Catalizador de reducción selectiva (SCR) en el motor diésel

Al motor diésel le afectan más las evoluciones de las normas anticontaminación que al de gasolina. A partir de la norma EURO 6 la reducción de emisión de óxidos de nitrógeno NOX implica encontrar soluciones adicionales al sistema de recirculación de gases de escape EGR, que hasta este momento era suficiente. El complemento que permite adaptar los NOX a la normativa es el catalizador de reducción selectiva SCR que vamos a explicar en este artículo. Hay otra posibilidad algo menos compleja que es la “Trampa de NOX” utilizable en motores de poca cilindrada y también en otros de mayor tamaño con combustión sumamente eficiente. Al final del artículo hay enlaces complementarios en el blog, y concretamente adelanto uno dedicado a la mayor calidad de combustión “Combustión HCCI” en la misma sección que este de “Tecnologías limpias”.

Contaminación del motor diésel y soluciones

El motor diésel tiene una combustión peculiar, con diferente proporción de contaminantes a bajas y altas RPM como luego lo veremos con más detalle. Antes vamos a repasar cuales con los gases contaminantes que salen por el escape con la siguiente animación:

      • El motor diésel de la imagen es de cuatro cilindros en línea y distribución con árbol de levas en culata OHC.
      • Se identifican en el motor estos elementos; filtro de aire, turbocompresor, intercooler, depósito de gasóleo y el esquema del sistema de inyección diésel.
      • Se pone el motor en funcionamiento:
        • El aire exterior pasa por el filtro y se limpia, continuando hasta el turbocompresor aumentando su presión y temperatura, a continuación atraviesa el intercooler que reduce su temperatura antes de entrar en los cilindros.
        • El gasóleo desde el depósito llega a los inyectores en las cámaras de combustión por un sistema de alimentación que le limpia de impurezas, incrementa su presión y le distribuye a cada inyector.
        • Tras la combustión del gasóleo y oxígeno del aire en los cilindros salen al exterior los gases de escape pasando por el silenciador para reducir ruido.

 

      • Estos son los principales gases contaminantes emitidos por el motor diésel y los sistemas para su neutralización:
        • Hidrocarburos no quemados HC y monóxido de carbono CO, son reducidos en el catalizador de dos vías o funciones.
        • Micropartículas de hollín MP; se queman en el filtro antipartículas FAP antes de salir al exterior.
        • Óxidos de nitrógeno NOX; se reduce su generación durante la combustión con el sistema de recirculación de gases de escape EGR, pero puede no ser suficiente con las normativas más severas (EURO 6 en 2.014). Se complementa la eliminación de los NOX con el catalizador de reducción selectiva SCR, objeto de este artículo y que se explicará con detalle más adelante.

Contaminación del motor diésel con poca y mucha aceleración

Ya se ha comentado que el motor diésel produce diferentes proporciones de contaminantes a bajas y altas RPM. En el motor de gasolina la contaminación es bastante más uniforme lo que simplifica “limpiar” los gases de escape. Vamos a ver como contamina el motor diésel a bajas y altas RPM, para lo que nos apoyamos en la animación siguiente primero explicando la combsutión genérica (en el centro):

      • Al subir el pistón comprime el aire de admisión que ha entrado a temperatura ambiente, este aire está compuesto de nitrógeno NT y oxígeno OX.
      • Al final del tiempo de compresión y sobre el aire muy caliente, se inyecta gasóleo que está compuesto de carbono CR e hidrógeno HG.
      • Durante la combustión se producen reacciones químicas entre el oxígeno OX, carbono CR e hidrógeno HG; de momento el nitrógeno NT es inerte.
      • Se resalta el óxígeno OX consumido en la combustión que, como se ha dicho no es todo el que entró en el cilindro.
      • Combustión a bajas RPM con poca aceleración (a la izquierda):
        • Hay mucho aire (OX y NT) y poco gasóleo (CR y HG).
        • Sobra oxígeno OX y hay nitrógeno NT, la elevada temperatura de la combustión induce la reacción de estos elementos formando óxidos de nitrógeno NOX.
        • Cómo hay poco gasóleo (CR y HG) se produce poco CO y HC, estos últimos (HC) se forman por el carbono e hidrógeno que no se quema, de hecho es su denominación.

 

      • Combustión a altas RPM con mucha aceleración (a la derecha):
        • Al acelerar en el motor diésel se aumenta el gasóleo inyectado sobre el aire calentado durante la compresión, la combustión resultante empuja con más fuerza al pistón.
        • Hay más gasóleo (CR y HG) para el aire que entra en el cilindro (NT y OX).
        • Durante la combustión se consume todo o casi todo el oxígeno OX generando más monóxido de carbono CO e hidrocarburos no quemados HC y menos o nada de óxidos de nitrógeno NOX, pues no había oxígeno OX sobrante, o muy poco, de la combustión.

El hecho de que la proporción de gases contaminantes sea diferente a altas y bajas RPM en el motor diésel, con más alteraciones en aceleraciones bruscas (micro-partículas), precisa de complementos anticontaminantes específicos para cada situación, lo que hace más compleja la tecnología de limpieza de los gases de escape.

Esquema anticontaminación del motor diésel

Antes de centrarnos en el catalizador de reducción selectiva SCR proponemos analizar la contaminación del motor diésel contemplando todos los gases que emite y los sistemas de neutralización, para esto utilizamos una animación con la base de un automóvil con motor diésel de cinco cilindros en línea situado en posición delantera transversal:

      • Se identifican estos elementos; depósito de gasóleo, calculador electrónico de inyección, filtro de combustible, mariposa de gases, filtro de aire, caudalímetro de aire y turbocompresor (con intercooler).
      • Elementos y sistemas anticontaminación:
        • Catalizador de dos vías o funciones.
        • Sistema de recirculación de gases de escape EGR.
        • Filtro antipartículas FAP.
        • Catalizador de reducción selectiva SCR con:
          • Depósito de aditivo (AdBlue) para el SCR con repostaje exterior.
          • Sensor de saturación del SCR.
          • Inyector de aditivo (AdBlue) en el interior del SCR.
      • Funcionamiento del motor y limpieza de gases de escape:
        • Dióxido de carbono CO2; es proporcional al consumo de gasóleo.
        • Óxidos de azufre SOX; se producen por el contenido de este elemento en el gasóleo y disminuye si se reduce el azufre en el gasóleo.
        • Micropartículas de hollín MP; se generan a bajas RPM, aceleraciones bruscas y alto régimen del motor mantenido. Se queman en el filtro antipartículas FAP.

 

      • Óxidos de nitrógeno NOX; se producen a bajas RPM y poca aceleración. Se reducen de dos formas:
        • Recirculación de gases de escape EGR; se devuelven al motor parte de los gases quemados restando espacio al aire, de esta forma se reduce el oxígeno OX sobrante de la combustión y en consecuencia la generación de óxidos de nitrógeno NOX. Al exigir las normativas más disminución habría que aumentar la recirculación de gases de escape afectando al funcionamiento del motor, por lo que se añade otro complemento para reducir los NOX.
        • Catalizador de reducción selectiva SCR; acumula los óxidos de nitrógeno NOX que emite el motor eliminándolos químicamente cuando está saturado, lo vemos con detalle después.
      • Hidrocarburos no quemados HC y monóxido de carbono CO; se neutralizan con el catalizador de dos vías.

En este artículo nos centraremos en el catalizador de reducción selectiva SCR, pero hemos querido mencionar los demás sistemas de limpieza de gases del motor diésel para ofrecer una completa imagen de la contaminación de este tipo de motor.

Detalle de actuación de la EGR y del catalizador SCR

Sobre el motor que ya hemos visto centramos la atención en los dos sistemas de disminución de óxidos de nitrógeno NOX; recirculación de gases de escape EGR y catalizador de reducción selectiva SCR. Con la animación vamos a ver la actuación de estos dos sistemas de limpieza:

      • Con el motor en marcha se aprecia como por el escape salen óxidos de nitrógeno NOX y eso hay que evitarlo.
      • Se amplía la EGR observando cómo permite el paso de parte de los gases de escape hacia el colector de admisión, al ocupar sitio los gases de escape entra menos aire reduciendo el oxígeno OX sobrante, lo que disminuye la generación de NOX.
      • En recorridos a bajas RPM y poca aceleración de larga duración, el exceso de recirculación de gases de escape resta eficacia y calidad a la combustión, por lo que se complementa la eliminación de los NOX generados en la combustión en el escape.
      • Catalizador de reducción selectiva SCR; se ve en detalle y también el sensor de saturación, el inyector del aditivo y se identifican de nuevo el depósito del aditivo (AdBlue) y el repostaje. Así actúa el SCR:
        • En recorridos con mucha generación de NOX, que la EGR no puede evitar, se acumulan químicamente en el interior del SCR.
        • Cuando el SCR está lleno de NOX, el sensor de saturación informa al calculador electrónico de inyección.
        • Se inyecta el aditivo (AdBlue) en el interior del SCR, lo que provoca reacciones químicas que disocian los NOX saliendo al exterior como nitrógeno (NT) y agua (H2O). El SCR queda libre para el próximo ciclo.

 

Generalmente el repostaje del aditivo (AdBlue) para el SCR se puede hacer en estaciones de servicio por el tapón situado habitualmente junto al de gasóleo. Algunas marcas o modelos calculan los intervalos para que coincidan con los de mantenimiento general, haciendo el repostaje del aditivo (AdBlue) en el taller. Un testigo en el cuadro informa con antelación de la necesidad de reposición del aditivo.

Ubicación del SCR en el escape y trampa de NOX

Como se ha explicado en este artículo en el escape hay tres elementos de limpieza de gases en el motor diésel; catalizador de dos vías, filtro antipartículas (FAP) y catalizador de reducción selectiva (SCR), sin contar con la recirculación de gases de escape (EGR) que comunica los colectores de escape y admisión controlado por el calculador. En la animación siguiente vemos tres posibilidades de posicionamiento de los sistemas de limpieza en el escape, manteniendo la EGR en la misma ubicación:

      • Motor 1; catalizador de dos vías → filtro antipartículas (FAP) y catalizador de reducción selectiva (SCR). El catalizador de dos vías y el FAP pueden estar agrupados en un conjunto.
      • Motor 2; catalizador de dos vías → catalizador de reducción selectiva (SCR) → filtro antipartículas (FAP). El SCR y el FAP pueden formar un conjunto monobloque.
      • Motor 3; catalizador de dos vías → trampa de NOX → filtro antipartículas (FAP). La trampa de NOX acumula este gas contaminante, cuando está lleno el sensor de saturación informa al calculador que induce post-inyecciones para aumentar la temperatura de los gases de escape que eliminan los NOX de la trampa durante un cierto recorrido. Es el mismo sistema que se utiliza para regenerar el filtro antipartículas (FAP). El catalizador de dos vías puede estar agrupado con la trampa de NOX.

 

En otro artículo comentaremos el sistema de recirculación de gases de escape y sus evoluciones, de alta o baja presión y con refrigeración.

Los motores de gasolina con inyección directa pueden funcionar con mezcla “pobre”, es decir con exceso de aire (oxígeno), por lo que también necesitarían sistemas de disminución de óxidos de nitrógeno; EGR y SCR.

 

Enlaces de interés relacionados

En el blog tienes estos artículos que puedes buscar en sus respectivas secciones si te interesan sus temas

      • “Contaminación de los motores de gasolina y diésel”, “Filtro antipartículas (FAP) en el motor diésel” y “Combustión HCCI” en la sección “Tecnologías limpias”
      • “ Common rail en el motor diésel” en la sección “Nuevas tecnologías”
      • “Evolución en la alimentación en gasolina y diésel” en la sección “Evolución en órganos y elementos”
      • “¿Qué motor elegir gasolina o diésel?” en la sección “Actualidad”

 

Otros enlaces

Catalizador SCR y AdBlue

http://www.diariomotor.com/2014/09/15/adblue/

http://es.findAdBlue.com/AdBlue/scr/

http://www.anfac.com/openPublicPdf.action?idDoc=8932

http://buscadordetalleres.com/blog/que-es-el-adblue-y-para-que-sirve/

Imágenes

https://lh6.googleusercontent.com/-fFOU1cgyPuU/TXe23R4BjPI/AAAAAAAAAcE/eaLsuW1-IRU/s1600/SCR+esquema.jpg

Trampa de NOX

http://www.taringa.net/posts/autos-motos/11310874/Tratamiento-de-emisiones-Diesel.html

Vídeos

https://youtu.be/KM_e-sUbnys

https://www.youtube.com/watch?v=yTTaovLc8OE

https://youtu.be/FcjoyeZb8jA

 

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6 comentarios

  1. Nos ha gustado mucho el artículo. Explicado con mucha claridad.

  2. alvaro condori laura

    buen aporte podrías brindar mas detalles sobre el sistema SCR por favor

    • En este enlace hay bastante información;
      http://www.autonocion.com/adblue-urea-aditivo-anticontaminacion/
      De todas formas hacemos un resumen del SCR;
      – Los motores diésel funcionan con exceso de aire lo que propicia que emitan muchos más NOx que los gasolina.
      – Con turbocompresor entra al motor más aire a presión, lo que permite dosados más altos, menos proporción de gasóleo en el aire; al haber más aire se generan más NOx.
      – En principio, con la EGR (recirculación de gases de escape) se quitaba espacio al aire para mantener la temperatura capaz de auto inflamar el gasóleo y era suficiente para cumplir la normativa de emisión de NOx.
      – Al soplar el turbo más haría falta más recirculación de la EGR, pero entonces la combustión es peor.
      – La solución es asumir que se genere cierta cantidad de NOx que no puede evitar la EGR y almacenarlos químicamente en un catalizador de reducción selectiva SCR, que habrá que vaciar periódicamente.
      – Del vaciado se encarga el AdBlue, un aditivo a base de urea. Se incorpora un depósito de AdBLue, un sensor de saturación de NOx del SCR y un inyector del aditivo en este catalizador.
      – Cuando el sensor de saturación del SCR informa al calculador se inyecta cierta cantidad de AdBlue en el SCR, que mediante reacciones químicas separa el nitrógeno del oxígeno y se vacía dejando libre de nuevo el catalizador.
      – Cuando el nivel del AdBlue es mínimo un testigo informa al conductor para su reposición.
      – Este sistema es que el que no montó VW – Audi en algunos modelos que contaminaban en exceso por la trampa electrónica. Hay un artículo en el blog sobre este asunto.
      – Un sistema más económico para el fabricante es la trampa de NOx; se almacenan los NOx y cuando se llena se producen post inyecciones de gasóleo, como para limpiar el FAP (filtro antipartículas), está mezcla más rica en gasóleo permite ir reduciendo los NOx durante la marcha para limpiar la trampa. Es menos efectiva que el catalizador SCR.
      Pensaba hacer unos breves comentarios y ha salido más extenso, bueno espero que sea útil.

  3. Alberto Acosta Donado

    Excelente aporte para el tratamiento de reducción de gases tóxicos

  4. Xavier Plans i Pedro

    Hola,

    Gracias por este espectacular y excelente artículo .

    ¿Con estos filtros se puede cumplir con la normativa de la DGT/UE 1,2.3… sobre la clasificación de los vehiculos según su potencial contaminante,p.e.para un BMW X3 del 2005?

    Muchas gracias,
    Saludos cordiales,
    X.Plans

  5. El SCR es necesario en los coches diésel, según su cilindrada, desde la norma EURO6, después de 2014 con más o menos demoras de aplicación. Un BMW X3 de 2005 debía cumplir la EURO4, por lo que no contaba con catalizador SCR ni filtro antipartículas FAP, tiene el catalizador de oxidación o de dos vías (CO y HC) y la EGR (NOx). En estos coches no es factible incorporar los elementos anticontaminación para satisfacer las sucesivas normas EURO pues requieren bastantes cambios, aditivos, inyectores y calculadores específicos entre otros. El caso del grupo VAG es significativo al respecto, no montaba el catalizador SCR y se programó el calculador para detectar que se está sometiendo al coche a pruebas en banco y así reducir la contaminación, cómo no hay demanda de potencia no se detectaba, hay en el blog artículos sobre este tema. En Alemania y otros países había, no sé si sigue haciéndose, coches que cumplían normas futuras y tenían reducción de impuestos, pero si el coche se ha comprado en España no tiene esta posibilidad.
    Gracias por tus comentarios sobre este artículo.

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