REDUCCIÓN DE NOX EN MACI DIÉSEL EN AUTOMOCIÓN

1 ¿Qué es el NOx?

Los óxidos de nitrógeno son un grupo de gases compuestos por óxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2). El término NOX se refiere a la combinación de ambas sustancias.

El dióxido de nitrógeno es el principal contaminante de los óxidos de nitrógeno, y se forma como subproducto en todas las combustiones llevadas a cabo a altas temperaturas. Es un gas tóxico, irritante y que forma partículas de nitrato, que conllevan la producción de ácidos y elevados niveles de partículas en suspensión en el ambiente. Presenta buena solubilidad en agua, reacciona y forma ácido nítrico (HNO3) según la reacción: NO2 + H2O -> 2 HNO3 + NO. Esta sustancia es un oxidante fuerte y reacciona violentamente con materiales combustibles y reductores, pudiendo atacar materiales metálicos en presencia de agua.

Las fuentes más comunes de óxidos de nitrógeno en la naturaleza, son la descomposición bacteriana de nitratos orgánicos, los incendios forestales, quema de rastrojos y la actividad volcánica. Mientras que las principales fuentes antropogénicas de emisión se producen en los escapes de los vehículos motorizados y en la quema de combustibles fósiles. [5]

2 ¿Qué es un MACI diésel?

Los motores alternativos de combustión interna son motores térmicos en los que los gases generados en la reacción exotérmica que resultan de un proceso de combustión, empujan a un pistón en un movimiento alternativo, desplazándolo en el interior de un cilindro y haciendo girar un cigüeñal, obteniendo finalmente un movimiento de rotación.

Un motor diésel funciona mediante la ignición del combustible al ser inyectado muy pulverizado y con alta presión en una cámara de combustión que contiene aire a una temperatura superior a la temperatura de autocombustión, por ello se produce la combustión al entra en contacto el aire con el combustible sin necesidad de chispa como si es necesario en los motores de gasolina. [4]

Al ascender el pistón, el aire se comprime lo que provoca un notable aumento en la presión y la temperatura. El combustible se inyecta en la parte superior de la cámara de combustión a gran presión desde unos orificios muy pequeños que tiene el inyector, de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura (entre 700 y 900 °C) y alta presión. Al entrar en contacto se produce la combustión que ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia fuera. [1]

Esta expansión, a diferencia del motor de gasolina, es adiabática, generando un movimiento rectilíneo a través de la carrera del pistón. La biela transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento rectilíneo alternativo (de va y viene, ida y vuelta) del pistón en un movimiento de rotación. [2] [8]

3 Normativa y límite de emisiones

3.1 Normativa EURO

3.1.1 ¿Qué es?

De momento, desde la Normativa EURO 0, se han legislado un total de siete, hasta la Normativa EURO 6, la actual y vigente, que ya ha sufrido diversas modificaciones en sus escritos y edictos actuales.

Al referirnos a esta normativa, nos estamos centrando en las diversas legislaciones que ha puesto en marcha la Unión Europea desde 1988 para reducir las emisiones contaminantes de los vehículos que se fabrican y se comercializan en el territorio de los países que forman la UE, tanto en el siglo XX como en los que se han unido durante el siglo XXI y los que podrían hacerlo próximamente. [11]

Tabla 1. Evolución de la normativa Euro [6]

Tipo Fecha CO (g/km) Hidrocarburos + NOx (g/km) NOx (g/km) PM (g/km)

Euro 1 Julio 1992 2.72 0.97 - 0.14

Euro 2 Enero 1996 1 0.7 - 0.08

Euro 3 Enero 2000 0.64 0.56 0.50 0.05

Euro 4 Enero 2005 0.50 0.30 0.25 0.025

Euro 5 Septiembre 2009 0.50 0.23 0.18 0.005

Euro 6 Septiembre 2014 0.50 0.17 0.08 0.005

Ilustración 1. Evolución de la tecnología con la normativa EURO [7]

3.1.2 EURO 6

Es la normativa que actualmente está en vigor, ya está en su fase C, aunque la D entrará en vigor en 2020. Se promulgó en 2014 y ha sufrido ya varias revisiones, cada cual más dura que la anterior.

Pero el futuro se espera todavía más restrictivo. Con la Normativa EURO 6C y 6D se pretende reducir drásticamente los cinco marcadores de emisiones más preocupantes, que son el monóxido de carbono, los hidrocarburos, los hidrocarburos con óxido de nitrógeno, los propios óxidos de nitrógeno y las partículas sólidas o aerosoles. [6] [11]

3.2 Normativa China

Aunque el programa de control de emisiones de vehículos de China se remonta a principios de la década de 1980, el programa de control moderno a nivel nacional comenzó a fines de la década de 1990, en ese momento China a implementar estándares de emisión de escape siguiendo el modelo europeo. Las normas de emisiones de China, son casi idénticas a las de Europa en términos de valores límite, ciclos de prueba y otros parámetros, se conocen como China I (equivalente a Euro 1), China II (equivalente a Euro 2), etc.

Tabla 2. Evolución de la normativa China. [6]

Tipo CO (g/km) Hidrocarburos + NOx (g/km) NOx (g/km) PM (g/km)

China III 0.64 0.56 0.50 0.05

China IV 0.50 0.30 0.25 0.025

China 5 0.50 0.23 0.18 0.0045

China 6a 0.70 - 0.06 0.0045

China 6b 0.50 - 0.035 0.003

Tabla 3. Fechas de implementación de la normativa China. [6]

La actual normativa es la China 5, ya que la China 6a y 6b no entrarán en vigor hasta 2020 y 2023 respectivamente.

3.3 Normativa Japón

En Japón se establecen dos tipos de estándares de emisión de gases de escape, que se indican como "media" y "máxima". Los estándares de "media" son los que deben de cumplir todos los vehículos producidos, mientas que los estándares "máximos" se deben cumplir en los vehículos cuyas ventas sean menores a 2000 por modelo de vehículo al año. Los estándares "max" se muestran entre paréntesis en las siguientes tablas. [6]

Tabla 4. Evolución de la normativa de Japón. [6]

3.4 Normativa India

A finales de los años 80 y 90, la India comenzó a reducir sus límites permisibles de emisiones contaminantes de sus vehículos. Después de 2000, India adoptó el modelo europeo de emisiones de vehículos, creando estándares "Bharat" paralelos (por ejemplo, los estándares Bharat III son equivalentes a los estándares Euro 3). Actualmente solo en algunas determinadas ciudades del país las emisiones de los vehículos están reguladas mediante la Bharat IV, en el resto de la India es el estándar Bharat III quién rige la cantidad de emisiones permitidas. El estándar Bharat VI (equivalente al Euro 6) está ya aprobado desde 2016 pero no entrará en vigor hasta el año 2020.

Tabla 5. Evolución de la normativa India. [6]

Los datos que vamos a analizar se corresponden con la primera fila de cada estándar, que corresponde a los vehículos particulares para el transporte de personas. [6]

3.5 Análisis

Podemos observar una tendencia a reducir todo tipo de emisiones contaminantes en las distintas zonas analizadas. La normativa europea es la que está sirviendo de base al resto de países para intentar reducir la emisión de este tipo de gases en cada una de las distintas normativas. En el futuro se espera que estas medidas sean aún más restrictivas y que otro tipo de vehículos como pueden ser los eléctricos sean los más utilizados para evitar los problemas que causan la emisión de dichos cases contaminantes.

4 Tecnología

Primero lo que debemos saber es cuál es el motivo por el cuál un coche contamina. Es por ello que hay que tener claro que los motores de combustión son una pequeña planta química, ya sean de Diésel, gasolina, etanol, etc... las cuales transforman la energía de un combustible al quemarse en energía cinética. Quemando un combustible dentro del motor generamos calor, productos químicos y energía cinética (movimiento).

En un motor Diésel se emiten menos gases, pero las moléculas son más peligrosas que en los motores de gasolina. El problema de las emisiones de NOx ha hecho saltar las alarmas en las mecánicas Diésel (que hasta ahora son las que mayor emisión de NOx generaban), aunque los motores de gasolina de inyección directa también empiezan a generar este tipo de gases tan peligrosos al aumentar la compresión y el exceso de aire en el proceso químico.

En nuestro caso nos centramos en el análisis de la reducción del NOx aunque existen varios contaminantes más que son perjudiciales como el CO, CO2, HC, Benzopirenos, Óxidos de azufre.

Existen varios tipos de tecnologías para la reducción de NOx entre los que se encuentran los siguientes.

4.1 Sensor de oxigeno o sonda Lambda

El motor por sí solo no puede controlar los porcentajes de aire y combustible que entran en la cámara de combustión. Para poder controlar la mezcla es necesario de un elemento sensor, que indique, el porcentaje de aire y combustible que entra en el motor. A este dispositivo se le llama sensor de oxigeno o sonda Lambda. Este sensor analiza los gases de escape situado a la salida del colector de escape del motor, y envía información constantemente a la gestión electrónica del motor que adecua la mezcla en función de necesidades del vehículo.

La sonda lambda va situada en el colector de escape antes del catalizador de oxidación y con ella es posible determinar el contenido de oxígeno en los gases de escape, disponiendo para ello de un extenso margen de medición. Con relación al sistema de filtración

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