¿Cómo consigue la industria reducir las emisiones de los motores?

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Cada vía tecnológica para reducir las emisiones de los motores de combustión interna tiene sus propios beneficios y desventajas que deben tenerse en cuenta, escribe Julian Buckley.

Existen tres estrategias principales que se pueden aprovechar para reducir las emisiones de los motores diésel. En primer lugar, existe la opción de seleccionar uno de los combustibles con bajas emisiones de carbono que están abriéndose paso en el mercado. Desde el aceite vegetal hidrotratado (HVO) hasta el biodiésel, estos en realidad no reducen las emisiones de los tubos de escape, pero sí ofrecen reducciones de CO2 debido a la proporción de carbono que se elimina de la atmósfera al cultivar la biomasa, que en última instancia se convierte en el producto combustible final.

La segunda opción es mejorar los sistemas de postratamiento de emisiones (EATS). Desde la inyección de fluido de escape de urea/diésel (comercializado ampliamente como AdBlue), que descompone las emisiones nocivas en nitrógeno y agua, hasta los sistemas de captura de partículas/quema regenerativa, el hardware con un rendimiento mejorado puede reducir la producción total de emisiones, lo que ayuda a cumplir con las estrictas regulaciones.

En tercer lugar, hay cambios en el propio motor. Desde la electrificación de los componentes, que reducen la carga del motor y el consumo de combustible, hasta mejores estrategias de inyección de combustible y sistemas de gestión del motor mejorados, estas actualizaciones pueden generar emisiones reducidas, a veces con la ventaja adicional de una mayor economía de combustible y un mayor tiempo de funcionamiento o disponibilidad de la máquina.

Combustible bajo en carbono

Tal es el potencial de reducción de emisiones de los combustibles con bajo contenido de carbono o sin emisiones de carbono que el HVO fue seleccionado por la revista hermana Power Progress International como su creador de noticias del año 2023. Estos combustibles "alternativos" van desde combustibles líquidos hasta productos gaseosos como el biometano.

Sin embargo, es el HVO, a veces denominado diésel verde o renovable, el que tiene el mayor potencial para reducir las emisiones finales.

El fabricante de motores Cummins describe el HVO como "un combustible similar al diésel que se puede producir sin recursos fósiles mediante el procesamiento de lípidos residuales renovables". El combustible parafínico resultante libera CO2 cuando se quema, pero puede ofrecer una reducción general del 90% en las emisiones debido al dióxido de carbono absorbido de la atmósfera al cultivar la biomasa de origen. El combustible también produce niveles más bajos de NOx y partículas.

Kohler ha aprobado todos los motores para HVO Al igual que otros fabricantes de equipos originales, Kohler ha aprobado todos los motores para HVO, incluido este motor diésel.

Si bien el HVO puede parecer una alternativa relativamente nueva, ya en 2008 Neste Oils y SAE International publicaron un informe técnico que comparaba el rendimiento del HVO puro con el de una mezcla de 30 % HVO y 70 % diésel y combustible diésel sin azufre EN 590. La conclusión fue que, utilizando tiempos de inyección predeterminados, el combustible 100 % HVO ofrecía una emisión de NOx un 6 % menor y un 35 % menos de humo (léase: "partículas") en comparación con el diésel solo.

Sin embargo, también hay desventajas. Un informe del contratista Balfour Beatty señaló que había "problemas graves" con el HVO que debían abordarse, destacando problemas con la trazabilidad en los métodos de abastecimiento, transporte y producción, todo lo cual podría afectar las afirmaciones de reducción de carbono.

Si bien la producción de HVO está aumentando (se prevé que la producción total alcance los diez millones de toneladas en toda Europa en 2030), es probable que aún no sea suficiente para reemplazar por completo al diésel fósil. La disponibilidad se verá agravada aún más por los cuellos de botella en la red de distribución.

Sistemas de postratamiento

A mediados de 2023, Eminox, un desarrollador y fabricante de sistemas de postratamiento de emisiones (EATS), publicó un informe técnico que analiza cómo la introducción de las regulaciones de emisiones Euro 7/Etapa 6 podría afectar a varias industrias y sus objetivos de carbono neto cero.

Para diseñar EATS que cumpla con estas regulaciones, la empresa utiliza una "caja de herramientas de reducción de emisiones" que incluye una variedad de tecnologías de mezcla y dosificación, todas las cuales caen bajo el paraguas de la reducción catalítica selectiva (SCR).

Anthony Greatwood, gerente global de productos de Eminox, dijo que el cumplimiento de la norma Euro 7 para motores de carretera y Stage 6 para motores fuera de carretera se lograría abordando dos áreas clave: emisiones de arranque en frío y control de partículas.

Carcasa de acero inoxidable para uno de los sistemas EATS más grandes de Eminox Carcasa de acero inoxidable para uno de los sistemas EATS más grandes de Eminox
Ruedas impulsoras de la unidad turbo Ruedas impulsoras de la unidad turbo listas para el ensamblaje final en Cummins

En cuanto a los arranques en frío, actualmente se están investigando dos soluciones principales: una dosis doble de fluido de escape diésel que se introduce en el flujo de escape, junto con un catalizador calentado eléctricamente para mejorar el rendimiento antes de que aumente la temperatura del motor.

Sin embargo, la instalación de estos sistemas a posteriori presenta problemas. Es necesario examinar el espacio disponible a bordo del vehículo para saber si es posible acomodar el hardware relacionado, además de tener en cuenta el peso. Además, si se añaden sistemas de postratamiento sin calcular el impacto en el motor, la contrapresión y el aumento de la carga podrían acabar empeorando las cosas.

"Cuanto más postratamiento y más restricciones se aplican a un motor, más se pierde eficiencia. Se generan cargas adicionales en el motor para crear la potencia necesaria para controlar las emisiones", afirmó Greatwood.

Explica que la mejor solución sería contar con un especialista en postratamiento que participe desde el primer día del desarrollo del motor. Esto ayudaría a diseñar el sistema más eficiente y reduciría los compromisos en cuanto a reducción de emisiones o potencia.

Esto sugiere la idea de que una actualización de un sistema de postratamiento existente podría ser difícil de desarrollar y costosa de implementar; cuestiones que deben equilibrarse con el costo de reemplazar el equipo con hardware nuevo.

Hardware del motor

Junto con los combustibles bajos en carbono y las estrategias de postratamiento, otra vía para lograr reducciones de emisiones en los motores diésel es mejorar el rendimiento del hardware relacionado y el software que gestiona la unidad de control del motor.

En términos básicos, un turbocompresor canaliza los gases de escape del motor presurizados hacia la cámara de combustión. Este aumento del volumen de aire permite inyectar proporcionalmente más combustible en la cámara, con el consiguiente aumento de la potencia del motor. Si bien las primeras unidades turbo sufrían problemas de retardo, las unidades turbo modernas ofrecen una potencia uniforme, lo que mejora la entrega de impulso y reduce las emisiones.

Cummins es el único fabricante de motores que desarrolla y fabrica sus propias unidades turbo. Comercializadas bajo la marca Holset, las unidades turbo están diseñadas para aplicaciones de servicio liviano, mediano y pesado, y muchos productos cuentan con adaptaciones específicas necesarias para mejorar el rendimiento.

Las últimas versiones ofrecen un amplio rango de flujo que permite una mayor presión de refuerzo a velocidades del motor más bajas, mientras que la tecnología VG admite la entrega de recirculación de gases de escape de ruta corta para mejorar la eficiencia del combustible y reducir los niveles de NOx.

Cummins también produce unidades turbo con válvula de descarga. La válvula de descarga controla la cantidad y el momento de liberación del exceso de gases de escape mediante configuraciones controladas neumática o electrónicamente. La tecnología de válvula de descarga puede evitar que el turbo acelere demasiado y reducir el exceso de potencia del motor. Se dice que esta característica ofrece un aumento del 3 % en la eficiencia y es compatible con varios sistemas de postratamiento.

El biodiésel funciona mejor que los combustibles fósiles en condiciones de frío El biodiésel funciona mejor que los combustibles fósiles en condiciones de frío

"El objetivo es reducir las emisiones de CO2 en los motores diésel y de pila de combustible de hidrógeno. Llevamos trabajando en ello unos dos años y queremos acelerar esa tecnología", afirmó Brett Fathauer, director ejecutivo de Investigación e Ingeniería de Cummins Turbo Technology.

“Estamos estudiando tecnología de tratamiento del aire, incluidos compresores, turbinas, mejoras de eficiencia, junto con actualizaciones de máquinas eléctricas y desarrollos aplicables a sistemas de propulsión híbridos y de pilas de combustible�.

Utilizando la dinámica de fluidos computacional para comprender la dinámica física, las unidades turbo de próxima generación están configuradas para aprovechar la energía "pulsada" y las interfaces de cubierta rediseñadas, respectivamente, destinadas a optimizar la interacción entre el flujo de aire y las turbinas y dirigir eficientemente el flujo hacia la cámara de combustión para brindar niveles de potencia optimizados.

Inyección de combustible

En otras partes del motor, el sistema de inyección de combustible ofrece un mayor potencial para la reducción de emisiones. El sistema de inyección common-rail CRSN de Bosch ha sido diseñado para su uso en maquinaria de construcción y aplicaciones industriales fuera de carretera. Destinado a motores de hasta ocho cilindros, una cilindrada de entre cuatro y 17 litros y una potencia de hasta 1000 kW, la tecnología CRSN puede ofrecer presiones de suministro de combustible escalables.

Las válvulas solenoides CRIN son fundamentales para el rendimiento del sistema CRSN. Al funcionar a una presión de hasta 2500 bares, las válvulas de alta presión pueden atomizar el combustible en gotitas microscópicas. Esto promueve una combustión más limpia, lo que se traduce en menores emisiones de CO2, menor cantidad de partículas y un mejor consumo de combustible. Utilizando la información de la ECU, el sistema CRSN permite que los inyectores suministren solo el combustible necesario para adaptarse a la carga/situación operativa.

Soluciones de arranque en frío

Vale la pena completar esta cobertura de las tecnologías destinadas a reducir las emisiones de los motores diésel con detalles sobre lo que ahora se considera una de las principales causas de contaminación del motor: los arranques en frío. Un informe técnico publicado por la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Nantong en China en 2023 analizó los problemas de raíz relacionados con los arranques en frío y las estrategias para intentar reducir las emisiones relacionadas.

Según el material, la combustión incompleta es inevitable cuando la temperatura del aire y la temperatura del motor son bajas. Básicamente, la atomización del combustible es considerablemente más difícil en condiciones de frío, lo que da como resultado una combustión incompleta. Los aumentos de las emisiones también se atribuyen a la fricción entre los componentes del motor, y el desgaste relacionado contribuye a los aumentos de todos los tipos de contaminantes. Los datos citados en el informe indicaron que las emisiones de NOx de los motores diésel de servicio pesado en condiciones de arranque en frío podrían aumentar entre un 40% y un 90%.

El artículo señala que el biodiésel puede reducir significativamente las emisiones de CO2 en el arranque en frío, aunque la alta concentración de oxígeno en el combustible produce pocos cambios en los niveles de NOx e hidrocarburos. Dicho esto, la producción de estos y otros contaminantes disminuye mucho más rápidamente si se utiliza biodiésel en lugar de combustible fósil.

Se informa que agregar etanol al biodiésel reduce los niveles de NOx y de hidrocarburos, pero el bajo valor de cetano del etanol puede generar aumentos en la producción de dióxido de carbono.

La mejor manera de reducir las emisiones de los motores diésel durante los arranques en frío es calentar el conjunto. En los motores pequeños y medianos, las bujías incandescentes se utilizan como dispositivo auxiliar para mejorar el rendimiento del arranque en frío. Su uso puede reducir la emisión de CO2, NOx e hidrocarburos, con solo un ligero aumento de las partículas.

En resumen, los autores del informe concluyeron que se requeriría una combinación de biodiésel, sistema de postratamiento, inyección de combustible optimizada y calentamiento de la admisión para lograr las máximas reducciones de emisiones de un motor diésel en condiciones de baja temperatura.

Si bien existe una solución, sería necesario que todos estos elementos estuvieran disponibles o instalados para lograr los beneficios potenciales.

Solución energética a prueba de futuro

En septiembre de 2023, Perkins Engines realizó el lanzamiento de prensa en el Reino Unido de su nuevo motor de la Serie 2600. El motor de 13 litros (también conocido como 2606), que se mostró por primera vez en la ConExpo a principios de año, está diseñado para ofrecer la potencia de un modelo de 15 o 18 litros, pero ocupa menos espacio y tiene menos emisiones.

El motor produce entre 340 y 515 kW y es aproximadamente un 20 % más ligero que un motor equivalente de mayor tamaño. Además, el motor ofrece cifras de ahorro de combustible de tan solo 185 g/kWh y también admite combustibles de reemplazo como HVO y biodiésel para reducir drásticamente la huella de carbono relacionada.

Si bien el motor cumple con todas las regulaciones de emisiones actuales, ha sido diseñado para adaptarse a configuraciones que admitirán ajustes para lograr el cumplimiento de todos los estándares futuros en los EE. UU. y la UE.

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