La reducción de emisiones para los motores de maquinaria

Los fabricantes de motores están trabajando con los clientes más detalladamente y con más prontitud que antes. Para aceptar esta visión de trabajo cooperado de gran alcance, Perkins ha visto una oportunidad real de entregar máquinas con mayor calidad, durabilidad, economía de combustible y productividad.

Las regulaciones de emisiones de Perkins y de su equipo de realización trabajan para entender la legislación actual y futura para asegurar que el negocio pueda desarrollar buenas estrategias en términos de desarrollo del motor y ayuda al cliente. Éste es un tema que está cosechando grandes dividendos para ellos a la vez que están dispuestos a crear e implementar la estrategia futura del producto.

“Cuando hablamos acerca del ‘Tier4’ estamos hablando actualmente acerca de dos etapas de legislación de emisiones”, explica Julia Boorman, directora a nivel global de regulación de emisiones y cumplimiento de Perkins. “Lo primero, conocer que ‘Tier4 Interim’ en América del Norte y ‘Stage IIIB’ en Europa demanda una reducción moderada de los niveles de NOx (Óxido de Nitrógeno) de entre un 15 y un 50% dependiendo del rango de potencia. La reducción en los niveles de partículas (PM) de hasta el 95% es un movimiento significativo”. Esto está dirigido a la utilización de sistemas de postratamiento en los escapes para alcanzar este objetivo y entrará en uso en enero de 2011 para los motores superiores a 130 kW y un año después para los motores de 56 a 130 kW. Tres años después, en 2014 y 2015 el Tier 4 Final/Stage IV demandará una reducción posterior del 80 al 90% de Nox, la cual además incorporará tecnología adicional nueva.

Sin embargo hay una gran cantidad de otros requerimientos de legislaciones aparte para alcanzar los niveles de emisiones requeridos. Éstas están dirigidas para asegurar que el cumplimiento no está sólo aplicado a la etapa de producción sino también a su cumplimiento en campo bajo condiciones reales de operación. Estas áreas incluyen los requerimientos a no exceder, condiciones ambientales ampliadas, pruebas de transientes, pruebas en uso y control de los gases de ventilación del motor.

La legislación actual de emisiones especifica una prueba de estado en diferentes puntos de la curva de operación del motor utilizando un motor caliente. Ésta es una prueba simple a implementar y predice cómo un motor responderá y qué emisiones producirá. Pero en el Tier 4 Interim/Stage IIIB existe la introducción del ciclo de transientes ‘non road’. Ésta es una prueba estandarizada para todos los fabricantes de motores, diseñado para representar el ciclo de operación de una típica maquina ‘off higway’ que incluye un período de trabajo cuando el motor está frío y además utiliza muchos cambios rápidos en la velocidad del motor y en la carga. Esta prueba requiere una cámara de prueba de motores más sofisticada y el rendimiento del motor es considerablemente más difícil de predecir.

La medición de niveles de partículas más bajos ofrecen además un desafío técnico adicional. El método tradicional de pesado del papel del filtro para determinar las emisiones de PM durante una prueba se vuelve más difícil cuando las PM que está midiendo pueden ser relativamente más pequeñas a la condensación.

Las emisiones deben ser alcanzadas no sólo a una temperatura estándar sino sobre un amplio rango de condiciones de operación tales como la temperatura alta y baja y la altitud sobre casi el rango completo de operación del motor.

“Habrá en el futuro un requerimiento para pruebas en campo de las máquinas para asegurar que ellas realmente cumplen con las emisiones después de ser vendidas. Esto es como envolver en un programa las mediciones solicitadas por los legisladores que es responsabilidad del fabricante del motor. Éste tomará un ejemplo de un modelo de máquina particular en la cual está instalado un equipo portátil de medición que medirá la salida de las emisiones durante un corto periodo de tiempo. Este equipo será en muchos casos adaptado para encontrar una ubicación segura y apropiada para ser instalado en muchos tipos de maquinaria compacta”, cree Boorman.

Además, la neblina provocada por los gases y el aceite de la ventilación del bloque debe ser considerada como parte de la salida de emisiones del motor y deben ser controladas. En algunos casos los gases del bloque deben ser filtrados y en otros casos éstos pueden ser llevados de vuelta a la admisión (circuito cerrado de ventilación).

En muchos casos el motor no será distribuido al OEM con el sistema de postratamiento conectado en su configuración final. El motor y el postratamiento pueden ser distribuidos como dos partes separadas e incluso pueden llegar desde diferentes puntos de la fabricación. El cliente puede necesitar instalar los dos componentes en dos puntos diferentes en su proceso de fabricación.

Las emisiones del motor son certificadas por el fabricante pero el sistema no alcanzará estos niveles hasta que haya sido ensamblado por el cliente. Obviamente esto requerirá un nivel de colaboración cercana entre el fabricante del motor y el OEM para asegurar que el postratamiento ha sido instalado al motor apropiado y de forma correcta.

La ‘imagen’ de las emisiones se está desarrollando rápidamente. A medida que nuevos países anuncian sus planes para una mejora de la calidad del aire, el mapa cambia continuamente. La tendencia general será que la regulación de emisiones de Europa, América del Norte y Japón será adoptada por otras grandes economías. Para 2016 habrá hasta cinco diferentes niveles de emisiones en el mundo y éstas serán certificadas por muchas más autoridades nacionales y regionales.

El diseño para el mantenimiento fue la consideración principal en la estrategia de desarrollo de los nuevos motores de la serie 1200 de Perkins. La principal intención fue permitir a los mecánicos realizar las tareas rutinarias de operación y al mismo tiempo reducir el coste del mantenimiento para los operadores.

Las características típicas que apoyan esta opción incluyen la adopción de una nueva toma auxiliar de la tapa de la distribución que emplea poleas tipo poli v, las cuales tienen un intervalo de mantenimiento seis veces superior que el actual sistema. Otro ejemplo del ahorro de tiempo es el nuevo ajuste hidráulico de los tanques. Esto elimina la necesidad del ajuste cada 1.000 horas. Aunque esto no representa una operación compleja para el operario puede resultar dificultosa si la máquina está en campo. Con la llegada del depósito del postratamiento se reducirá tiempo y dinero para el usuario final y evitará el daño potencial del postratamiento.

Indudablemente los motores del futuro tendrán altos niveles de complejidad tecnológica y habrá un incremento en el número de componentes no familiares, más sensores y actuadores.

Las habilidades requeridas para los técnicos en motores diésel han cambiado desde hace algún tiempo y esta evolución se acelerará. Las habilidades sonoras no serán suficientes, los técnicos del mañana necesitarán habilidades superiores para la diagnosis y habrá una comprensión fuerte de la electrónica y el uso de ordenadores.

El deseo de una capacidad de soporte del producto avanzado ha guiado a realizar una inversión sustancial en el desarrollo de su red. El desarrollo de las habilidades no está restringida a los técnicos, ésta además se extiende a todos los aspectos de la organización del distribuidor. Perkins cree que una relación de trabajo fuerte con los distribuidores ofrece una base sólida para mejorar y asegurar el éxito en el futuro.

En 2005 Perkins comenzó un programa de ajustes de nuevos estándares para sus distribuidores.

Cada distribuidor es auditado regularmente contra estos estándares y se espera que demuestren un continuo crecimiento y capacidad. El soporte del producto global cubierto y la flexibilidad en la red es vista por el cliente como un diferenciador respecto al resto de fabricantes de motores off-higway. Esta posición crecerá fuerte a medida que la legislación de emisiones incluya otras tecnologías en el mercado.

Muchos países requerirán productos para alcanzar un rango diferente de emisiones menos restrictiva. No será comercialmente viable o técnicamente posible tener un solo modelo de máquina para todo el mundo, el coste de motores más sofisticados y el riesgo de combustibles con alto contenido de azufre demandará modelos especializados para países menor regulados.

Perkins está desarrollando un rango de motores para lograr cumplir con estas necesidades, para ser fabricados cerca de estas regiones de consumo en varios continentes.

Estos serán en algunos casos de motores simples y altamente efectivos respecto a su coste. Pero además, es probable que sean motores electrónicamente controlados y sofisticados para estas industrias y regiones que prefieren pagar un poco más para obtener alta productividad y una economía de combustible superior.

Existen un número de tecnologías disponibles en el control del NOx. Las emisiones previas fueron controladas exitosamente gracias a las tecnologías en el interior del cilindro, cambiando la dinámica del proceso de combustión para lograr una combustión limpia. Pero ésta por si sola es insuficiente para alcanzar los niveles de NOx requeridos en el Tier 4 Interim.

Después de muchas consideraciones, Perkins ha llegado a la conclusión que hay dos tecnologías viables. Una es utilizar los gases de escape para enfriar el proceso de la combustión y la segunda es utilizar un sistema llamado reducción catalítica selectiva (SCR).

El NOx se forma a muy altas temperaturas dentro de los cilindros del motor. Una pequeña proporción de gases de escape puede ser refrigerado e introducido en el cilindro. Como los gases de escape tienen un alto contenido de vapor de agua (producto de la combustión) éstos enfrían la combustión y reduce la formación de NOx.

Esto tiene un coste relativo y efectivo, puede ser ensamblado de forma compacta al motor y se espera que ofrezca una ligera mejora en el consumo de combustible sobre los actuales motores Tier 3 de alrededor de un 3%.

La principal diferencia es que se requiere de un segundo fluido en adición al combustible diésel. Un segundo depósito es colocado en la máquina el cual necesita ser llenado por el operador regularmente, quizás cada tres de cuatro veces que el depósito de combustible es rellenado. Este líquido conocido en Europa como Adblue o Diesel Emissions Fluid en América contiene un producto llamado Urea.

Esta urea es inyectada en pequeñas cantidades (de un 4% a un 5% del combustible diésel) en el sistema de escape donde es mezclado con los gases de escape. La hidrólisis producida en el catalizador convierte la urea en amoníaco, el cual reacciona con el NOx en el catalizador del SCR para producir nitrógeno, agua y dióxido de carbono. Una fase final del catalizador de oxidación se requiere para limpiar cualquier resto de amoníaco en la salida de los gases.

El SCR permite un ahorro en el consumo de combustible de aproximadamente un 5% sobre otras tecnologías. Aunque el consumo total del líquido está extremadamente cerrado. Donde la operación ahorra dinero realmente en el SCR depende en el coste relativo de la urea y el combustible en el país en cuestión.

Para la reducción de partículas Perkins ha elegido un Filtro de Partículas Diésel (DPF) de cordierite. Este material cerámico poroso es altamente eficiente en la eliminación de partículas de un 90% como mínimo y a menudo más alto.

Los gases de escape fluyen a través de una pared porosa depositando las partículas y dejando los gases de escape limpio.

El filtro de partículas diésel no puede por si solo eliminar todos los gases legislados, los hidrocarbonos, monóxido de carbono y la fracción soluble orgánica también deben ser controlados. De manera que el DPF es utilizado en combinación con otro dispositivo denominado Catalizador de Oxidación Diésel (DOC). El DOC posee material de cordierite similar pero utiliza el principio de flujo directo. Los gases pasan directos a través del dispositivo atravesando la pared. El DPF y el DOC son combinados en el mismo recipiente en la máquina.

Como el Filtro de Partículas limpia las partículas de los gases de escape, el hollín comenzará a acumularse en el filtro. Éste necesita ser limpiado a través de un proceso llamado ‘regeneración’.

El rango al cual el filtro se llena depende de cómo de limpio está el motor y hace que la salida de las partículas del motor sea lo más baja posible. Además, el ciclo de operación de la máquina tiene algún efecto en el rango de acumulación de hollín.

Existen 2 formas básicas de regeneración que pueden limpiar el hollín de los filtros, un proceso continuo llamado de baja temperatura de regeneración o un proceso ocasional llamado de alta temperatura de regeneración.

Para la baja temperatura de regeneración un catalizador de metal ayuda a crear NO2 en los gases de escape, el cual oxida el carbón a temperaturas de alrededor de 250 °C o superiores.

Una limitación de esta tecnología es que requiere algún NOx para hacer que el proceso funcione, usualmente una relación mínima de 25:1 de NOx/partículas y una relación 40/1. Aún así, la salida de partículas del motor es muy baja, solo viable en motores hasta 130 kW donde un poco más de NOx está permitida por la legislación.

Este proceso ocurre continuamente de manera que el operador normalmente no notará nada diferente durante el ciclo de trabajo y no necesitará tomar acciones excepcionales.

La alta temperatura de regeneración es un proceso ocasional utilizado para quemar el hollín acumulado después de varias horas de operación. Existen diferentes métodos pero el preferido por Perkins para los motores superiores a 130 kW es utilizar un quemador en el escape el cual calienta los gases de escape por encima de 600 °C oxidando directamente el hollín acumulado de una forma controlada.

Aunque casi todas las partículas en el filtro se oxidaran completamente durante la regeneración hay pequeñas cantidades de minerales que no combustionan.

La ceniza no se regenera y necesita ser limpiada utilizando una máquina especial. En Norte América la Agencia de Protección del Medio Ambiente (EPA) especifica que el primer mantenimiento de cenizas no debe ser antes de las 3.000 horas para los motores inferiores a 130 kW y 4.500 horas para los motores superiores a 130 kW.

En Europa, aunque no esta especificada por la legislación, Perkins siente que el mantenimiento es un inconveniente a los propietarios de maquinaria y deberán ser evitados todo lo que sea posible.

Gracias a un pequeño incremento en la dimensión del filtro en la bajas potencias Perkins ha controlado evitar el mantenimiento de cenizas para algunos de sus rangos de motores.

El azufre en el combustible no es solo un problema para Perkins, es de toda la industria. El azufre reacciona con los metales preciosos de los catalizadores y evita que funcionen de forma correcta. Los legisladores reconocen esto y un nuevo ‘Combustible diésel ultra bajo en azufre’ será introducido para el sector off-higway. Estos tendrán niveles de azufre inferior a 15 ppm, similar a los que se utilizan en el sector on-higway.