Ahorro mediante la desactivación de cilindros

Camión de demostración de Cummins Valvetrain Technologies utilizado para pruebas CDA en situaciones reales (Foto: Cummins)

Los retrasos en el despliegue de infraestructura de carga en mercados clave y los altos precios de los vehículos eléctricos a batería significan que muchos operadores de camiones seguirán eligiendo la energía diésel mientras puedan.

Pero esto no significa que los fabricantes de equipos originales (OEM) puedan recortar la investigación y el desarrollo de sistemas de propulsión. Ni mucho menos. La inminente legislación ambiental en Norteamérica (EPA 27) y Europa (Euro 7) ha obligado a los diseñadores de motores a trabajar más arduamente que nunca para lograr una mayor eficiencia.

Partiendo de los datos de 2019, la UE exigirá a los vehículos una reducción del 45 % en las emisiones de CO2 para 2030. Esta cifra aumentará al 56 % para 2035 y al 90 % para 2040, utilizando la herramienta de medición teórica VECTO, que incorpora factores como la aerodinámica y la resistencia a la rodadura junto con el consumo de combustible y las emisiones de escape para calcular las emisiones de CO2.

Al desarrollar nuevas estrategias, los diseñadores de motores deben equilibrar las emisiones de NOx con la eficiencia del combustible, el CO2 y la emisión de material particulado (PM). El desarrollo de la tecnología SCR para vehículos diésel de servicio pesado ha reducido la producción de NOx en la cámara de combustión, pero mantener la eficiencia del sistema SCR en diversas condiciones de operación ha cobrado mayor importancia gracias a las pruebas en servicio y a objetivos más ajustados.

Abastecimiento de soluciones

Los fabricantes buscan ahora reducir gradualmente el consumo de combustible en cualquier punto del vehículo. En los modelos eléctricos, la menor resistencia a la rodadura y la resistencia aerodinámica contribuirán a ampliar la autonomía con una sola carga sin añadir más baterías. En cuanto a los motores diésel, los diseñadores buscan ahora más soluciones de proveedores externos.

La cuestión aquí es comprobar la eficacia de estas tecnologías. ¿Importan lo suficiente como para cumplir con los niveles de emisiones o ofrecen alguna reducción de costes operativos para el usuario final?

Robb Janak, Tecnologías de tren de válvulas de Cummins

El trabajo teórico y las pruebas de laboratorio solo pueden determinar el beneficio de una modificación propuesta hasta cierto punto, especialmente cuando se trata de proveedores externos. Los fabricantes de camiones y sus clientes buscan pruebas verificables de que un producto puede ofrecer mejoras valiosas en un entorno de trabajo.

El problema es que las pruebas en condiciones reales inevitablemente se verán comprometidas por variables externas que pueden exagerar u ocultar las mejoras de rendimiento. El clima y la densidad del tráfico son dos problemas obvios; incluso el factor humano en el comportamiento del conductor es difícil de gestionar. Esto aún deja que las pruebas detecten mejoras verificables y repetibles a partir del ruido de otros factores externos.

Función tecnológica

Este fue el desafío para Cummins Valvetrain Technology al verificar el desempeño en carretera de su tecnología de desactivación de cilindros Jacobs (CDA), una tecnología que tiene el potencial de reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2 al tiempo que mejora la eficiencia de los sistemas de control SCR de NOx en condiciones de menor carga del motor.

La teoría detrás del CDA es simple. La mayoría de las veces, los camiones tienen demasiada potencia para el trabajo en cuestión. Por ejemplo, un camión volquete de seis cilindros y 500 CV necesita toda esa potencia al transportar una carga completa por un camino de acarreo en una cantera, pero quizás solo la mitad al regresar vacío. Retirar uno, dos o tres cilindros de la carga tiene el potencial de reducir el consumo de combustible en condiciones de carga ligera con un impacto mínimo en la productividad.

El sistema de Jacobs utiliza tecnología de control de válvulas para cerrar automáticamente ciertos cilindros en condiciones de baja carga del motor, manteniendo cerradas las válvulas de admisión y escape durante todo el ciclo de cuatro tiempos, a la vez que desactiva los inyectores de combustible. Esto reduce el consumo de combustible y las pérdidas parásitas por bombeo que se producen al llenar, comprimir y vaciar innecesariamente los cilindros desactivados.

CDA de Jacobs y versión de alta densidad de potencia de 1,5 tiempos del freno de motor de compresión-liberación Jake Brake (Foto: Cummins)

Cuando se requiere frenado adicional del motor, los mismos componentes que desactivan los cilindros se reutilizan para proporcionar retardación al vehículo utilizando la última versión de 1,5 tiempos de alta densidad de potencia del freno de motor de liberación por compresión Jake Brake.

Si bien los beneficios del sistema son evidentes en teoría, cuantificarlos es bastante más difícil. Para completar las pruebas, Cummins seleccionó la prueba estandarizada de consumo de combustible J1321 de la SAE (Sociedad de Ingenieros Automotrices), utilizando camiones completamente cargados en dos rutas: una de carretera y otra de distribución.

El vehículo utilizado en las pruebas fue una cabeza tractora International LT625 6x4 del año 2018 con un motor diésel Navistar A26 de 13 litros y 450 CV, y una caja de cambios Eaton Endurant AMT de 12 velocidades con sobremarcha. El camión tiene un peso bruto vehicular (GVW) de casi 30 000 kg.

En el cuarto trimestre de 2023, se realizaron pruebas de más de 19.000 kilómetros con y sin el CDA activo; el sistema se activaba o desactivaba mediante un interruptor en el tablero. El camión registró una velocidad promedio de 88 km/h (51 mph) en la ruta de carretera y de 61 km/h (38 mph) en la ruta de distribución.

En cada recorrido, el camión iba acompañado de un vehículo de control comparable, cuyo consumo de combustible también se registraba para proporcionar una referencia para las variaciones causadas por factores externos. Cada ruta incluía intercambios de remolque y conductor entre los dos camiones para eliminar dichas variables.

Resumen de resultados

Los resultados reales de esta prueba en carretera se obtuvieron tras mejoras iniciales en el ahorro de combustible de hasta un 20 % registradas en pruebas de laboratorio con dinamómetro con un motor en ralentí. En esa misma prueba, se registró una reducción del 77 % en las emisiones de NOx en un ciclo de baja carga con un sistema de postratamiento de gases de escape EPA 2018.

Si bien las emisiones de NOx no fueron un factor clave en esta última prueba de carretera, los camiones de prueba contaban con la misma calibración utilizada durante las pruebas de certificación en dinamómetro. Cummins espera que estos resultados mejoren aún más los requisitos de emisiones futuros donde se aprovechen las ventajas de la gestión térmica CDA.

Los resultados de las pruebas de carretera indicaron un ahorro de combustible del 2,76 % en la ruta de carretera y del 2,0 % en el recorrido de distribución, lo que demuestra que incluso estos ciclos de conducción a plena carga pueden generar ahorros reales. Aumentar el número de modos operativos del CDA, como los ciclos de conducción al ralentí del 20 %, debería generar reducciones aún mayores en el consumo de combustible.

Cummins Valvetrain Technologies informa un ahorro de combustible del 2,76 % gracias a nuevas pruebas en carretera de su sistema de desactivación de cilindros Jacobs (Foto: Cummins)

El CDA desactiva los cilindros para satisfacer la demanda de par en tiempo real. Como era de esperar, los cilindros activos tienen cargas y temperaturas más altas, mientras que los inactivos presentan pérdidas parásitas reducidas. El menor flujo de aire y la mayor relación aire/combustible en los cilindros activos restantes ayudan a mantener la temperatura del sistema de escape por encima del nivel crítico de 250 °C, lo que favorece una conversión eficiente de NOx mediante el módulo de reducción catalítica selectiva y la regeneración pasiva continua del filtro de partículas de escape.

En pruebas en carretera sin CDA, las temperaturas en la unidad SCR del camión cayeron por debajo de los 250 °C durante más del 15 % del trayecto. Sin embargo, al utilizar el CDA junto con el freno de motor Jacobs, las temperaturas del SCR solo bajaron de los 250 °C durante las paradas programadas y los cambios de remolque. En la ruta de distribución, la temperatura media de la unidad SCR fue de 243 °C con el CDA activado. Esto representa un 16 % más que la temperatura registrada sin la desactivación de cilindros.

El tiempo total con el SCR operando por debajo de 250ºC se redujo en más de un 21%, mientras que la temperatura del SCR con CDA solo cayó por debajo de los 200ºC durante menos del 2% del tiempo, en comparación con más del 10% sin él.

Estas cifras son especialmente importantes porque las pruebas y el monitoreo de las emisiones se basan cada vez más en ciclos de trabajo de la “vida real”, en lugar del rendimiento de laboratorio.

Los sistemas CDA de Jacobs se utilizan actualmente en más de 20 programas de desarrollo, con cilindradas que van desde los 2,0 hasta los 16 litros. Algunos de estos ya han pasado a la fase de pruebas en vehículos.