james h. whitelaw

Transporte y Emisiones Contaminantes gaseosas (Resumen).

En este trabajo se identifican las fuentes de emisiones contaminantes y se analizan la contribución del transporte y las distintas legislaciones vigentes. Se discuten los métodos para reducir las emisiones nocivas con énfasis en el control del flujo de aire, la aportación del combustible y la combustión. En el caso de los motores tanto de encendido por compresión (MEC) como encendido provocado (MEP), se analizan las ventajas del tratamiento de los gases de la combustión así como los beneficios de la combustión de mezclas pobres en los MEP y las turbinas de gas.

Introducción a las emisiones y reglamentos Los motores de la gran mayoría de los vehículos dedicados al transporte de personas y mercancías son tipo MEC o MEP con un número menor de barcos y aviones equipados con turbinas de gas. Los procesos de combustión que tienen lugar en los motores alternativos son aquellos con los que estamos ya familiarizados en muchos tipos de combustión, con las características específicas de encendido intermitente, propagación de la llama no estacionaria, confinamiento variable y presiones moderadamente altas. Por el contrario, la combustión en una turbina de gas es continua con un confinamiento constante y presiones que varían con la carga. En todos los casos, hay que buscar un balance entre la búsqueda de elevadas eficiencias del ciclo, con el correspondiente requerimiento de altas temperaturas máximas, baja concentración de hidrocarburos sin quemar (UHC) y monóxido de carbono (CO), y su posible consecuencia de altas concentraciones de óxido de nitrógeno (NOx). Los flujos no estacionarios de los motores de combustión interna y los requerimientos impuestos por os conductores conllevan la necesidad de ciclos repetitivos, la llama no debe apagarse en la cámara de combustión de las turbinas de gas, y éstas requieren temperaturas de parad menores que las de los gases quemados.

Es útil analizar las fuentes de contaminación atmosférica en un típico país industrializado como el Reino Unido. La figura 1 muestra que las emisiones de NOx proceden en partes iguales del transporte por carretera y de la producción del energía, pero esta última genera unas cantidades mucho mayores de dióxido de azufre, que es más nocivo, incluso cuando no hay radiación solar para producir la niebla fotoquímica. Por lo tanto, la inversión en la producción de vehículos eléctricos puede ser menos deseable de lo imaginado cuando se miden las emisiones nocivas y la energía total consumida.

De la medida de las características de la gota puede obtenerse información útil y la figura 5 muestra la variación de la velocidad de la gota, tamaño y cantidad en un punto del cilindro de un motor de dos válvulas estudiado por Vannobel y otros y Posylkin y otros. Es obvio que el número de gotas se reduce con el tiempo de residencia en la pipa, puesto que ésta permite su depósito y evaporación; también provoca que parte del líquido abandone la válvula en forma de gotas de gran diámetro y baja velocidad debido al desprendimiento de la película de líquido en las capas límites de baja velocidad. Por el contrario, la inyección con la válvula de admisión abierta conduce a mayor número de gotas y más rápidas con diámetros similares a los del chorro original, a pesar de que debe ocurrir algún tipo de atomización secundaria y formación de película.

FIGURA 5. Fuel droplets 15 mm below the inlet valve of a two-valve engine operating a 1.200 rpm; injection began at 0, 60, 360 and 600 crank-angle degrees after ITDC. Gotas de combustible 15 mm debajo de la válvula de admisión en un motor de dos válvulas funcionando a 1.200 rpm; la inyección comienza a 0, 60, 360 y 600 grados de giro del cigüeñal después del PMS de admisión.

Es probable que una inyección prematura, con la mayor parte del combustible entrando en el cilindro en forma de vapor, ayude a conseguir una carga homogénea, pero la mezcla con el flujo de aire restante todavía deber ser realizada y el nivel de éxito no puede ser medio directamente con una precisión aceptable. La utilización de EGR introduce una complicación adicional con mayores incertidumbres en el proceso de mezcla y en la propia medida.

El uso de inyección durante la carrera de aspiración puede ayudar a conseguir la estratificación de la mezcla, como describen Hardalupas y otros (1995), quienes combinaron sus información sobre gotas, velocidades locales, emisiones de NOx y estabilidad del motor. En su ensayo aportaron gotas sobre una vórtice transversal, transportándolas con evaporación con objeto de suministrar una zona localmente rica cerca de los electrodos de la bujía en el momento del encendido con una relación global aire-combustible del orden de 25: el experimentado LIF de Beckmüler y otros (1994) parece apoyar también este ensayo.

En cualquier caso, está claro que la preparación de una mezcla de aire y combustible predeterminado es incluso más difícil que la preparación de un campo de velocidades y turbulencia predeterminado y un método complementario es el de combinar una carga pobre casi homogénea, mediante una inyección precoz en la pipa, con la inyección en el cilindro de una pequeña cantidad de mezcla rica en la proximidad de la bujía en el momento del encendido. Arcoumanis y otros (1994a) describen experimentos de este tipo en un recipiente de volumen constante y los ensayos posteriores realizados por Hull (1995) han mostrado que la aportación local de mezcla en un motor de dos válvulas conduce a una combinación del incremento de la turbulencia y concentración del combustible de forma que como puede verse en la figura 6 , mayores fluctuaciones influyen en el flujo con relaciones de equivalencia globales próximas a la estequiométrica, mientras que la aportación de una mezcla rica es más importante con relaciones de equivalencia globales bajas. Es interesante señalar que Arcoumanis y otros (1994b) fueron capaces de alcanzar un 100% de encendido con relaciones de equivalencia menores de 0'4 en un recipiente de volumen constante y que Hull (1995) ha alcanzado desviaciones de la presión media efectiva mejores que las de una combustión estequiométrica cuando se utilizan inyección local y una relación de equivalencia global 0'5. Como cabría esperar con sistemas de combustión de mezclas pobres, las emisiones de hidrocarburos sin quemar fueron mayores que las requeridas por las legislaciones actuales, pero el consumo global de combustible fue consecuentemente menor y además hay mayores posibilidades de mejorar las emisiones con la combinación del control mediante la pipa, válvula e inyector más inyección local que con el primero solamente.

FIGURA 6. Influence of the addition of a small quantity of fuel and air in the vicitiny of the spark plug as a function of overall equivalence ratio, and of the local injection pressure and equivalence ratio. Influencia de la aportación de una pequeña cantidad de aire y combustible en los alrededores de la bujía en función del dosado global, de la presión de inyección y del dosado local.

Los comentarios anteriores se refieren principalmente a condiciones de funcionamiento del motor estacionarias y a transitorias cuando el motor está caliente. El problema del arranque en frío es considerable con variaciones de la concentración de UHC como las indicadas en la figura 7.

FIGURA 7. Emissions of unburned hydrocarbon during a cold start; gasoline and gaseous fuel. Emisiones de hidrocarburos sin quemar durante el arranque en frío; gasolina y combustible gaseoso.

Debería de ser evidente de todo lo anterior que las legislaciones actuales favorecen la combustión estequiométrica con catalizadores de tres vías para reducir el NOx y oxidar el resto de CO y UHC. Los primeros desarrollos para alcanzar este objetivo se centraron en el sistema de doble plataforma; en este caso el motor funciona con mezcla ligeramente rica para permitir la reducción del NOx en la primera plataforma y posteriormente se introducía aire entre los dos catalizadores para permitir al segundo la oxidación del CO y los HC. Estos primeros catalizadores tenían un margen muy estrecho de funcionamiento dentro del cual los tres contaminantes podían ser eliminados con un nivel aceptable; los esfuerzos actuales se han concentrado en la mejora de las prestaciones y en la ampliación de la ventana de funcionamiento del catalizador (Webster 1994). Los modernos catalizadores de tres vías están basados en una composición amplia que incluye metales del grupo del platino tales como platino y/o paladio conjuntamente con rodio, alumina y cerio.

Al mismo tiempo, es conocido que los motores pueden funcionar mucho mejor con mezclas pobres pero generalmente tienen emisiones de NOx y UHC que no cumplen las legislaciones vigentes aunque el exceso de emisiones no es muy grande en los motores avanzados. Esto ha conducido a la búsqueda de un catalizador para gases pobres, y por ejemplo Mazda y Toyota han reivindicado ciertos éxitos. Es probable que se desarrollen catalizadores para mezclas pobres pero con un coste adicional. Los catalizadores actuales de tres vías ya plantean costes considerables, y este es improbable que sea menor con mezclas pobres simplemente porque los costes de desarrollo han de ser cubiertos y el control de la concentración de combustible y oxígeno con este catalizador es probable que sea incluso más restrictivo.

No hay una única estrategia que conduzca a la mejora continua necesaria para satisfacer las legislaciones cada vez, más exigentes. No parece sensato hablar de vehículos libres de emisiones sin considerar el coste global de su fabricación y de las emisiones totales de un vehículo por unidad de distancia puede resultar una simplificación excesiva puesto que no se tiene en cuenta la carga transportada. El sistema termodinámico en consideración debería, y probablemente así se hará, ampliarse para tener en cuenta la energía total consumida y las emisiones totales. En este contexto, la utilización de catalizadores y otros dispositivos añadidos a los motores para quemar combustible que debería de haber sido quemado en el motor parece que es solamente una solución temporal. Puede servir para los fabricantes de catalizadores e incluso a los motores a corto plazo pero la solución a largo plazo estará apoyada en la mejora del proceso de combustión dentro del cilindro bajo condiciones de mezcla pobre.

Motores diesel (MEC) De las cifras expuestas en la tabla 1, se deduce fácilmente que los estándares de emisión propuestos para la etapa 3 requieren en los nuevos motores diesel tipo IDI sustanciales mejoras de los procesos de combustión y el tratamiento posterior de los gases de escape para alcanzar reducciones del 50%, 29% y 50% para le CO, HC+NOx y partículas respectivamente respecto a los niveles de la etapa 2. De forma equivalente, los estándares de EE.UU. etapa 2 para los modelos del año 2004 requieren doblar el período de duración a 100.000 millas y reducir los niveles de NOx de 1'0 g/milla (0'62 g/Km) a 0'2 g/milla (0'12 g/Km) y a 0'08 g/milla (0'05 g/Km) en línea con las propuestas europeas. Por lo tanto el objetivo para todos los motores diesel ligeros es reducir los niveles de partículas y NOx a pesar de la relación inversa existente entre ambos. Aunque actualmente son ya bajos, los hidrocarburos son también importantes debido al límite combinado (HC + NOx) pero se espera que cambien las reglamentaciones en un futuro próximo, separando los dos componentes de acuerdo con los estándares de EE.UU., y así permitiendo una mejor atención a las tecnologías de control.

Los principales parámetros que afectan la formación de NOx se encuentran resumidos en la tabla 5 , siendo el NO de origen térmico el principal contribuyente junto con menores contribuciones de NO inducido, NO procedente del combustible y NO2. Los altos niveles de NO presentes en los motores diesel proceden del alto rendimiento térmico que acompaña las relaciones de compresión elevadas, con altas presiones y temperaturas. Las formas de reducir las temperaturas máximas del ciclo incluyen el retraso de la inyección, el enfriamiento del aire en motores sobrealimentados y la recirculación de los gases de escape que alcanza su objetivo mediante la disolución de la admisión con flujo del escape, Horrocks (1992, 1994) ha proporcionado un resumen muy útil de las tecnologías de control del NOx disponibles actualmente.

TABLA 5. Parameters affecting NOx formation (List, 1993). Parámetros que afectan la formación de NOx (List, 1993).

Las partículas están formadas por un núcleo muy pequeño de carbón, que representa la fracción insoluble, rodeada por compuestos originados a partir de combustible sin quemar o parcialmente quemado y aceite lubricante, así como sulfatos en proporción al azufre presente en el combustible; los principales parámetros que influyen el la formación de partículas se encuentran resumidos en la tabla 6 . El problema es todavía más complicado que en la cámara de combustión de la turbina de gas debido al papel del aceite lubricante, aunque la incorporación de catalizadores de oxidación elimina una parte del problema. Mientras que la formación del NO se produce fundamentalmente en la etapa inicial de la premezcla, las partículas de hollín se forman en regiones ricas en combustible y con alta temperatura durante el período de difusión de la combustión y esto conduce a una relación inversa entre el NOx y las partículas que requieren un ajuste cuidadoso entre el diseño de la cámara de combustión y las características del flujo de aire admitido y de la inyección del combustible.

TABLA 6. Parameters affecting particulates formation (List, 1993). Parámetros que afectan la formación de partículas (List, 1993).

Entre las estrategias para controlar las emisiones de partículas y HC se incluyen la optimización del movimiento del aire y las características del chorro, un control preciso del inicio de la inyección, los valores del caudal de inyección instantáneos y elevadas presiones de inyección. Mediante la combinación de estas y otras estrategias se espera cumplir con los niveles 2 y 3 de emisiones de motores diesel como se indica en la figura 8 .

FIGURA 8. Evolution in the trade of between NOx and particulates as a result of the strategies summarised above. Evolución de la relación entre las emisiones de NOx y partículas, como resultado de las estrategias resumidas anteriormente.

En los motores diesel actuales para vehículos de pasajeros, el elemento más importante es el sistema de inyección, así los motores de altas prestaciones utilizan bombas electrodomésticos que permiten un control preciso del suministro de combustible al mismo tiempo que alcanzan presiones máximas de 1.000 bar con agujeros de menos de 0'2 mm. de diámetro. Se pueden alcanzar presiones de inyección de hasta 1.600 bar con unidades inyectadoras electrónicas equipadas con inyección de dos etapas y también se están desarrollando sistemas de alimentación común a alta presión para alcanzar presiones de inyección superiores a 1.000 bar, incluso a bajas revoluciones del motor. Actualmente existe consenso en el sentido de que la combinación de una inyección en dos etapas o partida, junto con altas presiones medias de inyección, puede reducir que la cantidad de combustible inyectada durante la primera etapa sea reducida, con objeto de evitar la alta formación de NO y ruido mientras que su actuación como un encendido piloto para la segunda fase; esto conduce a combustiones de difusión de alta temperatura, baja formación de hollín y mejora de la oxidación del mismo. El perfil del pulso de inyección principal necesita ser cuidadosamente modulado, puesto que controla la interacción chorro-pared y la evolución de la llama de pared.

La vorticidad, generada en motores de dos válvulas con pipas helicoidales y en los de cuantro válvulas con pipas también helicoidales o una combinación de helicoidales y direccionales, se transforman mediante la geometría de la cavidad del pistón en los últimos 30º de giro del cigüeñal antes del PMS de comprensión. Las cavidades reentrantes son las que se utilizan de forma casi exclusiva en los motores para vehículos de pasajeros debido a su mayor área de comprensión la cual provoca un fuerte movimiento en sentido radial generando altos niveles de turbulencia en los bordes de la zona reentrante. Esto facilita una buena mezcla con el combustible inyectado que alcanza la pared lateral de la concavidad del pistón con velocidades de alrededor de 35 m/s. La interacción chorro-pared tiene implicaciones en el calor transferido durante el período de inyección y en la mezcla local que sigue al autoencendido y que determina los niveles de hidrocarburos en el escape.

FIGURA 9. Photographs od Diesel injection and velocity measurements from Arcoumanis et al (1994c). Fotografías de la inyección diesel y medidas de velocidad realizadas por Arcoumanis y otros (1994c).

El desarrollo de motores diesel de inyección directa con cuatro válvulas e inyector en posición central y vertical, permite chorros uniformes y reduce las pérdidas de la cantidad de movimiento del mismo debido al posicionamiento centrado de la concavidad del pistón. Incluso una pequeña excentricidad y la inclinación asociada del inyector puede provocar variaciones en el chorro de los diferentes agujeros como se puede ver en las imágenes de la figura 9. Además, la inyección vertical produce reducciones en los niveles de emisión de humo y HC+NOx como se muestra en los resultados de Menne y otros en un motor ford de cuatro válvulas e inyección directa y en los de Needham y Whelan (1994) obtenidos en un motor hydra monocilíndrico.

Como consecuencia del exceso de oxígeno existente en los gases de escapa de los motores diesel, no es posible la reducción del NOx con catalizadores convencionales de tres vías, mientras que el desarrollo de los catalizadores de NOx en mezcla pobre está todavía en una etapa inicial. Es necesario explorar estrategias alternativas y dos de ellas bajo investigación (Held y otros, 1990; Lepperhoff y otros, 1992) son la reducción catalítica selectiva (SCR) y la descomposición térmica catalizada. En la primera, el NO reacciona de forma selectiva incluso bajo condiciones globales de oxidación, con componentes reductores presentes en el escape o introducidos desde una fuente a bordo del vehículo en presencia de un catalizador. En el último, la descomposición de NO en N2 y O2 es una reacción catalítica y como tal no necesita compuestos reductores presentes en los gases de escape pero la eficiencia de la conversión es muy baja. Se utilizan desde hace poco catalizadores convencionales de oxidación en los vehículos de pasajeros para reducir emisiones de HC procedentes del combustible y el aceite lubricante simultáneamente con el CO, y en consecuencia se obtienen reducciones de la concentración de partículas del orden del 30% (Horrocks 1994).

Además de los métodos convencionales se ha investigado un sistema para reducir la concentración de partículas tales como los sistemas de filtración basados en ciclones por Arcoumanis y otros (1994d) utilizando gases de escape refrigerados como medio para concertar las partículas y así mejorar el rendimiento de los ciclones. Con este sistema instalado en el sistema de escape de un motor diesel de inyección directa de 2'5 litros, los ensayos, que cubrieron una amplia gama de velocidades del motor, carga y valores de re-circulación de gases de escape, obtuvieron reducciones hasta el 77% en el gasto másico de partículas.

Comentarios finales Se han revisado los últimos acontecimientos en la evolución de la lesgilación en emisiones y sus implicaciones en la industria de automoción, en los usuarios y en la calidad del aire urbano. Está claro que los estándares de emisión propuestos para la etapa 3 en Europa y los vehículos de emisión ultrabaja (ULEV) en California pueden ser alcanzados solamente mediante la combinación de tecnologías de control electrónico de los fenómenos dentro del cilindro y el post tratamiento de los gases de escape complementados con sistemas de diagnóstico para la detección temprana de fallos. Se ha resumido el estado del arte de diferentes estrategias disponibles actualmente para los motores de encendido provocado y diesel y se ha realizado un pronóstico de sus posibilidades de éxito para alcanzar los estándares propuestos. Sin embargo, a la vista de la fuerte oposición de los fabricantes de automóviles y el limitado apoyo gubernamental, todavía falta por conocer si los estándares del vehículo libre de emisiones (ZEV) verán reducidas sus exigencias y/o retrasadas. Lo que parece seguro es que el motor de combustión interna continuará siendo la planta motriz utilizada en el futuro previsible, pero probablemente alimentado con combustibles diesel y gasolina reformulados para ser menos agresivos con el medio ambiente.

Tampoco es probable que la turbina de gas sea reemplazada en un futuro previsible, aunque sus problemas de emisión de NOx y hollín aún no han sido resueltos. La proporción de combustible quemado en mezclas pobres aumentará probablemente, pero no puede esperarse que se alcancen valores tan altos como en las turbinas que operan en tierra, aunque un cuidadoso control de la mezcla del combustible y el aire provocará indudablemente mejoras en todas las etapas del ciclo de vuelo. La reducción de hollín probablemente se alcanzará mediante una combinación de aditivos al combustible y un mejor control de la mezcla.

Reconocimiento Esta conferencia tiene sus orígenes en el trabajo realizado con colegas del Imperial College y estoy encantado de reconocer sus contribuciones. Este texto es coherente con el material presentado en cursos reducidos en el Imperial College y con un artículo escrito con el profesor Arcoumanis. La investigación asociada a este trabajo se ha beneficiado del soporte financiero procedente de diversas fuentes, incluyendo estre ellas el EPSRC, la Unión, Ford Motor Company, Peugeot, S.A., Jaguar Cars y Honda Motor Company, a las cuales quiere ofrecer mi agradecimiento.