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CONTROL DE

EMISIONES

Fernando Maldonado

INGENIERO AUTOMOTRIZ

HISTORIA

Desde los años 40 hasta los 70 los vehículos eldesarrollo tecnológico en la industria automotrizse dio fundamentalmente en elperfeccionamiento de los motores y sistemasmecánicos de los vehículos. Sin avances notablesen la electrónica y poco énfasis en el control deemisiones.

En los años 80 se toma consciencia en laconservación del medio ambiente. Además de lacrisis petrolera estos dos factores influyen para eldesarrollo de nuevos sistemas más eficientes yamigables con el entorno.

En los noventa la mayoría de constructores devehículos han implementado en ellos sistemas decontrol y regulación de gases contaminantes,implantando normativas y exigencias en esteámbito.

Fernando Maldonado ING AUTOMOTRIZ

En la actualidad las restricciones ambientalessobre el mercado de vehículos están impactandode manera significativa su dinámica. La materiaprima para los combustibles es cada vez másescasa, su oferta está sujeta a una altaespeculación debido a la incertidumbre sobre lasreservas de petróleo y a los ordenamientosgeopolíticos internacionales, lo cual se refleja entendencias de precios cada vez más altas yvolátiles. Además, los gobiernos con restriccionesfiscales, en búsqueda de nuevas fuentesimpositivas, han considerado a los impuestos alos combustibles como una manera fácil ylucrativa de obtener ingresos.

La tendencia hacia el futuro, sobre los vehículoses acerca de la utilización de nuevoscombustibles que desplacen la preferencia por loscombustibles fósiles. Equipados con motorespequeños y carrocerías livianas y compactas,dando prioridad a sistemas electrónicos denavegación y control de emisiones.


COMBUSTIÓN


DEFINICIÓN

La combustión es un fenómeno químico en el quese desprende energía en forma de luz y calor. Paraproducir una combustión se necesita uncombustible, un comburente y alcanzar ladenominada temperatura de inflamación.

COMBUSTIBLE

COMBURENTE LLAMA

CALOR

GASES


ESTRUCTURA DE LA ATMÓSFERA

La atmósfera de la tierra, que comúnmente llamamos "AIRE"esta formada, principalmente, por 2 gases: Oxígeno (O2), queocupa el 21% en volumen, y el Nitrógeno (N2), que ocupa el78% de la atmósfera. El 1% restante está formado por otrosgases incluyendo Argón (Ar), que ocupa el 0.94% del 1%restante y Dióxido de Carbono (CO2).

Además de Argón y del Dióxido de carbono, también haymuchas substancias indeseables creadas por el hombre, talescomo Monóxido de Carbono (CO), Hidrocarburos (HC), Óxidosde Nitrógenos (NOx), Dióxido de Azufre (SO2) y muchos sólidoscomo polvo, partículas de carbón, etc.


¿CÓMO PODEMOS REPRESENTARLA?

C(s) + O2(g) CO2(g) + 212 kJ

Una ecuación química representa simbólicamente un

proceso indicando cada sustancia participante con su

símbolo y un subíndice que corresponde a la inicial del

estado de agregación en qué se encuentra.

La combustión completa del carbón se representa:


CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g) + 890 kJ

y la del metano (principal componente del gas natural):

FÓRMULA DE

LA SUSTANCIA

ESTADO DE

AGREGACIÓN

CANTIDAD DE

SUSTANCIA QUE

REACCIONA O SE

PRODUCE

ENERGÍA


La Gasolina y el Diesel son Hidrocarburos

líquidos. Si se produce una combustión ideal de

los Hidrocarburos, los subproductos serán según

la siguiente ecuación:


Gases no contaminantes emitidos en condiciones óptimas

(relación estequiométrica en motores de ciclo Otto)


Situación real en condiciones variables: gases contaminantes


¿LOS ESQUEMATIZAMOS?

COMBUSTIBLE COMBURENTE

TEMPERATURA DE

IGNICIÓN HUMO ENERGÍA

Carbón

Hidrocarburos

Leña

Oxígeno del aireÓxidos de

carbono

Agua

LO QUE SE

QUEMAFAVORECE LA

COMBUSTIÓN

CHISPASUSTANCIAS

QUE SE

PRODUCEN FUEGO

COMBUSTIBLE

CHISPA

FUEGO OXÍGENO

DEL AIRE


¿TODOS LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN

FUNCIONAN DE LA MISMA MANERA?

Motor de cuatro tiempos

de Ciclo Otto

Se utiliza generalmente en autos y vehículos livianos

Motor de cuatro tiempos

de Ciclo Diesel

Se utiliza generalmente en vehículos pesados


Teóricamente la combustión seriaperfecta con una relación de aire –combustible (A/F) de 14.7 Kg.: 1Kg,dependiendo de la calidad delcombustible. La relación entre lacalidad real de aire aspirado y lacantidad teórica aspirada, sedenomina Factor Lambda, y serepresenta por el símbolo: ; sedetermina según la siguiente relación:

Un valor de Lambda > 1; significa excesode aire o mezcla pobre

Un valor de Lambda < 1; significa excesode combustible o mezcla rica

En la realidad no es posible lograruna combustión ideal, sino se da unacombustión incompleta, con susrespectivos subproductos (emisiones).


COMBUSTIÓN

LLUVIA

ÁCIDA

SMOG

CALENTAMIENTO

GLOBAL

CRISIS

ENERGÉTICA

¿Qué problemas ambientales se relacionan

con este proceso?


PRINCIPALES CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS

CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

NO2 (dióxido de nitrógeno)

CaracterísticasFuentes emisoras

antropogénicas

Gas de color amarronado

y de olor irritante

Tóxico a otras

concentraciones

Interviene en la

formación de la niebla

fotoquímica

Transporte

Centrales térmicas

Combustión de

carburantes: gas natural,

líquidos y sólidos

Incineradoras

Cementeras

Fábricas de vidrio

Refinerías




SO2 (dióxido de azufre)


antropogénicas

Gas incoloro y de olor fuerte

y sofocante

En una atmósfera húmeda se

transforma en ácido sulfúrico y

causa la deposición ácida

A partir de concentraciones

>0.1 ppm tiene lugar una

importante reducción de la

visibilidad

Refinerías de petróleo

Transporte: principalmente

vehículos de gasóleo

Centrales térmicas

Combustión de carburantes:


Cementeras




CO (monóxido de carbono)


antropogénicas

Gas inodoro e incoloro

Tóxico a otras concentraciones

y a exposiciones cortas

Gran indicador del tráfico


vehículos de gasolina

Centrales térmicas


gas natural, líquidos y sólidos

Incineradoras

Cremaciones agrícolas

Refinerías

Cementeras

Fábricas de vidrio y de

cerámica




HCT (hidrocarburos totales)


antropogénicas

Familia de compuestos

formados por hidrógeno y

carbono

Intervienen en la formación de

la niebla fotoquímica

Combinados con otros

elementos provocan problemas

de malos olores

También denominados VOC

(compuestos orgánicos

volátiles)

Evaporaciones y combustiones

de materia orgánica

Transporte

Fabricación de pinturas

Pérdidas en procesos

industriales

Refinerías

Industria química

Depuradoras de aguas

residuales

Industria de curtidos

Industria que usa disolventes




Pb (plomo)


antropogénicas

Metal pesado, sólido, que

queda en suspensión con

las partículas

Tóxico a otras

concentraciones

Indicador del tráfico de

vehículos ligeros

(gasolina)

Vehículos de gasolina

Funderías de

recuperación de plomo

Fábricas de cerámica




O3 (ozono)


antropogénicas

Gas incoloro y de olor

agradable

Muy oxidante e irritante

Es un contaminante

secundario; es decir, no es

emitido por ningún foco

De origen fotoquímico; es

decir, se forma debido a la

acción de la luz solar y en

presencia de óxidos de

nitrógeno e hidrocarburos




H2S (sulfuro de hidrógeno)


antropogénicas

Gas incoloro y de olor

fuerte (olor a huevos

podridos)

Límite olfativo muy bajo

(a partir de 2 ppm)

Tóxico a otras

concentraciones y a

exposiciones cortas

Fabricación de pasta de

papel

Refinerías

Industria de curtidos

Depuradoras de aguas

residuales




PST (partículas totales en suspensión)

Características Fuentes emisoras antropogénicas

Materia en suspensión en el aire

ST: partículas de diámetro <30µm

PM10: partículas de diámetro

<10µm

HN (humos negros): partículas de

diámetro <1µm

Centrales térmicas

Funderías

Procesos de molturación

Incineradoras

Plantas asfálticas

Fábricas de vidrio

Fábricas de cerámica




vehículos de gasolina

Cementeras y minerías

Extracción de áridos

Cremaciones agrícolas

Refinerías




Cl2 (cloro)


antropogénicas

Gas de color amarillo

verdoso y de olor

sofocante

Tóxico a otras

concentraciones

Petroquímicas

Industria química




HCl (cloruro de hidrógeno)


antropogénicas

Gas incoloro de olor intenso

e irritante

Petroquímicas

Industria química

Procesos de limpieza y

decapado de metales

Incineradoras




Metales pesados


antropogénicas

Sólidos que quedan en

suspensión

con las partículas

Presentan toxicidad

distinta dependiendo del

metal

Fábricas de vidrio

Funderías

Incineradoras




Principales fuentes emisoras

antropogénicasSO2 NO2 CO H2S HCT HCl Cl2 PST Pb

Otros

metales

pesados

Industria de curtidos x x

Industria química x x x

Industria que usa disolventes x

Plantas asfálticas x

Procesos de combustión:

gas natural x x

combustibles líquidos y sólidos x x x x

Procesos de molturación x

Refinerías x x x x x x

Transporte:

gasolina

x x x x x

gasóleo x x x x

sin plomo x x x x


CONTROL DE LAS EMISIONES DEL

SISTEMA DE ESCAPE

El control de las emisiones del

sistema de escape pueden caber en

tres partes:

Incremento de la eficiencia del motor

Incremento en la eficiencia del vehículo

Limpieza de las emisiones

Incremento en la eficiencia de manejo


La contaminación producida por un motor

depende fundamentalmente de los sistemas de

encendido y alimentación. Aunque existen otros

parámetros, como el estado de desgaste de sus

componentes, relación de compresión, reglaje de

balancines, etc; que afectan al nivel de

contaminación que puede producir.


MODIFICACIONES AL DISEÑO DEL

MOTOR

Se han hecho varias modificaciones al diseño de

los motores.

Se emplean diversos métodos de control de

emisiones para reducir la contaminación del aire

debido a los automóviles.

Los sistemas de control de emisiones trabajan

juntamente con los sistemas de combustible y de

encendido, a fin de controlar las emisiones al

escape.


INCREMENTO DE LA EFICIENCIA

DEL MOTOR


DISEÑO DE LA

CÁMARA DE

COMBUSTIÓN


Disminución de la relación área/volumen de la

superficie de la cámara de combustión:

Reducción de las relaciones de compresión.

Reubicación de la bujía.


REDUCCIÓN DE LAS

TEMPERATURAS PICO DE

COMBUSTIÓN


Motores con creciente traslape de válvulas:


Aplicación de los sistemas de recirculación de gas

de escape (EGR):


DISEÑO DEL MÚLTIPLE DE

ADMISIÓN


Colectores del tipo simétrico


Caldeo de los colectores


DISTRIBUCIÓN VARIABLE

Permite que en el período de cruce de válvulas exista unarecirculación interna de los gases de escape (en la fase deadmisión válvula de escape abierta y por el descenso delpistón, una cierta cantidad de gases quemados sonaspirados). Esta recirculación aumenta cuando el régimen yla carga del motor son bajos.


TEMPERATURAS MÁS ALTAS DE

OPERACIÓN DEL MOTOR


MEJORAS EN EL SISTEMA DE

COMBUSTIBLE


Utilización de sistemas de inyección de

combustible


Controladores


MEJORAS EN EL SISTEMA DE

ENCENDIDO


Encendido electrónico de alta potencia


Encendido electrónico con avance de carga (por

vacío) y velocidad, totalmente electrónico (el

distribuidor solo lleva rotor y tapa de distribuidor

de alta tensión), siendo estas funciones asumidas

por una computadora.


Encendido electrónico con dos bujías por cilindro.


Encendido electrónico con una bobina para cada

dos cilindros, elimina la posibilidad de usar rotor

y tapa de distribuidor (DIS).


Encendido con una bobina para cada bujía,

elimina la necesidad de emplear cables de

encendido de alta tensión (EDIS)


INCREMENTO DE LA EFICIENCIA

DEL VEHÍCULO


Menor peso en los diseños vehiculares


Menor resistencia al aire


Mejora de la transmisión


Frenos regenerativos


SISTEMAS DE CONTROL DE

EMISIONES


Los gases de escape corresponden solo al 60% de

la contaminación emitida por el vehículo, el

porcentaje restante corresponde en un 20% a las

emisiones evaporativas de los depósitos de

gasolina, como el tanque de combustible y la cuba

del carburador y en otro 20% a los residuos de la

combustión que escapan de la cámara hacia el

interior del motor y a los vapores del cárter


SISTEMA DE CONTROL DE

EMISIONES EVAPORATIVAS

Evita que los vapores generados en el tanque decombustible salgan a la atmosfera, condensándolospara ser utilizados.


Canister o filtro de carbón activo

El canister o "bote" como también se le denomina, contiene carbónactivo con el fin de retener provisionalmente los hidrocarburosevaporados del depósito de gasolina y de la cuba del carburador.La válvula de control establece o interrumpe la aspiración de loshidrocarburos por el motor.

Un filtro impide la entrada de polvo que podría ser arrastrado por lacirculación de aire que atraviesa el "bote" (canister), cuando seestablece la unión colector de admisión con este.


Disposición sobre el vehículo


FTPS


SISTEMA DE VENTILACIÓN

POSITIVA DEL CÁRTER (PCV)

Durante el funcionamiento del motor, y debido a laspresiones y altas temperaturas a que está sometidoel aceite del engrase, se produce la oxidación ydescomposición del mismo, produciendo vaporescontaminantes.


VENTILACIÓN ABIERTA


VENTILACIÓN CERRADA

La ventilación cerrada, que actualmente es obligatoria,consiste en conectar el tubo de salida de gases al colectorde admisión, y de esta forma los vapores son devueltos alinterior de los cilindros, donde se queman juntamente conla mezcla.


Focos y comportamiento de motores de ciclo Otto y Diesel


SISTEMA DE RECIRCULACIÓN DE

GASES DE ESCAPE


EGR eléctrica comandada por la UCE


Esquema de conjunto de la EGR eléctrica accionada por la UCE


AVERÍAS

Síntomas

Sacudidas, ralentí brusco o potencia deficiente.

Causas

Las causas que provocan que el aire de aspiración o

de carga sea muy aceitoso pueden residir en averías

dentro del sistema de purga del cárter del cigüeñal,

en cojinetes desgastados, tubos de retorno obstruidos

en el turbocompresor, retenes de válvulas o guías

desgastados, uso de aceites motrices de mala calidad

o nivel muy elevado de aceite en el motor.

El sistema de inyección puede fallar también debido a

la presencia de cantidades inhabituales de

sedimentos.


Las válvulas EGR pueden dañarse ocasionalmente por el caloraunque ellas estén concebidas para resistir altas temperaturasen el sistema de gases de escape. Una contrapresióndemasiado elevada o una válvula de descarga ("wastegatevalve") del turbocompresor que no se abra.

En el caso de las válvulas EGR neumáticas, la causa posiblede las fallas puede hallarse en todo el sector del mando devacío (bomba y tuberías de vacío, válvulas solenoides).

Las válvulas EGR eléctricas y las solenoides se activan lamayoría de las veces mediante un sistema de diagnóstico conelemento regulador efectuado por el sistema comprobador delmotor.

La conexión de una válvula que funciona produce un ruido quese puede escuchar levemente cuando el motor está parado.

PrecaucionesSi se monta una nueva EGR después de haber reparado unaavería y el automóvil sigue comportándose como si la válvulano hubiera sido cambiada, el instrumento tendrá que volverreprogramar sus funciones.

Si un componente está efectivamente dañado, limpiarlo nosolucionará el problema. Si los componentes que funcionanbien son tratados de dicha manera pueden dañarse allimpiarlos.


CATALIZADORES

En el ámbito automotriz los catalizadores, o

también llamados convertidores catalíticos, nos

permiten modificar los gases que el automóvil

emana antes de ser liberados a la atmósfera.


Composición


Sonda lambda II

(sonda después

del catalizador)

El caso de dos sondas lambda

Antes del

catalizador


INYECCIÓN DE AIRE

SECUNDARIO


Relé de bomba de aire secundario

Bomba de aire secundario

Válvula de inyección de aire secundario

Válvula combinada

Catalizador

Unidad de control del motor

Medidor de la masa de aire

Sensor de temperatura a la salida del motor

Sonda lambda precatalizador

Sonda lambda postcatalizador

Sensor de régimen


CATALIZADOR DE OXIDACIÓN

DIESEL (DOC)


FILTRO DE PARTÍCULAS


REDUCCIÓN CATALÍTICA

SELECTIVA (SCR)


ADBLUE O SOLUCIÓN DE ÚREA


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