Risparmio tramite disattivazione dei cilindri

Il camion dimostrativo Cummins Valvetrain Technologies utilizzato per test CDA nel mondo reale (Foto: Cummins)

I ritardi nell'implementazione delle infrastrutture di ricarica nei mercati chiave e gli elevati prezzi dei veicoli elettrici a batteria significano che molti operatori di camion continueranno a scegliere l'alimentazione diesel finché ne avranno la possibilità.

Ma questo non significa che gli OEM possano tagliare la ricerca e lo sviluppo sui gruppi propulsori. Tutt'altro. Le imminenti normative ambientali in Nord America (EPA 27) ed Europa (Euro 7) spingono i progettisti di motori a lavorare più duramente che mai per raggiungere una maggiore efficienza.

Partendo da un valore di riferimento del 2019, l'UE richiederà ai veicoli una riduzione del 45% delle emissioni di CO2 entro il 2030. Questa percentuale salirà al 56% entro il 2035 e al 90% entro il 2040, utilizzando lo strumento di misurazione teorico VECTO, che integra fattori quali l'aerodinamica e la resistenza al rotolamento con il consumo di carburante e le emissioni di scarico per calcolare le emissioni di CO2.

Nello sviluppo di nuove strategie, i progettisti di motori devono trovare un compromesso tra emissioni di NOx, efficienza del carburante, emissioni di CO2 e particolato (PM). Lo sviluppo della tecnologia SCR per i motori diesel pesanti ha ridotto la produzione di NOx in camera di combustione, ma mantenere l'efficienza del sistema SCR in diverse condizioni operative è diventato più importante grazie ai test in servizio e agli obiettivi più ambiziosi.

Ricerca di soluzioni

I produttori stanno ora cercando di ottenere riduzioni incrementali del consumo di carburante in ogni aspetto di un dato veicolo. Con i modelli elettrici a batteria, la riduzione della resistenza al rotolamento e della resistenza aerodinamica contribuirà ad aumentare l'autonomia con una singola carica senza dover aggiungere ulteriori batterie. Per quanto riguarda i motori diesel, i progettisti stanno ora valutando soluzioni di fornitori terzi.

La questione qui è testare l'efficacia di queste tecnologie: fanno una differenza sufficiente a garantire il rispetto dei livelli di emissione o offrono una riduzione dei costi operativi per l'utente finale?

Robb Janak, Cummins Valvetrain Technologies

Il lavoro teorico e i test di laboratorio possono essere utili solo fino a un certo punto per determinare i benefici di una modifica proposta, soprattutto quando si tratta di fornitori terzi. I produttori di camion e i loro clienti desiderano prove verificabili che un prodotto possa apportare miglioramenti significativi all'ambiente di lavoro.

Il problema è che i test in condizioni reali saranno inevitabilmente compromessi da variabili esterne che possono amplificare o nascondere i miglioramenti delle prestazioni. Il meteo e la densità del traffico sono due fattori evidenti, e persino il "fattore umano" del comportamento del conducente è difficile da gestire. Questo lascia comunque ai test il compito di riconoscere miglioramenti verificabili e ripetibili, a prescindere dal rumore di fondo di altri fattori esterni.

Funzione tecnologica

Questa è stata la sfida per Cummins Valvetrain Technology nel verificare le prestazioni su strada della sua tecnologia Jacobs Cylinder Deactivation (CDA), una tecnologia che ha il potenziale per ridurre il consumo di carburante e le emissioni di CO2, migliorando al contempo l'efficienza dei sistemi di controllo NOx SCR in condizioni di carico del motore inferiore.

La teoria alla base del CDA è semplice. Il più delle volte, i camion sono sovradimensionati rispetto al lavoro da svolgere. Ad esempio, un autocarro ribaltabile a sei cilindri da 500 CV ha bisogno di tutta quella potenza quando trasporta un carico completo su una strada di servizio in cava, ma forse solo della metà quando torna a vuoto. Eliminare uno, due o tre cilindri può potenzialmente ridurre il consumo di carburante in condizioni di carico leggero con un impatto minimo sulla produttività.

Il sistema Jacobs utilizza la tecnologia di controllo delle valvole per disattivare automaticamente cilindri selezionati in condizioni di basso carico del motore, mantenendo chiuse le valvole di aspirazione e di scarico per tutto il ciclo a quattro tempi e disattivando al contempo gli iniettori del carburante. Ciò riduce il consumo di carburante e le perdite di pompaggio parassite derivanti dal riempimento, dalla compressione e dallo svuotamento inutilmente dei cilindri disattivati.

Jacobs CDA e la versione High Power Density da 1,5 tempi del freno motore a compressione e rilascio Jake Brake (Foto: Cummins)

Quando è necessario un ulteriore freno motore, gli stessi componenti che disattivano i cilindri vengono riutilizzati per fornire decelerazione del veicolo utilizzando l'ultima versione High Power Density da 1,5 tempi del freno motore a compressione e rilascio Jake Brake.

Sebbene i vantaggi del sistema siano evidenti sulla carta, quantificarli è piuttosto più difficile. Per completare i test, Cummins ha scelto il test di consumo di carburante standardizzato SAE (Society of Automotive Engineers) J1321, utilizzando camion a pieno carico su due percorsi: uno autostradale e uno di distribuzione.

Il veicolo utilizzato nei test era un trattore stradale International LT625 6x4 modello 2018, con motore diesel Navistar A26 da 13 litri e 450 CV e cambio Eaton Endurant AMT a 12 rapporti con overdrive. Il camion ha un peso totale a terra di quasi 30.000 kg.

I test, svolti nel quarto trimestre del 2023, hanno percorso oltre 19.000 km con e senza CDA attivo; il sistema poteva essere attivato o disattivato tramite un interruttore sul cruscotto. Il camion ha registrato una velocità media di 88 km/h (51 mph) sul percorso autostradale e di 61 km/h (38 mph) sul percorso di distribuzione.

In ogni percorso, il camion era accompagnato da un veicolo di controllo di pari valore, il cui consumo di carburante veniva anch'esso registrato, in modo da fornire un riferimento per le variazioni causate da fattori esterni. Ogni percorso prevedeva lo scambio di rimorchio e autista tra i due camion per eliminare tali variabili.

Risultati in sintesi

I risultati reali su strada di questo test hanno fatto seguito a miglioramenti iniziali del risparmio di carburante fino al 20% registrati nei test di laboratorio al dinamometro di un motore in modalità di minimo. Nello stesso test di laboratorio, è stata registrata una riduzione del 77% degli NOx in un ciclo a basso carico con un sistema di post-trattamento dei gas di scarico EPA 2018.

Sebbene le emissioni di NOx non fossero al centro dell'attenzione di quest'ultimo test su strada, i camion di prova avevano la stessa taratura utilizzata durante i test di certificazione al dinamometro. Cummins prevede che questi risultati miglioreranno ulteriormente in vista dei futuri requisiti sulle emissioni, laddove verranno sfruttati i vantaggi della gestione termica CDA.

I risultati dei test su strada hanno indicato un risparmio di carburante del 2,76% sul percorso autostradale e del 2,0% sul percorso di distribuzione, a dimostrazione del fatto che anche questi cicli di guida a pieno carico possono generare risparmi concreti. L'aumento del numero di modalità operative per il CDA, come i cicli di guida al minimo del 20%, dovrebbe portare a riduzioni ancora maggiori dei consumi di carburante.

Cummins Valvetrain Technologies segnala un risparmio di carburante del 2,76% grazie a ulteriori test su strada del suo sistema di disattivazione dei cilindri Jacobs (Foto: Cummins)

Il sistema CDA (Selective Catalytic Reduction) disattiva i cilindri per adattarsi alla richiesta di coppia in tempo reale. Come prevedibile, i cilindri attivi presentano carichi e temperature più elevati, mentre i cilindri inattivi presentano perdite parassite ridotte. La riduzione del flusso d'aria e il rapporto aria/carburante più elevato nei restanti cilindri attivi contribuiscono a mantenere le temperature del sistema di scarico al di sopra del livello critico di 250 °C, il che favorisce un'efficiente conversione degli NOx da parte del modulo di riduzione catalitica selettiva e la continua rigenerazione passiva del filtro antiparticolato (PM) allo scarico.

Nei test su strada senza CDA, le temperature nell'unità SCR del camion sono scese sotto i 250 °C per oltre il 15% del tempo di percorrenza. Tuttavia, quando il CDA è stato utilizzato insieme al freno motore Jacobs, le temperature dell'SCR sono scese sotto i 250 °C solo durante le fermate programmate e gli scambi di rimorchio. Sul percorso di distribuzione, la temperatura media dell'unità SCR è stata di 243 °C con CDA inserito. Questo valore è superiore del 16% rispetto a quello registrato senza disattivazione dei cilindri.

Il tempo totale di funzionamento dell'SCR a una temperatura inferiore a 250 °C è stato ridotto di oltre il 21%, mentre la temperatura dell'SCR con CDA è scesa sotto i 200 °C solo per meno del 2% del tempo, rispetto a oltre il 10% senza.

Questi dati sono particolarmente importanti perché i test e il monitoraggio delle emissioni si basano sempre più su cicli di lavoro "reali" anziché sulle prestazioni di laboratorio.

I sistemi CDA di Jacobs sono attualmente utilizzati in oltre 20 programmi di sviluppo, con motori di cilindrata compresa tra 2,0 e 16 litri. Alcuni di questi sono già entrati nella fase di test sui veicoli.