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Existem tr锚s estrat茅gias principais que podem ser alavancadas para reduzir as emiss玫es de motores a diesel. Primeiro, h谩 a op莽茫o de selecionar um dos combust铆veis de baixo carbono que agora est茫o chegando ao mercado. Do 贸leo vegetal hidrotratado (HVO) ao biodiesel, eles n茫o reduzem as emiss玫es de escapamento, mas fornecem redu莽玫es de CO2 devido 脿 propor莽茫o de carbono removida da atmosfera ao cultivar a biomassa, que, em 煤ltima an谩lise, se torna o produto final de combust铆vel.

A segunda op莽茫o 茅 atualizar os sistemas de p贸s-tratamento de emiss玫es (EATS). Da inje莽茫o de fluido de escape de ureia/diesel (amplamente comercializada como AdBlue), que decomp玫e emiss玫es nocivas em nitrog锚nio e 谩gua, aos sistemas de captura de part铆culas/queima regenerativa, o hardware com desempenho aprimorado pode cortar a sa铆da total de emiss玫es, ajudando a atingir a conformidade com regulamenta莽玫es rigorosas.

Em terceiro lugar, h谩 mudan莽as no pr贸prio motor. Da eletrifica莽茫o de componentes, que reduzem a carga do motor e o consumo de combust铆vel, a melhores estrat茅gias de inje莽茫o de combust铆vel e sistemas de gerenciamento de motor aprimorados, essas atualiza莽玫es podem fornecer emiss玫es reduzidas, 脿s vezes com o b么nus adicional de economia de combust铆vel aprimorada e tempo de atividade estendido ou disponibilidade da m谩quina.

Combust铆vel de baixo carbono

O potencial de redu莽茫o de emiss玫es de combust铆veis de baixo ou zero carbono 茅 t茫o grande que o HVO foi selecionado pela revista irm茫 Power Progress International como seu Newsmaker do Ano de 2023. Esses combust铆veis "alternativos" variam de combust铆veis l铆quidos a produtos gasosos, como o biometano.

No entanto, 茅 o HVO, 脿s vezes chamado de diesel verde ou renov谩vel, que tem o maior potencial de reduzir as emiss玫es finais.

O OEM de motores Cummins descreve o HVO como "um combust铆vel semelhante ao diesel que pode ser produzido sem recursos f贸sseis processando lip铆dios residuais renov谩veis". O combust铆vel paraf铆nico resultante libera CO2 quando queimado, mas pode proporcionar uma redu莽茫o geral de 90% nas emiss玫es devido ao di贸xido de carbono absorvido da atmosfera ao cultivar a biomassa de origem. O combust铆vel tamb茅m produz n铆veis mais baixos de NOx e part铆culas.

Como outros OEMs, a Kohler aprovou todos os motores para HVO, incluindo este motor diesel

Embora o HVO possa parecer uma alternativa relativamente nova, j谩 em 2008 a Neste Oils e a SAE International lan莽aram um white paper comparando o desempenho do HVO puro com uma mistura de 30% HVO/70% diesel e combust铆vel diesel sem enxofre EN 590. A conclus茫o foi que, usando tempos de inje莽茫o padr茫o, o combust铆vel 100% HVO forneceu uma sa铆da de NOx 6% menor e 35% menos fuma莽a (leia-se: "part铆culas") em compara莽茫o ao diesel sozinho.

Mas h谩 desvantagens, no entanto. Um relat贸rio da contratada Balfour Beatty observou que havia "problemas s茅rios" com HVO que precisavam ser resolvidos, destacando problemas com rastreabilidade em m茅todos de fornecimento, transporte e produ莽茫o, todos os quais poderiam afetar as alega莽玫es de redu莽茫o de carbono.

Embora a produ莽茫o de HVO esteja aumentando 鈥� a produ莽茫o total est谩 prevista para atingir dez milh玫es de toneladas em toda a Europa at茅 2030 鈥� isso provavelmente ainda n茫o ser谩 suficiente para substituir totalmente o diesel f贸ssil. A disponibilidade ser谩 ainda mais agravada por gargalos na rede de distribui莽茫o.

Sistemas de p贸s-tratamento

Em meados de 2023, a Eminox, desenvolvedora e fabricante de sistemas de p贸s-tratamento de emiss玫es (EATS), lan莽ou um white paper analisando como a introdu莽茫o das regulamenta莽玫es de emiss玫es Euro 7/Est谩gio 6 poderia impactar v谩rios setores e suas metas de carbono l铆quido zero.

Para projetar o EATS para atender a essas regulamenta莽玫es, a empresa usa uma "caixa de ferramentas de redu莽茫o de emiss玫es" que inclui uma variedade de tecnologias de mistura e dosagem, todas elas sob o guarda-chuva da redu莽茫o catal铆tica seletiva (SCR).

Anthony Greatwood, gerente global de produtos da Eminox, disse que a conformidade dos motores Euro 7 para rodovias e Est谩gio 6 para fora de estrada seria alcan莽ada abordando duas 谩reas principais: emiss玫es de partida a frio e controle de part铆culas.

Caixa de a莽o inoxid谩vel para um dos maiores sistemas EATS da Eminox

Rodas do impulsor da unidade turbo prontas para montagem final na Cummins

Olhando para partidas a frio, h谩 duas solu莽玫es prim谩rias agora sob investiga莽茫o. Elas incluem uma dose dupla de fluido de exaust茫o de diesel sendo introduzida no fluxo de exaust茫o, junto com um catalisador aquecido eletricamente para melhorar o desempenho antes que as temperaturas do motor aumentem.

No entanto, h谩 problemas para a adapta莽茫o desses sistemas. O espa莽o de embalagem a bordo do ve铆culo deve ser examinado para entender se 茅 poss铆vel acomodar o hardware relacionado, juntamente com as considera莽玫es de peso. Al茅m disso, se os sistemas de p贸s-tratamento forem adicionados sem calcular o impacto no motor, a contrapress茫o e o aumento da carga podem, em 煤ltima an谩lise, piorar as coisas.

鈥淨uanto mais p贸s-tratamento e restri莽茫o voc锚 coloca em um motor, voc锚 est谩 em desacordo com o aumento de efici锚ncias. Voc锚 est谩 gerando cargas adicionais no motor para criar a pot锚ncia necess谩ria para controlar as emiss玫es鈥�, disse Greatwood.

Ele explica que a melhor solu莽茫o poderia ser alcan莽ada tendo o especialista em p贸s-tratamento envolvido desde o primeiro dia do desenvolvimento do motor do zero. Isso daria suporte ao design do sistema mais eficiente, reduzindo quaisquer comprometimentos com rela莽茫o 脿 redu莽茫o de emiss玫es ou sa铆da de pot锚ncia.

Isso sugere a ideia de que uma atualiza莽茫o de um sistema de p贸s-tratamento existente pode ser dif铆cil de desenvolver e cara de implementar; quest玫es que precisam ser equilibradas com o custo de substitui莽茫o do equipamento por um novo hardware.

Hardware do motor

Juntamente com combust铆veis de baixo carbono e estrat茅gias de p贸s-tratamento, outra maneira de alcan莽ar redu莽玫es de emiss玫es em motores a diesel 茅 melhorar o desempenho do hardware relacionado e do software que gerencia a unidade de controle do motor.

Em termos b谩sicos, um turbocompressor canaliza g谩s de escape pressurizado do motor para a c芒mara de combust茫o. Esse aumento no volume de ar permite que proporcionalmente mais combust铆vel seja injetado na c芒mara, com um aumento resultante na pot锚ncia do motor. Enquanto as primeiras unidades turbo sofriam de problemas de atraso, as unidades turbo modernas fornecem pot锚ncia suave, melhorando a entrega de impulso e reduzindo as emiss玫es.

A Cummins 茅 a 煤nica OEM de motores que desenvolve e fabrica suas pr贸prias unidades turbo. Comercializados sob a marca Holset, os turbos s茫o projetados para aplica莽玫es leves, m茅dias e pesadas, com muitos produtos apresentando adapta莽玫es espec铆ficas necess谩rias para melhorar o desempenho.

As vers玫es mais recentes oferecem uma ampla faixa de fluxo que permite maior press茫o de refor莽o em velocidades mais baixas do motor, enquanto a tecnologia VG oferece suporte 脿 recircula莽茫o de gases de escape de curta dist芒ncia para melhorar a efici锚ncia de combust铆vel e reduzir os n铆veis de NOx.

A Cummins tamb茅m produz unidades turbo wastegate. O wastegate controla a quantidade e o tempo de libera莽茫o do excesso de g谩s de escape usando configura莽玫es controladas pneumaticamente ou eletronicamente. A tecnologia Wastegate pode evitar que o turbo acelere demais e reduzir o overboost do motor. Diz-se que o recurso proporciona um aumento de 3% na efici锚ncia, sendo compat铆vel com v谩rios sistemas de p贸s-tratamento.

O biodiesel tem melhor desempenho do que o f贸ssil em condi莽玫es frias

鈥淥 foco est谩 nas redu莽玫es de CO2 em motores a diesel, at茅 trens de for莽a de c茅lula de combust铆vel de hidrog锚nio. Estamos trabalhando nisso h谩 cerca de dois anos e estamos buscando acelerar essa tecnologia鈥�, disse Brett Fathauer, diretor executivo de Pesquisa e Engenharia da Cummins Turbo Technology.

鈥淓stamos analisando a tecnologia de tratamento de ar, incluindo compressores, turbinas, melhorias de efici锚ncia, juntamente com atualiza莽玫es e desenvolvimentos de m谩quinas eletr么nicas aplic谩veis a sistemas de propuls茫o h铆bridos e de c茅lulas de combust铆vel.鈥�

Usando din芒mica de fluidos computacional para entender a din芒mica f铆sica, as unidades turbo de 煤ltima gera莽茫o est茫o preparadas para aproveitar a energia "pulsada" e as interfaces de cobertura redesenhadas, destinadas respectivamente a otimizar a intera莽茫o entre o fluxo de ar e as turbinas e direcionar o fluxo de forma eficiente para a c芒mara de combust茫o para fornecer n铆veis de pot锚ncia otimizados.

Inje莽茫o de combust铆vel

Em outras partes do motor, o sistema de inje莽茫o de combust铆vel oferece mais potencial para redu莽玫es de emiss玫es. O sistema de inje莽茫o common-rail CRSN da Bosch foi projetado para uso em m谩quinas de constru莽茫o e aplica莽玫es industriais fora de estrada. Destinado a motores com at茅 oito cilindros, um deslocamento entre quatro e 17 litros e uma pot锚ncia de sa铆da de at茅 1000 kW, a tecnologia CRSN pode fornecer press玫es de fornecimento de combust铆vel escal谩veis.

As v谩lvulas solenoides CRIN s茫o essenciais para o desempenho do sistema CRSN. Operando a at茅 2.500 bar, as v谩lvulas de alta press茫o s茫o capazes de atomizar o combust铆vel em got铆culas microsc贸picas. Isso promove uma queima mais limpa, resultando em menores emiss玫es de CO2, menores contagens de part铆culas e melhor consumo de combust铆vel. Usando informa莽玫es da ECU, o sistema CRSN permite que os injetores forne莽am apenas o combust铆vel necess谩rio para corresponder 脿 carga/situa莽茫o operacional.

Solu莽玫es de partida a frio

Vale a pena completar esta cobertura de tecnologias destinadas a reduzir as emiss玫es de motores a diesel com detalhes que abrangem o que agora 茅 considerado uma causa prim谩ria da polui莽茫o do motor 鈥� partidas a frio. Um whitepaper publicado pela Escola de Engenharia Mec芒nica da Universidade de Nantong, na China, em 2023, analisou os problemas de raiz relacionados 脿s partidas a frio e estrat茅gias para tentar reduzir as emiss玫es relacionadas.

De acordo com o material, a combust茫o incompleta 茅 inevit谩vel quando a temperatura do ar e a temperatura do motor s茫o baixas. Essencialmente, a atomiza莽茫o do combust铆vel 茅 consideravelmente mais dif铆cil em condi莽玫es frias, resultando em combust茫o incompleta. Os aumentos de emiss玫es tamb茅m s茫o atribu铆dos ao atrito entre os componentes do motor, com o desgaste relacionado contribuindo para aumentos em todos os tipos de poluentes. Dados citados no relat贸rio observaram que as emiss玫es de NOx de motores a diesel de servi莽o pesado em condi莽玫es de partida a frio podem aumentar entre 40% e 90%.

O artigo relata que o biodiesel pode fornecer redu莽玫es significativas de CO2 nas emiss玫es de partida a frio, embora a alta concentra莽茫o de oxig锚nio no combust铆vel resulte em pouca mudan莽a nas contagens de NOx e hidrocarbonetos. Dito isso, a produ莽茫o desses e de outros poluentes cai muito mais rapidamente usando biodiesel em vez de combust铆vel f贸ssil.

H谩 relatos de que a adi莽茫o de etanol ao biodiesel reduz as contagens de NOx e hidrocarbonetos, mas o baixo valor de cetano do etanol pode causar aumentos na produ莽茫o de di贸xido de carbono.

A melhor rota para reduzir as emiss玫es do motor diesel durante partidas a frio 茅 aquecer o conjunto. Em motores de pequeno e m茅dio porte, velas de incandesc锚ncia s茫o usadas como um dispositivo auxiliar para melhorar o desempenho da partida a frio. O uso delas pode reduzir a sa铆da de CO2, NOx e hidrocarbonetos, com apenas um ligeiro aumento de part铆culas.

Em resumo, os autores do relat贸rio conclu铆ram que uma combina莽茫o de biodiesel, sistema de p贸s-tratamento, inje莽茫o de combust铆vel otimizada e aquecimento de admiss茫o seria necess谩ria para atingir as redu莽玫es m谩ximas de emiss玫es de um motor a diesel em condi莽玫es de baixa temperatura.

Embora uma solu莽茫o esteja dispon铆vel, seria necess谩rio que todos esses elementos estivessem dispon铆veis/instalados para atingir os benef铆cios potenciais.

Solu莽茫o de energia preparada para o futuro

Em setembro de 2023, a Perkins Engines realizou o lan莽amento para a imprensa no Reino Unido de seu novo motor da s茅rie 2600. Exibido pela primeira vez na ConExpo no in铆cio do ano, o motor de 13 litros (tamb茅m conhecido como 2606) foi projetado para oferecer a entrega de pot锚ncia de um modelo de 15 ou 18 litros, mas com uma pegada menor e emiss玫es reduzidas.

O motor produz entre 340 e 515 kW, sendo cerca de 20% mais leve do que um equivalente maior. Al茅m disso, o motor retorna n煤meros de economia de combust铆vel t茫o baixos quanto 185 g/kWh, enquanto tamb茅m suporta combust铆veis de substitui莽茫o drop-in, como HVO e biodiesel, para reduzir drasticamente a pegada de carbono relacionada.

Embora o motor esteja em conformidade com todas as regulamenta莽玫es de emiss玫es atuais, ele foi projetado para acomodar configura莽玫es que suportar茫o ajustes para atingir a conformidade com todos os padr玫es futuros nos EUA e na UE.