5 Razones por las que los Motores Diésel Impulsan Vehículos Pesados

Desde su invención, los motores diésel se han convertido en una parte integral de nuestro mundo. Las ventajas de un motor diésel son numerosas, especialmente en comparación con sus homólogos de gasolina. En particular, cuando se trata de propulsar vehículos pesados, los motores diésel son insustituibles.

Alto Torque

Los motores diésel son mucho más potentes en comparación con los motores de gasolina. Pueden producir mayores cantidades de potencia y torque. Los vehículos pesados requieren una cantidad significativa de fuerza para moverse desde un estado de reposo. Por lo tanto, los motores diésel emergen como la opción preferida para alimentarlos. Están equipados para generar suficiente torque para mover vehículos pesados a cualquier velocidad.

Si busca más detalles, visite amablemente Autolin.

En , la Junta de Recursos del Aire de California (CARB) contrató a SwRI para investigar enfoques potenciales para lograr un objetivo de NOx ultra bajo. Este esfuerzo de alta visibilidad proporcionó a la industria de camiones pesados un adelanto de la próxima generación de tecnologías. Específicamente, la iniciativa se centró en evaluar múltiples rutas de tecnología de tratamiento posterior, trabajo de calibración del motor de bajo NOx y desarrollo de controladores de tratamiento posterior basados en modelos. La solución final de demostración enfatizó un enfoque práctico, abordando los impactos en la economía de combustible y las emisiones del tubo de escape. Al final, las soluciones demostraron que los nuevos objetivos de NOx ultra bajos son factibles, pero revelaron la necesidad de esfuerzos exploratorios continuos.

El éxito del programa sentó las bases para esfuerzos continuos para mejorar y entender las tecnologías de emisiones. La culminación de estas actividades llevó al programa CARB bajo NOx Etapa 3, que utiliza una nueva arquitectura de motor para cumplir con los objetivos más amplios de gases de efecto invernadero de la EPA de la Fase 2, al tiempo que simplifica las soluciones de tratamiento posterior de bajo NOx. A través de los esfuerzos continuos de un equipo multidisciplinario, SwRI ha desarrollado uno de los motores diésel de menor consumo de combustible y bajas emisiones en el mundo.

Equipo del motor

Muchas personas piensan que los motores más eficientes en combustible son también los que menos contaminan. Si bien eso puede ser cierto para las emisiones de CO2, reducir emisiones como hidrocarburos, monóxido de carbono, material particulado y NOx implica el uso de dispositivos de reducción que típicamente incurren en una penalización de combustible. Este compromiso entre la economía de combustible y la reducción de emisiones requirió que los ingenieros consideraran varias soluciones para encontrar un enfoque equilibrado. La arquitectura adecuada del motor es crítica para emplear tecnologías de bajas emisiones, evitando al mismo tiempo una penalización de combustible sustancial.

Para el programa, SwRI seleccionó un motor Cummins X15 de producción certificado para las regulaciones de emisiones diésel pesadas en carretera de EE.UU. Los ingenieros modificaron el motor para incluir un bypass de enfriador de recirculación de gases de escape (EGR) y un sistema de desactivación de cilindros (CDA). EGR recircula una porción de los gases de escape del motor de vuelta a los cilindros para reducir significativamente el NOx, particularmente de motores diésel. CDA reduce el consumo de combustible y las emisiones del motor durante las operaciones de carga ligera al desactivar algunos de los cilindros. Al reducir las pérdidas de bombeo, lo que aumenta la presión en cada cilindro en funcionamiento, y disminuir la cantidad de combustible que se bombea a los cilindros, el consumo de combustible puede reducirse entre un 8% y un 25% para condiciones de carretera, particularmente para motores de gran desplazamiento.

Al integrar y calibrar estos sistemas, el equipo mejoró la gestión térmica del motor y mitigó las penalizaciones de combustible y emisiones asociadas con los arranques en frío. Por lo general, los arranques en frío generan los niveles más altos de emisiones de NOx porque los dispositivos catalizadores de escape necesitan calentarse para lograr la máxima efectividad. Sin embargo, al recalibrar el motor y utilizar hardware de CDA, se incrementaron las temperaturas hasta en 150 °C para mejorar el rendimiento del catalizador. La tasa de masa de NOx del motor también se reduce durante la fase de calentamiento, disminuyendo la carga general sobre el sistema de tratamiento posterior.

Incorporar CDA ofrece varios beneficios, disminuyendo el consumo de combustible mientras se reducen simultáneamente el NOx y el CO2. Utilizando el Procedimiento de Prueba Federal de Carga Pesada de Arranque en Frío (HD-FTP), los ingenieros demostraron que las calibraciones de motor modificadas y CDA disminuyeron la penalización de combustible del 4% al 1.3%. CDA también mejoró la economía de combustible al arrancar en caliente en un 2%. Si bien estos resultados pueden parecer cambios pequeños en la economía de combustible total, los motores diésel pesados actuales pueden acumular un millón de millas de uso en servicio, por lo que incluso pequeñas mejoras pueden llevar a ahorros significativos en costos para los usuarios finales y sus clientes.

Avances en tratamiento posterior

Los sistemas de tratamiento posterior de motores diésel eliminan partículas y productos químicos dañinos de las emisiones de escape. Una combinación de catalizador de oxidación de diésel (DOC), filtro de partículas diésel (DPF) y sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR) convierten el cóctel tóxico de gases y hollín en el escape diésel no tratado en sustancias inofensivas que incluyen oxígeno y agua. La combinación de mecanismos físicos y reacciones químicas puede, bajo las condiciones adecuadas, lograr casi la eliminación total de partículas y gases dañinos. Típicamente, el 70% de todas las emisiones dañinas se liberan inmediatamente después del arranque, cuando los catalizadores están fríos y son menos efectivos. Encontrar formas de aumentar las temperaturas del catalizador más rápidamente es clave para disminuir las emisiones de NOx.

Para esta aplicación, los ingenieros utilizaron la tecnología de SCR de encendido (LO-SCR), una solución relativamente simple y de bajo costo, como el primer dispositivo de tratamiento posterior en el flujo de escape. Colocar el catalizador cerca del motor aprovecha las temperaturas elevadas de los gases de escape para reducir mejor el NOx durante los arranques en frío y escenarios de baja temperatura. Luego, SwRI utilizó un filtro de hollín catalizado zonificado (CSF) que incorpora tecnologías DOC y DPF en un componente como el siguiente sistema de tratamiento posterior en el flujo de escape. Esta configuración disminuye las partículas de emisión con menos pérdida de calor hacia el escape entregado al dispositivo de tratamiento posterior final, un sistema SCR. Estos avanzados sistemas de control de emisiones activos inyectan líquido de escape diésel, que reacciona con un catalizador especial para crear el amoníaco (NH3) necesario para eliminar de manera efectiva el NOx del flujo de escape de un motor diésel.

DETALLES

Además de los escenarios de arranque en frío, los camiones de entrega a menudo operan en modos de baja temperatura a medida que los sistemas de vehículos se enfrían durante las múltiples paradas a lo largo de una ruta. Esta estrategia de SwRI podría minimizar las emisiones de NOx en estos escenarios comunes.

Utilizar la tecnología LO-SCR y una opción de dosificación de líquido de escape diésel calentado mejora el rendimiento a bajas temperaturas. Combinar configuraciones de SCR de doble camino y catalizador de deslizamiento de amoníaco (ASC) también proporciona ahorros de contrapresión, reduciendo la cantidad de trabajo requerido para bombear el escape. Esto se traduce finalmente en un beneficio en la economía de combustible durante condiciones de carga del motor más altas.

La configuración de SwRI redujo el NOx hasta en un 99% en los primeros 400 segundos tras la ignición, mientras que los sistemas actuales solo pueden alcanzar un 30% durante el mismo período. La penalización del 1.3% en combustible es un pequeño precio a pagar por la mejora sustancial en la reducción de NOx. SwRI logró este rendimiento con un enfoque a nivel de sistema para mejorar la economía de combustible y las emisiones de NOx sin comprometer ninguna de las dos.

Estrategias de control

Uno de los principales desafíos para disminuir las emisiones de NOx es mantener eficiencias de reducción superiores al 99.5% en todo el rango de cargas y temperaturas de operación del motor. Las tecnologías comerciales de SCR pueden lograr un alto rendimiento dentro de una banda estrecha de condiciones, pero luchan por hacerlo fuera de ese rango. Para abordar este problema, los ingenieros de SwRI llevaron a cabo investigaciones internas para desarrollar y desplegar un controlador basado en modelos para sistemas SCR. Este controlador de alta fidelidad modela el estado del catalizador, prediciendo la cantidad de NH3 absorbida por la superficie del catalizador a medida que se consume y se reintroduce constantemente en el catalizador a través de un sistema de inyección. Durante un ciclo de trabajo, las temperaturas dinámicas de SCR cambian la máxima capacidad de almacenamiento de NH3. Asegurar que se absorba suficiente NH3 sin ruptura de NOx o saturación de NH3 requiere precisión en la predicción y retroalimentación de alta velocidad.

Los ingenieros calibraron el controlador utilizando protocolos de prueba establecidos y el reactor de gas sintético universal de SwRI. El controlador también se basa en una red de sensores de temperatura, NOx y NH3 que apoyan diferentes estrategias para los varios sistemas de catalizadores disponibles.

Para lograr los propuestos niveles de emisiones de NOx ultra bajos con una penalización mínima de combustible, SwRI ha validado una combinación de hardware de motores diésel y tecnologías de tratamiento posterior que pueden cumplir o superar el objetivo. SwRI continúa evaluando el sistema y su rendimiento de reducción de NOx en condiciones de operación realistas, como estrés hidrotermal y contaminación del catalizador, para validar el rendimiento en el mundo real de la tecnología de emisiones diésel de alta carga baja de NOx de mañana.

¿Preguntas sobre las emisiones diésel? Contacte a Bryan Zavala o +1 210 522 .

Bajas Cargas = Mayores Emisiones

Los ingenieros de SwRI desarrollaron un nuevo ciclo de certificación, el Ciclo de Carga Bajas (LLC), para medir el rendimiento de los sistemas de emisiones de motores diésel pesados en condiciones de baja carga. La nueva prueba podría ayudar a desarrollar tecnologías más limpias que podrían mejorar el control de las emisiones diez veces.

Los sistemas de tratamiento de emisiones filtran las emisiones de escape y reducen los contaminantes que escapan al medio ambiente. El nuevo ciclo desafía a los sistemas de tratamiento posterior al analizarlos en condiciones desfavorables comunes de baja carga, como el ralentí o velocidades inferiores a 25 millas por hora, cuando las temperaturas de escape son bajas. Los ciclos de certificación regulatoria actuales solo simulan la conducción urbana y en carretera.

“El Ciclo de Carga Baja está descubriendo debilidades en las pruebas actuales utilizadas para certificar la tecnología de emisiones de motores”, dijo el ingeniero de investigación de SwRI Bryan Zavala, quien formó parte del equipo de desarrollo. “Cuando operamos motores pesados en condiciones de baja carga, los sistemas de tratamiento posterior no funcionan bien. Esto nos indica que los motores diésel pesados están emitiendo regularmente emisiones por encima del estándar regulado.”

SwRI desarrolló el Ciclo de Carga Baja para la Junta de Recursos del Aire de California (CARB), una organización estatal encargada de combatir la contaminación del aire, utilizando registros de servicio del mundo real para caracterizar el rango completo de condiciones de operación. Se proyecta que California será el primer estado en implementar la prueba de motor más estricta cuando se programen los nuevos estándares de emisiones para entrar en vigor en .

Durante el LLC, un técnico conecta el motor a un dinamómetro, ajustando la velocidad y el par para reflejar una carga baja. La tecnología de tratamiento posterior expuesta al ciclo estricto muestra constantemente deficiencias.

“Si el Ciclo de Carga Baja se adopta ampliamente como una prueba estándar, esperaríamos que los fabricantes desarrollen tecnología que pueda superar estos desafíos, lo que llevaría a menos contaminación y motores pesados más limpios en la carretera”, dijo el ingeniero de investigación sénior de SwRI, Shekhar Vats.

Si busca más detalles, visite amablemente proveedor de piezas de emisión de diésel.