Economia através da desativação de cilindros

Caminhão de demonstração da Cummins Valvetrain Technologies usado para testes de CDA no mundo real (Foto: Cummins)

Atrasos na implantação da infraestrutura de carregamento em mercados importantes e os altos preços dos veículos elétricos a bateria significam que muitos operadores de caminhões continuarão a escolher a energia a diesel enquanto puderem.

Mas isso não significa que os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) possam cortar a pesquisa e o desenvolvimento de motores. Longe disso. A iminente legislação ambiental na América do Norte (EPA 27) e na Europa (Euro 7) está fazendo com que os projetistas de motores trabalhem mais arduamente do que nunca para alcançar maior eficiência.

Trabalhando com base em 2019, a UE exigirá que os veículos tenham uma redução de 45% nas emissões de CO2 até 2030. Esse número aumentará para 56% até 2035 e 90% até 2040, usando a ferramenta teórica de medição VECTO, que incorpora fatores como aerodinâmica e resistência ao rolamento com consumo de combustível e saída de gases de escape para calcular as emissões de CO2.

Ao desenvolver novas estratégias, os projetistas de motores devem equilibrar as emissões de NOx com a eficiência de combustível, a emissão de CO2 e material particulado (MP). O desenvolvimento da tecnologia SCR para motores diesel de serviço pesado tornou a produção de NOx na câmara de combustão menos problemática, mas manter a eficiência do sistema SCR em diversas condições de operação tornou-se mais importante com testes em serviço e metas mais baixas.

Fornecimento de soluções

Os fabricantes agora buscam obter reduções incrementais no consumo de combustível em qualquer ponto do veículo. Com modelos elétricos a bateria, a redução da resistência ao rolamento e do arrasto aerodinâmico ajudará a estender a autonomia com uma única carga sem a necessidade de adicionar mais baterias. No caso dos motores a diesel, os projetistas agora buscam mais soluções de fornecedores terceirizados.

A questão aqui é testar a eficácia dessas tecnologias. Elas fazem diferença suficiente para garantir o cumprimento dos níveis de emissões ou oferecem alguma redução de custo operacional para o usuário final?

Robb Janak, Tecnologias de Trem de Válvulas Cummins

O trabalho teórico e os testes de laboratório têm um limite para determinar o benefício de uma modificação proposta, especialmente quando se trata de fornecedores terceirizados. Fabricantes de caminhões e seus clientes desejam provas verificáveis de que um produto pode proporcionar melhorias significativas em um ambiente de trabalho.

O problema é que os testes no mundo real serão inevitavelmente comprometidos por variáveis externas que podem exagerar ou ocultar as melhorias de desempenho. O clima e a densidade do tráfego são dois problemas óbvios, e até mesmo o "fator humano" do comportamento do motorista é difícil de gerenciar. Isso ainda deixa os testes para identificar melhorias verificáveis e repetíveis a partir do ruído de outros fatores externos.

Função de tecnologia

Este foi o desafio da Cummins Valvetrain Technology na verificação do desempenho na estrada de sua tecnologia Jacobs Cylinder Deactivation (CDA), uma tecnologia que tem o potencial de reduzir o consumo de combustível e as emissões de CO2, ao mesmo tempo em que melhora a eficiência dos sistemas de controle NOx SCR em condições de menor carga do motor.

A teoria por trás do CDA é simples. Na maioria das vezes, os caminhões são superpotentes para o trabalho em questão. Por exemplo, um caminhão basculante de seis cilindros e 500 cv precisa de toda essa potência para transportar uma carga completa por uma estrada de transporte de pedreira, mas talvez apenas metade disso para retornar vazio. Tirar um, dois ou três cilindros de uso tem o potencial de reduzir o consumo de combustível em condições de carga leve, com pouco impacto na produtividade.

O sistema da Jacobs utiliza tecnologia de controle de válvulas para desligar automaticamente cilindros selecionados em condições de baixa carga do motor, mantendo suas válvulas de admissão e escape fechadas durante todo o ciclo de quatro tempos, além de desativar seus injetores de combustível. Isso reduz o consumo de combustível e as perdas parasitárias de bombeamento, decorrentes do enchimento, compressão e esvaziamento desnecessários dos cilindros desativados.

Versão Jacobs CDA e High Power Density de 1,5 tempos do freio de compressão e liberação do motor Jake Brake (Foto: Cummins)

Quando é necessária frenagem adicional do motor, os mesmos componentes que desativam os cilindros são reaproveitados para fornecer retardo ao veículo usando a versão mais recente de alta densidade de potência de 1,5 tempos do freio motor de liberação por compressão Jake Brake.

Embora os benefícios do sistema sejam óbvios no papel, quantificá-los é bem mais difícil. Para realizar os testes, a Cummins selecionou o teste de consumo de combustível padronizado J1321 da SAE (Sociedade de Engenheiros Automotivos), utilizando caminhões totalmente carregados em duas rotas: uma rodoviária e uma de distribuição.

O veículo utilizado nos testes foi um trator International LT625 6x4, modelo 2018, com motor diesel Navistar A26 de 13 litros e 450 cv e caixa de câmbio Eaton Endurant AMT com overdrive de 12 velocidades. O caminhão tem um PBT de quase 30.000 kg (66.000 lb).

Realizados no quarto trimestre de 2023, os testes foram realizados em mais de 19.000 km com e sem o CDA ativo; o sistema podia ser ativado ou desativado por meio de um interruptor no painel. O caminhão registrou uma velocidade média de 88 km/h na rodovia e 61 km/h na rota de distribuição.

O caminhão foi acompanhado em cada percurso por um veículo de controle comparável, cujo consumo de combustível também foi registrado para fornecer uma base para variações causadas por fatores externos. Cada rota incluiu trocas de reboque e motorista entre os dois caminhões para eliminar essas variáveis.

Resumo dos resultados

Os resultados reais deste teste em estrada foram obtidos após melhorias iniciais de até 20% na economia de combustível registradas em testes de laboratório com dinamômetro, com um motor em marcha lenta. No mesmo teste, foi registrada uma redução de 77% nos NOx em um ciclo de baixa carga com um sistema de pós-tratamento de gases de escape EPA 2018.

Embora as emissões de NOx não tenham sido o foco deste último teste de estrada, os caminhões de teste tiveram a mesma calibração usada durante o teste de certificação do dinamômetro. A Cummins espera que esses resultados melhorem ainda mais para futuros requisitos de emissões, onde os benefícios do gerenciamento térmico CDA forem utilizados.

Os resultados dos testes de estrada indicaram uma economia de combustível de 2,76% na rodovia e de 2,0% na distribuição, demonstrando que mesmo esses ciclos de condução com carga máxima podem gerar economias reais. Aumentar o número de modos de operação do CDA, como os ciclos de condução em marcha lenta de 20%, deve proporcionar reduções ainda maiores no consumo de combustível.

A Cummins Valvetrain Technologies relata economia de combustível de 2,76% com mais testes em estrada do seu sistema de desativação de cilindros Jacobs (Foto: Cummins)

O CDA desliga os cilindros para atender à demanda de torque em tempo real. Como esperado, os cilindros ativos apresentam cargas e temperaturas mais elevadas, enquanto os cilindros inativos apresentam perdas parasitas reduzidas. O fluxo de ar reduzido e a maior relação ar/combustível nos cilindros ativos restantes ajudam a manter as temperaturas do sistema de escape acima do nível crítico de 250 °C, o que contribui para a conversão eficiente de NOx pelo módulo de redução catalítica seletiva e para a regeneração passiva contínua do filtro de partículas do escape.

Em testes em rodovias sem o CDA, as temperaturas na unidade SCR do caminhão caíram abaixo de 250 °C por mais de 15% do tempo de viagem. No entanto, quando o CDA foi utilizado em conjunto com o freio motor Jacobs, as temperaturas do SCR caíram abaixo de 250 °C apenas durante as paradas programadas e trocas de reboques. Na rota de distribuição, a temperatura média da unidade SCR foi de 243 °C com o CDA acionado. Isso é 16% superior ao valor registrado sem a desativação dos cilindros.

O tempo total com o SCR operando abaixo de 250 ºC foi reduzido em mais de 21%, enquanto a temperatura do SCR com CDA caiu abaixo de 200 ºC em menos de 2% do tempo, em comparação com mais de 10% sem ele.

Esses números são particularmente importantes porque os testes e o monitoramento de emissões são cada vez mais baseados em ciclos de trabalho da "vida real", em vez do desempenho de laboratório.

Os sistemas CDA da Jacobs estão sendo utilizados em mais de 20 programas de desenvolvimento, com motores de cilindrada que variam de 2,0 a 16 litros. Alguns deles já avançaram para a fase de testes em veículos.