Nissan Qashqai, la tecnologia che riduce i consumi: primo impiego automobilistico

La transizione energetica nel settore automobilistico spinge i costruttori a esplorare frontiere tecnologiche sempre più spinte per massimizzare l’efficienza dei propulsori, anche quelli destinati a operare in configurazioni ibride. Nissan ha dimostrato un approccio distintivo attraverso il suo powertrain e-POWER, dove il motore termico funge esclusivamente da generatore per alimentare il propulsore elettrico di trazione, permettendo al veicolo di beneficiare delle dinamiche tipiche della guida EV senza la necessità di ricarica esterna.

Per ottimizzare questo sistema, Nissan ha introdotto un nuovo motore turbo da 1,5 litri (nome in codice ZR15DDTe) che incorpora una significativa innovazione nel campo dell’ingegneria dei materiali e della produzione: l’adozione della tecnologia cold spray per la realizzazione delle sedi valvola. Questa mossa rappresenta una novità assoluta nel settore automotive e sottolinea l’impegno verso il miglioramento dell’efficienza termica del motore, che, grazie anche al sistema di combustione STARC (Strong Tumble & Appropriately stretched Robust ignition Channel), raggiunge un valore eccezionale del 42%.

L’introduzione di questa tecnica, mutuata da settori ad alta specializzazione come l’aerospaziale e l’energetico, non solo migliora le prestazioni strutturali delle sedi valvola, ma consente anche un’ottimizzazione critica della fluidodinamica all’interno della camera di combustione, elemento chiave per il raggiungimento di tali livelli di efficienza. La decisione di implementare il cold spray è un esempio lampante di come l’innovazione sui componenti interni possa sbloccare nuove possibilità architetturali e termodinamiche.

Tecnologia cold spray per Nissan Qashqai: come funziona

Il cold spray (spruzzatura a freddo) è un processo di deposizione di materiale solido che si distingue nettamente dalle tradizionali tecniche di saldatura o di spruzzatura termica (come il plasma spray). La sua denominazione deriva dal fatto che l’operazione avviene a temperature significativamente inferiori al punto di fusione dei materiali coinvolti, sia della polvere che del substrato.

Il principio di funzionamento si basa sulla propulsione di particelle metalliche in polvere (nel caso Nissan, una lega a base di rame senza cobalto) attraverso un ugello a una velocità estremamente elevata, spesso superiore a quella del suono. Quando queste particelle colpiscono la superficie del substrato (la testata in lega di alluminio), la loro elevata energia cinetica viene convertita in deformazione plastica e calore localizzato al punto di impatto. Questa deformazione, unita alle forze di taglio, è sufficiente a rompere lo strato di ossido superficiale sia della particella che del substrato, creando una forte adesione metallurgica per legame allo stato solido.

L’importanza di operare al di sotto della temperatura di fusione è duplice. In primo luogo, impedisce la formazione di composti intermetallici fragili e porosità che sono frequenti nei metodi di giunzione per fusione. Tali difetti strutturali possono compromettere la resistenza e l’affidabilità del rivestimento. In secondo luogo, il processo di cold spray riduce al minimo l’ossidazione delle particelle e preserva le proprietà microstrutturali e meccaniche sia del materiale depositato che del substrato, evitando alterazioni indesiderate dovute al calore.

Conservare le proprietà è cruciale per componenti sottoposti a stress termici e meccanici intensi, come le sedi valvola. La tecnologia, inizialmente sviluppata negli anni ’80 e adottata dall’industria aerospaziale per la riparazione e il rivestimento di componenti critici, trova oggi in Nissan la sua prima applicazione di serie su un motore automobilistico, evidenziando una maturità industriale raggiunta.

I limiti delle sedi valvola tradizionali

Nei motori a combustione interna convenzionali, le sedi valvola sono tipicamente realizzate tramite componenti sinterizzati in leghe dure, che vengono inseriti per interferenza (press-fitting) nelle cavità della testata. Sebbene questa tecnica sia consolidata e robusta, essa impone dei vincoli geometrici significativi. La necessità di alloggiare un componente esterno (la sede sinterizzata) limita la libertà di progettazione del condotto di aspirazione e di scarico.

La fluidodinamica all’interno del condotto è un fattore determinante per l’efficienza volumetrica e la qualità della miscelazione aria/carburante. L’uso di sedi tradizionali può introdurre discontinuità o geometrie non ottimali che generano turbolenze indesiderate e frenano il flusso d’aria. Questo contrasta direttamente con l’obiettivo di Nissan di massimizzare la miscelazione e minimizzare la turbolenza, pilastri del loro brevetto STARC.

La tecnologia cold spray elimina completamente il vincolo del componente separato. Le sedi valvola sono create spruzzando la polvere metallica direttamente sulla lega di alluminio della testata, formando un rivestimento robusto e durevole che è strutturalmente integrato con il materiale di base. Questa metodologia permette agli ingegneri di modellare le geometrie dei condotti in modo ottimale per i flussi in ingresso nel cilindro, senza le limitazioni imposte dal design e dall’installazione delle sedi sinterizzate. La capacità di creare profili fluidodinamici più lisci e precisi è essenziale per il successo della combustione STARC, contribuendo in modo diretto al miglioramento dell’efficienza termica complessiva.

I vantaggi del rivestimento a freddo

I benefici di questa tecnologia non sono limitati solo all’ottimizzazione geometrica; essi si estendono alle proprietà termiche e meccaniche del componente. Un vantaggio cruciale risiede nell’aumento della conduttività termica del materiale della sede valvola rispetto alle tradizionali leghe.

Ciò è possibile grazie a una specifica lega a base di rame, priva di cobalto. Il rame è noto per essere un conduttore di calore superiore, e la sua integrazione nelle sedi valvola consente un miglioramento significativo del raffreddamento intorno alle valvole stesse. Un raffreddamento più efficiente contribuisce a mantenere la temperatura della valvola entro parametri ottimali, riducendo il rischio di autoaccensione (knocking) e prolungando la vita operativa del componente in un ambiente ad alto stress termico.

Dal punto di vista della durabilità, i rivestimenti con spruzzatura a freddo dimostrano un’adesione meccanica e una resistenza all’usura superiori rispetto ai metodi convenzionali. L’assenza di fusione e la conseguente prevenzione di porosità e di stress termici residui si traducono in un rivestimento più denso, omogeneo e affidabile. Questo è in grado di sopportare le ripetute sollecitazioni d’impatto tra la valvola e la sede per milioni di cicli, garantendo una maggiore longevità del motore e una minor manutenzione.

Come impatta sulle prestazioni

L’innovazione di questa tecnologia deve essere inquadrata nel contesto strategico più ampio del powertrain e-POWER. In questo sistema ibrido in serie, il motore termico opera in un punto di carico e regime ottimale, disaccoppiato dalla richiesta di coppia delle ruote. Il suo ruolo primario è quello di operare alla massima efficienza per generare energia elettrica.

Qualsiasi incremento nell’efficienza termica del motore a combustione interna (ICE) si traduce direttamente in una riduzione del consumo di carburante e delle emissioni inquinanti del veicolo ibrido. In questo modo Nissan promette i vantaggi di coppia e silenziosità della guida elettrica senza le ansie legate all’autonomia e alla ricarica. La deposizione a freddo, consentendo un design della testata più efficiente e una migliore gestione termica, è un pilastro tecnologico che contribuisce a mantenere l’e-POWER competitivo nel panorama delle soluzioni di mobilità a basse emissioni.

Il successo di questa implementazione apre la strada a una visione più ampia dell’utilizzo delle tecniche di additive manufacturing e di deposizione avanzata nell’industria automobilistica. Processi come il cold spray offrono la flessibilità per integrare materiali con proprietà uniche (come la lega di rame ad alta conduttività) in componenti strutturali realizzati con materiali diversi (come la lega di alluminio della testata), superando le limitazioni imposte dai metodi di fusione o assemblaggio meccanico. La capacità di realizzare rivestimenti ad alta densità, con controllo microstrutturale preciso e senza alterazioni termiche, promette future applicazioni non solo nelle aree di attrito e usura, ma potenzialmente anche per la riparazione o la modifica di componenti in servizio. L’esempio di Nissan dimostra che l’innovazione sui materiali e sui processi produttivi, mutuata da settori avanzati, è essenziale per estendere i limiti prestazionali dei moderni powertrain, anche in vista di una sempre maggiore elettrificazione.