Contaminación de los motores de gasolina, diésel y más (II)

Contaminación de los motores de gasolina y diésel

Se va a explicar de forma sencilla como reaccionan los diferentes componentes del aire y combustible para generar los gases de escape, identificando los que se han de reducir todo lo posible, por ser contaminantes o nocivos para el medio ambiente.

El aire, que entra al motor, se compone principalmente de oxígeno Ox y nitrógeno NT y el combustible, que está en el depósito, contiene carbono CR e hidrógeno HG.

Al funcionar el motor se mezcla el combustible con el aire provocando reacciones químicas que producen la explosión (gasolina) y combustión (diésel) generando el par motor:

    • Los gases resultantes que salen del motor son estos:
      • CO monóxido de carbono.
      • HC hidrocarburos no quemados del combustible.
      • NOx óxidos de nitrógeno por el aumento de temperatura.
      • CO2 dióxido de carbono, que no es un contaminante directo.
      • MPC micropartículas de hollín, son residuos sólidos.
    • Gases contaminantes generados por la explosión en el motor de gasolina con inyección indirecta y proporción de la mezcla (dosado) aire – gasolina óptima. En el motor de gasolina la explosión se inicia por la chispa en la bujía:
      • C+ OX = CO + CO2
      • C+ HG = HC
      • N+ OX = NOx
      • CO2 depende de la cantidad de combustible que entra al motor
    • Gases contaminantes generados por la combustión en el motor diésel; la mezcla (dosado) es más “pobre” que el de gasolina, tiene exceso de aire. En el motor diésel la combustión se inicia por la autoinflamación del gasóleo al entrar en contacto con el aire muy caliente:
      • C+ OX = CO + CO2
      • C+ HG = HC
      • N+ OX = NOx
      • Cy otros sólidos residuales = MPC, por la auto inflamación del gasóleo
      • CO2 depende de la cantidad de combustible que entra al motor

Al intervenir en el motor de gasolina más combustible que en el diésel la generación de HC, CO y CO2 es mayor, al consumirse más Ox hay menos NOx. En el diésel hay menos proporción de gasóleo lo que implica que se generen menos HC, CO y CO2 y más NOx (sobra Ox), sin embrago como la auto inflamación del gasóleo es por temperatura del aire se producen MPC en los inicios de la combustión.

Contaminación; efectos de los gases de escape

Al funcionar el automóvil, el motor térmico (gasolina/diésel) emite por el colector de escape los diferentes gases contaminantes que se han expuesto, que no llegan a salir al exterior, pues estos serían sus efectos:

    • CO (monóxido de carbono); potencian enfermedades cardíacas, ….
    • HC (hidrocarburos no quemados); afecta a la respiración, cáncer, …
    • NOx (óxidos de nitrógeno); irritación de los ojos, respiración, cáncer, …
    • MPC (micropartículas de hollín); respiración, potencian las alergias, cáncer, …
    • CO2 (dióxido de carbono); es respirable, pero influye en el calentamiento global.

Estas emisiones tienen el agravante de que se producen masivamente en núcleos urbanos, lo que hace que se acumulen multiplicando sus efectos para la salud.

Contaminación; particularidades del CO2

Con el motor térmico en marcha sale CO2 por el escape, por los resultados directos de las explosiones o combustiones y a causa de las transformaciones en los sistemas de limpieza de gases contaminantes.

    • El CO2 potencia el efecto invernadero; calentamiento global de nuestro planeta.
    • La emisión de CO2 es proporcional al consumo de combustible.
    • En el motor de gasolina la proporción de CO2 que sale por el escape es +/– 23 a 24 gramos por litro de gasolina consumida cada 100 km.
    • En el motor diésel la proporción que sale por el escape de CO2 es +/– 25 a 27 gramos por litro de gasóleo consumido cada 100 km.
    • El CO2 también está en las bebidas con gas.

El CO2 no es un contaminante directo, es digerible, pero al potenciar el efecto invernadero ha de ser reducido para eliminarlo totalmente lo antes posible.

Contaminación; sistemas de limpieza de gases de escape en gasolina y diésel

Se va a explicar sobre dos tipos de inyección en el motor de gasolina, con tendencia a una evolución que puede ser controvertida por los resultados, y el sistema utilizado actualmente en el diésel, sin explicar los anteriores que ya no se aplican:

    • Motor de gasolina con inyección indirecta (en el colector de admisión sobre el aire antes de entrar al motor). La mezcla aire – gasolina es la óptima:
      • Los gases genéricos con efectos nocivos son; CO, HC, NOx, MPC y CO2.
      • El catalizador de tres vías o funciones neutraliza CO, HC y NOx.
      • Este motor prácticamente no genera MPC.
      • La emisión de CO2 es proporcional al consumo de gasolina, influenciado por la forma de conducir. El punto de partida del consumo es la tecnología del automóvil relacionada.
    • Motor diésel con inyección “common rail” (control electrónico independiente de cada inyector) y turbocompresor que aumenta el llenado del motor a presión. En el motor diésel la inyección es en el aire que ya ha entrado al motor, directa:
      • Los gases nocivos comparados con el motor de gasolina son; menos CO y HC, bastante más NOx, se generan MPC y menos CO2 por el menor consumo de gasóleo.
      • Un catalizador de dos vías o funciones elimina CO y HC.
      • Para generar menos NOx en la combustión se incorpora la recirculación de gases de escape EGR (una o más).
      • Para reducir la emisión de NOx que no puede/n evitar que se generen la/s EGR, se añade el catalizador de reducción selectiva SCR, que los acumula y elimina periódicamente con la aportación del aditivo AdBlue en su interior.
      • Para neutralizar las MPC se recurre al filtro antipartículas FAP, las acumula y quema periódicamente.
      • La emisión de CO2 es menor y está menos afectada por la forma de conducir. La tecnología relacionada del automóvil es la base para el consumo.
      • ¿Reducir NOx o CO2? … al funcionar con exceso de aire el motor diésel se puede aumentar la cantidad que entra al motor con el turbocompresor, entonces se reduce el CO2 pero aumentan los NOx.
    • Motor de gasolina con inyección directa (en el aire que ya ha entrado al motor) y sobrealimentado (aumenta el llenado de aire del motor):
      • Si la proporción aire – gasolina es como con inyección indirecta (mezcla óptima); catalizador de tres vías o funciones para eliminar CO, HC y NOx, no se generan practicante o pocas MPC y el CO2 es proporcional al consumo, estilo de conducción y tecnología relacionada.
      • Si se aumenta la cantidad de aire que entra al motor con relación a la inyección indirecta es para reducir la emisión de CO2 (mezcla pobre); se producen más NOx que han de ser neutralizados con la EGR y SCR con AdBlue (según el tipo de motor), también se generan MPC que se eliminan mediante el filtro antipartículas GPF (FAP en el diésel). La disminución del consumo y CO2 (objetivos) conlleva el aumento de NOx precisando de más necesidad de limpieza de gases de escape, NOx y MPC, similar al diésel.

El hecho es que para reducir algo el CO2 emitido por el motor de gasolina se incrementan apreciablemente la generación de NOx que complica y encarece apreciablemenete los sistemas anticontaminación. Además, esta ventaja de emisión de CO2 en el motor de gasolina se diluye si se acelera con energía, bastante más de lo que pasa en el diésel en las mismas condiciones de uso.

Estilos de conducción

El mismo automóvil se puede conducir de diferentes formas, como se ha comentado, se explican las tres genéricas con diferentes resultados:

    • Económica; sin superar las RPM de par máximo y acelerando suavemente:
      • Bajo consumo y emisión de CO2.
      • Se producen más NOx.
      • Las prestaciones son reducidas.
    • De alto rendimiento; en el entorno de las RPM de par máximo.
      • Consumo y emisión de CO2
      • Generación de NOx
      • Buena respuesta del motor.
    • Prestacional; entre las RPM de par y potencia máximos.
      • Más consumo y CO2.
      • Menos NOx
      • Más prestaciones, es el objetivo.

Las variaciones de consumo y emisión de CO2 entre estos estilos de conducción son bastante superiores en el motor de gasolina que en el diésel, este se mantiene en valores sin excesivas alteraciones comparado con el motor de gasolina.

Homologación de consumo y mando de respuesta del motor al acelerar

Se van a representar unos gráficos con estos datos; velocidad del automóvil en km/h, consumo de combustible en l/100 km a la vez que la emisión de CO2 y tiempo transcurrido. Lo que se va a explicar es la forma de homologar los consumos y emisión de CO2 de los automóviles según los protocolos establecidos, y las alteraciones según la forma de conducir:

Es frecuente que los automóviles dispongan de un mando para que el conductor seleccione la respuesta del motor al acelerar, se representan estas posiciones:

    • E económica para el menor consumo. La respuesta al acelerar es suave y progresiva.
    • D dinámica para el mejor rendimiento. La respuesta ante la misma actuación del acelerador que en E es más rápida.
    • S prestacional o deportiva; la respuesta del motor para la misma actuación sobre el acelerador que en D es más enérgica.
    • A continuación se ven los resultados de homologación; la línea quebrada representa los cambios de relación de caja de cambios y velocidad con el paso del tiempo del ensayo, y el gráfico verde el consumo que es proporcional a la emisión de CO2. Los valores obtenidos son los que aparecen en la ficha técnica y comercial del automóvil. Esta prueba se hace en E con aceleración progresiva.
    • Mando de selección en posición E y actuación más rápida sobre el acelerador; la mejor respuesta del motor se ve en el gráfico naranja lo que implica más consumo y CO2.
    • Posición D del mando de selección; con aceleración progresiva la mejor respuesta del motor se ve en el gráfico rojo, que implica más CO2 y consumo.
    • El mando se pasa a posición S; para la misma actuación sobre el acelerador la respuesta del motor es bastante más ágil, se ve en el gráfico granate los resultados, las mejores prestaciones se traducen en más CO2 y consumo.

Al diseñar el motor del automóvil se ha de decidir qué hacer con la emisión de NOx y CO2:

    • A bajas RPM y poca aceleración se emiten más NOx y menos CO2.
    • Según se va acelerando y subiendo el motor de RPM aumenta el CO2 y disminuyen los NOx.
    • En aceleraciones, si son progresivas, se emite más NOx que CO2 y si son enérgicas a la inversa más CO2 que NOx ¿ … ?

Si se mejoran los protocolos de homologación de consumo y emisión de gases, y se autoriza mediante un mando accionable por el conductor a que circule el automóvil alterando los valores, en realidad no se ha encontrado una solución a la situación actual para proteger el medio ambiente.

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