±ØÓ®ÌåÓý

Esistono tre strategie principali che possono essere sfruttate per ridurre le emissioni dei motori diesel. Innanzitutto, c'è la possibilità di selezionare uno dei carburanti a basso tenore di carbonio che stanno facendo il loro ingresso sul mercato. Dall'olio vegetale idrotrattato (HVO) al biodiesel, questi non riducono effettivamente le emissioni allo scarico, ma forniscono riduzioni di CO2 dovute alla quota di carbonio rimossa dall'atmosfera durante la crescita della biomassa, che alla fine diventa il prodotto finale del carburante.

La seconda opzione è quella di aggiornare i sistemi di post-trattamento delle emissioni (EATS). Dall'iniezione di fluido di scarico urea/diesel (ampiamente commercializzato come AdBlue), che scompone le emissioni nocive in azoto e acqua, ai sistemi di cattura del particolato/bruciatura rigenerativa, l'hardware con prestazioni migliorate può ridurre le emissioni totali, contribuendo a raggiungere la conformità con le severe normative.

In terzo luogo, ci sono cambiamenti al motore stesso. Dall'elettrificazione dei componenti, che riducono il carico del motore e il consumo di carburante, a migliori strategie di iniezione del carburante e sistemi di gestione del motore migliorati, questi aggiornamenti possono fornire emissioni ridotte, a volte con il bonus aggiuntivo di un risparmio di carburante migliorato e tempi di attività prolungati o disponibilità della macchina.

Carburante a basse emissioni di carbonio

Tale è il potenziale di riduzione delle emissioni dei carburanti a basse e zero emissioni di carbonio che l'HVO è stato selezionato dalla rivista gemella Power Progress International come Newsmaker of the Year 2023. Questi carburanti "alternativi" spaziano dai carburanti liquidi ai prodotti gassosi come il biometano.

Tuttavia, è l'HVO, talvolta definito diesel verde o rinnovabile, ad avere il potenziale maggiore per ridurre le emissioni finali.

Engine OEM Cummins descrive l'HVO come "un carburante simile al diesel che può essere prodotto senza risorse fossili elaborando lipidi di scarto rinnovabili". Il carburante paraffinico risultante rilascia CO2 quando brucia, ma può fornire una riduzione complessiva del 90% delle emissioni grazie all'anidride carbonica assorbita dall'atmosfera quando si coltiva la biomassa di origine. Il carburante produce anche livelli inferiori di NOx e particolato.

Come altri OEM, Kohler ha approvato tutti i motori per HVO, incluso questo motore diesel

Sebbene l'HVO possa sembrare un'alternativa relativamente nuova, già nel 2008 Neste Oils e SAE International pubblicarono un white paper che confrontava le prestazioni dell'HVO puro con una miscela 30% HVO/70% diesel e carburante diesel senza zolfo EN 590. La conclusione fu che utilizzando i tempi di iniezione predefiniti, il carburante 100% HVO forniva un'emissione di NOx inferiore del 6% e il 35% in meno di fumo (leggi: "particolato") rispetto al solo diesel.

Ma ci sono anche degli svantaggi. Un rapporto dell'appaltatore Balfour Beatty ha evidenziato che c'erano "seri problemi" con l'HVO che dovevano essere affrontati, evidenziando problemi di tracciabilità nei metodi di approvvigionamento, trasporto e produzione, tutti fattori che potrebbero influire sulle dichiarazioni di riduzione del carbonio.

Sebbene la produzione di HVO sia in aumento (si prevede che la produzione totale raggiungerà i dieci milioni di tonnellate in tutta Europa entro il 2030), ciò probabilmente non sarà ancora sufficiente a sostituire completamente il diesel fossile. La disponibilità sarà ulteriormente aggravata dai colli di bottiglia nella rete di distribuzione.

Sistemi di post-trattamento

A metà del 2023, Eminox, azienda sviluppatrice e produttrice di sistemi di post-trattamento delle emissioni (EATS), ha pubblicato un white paper in cui esamina come l'introduzione delle normative sulle emissioni Euro 7/Stage 6 potrebbe avere un impatto su vari settori e sui loro obiettivi di emissioni nette di carbonio pari a zero.

Per progettare EATS in modo da soddisfare queste normative, l'azienda utilizza una "cassetta degli attrezzi per la riduzione delle emissioni" che comprende una varietà di tecnologie di miscelazione e dosaggio, tutte rientranti nell'ambito della riduzione catalitica selettiva (SCR).

Anthony Greatwood, responsabile prodotti globali di Eminox, ha affermato che la conformità dei motori Euro 7 per uso stradale e Stage 6 per uso fuoristrada sarà conseguita intervenendo su due aspetti chiave: emissioni all'avviamento a freddo e controllo del particolato.

Rivestimento in acciaio inossidabile per uno dei più grandi sistemi EATS di Eminox

Le ruote della girante dell'unità turbo sono pronte per l'assemblaggio finale presso Cummins

Per quanto riguarda gli avviamenti a freddo, sono attualmente in fase di studio due soluzioni principali. Tra queste, una doppia dose di fluido di scarico diesel introdotto nel flusso di scarico, insieme a un catalizzatore riscaldato elettricamente per migliorare le prestazioni prima che le temperature del motore aumentino.

Tuttavia, ci sono problemi nel retrofitting di questi sistemi. Lo spazio di imballaggio a bordo del veicolo deve essere esaminato per capire se è possibile ospitare l'hardware correlato insieme alle considerazioni sul peso. Inoltre, se i sistemi di post-trattamento vengono aggiunti senza calcolare l'impatto sul motore, la contropressione e il carico aumentato potrebbero in definitiva peggiorare le cose.

"Quanto più post-trattamento e restrizioni imposti a un motore, tanto più si è in contrasto con l'aumento dell'efficienza. Si generano carichi aggiuntivi sul motore per creare la potenza necessaria a controllare le emissioni", ha affermato Greatwood.

Spiega che la soluzione migliore potrebbe essere raggiunta coinvolgendo lo specialista del post-trattamento fin dal primo giorno dello sviluppo del motore da zero. Ciò supporterebbe la progettazione del sistema più efficiente, riducendo qualsiasi compromesso per quanto riguarda la riduzione delle emissioni o la potenza erogata.

Ciò suggerisce l'idea che l'aggiornamento di un sistema di post-trattamento esistente potrebbe essere difficile da sviluppare e costoso da implementare; problemi che devono essere bilanciati con il costo della sostituzione dell'attrezzatura con nuovo hardware.

Hardware del motore

Insieme ai carburanti a basse emissioni di carbonio e alle strategie di post-trattamento, un'ulteriore strada per conseguire riduzioni delle emissioni nei motori diesel è il miglioramento delle prestazioni dell'hardware correlato e del software che gestisce l'unità di controllo del motore.

In termini basilari, un turbocompressore convoglia i gas di scarico del motore pressurizzati nella camera di combustione. Questo aumento del volume d'aria consente di iniettare proporzionalmente più carburante nella camera, con un conseguente aumento della potenza del motore. Mentre le prime unità turbo soffrivano di problemi di ritardo, le moderne unità turbo forniscono una potenza fluida, migliorando l'erogazione della spinta e riducendo le emissioni.

Cummins è l'unico OEM di motori che sviluppa e produce le proprie unità turbo. Commercializzati con il marchio Holset, i turbo sono progettati per applicazioni leggere, medie e pesanti, con molti prodotti dotati di adattamenti specifici necessari per migliorare le prestazioni.

Le versioni più recenti offrono un'ampia gamma di portate che consente una maggiore pressione di sovralimentazione a regimi motore più bassi, mentre la tecnologia VG supporta il ricircolo dei gas di scarico a percorso breve per migliorare l'efficienza del carburante e ridurre i livelli di NOx.

Cummins produce anche unità turbo wastegate. La wastegate controlla la quantità e la tempistica del rilascio di gas di scarico in eccesso utilizzando configurazioni controllate pneumaticamente o elettronicamente. La tecnologia wastegate può impedire al turbo di andare fuori giri e ridurre l'overboost del motore. Si dice che la caratteristica fornisca un aumento del 3% dell'efficienza, pur essendo compatibile con vari sistemi di post-trattamento.

Il biodiesel funziona meglio del fossile in condizioni fredde

"L'attenzione è rivolta alle riduzioni di CO2 dal diesel ai propulsori a celle a combustibile a idrogeno. Ci stiamo lavorando da circa due anni e stiamo cercando di accelerare questa tecnologia", ha affermato Brett Fathauer, direttore esecutivo per la ricerca e l'ingegneria presso Cummins Turbo Technology.

"Stiamo esaminando la tecnologia di trattamento dell'aria, compresi compressori, turbine, miglioramenti dell'efficienza, insieme ad aggiornamenti e sviluppi delle macchine elettriche applicabili ai gruppi propulsori ibridi e a celle a combustibile".

Utilizzando la fluidodinamica computazionale per comprendere le dinamiche fisiche, le unità turbo di nuova generazione sono destinate a sfruttare l'energia "pulsata" e le interfacce di rivestimento riprogettate, rispettivamente concepite per ottimizzare l'interazione tra flusso d'aria e turbine e dirigere in modo efficiente il flusso nella camera di combustione per fornire livelli di potenza ottimizzati.

Iniezione di carburante

In altre parti del motore, il sistema di iniezione del carburante offre ulteriore potenziale per la riduzione delle emissioni. Il sistema di iniezione common-rail CRSN di Bosch è stato progettato per l'uso in macchinari edili e applicazioni industriali off-highway. Progettato per motori con un massimo di otto cilindri, una cilindrata compresa tra quattro e 17 litri e una potenza fino a 1000 kW, la tecnologia CRSN può fornire pressioni di erogazione del carburante scalabili.

Le elettrovalvole CRIN sono essenziali per le prestazioni del sistema CRSN. Operando fino a 2.500 bar, le valvole ad alta pressione sono in grado di atomizzare il carburante in goccioline microscopiche. Ciò favorisce una combustione più pulita, con conseguenti minori emissioni di CO2, minori conteggi di particolato e un consumo di carburante migliorato. Utilizzando le informazioni provenienti dalla ECU, il sistema CRSN consente agli iniettori di erogare solo il carburante necessario per adattarsi al carico/situazione di esercizio.

Soluzioni di avviamento a freddo

Vale la pena completare questa copertura delle tecnologie volte a ridurre le emissioni dei motori diesel con dettagli che riguardano quella che è ora considerata una causa primaria di inquinamento dei motori: gli avviamenti a freddo. Un whitepaper pubblicato dalla School of Mechanical Engineering presso la Nantong University in Cina nel 2023 ha esaminato i problemi alla radice correlati agli avviamenti a freddo e le strategie per provare a ridurre le emissioni correlate.

Secondo il materiale, la combustione incompleta è inevitabile quando la temperatura dell'aria e la temperatura del motore sono entrambe basse. In sostanza, l'atomizzazione del carburante è notevolmente più difficile in condizioni di freddo, con conseguente combustione incompleta. Gli aumenti delle emissioni sono anche attribuiti all'attrito tra i componenti del motore, con l'usura correlata che contribuisce agli aumenti in tutti i tipi di inquinanti. I dati citati nel rapporto hanno rilevato che le emissioni di NOx dai motori diesel pesanti in condizioni di avviamento a freddo potrebbero aumentare tra il 40% e il 90%.

Il documento riporta che il biodiesel può fornire significative riduzioni di CO2 nelle emissioni di avviamento a freddo, sebbene l'elevata concentrazione di ossigeno nel carburante comporti pochi cambiamenti nei conteggi di NOx e idrocarburi. Detto questo, la produzione di questi e altri inquinanti diminuisce molto più rapidamente utilizzando il biodiesel anziché il combustibile fossile.

Si ritiene che l'aggiunta di etanolo al biodiesel riduca le emissioni di NOx e di idrocarburi, ma il basso valore di cetano dell'etanolo può comportare un aumento delle emissioni di anidride carbonica.

Il modo migliore per ridurre le emissioni dei motori diesel durante gli avviamenti a freddo è riscaldare l'assemblaggio. Nei motori di piccole e medie dimensioni, le candelette sono utilizzate come dispositivo ausiliario per migliorare le prestazioni di avviamento a freddo. Il loro utilizzo può ridurre le emissioni di CO2, NOx e idrocarburi, con solo un leggero aumento del particolato.

In sintesi, gli autori del rapporto hanno concluso che per ottenere le massime riduzioni delle emissioni di un motore diesel in condizioni di bassa temperatura sarebbe necessaria una combinazione di biodiesel, sistema di post-trattamento, iniezione di carburante ottimizzata e riscaldamento dell'aspirazione.

Sebbene una soluzione sia a portata di mano, per ottenere i potenziali benefici sarebbe necessario che tutti questi elementi fossero disponibili/installati.

Soluzione energetica a prova di futuro

A settembre 2023, Perkins Engines ha tenuto il lancio stampa nel Regno Unito del suo nuovo motore della serie 2600. Presentato per la prima volta al ConExpo all'inizio dell'anno, il motore da 13 litri (noto anche come 2606) è progettato per offrire la stessa potenza di un modello da 15 o 18 litri, ma con un ingombro ridotto ed emissioni ridotte.

Il motore produce tra 340 e 515 kW, pur essendo circa il 20% più leggero di un equivalente più grande. Inoltre, il motore restituisce cifre di risparmio di carburante pari a soli 185 g/kWh, supportando anche carburanti sostitutivi drop-in come HVO e biodiesel per ridurre drasticamente l'impronta di carbonio correlata.

Sebbene il motore sia conforme a tutte le attuali normative sulle emissioni, è stato progettato per adattarsi a configurazioni che supporteranno gli adeguamenti necessari per ottenere la conformità a tutti i futuri standard negli Stati Uniti e nell'Unione Europea.