Eaton apre nuove strade nella tecnologia delle emissioni

Eaton e BAE Systems hanno testato un sistema di propulsione elettrica integrato per autocarri medi e pesanti. (Foto: BAE Systems)

Eaton Corporation dispone di un ampio portafoglio di prodotti che coprono praticamente qualsiasi applicazione energetica, dai sistemi di accumulo di energia all'alimentazione di backup e alle trasmissioni dei veicoli.

"Come azienda, Eaton ritiene che i governi debbano definire obiettivi ambientali specifici." Dott. Mihai Dorobantu, Eaton Corporation. (Foto: Eaton)

In una recente intervista con PPI, il Dott. Mihai Dorobantu, direttore della divisione Advanced Technology di Eaton, ha spiegato che praticamente tutti i programmi gestiti dalla sua divisione negli ultimi 15 anni hanno riguardato soluzioni per ridurre le emissioni dei motori. Questo approccio si è concentrato principalmente sulle emissioni di CO2 e NOx, con l'obiettivo di ridurre l'impatto di questi gas serra (GHG) sul clima e sulla qualità dell'aria.

"Non è un caso che ci siamo presentati all'improvviso con queste soluzioni per le emissioni", ha affermato Dorobantu. "Se all'inizio del processo si inseriscono soluzioni per ridurre le emissioni, 15 anni dopo non sorprende che abbiamo questo portafoglio di tecnologie, prodotti che incorporano queste tecnologie, pensate per affrontare le emissioni dei motori".

Che si tratti di autovetture o veicoli commerciali, Eaton è in grado di fornire una soluzione completa per la riduzione delle emissioni: nel caso delle autovetture, le ultime aggiunte alla gamma sono pensate per supportare lo sviluppo di sistemi di propulsione sia ibridi che puramente elettrici.

Per quanto riguarda i veicoli commerciali, il programma di riduzione delle emissioni si è concentrato sulla combustione interna (IC) dei motori diesel e sul miglioramento delle tecnologie esistenti.

Dorobantu: "Nel mondo del diesel convenzionale, esistevano una serie di tecnologie che cercavano di affrontare contemporaneamente le emissioni di CO2 e NOx. Ma c'è un compromesso. Se si vogliono meno NOx, si aumenta la temperatura, ma questo produce più CO2. D'altro canto, si può funzionare in modo più efficiente e produrre meno CO2, ma questo produce più NOx."

Anche l'unità di disattivazione dei cilindri (CDA) può contribuire a ridurre le emissioni del motore. (Foto: Eaton)

Per rompere questo paradigma, Eaton ha recentemente introdotto unità di riscaldamento autonome per i sistemi di post-trattamento delle emissioni. I riscaldatori portano rapidamente in temperatura la parte catalizzante del sistema (mentre il motore è ancora freddo), il che aiuta il sistema a elaborare e ridurre in modo più efficiente gli NOx nel flusso di scarico.

"Questo sistema aiuta a risolvere i famigerati problemi di avviamento a freddo dei motori diesel, proprio quando emettono i massimi livelli di inquinamento", ha spiegato Dorobantu. "Ed è davvero economico, sfruttando giudiziosamente l'impianto elettrico del veicolo, anziché consumare più carburante".

In primo luogo, il sistema è destinato a soddisfare le nuove normative sugli NOx in California, che imporranno ai camion pesanti (HD) modello 2024 di raggiungere una riduzione del 75%. Questa percentuale salirà al 90% entro il 2027.

Dorobantu ha affermato che lo sviluppo del riscaldatore catalitico è iniziato nel 2017, ben prima della pubblicazione di queste linee guida sulle emissioni di NOx ultra-basse. "Avevamo capito dove si stava muovendo la società, quindi avevamo un'idea precisa di cosa sarebbe stato necessario", ha aggiunto.

Azionamento della valvola

Dorobantu ha continuato spiegando che, sebbene Eaton disponga già di una serie di tecnologie destinate ad affrontare le emissioni di CO2 dei motori diesel, è previsto il lancio imminente di una "cassetta degli attrezzi" di prodotti di nuova generazione che ridurranno ulteriormente le emissioni di gas serra correlate.

Storia ibrida

Sezione dei sistemi mild hybrid a 48 V per camion pesanti (immagine: Eaton)

Nel 2007, FedEx ha indetto un concorso per individuare il miglior sistema ibrido per un autocarro di media portata. Eaton si è aggiudicata il primo premio e da lì è nato il primo sistema ibrido per veicoli commerciali dell'azienda.

"A quel tempo, una batteria da 4 kWh era una batteria di grandi dimensioni", ha spiegato Mihai Dorobantu. "Era abbinata a un motore di dimensioni altrettanto grandi. Pensavamo che dopo cinque o sei anni le batterie avrebbero dovuto essere sostituite, ma quei camion [costruiti tra il 2007 e il 2014] sono ancora in circolazione".

Dorobantu ha poi affermato che il prezzo di 20.000 dollari per il pacco batteria era eccessivo per il mercato, fatta eccezione per la Cina, dove erano previsti sussidi a sostegno delle tecnologie di riduzione delle emissioni. Questo ha aiutato Eaton a proseguire lo sviluppo del sistema e a migliorare ulteriormente la riduzione delle emissioni.

"Sai, un sistema ibrido è un ecosistema completo di componenti", ha aggiunto. "Anche il modo in cui si guida, il mantenimento della temperatura di scarico del motore alla giusta temperatura, fa tutto parte di una strategia di ibridazione di successo."

Abbiamo svolto molti studi sull'attivazione delle valvole sui motori a benzina delle autovetture, ma ci è voluto un decennio per capire come adattare questa tecnologia ai motori diesel di grossa cilindrata. La pressione nei cilindri [nel motore di un'auto] è molto più bassa, la fasatura della combustione è controllata con precisione dalla candela, a differenza dell'accensione per compressione. Quindi c'erano molte differenze che dovevano essere affrontate.

In sostanza, i motori diesel sono molto efficienti a un determinato regime motore, ma l'efficienza cala rapidamente al di fuori di questo ristretto limite. La tecnologia di attuazione delle valvole di Eaton contribuisce ad ampliare tale limite modificando il ciclo di combustione in modo che rimanga entro il punto ottimale di efficienza. Questo include inoltre la fasatura variabile delle valvole e altre caratteristiche, che combinate aggiungono una notevole complessità.

"Il sistema include modifiche hardware e software", ha affermato Dorobantu. "Per regolare la fasatura delle valvole è necessario poter modificare il profilo delle camme, ma è il software a decidere il momento ottimale per farlo. L'obiettivo è l'efficienza, ma non al punto da generare NOx inutili".

I sistemi di freno motore, noti negli Stati Uniti come "freni a decompressione" e in Europa come "freni a decompressione", rappresentano un ulteriore strumento per migliorare i consumi dei motori diesel. Mentre le versioni precedenti erano componenti indipendenti, Dorobantu prevede che queste funzioni vengano integrate in un unico sistema di controllo con l'obiettivo di migliorarne la funzionalità e ridurre le emissioni complessive.

Ritorno ibrido

Sebbene l'ibridazione sia una soluzione ben nota per ridurre le emissioni delle autovetture, questa tecnologia ha avuto meno successo nei veicoli commerciali. Tuttavia, i miglioramenti apportati a questi sistemi sono tali che OEM come Scania ora offrono modelli di camion ibridi per impieghi gravosi.

Riscaldatore elettrico Eaton per sistemi di post-trattamento. (Foto: Eaton)

Dorobantu ha ricordato che Eaton ha iniziato a lavorare sui sistemi ibridi intorno al 2000. In seguito, l'attività negli Stati Uniti e in Europa è stata lenta, ma la tecnologia ha guadagnato una notevole popolarità in Cina. Afferma che oggi l'ultima generazione di quella stessa tecnologia ibrida è ancora disponibile.

"Laddove la tecnologia ibrida non ha avuto inizialmente successo in alcuni mercati, credo che le nuove e severe normative sulle emissioni riporteranno in auge questi sistemi. Inoltre, l'unica alternativa sono i veicoli elettrici a batteria pura, che utilizzano pacchi batteria grandi e pesanti che riducono la capacità di carico e richiedono tempi di ricarica molto lunghi.

“Considera questo: puoi ibridare tre camion HD con le batterie di un solo camion completamente elettrico, il che è molto più efficiente in termini di utilizzo dei materiali delle batterie.”

È probabile, tuttavia, che nel breve termine l'elettrificazione dei veicoli commerciali si diffonda maggiormente nel settore dei veicoli di media portata. Questo perché la collaudata tecnologia delle autovetture può essere mantenuta pressoché invariata, grazie alla fornitura di componenti dagli stessi fornitori.

Per i veicoli ibridi pesanti, a meno che non venga utilizzato un sistema elettrico di media portata, sarà necessario nuovo hardware e software fornito da nuovi fornitori. Tutto ciò richiederà tempo per essere sviluppato.

"Credo che la soluzione elettrica a batteria di media portata per i camion ibridi HD continuerà a essere valida", ha affermato Dorobantu. "Si ottiene una riduzione del 33% di CO2 con un pacco batteria di appena un decimo."

Sebbene l'ibridazione contribuisca a ridurre le emissioni di CO2, esiste anche un'argomentazione a favore dell'aggiunta di questi sistemi per supportare le emissioni di NOx. Poiché gli avviamenti a freddo sono la principale causa proporzionale di emissioni inquinanti, un sistema ibrido parallelo consentirebbe di guidare un camion utilizzando l'energia elettrica mentre il motore si sta riscaldando, il tutto mentre un sistema di trattamento delle emissioni riscaldate catalizza i limitati NOx prodotti da un motore a vuoto.

Raggiungere gli obiettivi

Sebbene gli standard Tier 3 ed Euro 6 siano sostanzialmente simili, si prevede che le prossime serie di standard sulle emissioni differiranno: gli Stati Uniti richiederanno una riduzione del 90% degli NOx, mentre gli standard europei ne richiederanno solo una del 50%.

Percorso di efficienza

Cambio a quattro velocità per veicoli HD elettrificati. (Foto: Eaton)

Secondo Mihai Dorobantu, un cambio a una sola velocità su un sistema di propulsione elettrica può recuperare con successo circa il 50% dell'energia disponibile durante un evento di rigenerazione. Una trasmissione a più velocità può aumentare questa percentuale fino a oltre il 95%, poiché la disponibilità di diverse velocità favorisce un processo di rigenerazione più efficiente.

"Si tratta di un aumento del 20% dell'efficienza nell'intero ciclo energetico", ha spiegato. "È ideale per gli autobus urbani e i veicoli comunali che effettuano fermate frequenti. Questo sottolinea efficacemente come la riduzione delle emissioni sia guidata dall'efficienza. Dopotutto, l'energia per quel veicolo elettrico è stata prodotta da qualche parte".

Questo, ha affermato Dorobantu, perché mentre negli Stati Uniti il trasporto pesante continuerà a essere prevalentemente diesel, i rigidi limiti di CO2 in Europa favoriranno il passaggio a soluzioni di trasporto a zero emissioni, come l'elettrico puro e l'idrogeno.

Un obiettivo meno restrittivo per le emissioni di NOx richiederà meno investimenti per raggiungere tale standard, il che lascerà più liquidità da investire in tecnologie a zero emissioni. È una situazione vantaggiosa per il mercato europeo.

Naturalmente, Eaton investirà per fornire la tecnologia necessaria a raggiungere questi obiettivi, ma Dorobantu ha affermato che l'azienda ritiene che il processo mirato a ridurre determinati inquinanti non sia più la strada da seguire.

Come azienda, Eaton ritiene che i governi debbano definire obiettivi ambientali specifici. Ecco gli obiettivi climatici, ecco gli obiettivi per la qualità dell'aria, e da lì il settore può trovare la soluzione più adatta. Questo permette di raggiungere obiettivi a lungo termine e di dedicare tempo all'invenzione, tempo agli investimenti e tempo al lancio di queste soluzioni sul mercato.

Questo conferma la visione apparentemente agnostica di Eaton come fornitore di soluzioni. Dorobantu ha sottolineato che Eaton non ha un obiettivo specifico in termini di elettrificazione o ibridazione. Piuttosto, l'azienda osserva la direzione del mercato e delle normative e cerca di sviluppare la tecnologia giusta in previsione di tali cambiamenti.

Convertitore CC-CC per sistemi di propulsione di veicoli elettrici. (Foto: Eaton)

Un esempio calzante sono le trasmissioni multivelocità per veicoli elettrici. Eaton è stata la prima azienda a lanciare queste unità, consentendo a sua volta agli OEM di ridurre le dimensioni dei motori elettrici, migliorando al contempo la coppia erogata.

Aumentare la potenza [in un veicolo elettrico] è facile, basta fornire una tensione più elevata. La coppia è diversa; normalmente significherebbe più magneti, più rame. La trasmissione contribuisce a ridurre l'utilizzo di materiali, garantendo al contempo prestazioni ad alta e bassa velocità e una migliore rigenerazione. Questo si traduce in efficienza: stiamo investendo nell'elettronica di potenza, nella distribuzione dell'energia, nella sicurezza delle trasmissioni durante la ricarica e nello sfiato del pacco batteria.

“Tutta questa tecnologia può essere trasferita e adattata a soluzioni di trasporto pesanti, compresi camion e autobus.”

Tecnologia del futuro

Nel compromesso tra la riduzione delle emissioni di CO2 e NOx, la turbina del motore (tramite la centralina e altri controlli) forza il ricircolo dei gas di scarico nell'aspirazione del cilindro per ridurre le emissioni di NOx. Questo si basa su una sovra-strozzatura del motore, che a sua volta genera un eccesso di CO2.

Pompa EGR Eaton. (Foto: Eaton)

Secondo Dorobantu, la strozzatura dei gas di scarico per mantenere la pressione crea perdite di pompaggio. L'utilizzo di una pompa di ricircolo dei gas di scarico (EGR) su un circuito elettrico a bassa potenza può eliminare la necessità di strozzare il motore, mantenendo la pressione dei gas e praticamente eliminando le perdite di pompaggio.

"È più simile alla tecnologia del compressore volumetrico", ha spiegato. "È un controllo del gas molto preciso che consente di estrarre esattamente la giusta quantità di gas. È particolarmente efficace quando le pressioni di scarico e di aspirazione sono simili: è allora che avviene la magia."

Mentre un compressore volumetrico fornisce rapporti di pressione pari a circa 2,0-3,0, la pompa EGR utilizza un gruppo rotore più corto che genera una pressione solo leggermente superiore alla pressione di aspirazione, ovvero circa 1,05-1,5.

L'utilizzo dell'EGR a bassa potenza non comporta direttamente un miglioramento dell'efficienza, ma consente allo scarico e alla turbina turbo di contribuire a ridurre gli NOx, producendo al contempo più potenza e senza produrre CO2 in eccesso.

Nota dell'editore: questo articolo è stato originariamente pubblicato nel numero di ottobre-dicembre 2024 di Power Progress International.