Tecnologías para cumplir con las leyes ambientales

Las normativas de emisiones de gases contaminantes son cada vez más estrictas en todo el mundo. Esto obligó a desarrollar el ingenio. Y la ingeniería.

Debido a las rigurosas normas de contaminación para el cuidado del medio ambiente los fabricantes de motores se encontraron necesitados a aplicar nuevas tecnologías que le posibiliten adaptar los motores a las últimas legislaciones.

Hace varios años todo diseño de un motor se desarrolla pensando en bajar los niveles de emisiones contaminantes. Los motores de combustión interna utilizan una mezcla de aire y combustible (HC) para funcionar, liberando en la salida del tubo de escape, contaminantes a la atmosfera.

Los motores modernos son más potentes, pero también más eficientes que nunca.

Se trabaja entonces en:

  • Disminuir el consumo de combustible.
  • Disminuir, el consumo de aceite.
  • El tratamiento de los gases de escape.
  • El tratamiento de los vapores emitidos por el cárter y por el depósito de combustible.
  • Utilización de combustibles con bajo contenido de azufre (10ppm).

Podemos observar la tendencia de los distintos fabricantes a reducir la cilindrada de los motores, manteniendo la potencia e incluso incrementándola, el conocido Downsizing.

Evoluciones tecnológicas observables en los motores modernos logran: El aumento del par motor incluso con la utilización de menor cilindrada, sea por reducir el número de cilindros o el calibre de estos, y mayor aprovechamiento del combustible utilizado.

Algunos recursos utilizados.

Compresores y Turbocompresores.

La utilización de motores que aspiran por sus propios medios nos limita el llenado del cilindro a un 80% u 85% máximo.

Se puede mejorar el llenado del cilindro con el aporte que nos brinda un compresor conectado al eje cigüeñal, un turbocompresor o más de uno, impulsado por los gases de escape o ambas opciones en el mismo motor. Con este beneficio se logran rendimientos volumétricos del orden del 120%, mayor par motor y más constante, condiciones que nos proporciona una zona de régimen de trabajo más amplia y el incremento de la potencia.

Para un mejor aprovechamiento se recurre al enfriado de los gases comprimidos, mediante un intercambiador de calor, aumentando la densidad del aire que ingresa al cilindro.

Evolución de órganos internos y mejoras en el funcionamiento.

  • Tendencia al uso de aleaciones más livianas en el block motor y en la culata, disminuyendo el peso del motor.
  • Pistones con faldas más cortas y recubrimiento para disminuir la fricción y su peso. Forma y dimensiones que permiten completar la combustión de los HC.
  • Aros de pistón de menor espesor y menor tensión radial que disminuye la fricción con las paredes del cilindro de acabado especulo en algunos de estos motores.
  • Forma de conductos y cabeza de pistón que ayudan a homogenizar la mezcla y aceleran la combustión.
  • Reglajes de distribución variables o sistemas que permiten modificar el momento de apertura y cierre de válvulas.
  • Ejes de árbol de levas más livianos, huecos y con perfiles más angostos en el círculo base.
  • Perfiles de leva diseñados para permitirnos la utilización de resortes con menos carga y de diseño cónico que reduce el peso de inercia del sistema.
  • Balancines levanta válvulas que incorporan rodillo o botadores con recubrimiento DLC (Diamond Like Carbon) que reducen fricción y desgaste.
  • Cadenas de distribución silenciosas y de baja fricción.
  • Cojinetes con recubrimientos especiales (sputters) que soportan mayor presión permitiendo reducir su ancho y diámetro, otorgando menos pérdidas mecánicas.
  • Aumentos de la relación de compresión volumétrica y de las temperaturas de trabajo.

El enorme aporte que brinda la electrónica y la utilización de una unidad de control con lazo cerrado (mediante sonda de oxígeno) que logra optimizar la relación de aire combustible cercanas a la estequiométrica (mezcla química que contiene aproximadamente 20% de oxígeno, cantidad exacta de cada sustancia para poder obtener una reacción perfecta), reduciendo así el consumo y las emisiones.

Sistemas de alimentación de combustible.

  • Sistemas de alimentación de combustible inyectado directamente en el cilindro con alta presión y gotas muy pequeñas que optimizan la combustión, reduciendo la contaminación tanto en motores a gasolina como en los que utilizan combustibles Diesel.
  • Inyecciones Múltiples desfasadas que reducen el ruido del motor y los contaminantes en la salida del escape, sobre todo en los arranques en frío.
  • Estrategias de pre y pos calentamiento que reducen las emisiones de los motores Diesel en la etapa de motor frío.

Lubricación.

  • Utilización nuevas tecnologías en los lubricantes “Fuel Economy” diseñados para motores de última generación que cumplen con normas EuroIV/V/VI, aptos para sistemas de escape con DPF/FAP (filtro de partículas) y SCR (catalizador de reducción selectiva).
  • Bomba de aceite de caudal variable controladas de acuerdo a las necesidades del motor, a distintos regímenes y temperaturas, reduciendo así las pérdidas generadas y las emisiones (-1%CO2).

Emisión del escape

El proceso de combustión obtenido de la mezcla de aire y combustible deja en la salida del escape una cantidad de gases nocivos a la salud y el medio ambiente. Estos combustibles formados primordialmente por hidrocarburos (HC) además de aditivos, fosforo, azufre y plomo.

De una combustión completa (teórica) se obtiene agua y dióxido de carbono. Se comprueba a través del análisis que la combustión obtenida en cualquier motor es incompleta y en consecuencia los gases liberados a la atmosfera sin ningún tratamiento serían:

HC (Hidrocarburos no quemados) Parte del combustible que no reaccionó químicamente al proceso de la combustión. Permanecen en la cámara de combustión y son expulsados en la carrera de escape.

Estos hidrocarburos causan problemas respiratorios en las personas, daños al hígado y cáncer si se respira. En ciertas condiciones, combinados con moléculas del aire producen Smog. Pueden disminuirse, impidiendo el ingreso de mezclas ricas al motor y logrando acortar el tiempo que se tarda en alcanzar la temperatura de funcionamiento. Así, obtener una buena vaporización del combustible que mejore su quemado. El uso de un convertidor catalítico sirve para la oxidación de estas moléculas, transformándolas en dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).

CO (Monóxido de Carbono).Se forma cuando en una combustión no hay suficiente oxígeno para la formación de dióxido de carbono (CO2). El CO, sub producto no deseado de una combustión, es un gas mortal que es absorbido por el torrente sanguíneo y no permite oxigenar la sangre. Aspirarlo por tiempo prolongado puede causar la muerte.

Para disminuir su aparición se debe proporcionar más aire a la combustión, también el convertidor catalítico puede reducirlo al oxidarlo y transformarlo en CO2. Relaciones aire/combustible correctas disminuye las emisiones.

CO2 (Dióxido de Carbono).No es toxico en sí mismo, pero desplaza el oxígeno del aire. Es el derivado de cualquier tipo de combustión o de respiración.

NOx (Óxido Nitroso).El aire que respiramos contiene nitrógeno (N2) y oxigeno (O2). En ciertas condiciones de combustión, altas temperaturas (mayores a 2000°C) y alta presión (superior a 50Kg/cm2), parte de este nitrógeno se combina químicamente con el oxígeno del aire. En estas condiciones se producen varios tipos de óxidos de nitrógeno (agrupados como NOx). Estos NOx combinados con el agua forman ácido nítrico en el aire, dando a la lluvia un contenido ácido (lluvia acida) que daña plantas, mata los peces y contamina su alimento. Para reducir su formación se deben reducir las temperaturas de combustión, algunos utilizan convertidores catalíticos de tres salidas.

MP (Material Particulado, hollín). Micro partículas sólidas de carbón emitidas principalmente en motores Diesel, se incrustan en los pulmones y es muy difícil eliminarlas. Son causantes de asma y otros problemas respiratorios.

H2O (Agua) No causa ningún inconveniente.
Para reducir los niveles de emisiones de los vehículos, existen varios marcos de legislación. Los más significativos son los europeos y estadounidense. Estos estándares de la regulación de emisiones son prácticamente a nivel global.

Tratamiento de los gases de escape

Utilizado en vehículos de nafteros, logra una combinación de los CO y los HC convirtiéndolos en CO2, también reduce los NOx, que en los motores a gasolina son inferiores que en el Diesel. Aproximadamente el 90% de los HC, CO, NOX serán recombinados a dióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2) y Agua (H2O).

Para un buen funcionamiento de este catalizador, la combustión debe realizarse con relaciones aire/combustible cercanas a la estequiométrica (14,7 de aire por 1 de combustible) y requiere de temperaturas de trabajo entre los 400 y 800°C. Para lograr esas temperaturas rápidamente, se instaló el catalizador muy cerca del múltiple de escape, se retrasa el encendido y se aprovecha la posibilidad que brindan los motores con distribución variable de adelantar la apertura de la válvula de escape, acortando el tiempo para alcanzar estas temperaturas de trabajo.

Válvula EGR (Exhaust Gas Recirculation).

Permite recircular cierto porcentaje de los gases de escape en la admisión. Esta recirculación reduce el ingreso de aire “fresco y limpio” y también completa la combustión de algunos gases no quemados. De esta manera se logra bajar la temperatura de combustión y reducir los óxidos de nitrógeno (NOx). Si bien es utilizada desde la década del 70, su aplicación fue evolucionando para adaptarse a las normas cada vez más restrictivas. Su funcionamiento tiene en cuenta la temperatura del motor, la carga y el régimen.

Las primeras funcionaban mediante un pulmón activado por el vacío proveniente de una bomba depresora. El paso de ese vacío era controlado por la UC (unidad de control) mediante una electroválvula.

En los motores Diesel se hace recircular un porcentaje de gases de escape del orden de los 20 al 40%, en momentos en los que sobra aire en la combustión.

Esta válvula funciona en régimen de ralentí y cargas parciales. Cuando esta trabaja, la reducción de calor producida por la combustión resta potencia del motor. En momentos de aceleraciones bruscas o a plena carga esta debe desconectarse, así se evitara una combustión con humos negros, hollín y partículas y se dispondrá de toda la potencia que pueda erogar el motor.

Para poder monitorear su funcionamiento, algunas incorporan un sensor de posición EVP (potenciómetro ubicado en su vástago) que le informa a la UC su posición.

También en motores con sensor MAF (sensor de flujo de aire) la UC reconoce el funcionamiento de la misma por la disminución en el ingreso de caudal de aire. Otras son de tipo eléctricas accionadas por motor de CC (corriente continua) o motor paso a paso integrando en las mismas un sensor de posición que informa a la UC su respuesta.

Hoy para bajar aún más la temperatura de combustión de los gases de escape recirculados, son enfriados previamente con un intercambiador que utiliza el refrigerante del propio motor. En ciertos motores no se activa la EGR hasta que no se alcance una temperatura del orden de los 60°C del motor.

IMAGEN 2: DPF/FAP (Filtro de partículas para motores Diesel).

Se encarga de retener y eliminar las partículas sólidas de carbón generadas en la combustión de motores Diesel y ya es utilizado en motores a nafta.

Este elemento anti contaminación en ciertas condiciones de uso se colma de partículas y requiere de una “regeneración” de tipo automática o inducida manualmente. Este proceso permite reducir o incinerar las partículas alojadas en el filtro, evitando que este se obstruya reduciendo su efectividad y las prestaciones del motor.

Pos tratamiento de gases de escape.

Se realiza mediante la inyección de (DEF) pequeñas cantidades de fluido (mezcla de agua destilada y Urea sintética al 32,5%) en los gases de escape de los motores Diesel, estos gases pasando por un convertidor catalítico selectivo (SCR) permite una reducción considerable del NOx emitido a la salida del escape.

Este fluido al vaporizarse se descompone en amoniaco (NH3) y dióxido de carbono (CO2). Es el amoniaco en conjunto con el convertidor SCR quien transforma los óxidos nitrosos (NOx) en nitrógeno (N2) y agua.

Esta mezcla acuosa es la que se comercializa con el nombre de adBlue, Azul 32, Arnox32, etc.

Líquido no inflamable, ni explosivo, tampoco es considerado material peligroso pero, si altamente corrosivo.

Para lograr el objetivo de reducción, la temperatura mínima del SCR debe ser de 200°C, una unidad de control es quien determina el momento y la cantidad de fluido inyectado. Este sistema requiere periódicamente de un proceso de “desulfurificación” que mantendrá efectivo el catalizador de reducción selectiva.

Por Cristian Bacre

Profesor del Instituto Tecnológico de Capacitación Automotriz (ITCA) / prof.cbacre@itca.com.ar / www.ITCA.com.ar / Consultas por cursos de mecánica y electrónica automotriz al: 0810-220-4822