dei cilindri che giochino a favore del contenimento dei consumi e di una migliore gestione termica allo scarico.
Per il momento il freno a decompressione sovralimentato consente di ottenere una potenza frenante di 530 chilowatt, circa 720 cavalli, a due mila 300 giri nella versione ‘Xc13’ diesel, e di 245 chilowatt, circa 333 cavalli, a due mila 300 giri al minuto nella versione metano che trova le sue prestazioni massime in una potenza di 520 cavalli e in una coppia di due mila e 500 newtonmetro. Tra le feature integrate sulle nuove unità da sottolineare infine il sistema di gestione ‘Item’, ‘Internal Thermal Engine Management’, un software che permette di monitorare i flussi termici all’interno dell’unità allineandone il funzionamento agli obiettivi prestazionali attesi con i minimi consumi e le minime emissioni possibili. Di fatto un motore all’avanguardia che si conferma tale anche in termini di customizzazione della disposizione dei sistemi ausiliari e delle prese di forza in base alle richieste dei clienti. I lati di aspirazione e scarico del motore, per esempio, possono essere invertiti, ed i componenti di manutenzione possono essere concentrati su un unico lato facilitando e velocizzando accesso ed esecuzione dell’intervento”.
A tutto idrogeno
Tra le differenti versioni di “Xc13” è in fase di messa a punto anche un’unità alimentata con idrogeno. L’idrogeno per molti versi è considerato il vettore energetico del futuro, a maggior ragione dopo che l’Unione Europea ha inserito i motori a combustione interna alimentati con tale combustibile tra le unità considerate a zero emissioni. L’iter di sviluppo della versione idrogeno di “Xc13” è in fase di completamento, ma un’unità “proof-of-concept” sta già equipaggiando un battipista “Leitwolf h2Motion” realizzato dalla ditta altoatesina Prinoth che ha fatto il suo debutto sulle piste da sci a Flachau, in Austria, in occasione della Coppa del Mondo di sci. Come spiega l’ingegner Lodovico Sinchetto, direttore della divisione Advanced Engineering di Fpt Industrial “il battipista Prinoth co-stituisce un banco di prova di altissimo livello in quanto tale veicolo è chiamato a operare in condizioni ambientali impegnative in termini di temperatura, umidità, quota e carico, con quest’ultima operatività quasi sempre al massimo per tutto l’arco temporale operativo.
La sostenibilità di tali condizionamenti è però aiutata dall’esperienza maturata da Fpt Industrial nei settori dei motori diesel e a gas naturale, ambiti dai quali si sono attinte soluzioni consolidate. Dai motori a gas naturale sono infatti stati derivati per la versione a idrogeno la testata e il sistema di accensione a candela posizionato centralmente lungo l’asse cilindro, mentre l’accomunano alla versione diesel il sistema di iniezione del carburante di tipo diretto e il sistema di sovralimentazione”.
Motore “Xc13” Fpt Industrial: la combustione nel mirino
“Nonostante tali basi progettuali, continua l’ingegner Nicola Rapetto, specialista di prodotto del team Advanced Engineering per le applicazioni con fuel alternativi, la messa a punto della versione idrogeno di ‘Xc13’ ha comunque rappresentato una sfida non indifferente affrontata grazie a importanti investimenti in termini di ricerca e sviluppo. Anche volti all’ottimizzazione del processo di combustione. Proprio questi ultimi costituiscono in effetti uno degli aspetti più critici nella messa a punto di un motore a idrogeno in quanto ci si deve confrontare con le caratteristiche chimiche di un combustibile con temperature di autoaccensione molto elevate e contemporaneamente bassa energia di accensione. Sono quindi necessarie strategie che consentano di gestire fenomeni di pre-accensione e detonazione – il Methane Number dell’idrogeno è pari a zero contro il cento del metano puro – ma soprattutto si devono gestire una propagazioni di fiamma la cui velocità è molto elevata rispetto ai combustibili tradizionali.
Non a caso gran parte del lavoro svolto su ‘Xc13’ nella versione a idrogeno si è concentrato proprio sulla combustione e sullo sviluppo di un sistema specifico all’interno della quale viene lavorata una miscela estremamente magra, con un rapporto lambda superiore a due.
Tenendo conto che il rapporto stechiometrico per l’idrogeno è di circa 34 parti di aria per una di idrogeno, ‘Xc13’ lavora quindi con miscele di almeno 68 parti di aria per una di idrogeno. L’elevata diluizione con l’aria permette di ridurre la formazione di ossidi di azoto e determina la produzione di gas combusti caratterizzati da temperature relativamente basse, inferiori anche a quelle di un motore diesel. La linea di scarico può dunque essere derivata da quella delle versioni diesel con la presenza i sistemi di post trattamento basato sull’utilizzo di moduli scr per ridurre gli ossidi di azoto. Questo ha permesso di escludere la presenza di sistemi di ricircolo per limitare la formazione degli ossidi mantenendoli al di sotto dei limiti di omologazione”.
Turbo per alte diluizioni
“Un ruolo chiave nello sviluppo dell’unità, riprende l’ingegner Sinchetto, è poi giocato dal sistema di sovralimentazione, asservito da un turbocompressore a geometria variabile dedicato simile a quello che equipaggia la versione diesel ma chiamato ad assecondare le elevate diluizioni di funzionamento mettendo a disposizione un boost elevato. Anche in questo caso l’esperienza trasversale di Fpt Industrial e Iveco nello sviluppo di sistemi propulsivi on-road e off-road ha contribuito a raggiungere una soluzione specifica che oltre ad assicurare le prestazioni richieste offre un rendimento combustivo bilanciato tra quello offerto dalle unità diesel e quello dei motori a gas naturale.
Rispetto a tali versioni quella a idrogeno vanta però uno specifico sistema di ventilazione del basamento per impedire che i trafilamenti della miscela tra canna e cilindro portino a concentrazioni di combustibile nei gas di blow-by tali da essere all’interno dei limiti di infiammabilità delle miscele di idrogeno. La possibilità di testare l’unità sul battipista di Prinoth ha permesso di valutare la bontà delle soluzioni tecniche sopra descritte in condizioni estremamente impegnative, a partire dall’alta quota di utilizzo, di sopra dei due mila metri, e dunque con situazioni di aria rarefatta. Cosa che impone la messa a punto di sistemi di sovralimentazione innovativi e strategici per i motori a combustione alimentati con idrogeno.
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Titolo: Il nuovo motore “Xc13” di Fpt Industrial a vocazione multi-fuel
Autore: Redazione
