Recirculación de gases de escape EGR en el motor diésel

Las normas EURO son cada vez más estrictas y están afectando más al motor diésel que al de gasolina. La norma EURO 6 ha reducido sensiblemente los óxidos de nitrógeno NOX, y es junto a las micropartículas de hollín el contaminante más complejo de neutralizar en el motor de gasóleo.

Hasta esta norma se reducía la generación de óxidos de nitrógeno recirculando parte de los gases quemados hacia admisión EGR, pero hay que disminuirlos más, por lo que se recurre a incorporar dos EGR, o una con dos fases de actuación, y un catalizador que neutraliza el exceso de estos gases emitidos por el motor, es el catalizador de reducción selectiva SCR que se ha explicado en una entrada anterior.

En esta ocasión se va a explicar la recirculación de gases de escape con sus dos fases, con una introducción previa para poder ubicar sus funciones integradas con los demás sistemas anticontaminantes del motor diésel y repasar la combustión del gasóleo.

Dada la complejidad anticontaminante del motor diésel actual (2.015), se van a repetir las funciones de los diferentes sistemas de limpieza de gases con las consecutivas animaciones, manteniendo el protagonismo en este artículo de la EGR. Se termina esta entrada comparando la anticontaminación de los motores de gasolina y diésel.

Se incluyen al final del artículo enlaces a temas del blog relacionados y complementarios.

Contaminación del motor diésel y soluciones → EGR

La combustión diésel genera distintos contaminantes según las condiciones de funcionamiento del motor, lo que hace bastante más compleja la limpieza de los gases que en el motor de gasolina. Vamos a ver estos gases y las soluciones para reducir su emisión al exterior con esta animación, sobre un motor de cuatro cilindros en línea con distribución OHC:

    • Estos son los elementos identificados en la imagen inicial de los que se da una breve reseña de sus funciones; filtro de aire (limpia el aire que entra al motor), caudalímetro (mide el caudal del aire de admisión), turbocompresor (llena el motor con aire a presión), intercooler (enfría el aire comprimido por el turbo), línea de escape con silenciador (reduce ruido y vibraciones) y depósito de gasóleo.
    • El sistema de inyección de este motor es “common rail”.
    • Se pone en marcha el motor observando el recorrido de los diferentes circuitos;
      • Escape; pistones, cilindros, válvulas de escape, colector de escape, turbina (del turbocompresor), línea de escape con silenciador/es y salida al exterior.
      • Admisión; filtro de aire, caudalímetro, compresor (del turbocompresor), intercooler, colector de admisión, válvulas de admisión e interior de los cilindros.
      • Combustible; depósito de gasóleo, bomba de presión, conducto común (“common rail”), inyectores e inyección en el interior de los cilindros. No se ha representado el filtro de gasóleo.
    • Gases contaminantes:
      • Hidrocarburos no quemados HC y monóxido de carbono CO; se neutralizan con el catalizador de dos vías en la línea de escape.
      • Micropartículas de hollín MP; se acumulan en el filtro antipartículas FAP y se queman cuando está saturado.
      • Óxidos de nitrógeno NOX, hasta la norma EURO5/6 bastaba con la EGR a partir de esta norma se requiere el catalizador SCR;
        • EGR; es un sistema para recircular parte de los gases de escape de nuevo al motor reduciendo el aire que entra, después se explica. Se pueden tomar los gases de escape antes del turbo, EGR de alta presión, o después del turbo y de los elementos anticontaminación en el escape, EGR de baja presión. El calculador electrónico de inyección controla las secuencias de actuación de la EGR. Si se hacen recircular demasiados gases de escape, que es lo que requiere la norma EURO 6, se altera la calidad de combustión.
        • Catalizador de reducción selectiva SCR; acumula los NOX generados por el motor al llegar la EGR a su límite de recirculación y los neutraliza cuando está saturado mediante un aditivo inyectado en su interior.

 

La recirculación de gases de escape, EGR ha sido el primer sistema para reducir la generación de NOX durante la combustión y se utilizó con tecnologías diésel anteriores al control electrónico independiente de los inyectores (“common rail” o inyector – bomba).

Al circular por el interior de la EGR gases de escape con residuos de combustión es bastante sensible en situaciones de circulación en las que interviene frecuentemente.

Comparación de la contaminación diésel con poca y mucha aceleración

Se ha adelantado que la contaminación diésel es variable según las condiciones de funcionamiento del motor, veamos primero la combustión genérica;

    • Se ve un cilindro con un pistón en su interior que sube en compresión.
    • El aire que ha entrado en la admisión se comprime aumentado de temperatura, se compone el aire de nitrógeno NT y oxígeno OX.
    • Sobre el aire caliente al final de compresión se inyecta gasóleo, que se compone de carbono CR e hidrógeno HG.
    • Para quemarse el gasóleo utiliza parte del oxígeno del aire, quedando cierta cantidad sobrante, es decir nitrógeno NT y oxígeno OX a temperatura de combustión.
    • Se representa a continuación la contaminación a bajas RPM con poca aceleración;
      • Sobre el aire muy caliente del final de compresión se inyecta gasóleo, en cantidad reducida al circular a bajas RPM y con el acelerador poco pisado; hay mucho aire NT y OX con poco gasóleo CR y HG.
      • Sobra oxígeno OX que no ha sido necesario para la combustión.
      • Los gases contaminante resultantes son;
        • Pocos HC y CO, pues se ha aportado poco gasóleo CR y HG.
        • Muchos óxidos de nitrógeno NOX pues la elevada temperatura de combustión hace que se combine el nitrógeno NT con el oxígeno OX
      • Seguidamente vemos la contaminación a altas RPM con más aceleración;
        • Sobre el aire muy caliente del final de compresión se inyecta gasóleo, mayor cantidad al circular a más RPM y con el acelerador más pisado; hay más cantidad de gasóleo CR y HG en el aire NT y OX. La combustión es más enérgica aportando más empuje al pistón, mayor par motor.
        • Durante la combustión del gasóleo se utiliza prácticamente todo el oxígeno OX no quedando sobrante.
        • Los gases contaminante resultantes son;
          • Más HC y CO, por la mayor cantidad de gasóleo CR y HG.
          • Poco o nada de óxidos de nitrógeno NOX pues a pesar de la elevada temperatura de combustión no queda oxígeno OX suficiente para combinarse con el nitrógeno NT.

 

Al ser la contaminación del motor diésel diferente a bajas o altas RPM, además de la influencia de la actuación sobre el acelerador, pues en aceleraciones bruscas se producen micorparículas de hollín que se suman a la generación de CO y HC. A bajas RPM se emiten más NOX. Hay que incorporar elementos y sistemas que eviten la emisión de los contaminantes en todas las condicones de circulación, lo que requiere de complejos complementos y elaborados sistemas de control y gestión.

Esquema anticontaminación del motor diésel

Antes de explicar con detalle la recirculación de gases de escape EGR se propone pasar revista a la contaminación del motor diésel y las soluciones. La imagen de base es un automóvil con motor delantero transversal de cuatro cilindros en línea;

    • Los elementos identificados en la imagen inicial son estos; filtro de aire, caudalímetro, turbocompresor, intercooler, mariposa de gases (no es necesaria en el motor diésel pero reduce las vibraciones al parar el motor), catalizador de dos vías, filtro antipartículas FAP, catalizador SCR, silenciador, depósito de combustible, filtro de gasóleo, calculador electrónico de inyección y recirculación de gases de escape EGR, objeto de este artículo.
    • Neutralización de los gases contaminantes;
      • Hidrocarburos no quemados HC y monóxido de carbono CO; se eliminan en el catalizador de dos vías o funciones.
      • Micropartículas MP; se van acumulando en el filtro antipartículas FAP para quemarse cuando está saturado.
      • Óxidos de nitrógeno NOX, se reduce su generación o se neutralizan de dos formas:
        • Catalizador SCR; va almacenando el exceso de NOX que produce el motor cuando la recirculación de gases de escape EGR no puede evitar reducir su emisión.
        • Recirculación de gases de escape EGR; hace recircular parte de los gases de escape hacia admisión para restar sitio al aire y que no quede oxígeno sobrante para reaccionar con el nitrógeno a temperatura de combustión. Puede funcionar de dos formas o ser de dos elementos; EGR de alta presión es cuando toma los gases de escape antes del turbocompresor, y la EGR de baja presión toma los gases de escape después del turbo, generalmente detrás de los elementos anticontaminación del escape. Los gases de escape a alta presión contienen más residuos de combustión y están a más temperatura que los de baja presión.

 

Repaso anticontaminación del motor diésel y detalles de la EGR

Se utiliza para las explicaciones una imagen combinada de un motor con cuatro cilindros en línea en el que se identifican estos elementos y sistemas con explicaciones resumidas, (que se pueden ampliar en otros artículos del blog);

    • Acelerador electrónico; los movimientos del acelerador se transmiten al calculador electrónico que amortigua las variaciones para reducir los efectos contaminantes que se producen durante las aceleraciones transitorias. Este efecto puede afectar a las prestaciones y se ha compensado con creces al incorporar el turbocompresor como un elemento más del motor diésel.
    • Calculador electrónico de inyección; recibe las informaciones necesarias para controlar las secuencias de inyección y los complementos anticontaminación, entre otros sistemas relacionados con el funcionamiento del motor.
    • Inyección common rail; el gasóleo llega a presión a la rampa de inyección, a la que están conectados los inyectores. El calculador electrónico controla las actuaciones de cada inyector independientemente y abren varias veces por cada secuencia de inyección.
    • Filtro de aire; limpia el aire que entra al motor de impurezas, suciedad y polvo.
    • Caudalímetro; mide el caudal de aire que va hacia el motor informando al calculador como dato base para determinar el tiempo y secuencia de actuación de los inyectores.
    • Turbocompresor; la energía de los gases de escape mueve la turbina y esta al compresor que comprime el aire de admisión aumentando sensiblemente el llenado de los cilindros.
    • Intercooler; su objetivo es enfriar el aire que se ha calentado por el aumento de presión en el turbo antes de llegar al motor, así se reducen pérdidas de llenado.
    • Mariposa de gases; no es necesaria en el motor diésel pues funciona con exceso de aire y la aceleración se controla con el caudal de gasóleo inyectado, con el motor en marcha permanece abierta. La mariposa permite que al parar el motor se cierre cortando el paso del aire reduciendo las vibraciones del motor. Con varios complementos de anticontaminación la mariposa puede abrir y cerrar ligeramente durante la marcha como apoyo de las secuencias de control.
    • Catalizador de dos vías o funciones; neutraliza los hidrocarburos no quemados HC y monóxido de carbono CO que se producen al acelerar o circulando a altas RPM.
    • Filtro antipartículas FAP; con el motor frío, a bajas/medias RPM y con mucha aceleración se producen bastantes micropartículas que se van acumulando en el FAP, cuando está saturado se queman mediante post inyecciones.
    • Catalizador de reducción selectiva SCR; acumula los óxidos de nitrógeno NOX que no puede evitar la EGR que se generen durante la combustión. Cuando está lleno se inyecta un aditivo específico que disocia los NOX en nitrógeno y oxígeno.
    • Silenciador; reduce las vibraciones y ruido del motor, suele haber más de uno.
    • Recirculación de gases de escape EGR; los NOX se producen por la reacción a temperatura de combustión del nitrógeno del aire con el oxígeno sobrante de la combustión, la EGR recircula parte de los gases de escape hacia admisión quitando sitio al exceso de aire. La EGR puede ser simple (de alta presión), doble o funcionar en dos fases como se ve en la animación:
      • EGR de alta presión; toma los gases de escape antes del turbo y entran al motor muy calientes y con residuos de combustión.
      • EGR de baja presión; se toman los gases de escape después de los elementos anticontaminación del escape, los gases están a menor temperatura y con bastantes menos residuos.

 

Se aprecia como la EGR abre intermitentemente las válvulas de paso de los conductos de alta y baja presión. Cuando abre alguno de estos pasos su válvula actúa con rápidas frecuencias y cuando está cerrada permanece inmóvil tapando la salida hacia admisión.

Funcionamiento de la EGR y desgastes

Vamos a ver a continuación detalles del funcionamiento de la EGR de alta y baja presión, aprovechando para situar e identificar los elementos complementarios que han aparecido varias veces en este capítulo;

    • Filtro de aire, caudalímetro, turbocompresor, intercooler, inyector de gasóleo, catalizador de dos vías o funciones (neutraliza los HC y CO), filtro antipartículas FAP (quema las micropartículas MP), catalizador SCR (elimina el exceso de NOX).
    • EGR de alta presión y de baja presión; controladas por el calculador electrónico de inyección.
    • Funcionamiento del motor:
      • Al comienzo están cerradas las dos EGR no habiendo recirculación de gases de escape.
      • Seguidamente el calculador abre la EGR de alta presión que toma los gases de escape antes del turbo, con elevada temperatura y muchos residuos de combustión (carbonilla), y los envía a admisión restando espacio al aire.
      • Cierra la EGR de alta presión y poco después abre la de baja; los gases de escape se toman después del turbo y de los elementos anticontaminación del escape, estando a menor temperatura y con muchos menos restos de combustión, y se aportan a la admisión del motor.
    • Desgastes de la EGR; se producen principalmente por la carbonilla de los gases de escape y la alta temperatura que ha de soportar, llegando a quedar abierta a causa de la carbonilla acumulada. En estas condiciones el motor funciona con exceso de gases de escape y poco aire, sale mucho humo gris o negro por el escape y el motor baja de rendimiento, puede tardar el calculador en detectar el incidente y encender el testigo de información al conductor. En estas condiciones caen al aceite muchos residuos de las combustiones defectuosas degradándole. Si el motor dispone, como en este caso de dos EGR, está más expuesta a este desgaste la de alta presión, que es la que llevaría si solo cuenta con una.
    • EGR refrigerada; la elevada temperatura de funcionamiento de la EGR potencia los riesgos de incidentes, para reducirla se suele enfriar con el circuito de refrigeración del motor, rodeando la EGR con una cámara para este sistema.

 

Comparación de anticontaminación de los motores de gasolina y diésel

Desde la incorporación del turbocompresor como un elemento más del motor diésel sus prestaciones se han incrementado apreciablemente con consumos inferiores al motor de gasolina. Esta combinación ha hecho que los automóviles con motor diésel se incrementen y más con la evolución de los sistemas de inyección que disminuyen ruido y vibraciones. Cuando llegaron las normas EURO 5 y 6 los automóviles han tenido que reducir mucho la emisión de gases contaminantes, afectando bastante más a los motores diésel que a los de gasolina, ya se ha explicado en este artículo que se debe a la variable contaminación del motor diésel. Como resumen de este artículo comparamos los sistemas anticontaminación de los dos motores en cuestión para cumplir la norma EURO 6, sobre automóviles;

    • Motor de gasolina;
      • La implantación es con motor de cuatro cilindros en línea longitudinal delantero y propulsión (tracción trasera).
      • Se incluye turbocompresor e intercooler pues se está generalizando también en el motor de gasolina.
      • La anticontaminación se logra con un catalizador de tres vías o funciones y dos sondas de información antes y después (sondas lambda), que neutraliza los tres gases contaminantes; monóxido de carbono CO, hidrocarburos no quemados HC y óxidos de nitrógeno NOX.
      • La gasolina produce vapores en el depósito de combustible que son contaminantes si salen al exterior, se evita con el acumulador de vapores de gasolina, controlado por el calculador de inyección y encendido, que los envía hacia la admisión al acelerar.
      • Anticontaminación más simple que en el motor diésel.
    • Motor diésel;
      • El automóvil de la imagen tiene motor de cuatro cilindros en línea transversal delantero y tracción (delantera).
      • Con turbo e intercooler como parte ya del motor diésel.
      • Anticontaminación;
        • Monóxido de carbono CO e hidrocarburos no quemados HC; se neutralizan en el catalizador de dos vías.
        • Micropartículas de hollín MP; se queman en el filtro antipartículas FAP.
        • Óxidos de nitrógeno NOX; disminuye su generación durante la combustión con la EGR (sencilla o doble como se ve en la imagen), y los NOX que no sea posible evitar se eliminan en el catalizador de reducción selectiva SCR.
      • Anticontaminación bastante más compleja que el gasolina.

 

La evolución de las normas EURO van a exigir más aportaciones tecnológicas para mantener viables los motores térmicos de gasolina, diésel y derivados (GLP, GNC, biocombustibles,…), la hibridación (motor eléctrico complementario) es un sistema ¿de transición? hasta llegar a la pila de combustible de hidrógeno, que parece una solución con más ventajas que inconvenientes, desde el punto de vista ecológico y técnico.

Enlaces de interés relacionados

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

    • En esta sección “Tecnología limpias”; “Anticontaminación de los motores de gasolina y diésel”, “Cambio de aceite variable”, “Sobrealimentación del motor”, “El FAP en el motor diésel”, “El catalizador SCR en el motor diésel”, “El automóvil híbrido”, “Pila de combustible de hidrógeno”.
    • En la sección “Nuevas tecnologías”; “Common rail en el motor diésel” y “Consumo del motor térmico”.
    • En la sección “Actualidad”; “¿Qué motor elegir gasolina o diésel?”, “Inyección indirecta y directa en el motor de gasolina”, “Tipos de propulsión en el automóvil” y “Uso del automóvil con turbocompresor”.
    • En la sección “Curso de tecnología básico”; “1.12.2. Alimentación y encendido del motor de gasolina”.

Otros enlaces relacionados con la EGR

Texto e imágenes

http://www.aficionadosalamecanica.net/sistema_egr.htm

https://es.wikipedia.org/wiki/Recirculaci%C3%B3n_de_gases_de_escape

http://www.actualidadmotor.com/valvula-egr-que-es-funcionamiento-averias/

http://www.auto10.com/reportajes/anular-la-valvula-egr-en-los-tdi-de-verdad-baja-el-consumo/1140

Imágenes

http://orange.gabellamotor.com/noticias/2010/2010-10-18%20Nuevo%20motor%201.6%20dCi%20Renault/imagen2.jpg

http://www.hyundai4x4.com/foros/files/posted_images/user_4036_egr1.jpg

http://galeria.123.opole.pl/images/2013/08/07/MZEGR09.jpg

Vídeos

https://youtu.be/NbbGk-2W8_o

 

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5 comentarios

  1. ALEJANDRO SUAREZ VALDEPEÑA

    ME PARECE FANTÁSTICA TODA ESTA EXPLICACIÓN, Y DE GRAN AYUDA, MIL GRACIAS

  2. excelente explicación, simple y directa, ya que los vídeos no duran mucho

  3. Muy buena explicación.
    Solo una cosa: Los motores de gasolina, ¿no tienen también EGR? Y en breve, ¿no van a montar también FAP?
    Aunque es cierto que en los motores de gasolina, dada la poca carbonilla, estos sistemas se estropean menos.
    Gracias,
    Ángel Fdez.

  4. Con inyección indirecta de gasolina y dosado estequiométrico (15 gramos de aire por uno de gasolina), no harían falta esos complementos anticontaminantes, o menos y de menor volumen que en el motor diésel. Pero para lograr que el motor de gasolina sobrealimentado emita menos CO2 se utiliza inyección directa con mezcla pobre (dosados entre 20 y 40), lo que implica generar muchos NOx y micro partículas, siendo necesaria la EGR, el FAP y también el catalizador de reducción selectiva (SCR) con el aditivo AdBlue. Como este tema nos parece interesante vamos a publicar antes de fin de año un artículo que explica la evolución de la combustión en el motor de gasolina para entender porgue necesita prácticamente los mismos sistemas de limpieza de gases de escape que el diésel, creo que tal y como lo vamos a presentar aclarará bastante.

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