La tecnología impulsa un nuevo futuro para los motores de combustión interna

Jul 31, 2023

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Según los ejecutivos de flotas y los responsables de mantenimiento de flotas, la muerte del motor de combustión interna puede resultar muy exagerada a pesar del entusiasmo por los sistemas de propulsión eléctricos. Los líderes de la industria han estado trabajando para extender la vida útil del motor de pistón básico.

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El secreto de esta extensión de vida de los ICE radica en el uso de combustibles más ecológicos, ya que permiten reducir el costo de combustible y mantenimiento de las flotas y, al mismo tiempo, reducir los gases de efecto invernadero. A estos motores más nuevos también les resultará mucho más fácil mantenerse al día con los estrictos estándares de emisiones futuros para contaminantes primarios como NOx, partículas e hidrocarburos no quemados. Los expertos creen que el resultado final probable de la nueva tecnología de combustibles será un futuro mucho más ecológico que, al mismo tiempo, a menudo se parecerá al presente familiar.

"Los problemas del motor diésel están más relacionados con el combustible que con el motor en sí", dijo BJ Johnson, cofundador y director ejecutivo de ClearFlame Engine Technologies.

Todos los nuevos motores utilizarán combustibles con bajas emisiones de carbono, muchos de ellos derivados de fuentes no minerales que obtienen su energía directamente del sol, reduciendo así el CO2 en la atmósfera. El gas natural renovable capturará metano con bajas emisiones de carbono de fuentes actuales como agricultura y vertederos, y quemará el combustible en los motores. Aunque estos motores liberan CO2, la cantidad es menor que cuando funcionan con combustible diésel, lo que da como resultado un resultado "carbono negativo".

Un motor está equipado con el sistema de combustión ClearFlame, incluido un módulo de control del motor ClearFlame. (Llama clara)

Cummins presentará el X15N en 2024, un motor de gas natural de encendido por chispa que será el primero de los motores de la compañía basado en su nueva plataforma independiente del combustible que utiliza piezas comunes debajo de la culata. "El motor de gas natural tendrá una culata única para el enfriamiento necesario y su sistema de encendido por chispa", dijo David King, gerente de productos en carretera de Cummins en Norteamérica para motores de gas natural y renovable, y agregó que el motor de 15 litros cambiará las reglas del juego debido a su “levántate y listo”.

El motor de gas natural tendrá 1.850 libras-pie de torsión disponibles a 1.100 rpm y 1.800 libras-pie al pico de torsión del diésel X15 de 1.000 rpm. King también señaló que es más silencioso que un diésel, ya sea en ralentí o generando gruñidos.

Johnson

El director ejecutivo de Westport Fuel Systems, David Johnson, describe un tipo diferente de motor de gas natural basado en la teoría original de Rudolf Diesel. Impulsado a través de su sistema de inyección directa de alta presión desarrollado por Westport, el motor quema gas natural como combustible principal con una pequeña dosis de diésel para el encendido. El inyector HPDI patentado proporciona ambos combustibles bajo presión extrema mediante un diseño de doble aguja concéntrica. Conserva la eficiencia, la potencia y el torque similares a los del diésel, pero necesita usar gas natural licuado para que su bomba de combustible a bordo pueda producir la alta presión de inyección necesaria. También necesitará un sistema de reducción catalítica selectiva de NOx y un simple filtro de partículas diésel. Westport y Volvo Group firmaron recientemente una carta de intención para utilizar el sistema para reducir las emisiones de CO2, especialmente cuando el combustible es gas natural renovable.

Hyliion ha creado un modelo híbrido, ERX Powertrain, que funciona con gas natural renovable. Combina una gran batería en la parte trasera de la cabina con un motor de 12 litros que funciona con GNA. Se puede cargar fuera de la red para producir 75 millas de funcionamiento totalmente eléctrico. Su motor de gas natural de 12 litros acciona únicamente un generador, que carga las baterías y proporciona propulsión mediante ejes eléctricos en tándem. Los ejes también se regeneran durante el frenado, lo que da como resultado una autonomía total de aproximadamente 1.000 millas. Hay disponibles hasta 672 caballos de fuerza máxima y las baterías alimentan todas las cargas del hotel durante los descansos.

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Charles Mueller, científico de Sandia National Laboratories, lideró un esfuerzo para desarrollar la inyección de combustible por conductos, que proporciona un pequeño conducto a poca distancia de cada pulverización producida por un inyector de diésel para una mejor mezcla de combustible y aire. El sistema reduce las partículas hasta el punto en que se puede utilizar EGR para eliminar los NOx en el cilindro, eliminando el sistema SCR. Cuando funciona con biocombustibles que contienen oxígeno, el sistema puede permitir cumplir con los estándares de NOx sin recirculación de gases de escape y al mismo tiempo reducir las emisiones netas de carbono en un 70%. Mueller está trabajando con fabricantes de equipos originales de motores y proveedores de combustible con bajas emisiones netas de carbono para modernizar un motor de servicio pesado con DFI y demostrar la tecnología con un combustible con bajas emisiones netas de carbono disponible comercialmente y acercar rápidamente la tecnología a las aplicaciones comerciales.

Johnson describió el sistema de ClearFlame que aprovecha todo el calor ya disponible en un motor diésel para respaldar la combustión de combustibles ecológicos. Los motores modificados mediante el sistema ClearFlame funcionan con combustibles con bajo contenido de cetano, como el etanol, que no se encienden en los motores diésel normales. La clave es permitir que el calor que normalmente elimina el aire de carga y los refrigeradores de EGR permanezca en el aire de admisión. Esto eleva enormemente la temperatura en el cilindro en la parte superior de la carrera de compresión, y eso es todo lo que se necesita para encender combustibles ecológicos que no producen hollín, lo que significa que no se necesita DPF. La capacidad del motor para mantener el escape caliente permite un sistema SCR simple que cumplirá con los futuros estándares de NOx más estrictos.

En el simposio del Centro de Investigación de Motores en la Universidad de Wisconsin el verano pasado, Andre Boehman, profesor de ingeniería mecánica y director del Laboratorio Automotriz WE Lay, discutió tecnologías de motores y combustibles con bajas emisiones netas de gases de efecto invernadero y llamó la atención sobre el combustible diesel conocido como dimetilo. éter.

Esta ilustración muestra la parte superior del próximo motor de hidrógeno Cummins que se construirá sobre la plataforma de motor independiente del combustible de la compañía. (Cummins)

Señaló que el DME es un combustible diésel ideal con un índice de cetano ligeramente superior al del diésel actual y, al contener oxígeno, se quema sin generar humo. Puede fabricarse fácilmente a partir de combustibles renovables como el etanol y muchos otros, incluso subproductos agrícolas, y su carácter sin humo significa una alta tolerancia de la EGR para combatir las emisiones de NOx. Si bien necesita un tanque presurizado, la presión generada es mucho menor que incluso con propano, lo que significa presiones mucho más bajas que las necesarias para el gas natural.

El combustible requiere un sistema de inyección y combustión diferente al de los diésel estándar, ya que se evapora muy rápido y no tiene lubricidad natural, pero probablemente puede adaptarse para su uso en motores con sistemas de inyección y combustión familiares.

Fabricantes de equipos originales como Volvo ya han probado DME en carretera antes, mientras que países como Suecia han presenciado pruebas a gran escala, en las que 10 camiones comerciales pesados ​​recorrieron más de 1,5 millones de kilómetros propulsados ​​por el combustible. Uno de los principales desafíos es lograr una durabilidad suficiente en los sistemas de inyección DME, un proceso que puede reforzarse con agentes lubricantes exóticos.

Un combustible alternativo notable, el hidrógeno, es 100% ecológico y se genera fácilmente a partir de electricidad verde. Johnson, de Westport, señala que las pilas de combustible son más eficientes con cargas bajas, mientras que los motores de pistón son más eficientes a medida que aumentan las cargas. Por lo tanto, un ICE puede ser la forma ideal de utilizar hidrógeno en el transporte comercial, a diferencia de los turismos cuyos motores viajan con cargas bajas. Dijo que el sistema de combustible de gas natural HPDI de Westport se adapta fácilmente para su adaptación a cualquier motor de combustión interna, incluido uno que funciona con hidrógeno. Sostiene que la amplia experiencia de la empresa en el suministro de motores con combustibles gaseosos le dará a su empresa una ventaja en el mercado de motores de combustión interna de hidrógeno.

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Cummins está desarrollando un motor de hidrógeno de encendido por chispa. Jim Nebergall, gerente general de Cummins Hydrogen Engine Business, dijo a Transport Topics que el motor de hidrógeno de la compañía, otro construido sobre su plataforma independiente del combustible, será “un híbrido de nuestros motores de gas natural y diésel. Será encendido por chispa, pero inyectado directamente”.

Explicó que el hidrógeno crea un viaje de llama tan rápido que el suministro de combustible y aire premezclado en el colector de admisión a los cilindros puede permitir que la llama regrese al colector. Por lo tanto, un sistema de combustible de baja presión, similar a la inyección diésel, suministrará combustible a la cámara de combustión. El motor se parecerá a un diésel en el sentido de que funcionará de forma muy pobre y el aire extra permitirá aproximadamente un 20% más de potencia.