La contaminación de los motores gasolina – diésel; y más (III)

Video resumen La contaminación de los motores gasolina – diésel; y más (III)

Contaminación de los motores diésel según las RPM

En este gráfico se va a representar la emisión de los gases contaminantes y nocivos para el medio ambiente del motor diésel a bajas, medias, altas RPM y en aceleración.

Los gases son; CO monóxido de carbono, HC hidrocarburos no quemados, NO_x óxidos de nitrógeno, MPC micropartículas de hollín y CO₂ dióxido de carbono:

• NO_x se producen hasta más o menos medias RPM.
• MPC se generan hasta más o menos medias RPM y en aceleración.
• CO y HC van aumentando con las RPM y en aceleración.
• CO₂ aumenta con las RPM y en aceleración.
• Los NO_x se reducen con la EGR, catalizador SCR con aditivo AdBlue. Y también puede hacerse con la trampa de NO_x (DeNOx)*.
• Para eliminar las MPC se inyecta periódicamente más combustible quemándose en el interior del FAP.
• Los CO y HC se neutralizan en el catalizador de dos vías o funciones.
• El CO₂ se reduce con el consumo de combustible.

Estos resultados son similares a los que se producen en el motor de gasolina de inyección directa y más aire (mezcla pobre).

Comparación circulando a 30 y 50 km/h

• Se representan los desarrollos de transmisión de un automóvil turbodiésel medio con caja de cambios manual de 6 relaciones.
• A 50 km/h se puede circular en relación de cambio/RPM; 3ª/2.600 RPM, 4ª/1.800 o 5ª/1.300.
• A 30 km/h se puede circular en relación de cambio/RPM; 2ª/2.400, 3ª/1.500 o 4ª/1.100.
• Se ve en el gráfico de contaminación los resultados comparativos, se han de tener en cuenta especialmente el consumo/CO₂ y NO_x.

*Trampa de NO_x (DeNOx); se basa en almacenar los NO_x hasta que se satura, entonces se inyecta más gasóleo durante un intervalo, eliminándolos. Al llegar a su máxima capacidad la trampa de NO_x y hasta que las condiciones de circulación permitan hacer la eliminación, salen NO_x por el escape. Puede montarse complementaria al catalizador SCR.

Como se aprecia, un conductor experto puede lograr buenos consumos a ambas velocidades, 30 y 50 km/h, pero resulta más fácil a 50 al haber más relaciones de cambios utilizables.

Si el conductor no es experto en conducción de bajo consumo probablemente a 30 llegará a gastar más combustible que a 50.

Con caja de cambios pilotada o automática auto adaptativas, poder circular a más velocidad permite mejor capacidad de adaptación a las actuaciones sobre el acelerador.

Anexos

Motor de gasolina con inyección directa y mezcla pobre para menos CO₂

Se ve en la imagen un automóvil 4×4 con motor delantero longitudinal de 6 cilindros en línea:

• Colector de admisión con la mariposa de gases (acelerador).
• Los inyectores aportan la gasolina en el aire dentro de los cilindros, inyección directa.
• Bomba mecánica de presión de gasolina.
• Bujías de encendido.
• Depósito de combustible y bomba eléctrica de gasolina.
• Calculador electrónico del motor CEM.
• Batería y conexiones; CEM, bomba eléctrica de gasolina, inyectores y bujías de encendido en la imagen.

Detalle de funcionamiento del motor; inyección electrónica directa, se aporta la gasolina en el aire en el interior de cada cilindro, salta la chispa en la bujía y se inicia la explosión, transmitiéndose el frente de llama generando la fuerza sobre el pistón que produce el par motor.

Hay dos formas genéricas de lograr el funcionamiento del motor de inyección electrónica directa con exceso de aire, mezcla pobre:

• Inyector en la parte alta del cilindro, sobre el pistón:
  • El pistón tiene una cámara cóncava en la parte superior.
  • Se inyecta la gasolina cuando el pistón sube en compresión y se mezcla con el aire que hay en el interior de la cámara cóncava; en esta cámara la proporción de esta mezcla aire – gasolina es la óptima o ideal para que se propague la explosión al saltar la chispa en la bujía.
  • El aire que rodea esta zona no ha intervenido en la explosión, pero al sumar su cantidad a la que si lo ha hecho da un exceso de aire, mezcla pobre.
• Inyector a un lado del cilindro:
  • El pistón tiene en su parte superior una forma cóncava asimétrica que divide virtualmente en dos cámaras el cilindro sobre el pistón.
  • Se inyecta la gasolina sobre el pistón cuando este sube en compresión, incidiendo la gasolina en la parte derecha del cilindro, mezclándose con el aire que hay en esta cámara y el resultado es una mezcla óptima o ideal.
  • Al saltar la chispa en la bujía, situada en la cámara derecha del cilindro sobre la mezcla ideal se inicia la explosión que se propaga en esta zona.
  • El aire que hay en la cámara izquierda del cilindro no ha intervenido en la explosión, pero al sumar su cantidad al aire que si lo ha hecho el resultado es exceso de aire, mezcla pobre.

En ambos casos se produce en las zonas fronterizas de la explosión con el aire que en principio no ha intervenido, un gran aumento de la temperatura del aire, que genera gases contaminantes y se quema de forma incompleta cierta parte de la gasolina, es decir se altera la emisión de gases contaminantes; se producen más NO_x y MPC para reducir la emisión de CO₂.

En el vídeo siguiente se exponen las soluciones para adaptar la contaminación con este sistema de inyección en el motor de gasolina.

Anticontaminación del motor de gasolina con inyección directa y mezcla pobre

Seguimos las explicaciones del anterior vídeo con el mismo automóvil 4×4 con motor delantero longitudinal de 6 cilindros en línea:

• Se resalta la línea de escape con dos silenciadores.

Estos son los gases contaminantes que salen del motor:

• Menos HC y CO.
• Bastantes más NO_x.
• Se generan MPC.
• Menos CO₂ que es el objetivo.

Soluciones para impedir que los gases contaminantes salgan al exterior:

• HC y CO; catalizador de dos vías o funciones.
• NO_x; recirculación de gases de escape EGR y catalizador de reducción selectiva SCR con aditivo AdBlue.
• MPC; filtro antipartículas GPF (FAP en el diésel). La temperatura de los gases de escape es más alta en gasolina, por lo que las aportaciones de combustible para su regeneración son menores que en el diésel.
• Al funcionar el motor con mezcla pobre se logra reducir el CO₂ y consumo de gasolina, es el objetivo.

Para que la parte de la mezcla que produce la explosión tenga energía para generar suficiente fuerza de empuje sobre el pistón, par motor, es necesario contar con sobrealimentación, mediante turbocompresor o compresor volumétrico, aportando más aire a los cilindros, que entra a presión.

Este sistema permite reducir el CO₂ a costa de aumentar sensiblemente los NO_x e incorporar complejos sistemas de limpieza de gases.

Si el conductor selecciona, en el mando de respuesta del acelerador, posiciones más prestacionales no se logran los objetivos del diseño, pero habrá servido para homologar el automóvil con unos resultados poco realistas.

Comparación de contaminación de combustibles del motor térmico

En este cuadro se presenta la estimación de la cantidad de gases contaminantes que emiten los motores térmicos de gasolina con inyección indirecta (es la referencia), gasolina con inyección directa y mezcla pobre, diésel, gas licuado de petróleo (GLP) y gas natural comprimido (GNC). También se comparan las prestaciones y consumos de combustible.

En cada gas contaminante se detallan las soluciones técnicas para su limpieza antes de salir al exterior.

Se ha de tener en cuenta que con GLP y GNC la rentabilidad de uso es por su menor precio debido a los impuestos que se aplican, y que esto puede variar.

Comparación de los cuatro tipos de propulsión en el automóvil

Hay cuatro sistemas genéricos para que se desplace el automóvil, que pueden funcionar independientemente o en algunos casos combinados, estos son:

• Automóvil térmico:
  • Contaminación, aunque incorpore sistemas de limpieza de gases de escape.
  • La tendencia es que vaya desapareciendo progresivamente siendo sustituido por tecnologías más limpias.
  • Hasta el momento de la sustitución, que será más o menos progresiva, irá incorporando evoluciones técnicas para reducir la generación de contaminantes.
  • Una de las tecnologías de esta evolución es contar con propulsión eléctrica con baterías como complemento al motor térmico, híbrido.
• Automóvil híbrido (térmico y eléctrico):
  • Es una tecnología de transición con más actuación progresiva de la parte eléctrica sobre todo en las ciudades. La duración de esta tecnología depende de la llegada de otra totalmente limpia durante la circulación.
  • Híbrido paralelo; el motor térmico y eléctrico pueden mover las ruedas, independientemente o a la vez. La autonomía eléctrica determina sus resultados de circulación sin contaminar. Puede disponer de recarga de las baterías de propulsión en la red, además de la que aportan las retenciones por un generador que también puede ser accionado directamente por el motor térmico en marcha.
  • Híbrido serie; las ruedas se mueven siempre por uno o más motores eléctricos que aportan cierta autonomía, más que el sistema paralelo. La energía eléctrica viene de las baterías de propulsión o del motor térmico que acciona un generador y también recarga las baterías. Dispone de recarga en red.
  • Durante la recarga de las baterías de propulsión en la red, se puede producir contaminación según como se genere la electricidad.
• Automóvil eléctrico:
  • No produce contaminación al circular…
  • … la autonomía es menor que con motor térmico ¿suficiente para viajes en carretera? Y es muy sensible a la velocidad de marcha.
  • El tiempo de recarga en red doméstica es bastante largo. Se puede reducir con cargadores específicos que han de estar suficientemente disponibles para hacer viables recorridos largos. Si se usan con frecuencia las cargas rápidas ¿afecta a la duración de las baterías?
  • La contaminación que no se produce al circular, si puede aparecer durante la recarga según el sistema de generación de electricidad de la red.
• Automóvil con pila de combustible de hidrógeno:
  • No contamina al circular, sale por el escape vapor de agua.
  • La autonomía es similar al motor térmico.
  • El repostaje es rápido.
  • Son necesarias infraestructuras para producir y distribuir hidrógeno.
  • Se ha de valorar la contaminación que se puede producir al fabricar y distribuir el hidrógeno, teniendo en cuenta que es posible hacerlo localmente.

Además de la contaminación emitida por el sistema de propulsión circulando, se han de tener en cuenta otras que se generan para producir, fabricar, transportar, distribuir, … la fuente de energía hasta llegar al automóvil, en el siguiente vídeo se presenta esquemáticamente.

Comparación del ciclo de fuentes de energía para el automóvil

Las diferentes fuentes de energía para el automóvil se basan en aportar algún producto, sistema o medio que permite su auto desplazamiento.

Se exponen estimaciones de estas fuentes desde la generación o fabricación del producto hasta el fin de vida útil del automóvil que las utiliza.

La contaminación es; en rojo mayor, en marrón media y en verde menor o nula.

Motor térmico T gasolina, gasóleo o gas (GLP y GNC)

• Desde el pozo de petróleo o depósito de gas se transporta a la refinería para elaborar los productos finales.
• Los productos finales se han de acumular en depósitos, transportar y distribuir a las estaciones de servicio en las que repostan los automóviles.
• Durante la fabricación del automóvil se produce más o menos contaminación, circulando los sistemas de limpieza de gases los limitan según la homologación, el mantenimiento del coche implica más o menos contaminación y al final de la vida útil del automóvil se ha de reciclar todo lo más posible.

Motor térmico con biocombustibles TB

• Se obtiene este producto de determinados vegetales mediante procesos y tratamientos más o menos contaminantes.
• El biocombustible precisa depósitos, transporte y distribución hasta las estaciones de servicio.
• Durante la fabricación del automóvil se produce más o menos contaminación, circulando los sistemas de limpieza de gases los limitan según la homologación. Al consumir cierta cantidad de CO₂ las plantas antes de su proceso de generación de biocombustibles, se descuenta porcentualmente del que en realidad emite el coche al circular.
• El mantenimiento del automóvil implica más o menos contaminación y al final de su vida útil se ha de reciclar todo lo más posible.

Baterías de propulsión EB

• Los materiales de las baterías están en pocos lugares y en cantidad relativamente escasa, su extracción elaboración y la fabricación de las baterías implica contaminación.
• Es necesario recargar periódicamente las baterías de propulsión, lo que supone producir electricidad, que dependiendo de la central que la suministra a la red es más o menos contaminante, o no si se utilizan energías renovables.
• Además de producir la electricidad se han de diseñar estructuras de distribución a los puntos de recarga, lo que implica más o menos contaminación.
• Los puntos de recarga pueden ser electrolineras o garajes particulares, por conexión con cable o mediante inducción.
• Durante los procesos de fabricación de las baterías se genera contaminación, circulando el sistema de propulsión del coche eléctrico no contamina. Su mantenimiento es escaso en lo relacionado con el sistema eléctrico de propulsión.
• El reciclaje es más contaminante por las baterías de propulsión.
• Para la masiva distribución del coche eléctrico con baterías de propulsión se ha de aumentar su autonomía y reducir el tiempo de recarga. La autonomía es muy sensible a la velocidad y aceleración. Mediante cargadores rápidos y ultrarrápidos se pueden recargar las baterías al 80% entre 30 y 15 minutos, pero si se hace habitualmente puede afectar a su duración.
• Los componentes de las baterías de propulsión, por el momento, no son abundantes y están muy localizados, lo que puede implicar ciertas dependencias, como con el petróleo o gas.

Híbrido con motor térmico (gasolina, gas o gasóleo) y propulsión eléctrica con baterías HTBE

• Al tener propulsión térmica y eléctrica se reducen las desventajas de estos sistemas de propulsión.
• Si el sistema eléctrico es recargable en red (“plug in”), la contaminación eléctrica se puede generar al recargar las baterías según la central productora de electricidad.
• Habrá más o menos contaminación durante la fabricación, circulando y en los mantenimientos según el sistema híbrido utilizado.
• El reciclaje es más contaminante por las baterías de propulsión.
• Esta tecnología es de transición, más o menos larga, hasta que llegue un sistema de propulsión no contaminante versátil para todo tipo de uso del automóvil.

Pila de combustible de hidrógeno PCh

• Este sistema tiene un pequeño conjunto de baterías de propulsión de apoyo
• El hidrógeno es el elemento químico en mayor cantidad, pero ha de ser transformado; desde productos fósiles, entonces contamina, o desde el agua. Según sea la energía utilizada para la transformación del hidrógeno puede generarse contaminación o no en el proceso.
• El hidrógeno ha de ser almacenado en depósitos, transportado y distribuido a los puntos de repostaje.
• Se puede transformar el hidrógeno, desde fósiles o agua, en entornos locales de los puntos de repostaje, entonces no hace falta transporte ni distribución.
• Los puntos de repostaje son las hidrogeneras, que no han de estar necesariamente en las estaciones de servicio.
• Durante la transformación del hidrógeno se puede generar contaminación según el producto del que procede y la energía utilizada en los procesos.
• Circulando el automóvil no emite contaminación por el sistema de propulsión, sale por el escape vapor de agua.
• El mantenimiento es escaso y el reciclaje está afectado por las baterías complementarias de propulsión.
• La autonomía, prestaciones y tiempo de repostaje son similares a un automóvil con motor térmico medio.

Actualmente la tecnología que más versatilidad de utilización ofrece es la pila de combustible de hidrógeno, requiriendo de sistemas de transformación de este combustible por energías limpias.

Es factible y permite muchas posibilidades complementarias y versatilidad de tránsito de energía, lo que implica que están afectados bastantes estamentos que han de colaborar para que llegue a buen fin.

El futuro irá poniendo las cosas en su sitio.

Artículos relacionados

• Contaminación gasolina y diésel
• Inyección y anticontaminación
• Multi-inyección diésel
• CO2 en motores de gasolina y diésel
• Emisiones diésel reales
• Porqué el motor diésel consume menos que el de gasolina
• Recirculación de gases de escape EGR en el motor diésel
• Catalizador de reducción selectiva (SCR) en el motor diésel
• Filtro partículas FAP en el motor diésel

Otros enlaces

• La realidad de la contaminación de los coches diésel

Vídeos de interés