I motori HELM di Cummins supportano carburanti alternativi

Cummins X15N per il mercato nordamericano (Foto: Cummins)

I produttori di motori continuano a esplorare il potenziale di diversi carburanti alternativi con l'intento di offrire ai clienti un risparmio di carburante migliore, emissioni ridotte e un costo totale di proprietà inferiore.

Nonostante il potenziale, l'idrogeno ha perso parte delle sue iniziali potenzialità come sostituto diretto del diesel. In parole povere, l'idrogeno è ancora costoso, così come lo è lo sviluppo della tecnologia per utilizzarlo. La disponibilità limitata rappresenta un ulteriore problema.

Per questi motivi, alcune aziende hanno deciso di puntare sul gas naturale (metano), sia come CNG che come GNL, oppure come biometano (talvolta denominato biogas, gas naturale rinnovabile o RNG). Come per l'idrogeno, i motori che utilizzano il biometano possono raggiungere una riduzione delle emissioni di CO2 di quasi il 100%, misurata dal pozzo alla ruota.

Interrogato sullo stato del mercato dei carburanti alternativi, William Lamb, direttore della strategia di piattaforma per la divisione Engine Business di Cummins, afferma che c'è sicuramente un rinnovato interesse per il gas naturale come combustibile. "Almeno da una prospettiva europea e britannica, l'interesse per il gas naturale è cresciuto; negli ultimi anni è stato forte anche in Cina. A livello globale, stiamo assistendo a tendenze diverse nelle diverse regioni, a seconda di dove queste aree ottengono la loro energia primaria e delle normative locali sulle emissioni".

William Lamb, Cummins

Sebbene il gas naturale abbia suscitato una certa attenzione, afferma che l'interesse per il biogas è cresciuto ulteriormente. Lamb ritiene che ciò sia dovuto a una serie di fattori, tra cui la potenziale riduzione dei costi operativi derivanti dall'utilizzo di combustibili gassosi e la necessità di ridurre le emissioni di gas serra per soddisfare gli standard normativi.

Programma di lancio

Per semplificare la sua gamma di motori e le varianti all'interno di tali linee di modelli, Cummins ha introdotto le piattaforme HELM. I modelli di ciascuna piattaforma sono basati sul monoblocco, con ogni variante dotata di testate e sistemi di iniezione per uno specifico tipo di carburante. Solitamente lanciate come variante diesel, le gamme HELM includono poi varianti a gas naturale e poi a idrogeno, quest'ultima ancora in fase di sviluppo.

Alla domanda se la forza trainante dietro il lancio dei motori HELM fosse quella di aiutare i clienti a ridurre le emissioni dei motori o di offrire un'opzione utilizzabile con qualsiasi tipo di carburante, Lamb risponde che la risposta è duplice.

"Il diesel sarà disponibile per diversi anni nella maggior parte dei mercati, più a lungo in altre regioni. Abbiamo investito in nuove piattaforme per supportare un migliore risparmio di carburante, una migliore densità di potenza e una riduzione delle perdite di potenza parassite. Non potevamo farlo con le piattaforme più vecchie, quindi questo è stato un fattore motivante per i prodotti HELM.

L'altro vantaggio è che siamo stati in grado di progettare i motori in modo che possano essere adattati all'uso sia di carburanti ad accensione spontanea che di carburanti ad accensione comandata senza compromessi. Con alcune modifiche, un normale motore diesel potrebbe funzionare a gas naturale, ma si tratta di un compromesso in termini di potenza ed efficienza".

Come per la maggior parte dei motori OEM, la tecnologia a gas naturale sviluppata da Cummins utilizza l'accensione a scintilla. Lamb afferma che l'accensione per compressione è una tecnologia che offre alcuni vantaggi quando si utilizza carburante gassoso, ma presenta anche svantaggi, come la necessità di complessi sistemi di post-trattamento delle emissioni.

Scelta del motore

Secondo Lamb, Cummins continua a suscitare molto interesse nei confronti dei suoi motori HELM grazie a una serie di vantaggi.

"I clienti affrontano la questione da diverse angolazioni, ma indipendentemente dal tipo di carburante, capiscono che è possibile installare un motore diesel o un motore a gas naturale nello stesso spazio e con le stesse interfacce. Se si installa un motore diesel HELM per un mercato e un motore a gas naturale per un altro, è possibile supportare due varianti con pochissime modifiche alla macchina.

Motore Cummins X10 Euro 7 pronto (Foto: Cummins)

"Poiché utilizzano la stessa piattaforma, entrambe le scelte implicano che i motori siano già predisposti per adattarsi al veicolo o alla macchina; tutto è integrato e si interfaccia come dovrebbe con la trasmissione e gli altri sottosistemi. Fondamentalmente, non ci sono compromessi. Che si scelga il modello diesel o quello a benzina, si ottiene il miglior motore disponibile, e ci si prepara anche all'idrogeno quando arriverà."

Lamb sottolinea che il vantaggio diretto del sistema HELM è a carico dell'OEM, grazie alla flessibilità del motore e alla possibilità di preparare le proprie macchine per il futuro. Per il cliente finale, invece, si tratta di avere accesso alle più recenti tecnologie motoristiche, contribuendo a migliorare il costo totale di proprietà.

È possibile che, senza la serie HELM, alcuni OEM non offrissero una soluzione di alimentazione alternativa, afferma Lamb. Se i motori fossero basati su piattaforme diverse e richiedessero programmi di sviluppo separati per essere adattati all'applicazione specifica, è molto probabile che l'OEM del veicolo o della macchina offrirebbe solo una variante diesel.

Differenziazione del design

Lamb afferma che la testata è il principale elemento di differenziazione tra i motori progettati per carburanti diversi. Nella versione diesel, che utilizza l'accensione per compressione, la testata ha una superficie piana. Le valvole sono verticali rispetto alla camera di combustione, ma sono progettate per propagare un vortice elevato per combinare aria e carburante.

"Questa configurazione concentra il carburante diesel verso il centro della testata del cilindro, favorendo una migliore combustione durante l'accensione per compressione", afferma Lamb.

La versione ad accensione comandata e gas naturale – Lamb sottolinea che questo è tipico sia dei motori a gas naturale che di quelli a benzina, indipendentemente dall'applicazione – utilizza un design a "tetto pentagonale" con un sistema di iniezione a punto singolo. Questo sviluppa elevati livelli di turbolenza, dove la miscela di aria e carburante si muove in modo uniforme anziché a spirale.

Motore diesel Cummins EPA27 X15 (Foto: Cummins)

"Queste sono le due differenze fondamentali tra i motori, che sono molto più facili da descrivere che da sviluppare a causa dei vincoli architettonici dei progetti", aggiunge.

Mentre le gallerie che trasportano l'olio motore all'interno del blocco sono le stesse indipendentemente dal tipo di carburante, lo stesso non si può dire della testata. Queste hanno requisiti specifici dovuti alle valvole di aspirazione e di scarico e agli alberi a camme utilizzati per ciascun tipo di carburante e design del motore.

Sebbene affermare che il blocco motore rimane lo stesso indipendentemente dal tipo di carburante possa essere stato interpretato come una strategia di marketing, Lamb sottolinea che al momento della fusione non c'è alcuna differenza tra i due: questi componenti sono davvero agnostici. Si potrebbero utilizzare pistoni e bielle diversi, ma questo dipende più dal tipo di applicazione (su strada o fuoristrada, ad esempio) che dal carburante.

Modifiche materiali

Ci sono alcuni casi in cui i materiali sono stati modificati per supportare l'uso del gas naturale, afferma Lamb. In un caso, le sedi delle valvole sono state temprate per prevenire l'usura prematura, in gran parte dovuta al fatto che il carburante gassoso non possiede le qualità lubrificanti del gasolio.

Inoltre, a causa delle temperature più elevate, il turbocompressore utilizza materiali diversi per mantenerne l'integrità. "Le unità utilizzate sui motori a gas naturale hanno un alloggiamento della turbina diverso, realizzato in ghisa ad alta temperatura o leghe di ferro ni-resist", afferma Lamb.

Proseguendo, afferma che la girante della turbina, che deve sopportare carichi termici più elevati, è realizzata in Inconel, una superlega a base di nichel. Essendo esposto a temperature più basse, l'alloggiamento del compressore è realizzato in lega di alluminio fuso, che offre una migliore conduttività termica.

Passando al post-trattamento delle emissioni, le varianti diesel utilizzeranno un sistema SCR/DPF. D'altra parte, le varianti a gas naturale hanno quello che Lamb definisce un design un po' più semplice. "Queste utilizzano un catalizzatore a tre vie per trattare NOx, idrocarburi e monossido di carbonio. È un sistema più passivo, non si rigenera né richiede additivi a base di urea".

Afferma che le emissioni di NOx sono sotto esame negli Stati Uniti e che con questo sistema i motori a gas naturale rispettano le normative. "I motori ad accensione comandata funzionano a una pressione inferiore rispetto ai modelli diesel, quindi non generano livelli elevati di NOx", spiega. Questo, nonostante funzionino a una temperatura complessiva più elevata.