En febrero pasado, el presidente de Caterpillar, Stu Levenick, puso en perspectiva las inminentes restricciones de contaminación de nivel 4 de la EPA.Dijo que habían hecho que su compañía asumiera “la iniciativa de desarrollo de productos más agresiva y costosa en la historia de Caterpillar”.Esto viene de la firma que innovó el tractor de orugas.Las modificaciones realizadas a los motores diésel desde que se aplicaron las restricciones de emisiones en 1996 rivalizan con cualquier avance realizado en maquinaria desde la introducción de Rudolph Diesel de un motor de encendido por compresión en 1892. "Deere & Company gasta alrededor de $2,5 millones al día en investigación y desarrollo", dice Steve Meinzen de esa firma“En los últimos años, una parte significativa de esa enorme inversión se ha destinado al desarrollo de motores provisionales Tier 4”.La recompensa ambiental es impresionante.Según estimaciones de la EPA, las modificaciones realizadas al diesel hasta la fecha han reducido el smog de óxido nitroso (NOx) en 1 millón de toneladas por año.Eso es el equivalente a sacar 35 millones de autos de la carretera.Este es solo el comienzo.Ven enero de 2011, diesel de 175 hp.y más grandes deben cumplir con los nuevos estándares provisionales Tier 4.Cuando se complete el nivel final Tier 4 en 2015, todos los motores diésel, independientemente de la potencia, deberán expulsar un 90 % menos de NOx y un 90 % menos de partículas (PM).Esto desafía a los ingenieros como nunca antes.En su caminata por la cuerda floja entre las plataformas Tier 3 y Tier 4, los diseñadores tienen un delicado acto de equilibrio entre NOx y PM.Ahí es donde entran en juego los últimos tratamientos de postcombustión ahora instalados en los diésel.Una ruta utilizada para cumplir con los estándares provisionales Tier 4 emplea la recirculación de gases de escape (EGR) para controlar el NOx.Este enfoque todavía produce niveles inaceptables (por niveles intermedios de Nivel 4) de PM.Pero ese hollín (combustible no quemado) se captura y se quema en un filtro catalítico que forma parte del sistema de escape del motor.Una tecnología alternativa que cumple con las reglas finales del Nivel 4 es la reducción catalítica selectiva (SCR).Este enfoque inyecta líquido de escape diésel (DEF) en el flujo de escape del motor para neutralizar el exceso de NOx.La producción de PM se reduce drásticamente ajustando el motor para que queme completamente el combustible.Los agricultores literalmente podrán respirar más tranquilos gracias a estos avances, pero a un costo.Solo Caterpillar ha estimado su precio para cumplir con el Nivel 4, calculando que agregará un 12 % a los costos del motor durante los próximos tres años.Otros fabricantes insinúan aumentos de precios para máquinas completas en el rango del 3% al 5%.Sin embargo, hay una recompensa por este costo adicional.Los motores de combustión más limpia son más eficientes;beben entre un 15 % y un 20 % menos de combustible que las centrales eléctricas anteriores al nivel construidas hace 12 años.Cada año se establecen nuevos récords de eficiencia en la prueba de tractores de Nebraska.La última marca superada es de 20 CV.horas por galón.Un Massey Ferguson 8680 superó esa producción el año pasado.De hecho, los motores diesel de hoy producen niveles de torsión que no eran posibles hace una década y aumentan su potencia en una fracción de segundo.No hay una función en los motores diésel actuales que no esté regulada por la unidad de control electrónico (ECU).También llamadas control electrónico del motor (EEC) o módulo de control electrónico (ECM), estas cajas cerebrales regulan constantemente todos los aspectos del rendimiento del motor, como las presiones y la sincronización de la inyección, el funcionamiento del turbocompresor, la temperatura de la cámara de combustión, los niveles de óxido nitroso (NOx) o partículas. (PM), e incluso la sincronización del motor.Este avance ha hecho posible que los motores quemen menos combustible y expulsen menos contaminantes, al mismo tiempo que los estimula para generar curvas de par sorprendentemente altas y largas.Un nuevo léxico de términos ha entrado en uso con los motores diesel de hoy.La necesidad de repartir con precisión y luego atomizar completamente el combustible ha inspirado avances tecnológicos en los sistemas de combustible.Esto los hace capaces de operar a presiones ultra altas y entregar múltiples ráfagas de combustible en fracciones de segundo.El avance que hace que todo esto sea posible es el sistema de riel común de alta presión (HPCR).En los motores grandes se ha ido la bomba de inyección temporizada.Su reemplazo es una bomba controlada por computadora que funciona a presiones en el rango de 20,000 a 33,000 psi (según el tamaño y la marca del motor) independientemente de las rpm del motor.Este combustible a alta presión se envía a un riel, que es, en términos más simples, un tubo colocado a lo largo del colector de admisión.Ese conducto actúa como un depósito que comúnmente suministra combustible a todos los inyectores a través de líneas de alimentación.Mientras que otros sistemas de inyección directa diésel tienen que aumentar la presión de combustible de nuevo para cada ciclo de inyección, HPCR proporciona constantemente presiones que se adaptan a las condiciones operativas reales del motor en cada segundo, incluso cuando funciona a bajas velocidades del motor.El efecto neto es que cada inyector recibe instantáneamente todo el combustible que necesita.Y las presiones operativas más altas en el riel permiten que el combustible inyectado se vaporice más completamente en la cámara de combustión.Pero el acto de cuerda floja de HPCR no termina ahí.Los inyectores de combustible ahora también se controlan electrónicamente.Esto permite que sus boquillas se abran y cierren numerosas veces en una fracción de segundo.Por lo tanto, el combustible se puede inyectar antes de la combustión (llamada inyección piloto), lo que elimina el golpeteo del diesel para un funcionamiento más silencioso del motor, incluso en climas fríos.A esta inyección piloto le siguen varias secuencias de inyección principales que son ideales para desarrollar la potencia que se adapte a las condiciones de funcionamiento.Una tercera y última secuencia de inyección trabaja para quemar las partículas de hollín, reduciendo así las emisiones.Incluso el diseño de las boquillas de los inyectores ha cambiado.Los orificios en las puntas de las boquillas están perforados en varios ángulos para adaptarse al tamaño y la configuración de la cámara de combustión.Esto ayuda a mezclar completamente el combustible con el aire entrante antes de la combustión.El resultado final de todos estos avances es que el combustible se quema más a fondo, lo que genera energía exacta según la demanda.En un futuro próximo, es posible que también vea inyectores piezoeléctricos en uso en motores diésel.Su material cerámico cambia a la velocidad del rayo tan pronto como se aplica un voltaje eléctrico.Esto altera la forma de los cristales que, a su vez, activan mecánicamente la apertura de la aguja de la boquilla de inyección.La ventaja de este enfoque es que los inyectores se pueden controlar hasta cinco veces más rápido que los inyectores magnéticos más modernos.Un enfoque para equilibrar el yin y el yang de las emisiones Tier 4 (NOx y PM) ha inspirado a algunos ingenieros a recircular los gases de escape a la cámara de combustión del motor.Conocido como recirculación de gases de escape (EGR), este método ha demostrado su eficacia para reducir los niveles de NOx.Mientras tanto, el PM se captura y se quema en un sistema de filtro de escape especializado.Así es como funciona la EGR.Un porcentaje de los gases de escape (del 20 % al 30 % en los motores Interim Tier 4) se desvía del colector de escape y se canaliza a través de un enfriador en el costado del motor (que se muestra en el extremo derecho).Este enfriador reduce la temperatura de los gases de escape, que se canaliza de regreso al colector de admisión.Una válvula de control mide la cantidad de gas de escape enfriado que se mezcla con el aire fresco entrante.Los gases de escape enfriados tienen una mayor capacidad calorífica y contienen menos oxígeno que el aire fresco.Esto reduce el contenido de oxígeno natural en el aire enviado a los cilindros, lo que también reduce las temperaturas de combustión y, posteriormente, reduce la producción de NOx durante la quema de aire y combustible.Pero la EGR refrigerada, en uso en motores todoterreno Caterpillar, Cummins, Deutz, John Deere, Komatsu y Perkins Tier 4, produce niveles inaceptables de PM.Para eliminar PM, los fabricantes emplean variaciones de un sistema de filtrado.A menudo, estos filtros tienen dos etapas.La primera etapa (que se muestra arriba) presenta un catalizador de oxidación diésel (DOC) que tiene una estructura de panal llamada sustrato o soporte del catalizador.No hay partes móviles en el DOC, solo grandes cantidades de área de superficie interior.Esta área en el DOC está cubierta con metales catalíticos.Cuando las partículas del escape entran en contacto con estos metales, se produce una reacción catalítica (química) que oxida las partículas.Aguas abajo del DOC reside el filtro de partículas diésel (DPF).Su trabajo es limpiar las PM sobrantes.El DPF fuerza los gases de escape a través de las paredes porosas del canal que atrapan las partículas restantes.La PM atrapada luego se oxida (se quema) a través de un proceso de autoactivación llamado regeneración pasiva, que utiliza el calor de escape.Cuando los niveles de PM no se pueden controlar solo con el calor del escape (como cuando un diésel permanece inactivo gran parte del tiempo), entonces el DPF requiere una regeneración activa.Y eso se logra inyectando combustible en la cámara, que se quema instantáneamente aumentando las temperaturas y oxidando el PM.“En las pruebas de campo, se necesitó poca regeneración activa.El ralentí excesivo del motor puede requerir una pequeña cantidad de inyección de combustible diésel”, explica Steve Meinzen de John Deere.“El sistema DOC-DPF debe operar sin taponarse durante la vida normal del vehículo con el uso de combustibles y lubricantes correctos.Una vez más, el ralentí excesivo puede conducir a una limpieza más activa del filtro, por lo que instamos a los clientes a no dejar que un motor se caliente o se enfríe durante más de cinco minutos”, dice Meinzen.“Los lubricantes son mucho mejores ahora, por lo que ya no son necesarios tiempos excesivos de calentamiento y enfriamiento”.La creciente dependencia del aire presurizado para mejorar la combustión y reducir las emisiones ha empujado los límites de rendimiento del turbocargador común.Esto motivó a los ingenieros a crear una nueva generación de diseños de turbo que tienen la capacidad de suministrar aire bajo demanda para una variedad más amplia de condiciones de funcionamiento.Este es ciertamente el caso con el turbo de válvula de descarga moderno.Este concepto emplea una válvula que permanece cerrada cuando el motor está funcionando a bajas revoluciones.Esto permite que el turbo entregue una capacidad total de aire comprimido a bajas velocidades.A medida que el motor acelera hasta las velocidades de funcionamiento, la válvula de descarga se abre para liberar energía de escape adicional.Esto, a su vez, regula las velocidades de funcionamiento del turbocompresor.La diferencia entre los turbos de válvula de descarga de la década de 1990 (el concepto fue introducido por primera vez por Case IH en 1992) y los que se usan hoy en día es que la válvula de descarga está regulada con precisión por la unidad de control electrónico (ECU) del motor.Esto ha reducido las emisiones a bajas velocidades del motor, mientras que produce más potencia bajo demanda a mayores revoluciones.Otro enfoque para variar el aire cargado se puede ver en el turbocompresor de geometría variable (VGT).El VGT varía el aire según las condiciones de funcionamiento y los ajustes del acelerador mediante el uso de paletas.Estas paletas, que regulan el flujo de escape contra las palas de la turbina del turbo, se ajustan infinitamente de abierto a cerrado según lo determine la unidad de control electrónico del motor.Cerrar las paletas (que se muestra arriba a la derecha) acelera el flujo de gas de escape que pasa por las paletas de la turbina para que giren más rápido a velocidades más bajas del motor.Esto mejora la eficiencia del turbocompresor porque permite que la presión de sobrealimentación aumente más rápido que un turbocompresor convencional cuando se acelera el motor.El resultado es una reducción de las emisiones de partículas de la combustión pobre a bajas revoluciones del motor.A mayores rpm y niveles de potencia, las paletas se abren.Esto reduce el ángulo del flujo de escape contra las turbinas reduciendo la presión del aire cargado en la cámara de combustión.En funcionamiento, un VGT proporciona un par más alto a bajas velocidades del motor, una aceleración más rápida, una respuesta más rápida a cargas variables (como pasar por lugares difíciles en el campo), una economía de combustible mejorada y un par máximo aumentado para ayudar a mantener las velocidades establecidas.Se puede encontrar una versión única del VGT en el Cummins Holset turbo, que emplea una boquilla deslizante.Con este VGT, las paletas no pivotan;se deslizan axialmente para variar la presión del turbocargador.Los motores PowerTech PSX de Deere (que se muestran en la siguiente ilustración) emplean una serie de turbocompresores.Primero, el aire fresco ingresa a un turbocompresor de baja presión (un diseño de turbina fija) donde se aumenta la presión del aire.Este aire presurizado luego se introduce en un VGT de alta presión donde la presión de entrada de aire aumenta aún más.Este aire se dirige a un enfriador de aire cargado donde se baja su temperatura.Ese aire enfriado luego se canaliza al colector de admisión.Al dividir la compresión del aire cargado entre dos turbocompresores, ambos pueden funcionar con la máxima eficiencia mientras el motor funciona a velocidades más bajas.Este diseño ofrece una mayor densidad de potencia y un mejor par a baja velocidad.En la ilustración de la izquierda se puede ver otra variación del uso de turbos gemelos.Se utiliza en modelos de tractores con tracción en las cuatro ruedas de mayor potencia fabricados por los motores diesel Modelo DD15 de Case IH, New Holland y Detroit Diesel.Con el turbocompuesto (una versión de este avance se usó por primera vez en los aviones de combate de la Segunda Guerra Mundial), los gases de escape se reciclan a través de una segunda turbina ubicada aguas abajo del turbocompresor principal.Los gases de escape hacen girar el segundo turbo, recuperando así la energía de escape latente.El segundo turbocompresor convierte literalmente esta energía en potencia adicional, ya que está acoplado hidrodinámicamente a los engranajes impulsores del motor.En el caso de los tractores Case IH y New Holland, el segundo turbo genera un par motor adicional y aumenta la eficiencia del combustible hasta en un 3 %.El impulso para quemar completamente el combustible ha alterado la configuración incluso de los pistones básicos y ha adornado la cámara de combustión del motor con un par de válvulas adicionales.El concepto de una taza de pistón se vio por primera vez en el motor Perkins Quadram de 1990.Ese concepto ha florecido en los últimos años para incluir una variedad de lóbulos o hendiduras circulares completas en forma de lágrima con un punto central (mostrado a la derecha).El propósito de esta depresión es mezclar completamente el combustible y el aire mientras ambos giran sobre la hendidura del pistón.Esta turbulencia, a su vez, también permite que la combustión tenga lugar en todo el volumen del cilindro y en un tiempo más corto.La función proporciona una combustión rápida y completa que elimina los puntos calientes de combustión en la cámara.Para impulsar la turbulencia de forma similar a un tornado, los ingenieros han agregado una segunda válvula de admisión a la cámara de combustión.Esto permite que se carguen mayores volúmenes de aire en la cámara mientras ayuda a hacer girar la mezcla de aire y combustible que se inyecta en el cilindro.La expulsión del combustible quemado se ve facilitada en gran medida por una segunda válvula de escape.La colocación de la boquilla del inyector en el centro del techo de la cámara de combustión y entre las válvulas de admisión y escape ayuda en la acción de mezcla mientras proporciona cargas de compresión del pistón más uniformes.¿El resultado?Las emisiones de arranque en frío se han reducido en un 50 %, mientras que la eficiencia del combustible aumentó un 25 % y más.En lugar de controlar las partículas con filtración, los motores que emplean reducción catalítica selectiva (SCR) se ajustan para funcionar a temperaturas de combustión más altas.Esto produce un fuego más caliente y limpio que prácticamente elimina las emisiones de PM.Pero estas temperaturas de combustión más altas generan niveles inaceptables de NOx.Entonces, los ingenieros recurrieron a un tratamiento de poscombustión para neutralizar los NOx.Una mezcla de 32% de urea y 68% de agua desionizada llamada líquido de escape diésel (DEF) se inyecta en una cámara de catalizador.Pero la urea primero debe convertirse en amoníaco.Esta transformación ocurre instantáneamente en el reactor de descomposición (o cámara catalítica) gracias a las temperaturas de escape.Después de que la urea se convierte en amoníaco, se arremolina en la cámara con el escape del motor.El amoníaco se apodera de las moléculas de NOx y las descompone en nitrógeno, dióxido de carbono y agua.Los componentes en funcionamiento incluyen un tanque para almacenar el DEF (que varía en tamaño de 5 a 10 galones), una unidad de control electrónico y una cámara de catalizador.Esta cámara se parece al escape de un tractor en el caso de los tractores de alta potencia de AGCO (motores SISU).O bien, es un cilindro separado ubicado al costado del motor, como en las máquinas Case IH y New Holland de alta potencia (motores Fiat Powertrain Technologies).El filtro SCR de dos etapas que se ilustra arriba, que presenta dos tipos de canales de filtrado (que se muestran a la derecha), se usa en muchos motores diésel de carretera.Algunos motores SCR también prevén la eliminación de cualquier PM restante y la reducción inicial de NOx utilizando una pequeña cámara de catalizador de oxidación diésel (DOC).Todas las camionetas y camionetas de carretera (excepto Navistar y Mack) pasaron a sistemas SCR de este tipo hace tres años.Un motor SCR debe recibir DEF aproximadamente 1 galón por cada 25 galones de diesel consumido.El costo del DEF es generalmente el mismo que el diésel.“Con la gran mayoría de los motores diésel de carretera que ya utilizan SCR, la disponibilidad de DEF es amplia”, dice Jason Hoult de AGCO.Tanto los distribuidores de AGCO como los de Case IH tendrán DEF en existencia.“Y el DEF ya se vende en muchas gasolineras y cooperativas agrícolas”, dice Leo Bose de Case IH.El uso de DEF plantea algunos desafíos.El líquido, si se almacena adecuadamente, dura unos 36 meses.Pero puede degradarse si se expone a temperaturas superiores a 90 °F.Y el DEF se congelará a 12 °F.Un motor en funcionamiento calienta el tanque DEF (que se encuentra junto al motor) a tiempo para cumplir con las normas de la EPA (el sistema debe funcionar 30 minutos después de que arranque el motor).Los fabricantes han equipado sus motores con sistemas de calefacción para descongelar el DEF, si es necesario.Las restricciones de la EPA para los motores diésel todoterreno no terminan con la fase intermedia Tier 4 que los fabricantes se han estado esforzando por cumplir.Para 2015, todos los diésel deben cumplir con Tier 4 final.“Si bien cumplir con el nivel 4 interino representa una mezcla del uso de SCR y EGR en diferentes tamaños de motor, generalmente se espera que el nivel 4 final resulte en una adopción universal de los sistemas EGR-SCR combinados”, dice Dawn Geske de Diesel Progress (www.dieselprogress .com).¿El siguiente paso en la ruta Tier?Reducir los gases de efecto invernadero a los que se dirigen los niveles 5, 6, 7 y 8. “Pero no espero ver tantos cambios radicales en los motores diésel todoterreno más allá de 2015 en comparación con la década pasada”, dice Leo Bose. de Case IH© 2022 Corporación Meredith.Reservados todos los derechos.Todo https://www.barchart.com/solutions/ es proporcionado por Barchart Solutions.Futuros: al menos 10 minutos de retraso.La información se proporciona "tal cual" y únicamente con fines informativos, no con fines comerciales ni de asesoramiento.Para ver todos los retrasos en los intercambios y los términos de uso, consulte https://www.barchart.com/solutions/terms.