Emisiones contaminantes en vehículos

Las emisiones contaminantes en motores de combustión interna han llegado a ser un problema medioambiental muy importante, con consecuencias en la salud de las personas y demás seres vivos y también en el calentamiento global de la temperatura del planeta. Es por ello que los gobiernos han decidido poner en marcha medidas drásticas para reducir estas emisiones de gases no deseables para el medio ambiente.

Los tipos más comunes de Motores de combustión interna son:

1. El motor de explosión según ciclo Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo desarrolló, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina.
2. El motor diésel, llamado así en honor del ingeniero alemán Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo.
3. La turbina de gas.
4. El motor rotativo o Motor Wankel.

En los vehículos los motores más utilizados son los dos primeros. Entendemos por vehículo los automóviles de turismo, camiones, autobuses,​ furgonetas,​ motocicletas, motocarros y cuatriciclos.

• EMISIONES CONTAMINANTES:

Centrándonos en las emisiones producidas en la tubería de escape tenemos entre los principales elementos los siguientes:

• Hidrocarburos: son partículas que no reaccionaron en la combustión o lo hicieron parcialmente, y es el mayor contribuyente de lo que se conoce como el smog de las ciudades, reconocido como altamente tóxico para la salud. Pueden causar daños y problemas en el hígado así como cáncer si se está continuamente expuesto a este elemento.
• Óxido de nitrógeno (NOx): Son generados cuando el nitrógeno reacciona con el oxígeno del aire bajo las condiciones de alta temperatura y presión que se presentan dentro del motor. Las emisiones de estos óxidos de nitrógeno contribuyen también a la creación del smog, así como a la formación de la lluvia ácida.
• Monóxido de carbono (CO): Es un resultado de la combustión incompleta debido a la ineficiencia de estas tecnologías. Uno de los efectos nocivos es que disminuye la capacidad natural de la sangre para cargar oxígeno en las células, lo que conlleva peligrosos riesgos de enfermedad cardíaca.
• Dióxido de carbono (CO2): Las emisiones del dióxido de carbono son un aspecto de gran preocupación en el marco del calentamiento global puesto que es un gas que produce efecto invernadero, cada vez más común.

• EMISIONES SEGUN EL TIPO DE MOTOR:

 

• EMISION DE PARTÍCULAS:
  

• NORMAS EURO DE EMISIONES:

 

Las normas de emisión se definen en una serie de directivas de la Unión Europea con implantación progresiva que son cada vez más restrictivas. Actualmente, las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOX), Hidrocarburos (HC), Monóxido de carbono (CO) y partículas están reguladas para la mayoría de los tipos de vehículos, incluyendo automóviles, camiones, trenes, tractores y máquinas similares, barcazas, pero excluyendo los barcos de navegación marítima y los aviones. Para cada tipo de vehículo se aplican normas diferentes. El cumplimiento se determina controlando el funcionamiento del motor en un ciclo de ensayos normalizado. Los vehículos nuevos no conformes tienen prohibida su venta en la Unión Europea, pero las normas nuevas no son aplicables a los vehículos que ya están en circulación. En estas normas no se obliga el uso de una tecnología en concreto para limitar las emisiones de contaminantes, aunque se consideran las técnicas disponibles a la hora de establecer las normas.

• TENDENCIA EVOLUCION FUTURA:

ENLACES:

• Norma europea sobre emisiones contaminantes
• Tecnologías para reducir los NOx en motores diésel 
• Análisis CFD de un motor de 2T 
  
• Problemas de emisiones al pasar la ITV con un Nissan Primera 2.0L gasolina
  

 

ARTÍCULOS CIENTÍFICOS:

• Lamas, M.I.; Rodriguez, C.G. NOx reduction in diesel-hydrogen engines using different strategies of ammonia injection. Energies, vol. 12, 1255, 2019.
• Lamas, M.I.; Rodríguez, C.G. Numerical model to analyze NOx reduction by ammonia injection in diesel-hydrogen engines. International Journal of Hydrogen Energy, vol. 42, pp. 26132-26141, 2017.
• Lamas Galdo, M.I.; Rodríguez Vidal, C.G.; Rodríguez García, J.D. Modelo de mecánica de fluidos computacional para el estudio de la combustión en un motor diesel de cuatro tiempos. DYNA, vol. 88(1), pp. 91-98, 2013.
• Lamas Galdo, M.I.; Rodríguez Vidal, C.G.; Rodríguez García, J.D. Aplicación del método level set para modelar el proceso de combustión premezclada en un motor Otto de dos tiempos. Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, vol. 29, pp. 234-240, 2013. 
• Maria Isabel Lamas Galdo; Laura Castro-Santos; Carlos G. Rodriguez Vidal. Numerical analysis of NOx reduction using ammonia injection and comparison with water injection. Journal of Maritime Science and Engineering, vol. 8, 109, 2020. 
• Maria Isabel Lamas Galdo; Juan de Dios Rodríguez, Jose Manuel Rebollido. Numerical Model to Analyze the Physicochemical Mechanisms Involved in CO2 Absorption by an Aqueous Ammonia Droplet. Int. J. Environ. Res. Public Health 2021, 18(8), 4119.

 

Tecnologías para reducir los NOx en motores diésel

Los motores que más NOx producen son los diésel modernos debido a que las altas temperaturas y presiones de combustión, provocando que se disocie el Nitrógeno del aire pasando a combinarse con el Oxígeno, estos gases entran con el aire comburente del motor, que en los motores que trabajan en ciclo diésel siempre ván en exceso respecto a la mezcla estequiométrica. 

Las condiciones que propician la generación de NOx se da en los motores diésel de última generación, ya que las altas temperturas y presiones de combustión, unido al exceso de aire favorecen la mejora del rendimiento térmico de estos motores, es decir producción de elevada potencia y a la vez bajos consumos de combustible.

 

Estos gases NOx se ha demostrado que son muy perjudiciales para la salud, por lo que es necesario modificar los motores para evitar la salida a la atmófera de estos gases dañinos, o al menos reducir su emisión en un porcentaje significativo, el cual está regulado por la normativa en vigor (en Europa actualmente Euro 6), la cual fija los límites máximos que deben de cumplir las motores según sea su aplicación. Los cuatro métodos para reducir los óxidos de nitrógeno en los gases de escape son las siguientes:

1. RECIRCULACIÓN DE GASES
2. TRAMPA DE NOx
3. ADBLUE
4. ADBLUE + TRAMPA

Debido a sus efectos adversos en la salud se han regulado sus niveles con normas ambientales y/o sanitarias. En la Unión Europea, la Directiva europea 50/2008 (que cada estado miembro debe trasponer a su legislación, en España lo hizo el RD 102/2011) fija los niveles máximos horarios, el nivel máximo de media anual, y el número máximo de días en que se pueden superar los niveles máximos horarios. En España muchas zonas urbanas no cumplen estos niveles.

Por medio del análisis CFD se puede reproducir de forma virtual los que sucede en el interior del cilindro durante el proceso de combustión y renovación de la carga, teniendo en cuenta la influencia de multitud de factores. En el campo de los motores diesel, el análisis CFD es especialmente útil porque un prototipo experimental es extremadamente costoso y la construcción de un modelo a escala a veces no es suficientemente preciso.

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ENLACES:

• Normativa de emisiones en Europa
• Análisis CFD de un motor de 2T 
• Motor fueraborda Evinrude E-TEC 175 - 200 hp
• Bimota V-DUE (motor 2T inyección)
• Ford Fiesta con motor 2T inyección
• Fairbaks Morse 38D8-1/8 (1937)  
• Walter Kaaden, inventor de escape con cámara de expansión
• Motores fueraborda Seven Marine
• Motores Vellino 
• Motores Ayon
• Motores Campeon
• Motores Rex
• Motor diesel Wartsilla 46

Problemas de emisiones al pasar la ITV con un Nissan Primera 2.0L gasolina

Un problema bastante recurrente cuando tenemos un coche con ciertos años encima es que que no pase la ITV por tener altos niveles de emisiones contaminantes.

El problema suele aparecer tarde o temprano, conforme se van envejeciendo las partes internas del motor, hasta que llega el momento de que no pasa la ITV. 

El problema viene en ese momento, debido a que meter un coche de más de 10 años, con un precio residual bastante bajo, en un taller y cambiar algunas piezas caras como puede ser el caudalímetro, la sonda lambda o el catalizador, puede suponer unos costes que superen con creces el precio del propio coche, y además teniendo en cuenta que por tener todas esas piezas nuevas, el coche apenas va a recuperar su valor.

Nissan Primera SE (P11), motor 2.0 L DOHC, 150 CV a 6.100 rpm.

Este problema me ha sucedido con un Nissan Primera recientemente, por lo que vamos a explicar una serie de comprobaciones y trucos que pueden ayudar a pasar la ITV ahorrando bastantes Euros.

PROBLEMA AL PASAR ITV

Uno de mis coches es un NISSAN PRIMERA SE, modelo P11 de 1998, por lo que ahora tiene exactamente 20 años, lleva un motor tipo SR20DE, 2000 cm³, gasolina, DOHC, 16 válvulas y sistema de alimentación con inyección electrónica multipunto.

Motor Nissan SR20DE, DOHC, 4 valvulas por cilindro, inyección electrónica indirecta  multipunto.

Hasta ahora fue pasando la ITV perfectamente, con 270.000 Km todavía tiene el escape y catalizador de fábrica, sin embargo en la ITV de este año el resultado fue desfavorable. Los resultados son mostrados en la tabla siguiente, comparandolos con los del año anterior:

Año	CO ralentí (limite 0,5%)	CO acelerado (limite 0,30%)	Lambda (límite 1,03)	ITV
2017	0,10 %	0,28	1,018	Pasa
2018	0,11	0,53	1,016	No pasa

Como se puede observar el problema fue con "CO acelerado" que dio un valor bastante alto, muy por encima del límite 0,30%. El lambda (es la inversa del dosado relativo) tiene valor superior a 1, por lo cual quiere decir dosado relativo pobre (más aire que el correspondiente a dosado estequiométrico), lo cual nos indica que el sistema de inyección está tratando de corregir la presencia de CO en los gases de escape, que es detectado por medio de la sonda Lambda.

LIMITES EMISIONES ITV:

Los límites para pasar la ITV para vehículos de gasolina con catalizador son los siguientes:

Límites en la medición con el motor en ralentí: El máximo autorizado de CO en los gases de escape, será el declarado por el fabricante del vehículo, si no se conocen, serán:

·         Vehículos matriculados por primera vez antes del 01/07/02: CO 0,5% vol

·         Vehículos matriculados por primera vez después del 01/07/02: CO 0,3% vol

·         Los valores declarados por el fabricante no podrán ser superiores a los anteriores, en ningún caso

Límites en la medición con el motor en ralentí acelerado: El máximo autorizado de CO en los gases de escape, será el declarado por el fabricante del vehículo, si no se conocen, serán:

·         CO 0,3% vol

·         Vehículos matriculados por primera vez a partir del 01/07/02: CO 0,2% vol

·         Valor del coeficiente Lambda (λ). El valor de este coeficiente, medido de acuerdo con la fórmula de Brettschneider, debe estar de acuerdo con las especificaciones del fabricante. Si este valor no se conoce, el valor deberá estar comprendido en el intervalo: λ =1 ∓ 0,03.

   

En caso de que no se cumpla alguna de las condiciones anteriores, se realizará otra segunda serie de medidas. Si el vehículo no cumple será rechazado.

A fin de evitar ensayos innecesarios, no obstante lo dispuesto en el párrafo anterior, se podrán rechazar vehículos que hayan presentado valores superiores en un 50% a los valores límite.

SOLUCION EMISIONES ITV:

La segunda inspección en la ITV es gratuita, sin embargo si tiene que ir una tercera vez hay que volver a pagar las tasas. En caso de pasar más de tres meses el coche no podrá circular y lo tiene que llevar la grúa.

Motor Nissan SR20DE, cuatro cilindros montado en sentido tranversal en el vano capot del Nissan Primera. Las bujías van montadas en vertical en el centro de la culata de cuatro válvulas por cilindro.

La diagnosis del problema nos da como resultado que se está produciendo una combustión incompleta, por eso aparece CO (monóxido de carbono), el motivo, entre otros, puede proceder de las siguientes causas:

• Filtro de aire atascado.
• Bujías gastadas.
• Sonda Lambda.
• Catalizador.
• Inyectores sucios o gastados.
• Caudalímetro dañado.

El siguiente paso es ir uno por uno analizando y si es posible descartando las posibles causas el problema, empezando siempre por lo más económico:

1. Cambio de filtro de aire, ya que tenía 30.000Km, precio 9€.
2. Quitar bujías y ver su estado, color perfecto, pero tiene 70.000 km, se cambian, precio 22€.
3. Inyectores sucios, se intenta solucionar con un aditivo añadido a la gasolina (Wings), precio del bote de aditivo limpia-inyectores 8,50€.
4. Fallo en sonda Lambda, si falla debería dar una señal de avería en el cuadro, además parece que regula a un dosado pobre para evistar la formación de CO, por lo que en principio se descarta como fallo.
5. Caudalímetro dañado, debería dar error en el cuadro también, y notarse en la potencia del motor de forma más evidente, por lo que se descarta como fallo.
6. Catalizador dañado, debería dar valores más altos en todas las condiciones, CO al relenti y CO acelerado,  por lo que se descarta como fallo.

Total gasto, por el momento: 39,50€.

Estado de las bujías Bosh después de 70.000 Km, tiene el color correcto, síntoma de una combustión adecuada, aunque no quiere decir que esté lo suficientemente afinada para pasar la ITV.

Ahora ya estamos preparados para realizar el segundo intento de pasar la ITV, pero para ir más seguros se puede hacer lo siguiente:

1- Cambiar a gasolina de 98 octanos, es más cara pero quema mejor. Gasté medio depósito de 98 con aditivo Wings limpia inyectores.

2- Llegar a la ITV con el motor bien caliente, llevándolo a más de 3000 rpm para que se caliente bien el catalizador. No parar el motor aunque haya que esperar.

3- Ir a la ITV a primera hora de la mañana, con la fresca, hay más oxígeno y eso es bueno para la combustión completa.

4- Esto es opcional en caso de estar todavía con dudas, quitar el filtro del aire, se corre el riesgo de que entren partículas en  los cilindros, por lo que previamente hay que limpiar bien la caja del filtro del aire. Se debe andar lo menos posible sin el filtro, parar justo en la entrada de la ITV quitarlo y una vez salimos se lo volvemos a colocar, en el Nissan Primera es cosa de 1 minuto.

Con todo esto debería pasar la ITV sin problemas, en caso contrario el coche debería pasar por un taller para revisarlo más a fondo, podría ser el catalizador, sonda lambda, inyectores, etc.

En el caso de mi Nissan Primera pasó la ITV con unos valores realmente buenos, por lo que las soluciones adoptadas dieron muy buen resultado, quedaron así:

Año	CO ralentí (limite 0,5%)	CO acelerado (limite 0,30%)	Lambda (límite 1,03)	ITV
2018	0,08	0,18	1,011	Pasa

 

Tapa de culata del Motor Nissan SR20DE, para extrtaer las bujías hay que quitar primero la pipa tirando por la parte superior, nunca por el cable. Con una llave de vaso para bujías con extensor se quita la bujía, al montarla se debe roscar aprimero a mano, y luego apretar con la llave con cuidado de no superar el par de apriete recomendado por el fabricante.

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