QUALI SONO LE DIFFERENZE TRA I TURBOCOMPRESSORI PER MOTORI A GAS NATURALE E QUELLI PER MOTORI DIESEL?

Un decennio fa, i turbocompressori per motori a gas naturale e diesel non erano molto diversi. Tuttavia, le nuove normative sulle emissioni hanno promosso lo sviluppo di turbocompressori specificamente progettati per i motori a gas naturale. Questi turbocompressori sono adatti a condizioni di combustione stechiometrica, in cui la miscela di ossigeno e carburante è bilanciata con precisione. Questo equilibrio garantisce una combustione efficiente, senza lasciare carburante incombusto o ossigeno in eccesso.

I turbocompressori sviluppati per i moderni motori a gas naturale hanno componenti unici come una doppia porta wastegate, attuatori più grandi e un alloggiamento in materiale in materiali compositi in grado di resistere alle temperature più elevate richieste da una combustione stechiometrica.

Cummins ha dedicato decenni allo sviluppo di soluzioni innovative per motori diesel e a gas naturale. Questo articolo esplora come le diverse tecnologie dei turbocompressori vengono utilizzate per i veicoli a gas naturale e come si sono evolute per soddisfare le sfide e le esigenze di un settore dei trasporti alla ricerca di soluzioni più sostenibili.

Principali differenze tra turbocompressori per motori a gas naturale e diesel
I turbocompressori per motori a gas naturale si distinguono da quelli utilizzati nei motori diesel a causa delle esigenze specifiche della combustione del gas naturale, come temperature di esercizio più elevate e distinti rapporti aria-carburante. A differenza dei motori diesel, che funzionano con una combustione magra e un rapporto aria-carburante più elevato, i motori a gas naturale richiedono una combustione stechiometrica. Ciò significa che la miscela di ossigeno e carburante è bilanciata con precisione (rapporto aria-carburante 1:1) per una combustione efficiente, garantendo che non rimanga carburante incombusto o ossigeno in eccesso. Di conseguenza, i motori a gas naturale richiedono turbocompressori più piccoli poiché è necessaria meno aria per la combustione stechiometrica rispetto alla combustione più magra nei motori diesel. Ad esempio, un motore diesel potrebbe aver bisogno di un turbo HE500, ma un motore a gas naturale potrebbe utilizzare un HE300 o HE400 a causa del suo minore fabbisogno di aria.

Il raggiungimento di questa combustione efficiente ha portato a modifiche significative in molti componenti del sistema, tra cui l'incorporazione di una doppia porta wastegate per gestire l'elevata capacità di bypass necessaria per i turbocompressori a gas naturale. Questa porta regola il flusso di scarico, controlla la pressione e previene l'over-boost.

Anche le temperature e le pressioni intense dei motori a gas naturale influenzano la progettazione del turbocompressore. Mentre i motori diesel privilegiano l'efficienza del turbocompressore, i motori a gas naturale si concentrano sul raggiungimento della portata massica richiesta e sulla soddisfazione delle esigenze di ricircolo dei gas di scarico (EGR). Di conseguenza, i turbocompressori per motori a gas naturale sono costruiti con materiali ad alta temperatura, in particolare allo stadio della turbina, per resistere alla fatica termica.

Questi turbocompressori richiedono anche alloggiamenti dei cuscinetti raffreddati ad acqua per gestire le temperature elevate, rendendo necessarie tubazioni e collegamenti aggiuntivi per mantenere il flusso del refrigerante.

Materiali dell'alloggiamento: Cummins impiega materiali avanzati nella costruzione del turbocompressore per resistere alle alte temperature della combustione stechiometrica nei motori a gas naturale. Questi materiali includono grafite e acciaio inossidabile per l'alloggiamento della turbina, nonché leghe di qualità superiore come Chrome-Moly, che contiene cromo e molibdeno. Questi materiali consentono ai turbocompressori di sopportare temperature di ingresso della turbina superiori a 760 °C, superando di gran lunga le temperature di esercizio dei turbocompressori dei motori diesel, che in genere rimangono al di sotto degli 700 °C.

Attuatori: I turbocompressori per motori a gas naturale utilizzano attuatori più grandi rispetto a quelli dei motori diesel. Un turbocompressore a gas naturale utilizza un attuatore T4, che è di 4 pollici quadrati, mentre un turbocompressore per motori diesel richiede solo un attuatore T2, un componente da 2 pollici quadrati. Questo aumento delle dimensioni dell'attuatore è essenziale per gestire le maggiori capacità di bypass e le richieste di temperatura dei motori a gas naturale.

Modifiche dai motori diesel: Mentre i motori a gas naturale condividono molti componenti con le loro controparti diesel, sono state apportate modifiche chiave ai turbocompressori per adattarsi all'uso di carburante gassoso. Queste modifiche riguardano le temperature più elevate e le diverse caratteristiche di flusso uniche del gas naturale, garantendo prestazioni e durata ottimali.

L'evoluzione del turbocompressore a gas naturale
Un decennio fa, i turbo a gas naturale e diesel erano quasi identici, ma le severe normative sulle emissioni come gli standard Euro 6 ed EPA hanno portato a cambiamenti significativi, incluso il passaggio alla combustione stechiometrica, che ha aumentato le temperature di esercizio e creato la necessità di nuove configurazioni del turbocompressore.

Passando alla combustione stechiometrica, Cummins è stata in grado di ridurre la necessità di sistemi di post-trattamento come i catalizzatori di ossidazione diesel (DOC) o i sistemi di riduzione catalitica selettiva (SCR), che alla fine hanno abbassato il costo dei motori e dei turbo.

In qualità di leader nell'innovazione e nella tecnologia dei turbocompressori, Cummins si impegna a collaborare con i clienti per fornire le soluzioni giuste per le loro applicazioni. Poiché il gas naturale è un attore fondamentale nella decarbonizzazione del trasporto commerciale, Cummins continua a ottimizzare la progettazione dei motori a gas naturale, a migliorare l'economia dei sistemi motore rispettando al contempo rigorosi standard sulle emissioni e a rendere il gas naturale un'alternativa competitiva al diesel in molte applicazioni.