FPT Industrial e Stanadyne falam sobre inovação em motores de combustão interna

Um webinar recente do Engine Technology Forum (ETF) abordou as diversas inovações que estão sendo feitas em motores de combustão interna (CI) para abordar a eficiência do motor e as emissões. Palestrantes do setor abordaram tópicos que vão desde combustíveis até pós-tratamento.

Uma parte significativa do webinar, no entanto, foi focada nos avanços tecnológicos nos próprios motores de combustão interna.

Ivan Tate, diretor do centro técnico da fabricante de motores e sistemas de transmissão FPT Industrial, abriu o webinar. Ele analisou as inovações que a FPT implementou para abordar desempenho, consumo de combustível e produtividade.

Descrevendo o motor de combustão interna como "um motor primordial para os próximos anos", Tate se concentrou especificamente na plataforma do motor XC13 de 13 litros da FPT, que pode ser configurada para diversos combustíveis, incluindo diesel e gás natural, ambos centrais em seus comentários.

Evolução do motor

Tate discutiu a evolução do XC13, começando com o Cursor C13 em 1998.

O XC13 da FPT Industrial foi revelado na IAA Transportation 2022. (Foto: FPT Industrial)

“Concebido como um motor para uso em rodovias, demos o salto para o off-road no início da década de 2010”, disse ele. “Houve um aumento de potência — turboalimentação de dois estágios. Então, as mudanças drásticas na legislação começaram a ocorrer por volta dessa época (2012). Evoluiu para o gás natural (2017) e, como empresa, meio que reconhecemos o que estava acontecendo agora. Então, com o conceito Cursor X (2018), estávamos realmente buscando sustentabilidade, modularidade e flexibilidade em nossos produtos. E o XC13 é realmente a nova geração aqui.”

Uma inovação comum que a FPT escolheu para o XC13, independentemente do tipo de combustível, foi migrar de peças fundidas padrão para o bloco do cilindro e cabeçote para ferro de grafite compactado (CGI).

“Isso nos permite ser mais leves, mas também mais rígidos”, disse ele. “Isso ajuda nas emissões e também na quantidade de pressão do cilindro que conseguimos manter.”

As melhorias feitas pela FPT reduziram o peso em cerca de 10% nos modelos a diesel e a gás natural em comparação ao motor C13.

Reduções de atrito

A FPT também procurou reduzir o atrito no XC13 usando novos materiais nas bielas e pinos — algo que Tate chamou de desenvolvimento fundamental.

“Parece fácil”, disse ele. “Pegue a superfície de apoio, melhore os materiais, reduza a área da superfície, modifique as folgas para otimizar o atrito. Mas também estamos considerando a facilidade de manutenção, portanto, intervalos de manutenção maiores, carga maior em comparação com as gerações anteriores. Portanto, trabalhar com fabricantes de lubrificantes e muito trabalho de durabilidade foi necessário para que esses benefícios surgissem e fornecessem exatamente o que precisávamos.”

Outras melhorias no sistema de trem de válvulas aumentaram a potência de frenagem em 29% na versão diesel do XC13 e em mais de 300% na unidade a gás natural — ambos em relação ao antecessor C13.

“Isso, em parte, melhora obviamente a dirigibilidade, mas também se aproxima de algumas das outras emissões que estão entrando no espectro de emissões”, disse ele, acrescentando que isso inclui poeira de freio e emissões relacionadas ao desgaste de componentes que começaram a aparecer nos gráficos de emissões na esteira de emissões de combustão de escapamento significativamente menores.

Auxiliares e Controles

Duas melhorias adicionais que, combinadas com o menor peso do motor, contribuíram para o desempenho e o consumo de combustível são os sistemas auxiliares inteligentes e o controle avançado de combustão. Os sistemas auxiliares em questão são bombas de óleo e água de velocidade variável, que podem ser de dois estágios ou totalmente variáveis, disse Tate. Do ponto de vista dos controles, o XC13 conta com controle avançado de combustão e gerenciamento térmico.

“Particularmente em condições de partida, condições frias e transientes, os benefícios da injeção de combustível, sendo capaz de controlar as contrapressões do turbocompressor, as contrapressões do escapamento e então alterar os padrões de injeção revelam o fato de que podemos aumentar a potência, mas também podemos atingir metas de emissões e consumo de combustível ao fazer isso”, disse ele.

Em comparação com o C13, essas e outras melhorias no XC13 resultaram em um aumento de mais de 2% na potência e mais de 12% no torque na versão a diesel, com uma redução correspondente de 7% no consumo de combustível. O modelo a gás natural apresentou aumentos de potência e torque de mais de 9% e mais de 10%, respectivamente, com uma melhoria na eficiência de combustível de cerca de 8%.

Injeção Direta de GLP

Srinu Gunturu, engenheiro-chefe da empresa de sistemas de combustível Stanadyne, discutiu inovações em motores de combustão interna movidos a propano — particularmente injeção direta de gás liquefeito de petróleo (GLP).

O injetor de combustível e a bomba Stanadyne fornecem GLP por meio do sistema de inibição de vapor-lock desenvolvido e projetado pela Katech. (Foto: Stanadyne)

“Acreditamos que será uma ótima alternativa”, disse ele, “e também aumentará a eficiência dos atuais sistemas de combustível de propano líquido que temos disponíveis no mercado”.

Entre os benefícios do GLP, Gunturu destacou melhorias na eficiência do motor e nas emissões.

“A octanagem é 105 e, com o uso de um catalisador de três vias, provavelmente conseguiremos reduzir ainda mais as emissões e também a um custo menor do que os sistemas de reposição a diesel”, disse ele. “E, graças ao propano líquido, as emissões de material particulado (MP) serão próximas de zero.”

Gunturu citou o trabalho que Stanadyne realizou com a Katech Engineering e o Propane Education & Research Council (PERC) para levar a injeção direta de GLP ao mercado.

Lidando com o Vapor Lock

“Criamos um sistema em uma plataforma GM, que é o motor L8T, sem grandes modificações em relação a um motor a gasolina — [nós] o trocamos diretamente para o propano líquido”, disse ele. “Conseguimos converter e fazer algumas pequenas modificações no software e no hardware, além de ter alguns inibidores de bloqueio de vapor no sistema em forma de aplicação para ajudar a acionar este motor com o propano líquido.”

O efeito de vapor foi um problema fundamental que Stanadyne teve que superar ao operar o motor com GLP.

“O principal obstáculo que enfrentamos foi o combustível”, disse Gunturu. “O propano se transforma em gás à pressão ambiente e evapora no sistema.”

Gunturu disse que modificações foram feitas na bomba de propano e no injetor para resolver o problema de bloqueio de vapor.

“Fizemos alterações no projeto da nossa bomba, juntamente com o sistema, para ajudar a evitar o bloqueio de vapor com o propano líquido”, disse ele, “para o fornecimento da bomba de alta pressão, para que a bomba não trave e opere em pressões mais altas, evitando o bloqueio de vapor. Além disso, desenvolvi um sistema de alívio de pressão para o caso de haver formação de vapor no trilho, o que ajudará a eliminar esse vapor, além de liberá-lo e fixá-lo de volta na lateral do chassi.”

Os injetores também foram projetados para atingir maior fluxo, acrescentou Gunturu, para melhorar a combustão do GLP no cilindro.

Comparável à gasolina

O motor de teste L8T 6.6L GDI da General Motors foi atualizado com os componentes Stanadyne e operado com injeção direta de GLP. (Foto: Stanadyne)

De acordo com Gunturu, o motor L8T teve um desempenho comparável ao motor a gasolina com GLP. A potência do motor foi ligeiramente superior à do motor a gasolina na faixa de 3.000 a 3.500 rpm.

A Stanadyne realizou testes no dinamômetro para garantir que operar o motor com GLP não danificaria ou destruiria o motor, cabeçotes de cilindro e outros componentes mecânicos.

“Não observamos nenhum sinal de desgaste mecânico anormal ou retração da sede da válvula — nem problemas com as bombas de combustível ou injetores de combustível”, disse Gunturu, acrescentando que isso ocorreu após mais de 16 milhões de ciclos nos injetores e mais de 50 milhões de ciclos da bomba de combustível. “E não apenas em regime permanente. Realizamos ciclos transitórios com diferentes condições de partida/parada, condições de partida a frio, bem como testes de velocidade de cruzeiro de 88 a 105 km/h para verificar se essa tecnologia teria impacto na confiabilidade ou na durabilidade do motor e também nos componentes do sistema de combustível.”

Planos futuros

Stanadyne está investigando se a tecnologia pode alavancar misturas de éter dimetílico renovável (rDME), bem como propano renovável.

Gunturu acrescentou que Stanadyne tem planos de converter uma caminhonete GM com motor V8 de 5,3 L para funcionar com GLP.

“Estamos planejando concluir todos os testes completos de emissões da EPA para provar que você terá um benefício mensurável de CO2 e também muitas reduções de emissões que você verá como os próximos passos para levar isso ao próximo nível do mercado.”

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