Los motores HELM de Cummins admiten combustibles alternativos

Cummins X15N para el mercado de América del Norte (Foto: Cummins)

Los fabricantes de motores continúan explorando el potencial de diferentes combustibles alternativos con la intención de ofrecer un mejor ahorro de combustible, menos emisiones y un menor costo total de propiedad para los clientes.

A pesar de su potencial, el hidrógeno ha perdido parte de su potencial inicial como sustituto directo del diésel. En resumen, el hidrógeno sigue siendo caro, al igual que el desarrollo de la tecnología para utilizarlo. Su disponibilidad limitada plantea un problema adicional.

Debido a estos factores, algunas empresas se han centrado en el gas natural (metano), ya sea como GNC o GNL, o como biometano (a veces denominado biogás, gas natural renovable o GNR). Al igual que con el hidrógeno, los motores que utilizan biometano pueden lograr reducciones de emisiones de CO2 de casi el 100 % desde el inicio del proyecto.

Al preguntarle sobre el estado del mercado de combustibles alternativos, William Lamb, director de Estrategia de Plataforma para el Negocio de Motores de Cummins, afirma que existe un renovado interés en el gas natural como combustible. "Al menos desde la perspectiva europea y británica, el interés por el gas natural ha aumentado; también ha sido fuerte en China en los últimos años. A nivel mundial, observamos diferentes tendencias en las distintas regiones, según el origen de la energía primaria de cada zona y las normativas locales sobre emisiones".

William Lamb, Cummins

Si bien el gas natural ha ganado cierta atención, afirma que el interés por el biogás ha aumentado aún más. Lamb cree que esto se debe a una serie de factores, como la posibilidad de reducir los costos operativos al utilizar combustibles gaseosos y la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero para cumplir con las normas regulatorias.

Programa de lanzamiento

Para optimizar su gama de motores y las variantes dentro de estas líneas de modelos, Cummins ha introducido sus plataformas HELM. Los modelos de cada plataforma se basan en el bloque, y cada variante está equipada con culatas y sistemas de inyección para un tipo de combustible específico. Generalmente lanzadas como diésel, las gamas HELM incluyen variantes de gas natural y posteriormente de hidrógeno, esta última aún en desarrollo.

Cuando se le pregunta si la fuerza impulsora detrás de la decisión de lanzar los motores HELM fue ayudar a los clientes a reducir las emisiones del motor o brindar una opción que utilice cada opción de combustible, Lamb dice que hay una doble respuesta.

El diésel se mantendrá vigente durante varios años en la mayoría de los mercados, y durante más tiempo en otras regiones. Hemos invertido en nuevas plataformas para mejorar el ahorro de combustible, la densidad de potencia y reducir la pérdida parásita de potencia. No podíamos lograrlo con plataformas más antiguas, lo que fue un factor motivador para los productos HELM.

La otra ventaja es que hemos podido diseñar los motores para que se adapten al uso de combustibles de encendido por compresión y de encendido por chispa sin comprometer la eficiencia. Con algunas modificaciones, se podría utilizar un motor diésel convencional con gas natural, pero esto implica sacrificar potencia y eficiencia.

Al igual que la mayoría de los fabricantes de motores originales (OEM), la tecnología de gas natural desarrollada por Cummins utiliza encendido por chispa. Lamb afirma que el encendido por compresión es una tecnología que ofrece algunas ventajas al usar combustible gaseoso, pero también presenta inconvenientes como la necesidad de complejos sistemas de postratamiento de emisiones.

Elección del motor

Según Lamb, Cummins sigue recibiendo mucho interés en sus motores HELM debido a una serie de beneficios.

Los clientes abordan esto desde diferentes perspectivas, pero independientemente del tipo de combustible, comprenden que es posible instalar un motor diésel o de gas natural en el mismo espacio y con las mismas interfaces. Si se instala un motor diésel HELM para un mercado y un motor de gas natural para otro, es posible admitir dos variantes con muy pocas modificaciones en la máquina.

Motor Cummins X10 Euro 7 (Foto: Cummins)

Dado que utilizan la misma plataforma, cualquiera de las dos opciones implica que los motores ya están preparados para su vehículo o máquina; todo está integrado e interactúa correctamente con la transmisión y otros subsistemas. En esencia, no hay concesiones. Tanto si elige el modelo diésel como el natural, obtendrá el mejor motor disponible, e incluso se preparará para el hidrógeno cuando llegue.

Lamb señala que el beneficio directo del sistema HELM recae en el fabricante de equipos originales (OEM), gracias a la flexibilidad del motor y la capacidad de garantizar la durabilidad de sus máquinas. Para el cliente final, se trata de acceder a la última tecnología de motores, lo que ayuda a reducir el coste total de propiedad.

Es posible que, sin la serie HELM, algunos fabricantes de equipos originales (OEM) no ofrecieran una solución de combustible alternativo, afirma Lamb. Si los motores se basaran en plataformas diferentes y requirieran programas de desarrollo independientes para adaptarlos a la aplicación en cuestión, es muy posible que el fabricante del vehículo o la máquina solo ofreciera una variante diésel.

Diferenciación del diseño

Lamb afirma que la culata es el principal factor diferenciador entre los motores diseñados para distintos combustibles. En la versión diésel, que utiliza encendido por compresión, la culata tiene una superficie plana. Las válvulas son verticales con respecto a la cámara de combustión, pero están diseñadas para generar un remolino alto que combina el aire y el combustible.

“La configuración concentra el combustible diésel hacia el centro de la culata, lo que favorece una mejor combustión bajo encendido por compresión”, afirma Lamb.

La versión con encendido por chispa y gas natural (Lamb señala que esto es típico tanto en motores de gas natural como de gasolina, independientemente de su aplicación) utiliza un diseño de techo inclinado con un sistema de inyección monopunto. Esto genera un alto nivel de movimiento de la mezcla de aire y combustible en un patrón de giro continuo en lugar de un remolino.

Motor diésel Cummins EPA27 X15 (Foto: Cummins)

“Esas son las dos diferencias fundamentales entre los motores, que son mucho más fáciles de describir que de desarrollar debido a las limitaciones arquitectónicas de los diseños”, añade.

Si bien las galerías que transportan el aceite del motor por el bloque son las mismas independientemente del tipo de combustible, no ocurre lo mismo con la unidad principal. Estas tienen requisitos específicos debido a las válvulas de admisión y escape, y a los árboles de levas utilizados con cada tipo de combustible y diseño de motor.

Aunque podría parecer marketing decir que el bloque del motor permanece igual independientemente del tipo de combustible, Lamb señala que en la fundición no hay diferencia entre ambos; estos componentes son realmente independientes. Se podrían usar pistones y bielas diferentes, pero esto está más relacionado con el tipo de aplicación (en carretera o fuera de ella, por ejemplo) que con el combustible.

Cambios materiales

En algunos casos, se han modificado los materiales para permitir el uso de gas natural, afirma Lamb. En un caso, se endurecieron los asientos de las válvulas para evitar el desgaste prematuro, debido principalmente a que el combustible gaseoso no posee las propiedades lubricantes del diésel.

Además, debido a las temperaturas más altas, el turbo utiliza materiales diferentes para mantener su integridad. «Las unidades utilizadas en los motores de gas natural tienen una carcasa de turbina diferente, hecha de hierro fundido de alta temperatura o aleaciones de hierro ni-resist», afirma Lamb.

Continúa explicando que la rueda de la turbina, que debe soportar mayores cargas térmicas, está fabricada con inconel, una superaleación a base de níquel. Al estar expuesta a temperaturas más bajas, la carcasa del compresor está fabricada con una aleación de aluminio fundido, lo que proporciona una mejor conductividad térmica.

En cuanto al postratamiento de emisiones, las variantes diésel utilizarán un sistema SCR/DPF. Por otro lado, las variantes de gas natural tienen, según Lamb, un diseño algo más sencillo. «Utilizan un catalizador de tres vías para tratar los NOx, los hidrocarburos y el monóxido de carbono. Es un sistema más pasivo; no se regenera ni requiere aditivo de urea».

Afirma que las emisiones de NOx están bajo escrutinio en EE. UU. y que, con este sistema, los motores de gas natural cumplen con la normativa. «Los motores de encendido por chispa funcionan a menor presión que los modelos diésel, por lo que no generan altos niveles de NOx», explica. Esto, a pesar de funcionar a una temperatura general más alta.