Los fabricantes de motores confían en acceder a las tecnologías que se necesitan para cumplir los próximos estándares para emisiones EPA Tier 4 para motores grandes diesel fuera-de-carretera. El desafío será implementar estos sistemas sin bajar el rendimiento o la confiabilidad del motor.

Por Russell A. Carter, Editor General

Mientras el 2009 llegaba a su fin, los proveedores de motores para equipos fuera de carretera se preparaban para una nueva era en diseño. El mundo de los motores diesel fuera de carretera con muchos caballos de fuerza está a punto de ser desafiado hasta un grado sin precedentes por lo que podría denominarse las “tres C” (compliance, complexity y cleanliness en Inglés)—cumplimiento, complejidad y limpieza.

A fin de cumplir con estándares de emisiones cada  vez más estrictos para diesels fuera-de-carretera con 751 hp o más, los fabricantes de motores deben encontrar formas de reducir las emisiones de diesel hasta una fracción de los niveles permitidos por la Agencia de Protección Ambiental de los EEUU (EPA) y la Unión Europea bajo las anteriores normas Tier 1 y 2/Euro Etapa I y II, respectivamente. A pesar que los diesels >751-hp se eximían de las exigencias de Tier 3/Etapa IIIA, pronto se aplicará un nuevo conjunto de normas para control de emisiones, comenzando con las regulaciones temporales Tier 4 de EPA el 2011 para los EEUU (y Canadá), preparando el terreno para las normas Finales Tier 4 en el 2014.

Las agencias regulatorias se han centrado principalmente en la reducción de material particulado (PM) y óxidos de nitrógeno (NOx). El monóxido de carbono (CO) y los hidrocarburos (HC) también están regulados, pero sus niveles son de por sí bajos en motores diesel.

Según Blake Larson, ingeniero ejecutivo de la división motores High Horsepower de Cummins, las regulaciones Finales Tier 4 “presentan el cambio más significativo en tecnología de motores mineros en la historia reciente” al estipular una reducción del 62% en NOx y una disminución del 93% en material particulado diesel (DPM) a partir de niveles regulados anteriores. Larson habló a principios de este año en la Conferencia Haulage & Loading 2009 patrocinada por Mining Media, publicadores de E&MJ y Coal Age. La magnitud de las reducciones de emisión exigidas por los estándares venideros es más fácil de entender mirando la gráfica que Larson mostró en su presentación, y que aparece más abajo en este artículo.

Estas regulaciones no sólo reducen drásticamente los niveles de emisión, sino que también las pruebas y las certificaciones serán más complejas. Tal como se muestra en la tabla anexa, los diesel con muchos caballos de fuerza estarán sujetos a procedimientos de prueba y monitoreos más complejos durante su vida útil.

El resultado: los diesel fuera-de-carretera que cumplan con los nuevos estándares serán mucho más “limpios” pero más complejos—y la tecnología empleada para lograr los niveles necesarios de control de emisiones demandará mayor atención a la contaminación por fluidos del motor. Los motores diesel más nuevos son mucho más sensibles al combustible sucio o al aceite sucio, y puede ocurrir un daño interno mucho más rápidamente que con diseños de motores anteriores. Según algunos expertos, la transición obligatoria a combustible diesel de sulfuro ultra bajo (ULSD) exacerba posibles problemas en esta área.

Hay un número de tecnologías disponibles que permitirán a los fabricantes de motores cumplir con las futuras normas de control de emisiones. La clave para su implementación, dijo Larson, es un enfoque que tome en cuenta las inquietudes de los tres mayores grupos interesados en los motores: dueños/operadores, fabricantes de equipos originales (OEMs), y los propios proveedores de motores. Los dueños/operadores, por ejemplo, están principalmente interesados en obtener una alta confiabilidad/durabilidad del motor, densidad de potencia y eficiencia de consumo de combustible. Los OEMs quieren un mínimo impacto de las exigencias de instalación del motor nuevo, un diseño más o menos universal que permita usar el motor en diferentes áreas del mercado mundial, y características robustas que puedan resistir hasta los ciclos de trabajo más duros. Los fabricantes de motores, por su parte, deben entregar una plataforma de motores probada que pueda cumplir niveles regulados de emisiones, bridando un rendimiento igual o mejor.

Para algunos proveedores de diesel, esto significó trabajar desde cero para desarrollar una nueva familia de motores. Caterpillar, por ejemplo, determinó que no podía cumplir sus objetivos futuros de crecimiento de potencia del motor y control de emisiones con su plataforma serie high-horsepower 3500, y recurrió a un nuevo diseño—la familia C175, que tiene la capacidad de entregar hasta 4.000 hp para aplicaciones mineras y aún más potencia en otras aplicaciones industriales y marítimas, junto con el potencial para cumplir los niveles de emisión de Tier 4 empleando características seleccionadas de la tecnología ACERT de CAT—originalmente desarrollada para control de emisiones en sus motores camineros—en combinación con tecnologías de post-tratamiento de los gases de escape. En el proceso, CAT también incorporó varias características de diseño a la línea C175 diseñada para mejorar la durabilidad y la eficiencia en su conjunto. Estas incluyen un bloque de cilindro optimizado con tapas de rodamiento con pernos cruzados, un diseño de cigüeñal más robusto, varillas de conexión perforadas que presentan una unión con pasador de pistón más robusto para mayor capacidad de presión del cilindro, pistones de acero forjado, y una cabeza de cilindro más resistente.

CAT ha equipado sus nuevos modelos de camiones mineros, el 797F y el 793F, con versiones de 20 y 16 cilindros de la plataforma C175. En ambos camiones, el diseño del motor incluye cuatro turbocompresores, un post-enfriador aire-aire y un sistema de combustible de conducto común controlado electrónicamente. Además, tal como se reporteó en la edición del mes pasado, CAT indicó que cada nuevo 793F y 797F tendrá la misma huella de emisiones sin importar donde se venda el camión. “Podríamos haber puesto motores que no cumplan la norma en regiones menos reguladas, pero aquello va en contra de nuestro código de responsabilidad social,” dijo David Rea, gerente mundial de marketing-camiones mineros, CAT Global Mining.

El Post-Tratamiento Se Acerca
Los fabricantes de motores con muchos caballos de fuerza han dependido de controles electrónicos, mejoramientos en el flujo de aire, optimización de la combustión interna, avanzados sistemas de entrega de combustible y otras soluciones de diseño del motor, para cumplir con las normas Tier 2, pero el consenso entre los proveedores diesel es que las tecnologías de post-tratamiento de los gases de escape será necesaria para elevar el control de emisiones hasta los niveles de Tier 4 Final.

Los métodos de post-tratamiento incluyen Filtros de Particulado Diesel Catalizado (DPF); Catalizadores de Oxidación Diesel (DOC); Reducción Catalítica Selectiva (SCR) y adsorbedores de NOx. Las tecnologías pueden usarse en diferentes combinaciones; Cummins, por ejemplo, ha evaluado combinaciones tales como el uso de post-tratamiento SCR para reducción NOx, optimización de combustión para control PM y post-tratamiento de particulado; o usando optimización de combustión y EGR enfriada para reducción de NOx junto con un DPF catalizado para con trol PM. Sin embargo, para la serie Cummins diesel de muchos caballos de fuerza, sistemas claves de motor tales como turboalimentación de geometría variable, sistemas de inyección de combustible de conducto común de alta presión y controles electrónicos serán componentes críticos en cualquier diseño final.

No es de sorprender que existan ventajas y desventajas involucradas en cada elección tecnológica. Por ejemplo, explicó Larson, la Recirculación de Gases de Escape Enfriado (CEGR) pueden ayudar a controlar emisiones de NOx del motor. En la CEGR, el gas se obtiene del colector de gases de escape y es enfriado, luego se introduce una mezcla del gas de escape enfriado y aire puro al ciclo de combustión. Esta metodología requiere un enfriador de gas de escape o un intercambiador de calor, una válvula de gas de escape y un mezclador, y turboalimentación sofisticada para brindar control de precisión del flujo de aire en todas las velocidades y cagas del motor, suministrando también el diferencial de presión necesario para accionar el proceso de recirculación de gases de escape.

Los pros y contras: Se requerirá un ventilador de enfriamiento de alta capacidad y paquetes de aire de radiador/carga para disipar el calor adicional absorbido por el enfriador del motor en el proceso de CEGR. También el equipo de manejo de aire debe ser más complejo, y otros temas vitales incluyen una mayor presión del cilindro y mayor presión de inyección del sistema de combustible para controlar las emisiones PM.

Otra promisoria tecnología, la Reducción Catalítica Selectiva (SCR), usa amoníaco y un catalizador para transformar el NOx del escape en nitrógeno y agua. Se agrega un agente reductor al flujo de escape para crear las reacciones en una cámara catalítica. El proceso emplea urea licuada y h asido probado en aplicaciones en-carretera en Europa. Los componentes claves para una SCR exitosa incluyen un sistema de manejo de aire optimizado para adaptarse a un aumento en la contrapresión de escape, además de equipo de manejo e inyección de urea, una cámara catalítica y sensores de temperatura/ NOx.

Los problemas con la SCR van desde el embalaje y la instalación del equipo requerido y la disponibilidad y el manejo de la urea, hasta la vida útil del catalizador SCR en aplicaciones fuera-de-carretera y “escabullimiento de amoniaco” no deseado, o liberación de amoniaco no reaccionado.

Ran Archer, gerente de ventas mineras del fabricante de motores MTU Detroit Diesel, sostuvo en su presentación en la conferencia H&L que la SCR generalmente brinda una mejor economía de combustible que la EGR. La tecnología SCR es menos sensible al contenido de azufre en el combustible diesel, lo que puede variar ampliamente alrededor del mundo. En el lado negativo, los sistemas SCR usan urea que debe ser almacenada en el vehículo y que requerirá reabastecimiento. El consumo de urea es de aproximadamente el 5% por volumen de combustible consumido. A pesar que la urea es relativamente común en Europa para aplicaciones en-carretera, prácticamente no existe distribución de urea para aplicaciones mineras. También indicó que todos los componentes del post-tratamiento aumentan la “demanda de espacio” del motor dentro del equipo.

Estos son temas importantes para los fabricantes de motores, quienes generalmente están de acuerdo en que se requerirá tecnología DPF y DOC para lograr los niveles de emisión exigidos por las regulaciones Tier 4 Final. Un DPF captura material particulado (PM) en un medio semi-poroso mientras fluye a través del sistema de escape. Los DPFs están disponibles en configuraciones “pasiva” ó “activa”; los DPF activos usan un sistema de control para promover la regeneración del filtro requerida. Un DOC consta de un revestimiento catalítico en un substrato de panal para PM oxidante. Funciona de un modo solamente-pasivo sin regeneración reactiva, y de esta forma es menos eficiente en la reducción de PM que el DPF. El DOC se usa en secuencia con el DPF para hacer subir la temperatura del flujo de escape en presencia de hidrocarburos que nacen del escape. El DPF se regenera—el PM se consume—inyectando hidrocarburos al flujo de escape por delante del DOC.

A pesar que la combinación DPF-DOC puede usarse en asociación con tecnologías que reducen el NOx tales como CEGR y SCR para cumplir con los límites de emisión Tier 4 Final, los diseñadores de los motores también tienen que ocuparse de otros problemas, tales como lidiar con niveles variables de contrapresión de escape mientras el DPF se llena y se regenera; como también con los requerimientos de un control de temperaturas preciso basado en ciclos de trabajo y graduando la frecuencia para regeneración. La vida útil del DPF en su conjunto en aplicaciones fuera-de-carretera también es una variable desconocida por ahora.

Aumento de Tamaño para la Eficiencia del Combustible
Roger Miller, Director de Ventas OEM de Kaydon Filtration, advirtió a los asistentes a la conferencia H&L que los problemas con la confiabilidad de los motores de camiones de extracción podrían extenderse debido  a cambios en el diseño del motor que apuntan a mejorar la eficiencia de combustible y el control de emisiones, junto con una transición a combustible ULSD y una posible falta de atención a las medidas anti-contaminación de los fluidos del motor.

Los posibles problemas, dijo Miller, comienzan en el nivel de especificación del combustible. Algunas especificaciones ASTM de combustible diesel, por ejemplo, no han cambiado desde 1947, y las actuales especificaciones permiten un nivel de sólidos y contaminación de agua que puede tener efectos significativos en la confiabilidad del motor. Miller destacó, como un ejemplo, que una mina de cobre grande en los EEUU que utilice 30 millones de galones de combustible diesel anualmente; con niveles de contenido de agua y contaminación por sólidos permisibles, llegaría a totalizar 125.000 lb de impureza y 30,000 galones de agua alcanzando estanques de combustibles de equipos de la mina cada año.

Además, los combustibles con bajo y ultra-bajo contenido de azufre (LSD y ULSD respectivamente) son más eficientes en el uso de agua que los anteriores, y brindan menos lubricidad debido a la necesidad de refinación extra para eliminar contenido de azufre. Esta reducción en la capacidad de lubricación puede nociva para los inyectores y bombas de alta presión.

Los problemas potenciales aumentan por los cambios en el diseño de motores de muchos caballos de fuerza para cumplir los niveles de emisión de EPA Tier 2 y Tier 4. Estos cambios incluyen sistemas de inyección de combustible de conducto común de alta presión (HPCR) con presiones del inyector y del sistema interno alcanzando 30.000 psi ó más—y requiriendo tolerancias muy estrechas entre los componentes del sistema para mantener estos niveles de presión. El tamaño crítico de partículas que lleva a un mal funcionamiento por contaminación en estos sistemas es generalmente de menos de la mitad (2–3 µm) que en los sistemas que no son HPCR (6-7 µm), y la tolerancia de agua-en-combustible de los sistemas HPCR es cero, según Miller. Apenas una cucharada de suciedad abrasiva en el estanque de combustible puede conducir a una falla del inyector dentro de ocho horas, explicó; y los costos de reemplazo de componentes son altos, y van entre los $35.000 para reemplazar una bomba inyectora de alta presión y los $10.000–$17.000 para un nuevo juego de inyectores, más los considerables costos por tiempo muerto no planificado y pérdida de utilidades.

Aun cuando las compañías petroleras afirman filtrar el combustible de sus refinerías para eliminar la contaminación hasta 2 µm, las oportunidades para volver a contaminarse en la cadena de distribución son muchas, según Miller. Al problema se agregan las malas prácticas de limpieza en faena, y esto puede multiplicarse en gran manera en regiones remotas o en países en vías de desarrollo. Poner toda la confianza en los sistemas integrados de filtrado también puede tener consecuencias negativas. Con el tamaño de los componentes limitado por los requerimientos de espacio en equipos móviles, la capacidad de retención de suciedad y de eliminación de agua de un filtro podría reducirse rápidamente y el filtro podría entrar a modo de derivación. La mayoría de los sistemas de control de combustibles modernos no permitirán que una máquina funcione con filtros tapados.

Como una solución general a estos problemas, Miller recomendó el acondicionamiento del combustible diesel a granel, que él define como “filtración de combustible diesel en una sola pasada a altas velocidades de flujo en fin de entregar  combustible seco y ultra limpio a estanques de almacenamiento en faena y/o, más importante aún, a la flota de equipos que está trabajando.”

Kaydon suministra sistemas de acondicionamiento tanto de aceite como de combustible apropiados para uso en aplicaciones mineras de alto volumen. De acuerdo a su información del producto, el uso de acondicionamiento de combustible a granel en líneas de descarga y transporte de combustible evita tener que eliminar la contaminación de los filtros integrados, resultando en menos incidentes por mantención relacionada a los combustibles y extendiendo el tiempo de operación del vehículo.

Recientemente, dijo Miller, Kaydon ayudó a una faena minera grande en Sudamérica para mejorar su estrategia de acondicionamiento de combustible, con resultados altamente positivos. Luego de implementar una estrategia de dos partes que incluía la instalación de un sistema de acondicionamiento de combustible a granel con una unidad anexa para eliminación de agua, uso estricto de filtros de combustible proporcionaos por el OEM, con estrecho apego a los intervalos de cambio de filtro, y drenaje del estanque de combustible cada 500 horas o tres meses; y protección integrada incluyendo un filtro primario de 10-µm, un filtro secundario de alta eficiencia de 4-µm y extensión integrada, el cliente reportó una drástica caída—desde 96 a 22 durante un periodo de 90 días—en las llamadas para mantención por baja potencia que surgían por filtros de aire o combustibles obstruidos, mientras el tiempo muerto real se reducía de 287 a 30 horas en el mismo periodo. Esto, reportó el cliente, representó 3-1/2 “días de camión” recuperados al mes, o 43 días de camión al año.

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