Os motores HELM da Cummins suportam combustíveis alternativos

Cummins X15N para o mercado da América do Norte (Foto: Cummins)

Os fabricantes de motores continuam explorando o potencial de diferentes combustíveis alternativos com a intenção de oferecer melhor economia de combustível, redução de emissões e menor custo total de propriedade para os clientes.

Apesar do potencial, o hidrogênio perdeu parte de sua promessa inicial como substituto direto do diesel. Em suma, o hidrogênio ainda é caro, assim como o desenvolvimento da tecnologia para usar o combustível. A disponibilidade limitada representa um problema adicional.

Devido a esses fatores, algumas empresas passaram a se concentrar no gás natural (metano), seja como GNC ou GNL, ou como biometano (às vezes chamado de biogás, gás natural renovável ou GNR). Assim como no caso do hidrogênio, os motores que utilizam biometano podem atingir reduções de quase 100% nas emissões de CO2, medidas do poço à roda.

Questionado sobre a situação do mercado de combustíveis alternativos, William Lamb, diretor de Estratégia de Plataforma da Unidade de Motores da Cummins, afirma que há, sem dúvida, um interesse renovado pelo gás natural como combustível. "Pelo menos da perspectiva europeia e britânica, o interesse pelo gás natural tem crescido; ele também tem sido forte na China nos últimos anos. Globalmente, observamos tendências diferentes em diferentes regiões, dependendo de onde essas áreas obtêm sua energia primária e das regulamentações locais de emissões."

William Lamb, Cummins

Embora o gás natural tenha ganhado alguma atenção, ele afirma que o interesse pelo biogás tem aumentado ainda mais. Lamb acredita que isso se deve a uma série de fatores, incluindo o potencial de redução dos custos operacionais com o uso de combustíveis gasosos e também a necessidade de reduzir as emissões de gases de efeito estufa para atender aos padrões regulatórios.

Programa de lançamento

Para otimizar sua gama de motores e as variantes dentro dessas linhas de modelos, a Cummins lançou suas plataformas HELM. Os modelos de cada plataforma são baseados no bloco, com cada variante equipada com cabeçotes e sistemas de injeção para um tipo específico de combustível. Geralmente lançada como uma versão a diesel, a linha HELM passa a incluir versões a gás natural e, em seguida, a hidrogênio, esta última ainda em desenvolvimento.

Questionado se a força motriz por trás do lançamento dos motores HELM era ajudar os clientes a reduzir as emissões do motor ou fornecer uma opção usando todas as opções de combustível, Lamb diz que há uma resposta dupla.

O diesel continuará existindo por vários anos na maioria dos mercados e por mais tempo em algumas outras regiões. Investimos em novas plataformas para oferecer maior economia de combustível, densidade de potência e redução de perdas parasitas de potência. Não podíamos fazer isso em plataformas mais antigas, então esse foi um fator motivador para os produtos HELM.

O outro benefício é que conseguimos projetar os motores para que possam ser adaptados ao uso de combustíveis de ignição por compressão e ignição por faísca sem qualquer comprometimento. Com algumas modificações, seria possível usar um motor diesel comum com gás natural, mas isso representaria um comprometimento em termos de potência e eficiência.

Como na maioria dos fabricantes de motores, a tecnologia de gás natural desenvolvida pela Cummins utiliza ignição por faísca. Lamb afirma que a ignição por compressão é uma tecnologia que oferece algumas vantagens ao utilizar combustível gasoso, mas desvantagens, como a necessidade de sistemas complexos de pós-tratamento de emissões.

Escolha do motor

De acordo com Lamb, a Cummins continua recebendo muito interesse em seus motores HELM devido a uma série de benefícios.

Os clientes abordam isso de diferentes ângulos, mas, independentemente do tipo de combustível, eles entendem que é possível instalar um motor a diesel ou a gás natural no mesmo espaço e com as mesmas interfaces. Se você instalar um motor a diesel HELM para um mercado e um motor a gás natural para outro, é possível suportar duas variantes com pouquíssimas modificações na máquina.

Motor Cummins X10 Euro 7 pronto (Foto: Cummins)

Como usam a mesma plataforma, qualquer uma das opções significa que os motores já estão prontos para se adaptarem ao seu veículo ou máquina; tudo está integrado e interage como deveria com a transmissão e outros subsistemas. Fundamentalmente, não há concessões. Seja qual for o modelo a diesel ou natural, você obtém o melhor motor disponível – e até mesmo se prepara para o hidrogênio quando ele chegar.

Lamb observa que o benefício direto do sistema HELM recai sobre o fabricante original (OEM), devido à flexibilidade do motor e à capacidade de preparar suas máquinas para o futuro. Para o cliente final, trata-se de ter acesso à mais recente tecnologia em motores, o que ajuda a reduzir o custo total de propriedade.

É possível que, sem a série HELM, alguns fabricantes de equipamentos originais (OEMs) não oferecessem uma solução de combustível alternativo, diz Lamb. Se os motores fossem baseados em plataformas diferentes e exigissem programas de desenvolvimento separados para acomodá-los na aplicação específica, é bem possível que o fabricante original do veículo ou máquina oferecesse apenas uma variante a diesel.

Diferenciação de design

Lamb afirma que o cabeçote é o principal diferencial entre os motores projetados para diferentes combustíveis. Na versão a diesel, que utiliza ignição por compressão, o cabeçote tem uma superfície plana. As válvulas são verticais em relação à câmara de combustão, mas são projetadas para propagar um forte turbilhão para combinar o ar e o combustível.

“A configuração concentra o combustível diesel no centro do cabeçote do cilindro, o que proporciona uma melhor combustão sob ignição por compressão”, diz Lamb.

A versão com ignição por centelha e gás natural – Lamb observa que isso é típico de motores a gás natural e a gasolina, independentemente da aplicação – utiliza um projeto de "teto inclinado" com um sistema de injeção de ponto único. Isso gera altos níveis de tombamento, onde a mistura de ar e combustível se move em um padrão de ponta a ponta, em vez de um turbilhão.

Motor diesel Cummins EPA27 X15 (Foto: Cummins)

“Essas são as duas diferenças fundamentais entre os motores, que são muito mais fáceis de descrever do que desenvolver devido às restrições arquitetônicas dos projetos”, acrescenta.

Embora as galerias que movimentam o óleo do motor ao redor do bloco sejam as mesmas, independentemente do tipo de combustível, o mesmo não pode ser dito da unidade principal. Estas têm requisitos específicos devido às válvulas de admissão e escape e aos eixos de comando utilizados com cada tipo de combustível e projeto de motor.

Embora possa parecer marketing dizer que o bloco do motor permanece o mesmo independentemente do tipo de combustível, Lamb ressalta que, na fundição, não há diferença entre os dois – esses componentes são realmente agnósticos. Pistões e bielas diferentes podem ser usados, mas isso está mais relacionado ao tipo de aplicação (na estrada ou fora dela, por exemplo) do que ao combustível.

Mudanças materiais

Há alguns casos em que os materiais foram alterados para suportar o uso de gás natural, diz Lamb. Em um caso, as sedes das válvulas foram endurecidas para evitar desgaste prematuro, em grande parte devido ao combustível gasoso não possuir nenhuma das qualidades lubrificantes do óleo diesel.

Além disso, devido às temperaturas mais altas, o turbo utiliza materiais diferentes para manter a integridade. "As unidades usadas nos motores a gás natural têm uma carcaça de turbina diferente, feita de ferro fundido de alta temperatura ou ligas de ferro resistentes a níquel", diz Lamb.

Continuando, ele afirma que a roda da turbina, que precisa suportar cargas térmicas mais elevadas, é feita de inconel, uma superliga à base de níquel. Exposta a temperaturas mais baixas, a carcaça do compressor é feita de liga de alumínio fundido, o que proporciona melhor condutividade térmica.

Em relação ao pós-tratamento de emissões, as variantes a diesel usarão um sistema SCR/DPF. Por outro lado, as variantes a gás natural têm o que Lamb afirma ser um projeto um pouco mais simples. "Estas usam um catalisador de três vias para lidar com NOx, hidrocarbonetos e monóxido de carbono. É um sistema mais passivo, não regenera nem requer aditivo de ureia."

Ele afirma que as emissões de NOx estão sob escrutínio nos EUA e, com este sistema, os motores a gás natural atendem às normas. "Os motores de ignição por centelha operam a uma pressão mais baixa do que os modelos a diesel, portanto, não geram altos níveis de NOx", explica. Isso, apesar de operarem a uma temperatura geral mais alta.