NOX y CO2

Actualmente los fabricantes de automóviles están indecisos sobre los tipos de motores que han de impulsar a sus modelos. Hay muchos factores que generan incertidumbre, a lo que se unen las noticias de contaminación superior a la permitida por algunas marcas (grupo VAG), además de que todas en utilización real superan con creces los valores de homologación vigentes hasta ahora, en consumo y contaminación.

En este periodo de espera en el que van a entrar en vigor homologaciones más realistas, se están incorporando habitualmente mandos en el automóvil que permiten seleccionar las prestaciones del motor (y más sistemas como suspensión, dirección, cambio automático,…). Si la nueva homologación se hace en la posición más económica y el conductor utiliza otras posiciones más prestacionales en uso real estaremos más o menos igual, pues los coches podrán contaminar más legalmente.

Tras esta introducción vamos a tratar de aclarar lo relacionado con dos gases emitidos por el escape muy en boga actualmente, los óxidos de nitrógeno NOX y el dióxido de carbono CO2, pero para situarlos debidamente se comienza enumerando todos los gases contaminantes, menos los óxidos de azufre cuya emisión se reduce principalmente disminuyendo el azufre de los combustibles.

No se contemplan en este artículo las tecnologías híbridas, pila de combustible de hidrógeno, motor térmico de hidrógeno, o eléctrico, para tener información sobre estas se ofrecen al final enlaces a otros artículos del blog.

Combustión; aire, combustible y gases contaminantes

Al funcionar el motor del automóvil se mezcla aire del exterior con combustible del depósito provocando la combustión o explosión que genera la fuerza motriz (par motor) que desplaza el automóvil.

El aire se compone principalmente de nitrógeno NX (71%) y oxígeno OX (21%), y el combustible de diferentes cantidades de carbono CR e hidrógeno HG. Las combustiones o explosiones en los cilindros del motor producen reacciones químicas entre los componentes del aire y del combustible, saliendo por el escape una serie de gases, algunos nocivos para la salud, son estos;

    • CO monóxido de carbono, es contaminante directo; enfermedades cardíacas,…
    • HC hidrocarburos no quemados, son contaminantes directos; sistema respiratorio, cáncer,…
    • NOX óxidos de nitrógeno, son contaminantes directos; irritación de los ojos, sistema respiratorio, riesgo de infecciones,… Se generan cuando sobra oxígeno en la cámara de combustión y reacciona con el nitrógeno del aire por la alta temperatura, esta reacción no se produce a temperaturas inferiores.
    • MPC micropartículas, son contaminantes directos; problemas respiratorios, potencian alergias, cáncer,…
    • CO2 dióxido de carbono, no es contaminante directo; es el gas que contienen las bebidas carbónicas, su efecto es potenciar el calentamiento global del planeta. Su emisión es proporcional al consumo de combustible.

La mezcla es homogénea en el motor de gasolina, cada gota de combustible está rodeada de aire y la explosión se inicia por la chispa en la bujía.

En el motor diésel la mezcla es estratificada, el gasóleo incide sobre el aire muy caliente en gotas muy finas, y se van quemando al entrar en contacto con el aire, el proceso es más lento por eso se denomina combustión.

Relación entre el dosado y los gases contaminantes

La proporción de aire que entra al motor es el dosado, se mide por unas cifras que indican los gramos de aire por cada gramo de combustible.

Si se comparan dos dosados, por ejemplo 12 y 18, es más “rico” el primero (12) pues tiene más proporción de combustible (menos aire) que el segundo (18), y este es más “pobre” al contar con más proporción de aire (menos combustible).

El dosado estequiométrico es 15 (en realidad 14,57), es cuando la explosión en el motor de gasolina es más equilibrada. Estos son los dosados más característicos;

    • 12 (gramos de aire por 1 gramo de gasolina); es una mezcla “rica” y la mayor proporción de combustible hace que aumenten HC, CO, CO2 y consumo de combustible (es proporcional al CO2), disminuyendo NOX (no sobra oxígeno). Este dosado ofrece la máxima potencia en motores de gasolina y es excesivamente “rico” en los diésel.
    • 15; es el dosado más equilibrado para el motor de gasolina. La emisión de contaminantes HC, CO y NOX es media así como el consumo y CO2. Es el dosado característico de los motores de gasolina y equivale al valor 1 de la sonda lambda o de oxígeno para proteger al catalizador de tres vías o funciones. Los motores diésel recurren a este dosado exclusivamente en arranque en frío a baja temperatura, pues es demasiado “rico” para el funcionamiento en caliente.
    • 18; aumenta la proporción de aire, lo que hace disminuir HC, CO, CO2 y consumo, incrementándose NOX pues se generan al reaccionar el oxígeno sobrante con el nitrógeno por las elevadas temperaturas. Puede ser adecuado este dosado en determinadas situaciones de uso del motor de gasolina con reducidas demandas de prestaciones. Es “rico” para el motor diésel, excepto en situaciones puntuales.
    • + de 20; es un dosado pobre, en principio no es apto para motores de gasolina con mezcla homogénea. En motores diésel se utilizan dosados incluso bastante más pobres, del orden de 40, lo que implica que se generen muy pocos HC y CO, pero hay gran cantidad de NOX (sobra mucho oxígeno) y se producen MPC, la emisión de CO2 y los consumos de gasóleo son muy reducidos.

Sistemas anticontaminación en motores de gasolina y diésel

    • Motor de gasolina de inyección indirecta 1 y 2; funciona con dosado 15. La emisión de CO, HC, NOX y CO2 es media, así como el consumo de gasolina. Los gases de escape se neutralizan con el catalizador de tres funciones C3 (CO, HC y NOX), que cuenta con sondas lambda L que mantienen el dosado en 15 para evitar alteración en los gases contaminantes que generan las explosiones. La mezcla es homogénea al entrar el aire y gasolina desde el colector de admisión a los cilindros. Con sobrealimentación se mantienen estas particularidades en utilización normal, aumentando el consumo y CO2 con las prestaciones.
    • Motor de gasolina de inyección directa 3 y 4; se suele utilizar un “truco” para que pueda funcionar con dosados pobres, incluso superiores a 20. Se representa una de estas por la forma del pistón, al final de compresión el aire de admisión se divide en dos zonas, sobre la de la izquierda (en la imagen) se inyecta la gasolina que al saltar la chispa inicia la explosión. El dosado en esta cámara es 15 y la mezcla lo más homogénea posible, pero si se cuenta el aire de la otra zona que no interviene sube el dosado a más de 20. En la “frontera” entre las dos cámaras se producen explosiones incompletas y aumento de temperatura, en esta zona la mezcla es estratificada. Los resultados son que se generan menos CO, HC y baja el consumo y CO2, aumentando sensiblemente los NOX (sobra aire). Se utiliza el catalizador de tres funciones C3 (CO, HC y NOX) con sondas lambda L, y para reducir el exceso de aire se sustituye parte con gases de escape ya quemados que reenvía la EGR, disminuyendo la generación de NOX.
    • Motor de gasolina de inyección directa sobrealimentado 5 y 6; con la solución del motor anterior de inyección directa de gasolina para funcionar con mezclas “pobres” (dosados superiores a 20) se incorpora la sobrealimentación, lo que supone aumentar sensiblemente el aire que entra a los cilindros, con estos resultados; bastante menos CO, HC, CO2 y consumo, con más NOX, si se utiliza el automóvil sin aceleraciones fuertes. Si se acelera más el consumo sube bajando los NOX. Si se utilizan mezclas muy pobres se incrementa la emisión de NOX y se generan MPC. Para limpiar los gases de escape se monta el catalizador de tres funciones C3 (CO, HC y NOX) con sondas lambda L, EGR para reducir el exceso de aire y generar menos NOX en las explosiones, pudiendo ser necesario un FAP para quemar las MPC, e incluso una trampa de NOX TNOX (acumula y neutraliza estos gases con inyecciones adicionales de gasóleo) o catalizador SCR, acumula los NOX y los elimina mediante un aditivo (AdBlue).
    • Motor diésel de inyección directa “common rail” y turbocompresor 7 y 8; el motor diésel funciona con dosados muy pobres, bastante más de 30. Con el turbocompresor entra al motor mucho aire que alcanza temperaturas muy altas, lo que permite inyectar poca cantidad de gasóleo en fases (“common rail”, reduce vibraciones y ruido característicos de motores diésel de tecnologías anteriores) y así obtener excelentes valores de par motor. Estos son los resultados; mucho menos CO, HC, CO2 y consumo de gasóleo, pero gran cantidad de NOX (dosado muy “pobre”), y MPC a bajas y muy altas RPM. Estas son las soluciones anticontaminantes; catalizador de dos funciones C2 (CO y HC), EGR (pueden ser dos de alta y baja presión, antes y después del turbo) para reducir la generación de NOX en las combustiones, filtro antipartículas FAP que acumula y quema las MPC y para eliminar el exceso de NOX que no puede evitar la EGR, una trampa de NOX TNOX o catalizador SCR con aditivo AdBlue.

Comparación de motores con diferentes combustibles

    • En este cuadro se representan los resultados de motores de gasolina con inyección indirecta, con inyección directa sobrealimentado, diésel de inyección directa “common rail” con turbocompresor, GLP (gas licuado de petróleo) y GNC (gas natural comprimido). Se toma como referencia para la comparación con valor 1 los datos del motor de gasolina de inyección indirecta.
    • El GLP está en el depósito del automóvil en estado de gas y el GNC en estado líquido, pero ambos combustibles se inyectan en el colector de admisión en forma de gas. La implantación de GLP o GNC se hace en motores de gasolina que pueden funcionar con uno de los dos combustibles, GLP o GNC (uno de los dos) o gasolina. Requiere de inyectores adicionales a los de gasolina. Al ser inyectados en forma de gas su mezcla con el aire es mucho más rápida y homogénea que con combustibles líquidos. Al ser gases el GLP y GNC no caen al cárter reduciendo su dilución en el aceite que se mantiene más limpio. Al no contener azufre no se producen óxidos de azufre que afectan a algunos elementos anticontaminantes.
    • En el cuadro se representan los resultados comparativos de estos combustibles en emisión de contaminantes, NOX, HC/CO, CO2, MPC y también las prestaciones y consumos.

Conclusiones

Tras estas explicaciones se deduce que si se busca reducir los NOX aumenta el CO2 (y consumo) y a la inversa. Al tratar de bajar el CO2 y consumo (son proporcionales) la mezcla es tan pobre que se necesita incorporar más sistemas anticontaminantes (para reducir los NOX).

    • Motores de gasolina; la tendencia es inyección directa con sobrealimentación y mezcla “pobre”, lo que precisa de elementos de limpieza adicionales para los NOX y MPC. Con dosado 15 es suficiente con el catalizador y sondas lambda, algo más de consumo y CO2.
    • Motores diésel; su funcionamiento con exceso de aire y disponer como un elementos más del turbocompresor permite dosados muy “pobres”, con buenas prestaciones y excelentes consumos. Pero genera gran cantidad de NOX y MPC, lo que precisa de sofisticados, complejos y caros sistemas de limpieza, que son muy sensibles a la utilización; especialmente recorridos cortos, temperatura de funcionamiento por debajo de la normal y aceleraciones bruscas.

Enlaces relacionados en el blog

Sección “Tecnologías limpias”

    • “Contaminación de los motores de gasolina y diésel” (5.11.2012)
    • “El automóvil híbrido” (27.03.2013)
    • “Pila de combustible de hidrógeno” (1.04.2013)
    • “Sobrealimentación del motor” (28.11.2013)
    • “El motor de combustión de hidrógeno” (5.11.2014)
    • “FAP, SCR y EGR en el motor diésel” (10.06.2015, 16.09.2015 y 25.11.2015)
    • “CO2 en motores de gasolina y diésel” (5.07.2017)

Sección “Nuevas tecnologías”

    • “Transmisión del Toyota Prius” (31.07.2013)
    • “Common rail en e motor diésel” (4.02.2015)

En esta sección de “Actualidad”

    • “Nissan Leaf” (25.07.2013)
    • “Híbrido paralelo y serie en el mismo automóvil” (23.03.2014)
    • “Inyección indirecta y directa en el motor de gasolina” (11.06.2014)
    • “Los NOX y VW” (14.10.2015)
    • “Porqué consume menos el motor diésel que el gasolina” (23.03.2016)
    • “Sistema de asistencia híbrida” (18.05.2016)
    • “Emisiones reales de los diésel” (15.06.2016)

Sección “Curso de tecnología básica”

    • “1.12.1 y 1.12.2. Alimentación y encendido del motor de gasolina” (2.09.2015 y 11.11.2015)
    • “1.13.1. Motor diésel” (17.02.2016)

 

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Un comentario

  1. Jorge Angel López Sánchez

    Muy buena nota.

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