3. Emisiones contaminantes. TEMA 11. CONDUCTOR – GRUPO IV – JCCM

EMISIONES CONTAMINANTES.

Los motores de combustión interna son emisores de sustancias contaminante. El quemado de combustibles fósiles con objeto de utilizar su potencia calorífico para convertirlo en energía mecánica genera gases que provocan efectos indeseables en el medio ambiente. Estos gases los cuales tienen en su mayoría un efecto invernadero, (crean unas condiciones tales que dificultan la transmisión de calor desde la atmosfera al espacio), algunos de los cuales tienen un origen natural, como el dióxido de carbono, el vapor de agua o los óxidos de nitrógeno y otros un origen artificial como los gases clorofluorocarbonados (CFC).

Es objeto de sucesivas iniciativas legislativas por parte de los poderes públicos la reducción de emisiones contaminantes, tanto desde niveles comunitarios hasta decisiones a nivel local. Se han tomado medidas como reducir los niveles de emisión de sustancias contaminantes, crear zonas de bajas emisiones en las ciudades restringiendo el uso de automóviles con mayor potencial contaminante, etc.

Se calcula que el impacto de las emisiones del transporte en relación con los gases emitidos es:

Para controlar el nivel de emisiones de los motores, la Unión Europea publica los requisitos de límites específicos a la cantidad de contaminantes que pueden ser expulsados al ambiente. Estas son Directivas de obligado cumplimiento, denominadas Euro. La última publicada es la Euro-6, que está en vigor desde 1 de septiembre de 2014 y se prevé la publicación en breve de la Euro-7, la cual se anticipa mucho más restrictiva que la actual.

1. GASES EMITIDOS POR LOS AUTOMÓVILES.

Los principales gases que emite el tubo de escape de un automóvil son:

• Nitrógeno N₂: 71%
• Dióxido de carbono CO₂: 18%
• Agua H₂O: 9%
• Oxígeno y gases nobles O₂: 1%
• Otros contaminantes tóxicos o nocivos: 1%

Por cada litro de combustible que se introduce en un motor se emiten aproximadamente unos 2,6 kg de CO₂ a la atmósfera, con independencia del tipo de combustible. No obstante la combustión de gasóleo emite más óxidos de nitrógeno y partículas sólidas (ceniza) que un motor de gasolina. Por otro lado el motor de gasolina emite cantidades superiores de monóxido de carbono (tóxico) e hidrocarburos sin quemar (cancerígenos) que un motor diésel. Lo que nos deja un montante de emisiones contaminantes bastante equiparados a la hora de determinar qué tipo de motor es más
contaminante.

Como vemos los gases que tienen un efecto adverso en el medio ambiente son el CO₂, por el efecto de calentamiento global que produce y los contaminantes declarados como tóxicos o nocivos, que aun cuando su emisión es muy pequeña, debido a la gran cantidad de automóviles que los vierten, hace que la concentración en la atmósfera sea significativa. Estos son:

• Monóxido de carbono, en un 85% del total de gases emitidos.
• Anhidrido sulfuroso, 1,5% del total.
• Óxidos de nitrógeno, 8%.
• Hidrocarburos sin quemar, 1,5%.
• Partículas de hollín, 0,5%.

2. PRINCIPALES ELEMENTOS CONTAMINANTES.

En un automóvil podemos diferenciar hasta cuatro fuentes distintas de contaminantes, la mayoría de ellos gases y partículas en suspensión:

• Rozamientos y desgastes: Tanto los neumáticos como las pastillas de freno y forros del embrague, debido al desgaste a que se ven sometidos en su cometido, emiten a la atmósfera pequeñas cantidades de partículas y polvo. En la actualidad debido a los estándares de fabricación no es relevante este tipo de contaminación.
• Combustible evaporado del depósito: Evitar repostar en las horas centrales del día donde el calor del sol potencia la evaporación. Es recomendable estacionar en lugares sombríos y en el interior de los edificios.
• Gases procedentes del Carter: Las holguras en los segmentos del pistón camisas del cilindro y los gases que emite el aceite del Carter a altas temperaturas son responsable de emisiones que fluyen al exterior a través de respiraderos y válvulas. Estos deben de ser recirculados al interior de los cilindros para su quemado.
• Gases de escape: Estos son los verdaderamente responsables de la práctica totalidad de emisiones contaminantes a la atmósfera en forma de CO₂, oxido de nitrógenos, monóxido de carbono, compuestos ácidos, … y del 55% de los hidrocarburos sin quemar.

Características de los principales contaminantes:

• Monóxido de carbono CO: Producto de una combustión incompleta del combustible fósil, principalmente gasolina: Producto tóxico que origina una disminución del nivel de oxígeno en sangre, pudiendo provocar incluso la muerte. A niveles no letales produce fatiga, estrés, dolores de cabeza y problemas cardiovasculares. También contribuye a la formación de ozono.
• Dióxido de Carbono CO₂: Principal causante del efecto invernadero. Es producto de la combustión del gasóleo y la gasolina en similares proporciones. La única forma de reducir este tipo de emisión es consumir menos combustible.
• Óxidos de Nitrógeno NO_x: No es fácil encontrarlo en la naturaleza y se produce por la reacción entre el nitrógeno y el oxígeno a altas temperaturas y altas presiones. Estas condiciones favorables se encuentran en el interior, sobre todo de los motores diésel en funcionamiento. Irritantes pulmonares y responsables de lluvia ácida.
• Hidrocarburos HC: compuestos orgánicos emitidos por el tubo de escape de un automóvil. Se dividen en compuestos orgánicos volátiles COV (benceno, tolueno, xileno, etc) y otros grupos orgánicos como los hidrocarburos aromáticos policíclicos HAP. Son cancerígenos.
• Anhídrido sulfuroso SO₂: Se forman en los motores diésel por oxidación del azufre que contiene el gasóleo. Generan problemas respiratorios y también responsables de la lluvia acida (al combinarse con agua forma ácido sulfúrico).
• Partículas y humos: Producto de la combustión del gasóleo. Al ser un aceite, producto no volátil, su ignición provoca hollín y ceniza. Las partículas más pequeñas penetran en el aparato respiratorio provocando afecciones y pudiendo transportar metales pesados e hidrocarburos. Molestias oculares.
• Plomo: Metal asociado a los aditivos antidetonantes de la gasolina. La introducción de gasolina sin plomo ha reducido ostensiblemente estas emisiones. Tóxico. Afecta al cerebro y al sistema nervioso, especialmente en niños y embarazadas.
• Metano CH₂: Aunque no está considerado como un contaminante la oxidación catalítica de los gases de escape a hecho que sus emisiones se incrementen.
• Ozono: Es una forma de oxígeno que a nivel del suelo es perjudicial para animales y plantas y que es producido por la combustión en los motores. A nivel estratosférico, el ozono es un elemento indispensable para la vida en la tierra ya que filtra las radiaciones ultravioletas.

Gases emitidos por la combustión:

Gasolina.
El motor de gasolina funciona con una mezcla de 15 partes de aire por 1 de gasolina (dosado) y las reacciones químicas y los gases emitidos son:

• Carbono + oxigeno, generan monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO₂).
• Carbono + hidrogeno, hidrocarburos no quemados (HC).
• Nitrógeno y oxigeno: óxidos de nitrógeno (NO_x), debido a las altas temperaturas y presiones que se alcanzan en el momento de la combustión.

Motores Diesel.
En estos motores la proporción de aire y combustible oscila entre las 15:1 y las 40:1. Las reacciones químicas y contaminantes son las mismas que en el motor de gasolina, aportando además partículas de hollín y compuestos de azufre.

La relación entre los componentes emitidos por cada tipo de combustible:

• CO muy inferior en motores diésel.
• CO₂, muy similar en ambos.
• NO_x, mucho más elevados en motores diésel.
• Hidrocarburos sin quemar, muy inferior en motores diésel.
• Partículas de hollín y ceniza, en principio los motores de gasolina no emiten este tipo de contaminante y los motores diésel sí que lo hacen.

Ver: https://youtu.be/6Tq0TF4tRrE

Los gases de escape tienen importantes efectos nocivos sobre el ser humano:

• CO: Enfermedades cardíacas.
• HC: cancerígeno y afecciones respiratorias.
• NO_x: irritación ocular, afección respiratoria y cancerígena.
• Micropartículas MPC, potencia alergias y cancerígena.
• CO₂, inocuo para el ser humano pero potencia calentamiento global.

3. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Y ESCAPE.

Para entender apropiadamente cómo y por qué se generan las emisiones contaminantes y los procedimientos que la técnica está aportando para su reducción es necesario conocer cómo funciona el proceso de la admisión, combustión y escape en los motores térmicos.

Este sistema es muy similar en todos los motores de combustión. Lógicamente existen diferencias entre motores de gasolina, GLP o GNC y los motores Diesel. Estas diferencias, que entre los tres primeros son casi inexistentes, se presentan en el sistema de alimentación de combustible, forma de producirse la ignición de la mezcla combustible en el interior de los cilindros y el posterior tratamiento de los gases residuales, ya que en los tres primeros, el combustible, además de ser altamente volátil, en su combustión genera unos residuos en proporciones y combinaciones diferentes.

En cualquier caso ambos tipos de motores presentan una serie de elementos comunes:

• Un sistema de admisión formado por:
  o Un filtro de aire, que elimina las partículas sólidas presentes en el aquel y lo purifica, para ser introducido en el motor como comburente.
  o En determinados motores, principalmente diésel y en motores de gasolina de altas prestaciones, se halla intercalado un turbo compresor o compresor mecánico, con la misión de sobrealimentar el motor, introduciendo forzadamente aire al interior de los cilindros para mejorar el llenado de estos.
  o En este mismo tipo de motores, diésel o gasolina de altas prestaciones, se puede encontrar un elemento enfriador del aire de admisión, llamado “intercooler” o “intercambiador de calor”, con la misión de enfriar el aire de la admisión. El aire frío es más denso que el caliente y a igual volumen mayor cantidad. Los dispositivos compresores, al forzar la entrada del aire, suelen calentarlo, disminuyendo así la eficacia de la sobrealimentación. La instalación de este enfriador asegura un llenado más eficaz en el interior de los cilindros, mejorando las prestaciones y rendimiento del motor.
  Tanto el compresor como el intercooler no se utilizan en todos los motores, existen motores atmosféricos o de aspiración que no utilizan estos dispositivos.
  o Unos conductos llamados Colectores de Admisión para dirigir el flujo de aire a los distintos cilindros.

• Un sistema de distribución para permitir la entrada y salida de gases en los momentos adecuados de funcionamiento.

• Un sistema de alimentación de combustible y de ignición de la mezcla que es diferente según el motor sea de gasolina, gas o consuma gasóleo.
  o Motores de Gasolina y gas GLP – GNC: Un sistema de inyección de combustible lo lanza pulverizado en las cantidades justas y adecuadas a cada régimen de funcionamiento del motor, mezclándolo con el aire, el cual hará de comburente, logrando una mezcla totalmente homogénea, debido a la alta volatilidad de estos combustibles. Estos se introducen mezclados en el interior del cilindro. Esta mezcla, combinada en proporciones estequiométricas (proporción adecuada para una total combustión de los hidrocarburos), se le hace arder en el momento preciso mediante la ignición de una chispa eléctrica.
  Todo este proceso de introducción del combustible en sus cantidades justas y momento adecuado, así como el momento de ignición de la mezcla, está controlado por un microprocesador, que analiza las constantes del motor, velocidad del vehículo,

posición del acelerador, … con el concurso de otros parámetros más que permiten que el ordenador adopte las acciones programadas idóneas para conseguir un rendimiento optimo del motor y las menores emisiones contaminantes posibles.
o Los Motores Diesel aspiran únicamente aire, procurando que este llene totalmente el cilindro con la mayor cantidad posible. Una vez comprimido este aire, el cual alcanza altas temperaturas en el proceso de compresión, se le inyecta una fina niebla pulverizada de gasóleo, el cual al entrar en contacto con el aire caliente comienza a
arder, generando el momento de trabajo del motor.
Al igual que en los motores de gasolina, la cantidad y el momento de inyección del gasóleo está controlado por un microprocesador que interpreta y analiza las informaciones recibidas, para obtener el mejor aprovechamiento del combustible y menores emisiones.

Ver video: https://youtu.be/AEfgWoPCfRA diesel vs.gasolina

El vehículo también necesita de un sistema de escape y recirculación de gases que, debido a las diferencias entre los combustibles empleados, la forma de quemarse, la homogeneidad de las mezclas y las presiones y temperaturas alcanzadas en el interior de los cilindros, se hallaran en distintas proporciones en cada tipo de motor, incluso encontrándose diferencias entre los contaminantes emitidos.

Estos contaminantes son:

Esto va a requerir que el tratamiento residual de los gases sea diferente. Por lo tanto aun cuando la forma de los conductos de escape sea similar en ambos sistemas, el interior de estos alberga diferentes elementos:

Sistema de escape en un motor de gasolina:

En primer lugar, nos encontraremos los colectores de escape, que son comunes en ambos sistemas y cuya misión es dirigir los gases quemados al tubo de escape.

En los motores de gasolina, lo primero que encontraremos será el catalizador de 3 vías, elemento que convierte los hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono en dióxido de carbono, nitrógeno y agua, menos nocivos que los anteriores.

Esto lo consigue con la colaboración de la sonda Lambda, elemento que analiza los gases de escape y manda información a la unidad de control del motor la cual regula la cantidad de combustible inyectado y el momento de la ignición, para conseguir una relación estequiométrica Lambda 1 y un total quemado y aprovechamiento del combustible.

Motores Diesel:

Los motores diésel están dotados de la llamada válvula EGR (exhaut gas recirculation), algo que en los motores de gasolina no es habitual, aunque puede ser utilizada. Es un elemento que se utiliza para volver a introducir los gases de escape en los cilindros, con el fin de reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno y reducir el consumo de gasóleo en regímenes de marcha que requieren de mezclas ultra pobres.

Catalizador de oxidación o de dos vías, que convierte el monóxido de carbono y los hidrocarburos en dióxido de carbono y agua. Los motores Diesel no suelen llevar sonda lambda, aunque pueden estar dotados de ella, como analizador de gases de escape.

Ver video: https://youtu.be/X0v_d-JzPlM

Sistema SCR, (Reducción Catalítica Selectiva) Esta tecnología, específica de motores diésel, usa amoníaco para descomponer las peligrosas emisiones de NOX producidas por los motores diésel en nitrógeno y agua. En las aplicaciones automotrices, el sistema SCR entrega amoníaco a través de una solución de urea, (AdBlue), que se rocía en la corriente de escape mediante un sistema de inyección avanzado y luego se convierte en amoníaco en un catalizador especial.

Ver: https://www.motorpasion.com/revision/que-adblue-como-funciona-scr-catalizador-reduccion-selectiva-20210708

Filtro de partículas suele estar ubicado debajo del coche, cerca del motor y antes del tubo de escape. Éste filtra el hollín generado en la combustión a través de pequeñas
celdas que hay en su interior. Tiene unos sensores que captan cuándo se va alcanzando el límite de saturación de dicho filtro.

El FDP reduce la acumulación de hollín que sale a la atmósfera a través de un proceso llamado pirólisis (descomposición química de una materia). Para ello, cuando alcanza cerca del 40% de saturación de hollín, se elevan las temperaturas dentro del motor hasta forzar la regeneración del filtro de partículas. El termómetro asciende hasta los 700 ºC, momento en el que el hollín se quema y, de esta forma, sale más depurado al exterior.

Por supuesto en ambos sistemas es preceptivo la instalación de un sistema de reducción de ruidos (silenciador y resonador) para evitar la contaminación acústica producida por el funcionamiento del motor.

El coche realiza la regeneración del filtro de partículas automáticamente cada 1.000 kilómetros aproximadamente, y tarda entre dos y tres minutos. Durante ese proceso, es posible que escuches desde el interior un relé actuando o que notes un cierto olor a podrido por el tubo de escape. Es muy importante que durante la regeneración no pares el coche o, si no, el filtro no se habrá limpiado del todo. Cuando aparece el testigo del filtro de partículas, los fabricantes suelen recomendar salir a la carretera y circular durante un tiempo a 2.300 y 2.500 rpm con una marcha más corta de lo que lo harías normalmente. De hecho, circular por ciudad puede resultar perjudicial para el filtro de partículas, que necesita que el motor trabaje a esas revoluciones para que se vaya limpiando de vez en cuando.

4. OTROS CONTAMINANTES.

No solo la emisión producida por los gases del escape tiene efectos contaminantes, los aceites lubricantes, líquidos de freno y de accionamiento del embrague que caen a la vía y son arrastrados por la lluvia, los mismos vehículos abandonados o piezas de estos, etc., tienen efectos perniciosos sobre el medio ambiente y es necesario realizar una recogida selectiva y posterior tratamiento descontaminante, para minimizar su impacto.

Otro elemento contaminante es el ruido y las vibraciones producidas por los automóviles y su circulación lo que suele provocar estrés y falta de concentración que incrementan el nivel de riesgo de accidentes, además de las evidentes molestias.

Para evitar en lo posible el ruido producido por la circulación y lo automóviles, se suelen instalar pantallas acústicas en las carreteras y la utilización de pavimentos menos ruidosos en las vías. En los automóviles la utilización de elementos menos ruidosos en los motores, como la sustitución de la cadena de distribución por correa de gomas y piezas metálicas por otras plásticas, La utilización de elementos en el escape que amortiguan más eficazmente la expulsión de gases quemados, formas aerodinámicas optimizadas y nuevos compuestos en los neumáticos, colaboran en la reducción del ruido de los coches.