Elementos anticontaminación

El motor térmico de gasolina fue el primero que impulsó al automóvil una vez consolidada su utilidad, tras cierta competencia con la electricidad como energía para su desplazamiento. Unos años después llegó el motor diésel. Durante los siguientes años se añadieron diversos tipos de gas y los biocombustibles.

Cada una de estas alternativas del motor térmico tiene sus particularidades. Con la masificación del automóvil la contaminación es un factor de riesgo que se incrementa en las ciudades, también el espacio que ocupa tiene relevancia.

Hay que reducir primero, para eliminar a continuación la contaminación del automóvil, circulando y en todo el proceso, desde su fabricación, generación de energía que le mueve y su reciclaje.

Durante este camino se están desarrollando diversas alternativas; más limpieza en los gases de escape del motor térmico, complementarle con un motor eléctrico (híbrido), propulsión exclusivamente eléctrica y pila de combustible de hidrógeno, que parece será la alternativa del futuro.

No se ha contemplado el hidrógeno como combustible para el motor térmico, pues el automóvil puede prescindir de elementos si se utiliza la pila de combustible de hidrógeno, por esta razón las investigaciones del motor térmico de hidrógeno se han reducido considerablemente si no se han abandonado.

En este artículo se van a explicar los elementos que limitan la contaminación de los motores térmicos de gasolina y diésel, con las introducciones que permiten valorar mejor los contenidos. Al final se indican otros artículos del blog relacionados con este para tener más información.

Emisiones del motor térmico nocivas para la salud

Al funcionar los motores de gasolina y diésel emiten por el escape diversos gases, varios de estos son contaminantes, es decir perjudiciales para la salud, la mayoría directamente y otro por los efectos negativos para nuestro planeta. El aire se compone de oxígeno (23%), nitrógeno (75%) y otros en mínima cantidad. El combustible, gasolina y gasóleo, está formado principalmente por carbono e hidrógeno. De las reacciones de estos elementos químicos en el motor se generan los gases que salen por el escape, estos son los contaminantes.

    • Monóxido de carbono CO; se produce por las reacciones químicas en la explosión (gasolina) y combustión (diésel) entre el carbono del combustible y el oxígeno del aire.
    • Hidrocarburos no quemados HC; parte del hidrógeno y carbono del combustible que no se han quemado en la explosión o combustión salen por el escape.
    • Óxidos de nitrógeno NOX; la temperatura generada en la explosión o combustión propician la reacción entre estos elementos que en el aire ambiente están separados.
    • Micropartículas MPC; al quemarse el combustible las primeras gotas pueden hacerlo de forma incompleta, lo que genera partículas sólidas muy pequeñas.
    • Óxidos de azufre SOX; el azufre es un componente del combustible que reacciona con el oxígeno del aire.
    • Dióxido de carbono CO2; es el resultado de la reacción entre el CO que sale por el escape y el oxígeno del aire ambiente, se produce tras un tiempo después de emitir el CO, durante el que este es perjudicial para la salud.

 

En función de las particularidades de la explosión en el motor de gasolina o combustión en el diésel así es la proporción de estos gases contaminantes en el escape. Con la evolución técnica de inyección y encendido (gasolina) se logra reducir unos contaminantes pero aumentan otros, por lo que es necesario incorporar sistemas específicos y complementarios que reduzcan la contaminación de los motores.

Causas de las emisiones del motor térmico nocivas para la salud

La emisión de los gases contaminantes es, entre otros aspectos, proporcional a la cantidad de combustible en el aire, dosado. Algunos contaminantes aumentan cuando otros disminuyen, lo que implica soluciones de compromiso o añadir otros sistemas de limpieza más complejos. Estas son las causas de la emisión de los contaminantes.

    • CO monóxido de carbono; se aumenta su emisión cuando la combustión es incompleta o defectuosa, más si se aumenta la cantidad de combustible. Emite más el gasolina que el diésel.
    • HC hidrocarburos no quemados; se generan por las mismas razones que el CO e igualmente más con mayor cantidad de combustible. Emite más el motor de gasolina que el diésel.
    • NOX óxidos de nitrógeno; es el resultado de las reacciones entre el oxígeno y nitrógeno del aire por el aumento de temperatura en la explosión o combustión. Aumentan con más aire y menos combustible y con temperaturas mas altas. Emite muchos más el diésel que el gasolina. Si se reducen los NOX aumenta CO y HC, y a la inversa.
    • MPC micropartículas; se producen cuando comienza a quemarse el combustible, son partículas sólidas que no se queman del todo en las primeras gotas. El resto del combustible, al haber ya frente de llama, se quema mejor. Por el funcionamiento del motor diésel, auto inflamación del gasóleo por la temperatura del aire al final de compresión, genera más MPC. La evolución de los motores de gasolina con inyección directa y mezcla pobre (más aire y menos gasolina) para reducir el CO2, implica que la mezcla que debería ser homogénea sea estratificada, reparto desigual de la gasolina en el aire, lo que propicia que se generen MPC.
    • SOX óxidos de azufre; se producen al reaccionar con el oxígeno del aire el azufre que pueda contener el combustible, por lo que la cantidad de emisión depende del contenido de azufre.
    • CO2 dióxido de carbono; es una reacción entre el oxigeno del aire y carbono del combustible, se potencia que salga más CO2 reduciendo la emisión de CO por el catalizador de dos o tres vías. El CO2 es proporcional al consumo de combustible y aumenta cuando este lo hace, por ejemplo si la combustión es incompleta al tener que acelerar más. Como el motor diésel consume menos que el de gasolina su emisión de CO2 es también menor.

 

Como se comentó antes, las causas que afectan a la emisión de unos contamnates son opuestas a las de otros. La solución ideal no existe, se ha se evitar la emisión de cada contaminante y, si implica que otro aumente aportar la solución complementaria, lo que va complicando los sistemas de limpieza con las directivas cada vez más severas.

Efectos de las emisiones del motor térmico nocivas para la salud

Los gases contaminantes provocan diferentes síntomas y efectos en los seres humanos, estos son los principales.

    • CO monóxido de carbono; afecta más directamente al corazón, agravando y potenciando afecciones. Sus efectos son acumulativos con el paso del tiempo.
    • HC hidrocarburos no quemados; afecta directamente al sistema respiratorio, los pulmones, y también dificulta la respiración dando sensación de no poder vaciar los pulmones, potenciando el asma. Riesgo de inducir cáncer.
    • NOX óxidos de nitrógeno; este conjunto contaminante, son varios óxidos, es el que forma una nube amarillenta sobre las ciudades. Provoca irritación de los ojos, afecta también al sistema respiratorio e incrementa el riesgo de infecciones.
    • MPC micropartículas; afecta al sistema respiratorio, potencia las alergias y el riesgo de cáncer.
    • SOX óxidos de azufre; provocan irritación y picor de ojos, afecta al sistema respiratorio y el azufre deteriora componentes de ciertos sistemas de limpieza de gases de escape, impidiendo su implantación.
    • CO2 dióxido de carbono; es consumible por el ser humano, de hecho es el componente de las bebidas con gas, pero potencia el calentamiento global del planeta, el efecto invernadero.

 

Al saber los efectos de los gases contaminantes que emite el motor térmico del automóvil se entiende que se tomen medidas con la máxima urgencia para eliminarlos cuanto antes.

Soluciones para reducir o evitar las emisiones del motor térmico nocivas para la salud

Con el objetivo de mantener en uso el motor térmico se aplican tecnologías que reducen todo lo posible los contaminantes. Cada vez son más complejas llegando a afectar al uso y mantenimiento del automóvil. Se explican las más trascendentes, pues hay otras en fase de I + D + i. El motor de gasolina se identifica G y el diésel D.

    • CO monóxido de carbono y HC hidrocarburos no quemados; se ajusta su emisión mejorando el control electrónico de la inyección de combustible en G y D y el encendido en G. Incluso con el mejor control electrónico se emiten más gases de los permitidos, por lo que se ha de neutralizar el exceso, y se hace mediante el catalizador de tres vías o funciones en G o de dos en D. El motor de gasolina emite más cantidad de estos dos contaminantes, CO y HC, que el diésel.
    • NOX óxidos de nitrógeno; al funcionar el D con exceso de aire emite muchos más que el G. En el G se neutralizan en el catalizador de tres vías, se llama así al limpiar tres contaminantes, CO, HC y NOX. En el D es más complicado, se utilizan hasta tres sistemas en función del año del motor y cilindrada, que pueden combinarse según las necesidades.
      • EGR recirculación de gases de escape; parte de los gases quemados se hacen volver a admisión para entrar de nuevo al motor, se reduce la cantidad de oxígeno y la temperatura. Es posible montar más de una EGR en un mismo motor. Puede ser necesaria la EGR en motores G con inyección directa y mezcla pobre.
      • Trampa de NOX; acumula estos contaminantes, cuando se satura se aumenta puntualmente la inyección de gasóleo para eliminarlos. Tiene sensores para informar al calculador de inyección.
      • Catalizador SCR; su función es similar a la trampa, pero difiere en la forma de eliminar los NOX. Cuando se satura el SCR se inyecta en su interior un aditivo (AdBlue) que mediante reacciones químicas transforma los NOX en gases no contaminantes. Este aditivo se ha de repostar periódicamente y cuenta el sistema con diferentes sensores y control electrónico. En los motores G de inyección directa y mezcla pobre puede ser necesario el catalizador SCR.
    • MPC micropartículas; las micropartículas de hollín se acumulan en el interior del filtro antipartículas FAP hasta que dificultan el paso de los gases de escape, entonces se aumenta el caudal de inyección temporalmente para subir la temperatura del FAP y quemar las MPC. Dispone de sensores y control electrónico. Se emiten más MPC con el motor frío o por debajo de su temperatura óptima, desde ralentí hasta medias RPM, en aceleraciones y altas RPM mantenidas. Se reducen las MPC con más presión de inyección y control electrónico más preciso. Parte de las MPC tienen azufre, si se reduce su contenido en el combustible disminuyen. En motores de gasolina con inyección directa y mezcla pobre puede ser necesario el FAP.
    • SOX óxidos de azufre; su emisión ataca a diversos componentes de los sistemas de limpieza, sobre todo relacionados con los NOX, por lo que se ha de reducir o mejor eliminar del combustible para que se puedan montar.
    • CO2 dióxido de carbono; al ser su emisión proporcional al consumo de combustible su disminución es conjunta.

 

Se aprecia que la limpieza de gases en el motor diésel es más compleja que en el de gasolina, pero con la implantación de la inyección directa de gasolina y mezcla pobre se asimilan los sistemas de limpieza que se han de incorporar. Las tecnologías para reducir la emisión de CO2 aumentan sensiblemente las de NOX, lo que dificulta las labores de limpieza. Se está investigando en diversas formas de eliminar el CO2, lo que permitiría mejorar el equilibrio de emisiones contaminantes simplificando los sistemas de limpieza, habrá que seguir su evolución.

Elementos para reducir o evitar las emisiones del motor térmico nocivas para la salud

En las siguientes imágenes reales se ven los elementos incluidos en este artículo.

    • Implantados en el coche de la imagen con motor diésel.
      • Trampa de NOX; acumula y elimina el exceso de NOX.
      • Catalizador de dos vías o funciones; neutraliza los CO y HC.
      • Filtro antipartículas FAP; acumula y quema las MPC periódicamente. Puede ser necesario en G con inyección directa y mezcla pobre.
      • Catalizador SCR; elimina químicamente los NOX. Puede ser necesario en G con inyección directa y mezcla pobre.
    • Otros elementos de limpieza de gases o que contribuyen.
      • Gasolina y diésel; control electrónico de inyección (y encendido en gasolina) en busca de la combustión más perfecta posible. En el artículo sobre la combustión HCCI se explica por dónde van las investigaciones, se indica su ubicación al final.
      • Catalizador de tres vías o funciones; neutraliza el CO, HC y NOX en el motor de gasolina.
      • EGR refrigerada, diésel y gasolina con inyección directa y mezcla pobre; reduce la generación de NOX durante la explosión o combustión.
      • Aportación del aditivo AdBlue en el catalizador SCR, diésel y gasolina con inyección directa y mezcla pobre.

 

Las evoluciones técnicas para reducir la contaminación de los motores térmicos de gasolina y diésel siguen. Los diferentes tipos de gas como combustibles aportan ciertas ventajas con relación a la emisión de contaminantes, pues al inyectarse en forma de gas su mezcla con el aire, otro gas, es bastante más rápida completa y eficiente, además no cae al cárter reduciendo la dilución en el aceite. Dedicaremos un artículo a motores térmicos de gas.

 

Enlaces de interés relacionados

Estos artículos en el blog tratan de temas complementarios.

En esta sección de “Tecnologías limpias”

    • “Contaminación de los motores de gasolina y diésel” (5.11.2012)
    • “El FAP en el motor diésel” (10.06.2015)
    • “El SCR en el motor diésel” (16.09.2015)
    • “La EGR en el motor diésel” (25.11.2015)
    • “CO2 en motores de gasolina y diésel” (5.07.2017)

En la sección “Nuevas tecnologías”

    • “Consumo del motor térmico” (26.06.2013)
    • “Common rail en el motor diésel” (4.02.2015)
    • “Diagnóstico electrónico” (6.09.2017)

En la sección “Historia del automóvil”

    • “Historia de la alimentación de gasolina” (1.12.2017)

En la sección “Evolución de órganos y elementos”

    • “Evolución de la alimentación de gasolina y diésel” (31.10.2012)

En la sección “Actualidad”

    • “Inyección indirecta y directa en el motor de gasolina” (11.06.2014)
    • “Sensor de detonación” (8.04.2015)
    • “Sistemas de encendido en el motor de gasolina” (1.07.2015)
    • “Los NOX y VW” (14.10.2015)
    • “El acelerador electrónico” (10.02.2016)
    • “Porqué consume menos el motor diésel que el de gasolina” (23.03.2016)
    • “Combinaciones de inyección indirecta y directa en el motor de gasolina” (4.05.206)
    • “Emisiones reales de los diésel” (15.06.2016)
    • “NOX y CO2” (27.09.2017)
    • “Multi inyección diésel” (6.12.2017)

 

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