Eaton abre nuevos caminos en la tecnología de emisiones

Eaton y BAE Systems han probado un sistema de propulsión eléctrica integrado para camiones de servicio mediano y pesado. (Foto: BAE Systems)

Eaton Corporation tiene una amplia cartera de productos que cubren prácticamente cualquier aplicación de energía, desde sistemas de almacenamiento de energía hasta sistemas de energía de respaldo y transmisiones de vehículos.

Como empresa, Eaton cree que los gobiernos deben definir objetivos ambientales específicos. Dr. Mihai Dorobantu, Eaton Corporation. (Foto: Eaton)

En una entrevista reciente con PPI, el Dr. Mihai Dorobantu, director de Tecnología Avanzada de Eaton, explicó que prácticamente todos los programas implementados por su división durante los últimos 15 años han involucrado formas de reducir las emisiones de los motores. Esto se ha centrado principalmente en las emisiones de CO2 y NOx, con el objetivo de reducir el impacto de estos gases de efecto invernadero (GEI) en el clima y la calidad del aire.

“No es casualidad que hayamos presentado de repente estas soluciones para las emisiones”, afirmó Dorobantu. “Si lo que se implementa al principio del proceso son formas de reducir las emisiones, 15 años después no sorprende que tengamos esta cartera de tecnologías, productos con estas tecnologías integradas, diseñadas para abordar las emisiones de los motores”.

Ya se trate de automóviles de pasajeros o vehículos comerciales, Eaton puede proporcionar una solución completa de reducción de emisiones: en el caso de los automóviles de pasajeros, las últimas incorporaciones a la gama están destinadas a respaldar el desarrollo de sistemas de propulsión tanto híbridos como eléctricos puros.

En cuanto a los vehículos comerciales, el programa de reducción de emisiones se ha centrado en el motor de combustión interna (CI) diésel y en la mejora de las tecnologías existentes.

Dorobantu: “En el mundo del diésel convencional, existían diversas tecnologías que buscaban abordar simultáneamente el CO2 y el NOx. Pero existe un equilibrio entre lo bueno y lo malo. Si se busca menos NOx, se opera a mayor temperatura, pero eso produce más CO2. Por otro lado, se puede operar de forma más eficiente y producir menos CO2, pero eso produce más NOx”.

La unidad de desactivación de cilindros (CDA) también puede ayudar a reducir las emisiones del motor. (Foto: Eaton)

Para romper este paradigma, Eaton ha introducido recientemente unidades de calentamiento independientes para sistemas de postratamiento de emisiones. Los calentadores calientan rápidamente la parte catalizadora del sistema (mientras el motor aún está frío), lo que ayuda al sistema a procesar y reducir de forma más eficiente los NOx en el flujo de escape.

“Este sistema ayuda a solucionar los infames problemas de arranque en frío de los motores diésel, cuando emiten los niveles más altos de contaminación”, explicó Dorobantu. “Y es realmente económico, ya que utiliza el sistema eléctrico del vehículo de forma responsable, en lugar de consumir más combustible”.

En primer lugar, el sistema está diseñado para abordar las nuevas regulaciones de NOx en California, que exigirán que los camiones pesados (HD) del año modelo 2024 alcancen una reducción del 75 %. Esta cifra aumentará al 90 % para 2027.

Dorobantu explicó que el desarrollo del calentador del catalizador comenzó en 2017, bastante antes de la publicación de estas directrices de emisiones ultrabajas de NOx. «Reconocimos la evolución de la sociedad, así que teníamos una idea clara de lo que se necesitaría», añadió.

Actuación de válvulas

Dorobantu continuó explicando que si bien Eaton ya cuenta con una serie de tecnologías destinadas a abordar las emisiones de CO2 de los motores diésel, se prevé un lanzamiento inminente de una “caja de herramientas” de productos de próxima generación que reducirá aún más las emisiones de GEI relacionadas.

Historia híbrida

Corte transversal de sistemas híbridos suaves de 48 V para camiones pesados (Imagen: Eaton)

En 2007, FedEx organizó un concurso para encontrar el mejor sistema híbrido para un camión de servicio mediano. Eaton ganó el primer premio, lo que dio origen al primer sistema híbrido para vehículos comerciales de la compañía.

“En aquel entonces, una batería de 4 kWh era una batería enorme”, explicó Mihai Dorobantu. “Esta se combinaba con un motor de dimensiones igualmente grandes. Supusimos que después de cinco o seis años habría que cambiar las baterías, pero esos camiones [fabricados entre 2007 y 2014] siguen en circulación”.

Dorobantu añadió que el precio de 20.000 dólares del paquete de baterías era excesivo para el mercado, excepto en China, donde se habían establecido subsidios para apoyar las tecnologías de reducción de emisiones. Esto ayudó a Eaton a mantener el desarrollo del sistema y a seguir mejorando la reducción de emisiones.

“Un sistema híbrido es un ecosistema completo de componentes”, añadió. “Incluso la forma de conducir y mantener la temperatura de escape del motor en su punto justo forman parte de una estrategia de hibridación exitosa”.

Hemos realizado un gran trabajo de activación de válvulas en motores de gasolina de turismos, pero nos ha llevado una década comprender cómo adaptar esta tecnología a motores diésel de gran cilindrada. La presión del cilindro [en el motor del coche] es mucho menor, y la sincronización de la combustión se controla con precisión mediante la bujía, a diferencia del encendido por compresión. Por lo tanto, existían muchas diferencias que era necesario abordar.

En esencia, los motores diésel son muy eficientes a un régimen de revoluciones específico, pero la eficiencia disminuye rápidamente fuera de ese rango. La tecnología de accionamiento de válvulas de Eaton ayuda a ampliar este rango modificando el ciclo de combustión para que se mantenga dentro del punto óptimo de eficiencia. Esto incluye además la sincronización variable de válvulas y otras características, cuya combinación añade una complejidad considerable.

“El sistema incluye cambios de hardware y software”, dijo Dorobantu. “Para ajustar la sincronización de válvulas, es necesario poder cambiar el perfil de levas, pero es el software el que decide el momento óptimo para hacerlo. Se busca aumentar la eficiencia, pero sin llegar al punto de generar NOx innecesario”.

Los sistemas de freno motor, conocidos como "freno de motor" en EE. UU. y frenado de descompresión en Europa, son otra herramienta para mejorar la economía de los motores diésel. Si bien las versiones anteriores de estos sistemas eran componentes independientes, Dorobantu prevé combinar estas características en un único sistema de control con el objetivo de mejorar la funcionalidad y reducir las emisiones totales.

Regreso híbrido

Si bien la hibridación es una vía conocida para reducir las emisiones de los turismos, esta tecnología ha tenido menos éxito en los vehículos comerciales. Sin embargo, las mejoras en estos sistemas son tales que fabricantes de equipos originales (OEM) como Scania ahora ofrecen modelos de camiones híbridos de alta resistencia.

Calentador eléctrico Eaton para sistemas de postratamiento. (Foto: Eaton)

Dorobantu recordó que Eaton empezó a trabajar en sistemas híbridos alrededor del año 2000. Posteriormente, el negocio en EE. UU. y Europa fue lento, pero la tecnología cobró un impulso considerable en China. Afirma que, hoy en día, la última generación de esa misma tecnología híbrida sigue disponible.

Si bien la tecnología híbrida no tuvo éxito inicialmente en algunos mercados, creo que las nuevas y muy estrictas normas de emisiones volverán a poner en marcha estos sistemas. Además, la única alternativa son los vehículos eléctricos puros, que utilizan baterías grandes y pesadas que reducen la capacidad de carga y tardan mucho en cargarse.

“Piensen en esto: se pueden hibridar tres camiones HD con las baterías para obtener un solo camión eléctrico puro, lo que resulta mucho más eficiente en términos de uso del material de la batería”.

Sin embargo, es probable que, a corto plazo, la electrificación de los vehículos comerciales se amplíe en el sector de vehículos medianos. Esto se debe a que la tecnología, de eficacia probada, de los turismos puede transferirse prácticamente sin modificaciones, gracias al suministro de componentes de los mismos proveedores.

Para los híbridos de alto rendimiento, a menos que se utilice un sistema eléctrico de potencia media, se requerirá nuevo hardware y software de nuevos proveedores. Todo esto llevará tiempo de desarrollo.

"Creo que la solución de batería eléctrica de servicio mediano para camiones híbridos pesados seguirá vigente", afirmó Dorobantu. "Se obtiene una reducción del 33 % de CO2 con tan solo una décima parte del tamaño de la batería".

Si bien la hibridación ayuda a reducir las emisiones de CO2, también existen argumentos para añadir estos sistemas para apoyar la emisión de NOx. Dado que los arranques en frío son la principal causa proporcional de emisiones contaminantes, un sistema híbrido paralelo permitiría conducir un camión con energía eléctrica mientras el motor se calienta, mientras un sistema de tratamiento de emisiones calentado cataliza las limitadas emisiones de NOx producidas por un motor sin carga.

Cumplimiento de objetivos

Si bien las normas Tier 3 y Euro 6 son en general similares, se espera que los próximos conjuntos de normas sobre emisiones se desvíen: Estados Unidos exigirá una reducción del 90% en NOx, mientras que las normas europeas solo requieren una reducción del 50%.

Camino de la eficiencia

Transmisión de cuatro velocidades para vehículos pesados electrificados. (Foto: Eaton)

Según Mihai Dorobantu, una caja de cambios de una sola velocidad en un sistema de propulsión eléctrico puede recolectar con éxito aproximadamente el 50 % de la energía disponible durante una regeneración. Una transmisión multivelocidad puede aumentar esta cifra a más del 95 %, ya que la disponibilidad de diferentes velocidades facilita un proceso de regeneración más eficiente.

“Esto supone un aumento del 20 % en la eficiencia en todo el ciclo energético”, explicó. “Es ideal para autobuses urbanos y vehículos municipales con paradas frecuentes. Esto demuestra claramente cómo la reducción de emisiones se basa en la eficiencia. Al fin y al cabo, la energía para ese vehículo eléctrico se produjo en algún lugar”.

Esto, dijo Dorobantu, se debe a que, si bien el transporte pesado en Estados Unidos seguirá siendo mayoritariamente diésel, los estrictos límites de CO2 en Europa respaldarán el cambio a soluciones de transporte con cero emisiones, como el hidrógeno y la electricidad pura.

Un objetivo de NOx menos estricto requerirá menos inversión para cumplirlo, lo que dejará más fondos disponibles para invertir en tecnología de cero emisiones. Es una situación beneficiosa para el mercado europeo.

Por supuesto, Eaton invertirá para entregar la tecnología necesaria para cumplir estos objetivos, pero Dorobantu dijo que la compañía cree que el proceso de apuntar a reducciones en contaminantes específicos ya no es el camino a seguir.

Como empresa, Eaton cree que los gobiernos deben definir objetivos ambientales específicos. Estos son los objetivos climáticos y los de calidad del aire, y a partir de ahí, la industria puede encontrar la solución adecuada. Esto genera objetivos a largo plazo y permite invertir tiempo para inventar, invertir y comercializar esas soluciones.

Esto respalda la visión aparentemente agnóstica de Eaton como proveedor de soluciones. Dorobantu señaló que Eaton no tiene un objetivo específico en términos de electrificación o hibridación. En cambio, la empresa analiza la dirección del mercado y las regulaciones, y luego intenta desarrollar la tecnología adecuada anticipándose a esos cambios.

Convertidor CC-CC para sistemas de propulsión de vehículos eléctricos. (Foto: Eaton)

Un buen ejemplo son las transmisiones multivelocidad para vehículos eléctricos. Eaton fue la primera empresa en lanzar estas unidades, lo que permitió a los fabricantes de equipos originales (OEM) reducir el tamaño de los motores eléctricos y, al mismo tiempo, mejorar el par motor.

Aumentar la potencia [en un vehículo eléctrico] es fácil: basta con aplicar un voltaje más alto. El par motor es diferente; normalmente implicaría más imanes y más cobre. La transmisión ayuda a reducir el consumo de material, a la vez que ofrece un rendimiento a alta y baja velocidad y una mejor regeneración. Esto se traduce en eficiencia; estamos invirtiendo en electrónica de potencia, distribución de energía, seguridad de las transmisiones durante la carga y ventilación de la batería.

“Toda esta tecnología se puede trasladar y adaptar a soluciones de transporte pesado, incluidos camiones y autobuses”.

Tecnología del futuro

En el equilibrio entre la reducción de emisiones de CO2 y NOx, la turbina del motor (a través de la ECU y otros controles) fuerza la recirculación de los gases de escape hacia la admisión del cilindro para reducir la emisión de NOx. Esto se basa en una sobreaceleración del motor, lo que a su vez genera un exceso de CO2.

Bomba EGR Eaton. (Foto: Eaton)

Según Dorobantu, estrangular el escape para mantener la presión genera pérdidas de bombeo. El uso de una unidad de bomba de recirculación de gases de escape (EGR) en un circuito eléctrico de baja potencia puede eliminar la necesidad de estrangular el motor, manteniendo la presión de los gases y eliminando prácticamente las pérdidas de bombeo.

“Esto se parece más a la tecnología de un supercargador”, explicó. “Es un control de gas muy preciso que permite extraer la cantidad exacta de gas. Es especialmente efectivo cuando las presiones de escape y admisión son similares; ahí es cuando ocurre la magia”.

Mientras que un supercargador proporciona relaciones de presión de aproximadamente 2,0 a 3,0, la bomba EGR utiliza un conjunto de rotor más corto que genera presión apenas por encima de la presión de admisión, o aproximadamente 1,05 a 1,5.

El uso de la EGR de bajo consumo no crea directamente una mejora en la eficiencia, pero sí permite que el escape y la turbina turbo ayuden a reducir el NOx, al mismo tiempo que producen más potencia y sin producir exceso de CO2.

Nota del editor: este artículo apareció originalmente en la edición de octubre-diciembre de 2024 de Power Progress International.