Autorizada la entrega del proyecto del alumno: Jorge Vigara de Otazu

LOS DIRECTORES DEL PROYECTO

Cayetano Prieto Mozo Isabel Puente Orench

Fdo.: …………………… Fecha: ……/….…/….…

Vº Bº del Coordinador de Proyectos

José Ignacio Linares Hurtado

Fdo.: …………………… Fecha: ……/.……/….…

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL

PROYECTO FIN DE CARRERA

ÚLTIMA TECNOLOGÍA EN EMISIONES DE MOTORES DIESEL. SIMULACIÓN DE RESULTADOS E INVESTIGACIÓN DE NUEVAS POSIBILIDADES

JORGE VIGARA DE OTAZU MADRID, JUNIO 2007

Última tecnología en emisiones de motores diesel. Simulación de resultados e investigación de nuevas posibilidades

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ÚLTIMA TECNOLOGÍA EN EMISIONES DE MOTORES DIESEL. SIMULACIÓN DE RESULTADOS E INVESTIGACIÓN DE NUEVAS POSIBILIDADES. Autor: Vigara de Otazu, Jorge. Directores: Prieto Mozo, Cayetano: Puente Orench, Isabel. Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

RESUMEN DEL PROYECTO A partir del 1 de enero de 2008, entra en vigor la normativa europea EURO 5, a la cual han de acogerse todos los vehículos de nuevo diseño. Dicha normativa supone una importante variación en la concepción de las técnicas de reducción de emisiones para motores diesel, debido a los restrictivos límites marcados entorno a la formación de material particualdo. Hasta ahora los fabricantes de automóviles eran capaces de acogerse a los valores límites impuestos por la normativa, mediante la optimización, en una determinada franja de funcionamiento del motor, de los parámetros gestionados por la unidad de control. Sin embargo a partir de EURO 5 esto ya no será posible, teniéndose que recurrir a la instalación de sistemas de post-tratamiento en el sistema de escape del vehículo. En este proyecto se ha desarrollado un método alternativo al ensayo en banco de rodillos, que permite simular la emisión de óxidos de nitrógeno, óxidos de carbono, partículas e hidrocarburos inquemados a la atmósfera por parte de un motor diesel con tecnología Common Rail de última generación. Por tanto ha sido posible cuantificar de forma concluyente la contaminación que se produciría durante un ensayo de ciclo de

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emisiones real, sabiendo si se encuentra dentro de los límites de la normativa, sin la necesidad de realizar el costoso y largo ensayo en los rodillos. En un sistema Common Rail de última generación se utilizan sistemas de inyección que permiten la realización de múltiples inyecciones por ciclo del motor, de forma que la primera fase del proyecto ha sido un exhaustivo estudio de la influencia sobre el nivel de emisiones, de las diversas variables de inyección, como son la inyección piloto, la preinyección, la post-inyección y la inyección principal, actuando tanto en tasa, como en momento de inyección. La unidad estudiada estaba dotada de sistema de retroalimentación de gases de escape o válvula EGR, de forma que también se analizó el grado de apertura de dicha válvula y la presión del rail de alimentación de combustible dado que estos parámetros tienen una importante influencia en las emisiones. Partiendo de los ensayos realizados en banco motor, se ha construido un modelo de comportamiento de emisión de contaminantes, de forma que mediante simulación se puedan obtener los resultados de un ciclo real de emisiones. Para ello, en este proyecto se ha recurrido a la búsqueda de los puntos del motor más representativos del ciclo, de forma que mediante la optimización, únicamente de estos puntos, se reduzca cuantitativamente el nivel de emisiones del vehículo. La herramienta de simulación ha sido creada en base EES (Engineering Ecuation Solver) y es fácilmente aplicable a otros motores cambiando únicamente las ecuaciones de comportamiento de los contaminantes. La forma en la que se generan los contaminantes diesel, permite dos claras estrategias de optimización. Esto es debido a que la relación entre la formación de partículas y óxidos

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de nitrógeno es inversa, de forma que en función de los diversos post-tratamientos que se vayan a instalar convendrá aplicar una u otra política de reducción. En la segunda fase del proyecto se procedió al estudio de las diversas tecnologías y técnicas de reducción de emisiones en el sistema de escape, tales como trampas de partículas, sistemas de oxidación catalítica o filtros de reducción de óxidos de nitrógeno. Finalmente se concluyó que la estrategia más eficiente para el motor sujeto a estudio, era reducir al máximo, mediante los parámetros de inyección, la formación de óxidos de nitrógeno, para posteriormente aplicar un sistema DPF+DOC (Diesel Particle Filter y Diesel Oxidation Catalyst). Los valores finales de contaminación arrojan una interesante reducción respecto a los límites legislados. Contaminante

Emisión final [g/km] Límites [g/km] Reducción [%]

CO

0.0176

0.5

-96%

NOx

0.0139

0.18

-92%

PART

0.0033

0.005

-34%

HC

0.0004

-

-

HC+NOx

0.0143

0.23

-94%

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LAST TECHNOLOGY IN EMISSIONS OF DIESEL ENGINES. SIMULATION OF RESULTS AND INVESTIGATION OF NEW POSSIBILITIES. Author: Vigara de Otazu, Jorge. Directors: Prieto Mozo, Cayetano: Puente Orench, Isabel. Collaborating organization: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

PROJECT SUMMARY From the first of January of 2008, the European norm EURO 5 takes effect, in which are taken refuge all the new designed vehicles again. This norm supposes an important variation in the conception of the techniques of reduction of emissions for diesel engines, due to the restrictive noticeable limits surroundings to the particles formation. Until now the manufacturers of automobiles were able to fulfill the limits imposed by the norm, by means of the optimization of the parameters managed by the control unit in a determined strip of operation of the engine,. Nevertheless from EURO 5 this will no be longer possible, having to be appealed to the installation of after-threatment systems in the escape fase of the vehicle. In this project an alternative method to the bench of rollers check has been developed, that allows to simulate the emission of nitrogen oxide, carbon monoxides, particles and unburned hydrocarbons to the atmosphere, on the part of a last generation diesel engine with Common technology Rail. Therefore it has been possible to quantify the contamination that would take place during a real cycle test of emissions, being known if the pollutants emissions are within the limits of the norm, being no longer necessity to make the expensive and long test in the bench of rollers. In a Common Rail system of last generation there is an injection system that allows accomplishment of multiple injections per engine cycle, so that first stage of the project has been an exhaustive study of the influence on the level of emissions, of the diverse variables of injection, as the pilot injection, the pre-injection, the after-injection and the main injection, acting as much in rate, as at moment of injecting.

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The studied unit was equipped with system of exhaust gases recirculation , well known as the EGR valve, so that the degree of opening of this valve and the pressure of the rail of fuel supply , have been also analyzed since these parameters have an important influence in the emissions levels. Starting off of the tests made in an engine bench, a model of behavior of emission of polluting agents has been constructed, so that the results of a real cycle of emissions can be obtained by means of simulation. For it, in this project one has resorted to the search the points of the engine, that most represent the emissions cycle, so that by means of the optimization, only of these points, the emission level of the vehicle would be reduced quantitatively. The tool of simulation has been created in base EES (Engineering Ecuation Solver) and is easily applicable to other engines changing only the equations of behavior of the pollutants. The form in which the diesel pollutants are generated, allows two clear strategies of optimization. This is due to the fact that the relation between the formation of particles and oxides of nitrogen is inverse, so that depending on the diverse posttreatments that are going to be installed in the vehicle, it will suit one or another reduction policy. In the second phase of the project one proceeded to the study of the diverse technologies of reduction of emission in the exhaust system, such as particles traps, systems of catalytic oxidation or filters of reduction of nitrogen oxides. Finally one concluded that the most efficient strategy for the studied engine, was to reduce to the maximum, by means of the parameters of injection, the formation of nitrogen oxides, later to apply a DPF+DOC system (Diesel Particle Filter and Diesel Oxidation Catalyst). The final values of contamination throw an interesting reduction with respect to the legislated limits.

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Pollutant

Emision [g/km]

Limits [g/km]

Reduction [%]

CO

0.0176

0.5

-96%

NOx

0.0139

0.18

-92%

PART

0.0033

0.005

-34%

HC

0.0004

-

-

HC+NOx

0.0143

0.23

-94%

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Memoria

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INDICE GENERAL 1.

INTRODUCCIÓN Y MOTIVACIONES DEL PROYECTO ..........................22

1.1. MOTIVACIONES Y OBJETIVOS DEL PROYECTO ....................................22 1.2. CONTAMINACIÓN Y TRANSPORTE ............................................................24 1.3. INTRODUCCIÓN A LOS PRINCIPALES AGENTES CONTAMINATES EN MEC.......................................................................................................................28

2.

DESCRIPCIÓN DE TECNOLOGÍAS ..............................................................32

2.1. EL MOTOR DIESEL ...........................................................................................32 2.1.1.

Generalidades ..............................................................................................32

2.1.2.

El combustible, el gasoil .............................................................................36

2.1.3.

Ciclo de trabajo............................................................................................38

2.1.4.

Funcionamiento ...........................................................................................44

2.1.5.

Características..............................................................................................46

2.1.6.

Los órganos de un motor diesel..................................................................48

2.1.6.1.

El bloque..............................................................................................49

2.1.6.2.

El cigüeñal...........................................................................................50

2.1.6.3.

Las bielas y pistones. ..........................................................................51

2.1.6.4.

La culata...............................................................................................53

2.1.6.5.

La distribución.....................................................................................53

2.1.7.

SISTEMAS DE COMBUSTIÓN Y FORMAS DE CULATA ................56

2.1.7.1.

Inyección directa .................................................................................58

2.1.7.2.

Precombustión o antecámara..............................................................61

2.1.7.3.

Combustión separada, cámara auxiliar o cámara de turbulencia .....62

2.1.7.4.

Acumulador de aire o sistema Acro-Bosch .......................................65

Última tecnología en emisiones de motores diesel. Simulación de resultados e investigación de nuevas posibilidades 2.1.7.5.

2.1.8.

Comparación entre sistemas de combustión......................................68

EL EQUIPO DE INYECCIÓN .................................................................69

2.1.8.1.

Sistemas de Inyección Diesel .............................................................69

2.1.8.2.

Ejecuciones de los sistemas de Inyección Bosch..............................70

2.1.9.

Sistema Common Rail.................................................................................76

2.1.9.1.

Introducción.........................................................................................76

2.1.9.2.

Partes y componentes..........................................................................78

2.1.9.3.

Zona de baja presión ...........................................................................81

2.1.9.4.

Zona de alta presión ............................................................................83

2.1.10.

UNIDAD DE CONTROL.........................................................................113

2.1.10.1.

Lógica de la Unidad de Control .......................................................113

2.1.10.2.

Procesamiento de señales en la unidad de control ..........................115

2.1.11.

SISTEMAS MULTI – INYECCIÓN .......................................................117

2.1.11.1.

3.

11

Descripción y características ............................................................117

DESARROLLO DE LOS CONTAMINANTES .............................................128

3.1. NOX, INTRODUCCION...................................................................................128 3.1.1.

Aspectos fundamentales............................................................................129

3.1.2.

Análisis de la influencia de diversos parámetros: ...................................130

3.1.3.

Válvula EGR..............................................................................................141

3.1.4.

Conclusiones..............................................................................................153

3.2. PARTÍCULAS SÓLIDAS .................................................................................155 3.2.1.

Definición de partículas sólidas................................................................155

3.2.2.

Análisis de la influencia de diversos parámetros ....................................161

3.2.2.1. 3.2.3.

El Squish y el Swirl...........................................................................164

Consecuencias para la salud .....................................................................168

3.3. OTROS CONTAMINANTES ...........................................................................172

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3.3.1.

Monóxido de carbono (CO)......................................................................172

3.3.1.1. 3.3.2.

Consecuencias para la salud .............................................................175

Hidrocarburos inquemados .......................................................................177

3.3.2.1.

Análisis de influencia de diversos parámetros ................................179

3.3.2.2.

Consecuencias para la salud .............................................................182

3.3.3.

4.

12

óxidos de azufre.........................................................................................184

OPTIMIZACIÓN DE EMISIONES................................................................187

4.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE OPTIMIZACIÓN................................187 4.1.1.

Banco de rodillos-banco motor.................................................................187

4.1.2.

Elección de los puntos característicos......................................................189

4.1.3.

Fase de ensayo en banco motor ................................................................196

4.1.4.

Esquema del proceso.................................................................................198

4.2. CICLO DE EMISIONES ...................................................................................199 4.3. NORMATIVA DE EMISIONES ......................................................................204

5.

RESULTADOS...................................................................................................208

5.1. DESCRIPCIÓN DEL MODELO Y LAS VARIABLES................................208 5.1.1.

Variables ....................................................................................................208

5.1.2.

MODELO ..................................................................................................216

5.1.2.1.

Morfología.........................................................................................216

5.1.2.2.

Proceso de transformación de [ppm] a [g/km]:...............................219

5.1.2.3.

Estimación de la velocidad...............................................................221

5.1.2.4.

Constante de frío-calor ( K frio calor ) .................................................229

5.2. RESULTADOS DE OPTIMIZACIÓN.............................................................231

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5.3. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD ......................................................................235

6.

POST-TRATAMIENTOS DE ESCAPE..........................................................242

6.1. ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS .............................................................242 6.1.1.

Sistemas de oxidación DOC .....................................................................244

6.1.2.

SISTEMAS DE FILTRADO DPF ...........................................................250

6.1.3.

Sistemas de reducción SCR ......................................................................259

6.1.4.

Sistema CRT ..............................................................................................262

6.1.5.

Sistema SCRT............................................................................................267

6.2. APLICACIÓN DEL POST-TRATAMIENTO A LOS VALORES OBTENIDO POR EL MOTOR ...............................................................................................270

7.

CONCLUSIONES .............................................................................................272

ANEJOS Anejo A: Directiva 70/220 CEE………………………………….276 Anejo B: Directiva 70/156 CEE…………………………………..297 Anejo C: Descripción del programa……………………………...316

BIBLIOGRAFÍA Bibliografía…………………………………………………………..….343

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INDICE DE FIGURAS

Figura 1.Reparto porcentual de los contaminantes en función de los diversos sectores .25 Figura 3: Ciclo de cuatro tiempos del motor diesel............................................................38 Figura 4: Proceso de combustión en un motor diesel.........................................................43 Figura 5: Motor diesel..........................................................................................................44 Figura 6: Bloque de un motor diesel ...................................................................................48 Figura 7: Cilindro de camisa húmeda .................................................................................49 Figura 8: Cilindro de camisa seca .......................................................................................50 Figura 9: Bielas y pistones de un motor diesel...................................................................51 Figura 11: Sistema de 4 válvulas de un motor diesel.........................................................55 Figura 13: Pistón de Saurer..................................................................................................60 Figura 14: Ejemplo de cámara de precombustión ..............................................................61 Figura 16: Ejemplo de cámara de combustión, tipo Ricardo-Comet con bujias de precaldeo ...............................................................................................................64 Figura 18: Sistema acumulador de aire Acro-Bosch II......................................................66 Figura 20: Campos de aplicación de los sistemas de inyección BOSCH .........................70 Figura 21: Esquema base de un sistema Common Rail.....................................................76 Figura 21: Esquema Common Rail II .................................................................................79 Figura 22: Zona de baja presión del sistema common Rail...............................................80

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Figura 23: Zona de alta presión del sistema Common Rail...............................................81 Figura 24: Bomba de engranajes empleada en el sistema Common Rail en la zona de baja presión ...........................................................................................................82 Figura 24: Filtro de combustible instalado en la entrada de la bomba de baja.................83 Figura 25: Ejemplo de bomba de alta presión en un sistema Common Rail....................86 Figura 26: Acumulador de presión del sistema Common Rail..........................................87 Figura 27 : Inyector empleado en un sistema Common rail..............................................89 Figura 29: Inyector piezoeléctrico empleado en sistemas Common Rail.........................92 Figura 30: Apertura del inyector en función del tiempo....................................................93 Figura 31:Esquema de la disposición de los sensores........................................................94 Figura 32: Sensor de revoluciones del cigüeñal .................................................................95 Figura 33: Sensor de árbol de levas.....................................................................................96 Figura 34: Medidor de masa de aire....................................................................................97 Figura 35: Caudalímetro ......................................................................................................99 Figura 36: Principio de funcionamiento de un medidor de masa de aire de película caliente.................................................................................................................100 Figura 37: Esquema de sensor de presión de rail .............................................................103 Figura 38: Sistema de actuadotes del Common Rail........................................................105 Figura 39: Válvula reguladora de presión.........................................................................106 Figura 40: Esquema de control de incandescencia...........................................................107 Figura 41: Actuador de presión de sobrealimentación.....................................................108 Figura 42: Esquema de funcionamiento de la válvula EGR............................................110

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Figura 43: Evolución en la creación de contaminantes en función del gado de retroalimentación de gases de escape ................................................................111 Figura 44: Procesamient de señales de la unidad de control ...........................................116 Figura 45: Formación de calor en la cámara durante la combustión ..............................117 Figura 46: Comparación de evolución de la presión de inyección..................................121 Figura 47: Ejemplo de un ciclo de inyección en sistemas multi-inyección....................126 Figura 48: Velocidad de formación del NO en función de la temperatura pico y dosado 131 Figura 49: Formación de NOx y HC en función de la cantidad de aire y la temperatura de entrada del aire de admisión..........................................................................132 Figura 50: Velocidad de formación del NOx en función de la temperatura de entrada y dosado………………………………………………………………………..134 Figura 51: Mapa de relación aire combustible .................................................................135 Figura 52: Emisión de NOx en función de la temperatura de entrada al motor.............136 Figura 53: Evolución de la temperatura pico de combustión función de los grados de cigüeñal................................................................................................................137 Figura 54: Evolución de la formación de NOx, función de la presión media específica 138 Figura 55: Evolución de la presión de pico de combustión en función del avance de inyección .............................................................................................................141 Figura 57: Componentes de la válvula EGR ....................................................................143 Figura 58: Pipa de admisión colapsada.............................................................................146

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Figura 58: Sistema completo de recirculación de gases de escape .................................147 Figura 59: Sistema con mandos electrónicos....................................................................148 Figura 60 : Efecto del EGR en la emisión de NOx (motor a 1500 rpm y presión de inyección 800 bar) ..............................................................................................150 Figura 61: Esquema de un motor con Low Pressure Cooled EGR .................................151 Figura 62: High Pressure Cooled EGR .............................................................................152 Figura 63: Composición Esquemática de las Partículas Diesel (DPM)..........................156 Figura 64: Relación entre superficie y masa para las partículas emitidas por un motor diesel....................................................................................................................158 Figura 65: Capacidad de deposión en los pulmones de las DPM....................................159 Figura 66: Evolución de una partícula emitida por un motor en 2 segundos .................160 Motor a 1250 rpm...............................................................................................................162 Figura 68: Algunos parámetros a tener en cuenta en el diseño de un inyector… ..........163 Figura 69: Evolución de la emisión de partículas en función de la presión ...................164 Figura 70: Ejemplo de cámara de combustión que favorece al efecto Squish ...............166 Figura 71: Movimiento de aire que provoca el efecto Squish.........................................167 Figura 72: Efecto Swirl, para dos modelos de pipa de admisión ....................................168 Figura 73: Formación de CO en función de la masa de aire introducida........................174 Figura 74: Efecto del CO en la sangre ..............................................................................176 Figura 75: Formación de contaminantes en función del dosado ....................................180 Figura 76: formación de hidrocarburos función del avance de inyección ......................181

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Figura 78: Formación de óxidos de azufre en función del contenido de azufre del combustible .........................................................................................................184 Figura 79: banco de rodillos ..............................................................................................188 Figura 80: Banco motor .....................................................................................................189 Figura 81: Puntos de utilización del motor en un ciclo de emisiones.............................190 Figura 81: Puntos de utilización del motor en un ciclo de emisiones.............................192 Figura 82: Puntos de optimización en el mapa motor......................................................194 Figura 83: Zona de emisiones-Zona de prestaciones .......................................................195 Figura 85: Ciclo real de emisiones ....................................................................................201 Figura 86: Evolución normativa de emisiones .................................................................205 Figura 87: Evolución de la normativa NOx-Partículas ....................................................206 Figura 88: Ejemplo gráfico de representación de los parámetros, (magnitudes no a escala)..................................................................................................................215 Figura 89: Evolución del NOx y las partículas en función de los diversos parámetros.239 Figura 90: Evolución del CO y el HC en función de los diversos parámetros...............240 Figura 91: Efecto del elemento catalizador sobre la reacción. ........................................245 Figura 92: Descripción de las principales partes de un catalizador de oxidación diesel246 Figura 93: Principios de funcionamiento del catalizador.................................................247 Figura 94: Evolución de la temperatura según avanza el ciclo de emisiones normalizado………………………………………………………………….249 Figura 95: Influencia de la sobrealimentación en las temperaturas de escape ...............250 Figura 96: Entramado de un filtro de partículas diesel ....................................................252

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Figura 97: Camino seguido por los gases de escape en el filtro I. ..................................253 Figura 98: Camino seguido por los gases de escape en el filtro II..................................253 Figura 99: Reducción de humos de un motor diesel de autobús EURO II, con y sin filtro de partículas ...............................................................................................259 Figura 100: Eficiencia de conversión del SCR, en función del catalizador metálico empleado .............................................................................................................261 Figura 101:Sistema completo de reducción de emisiones SCR ......................................262 Figura 102: Sistema de reducción de emisiones, CRT ....................................................263 Figura 103: Temperatura de combustión de las cenizas para el oxígeno o el óxido de nitrógeno..............................................................................................................264 Figura 104: Esquema de un filtro CRT .............................................................................265 Figura 105: Tasas de reducción esperables en un sistema CRT......................................266 Figura 106: Sistema completo de post-tratamiento SCRT ..............................................268 Figura 107: Tasas de reducción esperables de un sistema SCRT ...................................269

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INDICE DE TABLAS Tabla 1:Reparto sectorial de la formación de contaminantes............................................25 Tabla 2: datos y características de lo sistemas de inyección Diesel..................................75 Tabla 3: Tiempo de combustión para distintas revoluciones...........................................139 Tabla 4: Grado de utilización de los principales puntos del motor.................................193 Tabla 5: Puntos de optimización seleccionados ...............................................................194 Tabla 6: Evolución normativa de emisiones.....................................................................205 Tabla 7: Puntos en el entorno de 1250 rpm ......................................................................225 Tabla 8: Velocidades medias obtenidas en el entorno de los cuatro puntos básicos…..225 Tabla 9: Grados de utilización de los puntos principales del motor en un ciclo de emisiones .............................................................................................................226 Tabla 10: Tiempo de utilización de cada punto básico ....................................................227 Tabla 11: Porcentaje de utilización de cada punto básico ...............................................228 Tabla 12: Resultados de Kfrío-calor .................................................................................230 Tabla 13: Resultados de optimización ..............................................................................231 Tabla 14: Valores de las variables.....................................................................................232 Tabla 15: Comparación entre agentes oxidantes ..............................................................265 Tabla 16: Resultados finales de emisión al ambiente ......................................................270

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1. INTRODUCCIÓN Y MOTIVACIONES DEL PROYECTO

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Última tecnología en emisiones de motores diesel. Simulación de resultados e investigación de nuevas posibilidades

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1. INTRODUCCIÓN Y MOTIVACIONES DEL PROYECTO 1.1. MOTIVACIONES Y OBJETIVOS DEL PROYECTO La realización de este proyecto nace de la necesidad de investigar entorno a las posibilidades que existen entorno a las diversas tecnologías empleadas en la reducción de emisiones. A partir del 1 de enero de 2008, entra en vigor la normativa europea EURO 5, a la cual han de acogerse todos los vehículos de nuevo diseño. Los fabricantes de automóviles dispondrán de un año más en el caso de que el vehículo ya esté en el mercado, para rediseñar sus modelos y adaptarlos a la normativa. Es por ello que el trabajo que se va a realizar en este proyecto , no diferirá mucho del que están obligados a completar en las marcas para poder seguir poniendo sus modelos en el mercado.

En primer lugar se realizará un estudio exhaustivo de la influencia de todas las variables a controlar por la unidad de control además de su posible repercusión en el nivel de emisiones de los óxidos de nitrógeno, los óxidos de carbono, la partículas y los hidrocarburos inquemados. Mediante simulación se optimizará dicho nivel hasta reducirlo al máximo. En una segunda fase se procederá a la instalación de sistemas de post-tratamiento para reducir los niveles emitidos por el motor hasta los registros que marca la normativa. La creación de la herramienta en base EES (Engineering Ecuation Solver), facilitará la obtención de un ciclo de emisiones a partir de unos pocos puntos

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característicos del motor, que previamente habrán sido ensayados en banco motor, de forma que se pueda calcular rápidamente el valor de las emisiones del vehículo sin la necesidad de ensayar físicamente en el banco de rodillos.

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1.2. CONTAMINACIÓN Y TRANSPORTE

El 11 de diciembre de 1997 se aprueba el Protocolo de Kioto, que tenía como objetivo la lucha contra el cambio climático mediante una acción internacional de reducción de las emisiones de determinados gases de efecto invernadero responsables del calentamiento del planeta. Este hecho representó un importante paso hacia adelante en la lucha contra la variación de las condiciones del planeta, obligando a los fabricantes a invertir grandes sumas de dinero en el desarrollo de nuevas tecnología anticontamiantes. La siguiente tabla muestra de forma disgregada por sectores, el porcentaje de emisión de dicho sector respecto a los diversos contaminantes

Sectores y contaminantes Centrales térmicas

Calefacción y usos domést.

Combustión industrial

Procesos de producción

Extracción y distribución de combustibles Uso de disolventes

Dióxido Óxidos de de Nitrógeno Azufre

Compuestos Orgánicos Volátiles

Metano

Monóxido de Carbono

Dióxido de Carbono

54

21

0

0

1

28

11

4

5

1

14

18

25

14

1

0

12

24

3

2

6

0

5

4

0

0

6

23

0

1

0

0

23

0

0

0

Última tecnología en emisiones de motores diesel. Simulación de resultados e investigación de nuevas posibilidades Transporte por carretera

25

3

44

31

0

56

15

2

13

3

0

3

3

Tratamiento de basuras

0

1

2

19

6

2

Naturaleza

0 2

0

3

33

1

0

Otras fuentes móviles y maquinaria Agricultura

0

20

23

2

6

Tabla 1:Reparto sectorial de la formación de contaminantes

Agentes Contaminantes Tratamiento de basuras 5%

Otras fuentes móviles y maquinaria 4%

Agricultura 6%

Naturaleza 9%

Centrales térmicas 17%

Calefacción y usos domést. 9%

Combustión industrial 13%

Transporte por carretera 25% Uso de disolventes 4%

Procesos de producción Extracción y distribución de 3% combustibles 5%

Figura 1.Reparto porcentual de los contaminantes en función de los diversos sectores

Como se puede apreciar notablemente en la figura 1 los automóviles contribuyen de forma importante a la contaminación del planeta (25%), además de al agotamiento de las reservas de combustibles fósiles, de ahí que el futuro de la tecnología automotriz esté supeditada a su capacidad para reducir emisiones y consumos. Es por ello que la directriz que guía la mayor parte de los trabajos de diseño y desarrollo es hoy

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en día la disminución del impacto medioambiental que provocan, adoptando soluciones como la multi-inyección de combustible, los sistemas de recirculación de gases de escape, los filtros de partículas, etc.

En un ciclo diesel, dado que la mezcla producida en la cámara de combustión no es homogénea, la formación de contaminantes está muy influida por la distribución del combustible durante el proceso de combustión. Los principales compuestos contaminantes en los gases de escape son: •

Dióxido de carbono (CO2)

•

Monóxido de carbono (CO)

•

Hidrocarburos (HC),

•

Partículas (PM)

•

Óxidos de nitrógeno (NOx)

•

Óxidos de Azufre (SOx)

De los mencionados anteriormente, son los NOx y las emisiones de partículas el mayor problema de los motores diesel y sobre los que se centran los estudios y desarrollos para lograr las buscadas reducciones de emisiones de contaminantes. El reto al que se enfrentan los diseñadores y calibradores de motores diesel reside en la dificultad de reducir las partículas sin aumentar los NOx, dado que la relación entre ambos es de tendencia inversa (figura 2).

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Figura 2: Relación inversa entre el NOx y las partículas

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1.3. INTRODUCCIÓN A LOS PRINCIPALES AGENTES CONTAMINATES EN MEC

Los NOx provienen de la oxidación del nitrógeno molecular presente en el aire comburente. Se forman en las zonas en combustión con más altas temperaturas, especialmente en las fases iniciales (combustión de premezcla) porque hay mucho oxígeno libre y la temperatura de los gases en combustión alcanza su valor máximo. Sus emisiones contribuyen al efecto invernadero y al smog fotoquímico. En la actualidad, los métodos desarrollados para la reducción de estas emisiones se basan en la recirculación de gases de escape (válvula EGR1) y en el empleo de tasas de inyección variable con las que se logre una combustión más gradual, evitando las altas temperaturas de la combustión de premezcla.

Las partículas generadas por un motor diesel son perceptibles por el denso humo negro que deja tras de sí un vehículo propulsado por este tipo de motor en plena aceleración. Los hidrocarburos que componen el gasoil son de cadena larga (pesados) y si no son completamente quemados durante la combustión se condensan al enfriarse cuando se mezclen con el aire ambiente, siendo absorbidos por las moléculas de carbonilla. Cuando el motor trabaja a cargas bajas, la baja temperatura de la cámara 1

EGR: del inglés, Exhaust gas recirculation, sistema que consiste en enviar desde el colector de escape al de admisión una fracción de los gases de escape

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dificulta la combustión de hidrocarburos. Por otro lado, cuando se hace trabajar el motor a plena carga (por ejemplo, en una aceleración), puede ocurrir que una parte de la cantidad de combustible inyectada no encuentre en sus inmediaciones un volumen suficiente de oxígeno como para terminar la oxidación, haciendo que queden tras la combustión largas cadenas de hidrocarburos parcialmente oxidadas. El principal peligro de estas partículas es que tienden a depositarse sobre el tejido pulmonar cuando son inhaladas, teniendo un efecto potencialmente cancerígeno. Se hace necesario el recurso a procesos de tratamiento de los gases de escape una vez generados, más allá aún de lo que permiten los actuales convertidores catalíticos. Entre los nuevos métodos destacan los filtros de partículas DPF2 , ayudándose de post-inyecciones en la fase de escape para su regeneración.

Tras lo comentado hasta ahora, queda claro la necesidad de realizar importantes inversiones en la investigación en búsqueda de nuevas soluciones. Desde la aprobación del protocolo de Kioto se han alcanzado unos grandes progresos en materia de reducción de contaminantes, ya que los fabricantes han tenido que ceñirse a las continuas restricciones por parte de la Unión Europea, desarrollando para ello los sistemas ya mencionados como la válvula EGR o los filtros de partículas.

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DPF: Diesel particle filter.

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CO y HC3, son productos de una combustión incompleta de forma que aumentando la cantidad de oxígeno disponible en la cámara y aumentando considerablemente la temperatura máxima de combustión, se pueden oxidar casi totalmente. Los hidrocarburos no son mortales pero en disolución con el agua pueden muy tóxicos, además de ser los causantes de dolores de cabeza e irritaciones a los individuos de las grandes urbes. Por otro lado la oxidación completa del monóxido de carbono es fundamental debido a su mortalidad en pequeñas concentraciones, de forma que se convierte en un compuesto muy peligroso cuando se utilizan los motores diesel en recintos cerrados sin ventilación. El CO2 es un producto lógico de una combustión completa de hidrocarburos, de forma que dada la alta eficiencia de los motores diesel, su reducción no es realmente un problema. El dióxido de carbono es uno de los principales actores en el calentamiento global, de forma que reducir los consumos de los motores diesel es el único parámetro de actuación sobre este fenómeno. Los Oxidos de azufre, se forman únicamente a partir del azufre contenido en los gasóleos, de forma que una reducción de dicho compuesto en el combustible eliminaría completamente la formación de este contaminante.

3

HC: hidrocarburos inquemados

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2. DESCRIPCIÓN DE TECNOLOGÍAS

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2. DESCRIPCIÓN DE TECNOLOGÍAS 2.1. EL MOTOR DIESEL

En este proyecto se va a realizar un estudio completo de los procesos de formación de los distintos contaminantes enfocado a los motores de encendido por compresión o MEC, también conocidos como motores diesel. Por ello, antes de entrar en detalle de sobre los diversos procesos de contaminación, se realizará una explicación de este tipo de motores.

2.1.1. GENERALIDADES

El nombre Diesel para el motor de aceite pesado se debe a su inventor, el parisino de padres alemanes Rudolf Diesel. Éste pasa su infancia en Francia y cursas sus estudios en Alemania centrando gran parte de su tiempo y actividades al estudio de los motores de combustión interna. En el año 1892 realiza su primer motor, que funcionaba con carbón pulverizado inyectado por una corriente de aire. Posteriormente en 1897, construye un motor con una cilindrada de 20 litros monocilíndrico que desarrollaba 20 cv de potencia a 172 rpm y que funcionaba con petróleo pesado. Dicho motor ofreció un mejor rendimiento que los motores de gasolina y máquinas de vapor de la época, despertando el interés de firmas conocidas como Peugeot (él que primero se interesó) y Mercedes-

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Benz con su modelo 260D posteriormente, pero no fue sin duda hasta los años 70 con la crisis del petróleo hasta que la tecnología se consagró de forma definitiva. Observando la labor que han desempeñado los motores Diesel a lo largo de la historia en la automoción, se aprecia claramente una evolución muy grande. Partiendo de los orígenes en los que sólo era empleados en automóviles industriales hasta la actualidad en la que por ejemplo en un país desarrollado como España representan ya un 60% del parque automovilístico desbancando claramente a los motores de ciclo OTTO. Entrando más en detalle en el funcionamiento del motor cabe mencionar que los elementos mecánicos empleados son muy similares, sino iguales en una alta proporción a los de los motores de explosión. Si bien analizando profundamente los elementos que favorecen el proceso de combustión es donde encontramos las mayores diferencias. Para que el gasoil entre en el cilindro lleno de aire tan fuertemente comprimido y caliente es necesario disponer de equipos de inyección de muchísima mayor presión que los que emplean los motores de gasolina, alcanzando estos primeros presiones de almacenamiento de hasta 2000 bares. Cuando en un motor diesel el acelerador no está presionado y no hay marcha engranada en la caja de cambios, se inyecta única y exclusivamente el gasoil necesario para el funcionamiento del motor al ralentí al ralentí, por el contrario cuando se pisa a fondo pasa a quemarse la máxima cantidad de combustible que puede llegar a hacerlo para la cantidad de aire que cabe en el cilindro a la presión de trabajo. Dicha proporción

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es aproximadamente de un gramo de gasoil por cada 17 a 20 de aire (un litro de gasoil requiere de 15.000 litros de aire para oxidarse completamente, un 30% más que un motor de gasolina.) Dicha relación es la que sirve como elemento regulador de la potencia que entrega el motor y se define como λ pudiendo variar de 17 a infinito.

λ=

.

ma .

[1]

mf .

donde m es el caudal másico con el subíndice del aire o del fuel(combustible)

Aunque el gasoil llegase a costar lo mismo que la gasolina, los motores diesel seguirían siendo más económicos no sólo porque el consumo es menor respecto a los de explosión sino por que el rendimiento es mayor al de estos últimos. Nótese que en un motor Diesel se alcanzan rendimientos totales que llegan al 34-35% mientras que en los de gasolina apenas se consigue un 24% aproximadamente, dado que no se pierde tanta energía en los gases de escape (se recupera en los turbocompresores, como se comentará posteriormente) ni en el sistema de refrigeración además de poseer menores pérdidas por bombeo al no tener que estrangular la mezcla para cargas parciales como los motores MEP4. Pero sobre todo y fundamentalmente por una mayor eficiencia del ciclo

4

MEP: Motores de encendido provocado, hace referencia principalmente a los motores de gasolina

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termodinámico, debido a que en los diesel la relación de compresión que puede alcanzar es mucho mayor (hasta 22), aumentando el rendimiento de forma asintótica con la relación de compresión.

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2.1.2. EL COMBUSTIBLE, EL GASOIL

El combustible empleado en los motores diesel es el gasoil ¸ producto de aspecto y tacto aceitoso formado por hidrocarburos de cadena larga , siendo por tanto más denso y pesado que la gasolina poseyendo además mayor poder calorífico inferior para el mismo volumen. Ha sido creencia popular durante mucho tiempo que el gasoil era un combustible más basto y menos refinado que la gasolina, siendo la realidad presente más bien la contraria. El gasoil no es sólo un producto muy refinado sino que además ha de estar muy bien filtrado, debido a la naturaleza de los actuales sistemas de inyección directa que están fabricados con precisiones dimensionales de la milésima parte de un milímetro, una impureza del combustible podría provocar graves consecuencias, no sólo por variar la cantidad de combustible inyectado a la cámara de combustión sino también por el riesgo que podría suponer el hecho de que la impureza taponara el orificio del inyector. Un motor de explosión "golpea o pica" precisamente por lo contrario que un diesel, pues en aquél ocurre cuando la compresión es alta, a plenos gases, a velocidades medias o bajas y con motor caliente; en el diesel al revés. Análogamente, la composición química del combustible, según el predominio de hidrocarburos aromáticos, parafínicos o naftalénicos, que son los tres principales,

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influye de modo opuesto en el funcionamiento de ambas clases de motores. Ello es porque hay una diferencia fundamental en el ciclo: en un motor de gasolina se provoca la explosión de la mezcla con una chispa, evitando por todos los medios químicos, forma de culata, etc., que lo haga por su cuenta (detonación, autoencendido); mientras que el funcionamiento del diesel se basa, justamente en la inflamación espontánea del combustible. Por todo ello, se deduce que el gasoil ha de cumplir requisitos más exigentes que la gasolina, pues así como a ésta se la puede corregir fácilmente para hacerla antidetonante, no pasa lo contrario con el gasoil, para el que todavía no se ha encontrado ningún producto práctico pre-detonante que añadirle. El grado detonante (autoinflamación) del gasoil se mide por el número de cetano, que conviene que sea entre 40 y 70.

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2.1.3. CICLO DE TRABAJO

El ciclo de trabajo en un motor de cuatro tiempos Diesel, es el siguiente

Figura 3: Ciclo de cuatro tiempos del motor diesel

- 1ª media vuelta: Admisión. Se abre la válvula A de entrada de aire al cilindro; el pistón al bajar genera una depresión en el cilindro que provoca la aspiración a través del filtro del colector de admisión, sin mariposa que gradúe la cantidad (que debe ser siempre la máxima posible), de modo que el cilindro queda lleno de aire puro.

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- 2ª media vuelta: Compresión. Al subir el émbolo comprime el aire hasta dejarlo reducido a un volumen de 12 a 24 veces menor, con lo que alcanza una temperatura cercana a los 600°C. que permitirá la autoinflamación, a una presión efectiva de 36 a 45

kilogramos por

centímetro cuadrado, mientras que en los motores de gasolina la presión efectiva a la que llega la mezcla no pasa de los 15 kilogramos.

- 3ª media vuelta: Combustión. En un motor MEC la combustión se divide principalmente en tres fases: a. Tiempo de retraso b. Combustión de premezcla c. Combustión de difusión

a. Tiempo de retraso: representa el tiempo desde que se inyecta el combustible hasta que comienza la liberación de de calor o energía. Interesa que este tiempo sea lo mínimo posible, y todo tipo de cambios en los reglajes del coche o en la composición del fuel van encaminados a conseguir dicho factor. (Nótese como curiosidad únicamente, que en los motores de gasolina interesa precisamente lo contrario que el tiempo de retraso sea lo mayor posible para evitar un no deseado proceso de autoinflamación del combustible o detonación.)

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Se pueden diferenciar dos tipos de tiempo de retraso, el relacionado con aspectos físicos y el relacionado con la química del proceso.

Tiempo de retraso físico: dicho proceso está relacionado con la velocidad y precisión de la inyección de combustible. Durante este proceso se habla de atomización, evaporación y mezcla. El combustible es introducido a la cámara de combustión a través de un inyector, intentando atomizarlo al máximo, de forma que las miles de gotitas sean fácilmente evaporadas al entrar en contacto con el medio de alta presión y temperatura que es la cámara de combustión durante el proceso. Mientras se produce la evaporación y mezcla del combustible con el aire, se puede apreciar en la gráfica como se produce un pequeño descenso en el calor liberado en la cámara, debido a que el combustible roba dicho calor para poder evaporarse.

Tiempo de retraso químico: una vez ha finalizado la atomización, evaporación y mezcla , comienza lo que se denomina el retraso químico y que no es más que el tiempo que tarda el combustible desde que se encuentra en las condiciones descritas anteriormente, hasta que finalmente se autoinflama y libera calor. Este tiempo diminuye considerablemente en función de lo fina que sea la atomización del combustible y de lo extremas que sean las condiciones de presión y temperatura del cilindro.

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Combustión de premezcla: Representa la primera parte de la

combustión y es muy poco querida por los ingenieros de motores. Durante esta fase se producen enormes gradientes de presión, lo que lleva consigo asociado un aumento considerable del ruido y de la liberación de calor. El principio físico por el cual se produce dicho incremento desmesurado se debe al ritmo de autoinflamación de las partículas de combustible inyectadas. Cuando se introducen las primeras partículas en la cámara de combustión, convenientemente atomizadas, éstas toman su energía del aire comprimido de la cámara de combustión para poder evaporarse y posteriormente autoinflamarse liberando la consiguiente cantidad de energía que les corresponde. Este hecho se repite sucesivamente con la inyección de las distintas partículas, con la pequeña diferencia que las próximas en entrar pueden robar el calor de la autoinflamación de las que entraron anteriormente y no del aire comprimido del cilindro, de forma que el tiempo de retraso disminuye considerablemente, produciéndose ese aumento enorme de presión y temperatura durante esta fase de la combustión. Debido al ya comentado aumento de la temperatura que se alcanza en la combustión, mayor es la formación de NOx y mayor es el rendimiento termodinámico (altamente relacionado con la temperatura), hecho que inicialmente podría hacer pensar que aumentar la presión máxima que se alcanza en la combustión de premezcla es un factor positivo, si bien no se puede olvidar que cuanto mayor sea el gradiente de presión, más robustos tendrán que ser los bloques, culatas y pistones (con el consiguiente aumento de peso asociado) y

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mayor cantidad de material se requerirá emplear para aislar correctamente el aumento

de

ruido

que se provoca. Por tanto

aunque se

aumente

considerablemente el rendimiento del ciclo termodinámico el aumento de peso y de inercias de las partes móviles repercute una disminución general del rendimiento del motor, por tanto hay que encontrar el compromiso justo entre vibraciones, ruido y emisiones de NOx.

Una de las estrategias que se emplean para reducir la combustión de premezcla es la de inyectar el combustible muy cerca de PMS (Punto muerto superior) de forma que las condiciones de temperatura y presión sean las idóneas para la autoinflamación. Si bien el procedimiento más empleado y más útil es la de realizar inyecciones piloto (entre el 5-10 % de la cantidad inyectada), como se explicará en apéndices posteriores.

c.

Combustión de difusión: Una vez que el combustible

premezclado se ha consumido, el ritmo al que el combustible va ardiendo viene controlado por el ritmo al que se va produciendo la mezcla del combustible y el aire. El calor liberado puede llegar a alcanzar un segundo pico, pero de valor relativo bastante menor. Cuando el ciclo de expansión está ya muy avanzado, la liberación de calor prosigue a ritmos muy bajos. Parte del combustible no se ha quemado en su totalidad, estando aún presente en forma de carbonilla o hidrocarburos no quemados que van completando su combustión al mismo

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tiempo que la cámara de combustión se enfría debido a la expansión lo que lleva a ralentizar dicha postcombustión.

Figura 4: Proceso de combustión en un motor diesel

- 4ª media vuelta: Escape. Se abre la válvula de escape y por ella son expulsados al exterior los gases residuales de la combustión.

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2.1.4. FUNCIONAMIENTO

Figura 5: Motor diesel

Según se acaba de explicar, en el tiempo de admisión el cilindro aspira aire puro a través de un Colector en cuya boca (Figura 5) está el filtro de aire. Cada cilindro lleva las válvulas de admisión y escape, en general colocadas en cabeza y mandadas por levas de la distribución. El combustible es aspirado del depósito por la tubería A mediante la bomba con filtro de entrada que lo envía al filtro general, de donde sale por la parte inferior a la bomba de inyección que por medio de los cuerpos de bomba (uno

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por cilindro) lo manda a presión por los tubos B a los inyectores, colocados en los cilindros, como las bujías en los motores de explosión. El gasoil que rebosa de los inyectores regresa por los tubos C y D al depósito general; por este último también vuelve el que sobra en el filtro por no ser consumido por la bomba de inyección. La bomba recibe movimiento desde los engranajes de la distribución por el árbol E, y el Mando del acelerador actúa sobre la bomba por la palanca F, como se verá más adelante. El pistón comprime el aire aspirado en el primer tiempo hasta que la presión se eleva a 35 ó 40 bar. El gasoil introducido por los inyectores al final de la compresión, se inflama al entrar en contacto con el aire, quemándose a medida que entra. Para que el combustible se pulverice al ser inyectado se necesita que lo haga a una gran presión, que llega a 2000 bar en algunos motores con sistema Common Rail de última generación. Durante el tiempo de combustión, la presión máxima es como el doble de la de explosión en los motores de gasolina.

En cada cilindro se obtiene, como en los motores de gasolina, una carrera motriz en cada dos vueltas del cigüeñal.( Motor de 4T)

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2.1.5. CARACTERÍSTICAS

De todos estos datos se deducen las siguientes características en un motor Diesel:

- La elevada compresión es causa de su buen rendimiento, pero repercute en las grandes presiones que sufren cilindro, pistón, biela, etc., que obliga a construir estos órganos más robustos y pesados.

- El "golpeo" es más fuerte que en los motores de gasolina, dando sobre todo en ralentí un sonido característico, debido a la mayor duración de la combustión de premezcla.

- La velocidad de inflamación del Diesel es casi el doble que en los motores de gasolina (en realidad es una detonación), aunque el combustible no se queme tan rápidamente por no estar introducido todo en el cilindro en el momento de reiniciarse la inflamación, sino que arde a medida que va entrando. - Las fuertes presiones y la mayor robustez y peso de las piezas en movimiento son limitadores de la velocidad de rotación. Gracias a los progresos de la metalurgia se construyen hoy motores diesel ligeros de 4.000 a 5.000 rpm, aunque los más comunes

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en camiones giran a un máximo poco mayor de 2.000 rpm; pero de ningún modo deben embalarse estos motores, razón por la cual casi todos están dotados de los reguladores.

- Para conseguir una combustión completa del gasoil y que no salgan humos opacos y visibles por el escape, es necesaria una proporción de aire superior a la requerida para un motor de gasolina.

- Las bombas de inyección llevan un reglaje que no se debe de variar, pues aunque parezca que aumentando la proporción de gasoil se obtiene mayor potencia, es a costa de producir humos en el escape y sobre todo carbonilla en los cilindros y válvulas, estropear rápidamente el aceite de engrase, anular su economía de funcionamiento y causar un esfuerzo suplementario en los órganos del motor que en seguida lo deteriora.

- Dado el exceso de aire con que se lleva a cabo la combustión, los gases de escape no tienen prácticamente el óxido de carbono que producen los motores de gasolina; y otra diferencia, es que el gasoil no produce vapores inflamables a la temperatura ambiente, por lo que se elimina el peligro de incendio en caso de accidente.

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2.1.6. LOS ÓRGANOS DE UN MOTOR DIESEL

De las condiciones de trabajo expuestas se deduce la robustez que caracteriza a estos motores, lo cual implica una gran precisión en el mecanizado, así como una buena calidad de los materiales. Ambas cualidades van parejas con la resistencia que todos los órganos deben tener para trabajar con esfuerzos muy superiores a los del ciclo de gasolina. Básicamente la arquitectura es semejante a la de los motores de gasolina, aunque con un refuerzo en diferentes elementos, ya que las presiones internas que soportarán son mucho más elevadas, siendo sus componentes principales los mismos: cigüeñal, cilindros, pistones, culata y distribución. La diferencia principal radica en la forma en que se prepara e inicia el quemado del combustible.

Figura 6: Bloque de un motor diesel

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2.1.6.1. EL BLOQUE

Los cilindros forman casi siempre un sólo bloque (figura 6), pero si éste es de gran tamaño la culata se divide en dos. El material del bloque es fundición o aleación ligera de aluminio fuertemente reforzada; los cilindros son casi siempre amovibles, del tipo de camisa húmeda (Fig.7) o de forro seco (Fig.8), con objeto de hacer sus paredes más resistentes (acero, fundición centrifugada, nitrurada, etc.), que si estuviesen mecanizados directamente en el bloque.

Figura 7: Cilindro de camisa húmeda

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Figura 8: Cilindro de camisa seca

2.1.6.2. EL CIGÜEÑAL.

Está apoyado en cojinetes intercalados entre codo y codo; siete en los de seis cilindros y cinco en los de cuatro cilindros. A causa de los importantes esfuerzos que sufren todos los órganos del motor, en particular el cigüeñal, es indispensable asegurar a éste una gran rigidez y resistencia, y de aquí la interposición de un gran número de apoyos, generalmente igual al número de muñequillas de biela más uno.

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Figura 9: Bielas y pistones de un motor diesel

2.1.6.3. LAS BIELAS Y PISTONES.

Dada la alta compresión con que se trabaja, el sellado o cierre que hagan los segmentos debe ser muy hermético, y por ello se ponen más que en los motores de gasolina; casi siempre (Figura 9), con cuatro segmentos de compresión A y varios de engrase, como el rascador B bajo los de compresión, y dos más e en la falda. Los émbolos se hacían de fundición, pero modernamente se realizan en aleaciones de aluminio, teniendo que soportar esfuerzos del orden de 70 a 140 bares; se caracterizan por ser más largos de lo normal. En la cabeza suelen llevar unas hendiduras o huecos D, bien para que al abrirse las válvulas no tropiecen con el émbolo estando éste en su PMS, dejando muy poco

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espacio para comprimir fuertemente el aire, o bien para que éste adquiera el movimiento de torbellino conveniente para la mejor combustión del gasoil. El bulón suele ir sujeto con un clip E en su alojamiento, y desde éste al fondo hay una distancia apreciable (émbolos de cabeza larga), que da idea de lo bien guiado que ha de resultar el pistón dentro del cilindro.

En el detalle 2 de la figura 9 se muestra otro pistón con sus cuatro anillos de compresión A y dos rascadores de aceite B, uno siempre en la falda, con el bulón sujeto por el clip E. La cabeza de biela a veces se cierra con dos dobles espárragos F, abrazando a la muñequilla del cigüeñal mediante unos casquillos finos de acero recubiertos con antifricción o, lo que es ahora más frecuente con tejuelos de bronce plomada, más resistente que el "babbit", por lo menos el G de la parte superior, que es el que sufre el mayor esfuerzo de la carrera motriz, pudiendo ser el inferior H de antifricción, pero en capa fina sobre casquillos de acero.

Para que pueda sacarse el pistón con la biela, por debajo del cilindro, sin desmontar el bloque ni quitar el cigüeñal, en varias marcas se hacen las cabezas con el sombrerete J (figura 9, detalle 3) en diagonal; en este caso el casquillo de abrazadera está todo él recubierto de bronce plomada K. Esta figura muestra una biela con salida de aceite L para lubricar por salpicadura la pared del cilindro, y con tubo interior M para engrase a presión del pie de biela, en su articulación al bulón. En los detalles 2 y 3 se

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marcan en N unas finas hojillas metálicas para retirarlas por parejas a medida que se necesita corregir la holgura por desgaste. Los pistones tienen diferentes formas en la cabeza dependiendo del tipo de inyección y de los fabricantes.

2.1.6.4. LA CULATA.

Realizada en fundición o de aleación ligera, es el elemento más característico del motor diesel, debido a:

•

La forma y disposición de la cámara de combustión.

•

Diseño por requisitos térmicos

•

La situación del inyector.

•

La ubicación del colector de admisión.

•

Las cámaras o precámaras son fabricadas en la misma culata o bien adaptadas posteriormente.

2.1.6.5. LA DISTRIBUCIÓN

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Figura 10: Distribución típica de un motor diesel

Los motores diesel suelen llevar las válvulas en cabeza, mandadas casi siempre por balancines, con el árbol de levas algo elevado en el cárter superior para que no sean tan largos los empujadores; el eje de levas lleva varios apoyos y está movido por un engranaje de varios piñones o por cadena. Con esta última, suele mandarse cuando va colocado el árbol en la culata y abre directamente las válvulas, como ocurre en el Mercedes-Benz 190D (Figura 10), donde la cadena que va contenida entre varias guías A que le impiden oscilar o vibrar, mueve a la vez el árbol de levas en culata y la bomba de inyección. La holgura es corregida por un tensor de rueda dentada aplicado por un resorte.

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Figura 11: Sistema de 4 válvulas de un motor diesel

Las válvulas son análogas a las de los motores de gasolina. En algunos casos las de escape están huecas y rellenas con sodio para transmitir mejor el calor. Las de admisión tienen a veces (Leyland, Pegaso, Man, etc.) un deflector (Figura 9 ) en la parte interna de la seta con objeto de imprimir al aire de admisión un movimiento gira- torio para que durante la compresión se convierta en torbellino sobre el que se pulverice y esparza mejor el gasoil inyectado. En este caso, la válvula no debe poder girar, para ello tiene a lo largo de la cola un rebaje plano P; en la guía de la válvula hay una escotadura

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por la que asoma la chaveta que, al apoyarse y flotar sobre el citado rebaje plano, impide que la válvula gire dentro de la guía. Como los cilindros de los motores Diesel suelen ser de grandes dimensiones, comparados con los de gasolina, y las válvulas, en proporción, resultarían mayores de lo conveniente para la rigidez de su seta, a veces se instalan válvulas dobles (Figura11), dos de admisión y dos de escape, en cada cilindro. El aire de admisión entra por A hacia las válvulas B mandadas por un sólo balancín, que empuja al travesaño y las abre a un tiempo (la primera de ellas tiene el deflector C), realizándose el escape por las válvulas D y colector E.

2.1.7. SISTEMAS DE COMBUSTIÓN Y FORMAS DE CULATA

Como ya se comentó en el ciclo de combustión en el instante de penetrar en la cámara de compresión las primeras gotas de combustible, se encuentran rodeadas de aire comprimido, cuya temperatura está próxima a los 600°C., ampliamente superior a la necesaria para que el gasoil se queme; pero la inflamación sólo ocurrirá cuando la temperatura se comunique al líquido. Para que este caldeo tenga lugar es necesario un cierto tiempo, muy pequeño, pero apreciable, dadas las velocidades de funcionamiento

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que se exigen. El lapso que transcurre entre la entrada en el cilindro de las primeras gotas y el momento de iniciarse la combustión se llama tiempo de retraso y como ya se dijo tiene orígenes físicos y químicos. Una vez iniciada ésta, la velocidad de propagación es superior a la de explosión en los motores de gasolina, dado que el combustible no está todo en el cilindro, sino que va entrando poco a poco y, a medida que se inyecta, el que penetra va incendiándose. Como consecuencia, el golpeo característico de los Diesel es más acusado en ralentí por lo poco que dura la inyección y lo instantáneo de la inflamación, verdadero golpe auto explosivo y detonante, como cuando este fenómeno se presenta en los motores de gasolina.

Si el aire del cilindro está en reposo, y las primeras gotas del combustible se encuentran casi inmóviles en ese aire, la transmisión del calor se hace con lentitud, pues el aire inmediato se enfría al contacto con el líquido. Si, por el contrario, hay un fuerte movimiento relativo entre el gasoil y el aire, el cambio de calor se hace con mayor rapidez y la inflamación sobreviene antes. Este retardo en el inicio de la inflamación no debe confundirse con el tiempo que, en los motores de explosión, tarda la mezcla en quemarse una vez que salta la chispa, conocido con el nombre de retardo en propagarse la inflamación. A primera vista parece que el efecto es análogo y se corregiría adelantando la inyección; pero esto no basta, pues traería como consecuencia que el combustible que ha entrado durante ese retraso al inicio de la inflamación se incendiaría todo junto, y el efecto detonante sería enorme, con golpeo y vibraciones tan desagradables como

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perjudiciales para el motor. Por ello, se busca reducir al mínimo dicho retraso provocando en la cámara de compresión una fuerte turbulencia que proporcione una gran velocidad relativa entre el aire muy caliente y las gotas del combustible pulverizado que se inyecta. Este problema ha sido objeto de numerosos estudios y soluciones, diseñándose diferentes formas de las cámaras de combustión y algunas veces la de la cabeza del pistón, para favorecer la combustión y mejorar así el rendimiento y la potencia, pudiéndose clasificar los sistemas de combustión, o forma de culata, en cuatro grupos: 1°, inyección directa; 2°, precombustión o antecámara; 3°, combustión separada o cámara auxiliar y 4a, acumulador de aire, que se pueden resumir en inyección directa e indirecta.

2.1.7.1. INYECCIÓN DIRECTA

El inyector, que asoma al centro de la cámara de combustión, lanza directamente el combustible al cilindro a una presión que varía de 130 a 300 bares para conseguir una buena pulverización, incidiendo generalmente sobre la cabeza del pistón (Figura 12 ) siempre más caliente que las paredes del cilindro, que están refrigeradas por la circulación del agua.

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Figura 12: Cavidades en el pistón para inyección directa diesel

El inyector, que es del tipo "agujereado", tiene varios orificios muy finos para pulverizar directamente el gasoil en el torbellino de aire. La turbulencia se consigue por la forma del hueco en el émbolo, muchas veces ayudada por un deflector en la válvula de admisión.

La cavidad del pistón ofrece diversas formas, de las que son ejemplo la toroidal esférica (detalles 1 y 2). El sistema (4) tiene dos ventajas: es el más económico en consumo de gasoil sin que la diferencia con los otros sea grande y, si la relación de compresión es superior a 15, como es lo corriente, el arranque es fácil sin necesitarse la ayuda de resistencias para el calentamiento del aire, pues éste tiene pocas paredes por las que pueda perder calor y, además las cavidades están en la cabeza del pistón, que es la parte más caliente del motor.

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Como inconvenientes se puede citar que es muy ruidoso al ralentí y a bajo régimen.

El pistón de Saurer es parecido al de la figura 12 detalle 1, pero el hueco tiene una forma de corazón (figura13) en la que penetra el aire, orientado por el deflector de la válvula, hacia los bordes; de manera que baja girando y sube por el centro a chocar en la culata y unirse al que sigue entrando, para volver a las paredes, bajar de nuevo y así sucesivamente.

Figura 13: Pistón de Saurer

Durante la compresión, este doble torbellino aumenta de velocidad, consiguiéndose que la inyección por varios orificios resulte muy bien pulverizada y mezclada.

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2.1.7.2. PRECOMBUSTIÓN O ANTECÁMARA

La presión de inyección es menor que en la directa, pues aquí está comprendida entre 80 y 120 bar. Al subir el pistón (Figura 14) encierra casi la mitad del aire comprimido en la antecámara, que comunica con el cilindro por los finos orificios del pulverizador o atomizador. El inyector lanza su único chorro de gasoil en el aire caliente y agitado de la antecámara, donde se quema parcial, pero rápidamente; la expansión producida expulsa el resto del combustible sin inflamar (unas dos terceras partes del total), mezclado con aire muy caliente, a través de los orificios del atomizador, que terminan de pulverizarlo, finalizando su combustión en el interior del cilindro.

Figura 14: Ejemplo de cámara de precombustión

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Comparando este sistema con la inyección directa, la cantidad de paredes que rodean al aire es aquí mucho mayor, y por tanto, el calor de la compresión se perderá con más facilidad hacia la refrigeración. En este caso, el arranque resultaría difícil por la lentitud del calentamiento del aire, si éste no se ayudara con las bujías de precalentamiento, que se activan en el momento del arranque. La menor presión de inyección, el usar inyector de agujero único y el ser menos ruidoso a bajo régimen son sus ventajas, frente a los inconvenientes de que necesita bujías de precalentamiento para el arranque en frío y el ligero aumento del consumo respecto a los de inyección directa.

2.1.7.3. COMBUSTIÓN SEPARADA, CÁMARA AUXILIAR O CÁMARA DE TURBULENCIA La presión de inyección en este sistema oscila entre 80 y 130 bar, como en el caso de antecámara. Es una variante perfeccionada del anterior, también llamada "Ricardo-Comet" por el apellido de su autor y la forma alargada del torbellino.

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Figura 15: Ejemplo de cámara de combustión auxiliar, tipo Ricardo-Comet

Casi todo el aire, alrededor de los 2/3 del volumen total de la cámara, (Figura 15) se acumula en la cámara auxiliar (situada en una parte no refrigerada de la culata), que comunica con el cilindro por un sólo conducto más ancho y de forma circular, de manera que el aire, al entrar, adquiere un fuerte movimiento de torbellino.

El inyector lanza el combustible en esta masa giratoria, se produce la inflamación y los gases ardiendo pasan violentamente al cilindro; la forma del conducto y la de la cabeza del pistón continúan la turbulencia, favoreciendo la rápida inflamación de todo el combustible, que se quema íntegro en la cámara auxiliar.

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La violencia de la detonación que queda un tanto sujeta en dicha cámara, se va aplicando con cierta progresividad o freno, al tener que pasar por el conducto hacia la parte superior del pistón. Tiene como ventajas que precisa menos presión de inyección que la directa y consume menos que en el sistema anterior; como inconveniente se puede citar que precisa bujías de precalentamiento.

En la figura 16 se ve en A la última culata "Ricardo-Comet", con rehundido formando un ocho en el pistón (detalle 1) y bujías de precaldeo; en el detalle 2 se aprecia en B el sistema "Airflow" de Perkins con doble chorro en el inyector y sin las citadas bujías, pues el calentamiento del aire para arrancar se hace, en esta marca como en algunas otras, con una "estufa eléctrica" en el colector de admisión.

Figura 16: Ejemplo de cámara de combustión, tipo Ricardo-Comet con bujias de precaldeo

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2.1.7.4. ACUMULADOR DE AIRE O SISTEMA ACRO-BOSCH

En este sistema con una presión de inyección de 100 a 130 bares, el aire es comprimido y reducido en el acumulador (Figura 17), lanzando el inyector el chorro al venturi o difusor de comunicación, donde empieza a inflamarse el combustible. El calor dilata el aire del acumulador, que puede estar formado en el pistón (Figura 18) como ocurría en los Berliet, saliendo al cilindro y terminando la combustión del gasoil a medida que se inyecta.

Figura 17: Sistema acumu lador de aire Acro-Bosch

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Este sistema es ahora poco usado, pues aunque tiene como ventajas que el arranque con bujías es fácil, la combustión completa y el funcionamiento suave; en cambio, el consumo resulta mayor que con las otras formas de culata.

Figura 18: Sistema acumulador de aire Acro-Bosch II

El sistema Lanova, incluido en este grupo, es un desarrollo del Acro realizado por el mismo autor, el ingeniero alemán Lang. En su forma actual (Figura 19) el aire es comprimido en el espacio circular A (debajo de la válvula de escape) y también en los acumuladores seguidos B y C. En el detalle 1 se ve cómo el gasoil desde el inyector alcanza el fondo de C, se inflama (detalle 2), y la expansión hacia atrás en 3, imprime un rápido movimiento circular al aire en A, facilitando la buena combustión. Por lo que predomina la inyección Directa en los motores del sistema Lanova, es porque generalmente no precisan de bujías o calentadores de aire para el arranque.

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En algunos motores se conserva el corte antiguo, con la cámara A doble formando un ocho, a cuyo centro apunta el doble acumulador B y C. Una variante usada por Hércules, lleva el acumulador de aire, de forma esférica, a un costado de la parte alta del cilindro.

Figuara 19: Cámara de combustión Lanova

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2.1.7.5. COMPARACIÓN ENTRE SISTEMAS DE COMBUSTIÓN

Las ventajas e inconvenientes que presenta cada sistema, prácticamente vienen a compensarse entre sí, como lo prueba la subsistencia de todos ellos en marcas acreditadas. Sin embargo, parece declinarse el 4° (acumulador de aire) en beneficio del 1° (inyección directa, siendo la opción más usada hoy en día en todo el mundo). También se aprecia una lenta evolución del 2° (precombustión) hacia el 3° (cámara auxiliar "Ricardo-Comet"). El Lanova acompaña en su actual boga, sobre todo en Estados Unidos, a los sistemas 1°Y 3°. Recuérdese que los motores con inyección directa son los que menos combustible consumen, pero con más golpeo y sacudidas y que los que emplean el sistema de antecámara o cámara auxiliar tienen un funcionamiento más suave y silencioso a costa de un ligero aumento en el consumo. En todo caso, las diferencias son pequeñas.

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2.1.8. EL EQUIPO DE INYECCIÓN

2.1.8.1. SISTEMAS DE INYECCIÓN DIESEL

En la figura 20 se pueden ver los campos de aplicación de los sistemas de inyección Diesel Bosch.: Los motores Diesel se aplican en ejecuciones muy variadas: - Accionamiento par grupos electrógenos móviles (hasta 10 kw por cilindro). - Motores de funcionamiento rápido par turismos y vehículos industriales ligeros (hasta 50 kw por cilindro). - Motores para los sectores de la construcción, agrícola, forestal (hasta 50 kw por cilindro). - Motores para vehículos industriales pesados, autobuses y tractores (hasta 80 kw por cilindro). - Motores estacionarios, para grupos electrógenos de emergencia (hasta 160 kw por cilindro). - Motores de locomotoras y barcos (hasta 1000 kw de potencia).

En la tabla 2 se exponen los datos y características de lo sistemas de inyección Diesel.

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Figura 20: Campos de aplicación de los sistemas de inyección BOSCH

2.1.8.2. EJECUCIONES DE LOS SISTEMAS DE INYECCIÓN BOSCH

Bombas de Inyección en línea

Tienen por cada cilindro motor un elemento de bomba que consta de cilindro y émbolo. Los elementos de bomba están dispuestos en línea, la carrera del émbolo es invariable. Para variar el caudal se gira el émbolo dotado con una rampa sesgada que

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pone en comunicación la salida de combustible antes o después, según el grado de giro. Existen válvulas que determinan el final de inyección de forma exacta.

Bombas de inyección en línea estándar PE

El comienzo de suministro queda determinado por un taladro de aspiración que se cierra por la arista superior del émbolo. La varilla de regulación es accionada por un regulador mecánico de fuerza centrífuga o con un actuador eléctrico.

Bombas de inyección en línea con válvula corredera

Se distingue de la bomba de inyección convencional, por una corredera que se desliza sobre el émbolo de la bomba mediante un eje actuador adicional, con el cual puede modificarse la carrera previa y con ello el suministro de la inyección.

Bombas de inyección rotativas

Tienen un elemento para todos los cilindros, poseen regulador mecánico o regulador electrónico y variador de avance integrado.

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Bomba de inyección rotativa de émbolo axial

Existe una bomba de aletas que suministra combustible a la cámara de la bomba. Hay un émbolo distribuidor central que gira dentro de un disco y asume la distribución y presión del combustible.

En la bomba de inyección rotativa de émbolo axial VE, convencional con regulador mecánico de revoluciones de fuerza centrífuga, o con mecanismo actuador electrónico, existe una corredera de regulación que determina la carrera útil y dosifica el caudal. El comienzo de la inyección puede regularse mediante un variador de avance. Cuando el control es por regulador eléctrico, existe una electroválvula de presión controlada de forma electrónica que sustituye a la corredera de regulación.

Bomba de inyección rotativa de émbolos radiales

En ella el suministro lo realiza una bomba de aletas. Una bomba de émbolos radiales con anillo de levas y entre dos y cuatro émbolos radiales, asume la generación de alta presión y el suministro de los inyectores. Una electroválvula de alta presión dosifica el caudal. El comienzo de la inyección se regula mediante el giro de anillo de levas con variador de avance. La regulación es electrónica.

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Bombas de inyección individuales PF

Aplicadas en motores pequeños, maquinaria de construcción, no tienen árbol de levas propio pero se parecen a las bombas en línea PE.

Unidad de bomba-Inyector DI

La bomba y el inyector forman una unidad. Por cada cilindro motor se monta una unidad que es accionada bien mediante un empujador o indirectamente mediante un balancín, por parte del árbol de levas del motor. Debido a la supresión de las tuberías de alta presión es posible una presión de inyección esencialmente mayor (hasta 2.050 bares).si unimos la regulación electrónica, es posible una actuación mas correcta con reducción de contaminantes.

Unidad bomba-tubería-inyector UP

Trabaja según el procedimiento de la bomba inyector. Se trata aquí de un sistema de inyección de alta presión estructurado de forma modular. Al contrario que la bomba-inyector, el inyector y la bomba están unidos por una tubería corta de inyección. El sistema dispone de un conjunto bomba-tubería-inyector por cada cilindro la bomba es

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accionada por el árbol de levas del motor. Una regulación electrónica es añadida al sistema. Sistema de inyección de acumulador Common Rail CR

La presión de inyección y el envío de gasoil se realizan por separado. La presión se genera independientemente del régimen del motor y del caudal de inyección y está a disposición en el Rail (acumulador de combustible para la inyección. El momento y el caudal se calculan en una unidad electrónica. La realización es por el inyector en cada cilindro del motor mediante control de electroválvula. Como se verá a continuación en el tema dedicado exclusivamente a los sitemas de inyección Common Rail, la opción de realizar multi-inyecciones por ciclo es la más conveniente para reducir las emisiones-

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Tabla 2: datos y características de lo sistemas de inyección Diesel.

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2.1.9. SISTEMA COMMON RAIL

2.1.9.1. INTRODUCCIÓN

El sistema Common Rail ( figura 21) surge como estudio de un sistema de inyección directa más evolucionado a finales de los años ochenta, siendo capaz de reducir radicalmente los inconvenientes del excesivo ruido de combustión y garantizando mayores prestaciones y menores consumos simultáneamente.

Figura 21: Esquema base de un sistema Common Rail

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Como ya se ha comentado, este sistema se basa en la introducción de gasóleo en el interior de un depósito, generándose presión dentro del mismo depósito, que se convierte en acumulador hidráulico (rail), es decir, una reserva de combustible a presión disponible rápidamente. Al estar la generación de presión separada de la dosificación y de la inyección de combustible, se obtiene una presión de inyección constante que no dependa del número de revoluciones. A partir del control electrónico de la centralita se puede dividir la cantidad a inyectar total en varias inyecciones muy próximas entre sí, de manera que aunque la cantidad quemada sea la misma, se obtiene una combustión más gradual. El sistema Common Rail ofrece a los motores diesel una gran flexibilidad, siendo capaces de desarrollar todo su potencial en todo el mapa delimitado por revoluciones y posición del acelerador, ajustándose a los requerimientos de reducción de contaminantes. La unidad de control registra con la ayuda de sensores el deseo del conductor (posición del pedal del acelerador) y el comportamiento de servicio actual del motor y del vehículo. La unidad de control procesa las señales generadas por los sensores y transmitidas a través de líneas de datos. Con las informaciones obtenidas, es capaz de influir sobre el vehículo y especialmente sobre el motor, controlándolo y regulándolo. En base a los valores del sensor de temperatura del líquido refrigerante y de temperatura de aire, a temperaturas bajas y motor frío, la UC puede adaptar a las condiciones de servicio los valores teóricos sobre el control de la inyección del combustible (momento preciso con el caudal y presión adecuados al funcionamiento del motor) además de regular otras funciones complementarias.

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Las funciones complementarias pueden estar enfocadas a la reducción de las emisiones de los gases de escape y del consumo de combustible, o bien a aumentar la seguridad y el confort. Algunos ejemplos de estas funciones son: la retroalimentación de gases de escape (sistema EGR), la regulación de la presión turbo, la regulación de la velocidad de marcha, el inmovilizador electrónico de arranque, etc. En el presente apartado se describe el funcionamiento así como las distintas partes que componen un sistema Common Rail.

2.1.9.2. PARTES Y COMPONENTES

La instalación de un sistema Common Rail ( FIGURA 22) se estructura en dos partes fundamentales la zona que suministra el combustible a baja presión y la que suministra el combustible a alta presión.

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Figura 21: Esquema Common Rail II

La zona de baja presión consta de (Figura 22):

-

Depósito de combustible con filtro previo.

-

Bomba previa.

-

Filtro de combustible.

-

Tuberías de combustible de baja presión.

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Figura 22: Zona de baja presión del sistema common Rail

La zona de alta presión consta de:

-

Bomba de alta presión con válvula reguladora de presión.

-

Tuberías de combustible de alta presión.

-

Rail como acumulador de alta presión con sensor de presión del Rail, válvula limitadora de la presión y limitador de flujo.

-

Inyectores.

-

Tuberías de retorno de combustible.

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Figura 23: Zona de alta presión del sistema Common Rail

2.1.9.3. ZONA DE BAJA PRESIÓN

La zona de baja presión pone a disposición el combustible para la zona de alta presión (figura 23). La misión de la bomba previa es abastecer suficiente combustible a la bomba de alta presión, recogiendo el combustible del depósito. Se trata de una bomba de combustible de engranajes (FIGURA 24) accionada mecánicamente integrada en la

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bomba de alta presión. Al ser el caudal de suministro aproximadamente proporcional al número de revoluciones del motor, su regulación se realiza bien por regulación de estrangulación en el lado de aspiración, o bien por una válvula de descarga en el lado de impulsión.

Figura 24: Bomba de engranajes empleada en el sistema Common Rail en la zona de baja presión

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Figura 24: Filtro de combustible instalado en la entrada de la bomba de baja

Para evitar cualquier tipo de impurezas que puedan producir daños o anomalías en el servicio de bomba e inyectores se instala un filtro de combustible (FIGURA 24) adaptado especialmente a las exigencias de la instalación de inyección.

2.1.9.4. ZONA DE ALTA PRESIÓN

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La parte más crítica e importante del sistema Common Rail se encuentra en la zona de alta presión y en algunos elementos de control ajenos a las dos partes enunciadas anteriormente. El sistema se basa en seis elementos fundamentales donde cada uno por separado no es absolutamente novedoso, pero su utilización conjunta proporciona enormes ventajas y flexibilidad de funcionamiento. Estos elementos son la bomba de alta presión, el Rail común, los inyectores, los sensores, los actuadores y la unidad de control que gestiona el sistema.

Bomba de alta presión (figura 25)

Se encuentra en la intersección entre la zona de baja presión y la de alta presión. La bomba tiene la misión de poner siempre a disposición de los inyectores suficiente combustible comprimido, en todos los márgenes de servicio y durante toda la vida útil del vehículo. Esto incluye el mantenimiento de una reserva de combustible necesaria para un proceso de arranque rápido y un aumento rápido de la presión en el rail. La bomba genera permanentemente la presión del sistema para el acumulador en alta presión (Rail). Por este motivo, en comparación con sistemas de inyección convencionales, ya no es necesario que el combustible tenga que ponerse a disposición “altamente comprimido” para cada proceso de inyección en particular.

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La bomba de alta presión está montada preferentemente en el mismo lugar del motor diesel que las bombas de inyección rotativas convencionales. Según el espacio de montaje, la válvula reguladora de presión esta adosada directamente a la bomba de alta presión o se instala por separado. Es accionada por el motor a través del sistema de acoplamiento que puede ser de rueda dentada o cadena. El combustible se comprime dentro de la bomba con tres émbolos de bomba dispuestos radialmente (figura 25), desfasados entre sí 120º. Con tres carreras de suministro por cada vuelta resultan pares máximos de accionamiento reducidos y una solicitud uniforme del accionamiento de la bomba, obteniéndose un par mucho menor que para una bomba de inyección rotativa comparable.

Por lo tanto, el Common Rail plantea exigencias menores al arrastre de bomba que los sistemas de inyección convencionales. La potencia necesaria para el accionamiento de bomba aumenta proporcionalmente a la presión ajustada en el Rail y a la velocidad de rotación de la bomba (caudal de suministro).

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Figura 25: Ejemplo de bomba de alta presión en un sistema Common Rail

Rail común (figura 26)

El Rail tiene la misión de almacenar combustible a alta presión. Al hacerlo, se amortiguan mediante el volumen acumulado oscilaciones de presión producidas por el suministro de la bomba y la inyección. La presión en el distribuidor de combustible común para todos los cilindros se mantiene a un valor casi constante incluso al extraer grandes cantidades de combustible. Con esto se asegura que permanezca constante la presión de inyección al abrir el inyector.

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Figura 26: Acumulador de presión del sistema Common Rail

En el Rail se encuentra la válvula de sobrepresión. La válvula limitadora de presión limita la presión en el Rail dejando libre una abertura de salida en caso de un aumento demasiado grande de la presión. Solamente cuando se sobrepasa la presión máxima del sistema se abre la válvula y el combustible es conducido entonces por canales al depósito de combustible a través de una tubería colectora. Al salir combustible del Rail disminuye la presión de éste. Otro elemento de seguridad es el limitador de flujo que tiene la misión de evitar el caso poco probable de inyecciones permanentes en un inyector. Para cumplir

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esta misión, el limitador de flujo cierra la afluencia al inyector afectado, en caso de sobrepasarse el caudal de extracción máximo.

Inyectores

El inyector (figura 27) utilizado en el sistema estudiado se activa de forma eléctrica a diferencia de los utilizados en sistemas que utilizan bomba rotativa que inyectan de forma mecánica. Con esto se consigue más precisión a la hora de inyectar el combustible y se simplifica el sistema de inyección. En la actualidad existen principalmente dos tipos de inyectores, los inyectores electromagnéticos, que se llevan utilizando desde el principio de esta tecnología, y los nuevos inyectores piezoeléctricos. La estructura de los inyectores electromagnéticos puede dividirse en tres bloques funcionales: el inyector de orificios, el servosistema hidráulico y la electroválvula. A continuación se presenta una figura esquemática de las partes de un inyector electromagnético:

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Figura 27 : Inyector empleado en un sistema Common rail

El funcionamiento del inyector electromagnético, con el motor en marcha y la bomba de alta presión funcionando, puede dividirse en cuatro estados de servicio:

-

Inyector cerrado (con alta presión presente), donde la electroválvula no esta activada (estado de reposo) y por lo tanto se encuentra cerrado el estrangulamiento de salida que hace que la presión del combustible sea igual en la cámara de control que en el volumen de cámara de la tobera por lo que la aguja del inyector permanece apretada sobre su asiento en la tobera empujada por el muelle del inyector.

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Inyector abriendo (comienzo de inyección), donde la electroválvula es activada con la llamada corriente de excitación que sirve para la apertura rápida de la electroválvula. La fuerza del electroimán activado ahora es superior a la fuerza del muelle de válvula, y el inducido abre el estrangulador de salida. En un tiempo mínimo se reduce la corriente de excitación aumentada a una corriente de retención del electroimán más baja.

-

Inyector totalmente abierto (plena inyección), donde el émbolo de mando alcanza su tope superior y permanece allí sobre un volumen de combustible de efecto amortiguador. Este volumen se produce por el flujo de combustible que se establece entre el estrangulador de entrada y de salida. La tobera del inyector esta ahora totalmente abierta y el combustible se inyecta en la cámara de combustión con una presión que corresponde aproximadamente a la presión en el Rail. La distribución de fuerzas en el inyector es similar a la existente durante la fase de apertura.

-

El inyector cierra (final de inyección) cuando deja de activarse la electroválvula, el inducido es presionado hacia abajo por la fuerza del muelle de válvula y la bola cierra el estrangulador de salida. Si el motor no está en marcha la presión de un muelle mantiene el inyector cerrado.

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El funcionamiento del inyector electromagnético está representado en la siguiente figura 28:

Figura 28: Modo de funcionamiento de un inyector electromagnético

El desarrollo de los equipos de inyección llevó a la aparición de los nuevos inyectores piezoeléctricos. El fenómeno piezoeléctrico se produce en determinados cristales, que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. Así mismo se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo

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eléctrico y tensiones mecánicas. Aparecen de este modo dipolos elementales en la masa y, por consiguiente, cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas. En la actualidad, el desarrollo de nuevos inyectores se centra en el estudio de nuevos materiales con esta propiedad, estudiando su variabilidad con la temperatura, factor clave a la hora de diseñar este tipo de inyectores.

Figura 29: Inyector piezoeléctrico empleado en sistemas Common Rail.

Mediante el empleo de inyectores piezoeléctricos (figura 29) se ha conseguido una mayor velocidad de respuesta, lo que permite inyecciones con intervalos de separación más estrechos. Además, como se muestra en la Figura 30, se consigue

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mediante esta nueva técnica inyectar cantidades menores de combustible por inyección debido a la rápida respuesta.

Figura 30: Apertura del inyector en función del tiempo

Sensores

Sirven para registrar las condiciones de servicio y transformar diversas magnitudes físicas en señales eléctricas.

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Figura 31:Esquema de la disposición de los sensores

La figura muestra la disposición de los sensores más importantes de un sistema de control electrónico. A continuación se explican algunos de ellos:

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Figura 32: Sensor de revoluciones del cigüeñal

Sensor de revoluciones del cigüeñal

La posición del pistón de un cilindro es decisiva para el momento de inyección correcto. Todos los pistones de un motor están unidos al cigüeñal mediante bielas. Un sensor en el cigüeñal (figura 32) suministra por lo tanto información sobre la posición de los pistones de todos los cilindros. El número de revoluciones indica el número de vueltas del cigüeñal por minuto.

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Sensor de revoluciones del árbol de levas

El árbol de levas gira a la mitad de la velocidad del cigüeñal, su posición determina si un pistón que se mueve hacia el punto muerto superior, se encuentra en la carrera de compresión con encendido sucesivo o en la carrera de expansión. Esta información no puede obtenerse durante el proceso de arranque a partir de la posición del cigüeñal. Por el contrario, durante el servicio de marcha, la información generada por el sensor del cigüeñal es suficiente para determinar la posición del motor.

Figura 33: Sensor de árbol de levas

Sensores de temperatura

Los sensores de temperatura se aplican en varios lugares:

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1.En el circuito del líquido refrigerante, para poder determinar la temperatura del motor a partir de la que presente el fluido. 2.En el canal de admisión para medir la temperatura del aire aspirado. 3.En el aceite del motor para medir la temperatura del aceite (opcional). 4.En el retorno del combustible para medir la temperatura del combustible (opcional).

Figura 34: Medidor de masa de aire

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Medidor de flujo de aire

Para poder cumplir los valores límites de gases de escape establecidos, es necesario especialmente en el servicio dinámico del motor de combustión, un cumplimento exacto de la relación pretendida de aire-combustible. Además, sirve también para determinar con mayor exactitud el comportamiento del motor ya que mides combustible y aire. Para ello se requieren sensores que registren con gran precisión el flujo de aire aspirado. En la figura 34 se muestra uno de los múltiples sistemas que se usan para medir el flujo de aire.

Estructura medidor de flujo de aire de película caliente

El medidor de masa de aire de película caliente está introducido (figura 34) en un conducto de medición, que puede tener diferente diámetro según la masa de aire necesaria para el motor. El conducto de medición está montado detrás del filtro de aire en el tramo de admisión. Hay también sensores de clavija montados en el filtro de aire. Las partes esenciales del sensor son una célula de medición (3) bañada por la corriente de aire parcial en la entrada de aire de admisión, y un sistema electrónico evaluador integrado (2). Los elementos de la célula de medición están metalizados por evaporación sobre un substrato semiconductor, y los elementos del sistema electrónico evaluador (circuito híbrido) sobre un substrato cerámico. De este modo es posible un tamaño muy pequeño. El sistema electrónico evaluador comunica a su vez con la unidad de control a través de conexiones eléctricas (1). El canal de medición de la corriente parcial (bypass) está conformado de manera que el aire puede fluir sin remolinos por delante de la célula

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y refluir por la salida hacia el conducto de medición. De ese modo se mejora el comportamiento del sensor en caso de corrientes de fuerte pulsación y, además de las corrientes en sentido directo, se reconocen también los reflujos.

Figura 35: Caudalímetro

Funcionamiento El medidor de masa de aire de película caliente es un "sensor térmico". Trabaja según el siguiente principio: Una resistencia calefactora dispuesta en el centro sobre la célula de medición (figura 36, pos. 3) calienta una membrana sensible micromecánica (5) y la mantiene a una temperatura constante. Fuera de esta zona de calefacción regulada (4) disminuye la temperatura a ambos lados.

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Dos resistencias dependientes de la temperatura montadas simétricamente respecto a la resistencia calefactora flujo arriba y flujo abajo sobre la membrana (puntos de medición MI, M2) detectan la distribución de la temperatura sobre ésta. Cuando no pasa aire, el perfil de temperaturas (1) es igual en ambos lados (T1 = T2).

Figura 36: Principio de funcionamiento de un medidor de masa de aire de película caliente

Cuando pasa aire por encima de la célula de medición, el perfil uniforme de temperaturas sobre la membrana sufre un cambio (2). En el lado de aspiración la variación de la temperatura es más pronunciada, pues la corriente de aire enfría esta parte. En el lado opuesto, orientado hacia el motor, se enfría primero la célula de medición del sensor. Luego, el aire calentado por el elemento de calefacción caldea la

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célula de medición. La variación de la distribución de temperaturas ocasiona una diferencia de temperatura (∆T) entre los puntos de medición M1 y M2. El calor cedido al aire, y con ello la caída de temperatura en la célula de medición del sensor, depende de la masa de aire que pasa por delante de ella. La diferencia de temperatura (independientemente de la temperatura absoluta del aire que pasa) constituye una medida para la masa de la corriente de aire; además depende de la dirección, de manera que el medidor de masa de aire puede detectar tanto la cantidad como el sentido de una corriente de masa de aire. Por ser la membrana micromecánica sumamente fina, el sensor reacciona muy rápidamente a las variaciones (< 15 ms). Esto es importante, especialmente con corrientes de aire de fuerte pulsación. La diferencia de resistencia en los puntos de medición M1 y M2 la convierte el sistema electrónico evaluador integrado en el sensor en una señal de tensión analógica entre 0 y 5 V, adecuada a la unidad de control. Con la ayuda de la curva característica del sensor almacenada en la unidad de control (figura 36 derecha), la tensión medida es convertida

en

un

valor

para

la

corriente

de

masa

de

aire

[kg/h].

La curva característica está conformada de manera que la diagnosis integrada en la unidad de control puede identificar defectos como por ejemplo una interrupción de línea.En el medidor de masa de aire de película caliente puede haber integrado un sensor de temperatura para evaluaciones adicionales. Este sensor se encuentra sobre la célula de medición, delante de la zona caliente. El no es necesario para determinar la masa de aire. Para ciertas aplicaciones en algunos vehículos se toman medidas adicionales contra el agua y la suciedad (conducto interior, rejilla protectora).

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Sensor del pedal del acelerador

Contrariamente a lo que sucede en las bombas convencionales de inyección rotativa o de inyección en línea, en el sistema “Common Rail”, el deseo del conductor ya no se transmite a la bomba de inyección mediante un cable de tracción o un varillaje, sino que se registra con un sensor de pedal acelerador y se transmite a la unidad de control. Dependiendo de la posición del pedal del acelerador surge en el sensor del pedal una tensión variable que se registra mediante un potenciómetro. Conforme a una línea característica programada se calcula la posición del pedal del acelerador a partir de la tensión.

Sensor de presión de sobrealimentación

Este sensor está unido neumáticamente al tubo de admisión y mide la presión absoluta del tubo de admisión de 0,3 a 0,5 bar. El sensor está dividido en una célula de presión con dos elementos sensores y un recinto para el circuito evaluador.

Los elementos sensores y el circuito evaluador se encuentran sobre un substrato cerámico común. Un elemento sensor consta de una membrana de capa gruesa en forma de campana, que encierra un volumen de referencia con una presión interior

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determinada. Según cual sea la magnitud de la presión de sobrealimentación se deforma diferentemente la membrana. Sobre la membrana hay dispuestas resistencias “piezorresistivas”, cuya conductividad varía bajo tensión mecánica. Estas resistencias están conectadas en puente de tal forma que una desviación de la membrana conduce a una variación de la adaptación del puente. La tensión del puente es por tanto una medida de la presión de sobrealimentación.

El circuito evaluador tiene la misión de amplificar la tensión de puente, de compensar influencias y de linealizar la curva característica de presión. La señal de salida del circuito evaluador se conduce a la unidad de control. Con ayuda de una curva característica programada se realiza al cálculo de la presión de sobrealimentación, a partir de la tensión medida.

Figura 37: Esquema de sensor de presión de rail

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Sensor de presión del Rail (figura 37)

Sirve para poder controlar la presión de inyección en cada momento ya que ésta deberá ser diferente en función de la situación y requerimientos que se le estén haciendo al motor. El combustible fluye a través de un taladro en el Rail hacia el sensor de presión del Rail, cuya membrana de sensor cierra herméticamente el final del taladro. A través de un orificio en el taladro ciego llega a la membrana el combustible sometido a presión. Sobre esta membrana se encuentra el elemento sensor que sirve para transformar la presión en una señal eléctrica. A través de cables de unión se transmite la señal generada a un circuito evaluador que pone a disposición de la unidad de control la señal de medición amplificada.

Actuadores

Los actuadores son los dispositivos encargados de ejecutar las acciones reguladoras que establece la unidad de control en la gestión del funcionamiento del motor. Se muestran los más importantes en la siguiente figura 38. A continuación se pasará a explicar algunos de ellos más detalladamente.

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Figura 38: Sistema de actuadotes del Common Rail

Inyectores

Ya explicados anteriormente.

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Válvula reguladora de presión (figura 39)

Esta válvula tiene la misión de ajustar y mantener la presión en el Rail, dependiendo del estado de carga del motor, y es controlada por la unidad de control. Cuando se activa la válvula reguladora de presión, el electroimán presiona el inducido contra el asiento estanco y la válvula cierra. El lado de alta presión queda estanqueizado contra el lado de baja presión y aumenta la presión en el Rail. En estado sin corriente, el electroimán no ejerce fuerza sobre el inducido. La válvula reguladora de presión abre, de forma que una parte del combustible del Rail retorna al depósito de combustible a través de una tubería colectiva. La presión en el Rail disminuye.

Figura 39: Válvula reguladora de presión

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Unidad de control del tiempo de incandescencia

Para un buen arranque en frío y para mejorar la fase de calentamiento del motor que incide directamente en la reducción de los gases de escape, es responsable el control de tiempo de incandescencia. El tiempo de preincandescencia depende de la temperatura del líquido refrigerante. Las demás fases de incandescencia durante el arranque del motor o con el motor en marcha, son determinadas por una variedad de parámetros, entre otras cosas, por el caudal de inyección y por el número de revoluciones del motor (figura 40).

Figura 40: Esquema de control de incandescencia

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Convertidor electroneumático

Las válvulas de los actuadores de presión de sobrealimentación, de rotación y de retroalimentación de gases de escape (EGR), son accionadas mecánicamente con ayuda de depresión (vacío) o sobrepresión. Para ello, la unidad de control del motor genera una señal eléctrica que es trasformada por un convertidor electroneumático en una sobrepresión o depresión.

Figura 41: Actuador de presión de sobrealimentación

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Actuador de presión de sobrealimentación (figura 41)

Los motores de turismos con turbocompresión por gases de escape tienen que alcanzar un elevado par motor incluso a número de revoluciones bajos. Por este motivo, el cuerpo de la turbina está dimensionado para un flujo pequeño de masas de gases de escape. Para que la presión de sobrealimentación no aumente excesivamente en caso de flujos de masas mayores de gases de escape, en este margen de funcionamiento debe conducirse una parte de los gases de escape sin pasar por la turbina del turbo al colector de los gases de escape por medio de una válvula by-pass (“Wastegate”). El actuador de la presión de sobrealimentación modifica para ello la apertura mayor o menor de la válvula “Wastegate” dependiendo del número de revoluciones del motor, del caudal de inyección, etc. En lugar de la válvula “Wastegate” puede aplicarse también una geometría variable de la turbina. Ésta modifica el ángulo de incidencia de la turbina de gases de escape e influye así la presión de sobrealimentación.

Actuador de rotación

El control de rotación sirve para influir el movimiento de giro del aire aspirado. La rotación del aire se genera casi siempre mediante canales de entrada de forma espiral. La rotación del aire determina el mezclado del combustible y el aire en la cámara de combustión y tiene por tanto gran influencia sobre la calidad de la combustión. Por regla

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general se genera una fuerte rotación a un número de revoluciones bajo y una débil rotación a un número de revoluciones alto. La rotación puede regularse con la ayuda de un actuador de rotación (mueve una corredera) en el área de la válvula de actuación.

Actuador de retroalimentación de los gases de escape

En la retroalimentación de los gases de escape (figura 42) se conduce una parte de los gases de escape a la admisión del motor. Hasta un cierto grado, una parte de los gases residuales creciente puede repercutir positivamente sobre la transformación de energía, reduciendo con ello la emisión de contaminantes.

Figura 42: Esquema de funcionamiento de la válvula EGR

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Dependiendo del punto de servicio, la masa aspirada de aire/gas se compone de gases de escape hasta un 40% (figura 43). Para la regulación en la unidad de control se mide la masa real de aire fresco y se compara con un valor teórico de masa de aire en cada punto de servicio. Con ayuda de la señal generada por la regulación, abre el actuador de retroalimentación de gases de escape, de forma que pasan gases de escape a través de la válvula EGR (Exhaust gas recirculation) del colector de escape a la admisión del motor.

Figura 43: Evolución en la creación de contaminantes en función del gado de retroalimentación de gases de escape

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Regulación de la mariposa

La mariposa en el motor diesel tiene una función totalmente distinta que en el motor de gasolina. Sirve para aumentar el índice de retroalimentación de gases de escape, mediante la reducción de la sobre presión en el tubo de admisión. La regulación de la mariposa solamente actúa en el margen de revoluciones inferior.

Unidad de Control

La unidad de control evalúa las señales de los sensores, y mediante una lógica interna cargada en su memoria gestiona el funcionamiento del equipo de inyección en un sistema Common Rail. En el siguiente apartado se desarrollará de una manera más extensa la unidad de control; su estructura, su intercambio de información, su funcionamiento y demás, de manera que pueda entenderse de una manera más clara el manejo de los distintos parámetros y su influencia en las emisiones contaminantes.

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2.1.10.

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UNIDAD DE CONTROL

2.1.10.1. LÓGICA DE LA UNIDAD DE CONTROL

La unidad de control registra con la ayuda de sensores el deseo del conductor (posición del pedal del acelerador) y el comportamiento de servicio actual del motor y del vehículo. La unidad de control procesa las señales generadas por los sensores operando los datos de entrada con un conjunto de mapas y curvas característicos del motor que tiene cargados en la memoria que definen el comportamiento de cada variable (momento preciso de inyección con el caudal y presión adecuados al funcionamiento del motor). En base a los datos provenientes del sensor de temperatura del motor o de las condiciones atmosféricas de presión y temperatura, la unidad de control puede adaptar a las condiciones de servicio los valores teóricos sobre el control de la inyección del combustible empleando los denominados mapas de correcciones. Finalmente, tras una serie de operaciones, la unidad de control arroja el resultado de la lógica final de cada variable.

Esta serie de mapas cargados en la UC (Unidad de Control) están expresadas como colección de matrices definiendo el comportamiento de cada variable se denominan cartografías o calibraciones, y con ellas quedan determinados todos los puntos de funcionamiento del motor (función de régimen de giro y posición del acelerador), aportando esta forma de trabajo múltiples ventajas para el usuario de

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vehículos como puedan ser mejoras en las prestaciones, conducibilidad, emisiones, flexibilidad y optimización del motor para todos los regímenes de funcionamiento.

Cada variable tiene una lógica diferente, interviniendo en el resultado final de ésta varias matrices. Así, por el ejemplo, para el avance de inyección principal se tendrá un valor teórico para cada punto de funcionamiento (en ejes de régimen de giro y posición de acelerador) constituyendo un mapa base. Por otro lado, debido a las condiciones del aire a la entrada podrán existir varios mapas de correcciones por condiciones atmosféricas, así como correcciones por temperatura del motor o mapas límites de funcionamiento de los diferentes dispositivos gobernados por la unidad de control. El resultado final es que el sistema tendrá que operar algebraicamente mediante sumas, restas, multiplicaciones o divisiones para cada punto de funcionamiento todas las matrices entre sí a través de la relación de lógica de control que dispondrá los cálculos específicos para la salida demandada.

Hoy en día existen varios fabricantes de equipos de inyección. Los principales son Bosch, Siemens, Delphi y Denso. Cada uno de ellos presenta una lógica de control determinada, donde intervendrán distintos mapas calibrados por los equipos de puesta apunto de cada fabricante. Cada fabricante jugará con las aportaciones de sus mapas calibrados de manera que retocando los valores de estos se logren mejores prestaciones, emisiones y/o consumos en función del punto de funcionamiento en el que se encuentre el motor.

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2.1.10.2. PROCESAMIENTO DE SEÑALES EN LA UNIDAD DE CONTROL La siguiente figura 44 muestra un esquema de señales de entrada y salida de la unidad de control.

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Figura 44: Procesamient de señales de la unidad de control

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2.1.11.

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SISTEMAS MULTI – INYECCIÓN

2.1.11.1. DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS

El rasgo más típico de la combustión de un motor de encendido por compresión es el salto brusco de presión al comenzar (figura 45). Esto es debido a la brusca aportación de calor que se da en el comienzo de la combustión, en la fase definida como combustión de Premezcla.

Figura 45: Formación de calor en la cámara durante la combustión

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Tras la inyección de combustible sigue un pequeño ángulo en que no hay aportación de calor sino la absorción de calor por parte del combustible necesaria para su evaporación. Durante el período de retraso típico en la combustión diesel, el combustible inyectado se va mezclando con el aire de la cámara, de tal forma que al final del tiempo de retraso hay una apreciable cantidad de combustible que se ha premezclado con el aire y que está lista para arder, quemándose súbitamente. Por tanto, el comienzo de la aportación de calor se realiza de manera brusca, liberándose súbitamente una gran cantidad de calor, generándose elevados valores de presión y de dP/dt. Esto trae como resultado un incremento en las solicitaciones mecánicas del motor y un elevado ruido generado en la combustión con respecto a los motores de gasolina. Por ello, la investigación en la tecnología diesel ha venido ligada a la necesidad de la reducción de la combustión de premezcla, siguiéndose principalmente dos vías de desarrollo:

- Reducción del tiempo de retraso: Movimiento del aire y del combustible, geometrías que favorezcan los torbellinos, equipos de inyección que permitan obtener una pulverización más fina, adecuación de las condiciones de presión y temperatura de la cámara, favorecerán la mejor difusión del combustible.

- Reducción de la cantidad de combustible inyectada en el retraso: Mediante el empleo de tasas de inyección variables, de manera que se

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logre una combustión más gradual. Es decir, el que no se inyecte todo el combustible de una vez, sino que se inyecte la misma cantidad pero en varias inyecciones, un sistema Multi - inyección.

El inicio de los sistemas de inyección fraccionados está en el denominado sistema de inyección piloto, en el cual se realizaba una inyección previa que adecuaba las condiciones de presión y temperatura de la cámara a la inyección principal. Como resultado de este sistema se generaba una combustión más gradual, obteniéndose mejoras en cuanto a consumo, ruido y suavidad de la marcha. El sistema de inyección piloto estaba basado en la técnica del conducto común (Common Rail) donde se sustituye la bomba que suministra gasóleo individualmente a cada inyector por otra que mantiene el gasóleo a presión en un conducto común a todos los inyectores. Es decir, con el sistema Common Rail, como se comentó en el apartado 2.9 no es la bomba lo que alimenta directamente a los inyectores, sino que estos toman el gasóleo a presión de un depósito, cuando una señal eléctrica abre a cada uno de ellos en el momento adecuado. Este sistema permite controlar mejor la cantidad de combustible que se inyecta y el momento en que se produce la inyección.

En los sistemas de inyección convencionales (bombas rotativas o en línea) la generación de presión, la dosificación del combustible así como la distribución van unidos en el mismo dispositivo, lo que traía ciertos inconvenientes:

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- La presión de inyección aumenta junto con el número de revoluciones y el caudal de inyección.

- Durante la inyección aumenta la presión de inyección, pero hasta el final de la inyección disminuye otra vez hasta el valor de la presión de cierre de inyector.

Las consecuencias de ello son:

- Los caudales de inyección pequeños se inyectan con presiones mas bajas y la presión punta es más del doble que la presión de inyección media.

- El desarrollo de la inyección es aproximadamente triangular (figura 46)

Estos datos significan que a bajas revoluciones el motor no desarrolla todo su potencial por tener una baja presión de inyección y altas revoluciones la presión punta de inyección es mayor que la necesaria.

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Figura 46: Comparación de evolución de la presión de inyección

Lo anteriormente mencionado no sucede con el sistema Common Rail ya que en estos sistemas la generación de presión está separada de la dosificación y de la inyección de combustible, esto tiene la ventaja de poder tener una presión de inyección constante que no dependa del número de revoluciones. También el grado de libertad en el momento de avance o retraso de la inyección es mucho mas grande, lo que hace de los motores equipados con Common Rail unos motores muy elásticos que desarrollan todo su potencial en toda la gama de revoluciones.

Como se ha comentado, el sistema Common Rail divide la inyección en una inyección previa y en inyección principal:

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Inyección previa

La inyección previa puede estar adelantada respecto al PMS, hasta 90º del cigüeñal. No obstante, para un comienzo de la inyección previa mas avanzado de 40º del cigüeñal antes del PMS, el combustible puede incidir sobre la superficie del pistón y la pared del cilindro, conduciendo a una dilución inadmisible del aceite lubricante. En la inyección previa se aporta al cilindro un pequeño caudal de combustible que origina un acondicionamiento previo de la cámara de combustión, pudiendo mejorar el grado de rendimiento de la combustión y consiguiendo los siguientes efectos:

1. La presión de compresión aumenta ligeramente mediante una reacción previa o combustión parcial, con lo cual se reduce el retardo de encendido de la inyección principal.

2. Se reduce el aumento de la presión de combustión y las puntas de presión de combustión.

Estos efectos reducen el ruido de combustión, producido en los motores sin inyección previa por el aumento brusco de la presión y la punta de presión aguda en la fase inicial de la combustión. Mediante la inyección previa, se consigue una presión en el margen del PMS que alcanza un valor mayor y el aumento menos pronunciado de la presión de combustión. Esto trae consigo la reducción de ruido ya comentada, así como

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reducciones de consumo y emisiones. La inyección previa contribuye solo indirectamente, a la generación de par motor, mediante la reducción del retardo de encendido.

Inyección principal

Con la inyección principal se aporta la energía para el trabajo realizado por el motor. Asimismo es responsable esencialmente de la generación del par motor. En el sistema Common Rail se mantiene casi inalterable la magnitud de la presión de inyección durante todo el proceso de inyección. Mediante el sistema Common Rail se solucionaba como se ha dicho uno de los grandes inconvenientes de los motores de encendido por compresión, el aumento brusco de presión en el inicio de la combustión. Sin embargo, existe otro inconveniente, éste relativo a la heterogeneidad de la composición de la mezcla en el interior de la cámara de combustión de un motor diésel, generando no pocos problemas a la hora de controlar sus emisiones contaminantes.

En el momento de la inyección pueden distinguirse tres regiones en el interior del cilindro: una, en las proximidades del inyector, donde la concentración de combustible es comparativamente alta. Esto puede provocar que, si la turbulencia generada no es lo suficientemente intensa, no exista alrededor del gasóleo la cantidad necesaria de oxígeno para completar su combustión. Esto da lugar a la formación de pequeños residuos sólidos (cadenas de hidrocarburos no quemados) que se aprecian

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desde el exterior como el típico humo negro que expulsan los Diesel por el escape durante una fuerte aceleración o si están fríos.

Por el contrario, en las zonas más alejadas del inyector, la concentración de combustible resulta baja. El exceso de oxígeno y la temperatura muy alta provocan la aparición de importantes cantidades de óxidos de nitrógeno. Entre ambas zonas se intercala una tercera región que constituye una transición entre las dos primeras. En ella, la relación aire-combustible está próxima a la estequiométrica y la combustión se produce en unas condiciones cercanas a las ideales.

Una forma de reducir las emisiones contaminantes es tratar de extender esta región intermedia, y una forma de conseguirlo es fragmentar la inyección en varias etapas. Por una parte, la concentración de combustible en las cercanías del inyector resulta menor, con lo que se limita la emisión de hidrocarburos. Por otra, al prolongar el periodo de inyección, se consigue que la composición en las regiones más alejadas del inyector resulte más homogénea y cercana a la estequiométrica, con lo que el oxígeno se emplea en la combustión antes de que pueda formar una cantidad importante de óxidos de nitrógeno. Finalmente, al evitar que todo el combustible sea quemado en un lapso de tiempo muy reducido, se consigue que la presión en el interior de la cámara de combustión resulte más estable, lo que reduce ruido y vibraciones.

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Siguiendo estas pautas nace el sistema Multi - inyección, siendo una evolución del principio Common Rail que aprovecha el control electrónico de los inyectores para efectuar, durante cada ciclo del motor, un número mayor de inyecciones respecto a las dos del de inyección piloto. De este modo, la cantidad de gasóleo quemada en el interior del cilindro sigue siendo la misma, pero se reparte en más partes obteniéndose una combustión más gradual. El secreto del sistema Multi - inyección se basa en las características del diseño de centralita e inyectores que permiten realizar una serie de inyecciones muy próximas entre sí.Dicho proceso de inyección, asegura un control más preciso de las presiones y de las temperaturas desarrolladas en la cámara de combustión y un mayor aprovechamiento del aire introducido en los cilindros.

La figura 47 muestra un esquema del proceso seguido en una inyección en varias etapas. Como se puede apreciar, existen tres grupos claramente diferenciados, el grupo piloto (Pilot Group), el grupo principal (Main Group), y el grupo posterior (Post Group). El trabajo de los ingenieros de calibración en la actualidad se basa en jugar con los parámetros que rigen la cantidad de combustible inyectada en cada etapa y la separación de la misma con respecto al PMS.

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Figura 47: Ejemplo de un ciclo de inyección en sistemas multi-inyección

De los tres grupos mencionados anteriormente, los trabajos de desarrollo se centran actualmente en el estudio de las inyecciones del grupo principal. Es decir, los ingenieros de preparación de motores juegan con las valores que afectan a la cantidad de combustible inyectada y la separación respecto al PMS para la pre-inyección (Pre injection), inyección principal (Main injection) y la inyección posterior (After injection), así como con la presión del Rail para en función de cada condición de funcionamiento (definida por el estado del motor en cuanto a temperaturas, régimen de marcha, posición del acelerador así como las propiedades que el aire tenga en cada momento), disminuir las emisiones con objeto de ajustarse a las normativas de emisiones anteriormente comentadas sin renunciar a las prestaciones requeridas por el usuario.

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3. DESARROLLO DE LOS CONTAMINANTES

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3. DESARROLLO DE LOS CONTAMINANTES

3.1. NOX, INTRODUCCION

La emisión de óxidos de nitrógeno a la atmósfera produce una variedad de problemas en la salud de la población como así también efectos ambientales negativos sobre el planeta. La exposición directa a tales óxidos en concentraciones atmosféricas superiores a 3 ppm aumenta las posibilidades de enfermedades pulmonares en niños y agrava los problemas de enfermos cardíacos. Además de su toxicidad, reacciona con los hidrocarburos sin quemar para formar ozono, causante principal del smog fotoquímico, el que origina entre otros problemas de salud, irritación de la vista, tos, dolores de cabeza, problemas respiratorios. Además causa daño en la forestación y afecta seriamente al crecimiento de ciertas variedades de cultivos y frutales; junto con los óxidos de azufre son los principales responsables de la lluvia ácida.

Anualmente más de 30 millones de toneladas de NOx son venteados a la atmósfera, siendo generados principalmente en los procesos de combustión en fuentes móviles (automóviles, camiones, transporte público) y fuentes fijas (centrales de potencia, hornos incineradores). Hay también una contribución de otras industrias químicas (producción de ácido nítrico, urea, etc.).

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Este apartado se centrará el estudio en el análisis de la variación de las emisiones de NOx en función de los diversos parámetros que se pueden gestionar a través de la unidad de control.

3.1.1. ASPECTOS FUNDAMENTALES Los óxidos de nitrógeno son formados en los procesos de combustión por dos vías: la oxidación del nitrógeno del aire a alta temperatura o por la oxidación de compuestos de nitrógeno contenido en los combustibles. Actualmente el contenido de compuestos nitrogenados en los gasóleos que se emplean para la venta en automoción es tan pequeño que se considera como hipótesis correcta partir de que el único mecanismo de formación de NOx es de origen térmico y no por la oxidación del combustible.

Según parece, en llamas muy calientes (a temperaturas por encima de 2000 grados Kelvin), el óxido de nitrógeno (NO) es el único de los óxidos de nitrógeno formado directamente en las llamas, el dióxido de nitrógeno (NO2) aparece más tarde, mediante reacciones lentas con el oxigeno atmosférico que tienen lugar incluso a temperatura ambiente. En llamas muy calientes, el nitrógeno molecular del aire pierde su carácter de inerte y se divide mediante oxigeno, en la reacción O + N2 → NO + N. Llegados a este punto los átomos de nitrógeno tienen dos opciones, o atacan al oxigeno molecular formando oxido nítrico y oxigeno atómico N + O2 → NO + O, o por el

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contrario interaccionan con un hidróxido para formar óxido nítrico con hidrógeno atómico, completándose así la cadena de tres reacciones conocidas como mecanismo de Zeldovich. •

O+ N2 → NO + N

•

N + O2 → NO + O

•

N + OH → NO + H

[2, 3 Y 4 ]

3.1.2. ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DE DIVERSOS PARÁMETROS: Hasta ahora se ha comentado la importancia que tiene en la formación de óxidos de nitrógeno la temperatura, pero es necesario considerar otros factores como: •

la presión

•

tiempo de exposición

•

disponibilidad de oxígeno

La gráfica siguiente no tiene como objetivo mostrar datos concretos sobre la formación de NOx, sino simplemente servir como herramienta para comprender la importancia que tiene la temperatura en la formación de óxidos de nitrógeno en los motores diesel.

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Figura 48: Velocidad de formación del NO en función de la temperatura pico y dosado

En la figura 48 se aprecia como para mezclas cercanas a la estequiométrica de aire combustible , se incrementa considerablemente la velocidad de formación de NOx, el principal motivo es que la temperatura que se alcanza en la llama para esas condiciones de trabajo es la más alta, factor que como se comentó con anterioridad es vital en la formación del NOx.

Por otro lado se aprecia como para una misma temperatura de llama la mezcla pobre tiene velocidades de formación muy superiores (en varios órdenes de magnitud) respecto a la mezcla más pobre.

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Figura 49: Formación de NOx y HC en función de la cantidad de aire y la temperatura de entrada del aire de admisión

La figura 49 muestra claramente lo comentado con anterioridad sobre la importancia de la temperatura alcanzada durante la combustión para la formación de NOx. Si bien en este caso para cargas del 75% en adelante, donde la formación de NOx

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es máxima, las emisiones quedan relegadas en un segundo plano en pos de las prestaciones, como se detallará en el apartado del ciclo de emisiones. Por otro lado la figura 49, sirve de adelanto para observar la problemática que entraña la optimización de emisiones contaminantes en motores Diesel, dado que cuando un parámetro sube, en este caso el NOx, otro baja (las emisiones de hidrocarburos sin quemar)

En conclusión cualquier factor que haga reducir la temperatura pico será muy útil en la lucha contra la formación de NOx en el interior de la cámara de combustión. Uno de los parámetros que condicionan más fuertemente las emisiones, es el dosado o la relación entre el aire y el combustible.

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Figura 50: Velocidad de formación del NOx en función de la temperatura de entrada y dosado

Para lambdas excesivamente altos (mezclas pobres) las temperaturas que se alcanzan en la cámara son bajas debido a que con el exceso de aire, el combustible tiene problemas para quemarse y propagar la llama, sucediendo un fenómeno similar para mezclas excesivamente ricas en las que la falta de oxígeno provoca la no proliferación

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de la llama, bajando considerablemente la temperatura de pico alcanzada en la cámara de combustión y por tanto la velocidad de formación del NOx.

Por otro lado analizando la zona cercana a la mezcla estequiométrica se ve que una mezcla ligeramente empobrecida, es decir , con exceso de aire es más proclive a generar NOx, esto es debido a que en estas condiciones la existencia de algo de oxígeno sobrante que pueda oxidar el nitrógeno favorece la reacción En el caso de los motores diesel la hipótesis de trabajo es siempre mezcla pobre (lambda mayores que uno) y más aún si se consideran motores sobrealimentados, en los que para la misma potencia se empobrece todavía más la mezcla (figura 51).

Figura 51: Mapa de relación aire combustible

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Factores como la combustión de premezcla afectan negativamente a la formación de NOx. En el tema 2, en la descripción de un ciclo diesel se explicaba que durante la combustión de premezcla se producía una liberación súbita de energía que no era controlable y que además tampoco tenía opción a ser aprovechada. El producto principal de dicha liberación súbita de calor, llevaba consigo un aumento de los gradientes de presión y de la temperatura pico que se alcanza en la cámara, de forma que la introducción de la inyección piloto se hace primordial para controlar la formación de NOx. La temperatura de entrada del aire a la cámara de combustión es otro factor dominante a la hora de evaluar las emisiones de NOx, ya que éstas son directamente proporcionales a la temperatura de entrada. Como se muestra en la gráfica siguiente: (Figura 52)

Figura 52: Emisión de NOx en función de la temperatura de entrada al motor

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La figura siguiente (figura 53) representa la temperatura que se alcanza en la cámara durante el proceso de combustión para tres casos concretos en los que se varía la temperatura de entrada del comburente, apreciándose claramente su importancia, dado que para una temperatura de 75ºC, el pico máximo que se alcanza no llega a los 1500 K, de forma que la formación de NOx se produce a un ritmo muy lento, mientras que para una temperatura de entrada de 115ºC , prácticamente se alcanza el no deseable umbral de los 2000 K, donde las velocidades de formación son muy altas.

Figura 53: Evolución de la temperatura pico de combustión función de los grados de cigüeñal

La gráfica que se muestra a continuación (figura 54) marca la tendencia que tiene la formación de óxidos de nitrógeno respecto al grado de carga y a las revoluciones,

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introduciendo dos nuevos parámetros a escena, que son el tiempo de exposición y la presión.

Figura 54: Evolución de la formación de NOx, función de la presión media específica

El grado de carga está directamente relacionado con la presión pico que se alcanza en la cámara, debido que a mayor cantidad de combustible inyectado parece obvio pensar que la liberación de calor será mayor. Suponiendo que todos los demás parámetros se mantienen invariantes, principalmente revoluciones del motor y avance de inyección, el hecho de inyectar más

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combustible en el mismo volumen lleva consigo un aumento en la transferencia de calor y por tanto en la presión.

Por otro lado el hecho de realizar el ensayo a distintas revoluciones lleva consigo el análisis de la influencia del tiempo de exposición. Partiendo de la base de que se asume que la combustión se completa en 36º de cigüeñal, (factor que no es del todo correcto pero que se demuestra que es bastante representativo), el tiempo del que dispondrá el nitrógeno para oxidarse variará en función de la temperatura.

La tabla adjunta muestra el tiempo de combustión al que se hace referencia.

Rpm

ºCigüeñal/ms

Tiempo de exposición

1000

6

6 ms

2000

12

3 ms

3000

18

2 ms

Tabla 3: Tiempo de combustión para distintas revoluciones

Finalmente, todo esto que se ha afirmado, queda patente comparando como para el mismo estado de carga, la cantidad de NOx que se genera es menor según aumentan las revoluciones, debido a que el tiempo de exposición a las condiciones de

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presión y temperatura favorables para la formación de óxidos de nitrógeno disminuye con la velocidad.

Una combustión gradual y progresiva es fundamental para lograr reducir las temperaturas pico dentro de la cámara de combustión, para ello se comentó la importancia de la inyección piloto que redujera combustión de premezcla, pero una vez ésta ya se ha producido, el siguiente factor que determina la temperatura pico que se va a alcanzar en la cámara es el momento en el que se introduce la inyección principal, también conocido como avance de inyección.

Adelantar la combustión (siempre que no se haga en exceso) aumenta considerablemente la temperatura pico en la cámara de forma que retrasar el avance de inyección lleva consigo un retraso en la combustión favoreciendo la no formación de óxidos de nitrógeno (figura 55).

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Figura 55: Evolución de la presión de pico de combustión en función del avance de inyección

3.1.3. VÁLVULA EGR

La válvula EGR, del inglés , “Exhaust gas recirculation”, es una solución adoptada por los ingenieros para reducir drásticamente las emisiones de óxidos de nitrógeno en detrimento del aumento de otros contaminantes como los hidrocarburos no quemados (HC) y el monóxido de carbono (CO), como se analizará posteriormente.

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La siguiente gráfica (figura 56) muestra la evolución de diversos contaminantes en función del grado de apertura de la válvula EGR.

Figura 56: evolución de los contaminantes en función de la apertura de la EGR

Misión

La misión de la recirculación de gases es bajar las temperaturas de la combustión dentro de los cilindros. La adición de gases de escape a la mezcla de aire y combustible hace que sea más pobre en oxígeno por lo que se produce la combustión a temperaturas más bajas, ayudándose a controlar la temperatura pico de la cámara y por tanto la formación de NOx.

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Sin embargo, la acción de esta válvula no es siempre beneficiosa, ya que al producirse la recirculación de los gases procedentes del escape, y empobrecerse la mezcla considerablemente, propicia que la combustión no sea todo lo completa que debiera, y en consecuencia aumenta la formación de CO, elemento que de no actuar en la válvula , quedaría muy controlado debido al entorno rico en aire (mezcla pobre) en el que trabajan los motores diesel.

Figura 57: Componentes de la válvula EGR

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Partes de la válvula EGR

En la figura 57 encontramos una válvula seccionada y en ella podemos distinguir las siguientes partes:

-Toma de vacío del colector de admisión.

- Muelle resorte del vástago principal

- Diafragma

- Vástago principal

- Válvula

- Entrada de gases de escape del colector de escape

- Salida de gases de escape al colector de admisión

La base de la válvula es la más resistente, creada de hierro fundido ya que tiene que soportar la temperatura de los gases de escape (sobrepasan los 1000ºC) y el deterioro

por

la

acción

de

los

componentes

químicos

de

estos

gases.

Estas altas temperaturas y componentes químicos que proceden del escape son los causantes de que la válvula pierda la funcionalidad, pudiendo quedar esta agarrotada,

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tanto en posición abierta como cerrada, por lo que los gases nocivos saldrían, en grandes proporciones al exterior y afectando a la funcionalidad del motor.

Tipos de válvulas EGR

El efecto de recirculación de gases lo podemos encontrar hoy en día tanto en motores gasolina como diesel, pero sobretodo en los diesel es donde con más frecuencia las veremos debido a la necesidad de reducir las emisiones de NOx.

Los tipos de válvulas EGR no son tipos como tal sino complementos, es decir que la válvula EGR mecánica se puede encontrar en los motores sola o se puede encontrar con un accionamiento electrónico que depende exclusivamente de la unidad de mando del motor. Qué tenga este accionamiento electrónico depende de las necesidades del motor, como veremos en la sección de funcionamiento.

Mantenimiento

El mantenimiento de esta válvula no se realiza con mucha frecuencia, pero es importante debido a la posibilidad de que se tapone por la mezcla pastosa que generan los gases con el aceite.

El estado del manguito de conexión entre el colector de admisión y la válvula, anula la funcionalidad del sistema en caso de estar deteriorado, ya que cualquier toma de aire que tenga impide que el vacío actue sobre el diafragma y a su vez sobre la apertura y cierre de la válvula.

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Estos son los efectos que causa la recirculación de gases a la pipa de admisión:

Figura 58: Pipa de admisión colapsada

Funcionamiento del sistema de recirculación de gases

La apertura de la válvula del sistema, se realiza a baja y media potencia aproximadamente puesto que para las altas prestaciones de un motor, se necesita una entrada de aire más fresco.

Esto sucedería contando con que la válvula EGR dispusiera de un mando eléctrico, que bajo el mando de la unidad de mando del motor, actuase sobre el vástago de la válvula abriendo y cerrando a esta.

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Figura 58: Sistema completo de recirculación de gases de escape

Si la válvula EGR no cuenta con un dispositivo electrónico que interrumpa su funcionamiento, siempre estaría más o menos abierta (dependiendo de la admisión del colector, es decir, de la potencia solicitada por el motor) pero abierta.

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Figura 59: Sistema con mandos electrónicos

No es raro, si no todo lo contrario, encontrarnos con sistemas que solo cuentan con la válvula EGR, pero tenemos que pensar que no es lógico que continúe la introducción de gases de escape a la admisión a grandes revoluciones, ya que precisamente lo que necesita la mezcla es densidad (aire fresco). Por esto mismo el sistema de recirculación mejoró incorporando estos mandos electrónicos ( figura 59).

Después de esta pequeña introducción de funcionamiento, describamos el funcionamiento teórico de una válvula mecánica EGR:

El colector de admisión como ya sabemos es el encargado de llevar al interior de los cilindros el aire de la mezcla (o la mezcla de aire y combustible) por demanda de

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los pistones de los cilindros. La toma de vacío que tiene la válvula EGR basa su funcionamiento en este efecto, la succión de aire crea un vacío que actúa sobre el diafragma de la válvula comprimiendo el muelle resorte y levantando la válvula que permite el paso del gas de escape desde el colector de escape hacia el colector de admisión.

De la misma forma cuanto menor sea la succión de aire (o mezcla) por parte de los cilindros, menor será el vacío por lo que el diafragma permitirá al muelle resorte bajar a su posición dejando al vástago cerrar la válvula de entrada de gases de escape al colector de admisión.

Los ensayos en motor Diesel demuestran claramente que la introducción de la válvula EGR mejora sustancialmente la cantidad de óxidos de nitrógeno generados en la combustión, como se muestra en la gráfica siguiente (figura 60).

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Figura 60 : Efecto del EGR en la emisión de NOx (motor a 1500 rpm y presión de inyección 800 bar)

El principal problema del sistema EGR, es que al retroalimentar los gases de escape directamente al cilindro, estos llegan con una entalpía considerable, debido a las altas temperaturas a las que se encuentran los gases en el colector, para mezclarse directamente con aire fresco proveniente de la atmósfera y que además muy probablemente haya sido densificado a través de el turbocompresor y/o intercooler. De forma que aunque se reduzca la cantidad de Oxígeno en la cámara, y por tanto la llama alcance menos temperatura, formando en consecuencia menos óxidos de nitrógeno, al elevarse la temperatura media de los gases de entrada, la temperatura pico de combustión también aumenta (ver figura 52).

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Este problema se podría subsanar enfriando el gas de salida de la cámara antes de volverlo a introducir en el cilindro, introduciéndose el sistema “Cooled EGR”, de forma que por un lado, la media de la temperatura de los gases de entrada se reduzca muchísimo, pero por el otro al reducir estos su densidad, permitirá una entrada mayor de oxígeno a la cámara, de forma que la combustión pueda ser más completa pero de menor temperatura pico, reduciéndose la formación de NOx, amortiguándose el incremento de CO y HC además de mejorándose sustancialmente el consumo específico efectivo del motor debido al aumento de eficiencia(mayor acercamiento a una combustión completa).

Figura 61: Esquema de un motor con Low Pressure Cooled EGR

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La figura 61, muestra un sistema de “low-pressure cooled EGR”, que recibe su denominación debido a la presión donde se produce la retroalimentación, es decir antes de entrar al turbo-compresor y por tanto en baja presión. Existe otra variante denominada “High pressure cooled EGR”, en la que la incorporación de los gases de escape enfriados se hace aguas abajo del compresor, sin embargo este sistema acarrea pequeños problemas de contrapresión a la hora de dosificar el caudal de EGR y requiere de la instalación de una válvula antirretorno. Por el contrario el sistema “low-pressure”, requiere de la instalación de un filtro de partículas convencional que reduzca la cantidad de elementos en suspensión que llegan al turbo-compresor y que pueden acabar dañándolo.

Figura 62: High Pressure Cooled EGR

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3.1.4. CONCLUSIONES

Para afrontar la exigente normativa Euro 5 las principales actuaciones entorno al NOx podrían ser:

• La reducción del Nox, mediante la utilización incluso de Cooled EGR, lleva consigo un aumento en la producción de cenizas, lo que implica la necesidad de introducir un filtro de partículas para contener las emisiones (los filtros de partículas se explicarán en el tema 6).

• Garantizar una regulación correcta y muy precisa de la cantidad de gas retroalimentado para no variar considerablemente las emisiones (por tanto el uso de “Low-pressure cooled EGR es mas conveniente”).

• Para ser competitivo en un mercado tan exigente como el de la automoción, las marcas utilizan el consumo como uno de los principales reclamos, lo que obliga a los fabricantes a recurrir a la utilización de avances de inyección que hagan que la combustión se produzca en el entorno más próximo posible al punto muerto superior, aumentando la temperatura pico y la oxidación del nitrógeno. Por tanto la utilización del EGR se hace todavía más importante para paliar el aumento de emisiones.

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• En la actualidad en la que los vehículos se rigen bajo normativa EURO 4, la tasa de utilización de EGR ronda el 15%, si bien para cumplir la futura normativa esta cifra aumentará hasta el 20-25%.

• Empobrecer la mezcla (aumentar lambda) a través del aumento en la presión de soplado del turbo.

• Aumentar la presión de rail para optimizar la atomización y mezcla del combustible y así reducir la formación de partículas

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3.2. PARTÍCULAS SÓLIDAS

3.2.1. DEFINICIÓN DE PARTÍCULAS SÓLIDAS Particulas diesel (DPM), definido por las regulaciones EPA, es un agregado complejo de material sólido y líquido. Su origen son las partículas de carbono generadas en el cilindro durante la combustión. Las partículas primarias de carbono forman largos conglomerados combinándose con otros componentes principales de los gases de escape diesel, tanto orgánicas cómo inorgánicas. De forma General, las DPM son clasificadas en tres grupos (figura 63)

- Sólidos: Partículas de carbón seco, comúnmente conocidas cómo carbonilla.

- SOF: Hidrocarburos pesados absorbidos y condensados en las partículas de carbón, llamados Moléculas de Soluciones Organicas.

- SO4: Molécula de sulfato, ión del ácido sulfúrico hidratado.

La composición del DPM dependerá particularmente del motor así como de sus condiciones de velocidad y carga. Las "Partículas húmedas" pueden componer sobre un 60% de moléculas de hidrocarburos (SOF), mientras que las "partículas secas" pueden contener la mayoría del carbón seco. La suma de sulfatos es directamente proporcional

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al contenido de azufre en el gas-oil, de forma que eliminándolo del combustible se evita la formación de dichas partículas.

Figura 63: Composición Esquemática de las Partículas Diesel (DPM)

Las partículas diesel son muy finas. Los núcleos de las partículas primarias de carbón tienen un diámetro en milésimas de milímetro (micrón) de 0.01 a 0.08, mientras que el aglomerado de partículas tiene un diámetro comprendido entre 0.08 y 1 micrón. Por esto, las partículas diesel son en casi su totalidad respirables y tienen un impacto importante en nuestra salud. Han sido clasificadas por varias agencias gubernamentales como "provocadoras de cáncer" o "posibles provocadoras de cáncer". Son también conocidas por aumentar el riesgo de infarto y de provocar enfermedades respiratorias.

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Hidrocarburos Aromáticos Polynucleares (PAH) son hidrocarburos que contienen dos o más anillos de benzeno. Algunos compuestos de esta clase son conocidos como cancerígenos. Los PAH en los gases de escape están divididos entre gas y fases de partículas. El componente más peligroso de cuatro y cinco anillos está presente en la fracción orgánica del DPM (SOF).

Después de su emisión, las partículas experimentan reacciones químicas en el aire, por esto su composición y tamaño varían dependiendo de la proximidad a las fuentes, el clima y otros factores. Las partículas ambientales generalmente caen dentro de una distribución de tres modos: •

Ultrafino (< 0,1 micrones)

•

Fino (entre 0.1 y 1 micrones)

•

Grueso (>1 micrones)

La Agencia de Protección del Medioambiente de Estados Unidos y otras agencias alrededor del mundo regulan el nivel de partículas en el ambiente de un diámetro inferior a 10 micrones (PM10). Algunas agencias, incluyendo la EPA de Estados Unidos , también regulan las partículas inferiores a 2,5 micrones de diámetro (PM2.5).

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Figura 64: Relación entre superficie y masa para las partículas emitidas por un motor diesel.

El problema que se plantea a continuación es si seguir regulando las emisiones de partículas en masa o por el contrario pasar a restricciones de medida más eficaces como la superficie o el número. La gráfica a mostrada (figura 64)se indica la enorme diferencia que existe en el número de partículas emitidas y la masa que realmente éstas

representan, y es

fácilmente deducible que existe una desproporción que es necesario tener en cuenta, dado que además precisamente , son las nanopartículas (aquellas de las que más hay) las

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más nocivas para el ser humano, como se explicará en los apartados siguientes, debido a su facilidad para depositarse en los alveolos pulmonares (figura 65).

Figura 65: Capacidad de deposión en los pulmones de las DPM

Si a este factor se añade la capacidad de dispersión en el ambiente que tienen dichas partículas, pudiendo llegar en tan sólo dos segundos a factores de dispersión 1000 veces superiores al que tenían cuando fueron emitidas (figura 66) por el motor, es inevitable pensar que la forma de legislar este apartado de las emisiones de un motor diesel (recuérdese que este problema no surge en los MEP) es insuficiente.

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Figura 66: Evolución de una partícula emitida por un motor en 2 segundos

160

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3.2.2. ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DE DIVERSOS PARÁMETROS

Hasta ahora el capítulo se ha centrado en la descripción de las partículas sólidas emitidas por los motores diesel, pero sin entrar en detalle de que parámetros afectan realmente a la formación de dichas partículas.

El material particulado se forma a partir de condiciones muy específicas y definidas tales como altas temperaturas y baja disponibilidad de oxígeno en las proximidades de la molécula. El motor diesel, tal y como se ha comentado en numerosas ocasiones a lo largo de este texto, trabaja en condiciones de mezcla pobre en todo momento. Esta afirmación es correcta a nivel macroscópico, pero no a nivel microscópico, ya que como todo proceso físico de este tipo en el que intervienen moléculas a velocidades tan grandes, no se puede garantizar la homogeneidad de respuesta ni comportamiento. Dicha dispersión provoca que en función de las condiciones de inyección se produzcan Lambdas locales menores que uno, en concreto entorno al valor 0,8. Es por ello que una correcta atomización del combustible para una posterior correcta mezcla del mismo con el aire sea fundamental.

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La cantidad de aire que se introducen en la cámara es fundamental para determinar el nivel de formación de partículas que tendrá el proceso, por ello lambdas pobres (exceso de oxígeno) favorecen la no formación de PM. El grado de EGR, en el que trabaje el motor es también determinante, dado que cuanto mayor sea la cantidad de gas de escape recirculada al colector de admisión más aumentarán las partículas, ya sea por el hecho de que se disminuye el nivel de oxígeno y porque se añade material particulado procedente del ciclo de combustión anterior.

Emisión de partículas a 1250 rpm en función de la masa de aire 0,5

PM (ppm)

0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2

PART

0,15 0,1 0,05 0 190

210

245 Masa de aire

282

[mg/rev]

Figura 67: Evolución de la emisión de partículas en función de la masa de aire aspirada. Motor a 1250 rpm

El trabajo de los inyectores y sobre todo la presión a la que son capaces de inyectar, son aspectos fundamentales para que la mezcla entre el combustible y el aire

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163

sea lo más apropiada posible. El número de orificios, su tamaño y lo centrado que esté el inyector, son parámetros que hoy en día se estudian mucho para obtener el grado máximo de atomización en el combustible inyectado. Actualmente, los sistemas Common-Rail de 2ª o 3ª generación, alcanzan presiones cercanas a los 2000 bar, inyectando en motores de cuatro válvulas por cilindro, que permiten una posición centrada del inyector y a través de 5- 9 orificios, de forma que se abarca toda la cámara de combustión facilitando la mayor mezcla posible.

Figura 68: Algunos parámetros a tener en cuenta en el diseño de un buen inyector

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Emisión de partículas 0,4 0,35 PM (ppm)

0,3 PART

0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 325

375

425

475 525 572 Presión de Rail (bar)

600

625

Figura 69: Evolución de la emisión de partículas en función de la presión de rail. Motor a 1250 rpm

La gráfica que se muestra sobre estas líneas (figura 69) muestra la disminución de la formación de material particulado en función de la presión de rail, siendo la tendencia decreciente conforme aumenta la presión, debido a la mayor atomización y mejor mezcla que se produce entre el aire y el combustible. Es evidente que cambiando el sistema de inyección se podrían reducir mucho el nivel de partículas generado, si bien éste no sería el objetivo del proyecto, en el que se trata de optimizar el nivel de emisiones únicamente mediante la optimización de los parámetros y la adición de elementos reductores en la zona del escape.

3.2.2.1. EL SQUISH Y EL SWIRL

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Ambos son nombres que describen procesos de movimiento del aire y el combustible antes y durante la combustión. El motivo de explicarlos en este apartado referido a las emisiones de partículas sólidas, es debido a que ambos procesos son determinantes en la correcta mezcla entre el combustible y el aire , y por tanto lo son también de la formación de partículas.

El Squish representa el movimiento del aire en el interior de la cámara de combustión durante la carrera de compresión del cilindro. Este fenómeno es posible gracias a una curiosa forma que adopta la cavidad del pistón en forma de uve-doble , como muestra la figura adjunta (figura 70).

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Figura 70: Ejemplo de una cámara de combustión que favorece al efecto Squish

El aire que se encuentra en la parte superior del pistón es comprimido de forma más brusca que él que se encuentra en el interior de la cámara, de forma que el primero se introduce en el interior de la cavidad desplazando al aire que allí se encontraba hacia la parte superior, de forma que se genera un movimiento de torbellino que favorece a la difusión del combustible y la posterior propagación de la llama.

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Figura 71: Movimiento de aire que provoca el efecto Squish

Por otro lado el swirl representa el movimiento que realiza el aire al entrar en el cilindro y que es inducido por las pipas de admisión. Se utilizan geometrías que cambian bruscamente de sección y forma para propiciar este movimiento, que posteriormente s transmitido al combustible cuando se inyecta.

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PIPA DIRECCIONAL

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PIPA HELICOIDAL

Figura 72: Efecto Swirl, para dos modelos de pipa de admisión

La figura superior (figura 72), presenta dos tipos de pipa de admisión que generan distintos gradientes de velocidades en el aire.

3.2.3. CONSECUENCIAS PARA LA SALUD

Un gran número de estudios epidemiológicos en la última década han reportado una relación entre la exposición a corto plazo a MP10 y MP2.5 y el aumento en la morbilidad y mortalidad, particularmente entre aquellas personas con

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enfermedades respiratorias y cardiovasculares. Recientemente, los científicos han comenzado asimismo a investigar los efectos de las partículas ultra finas. Aunque estas partículas contribuyen muy poco a la masa de MP10 y MP2.5, están presentes en gran cantidad. Algunos científicos han propuesto que las partículas ultra finas pueden ser especialmente tóxicas: las partículas más pequeñas tienen un área total de superficie mayor que aquellas partículas más grandes de masa igual, tendrían más probabilidades de penetrar e interactuar con células más profundamente en el pulmón que las partículas más grandes, y se piensa que se mueven rápidamente a tejidos exteriores de las vías respiratorias. Una revisión de los estudios que comparan los efectos de partículas de diferentes tamaños lleva a las siguientes conclusiones:

a) Estudios epidemiológicos, usando múltiples mediciones de exposición y diferentes períodos, muestran una asociación entre la cantidad de material particulado ultra fino y la mortalidad, función respiratoria, o síntomas respiratorios, pero estos efectos también están asociados a otros contaminantes (sulfatos, MP2.5, MP10).

b) Repetidos estudios de inspiración intra-traqueal indican que las partículas ultra finas inducen a respuestas inflamatorias más fuertes que aquellas partículas de otros tamaños.

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c) Estudios de inhalación no han producido resultados consistentes, sugiriendo que la composición y solubilidad de las partículas – así como su tamaño- son propiedades importantes.

El sistema inmunológico se comunica entre sus componentes y con el resto del cuerpo usando proteínas como mensajeros químicos, muy parecido al sistema nervioso que utiliza señales eléctricas. Los compuestos de los gases de escape del diesel pueden interferir con la inmunidad impactando este sistema de comunicación, produciendo reacciones inmunes aumentadas, reprimidas o desviadas las cuales son todas perjudiciales para el individuo. Ha sido demostrado por ejemplo que el pireno, un hidrocarburo policíclico aromático, puede inducir la producción de proteínas inmunoreguladoras IL-4 e IL-8. Ambas tienen funciones totalmente diferentes, IL-4 es responsable del desarrollo de alergias, y IL-8 de respuestas inflamatorias inducidas por estrés celular. Investigaciones moleculares muestran que incluso los mecanismos por los cuales el pireno está afectando estas proteínas son claramente diferentes. Los efectos de los gases de escape del diesel y sus compuestos en la inmunidad y la salud parecen ser mediados por mecanismos múltiples y complejos, los cuales sugieren que el análisis de substancias individuales y la aplicación de un solo tipo de bío-análisis será insuficiente para estimar el impacto de la contaminación. Dentro del proyecto EU 5FP MAAPHRI se están desarrollando sistemas para analizar varios reguladores inmunológicos claves en paralelo en un análisis sólido adecuado para exposición con respecto a contaminantes gaseosos y particulados bajo condiciones controladas.

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Resumen: Las Partículas participarían en:

- Origen de procesos inflamatorios - Daño funcional en los pulmones - Aumento en el riesgo de infarto cardíaco - Efectos sistémicos en todo el organismo a través de la sangre - Efectos cancerígenos - Aumento de muertes súbitas

Y por eso las autoridades responsables tienen que tomar medidas para reducir las emisiones cancerígenas al nivel más bajo posible como se hace en otros países del mundo (Estados Unidos, Unión Europea, Suiza entre otros). Para esto hay que usar la mejor tecnología disponible. Aspectos económicos deben pasar a segundo término para garantizar un aire saludable para todos los ciudadanos.

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172

3.3. OTROS CONTAMINANTES

3.3.1. MONÓXIDO DE CARBONO (CO)

En una combustión completa de hidrocarburos, los productos de la reacción son agua (H2O) y Dióxido de Carbono (CO2), sin embargo cuando la combustión no es completa se pueden formar otros productos como el monóxido de carbono. El Monóxido de carbono no es más que el producto de la oxidación parcial de las cadenas de carbono que es realmente el combustible, por tanto por cada molécula que se forma de monóxido de carbono, se deja de formar una de CO2.

La concentración de CO en el escape de los motores MEP es significativamente más baja que la existente en muestras tomadas en la cámara de combustión durante el proceso de combustión, lo que muestra una posterior descomposición del CO inicialmente formado. Asimismo, la concentración de CO en el escape es significativamente mayor que la de equilibrio correspondiente a las temperaturas en el escape, lo que indica que la cinética de la reacción juega un papel muy importante.

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La química del CO es la siguiente:

[5]

A medida que mayor es la temperatura, la reacción se desplaza hacia la formación de CO. Por último, el CO se oxida, a un ritmo mas lento, transformándose en CO2.

[6]

3.3.1.1. Análisis de influencia de diversos parámetros

El principal factor que afecta a la formación de este contaminante, es por tanto la cantidad de aire disponible en el momento de la combustión de forma que cuanto mayor sea ésta, menor será la formación de este contaminante dado que el carbono tendrá oxígeno suficiente para oxidarse por completo. A continuación se muestra una gráfica (figura 73) en la que se puede apreciar como en función de la cantidad de aire que se introduce en la cámara disminuye gradualmente la cantidad de aire

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Formación de CO 4000 3500 CO [ppm]

3000

2000 rpm 1250 rpm

2500 2000 1500 1000 500 0 100

150

200

250

300

350

Cantidad de aire

Figura 73: Formación de CO en función de la masa de aire introducida

Sin embargo no conviene olvidar que el tiempo de exposición del carbón frente al oxígeno fresco , tiene una alta importancia. La gráfica que se mostraba anteriormente, dejaba ver como para procesos de combustión a altas revoluciones, (tiempos de exposición bajos) la formación de monóxido de carbono es mayor que para un punto homólogo de funcionamiento pero a menores revoluciones, donde el tiempo de combustión aumenta considerablemente.

El grado de apertura de la válvula EGR es el tercer factor a tener en cuenta. Para altas concentraciones de gases inertes en el cilindro, se produce un aumento espectacular (500%) de la formación de este tipo de contaminante. El motivo es claro, y es que al introducirse una fracción de los gases de escape nuevamente en la cámara de

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combustión estamos aumentando la cantidad de contaminantes por cada explosión. Si a esto además se le añade que por cada unidad de volumen que ocupe el gas procedente del EGR, se deja de ocupar una unidad de volumen de aire fresco, el incremento de Monóxido de carbono se convierte en una consecuencia evidente del EGR. (Ver figura 56)

3.3.1.1. CONSECUENCIAS PARA LA SALUD

Al ser inalado el CO, éste se combina rápidamente con la hemoglobina de la sangre, contenida en los glóbulos rojos o eritrocitos, y reduce, a veces a niveles fatales, la capacidad de transporte de oxígeno de los pulmones a las células del organismo. La función normal de la hemoglobina es transportar el oxígeno de los pulmones a las células y recoger el C02 para evacuarlo por los pulmones.

Exposiciones, aún en muy bajas concentraciones, originan efectos adversos a la salud por el bloqueo permanente de la hemoglobina por el CO, pues ésta no puede liberar el gas mencionado. Si se expone a una persona a una concentración de 100 ppm (= partes por millón) se produce dolor de cabeza, reducción del discernimiento mental y, después de dos horas de exposición, la capacidad de la sangre para acarrear oxígeno disminuye en un 90%. Aún en concentraciones de 15 ppm, comunes en áreas de alto tránsito de vehículos, sus efectos son notorios, especialmente en personas con afecciones nerviosas, cardiovasculares o pulmonares.

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Figura 74: Efecto del CO en la sangre

176

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177

3.3.2. HIDROCARBUROS INQUEMADOS

Como se ha comentado a lo largo de este texto, el combustible empleado por los motores de encendido por compresión o tipo Diesel, es un hidrocarburo de cadena larga y por tanto pesado. Las emisiones de hidrocarburos son consecuencia de la combustión incompleta de dicho combustible. Dado que hay una gran variedad de especies químicas, su concentración se suele expresar en ppm de átomos de carbono (C).

Se pueden dividir en dos grupos;

• HC metanos; no reaccionan con la atmósfera. • HC no-metanos; sí reaccionan con la atmósfera.

La composición del combustible afecta sobremanera a las emisiones de HC. Aquellos combustibles que tienen altos contenidos de olefinas y aromáticos generan más altas concentraciones de hidrocarburos reactivos. Sin embargo muchas especies presentes en el escape no existen en el combustible que se quema, lo que indica que durante la combustión se desarrollan procesos de pirólisis y síntesis.

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178

Los hidrocarburos oxigenados están presentes en el escape y es conocida su participación en la formación del smog. Se suelen clasificar en:

• carbonilos Los más importantes son los aldehídos y cetonas de bajo peso molecular. Los aldehídos volátiles irritan los ojos y las mucosas del sistema respiratorio. Los carbonilos constituyen el 10 % de las emisiones de HC de los diesel y son despreciables en los MEP.

• fenoles Son irritantes y poseen olor

• no - carbonilos Metanol, etanol.

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3.3.2.1. ANÁLISIS

DE

INFLUENCIA

DE

179

DIVERSOS

PARÁMETROS

A la hora de formarse HC durante la combustión intervienen claramente 3 factores: 1. El dosado: Cuanto mayor sea el dosado (mezcla más rica) mayor será la formación de hidrocarburos inquemados. La explicación radica en que cuanto menor es la disponibilidad del oxígeno para el combustible, más opciones existen de que éste se quede sin quemar. Sin embargo dosados excesivamente bajos también dispararía la formación de hidrocarburos, debido a que no habría el suficiente combustible como para propagar correctamente la llama y por tanto el combustible saldría del cilindro sin ser transformado.

De igual forma a lo que le sucede al monóxido de carbono y a las partículas, la utilización de la válvula EGR afecta negativamente a la formación de hidrocarburos inquemados, por los mismos motivos que se detallaron en el apartado del monóxido de carbono.

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180

Figura 75: Formación de contaminantes en función del dosado

La gráfica mostrada sobre estas líneas es extrapolable a lo que podría suceder en función del dosado, dado que representa la formación de contaminantes pero en los MEP.

2. La Temperatura de la llama: al contrario que al NOx, a la fracción de combustible sin quemar le afecta de manera inversa la temperatura. Dado que cuanto mayor sea la temperatura pico más opciones existen que el combustible se queme.

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181

Es por ello que el avance de inyección se convierte en un parámetro muy importante para la formación de HC, dado que cuanto antes comience la combustión (avance de inyección grande), menores serán las temperaturas pico alcanzadas en la cámara.

La gráfica (figura 76) que se muestra a continuación representa la evolución en la formación de HC en función del avance de inyección. Nótese que avance de inyección positivo implica inyectar el combustible antes del punto muerto superior, y negativo implica inyección posterior.

Formación de Hidrocarburos inquemados 100 98 94 92 90

HC

HC [ppm]

96

88 86 84 6

4

2

0

-2

-4

-6

-8

-10

º cigüe ñal

Figura 76: formación de hidrocarburos función del avance de inyección

3. La velocidad de inyección: Por lo tanto el orificio del inyector y la presión a la que se inyecte el combustible es el otro factor determinante en la formación de HC. Cuanto menor sea el tamaño del orificio de salida del inyector y mayor sea la presión del

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182

rail , mayor será la velocidad de salida del combustible, llevando consigo una disminución en el diámetro de Sauter5 Dicha disminución provoca que la sección eficaz del combustible aumente y que por tanto las opciones que tenga de oxidarse aumenten.

3.3.2.2. CONSECUENCIAS PARA LA SALUD

Además de la intoxicación por hidrocarburos, al ser estos ingeridos en mezcla con el agua, el problema más habitual de éstos es la formación en muchas ciudades de lo que se denomina como smog fotoquímico.

Figura 77: Efecto del smog fotoquímico en las grandes ciudades Diámetro Medio Sauter (DMS): expresa el grado de pulverización en relación con la superficie de las gotas producidas en la pulverización. El Diámetro Medio Sauter es el diámetro de una gota que tenga la misma relación entre su volumen y su área superficial que el total del volumen de todas las gotas y la superficie total de las mismas.

5

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183

Las reacciones fotoquímicas que originan este fenómeno se producen cuando la mezcla de óxidos de nitrógeno e hidrocarburos volátiles reaccionan inducidos por la luz solar, en un complejo sistema de reacciones que forma ozono (O3) que es una molécula que sigue reaccionando con otros contaminantes presentes en el aire. Esta reacción se ve favorecida en los casos de fuerte sol y poco viento, ya que dificultan la dispersión de los contaminantes, produciendo el oscurecimiento de la atmósfera dejando un aire teñido de color marrón rojizo cargado de componentes dañinos para los seres vivos y los materiales. Aunque prácticamente en todas las ciudades del mundo hay problemas con este tipo de contaminación, es importante las que están en lugares con clima seco, cálido, soleado, con poco viento y tienen muchos vehículos.

Sin embargo la composición tan variada de este tipo de contaminante hace que tenga otros efectos nocivos para la salud de los seres humanos. Dentro de los HC también podemos encontrar:

• Metano y derivados, que favorecen al conocido como efecto invernadero y al calentamiento del planeta. • Aldehídos, este tipo de compuestos son los principales causantes de irritación y sequedad en los ojos. • Beneceno, hidrocarburo cíclico conocido por sus efectos carcinógenos.

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184

3.3.3. ÓXIDOS DE AZUFRE Los óxidos de azufre son gases incoloros que se forman al quemar azufre. El dióxido de azufre (SO2) es el contaminante criterio que indica la concentración de óxidos de azufre en el aire. La fuente primaria de óxidos de azufre es la que proviene directamente del gasóleo, de hecho, la cantidad del azufre que es emitido al aire (como dióxido de azufre) es casi la misma cantidad de azufre presente en el combustible.

Figura 78: Formación de óxidos de azufre en función del contenido de azufre del combustible

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185

Por tanto la solución más obvia parece retirar todo el azufre posible de los combustibles , si bien esta medida no es para nada rentable. Actualmente la mayoría de las petroleras presentan entre sus surtidores, la opción de comprar combustible desulfurado hasta solo 10 ppm, con el consiguiente incremento de precio de 4 a 5 c€/litro, perdiéndose además ciertas propiedades lubricantes que el azufre otorgaba al gasoil, y que han de ser remplazadas por aditivos que realicen la misma tarea. Sin embargo debido a la masiva implantación de los filtros de partículas, como tratamientos de gases de escape para reducir emisiones, la elección de este tipo de combustibles desulfurados se va a convertir en la única opción para no reducir la eficiencia de dichos filtros, que se colapsan al funcionar en presencia de las susodichas moléculas.

Se ha encontrado que los óxidos de azufre perjudican el sistema respiratorio, especialmente de las personas que sufren de asma y bronquitis crónica. Los efectos de los óxidos de azufre empeoran cuando el dióxido de azufre se combina con partículas o humedad del aire. Esto se conoce como efecto sinérgico porque la combinación de sustancias produce un efecto mayor que la suma individual del efecto de cada sustancia. Los óxidos de azufre también son responsables de algunos efectos sobre el bienestar, el de mayor preocupación es la contribución de óxidos de azufre a la formación de lluvia ácida que puede perjudicar lagos, la vida acuática, materiales de construcción y la vida silvestre.

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4. PROCESO DE OPTIMIZACIÓN DE EMISIONES

186

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187

4. OPTIMIZACIÓN DE EMISIONES

4.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE OPTIMIZACIÓN

4.1.1. BANCO DE RODILLOS-BANCO MOTOR

La misión de este proyecto como tal es optimizar el ciclo de emisiones de un vehículo existente en el mercado, que posé la última tecnología de motor diesel con Common Rail instalada. Como se explicará en el apartado siguiente con más detalle, un ciclo de emisiones es un proceso de homologación al que todos los vehículos han de ser sometidos antes de poder ser comercializados. Dicho ciclo está perfectamente diseñado y preparado para que represente la actividad de un vehículo en tres circunstancias diferentes:

1.

conducción urbana

2.

conducción carreteras secundarias

3.

conducción por autovía/autopista

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188

El problema radica en que, tras cualquier cambio ya sea en los parámetros de gestión del motor o en la estructura del motor ha de ser probada físicamente con un circuito que simule las condiciones de la prueba de un ciclo de emisiones. Para esto, se recurre al uso del banco de rodillos6 (figura 79), con el consecuente estorbo que genera el hecho de transportar el vehiculo hasta el banco cada vez que se ha realizado alguna mínima variación en los parámetros del motor.

Figura 79: banco de rodillos

Con el objetivo de optimizar este proceso, ya no sólo en cuanto a las emisiones, sino también en cuanto al tiempo empleado para la obtención de resultados, se propone la utilización del banco motor en sustitución del banco

6 El banco de rodillos: se emplea para simular las condiciones de rodadura sobre el vehículo, a través de la instalación de frenos dinamométricos sobre los rodillos del banco, de forma que se transmita la resistencia adecuada en todo momento a las ruedas.

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189

motor7. Es aquí cuando surge la necesidad de desarrollar una herramienta que permita simular de forma teórica el resultado total del ciclo de emisiones a partir de únicamente los parámetros de funcionamiento del motor.

Figura 80: Banco motor

4.1.2. ELECCIÓN DE LOS PUNTOS CARACTERÍSTICOS

Durante la realización de un ciclo completo de emisiones el motor del vehículo pasa por diferentes estados de funcionamiento en función del grado de carga a que es 7

Banco motor: el propósito del banco motor es poder ensayar directamente sobre el motor las distintas condiciones operativas de funcionamiento que se le podrían plantear al motor, para ello se recurre al uso de frenos de tipo, hidráulico, viscoso, eléctrico, etc. ,que simulen las condiciones mencionadas directamente sobre el cigüeñal.

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190

sometido el acelerador. Por suerte para el proceso de optimización, todos los estados por los que pasa el motor a lo largo del ciclo son conocidos, de forma que es más fácil saber en que puntos ha de centrarse el ingeniero de calibración para minimizar las emisiones.

A continuación se muestra un ejemplo real de ciclo de emisiones (figura 81) en el que se pueden observar los distintos puntos en los que tuvo que funcionar el motor. Por lo general la expresión de este tipo de diagramas se suele hacer en Par-revoluciones, pero resulta interesante ver como queda representado el consumo frente a las revoluciones y resulta igual de eficiente.

Fuel Delivery (ms/st) .)

40 35 30 25 20 Cyc

15 10 5 0 400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3600

Engine speed (rpm)

Figura 81: Puntos de utilización del motor en un ciclo de emisiones

4000

4400

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191

Resulta interesante observar la gran acumulación de puntos que se producen entorno a determinadas zonas de funcionamiento del motor. Debido a la imposibilidad de optimizar todos y cada uno de los puntos, se eligen precisamente puntos pertenecientes a aquellas zonas sombreadas para ser optimizados y así reducir la emisión de contaminantes a la atmósfera.

• En este caso, queda muy clara la acumulación de puntos entorno a la zona de 800rpm, la cual representa el estado de funcionamiento al ralentí. Aunque parezca raro, el ralenti es probablemente el punto que más se emplea y sin embargo no se optimiza para las emisiones, existen otros condicionantes como el ruido, las vibraciones o el humo emitido que son tenidos más en cuenta para este punto.

• La zona que abarca un gasto de combustible nulo en un amplio rango de revoluciones, es otra zona que no se emplea para optimizar el ciclo, dado que representa aquellos momentos en los que el conductor no está pisando el acelerador y el motor está girando sin entregar par efectivo, por tanto es una zona en la que no se emiten contaminantes ya que sólo se comprime y expande aire de la atmósfera.

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192

• Por último se observan un grupo de cuatro puntos en la zona entorno a 5-10 ms/st, que se podrían considerar como los más representativos del ciclo, dado que serían los más usados.

Fuel Delivery (ms/st) .)

40 35 30 25 20 Cyc

15 10 5 0 400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3600

4000

4400

Engine speed (rpm) Figura 81: Puntos de utilización del motor en un ciclo de emisiones

En un ciclo de optimización realizado en la propia casa automovilística, es muy probable que se emplearan entre 6 y 10 puntos para describir este proceso que en el proyecto se ha realizado únicamente con cuatro puntos, debido a que se ha considerado que la variación relativa, que la adición de dichos puntos podría generar, no es representativamente muy grande como para tenerlos en cuenta.

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193

A través de la simulación un ciclo de emisiones y evaluación del tiempo en el que el motor ha estado funcionado en los diversos puntos, se ha ponderado un porcentaje de utilización de los 11 más importantes, siendo estos los resultados:

Punto de Operación

Régimen

PME

rpm

bar

1

ralenti

Ponderación segundos

%

326

27,3

2

1250

3

88,7

7,4

3

1500

3

64,6

5,4

4

1750

1

52

4,4

5

1750

3

141,1

11,8

6

2000

1

79

6,6

7

2000

3

36,6

3,1

8

2250

1

76,6

6,4

9

2500

5

67,6

5,7

10

2750

7

40

3,3

11

3000

7

6

0,5

Tabla 4: Grado de utilización de los principales puntos del motor

Se han marcado los cuatro puntos más determinantes para el ciclo, excluyendo el ralentí por las razones comentadas anteriormente, que son los que se han tomado para la optimización de las emisiones

A continuación se muestran los cuatro puntos representados dentro del mapa motor real del vehículo empleado (figura 82) .

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194

MAPA MOTOR Par Motor

1250 rpm

1500 rpm

1750 rpm

2000 rpm

180,0 160,0 140,0

Nm

120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

rpm

Figura 82: Puntos de optimización en el mapa motor

Gracias a estos puntos se podrá simular un ciclo real de emisiones sin necesidad de mover el vehículo ni un solo metro. Régimen

PME

rpm

bar

1250

3

1500

3

1750

3

2000

1

Tabla 5: Puntos de optimización seleccionados

Obsérvese que todos los puntos que comprenden el funcionamiento del motor durante el ensayo de homologación, forman parte de la zona denominada como de

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195

“emisiones”, dado que en esta zona la única preocupación que debe tener el ingeniero de calibración de motores, es reducir las emisiones hasta los niveles marcados por la normativa, y minimizar el consumo, ya que como se procederá a explicar en apartados sucesivos , con mayor detalle, se aprovecha el mismo ciclo para homologar el consumo del vehículo. Fuera de esta zona encontramos la zona de “Prestaciones”, donde evidentemente se va a emitir muchísimo más de lo permitido y a consumir más de lo homologado, ya que lo que va a primar son las prestaciones del vehículo.

En este tipo de zonas el motor se optimiza para que la entrega de potencia sea lo más alta posible, eliminando el funcionamiento de elementos tales como la válvula EGR, que sólo podría disminuir eficiencia al proceso de combustión.

MAPA MOTOR Par Motor

1250 rpm

1500 rpm

1750 rpm

2000 rpm

180,0 160,0 140,0

Nm

120,0 100,0 80,0

ZONA DE PRESTACIONES

ZONA DE EMISIONES

60,0 40,0 20,0 0,0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

rpm

Figura 83: Zona de emisiones-Zona de prestaciones

3500

4000

4500

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196

4.1.3. FASE DE ENSAYO EN BANCO MOTOR

Una vez se conocen los cuatro puntos que van a ser utilizados en la optimización, se procede a la fase de ensayo en banco motor. Para la cual se tiene el motor en funcionamiento durante 24 horas diarias y a lo largo de muchos meses. El motivo de estos ensayos es poder conocer la cantidad de contaminante generado por el motor en el proceso de combustión para los diversos valores, en los que quedan delimitados los parámetros que intervienen en el proceso.

La problemática de este proceso, radica en que la unidad encargada de registrar los datos del motor, no realiza dicha acción hasta que los parámetros que son manejados para el motor no se encuentra dentro de las tolerancias especificadas, lo cual lleva mucho tiempo, debido a las grandes inercias tanto mecánicas como térmicas, que hacen que esas condiciones varíen. Para lo cual el motor se encuentra produciendo combustiones y variando los parámetros durante varios minutos, hasta que finalmente registra un dato.

Nótese que en el caso que nos atañe, la unidad de control juega con 7 o 9 parámetros variándose entre si, teniendo cada uno de ellos varias decenas de valores en el rango de experimentación, de forma que el número de combinaciones es inmensa.

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197

Una vez todos los ensayos han sido realizados, se procede a la obtención de las leyes que describan el proceso de formación de contaminantes y demás factores que sean de importancia , como por ejemplo el consumo específico efectivo, el ruido, el humo, etc. Es muy importante tener en cuenta que las leyes o ecuaciones que son producto de este proceso, no representan leyes termodinámicas reales, sino experimentales. De forma que, como se verá en el apartado de resultados, existen determinadas zonas para las cuáles la formación de contaminantes no tiene explicaciones físicas, si bien gracias a estas leyes es posible la rápida visualización del los valores que toman las emisiones sin la necesidad de realizar un ciclo real de emisiones.

Como paso final del proceso, se evalúan todas las ecuaciones de forma conjunta y se crea una herramienta matemática que sea capaz de minimizar las emisiones. Dicha herramienta quedará detallada en el capítulos de ANEJOS, y os resultados serán comentados y analizados en el apartado de resultados.

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4.1.4. ESQUEMA DEL PROCESO

Procesos de medición de Emisiones CICLO REAL EMISIONES 140 120 100 80 60 40 20 0 1

Transporte del vehículo a un centro homologado de medición, mediante banco de rodillos

MODELO MATEMÁTICO DE COMPORTAMIENTO

365 729 1093 1457 1821 2185 2549 2913 3277 3641

EGR Aire Presión Rail Avance Iny. Piloto Pre after

MODELO DE OPTIMIZACIÓN

desarrollos , Potencia, consumo, Velocidad,….. RESULTADO FINAL DE EMISIONES DE: CO, HC, PM, Nox Y CO2

198

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199

4.2. CICLO DE EMISIONES

En 1970 la entonces Comunidad Económica Europea decidió unificar todas las normativas de emisiones de los países miembros. Esta normativa, que se refleja en las directivas 70/156/CEE y 70/220/CEE de la Comisión Europea (Ambas incluidas en los Anejos), ha sido objeto de un gran número de modificaciones y actualizaciones, con el objetivo de incrementar sus exigencias y de ir adaptándose al continuo progreso de la técnica y del mercado.

Así, se fueron teniendo en cuenta la popularización del motor Diesel entre los turismos de uso particular y más recientemente de la inyección directa. Sus cada vez más restrictivas exigencias han marcado en gran medida la evolución del motor de combustión interna durante los últimos años, obligando a los constructores a adoptar soluciones como la inyección de combustible, los convertidores catalíticos o los sistemas de recirculación de gases (EGR), entre otros.

La norma vigente en la actualidad es la llamada Euro 4 (o Fase 4), de obligado cumplimiento para todos los coches que aparezcan después del 1 de enero de 2005, y para todos los que estén en el mercado después del 1 de enero de 2006. El siguiente paso es la norma llamada Euro 5 obligatoria para todos los coches que lleguen al mercado después del 1 de enero de 2008, y para todos los ya estén en él después del 1 de enero de 2009.

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200

Esta norma está causando serios problemas a los fabricantes de automóviles a la hora de adaptar los actuales propulsores Diesel a sus exigencias, obligando al desarrollo de nuevos sistemas de inyección y de limpieza de gases de escape.

Una característica de las pruebas de homologación ha de ser la equidad: todos los vehículos deben ser evaluados bajo las mismas condiciones y supuestos, algo imposible de cumplir si se realizaran en circuito abierto. Es por ello que todas las mediciones se hacen en un local cerrado, equipado con un banco dinamométrico sobre el que se coloca el automóvil a probar, y que se usa para simular lo más fielmente posible las condiciones de marcha real del vehículo.

Para ello se calibra el banco dinamométrico de forma que absorba una determinada potencia según la inercia que tendría el coche que se prueba. La resistencia del banco se clasifica en 22 categorías, según sea la masa del vehículo. Esto explica que dos automóviles con el mismo motor pero distinto peso puedan dar cifras de emisiones o consumo virtualmente idénticas. Si esa diferencia de peso es lo suficientemente pequeña (hasta unos 110 kg) como para quedar encuadrados en la misma categoría, ambos serán lastrados de forma idéntica durante la prueba, ignorando esa diferencia real de peso. Un ejemplo de ello es el Lupo 3L TDi y el Arosa 3L TDi: ambos tienen exactamente el mismo consumo homologado (2,99 l/100 km), aunque el Arosa es 30 kg más pesado.

El vehículo que se someta al ensayo deberá haber sido rodado durante un kilometraje de entre 3.000 y 15.000 km, y habrá permanecido en un local a una

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201

temperatura de entre 20 y 30 ºC durante un periodo comprendido entre 6 y 30 horas, de modo que las temperaturas de refrigerante y lubricante difieran un máximo de 2ºC de la ambiental. Una vez completados todos los preparativos se da paso a la prueba en sí.

Figura 85: Ciclo real de emisiones

Esta prueba se divide en dos grandes partes. La primera de ellas simula el arranque del automóvil en frío y su circulación en el tráfico urbano. Una vez puesto en marcha, el vehículo permanecerá 40 segundos al ralentí, tras lo cual repetirá en cuatro ocasiones un ciclo de 195 segundos de duración. Este ciclo tiene 1,013 km de recorrido (4,052 km en total) y trata de reproducir las arrancadas y detenciones que se dan lugar en

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202

el tráfico urbano. La velocidad máxima en este recorrido es 50 km/h y en él —sumados los cuatro ciclos— hay doce arranques desde parado.

Tras la realización del recorrido urbano se pasa al ciclo no urbano, que simula la circulación del vehículo por vías extraurbanas. Este recorrido abarca 400 segundos y 6,955 km y no se repite.

La prueba completa, incluyendo los recorridos urbano y extraurbano, tiene una duración total de 19 minutos y 40 segundos, en los que se simula un recorrido de 11,007 km. La gráfica muestra la velocidad a la que circula el vehículo en cada instante. En ella se pueden observar las cuatro repeticiones del ciclo urbano (la segunda de ellas sombreada en azul para una mejor identificación), seguidas por el ciclo extraurbano.

Debido a este tipo de prueba, cobra especial importancia el funcionamiento del motor en frío. De hecho, se destinan muchos recursos y se condicionan ciertos aspectos en el diseño de motor y del coche entero para que los sistemas de descontaminación sean eficaces con el motor frío (Como se comentó en el capítulo 3, tanto HC como CO aumentan considerablemente si la temperatura del motor no es lo suficientemente alta).

De cara a su posterior análisis, los gases de escape emitidos por el vehículo durante toda la prueba son recogidos y diluidos con aire ambiente de manera controlada. De todo ese volumen se tomarán unas muestras, en las que se determinará la concentración de cada uno de los contaminantes de interés. Este valor, junto al volumen total de gases recogidos, indica la cantidad total de cada contaminante emitida a lo largo

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203

de la prueba, que será finalmente expresada en términos de gramos por kilómetro recorrido.

Entre la instrumentación utilizada para determinar las concentraciones de los diferentes gases en las muestras se encuentran analizadores de infrarrojos no dispersivos (NDIR), para mono y dióxido de carbono; analizador de ionización de llama (FID), para hidrocarburos; y analizadores de quimiluminiscencia (CLA) o de resonancia ultravioleta no dispersiva (NDUVR), para los óxidos de nitrógeno.

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204

4.3. NORMATIVA DE EMISIONES

Para la homologación del vehículo a examen los valores obtenidos durante el ensayo de emisiones deberán estar por debajo de lo exigido por la normativa vigente. El cuadro adjunto muestra, en gramos por kilómetro recorrido, las emisiones máximas toleradas por las diferentes fases y el año de entrada en vigor de éstas para vehículos de nuevo diseño.

La exigencia del cumplimiento de estas normativas se retrasa un año para el caso de vehículos previamente existentes en el mercado, debido a la necesidad temporal para realizar el mismo trabajo que se esta realizando en este proyecto es decir, para optimizar las emisiones.

Euro1

CO

HC

NOx

HC+NOx

PM

[g/km]

[g/km]

[g/km]

[g/km]

[g/km]

Diesel

Diesel

Diesel

Diesel

Diesel

2.72

-

-

0.97

0.140

1.00

-

-

0.70

0.080

0.64

-

0.50

0.56

0.050

(1993) Euro2 (1996) Euro3 (2000)

Última tecnología en emisiones de motores diesel. Simulación de resultados e investigación de nuevas posibilidades Euro4

0.50

-

0.25

0.30

0.025

0.50

-

0.18

0.23

0.005

205

(2005) Euro5 (2008)

Tabla 6: Evolución normativa de emisiones

Evolución de la normativa EURO Euro1 (1993)

3

Euro2 (1996) Euro3 (2000)

2,5

Euro4 (2005) g/km

2

Euro5 (2008)

1,5 1 0,5 0 CO

NOx

HC+NOx

Particulas*10

Figura 86: Evolución normativa de emisiones

La gráfica que se muestra a continuación (figura 87) trata de mostrar la exigencia tecnológica y de evolución a la que se ven sometidos los fabricantes de automóviles en pos de la reducción de emisiones.

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206

Figura 87: Evolución de la normativa NOx-Partículas

Hasta la llegada de la actual EURO 4, los motores diesel, eran capaces de ajustar sus emisiones de agentes contaminantes simplemente ajustando los parámetros de la electrónica del motor, si bien a partir de dicha normativa, se hacen imprescindibles elementos de tratamiento de gases en el sistema de escape, dado que sin ellos, el vehículo apenas es capaz de cumplir EURO 4, como se mostrará en el apartado de resultados.

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5. Resultados

207

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208

5. RESULTADOS

5.1. DESCRIPCIÓN DEL MODELO Y LAS VARIABLES

Tanto la morfología del modelo, como las limitaciones del software de cálculo8, han condicionado muy claramente el proceso de optimización. Inicialmente se pretendía llevar a cabo la minimización empleando los cuatro puntos simultáneamente, si bien este factor resultó ser imposible y se tuvo que recurrir ha realizar la optimización de casa punto por separado para ponderar posteriormente los resultados obtenidos.

5.1.1. VARIABLES

Para modelarse los distintos procesos de emisiones de contaminantes, se ha recurrido al análisis de nueve parámetros fundamentales, gestionados por la centralita o unidad de control. Dichos parámetros son:

8

•

Cantidad de aire

•

Tasa de inyección piloto

Software de cálculo: EES-Engineering Ecuation Solver v7.693-3D, con licencia académica para la Universidad Pontificia de Comillas

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Tasa de pre-inyección

•

Tasa de inyección “after”

•

Tiempos de inyección de las tres mencionadas arriba

•

Presión de Rail

•

Avance de inyección.

209

A continuación se procede a explicar de forma más detallada este tipo de parámetros.

CANTIDAD DE AIRE

Hace referencia a la cantidad de aire limpio que entra en la cámara, por tanto está estrechamente ligado al grado de apertura de la válvula EGR, ya que como s explico en el apartado de descripción de tecnologías diesel (capítulo2), en los motores de encendido por compresión siempre se intenta llenar al máximo posible de aire al cilindro, a diferencia de los MEP, que regulan la carga estrangulando el flujo de entrada. Por tanto las unidades de este parámetro son miligramos por revolución y está muy relacionado con la emisión de NOx, CO, HC y partículas como se detalla en el apartado de descripción de cada uno de ellos.

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210

PRESIÓN DE RAIL

La presión de rail, como su nombre indica, hace referencia a la presión que debe mantener constante el conducto común de presión , de donde se alimentan los inyectores. Se mide en bares y está muy relacionado con el grado de atomización y difusión del combustible y por tanto principalmente influyente en la formación de partículas e hidrocarburos inquemados.

AVANCE DE INYECCIÓN

El avance de inyección, es aquel parámetro que se encarga de decidir el momento en el que comienza la inyección de combustible principal (De donde sale realmente la potencia), en la cámara de combustión. Sus unidades son grados de cigüeñal, referidos respecto al punto muerto superior, de forma que puede tomar valores positivos, en función de si la inyección comienza antes de PMS, o por el contrario valores negativos en el caso de que comience a posteriori. La tendencia general es a retrasar el comienzo de la combustión lo más posible para controlar las temperaturas y presiones de la cámara. Este es uno de los parámetros que más influencia tiene sobre los contaminantes.

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211

TASA DE INYECCIÓN PILOTO

La tasa de inyección piloto, hace referencia a la cantidad de combustible que se inyecta en concepto de inyección piloto por cada ciclo. En concreto la inyección piloto es la encargada de atenuar y homogeneizar las condiciones de presión y temperatura que se establecen en la cámara a consecuencia de la combustión de premezcla. Por tanto está estrechamente ligado con la temperatura y presión máximas que se alcanzan en la cámara.Sus unidades son miligramos por embolada.

SEPARACIÓN DE LA INYECCIÓN PILOTO

Como su nombre indica hace referencia a la separación temporal existente entre el comienzo de la inyección piloto y el comienzo de la pre-inyección que se explicará más adelante. Las unidades de medida de este parámetro son milisegundos. Tal vez sea más representativo pasar dichos valores a grados de cigüeñal, para lo cual se emplea esta fórmula:

SEPARACIÓN[º cig ] = SEPARACIÓN [ µs ] ⋅ [ rpm] ⋅ 60 ⋅ 10 −6 [7]

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212

De forma que por ejemplo 500 microsegundos a 1500 rpm representan 45º de cigüeñal.

TASA DE PRE-INYECCIÓN

En la inyección previa se aporta al cilindro un pequeño caudal de combustible que origina un acondicionamiento previo de la cámara de combustión, pudiendo mejorar el grado de rendimiento de la combustión y consiguiendo los siguientes efectos:

1. La presión de compresión aumenta ligeramente mediante una reacción previa o combustión parcial, con lo cual se reduce el retardo de encendido de la inyección principal.

2. Se reduce el aumento de la presión de combustión y las puntas de presión de combustión.

Estos efectos reducen el ruido de combustión, producido en los motores sin inyección previa por el aumento brusco de la presión y la punta de presión aguda en la fase inicial de la combustión. Mediante la inyección previa, se consigue una presión en el margen del PMS que alcanza un valor mayor y el aumento menos pronunciado de la presión de combustión. Esto trae consigo la reducción de ruido ya comentada, así como

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213

reducciones de consumo y emisiones. La inyección previa contribuye solo indirectamente, a la generación de par motor, mediante la reducción del retardo de encendido. Al igual que su homóloga , la inyección piloto se mide en miligramos por embolada.

SEPARACIÓN DE LA PRE-INYECCIÓN

La inyección previa puede estar adelantada respecto al PMS, hasta 90º del cigüeñal. No obstante, para un comienzo de la inyección previa mas avanzado de 40º del cigüeñal antes del PMS, el combustible puede incidir sobre la superficie del pistón y la pared del cilindro, conduciendo a una dilución inadmisible del aceite lubricante. En el modelo que hemos empleado se mide dicha separación en microsegundos y representa el tiempo que transcurre entre el comienzo de esta inyección y el de la inyección principal de combustible.(Ver fórmula[7])

TASA DE INYECCIÓN “AFTER”

Se ha utilizado este nombre tan raro para designar a esta variable, porque se pretende no inducir a error al lector empleandola palabra post-inyección. En la literatura inglesa, se pueden encontrar referencias a la “after-injection” y a la “post-injection”, la primera hace referencia a la inyección que se pretende tratar en

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214

este apartado, pero la segunda es un grupo de inyección que se realiza con el fin de regenerar el catalizador. Hasta el momento todos los procesos de medición de emisiones, se han llevado a cabo sin la inclusión de post tratamientos en el escape, por tanto este tipo de inyección todavía no procede.

Al igual que sus homólogos, la inyección piloto y la pre-inyección las unidades de este parámetro son miligramos por embolada, y su función principal es la reducción de emisiones, humo y ruido, ya que se encarga de acabar de oxidar aquellos productos de la combustión incompleta , de los cuales todavía no se ha obtenido la máxima energía.

SEPARACIÓN DE INYECCIÓN “AFTER”

Al igual que en el resto de casos, este parámetro se mide en microsegundos y hace referencia a la separación temporal existente entre el comienzo de la inyección principal y el comienzo de la inyección alter. Para obtener su valor homólogo en grados de cigüeñal, se puede emplear la misma relación que se dio para el caso de la separación de la inyección piloto (fórmula[7]).

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215

Proceso multi-inyección

Avance de inyección

Grupo principal

Grupo piloto Pre

PilotoAfter

Sep. Piloto

Sep. Pre

Sep. After

Figura 88: Ejemplo gráfico de representación de los parámetros, (magnitudes no a escala)

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216

5.1.2. MODELO

5.1.2.1. MORFOLOGÍA Para la realización del modelo que simula las emisiones de cada contaminante, se ha utilizado en todos los casos el mismo tipo de ecuaciones polinómicas. A continuación se muestra un tipo de genérico de estas ecuaciones, pero expresado en forma matricial:

Función

rpm

= (a

b

c

d

e

f

g

h

i

 c00   c10 c  20  c30 c 1 )rpm ⋅  40  c50   c60  c70   c80 c  90

c01 c11

c02 c12

c03 c13

c04 c14

c05 c15

c06 c16

c07 c17

c08 c18

c21 c31 c41

c22 c32 c42

c23 c33 c43

c24 c34 c44

c25 c35 c45

c26 c36 c46

c27 c37 c47

c28 c38 c48

c51 c61 c71

c52 c62 c72

c53 c63 c73

c54 c64 c74

c55 c65 c75

c56 c66 c76

c57 c67 c77

c58 c68 c78

c81 c91

c82 c92

c83 c93

c84 c94

c85 c95

c86 c96

c87 c97

c88 c98

c09  a    c19  b c c29     c39  d  e c49  ⋅  f c59     c69  g h c79     c89  i  c99  rpm  1  rpm

1 − Emisiónes finales_[ ppm]rpm =  Funciónrpm Factor de Formarpm − Offsetrpm  ⋅ K frio calor  

[8 Y 9] De donde:

• c00, c01, c02, c03, c04, c05, c06, c07, c08, c09, ……………c99: son coeficientes de la ecuación

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217

• K frio calor : Es una constante que corrige el resultado debido a la importancia que tiene sobre la emisión final el hecho de comenzar con el motor en frío. • Factor de Forma: Coeficiente que corrige la forma de la curva • Offset: Traslación de la curva • Función: es una variable intermedia del proceso que facilita el proceso de optimización que luego se describirá • a, b, c, d, e, f, g, h é i, representan a los parámetros de la unidad de control, que son:

a = Cantidad de aire b = Presión de Rail c = Avance de Inyección d = Tasa de inyección piloto e = Tasa de pre-inyección f = Tasa de after-inyección g = Separación piloto h = Separación pre-inyección i = Separación after- inyección

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218

• Emisiones Finales_[ppm]: hace referencia a la cantidad de agente contaminante transformado por el motor, en unidades de ppm9 de combustible.

Se define para cada tipo de contaminante y variables auxiliares medidas en el proceso. En este caso hablamos de:

1.

CO

2.

CO2

3.

NOx

4.

HC

5.

Partículas

6.

Consumo específico efectivo, ge

7.

Smoke, o humo de los gases de escape

8.

Noise, o sonido emitido por el motor

• Subíndice rpm10, es introducido en el modelo, porque es necesario redefinir cada coeficiente (a excepción de K frio calor ), para cada punto de del motor

9

ppm: Partículas por millón, hace referencia a la unidad de medida de masa mg/kg . rpm: Revoluciones por minuto.

10

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219

Como se mostró en el capítulo referente a la Normativa de emisiones EURO, los límites están expresados en g/km, por tanto es necesario realizar una pretransformación de los valores ante de poderlos analizar.

5.1.2.2. PROCESO DE TRANSFORMACIÓN DE [PPM] A [G/KM]:

Inicialmente se parte de un valor de emisiones expresado en partes por millón o lo que es lo mismo, en miligramos de contaminante por kilogramo de combustible. Partiendo del monóxido de carbono como ejemplo ilustrativo para el proceso y cambiando un poco la forma de la expresión inicial de contaminación, es fácil llegar a :

mg CO 10 −3 g CO ppm = = [10] kg combustible 1kg combustible

A continuación y conociendo la expresión que mide el consumo en litros del vehículo por cada kilómetro (c) se puede llegar a: .

ge ⋅ We l c= ≡ ρ combustible ⋅ vvehículo

3

combustibl e 1 dm 10 −3 m 3 combustibl e = = [11] km 1 km 1 km

Que al multiplicarse por la densidad del combustible se transforma en :

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c ⋅ ρ combustible

10 −3 m 3 combustibl e kg ge ⋅ We = ⋅ ρ combustible ≡ ⋅ 3 ρ combustible ⋅ vvehículo 1 km m

220

comb 10 − 3 kg comb = 1 km comb [12]

Empleando la variable X que representa la cantidad de contaminante, en este caso CO, expresada en ppm, se obtiene :

.

X ⋅ c ⋅ ρ combustible

ge ⋅ We 10−3 kg comb 10−3 g CO g CO = ⋅X ≡ ⋅ = 6 [13] vvehículo 1 km 1 kg combustible 10 km

Por tanto al multiplicar estas tres variables se obtienen los gramos de CO emitidos en un millón de kilómetros, siendo por tanto el número que nos interesa un millón de veces más pequeño que el obtenido como resultado del producto de los tres elementos , pudiéndose afirmar finalmente:

.

10 −6 ⋅ X ⋅ c ⋅ ρ combustibl e

ge ⋅ We ge ⋅ X = 10 −6 ⋅ ⋅ X   → 2 ⋅ π ⋅ 10 −6 ⋅ ⋅ n ⋅ Me . We = 2⋅π ⋅ n ⋅ Me v vehículo v vehículo

.

We = 2 ⋅ π ⋅ n ⋅ Me [14 Y 15]

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221

Estando expresadas el resto de variables en las siguientes unidades: ge=[g/kWh] Me= [Nm] n=[Hz] v_vehículo=[km/h]

• La variable ge se obtiene también a partir de la simulación del ciclo de emisiones, por tanto es una variable conocida en todo momento en función del valor de todos los parámetros de la centralita. • Tanto el par motor (Me) como las revoluciones son características propias del punto examinado, por tanto también son conocidas. • Sin embargo la velocidad es un parámetro que hay que estimar de forma media para cada punto.

5.1.2.3. ESTIMACIÓN DE LA VELOCIDAD

Partiendo del ensayo real de emisiones, realizado por el vehículo sujeto a estudio, se ha procedido a agrupar, por criterio de revoluciones, a todos los puntos del ciclo entorno a aquellos puntos que han sido elegidos para la optimización. De esta

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222

forma, y gracias al conocimiento de sus respectivas velocidades asociadas, se puede establecer una media de las velocidades que son representadas por cada punto.

Para la mayor comprensión del proceso realizado, se muestra un ejemplo empleando los puntos asociados a las 1250 rpm (tabla 7):

rpm 1127 1135,75 1141,75 1159,75 1160,75 1170,5 1171 1174 1184,5 1187 1193,25 1195,25 1196,75 1197 1197,75 1199,25 1214,25 1228,25 1249 1252 1252,75 1256,75 1281,5 1282 1286,5 1292 1292 1295,25 1299 1301,5 1303,25 1315,25

Macha 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

velocidad 32,3984 14,3359 14,6797 47,75 15,9688 14 32,7266 14,6172 57,3047 14,7891 30,875 16,6953 14,0547 14,0547 18,1562 17,7031 56,0156 32,6172 30,4297 14,3984 30,4766 32,8984 14,2266 14,3984 15,9688 14,1094 14,5078 19,3438 32,9531 17,9375 14,8438 17,7656

Última tecnología en emisiones de motores diesel. Simulación de resultados e investigación de nuevas posibilidades 1322,5 1325,75 1330,75 1337 1352,75 1356,25 1360,75 1361,75 1362 1372,25 1374 1151,25 1151,75 1153,75 1165,75 1169 1171,25 1177 1186 1186 1192,75 1194,5 1199,25 1199,75 1209,5 1225 1232,75 1242,5 1250 1261,75 1276,75 1280,25 1294,5 1313 1315,5 1322 1327 1334,25 1334,75 1337,75 1340 1340,5 1351,75 1352,75 1354

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

15,4062 16,8672 32,6172 14,5078 14,1641 13,9453 57,9297 30,7031 33,1797 32,8438 16,8672 9,38281 9,38281 9,55469 9,77344 9,60938 10,5078 9,60938 9,77344 9,72656 9,5 9,83594 9,77344 9,83594 10,7344 10,0078 10,2266 10,1172 10,2891 10,3438 10,4531 10,4531 10,625 10,7344 10,8438 10,9062 10,9062 10,9531 10,7969 11,0781 11,0156 10,8438 11,0156 11,125 11,0156

223

Última tecnología en emisiones de motores diesel. Simulación de resultados e investigación de nuevas posibilidades 1355,5 1361,25 1127,5 1128 1130,75 1132 1147,5 1148,5 1157 1160,25 1174,5 1180,25 1189 1194 1195 1195 1198 1204 1215 1215,5 1227,5 1233,5 1238,25 1240,5 1247 1248,75 1260,25 1260,5 1264,5 1265,75 1266,25 1269 1275,75 1284,25 1284,75 1284,75 1290 1291,25 1293,5 1295,5 1307,25 1308,25 1318,5 1321 1323

1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

10,9531 11,1875 16,7578 16,5859 16,6484 16,6953 17,0391 16,8672 16,9297 16,0781 17,375 17,5469 17,5469 17,5469 17,6562 17,5938 17,5938 17,7656 17,9375 17,875 18,1094 17,8281 18,3828 18,3828 18,3828 18,6094 18,5547 18,5 18,6641 18,7266 18,7734 18,9453 18,8359 18,9453 18,8984 18,7266 19,0547 19,1172 18,9453 19,1172 19,3438 19,3438 19,5625 19,3984 19,5625

224

Última tecnología en emisiones de motores diesel. Simulación de resultados e investigación de nuevas posibilidades 1323,25 1330 1332,5 1335,75 1335,75 1339,5 1339,75 1340,75 1353 1354,25 1364 1365,5 1370,25 1370,5 1372,25 1304,25 1346,75 1148,25 1165,25 1249 1255 V_media

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 5 5 6 6 6 6

225

19,6797 19,7969 19,5078 19,7344 19,6797 19,7344 19,7969 19,7344 20,0156 19,9531 20,4688 20,125 20,3594 20,25 20,1875 48,6484 50,3359 8,375 8,59375 6,0625 7,25

18,2095194

Tabla 7: Puntos en el entorno de 1250 rpm

Donde las marchas 0 y 6 representan punto muerto y ralentí respectivamente Como se ha podido observar en la tabla el rango de revoluciones asociado al punto de 1250 rpm comprende [1250 ± 250/2]. Siguiendo con el mismo procedimiento en el resto de los casos los resultados de velocidades medias para el resto de los puntos son: 1250 rpm

1500 rpm

1750 rpm

2000 rpm

18,21 km/h

27,61 km/h

46,17 km/h 37,81km/h

Tabla 8: Velocidades medias obtenidas en el entorno de los cuatro puntos básicos

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226

Una vez se tiene la cantidad de contaminante expresada en g/km, ya se puede proceder a la ponderación de los resultados de cada punto, con respecto al ciclo total de emisiones. Para esta labor se emplearon los datos ya manejados de un ciclo real de este vehículo, y que sirvieron de referencia para la decisión de que cuatro puntos eran los más apropiados y representativos del proceso.(tabla 9) Punto de

Régimen

PME

Operación

rpm

bar

1

ralenti

Ponderación segundos

%

326

27,3

2

1250

3

88,7

7,4

3

1500

3

64,6

5,4

4

1750

1

52

4,4

5

1750

3

141,1

11,8

6

2000

1

79

6,6

7

2000

3

36,6

3,1

8

2250

1

76,6

6,4

9

2500

5

67,6

5,7

10

2750

7

40

3,3

11

3000

7

6

0,5

Tabla 9: Grados de utilización de los puntos principales del motor en un ciclo de emisiones

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227

Aislando únicamente aquellos cuatro puntos que realmente se han utilizado para simular el proceso completo:

Punto de

Régimen

PME

Ponderación

Operación

rpm

bar

segundos

%

2

1250

3

88,7

7,4

3

1500

3

64,6

5,4

5

1750

3

141,1

11,8

6

2000

1

79

6,6

Tabla 10: Tiempo de utilización de cada punto básico

Suponiendo que todo el ciclo estuviese representado por estos cuatro puntos, y que por tanto el tiempo total del mismo es la suma de los tiempos individuales de utilización de cada uno, se calcula el peso que tiene cada punto en el proceso. Por ejemplo para el punto 2:

%_punto2 =

88.7 ⋅100% 8870 = = 23,7546866 6% 88.7 + 64.6 + 141.1 + 79 373.4

[16]

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228

Resultados de los otros puntos: (tabla 11)

Ponderación Punto de Operación

%

2 (1250 rpm)

23,75468666

3 (1500 rpm)

17,30048206

5 (1750 rpm)

37,78789502

6 (2000 rpm)

21,15693626

Tabla 11: Porcentaje de utilización de cada punto básico

Finalmente se pondera la cantidad emitida en función del peso de cada punto y se obtiene la cantidad final emitida por cada contaminante a lo largo del ciclo completo de emisiones.

Aplicando estos valores a los de velocidad previamente obtenidos, se debería obtener un valor muy similar a la velocidad media del ciclo de emisiones real. Comprobación:

vmedia = 18.21 ⋅ 0.2375 + 27.61 ⋅ 0.173 + 46.17 ⋅ 0.3778 + 35.73 ⋅ 0.2116 = 31.93 km h [17]

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229

Siendo la velocidad media del ciclo real de emisiones de 31.413 km/h y por tanto muy similar a la de nuestro ciclo ficticio de emisiones.

Por tanto la estimación de la velocidad es correcta.

5.1.2.4. CONSTANTE DE FRÍO-CALOR ( K frio calor ) La constante de frío-calor K frio calor , es un valor experimental, que sirve para corregir los resultados debido al incremento de emisiones con el motor a baja temperatura. La utilización de dicho parámetro es fundamental, dado que durante la obtención de las ecuaciones de comportamiento de los contaminantes, el motor se encontraba funcionando en condiciones estacionarias de temperatura. Durante la realización de un ciclo normal de homologación, es obligatorio, por obligación de la propia EURO 5, mantener el vehículo en condiciones de temperatura controlada, para que todos los fluidos y elementos del coche se encuentren a una temperatura lo más cercana posible a la del ambiente.

Mientras el motor está frío, se produce una corrección en las tasas de inyección, aumentándolas cuantiosamente, para poder calentar antes a todos los elementos. Aumentando por tanto en gran medida la emisión de algunos contaminates como el CO, que puede llegar a alcanzar valores 40 veces superiores a los que se consiguen con el motor caliente.

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230

Para obtener esta constante se emplearon los valores del ciclo de emisiones real. Se realizó la suposición de que los contaminantes emitidos durante el ciclo urbano, se correspondían a motor en frío, mientras que los generados en el ciclo extraurbano, lo fueron con motor caliente.

HC(ppm) CO(ppm) NOx(ppm) CO2(%) Particulas Gramos/fase 0,252

1,493

1,102

572,530

0,0904

Gramos/km

0,062

0,367

0,271

140,878

0,0223

caliente Gramos/fase 0,088

0,023

1,055

798,104

0,0921

0,013

0,003

0,152

114,766

0,0132

Gramos tot. 0,341

1,516

2,157

1370,634 0,1825

Gr/km tot.

0,031

0,138

0,196

124,397

0,0166

Kfrio-calor

2,439

41,678

1,2904

1,0839

1,251

frio

Gramos/km

Resultados

Tabla 12: Resultados de Kfrío-calor

La obtención del parámetro Kfrio-calor, se basa en la ponderación del peso que tiene cada fase respecto al total. Todos los resultados parecen ciertamente razonables, si bien sorprende un poco lo alto que es el valor de la constante para el monóxido de carbono, aumentando la formación de este contamínate en más de cuarenta veces.

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231

RESULTADOS DE OPTIMIZACIÓN

Una vez construida la herramienta de optimización de todas las ecuaciones, que será descrita con más detalle en los anejos del proyecto, y tras muchos procesos de optimización, se llegó a la conclusión de que el mejor resultado de emisiones es el siguiente:

1250

1500

1750

2000

total

CO [g/km]

1,0180

3,6743

1,264

1,289

1,7656

CO2 [g/km]

137,92

103,5364

108,68

36,536

101,5845

NOx [g/km]

0,0334

0,0159

0,0068

0,0051

0,0147

PART [g/km]

0,0328

0,0701

0,0541

0,0264

0,0480

HC [g/km]

0,0086

0,0151

0,0109

0,0035

0,0100

HC+Nox[g/km] [g/km] SMOKE [Bosch]

0,0420

0,0309

0,0177

0,0086

0,0247

0,3802

0,4062

0,8394

0,3514

NOISE [db]

78,45

88,39

83,94

84,88

Tabla 13: Resultados de optimización

A los que le corresponden valores de los parámetros de la unidad de control:

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232

Variables

1250 rpm

1500 rpm

1750 rpm

2000 rpm

PILF

1

1,34

1,69

1,76

PILS

1000

2000

1000

1105

PREF

1

1

1,5

1,288

PRES

1000

1000

750

1412

AFTF

-

1,5

-

-

AFTS

-

969,3

-

-

MTD

4,4

2,1

-4,375

-4,525

RPD

409,4

600

685

486,6

AMF

323,5

325,6

292

308

Tabla 14: Valores de las variables

Siendo: PILF = Tasa de inyección de la inyección piloto [mg/emb] PILS = separación de la inyección piloto [microsegundos] PREF =Tasa de inyección de la pre-inyección en [mg/emb] PRES = Separación de la pre-inyección [microsegundos] AFTF = Tasa de la post-inyección en [mg/emb] AFTS = Separación de la post-inyección [microsegundos]

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233

AMF = Cantidad de aire en [mg/rev] RPD = Presión de Rail en [bar] MTD = Avance de Inyección en [º cig]

Si se recuerdan los valores límite que se establecen en la normativa EURO 5, se aprecian diferencias sustanciosas con respecto a los valores que se arrojan de la optimización realizada en este proyecto. En el caso del NOx y de los hidrocarburos inquemados, los resultados obtenidos son ciertamente espectaculares, habiéndose producido una reducción del 91.83% y del 89.26% respectivamente. Sin embargo, y de forma lógica por otro lado, las emisiones de CO y partículas son muy altas, en concreto 353.12% y 960% respectivamente, lo que va a obligar a la utilización de post-tratamientos que reduzcan sustancialmente estos valores.

Nótese que en los motores diesel, tal y como se explicó en el apartado 3 de emisiones, la relación existente entre el NOx y las partículas es completamente inversa, de forma que el motivo principal por el que se optó por la reducción del NOx en detrimento del material particulado radica en las tecnologías de reducción en el escape actualmente existentes, y es que los filtros de NOx o trampas de NOx, como también son llamadas, están actualmente en desarrollo y sólo existen unos pocos modelos en el mercado siendo su rendimiento muy inferior al que poseen las trampas de partículas, siendo éste entorno al 99% .

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234

Si a este hecho se le añade que las trampas de partículas de última generación son capaces de filtrar una gran parte de las nanopartículas generadas, que por otro lado son las más perjudiciales para la salud, parece realizada.

todavía más razonable la elección

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235

5.2. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD

A Continuación se pretende mostrar la robustez de los resultados, para ello, y partiendo del los punto final de optimización de 1250 revoluciones por minuto, se expondrán dos gráficas en las que se irá variando únicamente un parámetro para poder observar la tendencia general de los resultados entorno al punto de optimización obtenido.

Se ha procedido a agrupar el NOx junto a las partículas y al CO con la fracción de combustible sin quemar debido a la tendencia inversa que se presenta en la primera de las relaciones y la tendencia proporcional que poseen estos últimos dos contaminantes, para la mayoría de los parámetros.

Punto de 1250 rpm: Inyección piloto : Esta variable no tiene discusión es completamente lineal, y cuanto más valor tiene más se contamina. En las gráfica 89 y 90, se ve claramente como el valor representado corresponde al mínimo absoluto de emisiones.

Separación de la piloto: A primera vista el valor de esta variable es algo más complejo. Inicialmente se ve sobre la gráfica 90, que según aumenta ésta, mas se contamina, si bien en la gráfica 89, se aprecia también que para un valor a mitad de camino entre el elegido (el mínimo) y el máximo se podrían reducir las emisiones de

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236

NOx aumentando algo las partículas. Analizando ambas gráficas, se ve que por mucha ganancia que obtengamos de NOx, supone más pérdida en CO y HC de forma porcentual, por tanto este valor es también correcto.

Pre –inyección: A priori esta variable se presenta complicad. Ya que el rango de influencia que tiene sobre las emisiones es muy pequeño, de forma que es muy probable que el programa no haya obtenido su valor más apropiado. En la figura 90, se aprecia que aumentando este valor hasta el máximo permitido, se producen reducciones modestas en el monóxido de carbono, y aumento del mismo orden en el HC, si bien en la gráfica 89, es fácilmente observable, que para dicho valor , las emisiones de NOx, quedan prácticamente invariables y por el contrario aumentan las partículas. De forma que también podemos afirmar que el valor resultante de esta variable es el más apropiado.

Separación de pre-inyección: Esta variable afecta de forma muy distinta a los contaminantes estudiados. Por un lado según aumenta su valor se reducen las emisiones de NOx, pero aumentan las de partículas, HC y CO. Inicialmente se podría pensar que interesa partir del valor áximo de esta variable , ya que estamos realizando una minimización de las emisiones, tomando como referencia la mínima emisión de NOx, pero es que como se puede ver en ambas figuras (89 y 90), la poca reducción que se obtiene de NOx, no compensa al aumento tan grande que se produce en CO y HC. Es por ello , que parece que una vez más el valor que se ha obtenido del programa es el más conveniente.

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237

Presión de Rail: Aquí a simple vista es difícil juzgar si el valor que se ha obtenido de la simulación es el más apropiado de todos los posibles. Inicialmente es importante decir que a estas reducidas revoluciones la presión de rail no es un factor tan determinante, y de hecho los valores entre los que se puede variar a la variable, son muy estrechos, debido a las restricciones de temperatura que se formaría en la cámara. Analizando la gráfica 89, se aprecia como reduciendo algo la presión de inyección se pueden obtener mejores resultados de NOx y similares o algo superiores valores de partículas. Por otro lado, aplicando estos mismos valores a la gráfica 90, se ve que sólo aumenta muy ligeramente la emisión de CO y HC. Una vez visto esto, habría que valorar que representa un mejor resultado, si bien es importante reseñar que en ningún caso esta variable generaría variaciones de mas del 1% en ninguno de los resultados.

Masa de Aire o apertura de EGR: El grado de apertura seleccionado para la válvula EGR, no representa el más beneficioso, desde el punto de vista del NOx, ya que aumentando su valor se podrían conseguir sustanciales reducciones de este contaminante, si bien es el valor que genera proporcionalmente menos de todos los contaminantes juntos, por tanto parece que en este caso el programa también ha conseguido el valor más razonable.

Avance de Inyección: Esta variable es una de las que se han obtenido valores más curiosos. Debido a que el punto representado es de sólo 1250 rpm, los resultados que se obtiene n se adaptan del todo a lo que desde la teoría cabría esperar.

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238

Inicialmente en la gráfica 89, se ve como adelantando el avance de inyección, se reduce mucho el NOx y aumentan las partículas, hasta aquí parece todo normal. Pero al mirar la gráfica 90 se aprecia que al adelantarse el avance de encendido , se reduce la formación de CO y aumenta considerablemente la formación de HC. LO extraño radica en el comportamiento del CO, dado que adelantando el avance de encendido, de alcanzan menores temperaturas en la cámara de combustión y la velocidad de oxidación del monóxido de carbono se reduce , en teoría , para esas condiciones. Este hecho aquí expuesto es lago más común de lo que el lector se pueda imaginar, ya que este tipo de modelos, son ecuaciones experimentales, que no están obtenida a partir de procesos termodinámicos y por tanto en muchas ocasiones no existe una explicación física para lo que los valores marcan. En cualquier caso, ciñéndose a las ecuaciones el resultado obtenido es el más correcto.

PARTICULAS [mg/s] 1

EGR

AVANCE DE INYECC.PRINCIPAL

PRESIÓN DE RAIL

SEPARCIÓN PRE

PRE INYECCIÓN

239

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0

0,2

0,4

0,6

0,8

EVOLUCIÓN DE CONTAMINANTES

PILOTO

SEPARACIÓN PILOTO

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N o x [p p m ]

Figura 89: Evolución del NOx y las partículas en función de los diversos parámetros

240

HC [ppm]

C O [p p m ]

Figura 90: Evolución del CO y el HC en función de los diversos parámetros

350

400

450

500

550

600

650

700

50

60

70

80

90

EVOLUCIÓN DE CONTAMINANTES

100

EGR

AVANCE DE INYECC.PRINCIPAL

PRESIÓN DE RAIL

SEPARCIÓN PRE

PRE INYECCIÓN

SEPARACIÓN PILOTO

PILOTO

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6. POSTTRATAMIENTOS DE ESCAPE

241

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242

6. POST-TRATAMIENTOS DE ESCAPE Una vez llegado este punto, el vehículo que ha sido objeto de estudio en este proyecto ha sido optimizado de forma que las emisiones que salgan del motor al colector de escape sean las mínimas posibles, sin embargo es a partir de aquí cuando comienza la fase post-optimización de las emisiones, ya que en función de los elementos que sean instalado entre la salida del motor y la atmósfera, quedarán las emisiones del vehículo determinadas. Teniendo en cuenta la elección que se realice de tecnología de post-tratamiento el coche podrá o no cumplir la futura normativa y por tanto ser o no posible su venta al público. En el siguiente apartado se procederá a la descripción detallada de las diversas tecnologías que existen en el mercado, valorando su implantación en el vehiculo.

6.1. ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS En principio se podrían dividir las tecnologías existentes en tres grupos distintos más uno adicional, que representará la combinación entre alguno de los tres. En función del estado del contamínate será necesaria su reducción u oxidación total o parcial, de esta forma los hidrocarburos y el monóxido de carbono requerirán ser oxidados, mientras que el NOx deberá ser reducido, además por otro lado están las

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243

partículas que primeramente han de ser atrapadas en un filtro para posteriormente oxidarlas.

Es por ello que diferenciamos entre:

A. DOC; Diesel Oxidation Catalyst B. DPF; Diesel Particle Filter C. SCR; Selective Catalytic reduction

El primero se encarga principalmente de de oxidar los hidrocarburos inquemados y completar la combustión del CO, en el caso de los sistemas DPF, la misión principal es absorber las partículas, para posteriormente proceder a su quemado, mientras que en los sistemas SCR, el objetivo es reducir los óxidos de nitrógeno. Según la tecnología avanza, y la necesidad de instalar más sistemas y componentes bajo el vehículo se incrementa, el espacio disponible empieza a ser una necesidad de primer orden en los vehículos, de forma que cuantos más sistemas puedan ser integrados en el mismo espacio, sin comprometer el funcionamiento de ninguno de ellos, más aceptado es el dispositivo. De aquí nace la idea de implantar estas tecnologías de forma conjunta en un solo dispositivo. No reciben un nombre concreto ya que en función de las misiones que desempeñen reciben unas u otras, variando además de unos fabricantes a otros.

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244

6.1.1. SISTEMAS DE OXIDACIÓN DOC Este tipo de sistema es el más usado por todos los fabricantes de automóviles del mundo, ya que en mayor o menor medida lo integran de forma aislada o en combinación con otros sistemas, en todos sus vehículos. Diesel Oxidation Catalyst, o en español catalizador de oxidación diesel, es el engargado de reducir el monóxido de carbono, hidrocarbonos y la fracción orgánica soluble (SOF) del material particulado (figura 63)

además de ser el causante de

reducciones importantes en "emisiones no reguladas" (contaminantes no reguladas ni por leyes ni por normas), así como reducción de actividad mutagénica y cancerígena.

Si bien aunque su uso se a extendido a finales de los noventa, este tipo de elementos, no son nuevos, ya que llevan siendo utilizados en Estados Unidos desde los 70, pero en motores de gasolina, además de en numerosas aplicaciones estacionarias como minas, con limitada capacidad de ventilación, donde la eliminación de excesos de CO (recuérdese que es mortal en bajas

concentraciones) era fundamental en las

condiciones de trabajo.

En la mayoría de las aplicaciones un catalizador de oxidación de diesel consiste en una caja de acero inoxidable que contiene una estructura de panal de abejas llamada sustrato o soporte del catalizador (figura 92). No hay partes móviles, sólo grandes cantidades de superficie interior cubiertas con metales catalíticos como el platino o el paladio.

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245

Figura 91: Efecto del elemento catalizador sobre la reacción.

Estos materiales se encargan de bajar la temperatura, a partir de la cual, se produce la oxidación completa de los elementos descritos (figura 91 ), haciendo que esta ronde el valor alcanzado por los gases de escape a su paso por el colector. Es por ello que no es necesaria la instalación adicional de resistencias eléctricas, o inyectores de post-combustión, como en las tecnologías que se describirán posteriormente.

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246

Figura 92: Descripción de las principales partes de un catalizador de oxidación diesel

1.

monolito cerámico (1) en forma de nido de abeja

2.

malla metálica (2) que permite la sujeción del monolito en su coquilla

3.

envoltura (3) que incluye los conos de entrada y salida que

permiten optimizar la repartición del flujo de los gases de escape

Como se ha dicho el catalizador oxida monóxido de carbón (CO), hidrocarburos gaseosos (HCs) y los hidrocarburos líquidos adsorbidos sobre las partículas de carbono, llamados la fracción orgánica soluble (SOF). Los procesos y reacciones químicas que tienen lugar en el interior se muestran en la figura a continuación.

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247

Figura 93: Principios de funcionamiento del catalizador

El contenido de azufre del combustible es un factor determinante de la efectividad de la tecnología del catalizador de oxidación porque estos mismos catalizadores pueden también oxidar dióxido de azufre para formar sulfatos, lo cual se cuenta como parte de las partículas. Esta reacción de Dióxido de Azufre a sulfato depende no solamente del nivel de azufre en el combustible, sino también de la temperatura de los gases de escape. Algunas formulaciones de catalizadores han sido desarrolladas de tal modo que selectivamente oxidan la fracción orgánica soluble (SOF) mientras que minimizan la oxidación del dióxido de azufre; sin embargo, a menor

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248

contenido de azufre del combustible, mayor es la oportunidad para maximizar la efectividad de la tecnología del catalizador de oxidación para un mejor control total de las PM y un mayor control de los HC’s tóxicos. El combustible más bajo en azufre de reciente implantación en muchos países europeos (10 ppm en lugar de las anteriores 50ppm) hacen aumentar considerablemente la eficiencia de este tipo de dispositivo, contribuyendo por tanto a la reducción de emisiones.

Un elemento fundamental relacionado con los catalizadores de oxidación y el ciclo de emisiones, es el largo tiempo que tardan en alcanzar su temperatura óptima de funcionamiento, comprometiendo por tanto los valores de emisiones producidos en el uso del motor en frío. Cómo se muestra a continuación (figura 94), prácticamente hasta la llegada del ciclo extraurbano, no se alcanzan las temperaturas óptimas de catalizador, y por tanto el rendimiento es menor.

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249

Figura 94: Evolución de la temperatura según avanza el ciclo de emisiones normalizado

Otro factor fundamental a tener en cuenta en lo referente a la temperatura es el hecho de que la mayoría de los motores diesel de hoy en día están sobrealimentados, concepto que además de mejorar considerablemente la potencia, contribuye a la disminución de gases de escape del motor, pero que por el contrario dificulta la correcta oxidación de los compuestos en el catalizador, debido a la entalpía que estos gases ceden a la turbina en el proceso de sobrealimentación, llegando con menor temperatura a los catalizadores (figura 95).

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250

Figura 95: Influencia de la sobrealimentación en las temperaturas de escape

6.1.2. SISTEMAS DE FILTRADO DPF Los sistemas de filtrado de material particulado para motores diesel, nacen hace más de veinte años, en Estados Unidos. Inicialmente este tipo de dispositivos se limitaban únicamente a retener aquellas partículas cuyo tamaño fuera superior al de paso del filtro. Con el tiempo, las prestaciones de motores Diesel aumentaron, y los sistemas de inyección se perfeccionaron, de forma que las partículas que eran generadas habían

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251

reducido su tamaño considerablemente. Esto propició que los filtros tuvieran que ser cada vez más finos y que tras poco uso fueran taponados con facilidad tanto por las partículas grandes como por las pequeñas, aumentando enormemente los valores de contrapresión hacia el motor. Se tuvo que recurrir al cambio de dichos filtros con cierta asiduidad, creciendo la

necesaria de crear una nueva tecnología capaz de quemar

también las partículas filtradas.

Los filtros particulados de diesel (DPFs) se encargan de reducir la emisión de partículas sólidas al ambiente, al filtrarlo mecánicamente del flujo de escape. Los más recientes DPFs (tasa de reducción de 90 - 95%) también reducen el tamaño de las partículas de manera uniforme, lo que significa que las partículas pequeñas y grandes serán erradicadas. Hoy en día el uso de estos filtros por separado es muy escaso, suelen combinarse con sistemas de oxidación DOC, tanto de HC y CO como de NOx, como se explicará en apartados sucesivos (sistema CRT), siendo además la opción más empleada por los fabricante de automóviles diesel de todo el mundo.

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252

Figura 96: Entramado de un filtro de partículas diesel

El mecanismo fundamental de funcionamiento de este tipo de sistemas, se basa en hacer pasar a los productos del escape a través de un entramado de celdas, recubiertas con material filtrante en sus caras inferior, superior, lateral izquierda y derecha, pero taponadas en la pared final, de forma que se obliga a pasar a los gases de escape a través de ellos, dejando el material partículado en el interior de las celdas. Este tipo de sistema aumente considerablemente la superficie de filtrado con respecto a un filtro convencional, provocando que su taponamiento se produzca cada mayores cantidades de tiempo. Las figuras 97 y 98 muestran con mayor detalle este tipo de proceso

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Figura 97: Camino seguido por los gases de escape en el filtro I.

Figura 98: Camino seguido por los gases de escape en el filtro II.

253

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254

Una variedad de materiales filtrantes se han usado en filtros de partículas diesel que incluyen: materiales cerámicos y carburos de silicona, cartuchos de fibra enrollada, bobinas de fibras de sílice tejidas, espuma cerámica, tela metálica, sustratos de metal aglomerados, y, en el caso de los filtros desechables, papel resistente a las temperaturas. La eficiencia del filtro ha sido rara vez un problema con los materiales del filtro mencionados arriba, pero el trabajo se ha continuado para:

1) Optimizar la eficiencia del filtro y minimizar la contrapresión.

2) Mejorar el flujo radial de oxidación en el filtro durante la regeneración.

3) Mejorar la fuerza mecánica de los diseños de filtro.

Muchas técnicas pueden y están siendo usadas para regenerar un filtro de partículas diesel. Algunas de estas técnicas se usan en conjunto en el mismo sistema de filtro para lograr una eficiente regeneración. Existen sistemas de regeneración en el vehiculo y externos a él. Las principales técnicas de regeneración se mencionan abajo.

1.

La regeneración basada en el catalizador que usa un

catalizador de oxidación aplicado a las superficies del filtro. Una base o capa de metal precioso aplicada a la superficie del filtro reduce la temperatura de ignición necesaria para oxidar las partículas acumuladas.

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255

La regeneración basada en catalizadores que usa un

catalizador de oxidación de flujo en contracorriente. En esta técnica,

un

catalizador

de

oxidación

se

pone

a

contracorriente del filtro para facilitar la oxidación del Óxido Nítrico (NO) hacia Dióxido de Nitrógeno (NO2). El Dióxido de Nitrógeno se adsorbe sobre las partículas almacenadas, reduciendo sustancialmente la temperatura requerida para regenerar el filtro. 3.

. Para alcanzar el umbral de regeneración, se añade

al carburante un producto catalizador, que generalmente suele ser el Eolys. Este compuesto a base de cerina ha sido puesto a punto por Rhodia y baja la temperatura natural de combustión de las partículas hasta 450° C. Las numerosas pruebas realizadas demostraron la inocuidad de Eolys hacia la salud y el medio ambiente.

Este producto ha sido aprobado por los ministerios del Medio Ambiente de Francia y Alemania y recibió la notificación europea que autoriza su comercialización y su uso.

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256

Toma de aire con obturación. Obturar la toma de

aire para uno o más cilindros del motor puede aumentar la temperatura de escape y facilitar la regeneración del filtro.

5. superior

Inyección de combustible post punto muerto (TDC).

Inyectar

pequeñas

cantidades

de

combustible en los cilindros de un motor diesel después de que los pistones hayan alcanzado TDC, introduce una cantidad pequeña de combustible no quemado en los gases de escape del motor. Este combustible no quemado puede ser oxidado en el filtro de partículas para combustionar el material acumulado.

6.

Quemadores de combustible a bordo o calentadores

eléctricos. Quemadores de combustible o calentadores eléctricos a contra corriente del filtro pueden proporcionar suficientes temperaturas de escape para encender el acumulado y para regenerar el filtro.

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257

Calentadores eléctricos externos. Estaciones de

regeneración fuera del vehiculo combustionan el material particulado atrapado por medio de inyectar aire caliente a través del sistema del filtro.

En algunas aplicaciones no carreteras, se han usado los sistemas de filtro desechables. Un filtro desechable se usa para atrapar las partículas en un turno de trabajo u otro periodo de tiempo predeterminado. Después de una cantidad de tiempo prescrita o cuando los límites de contrapresión están cerca, se saca el filtro y se limpia o se descarta.

Para asegurarse una operación apropiada, los sistemas de filtros son diseñados para un vehículo en particular y la aplicación del vehículo, tomando especial consideración del ciclo total de tarea y el perfil de la temperatura de escape.

La instalación del sistema del filtro sobre un vehículo puede causar una pequeña penalización de economía de combustible por la contrapresión aumentada del sistema de filtro. También esos métodos de regeneración de filtros involucran el uso de quemadores de combustibles que aumentarán la penalización de economía del combustible. Aunque en ningún caso el aumento de consumo llevará consigo incrementos superiores al 1%.

El azufre en el combustible diesel afecta significativamente la confiabilidad, durabilidad, y rendimiento de emisiones de filtros de partículas diesel basados en el

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258

catalizador. El azufre afecta el rendimiento del filtro al inhibir el rendimiento de los materiales catalíticos a contra corriente o sobre el filtro. El azufre también compite con reacciones químicas que pretenden reducir las emisiones de contaminantes y crea material particulado a través de la formación catalítica de sulfatos. La tecnología de filtro de partículas diesel basado en el catalizador funciona mejor cuando los niveles de azufre del combustible son menos de 15 ppm. En general, a menos azufre en el combustible, mejor rendimiento de la tecnología.

La tecnología de filtro de partículas puede ser usada exitosamente en aplicaciones donde el nivel de azufre del combustible sea mayor a 15 ppm , pero sólo después que se haya hecho una cuidadosa evaluación del nivel de azufre del combustible, el motor, el tipo de sistema de filtro, las condiciones de operación y reducciones de emisiones deseadas. Si el contenido de azufre es de más de 15 ppm, los intervalos para mantener el filtro aumentarán desproporcionadamente.

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259

Figura 99: Reducción de humos de un motor diesel de autobús EURO II, con y sin filtro de partículas

6.1.3. SISTEMAS DE REDUCCIÓN SCR

Los sistemas de reducción catalítica selectivos (SCR) convierten el NOx en nitrógeno y otros gases a través de la adición de un reductor al flujo de escapes .

Un sistema SCR utiliza un catalizador metálico (ver figura 100) y un reactivo químico (o reductor), generalmente una solución de urea acuosa en aplicaciones de

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260

fuentes móviles, para convertir óxidos de nitrógenos a nitrógeno molecular y oxígeno en el flujo de escape, si bien cualquier fuente de amoniaco es utilizable para este proceso, ya que el que realmente se encarga de reducir los óxidos de nitrógeno es el amoiaco.

En el caso de la solución de urea, el proceso de obtención de NH3 en el escape es el siguiente:

NH 2 C (O) NH 2 + calor → HNCO + NH 3 ↓

HNCO + H 2 O → CO2 + NH 3

[18 y 19]

El reductor se agrega a una tasa calculada de un algoritmo que estima la cantidad de NOx presente en el flujo de escape basada en parámetros del motor, tales como revoluciones por minuto (rpm) y carga. A medida que los gases de escape y el reductor pasen al catalizador SCR, las reacciones químicas ocurren y reducen la emisiones de NOx entre 75 y 90 por ciento, las emisiones de HC hasta un 80%, y las emisiones de PM 20 a 30 por ciento.

Mecanismo de Oxidación: 4NH 3 + 4NO + O2 → 4N 2 + 6H 2 O 2NH 3 + NO + NO 2 → 2N 2 + 3H 2 O 8NH 3 + 6NO 2 → 7N 2 + 12H 2 O

[20,21 y 22]

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261

En función del catalizador metálico los resultados de reducción son muy variados, es por ello que es necesario seleccionar aquel catalizador que mejor se ajuste a las condiciones de operación del motor.(figura 100)

Figura 100: Eficiencia de conversión del SCR, en función del catalizador metálico empleado

El SCR también reduce el olor característico producido por un motor diesel y humo diesel. Bajo ciertas condiciones, un sistema SCR puede aumentar las emisiones de amoníaco de modo que es típico adicionar un catalizador de oxidación de flujo corriente abajo para minimizar el "desprendimiento de amoníaco". Como todas las tecnologías de control de emisiones basadas en catalizadores, el funcionamiento del SCR es mejorado con el uso de combustible de bajo azufre.

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262

Esquema general de lo que podría ser un sistema encargado de reducir las emisiones de NOx (FIGURA 101.):

Figura 101:Sistema completo de reducción de emisiones SCR

La técnica de SCR está todavía en desarrollo para pequeños vehículos diesel y no se usa regularmente en aplicaciones de carreteras en Europa salvo para camiones y autobuses.

6.1.4. SISTEMA CRT

El sistema CRT, del inglés “Continiously Regenerating Trap”, combina la tecnología de un filtro DPF con un catalizador de oxidación DOC, de forma que la reducción de emisiones que se consigue es todavía mayor.

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263

El funcionamiento en el que se basan es el mismo que por separado, pero optimizando el rendimiento del sistema, ya que uno está diseñado para funcionar con el otro.(Figura 102)

Figura 102: Sistema de reducción de emisiones, CRT

La principal diferencia de este tipo de filtros radica en la preoxidación de del monóxido de carbono, para posteriormente utilizarlo como comburente de la combustión de las partículas. Esta oportunidad de oxidar los compuestos de carbono a menor temperatura es muy interesante, ya que se reduce mucho el estrés térmico al que está sometido el conjunto de escape.

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264

Figura 103: Temperatura de combustión de las cenizas para el oxígeno o el óxido de nitrógeno

1. Combustión con Oxígeno (O2)

[C] + O2-> CO2

[23]

2. Combustión con dióxido de carbono (NO2).

[C] + NO2 -> CO2 + NO

[24]

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265

Principales diferencias entre ambas opciones:

Regeneración basada en O2

Regeneración con NO2

Temperatura

Requiere temperaturas en torno a La reacción ocurre a partir

requerida

los 600°C (o 400°C con

de 250°C.

catalizadores).

Disponibilidad de gas O2 abundante en el flujo de escape NO2 tiene que ser formado a partir del NO en el escape

Tabla 15: Comparación entre agentes oxidantes

PRINCIPIOS DE OXIDACIÓN:

Figura 104: Esquema de un filtro CRT

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266

El sistema DOC se encarga de oxidar el CO y el HC, además de formar algo de NO2 a partir del NO existente en el escape, este dióxido de nitrógeno oxidará las partículas retenidas a posteriori en el sistema DPF limpiándolo completamente de forma pasiva (figura 104).

Figura 105: Tasas de reducción esperables en un sistema CRT

CONDICIONES DE OPERACIÓN

El único problema de este sistema es que tiene unas condiciones de operación muy específicas, si embargo si se cumplen es una opción muy interesante:

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267

Una proporción importante (~50%) del tiempo la temperatura ha de ser superior a 250°C.




Un ratio de NOx : PM en los gases de escape de 20:1 o superior.




Uso de combustibles con un contenido máximo de 50 ppm.

En caso de no cumplirse estas especificaciones, existe un diseño de Johnson Matthey (inventor del filtro CRT), denominado CCRT, y que tiene unos márgenes restrictivos mucho más permisibles, pero con el inconveniente de un aumento de precio.

6.1.5. SISTEMA SCRT

Para muchos, es el sistema definitivo en reducción de emisiones, ya que combina los tres sistemas con mayor rendimiento conjuntamente. El SCRT, está dividido en dos etapas, una primera basada en la oxidación de elementos del carbono como partículas, HC y CO, a partir del anteriormente descrito sistema CRT. Y de una segunda etapa en la que se introduce un sistema SCR para reducir los óxidos de nitrógeno (ver figura 106).

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268

Figura 106: Sistema completo de post-tratamiento SCRT

Una característica muy interesante de este sistema es que para evitar malos olores y excesos de emisiones de amoniaco, se introduce al final del SCR un sistema que permite la conversión del amoniaco que ha sobrado en nitrógeno diatómico más agua.

4 NH 3 + 3O2 → 2 N 2 + 6 H 2 O

[25]

En comparación a un filtro CRT normal, los resultados de reducción de emisiones son los mostrados en la siguiente figura (figura 107).

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269

Figura 107: Tasas de reducción esperables de un sistema SCRT

Para vehículos con problemas de formación de NOx, este sistema es una alternativa real, si bien al tener un precio tan poco competitivo respecto a las otras tecnologías (3 veces superior), es muy probable que hasta que no se implante la normativa EURO 6 no sea una realidad en los vehículos de la calle.

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270

6.2. APLICACIÓN DEL POST-TRATAMIENTO A LOS VALORES OBTENIDO POR EL MOTOR

Finalmente se ha optado por un sistema CRT para adecuar el motor a los márgenes establecido. Partiendo de los valores descritos en el tema 5 de resultados, se ha aplicado la siguiente reducción proporcionada por el fabricante Johnson Matthey para sus trampas de partículas con catalizador de oxidación.

Tipo de

Salida del

Tasa de

Emisión final

Contamminante

Motor (g/km)

reducción

(g/km)

Límites (g/km)

CO

1,7656

99%

0.0176

0.5

NOx

0,0147

5%

0.0139

0.18

PART

0,0480

93%

0.0033

0.005

HC

0,0100

95%

0.0005

-

HC+NOx

0,0247

-

0.0144

0.23

Tabla 16: Resultados finales de emisión al ambiente

Por tanto al final de todos los procesos descrito se ha llegado a unos valores de emisión muy inferiores a los que marca la normativa.

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7. CONCLUSIONES

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7. CONCLUSIONES

Tal y como se han desarrollado los motores diesel actualmente, con sistemas de inyección a muy altas presiones (actualmente el Common-Rail se encuentra entre 20002200 bar), las condiciones de la cámara de combustión se pueden controlar con relativa facilidad jugando con los parámetros de la inyección, moldeando a voluntad la formación de los diversos contaminantes. Actualmente existen dos filosofías de reducción posibles:

1.

Optimizar

la

formación

de

contaminantes

del

carbono,

principalmente de las partículas, y aumentar mucho la formación de NOx.

2.

Por el contrario optimizar al máximo la formación de óxidos de nitrógeno y que se disparen en mayor medida los compuestos del carbono, como el HC, partículas y CO.

La primera de ellas tiene el inconveniente de eliminar la posibilidad de usar el sistema EGR, ya que como se ha visto en numerosas partes del proyecto, incrementa considerablemente la formación de CO, HC y material particulado. Por otro lado una vez los gases de escape salgan del motor será necesario tratarlos, dado que con la optimización de los parámetros de inyección es imposible cumplir la estricta normativa EURO 5.El sistema más viable para este tipo de proceso sería un SELECTIVE

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CATALITIYC REDUCTION, para remover el NOx de exceso formado en el proceso. Esta filosofía tiene el inconveniente, de que este tipo de sistemas es mucho más costoso que el CRT (el doble prácticamente) y sobre todo que genera esfuerzos en cargas parciales al motor más altos por las mayores temperaturas que se alcanzan durante la combustión de difusión y la de premezcla.

Por otro lado la opción de reducir las emisiones, partiendo de la optimización del NOx, formará grandes excesos de partículas de CO y HC. Estos dos últimos no son un problema en ninguno de los casos, ya que los sistemas de oxidación diesel son muy eficaces y son capaces de erradicar más del 90% de cada contaminante. Desde el punto de vista de las partículas, los filtros de reciente aparición CRT, en los que se regenera el material que obtura el filtro, son una opción muy interesante por su eficacia y simplicidad de funcionamiento, que no interfiere prácticamente en la sensación de conducción y no acarrea problemas de mantenimiento, ya que como mucho será necesario rellenar un depósito complementario de material catalizador cada 80.000 km aproximadamente. Por otro lado, y para cualquiera de las opciones arriba mencionadas, la opción de poner un filtro SCRT no es viable hasta que se produzca la llegada de la normativa EURO 6, en la que se prevén reducciones importantes para los límites de NOx. Su alto precio permite a vehículos de gama media-baja ser competitivos en el mercado, salvo que la marca que lo instale tenga una clara estrategia de imagen anticontaminante, en cuyo caso pude que sea rentable.

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En cualquiera de los casos, una óptima gestión de los parámetros de la unidad de control y el uso del EGR, permiten alcanzar valores muy bajos de NOx, de forma que sólo se requiera el uso de sistemas CRT para cumplir los márgenes establecidos por la ley. Después de todo lo comentado parece lógica la opción elegida en este proyecto, en el que se ha optado por reducir al máximo las emisiones de NOx, con una estrategia de aprovechamiento clara del EGR, para posteriormente tratar los gases con un CRT. Es muy importante por parte de los gobiernos, que se obligue a la utilización de combustibles con un bajo contenido en azufre, en concreto menor a las 10 ppm, dado que se incrementa el rendimiento de reducción de contaminantes sea cual sea la tecnología elegida. En el futuro próximo, salvo que el panorama cambie mucho, las normativas van a obligar a los fabricantes de mecánicas diesel a recurrir a motores de muy pequeño tamaño sobrealimentados a gran presión, para de esa forma aumentar las lambdas y reducir de forma general los contaminantes. También es muy probable que uno de los principales elementos distintivos de los motores diesel sea erradicado, ya que el uso de relaciones de compresión excesivamente altas aumenta considerablemente la formación de contaminantes, haciendo que los MEC, cada vez tengan relaciones más similares a los MEP. Actualmente ya se empieza a observar este hecho en los últimos diseños de BMW y TOYOTA, donde apenas se alcanzan valores de relación de compresión superiores a 16.

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275

La evolución de la tecnología Common Rail, hacia presiones de conducto y de inyección superiores a las actuales es otra estrategia que se hace fundamental para cumplir los futuros márgenes previstos. Actualmente los sistemas multi-inyección de última generación son capaces de producir sobre las 5 inyecciones independientes por ciclo, pero no será de extrañar que apenas unos años se alcancen cifras de 7 u 8 inyecciones por ciclo, aumentando el número de inyecciones piloto y post-inyecciones, todo ello en beneficio de una reducción de emisiones. En este análisis no se ha querido entrar a valorar la posibilidad de combinar motores diesel con eléctricos trifásicos, ya que aunque de forma segura se reduzcan las emisiones por kilómetro en el escape de los vehículos, no será por una mejor gestión de los parámetros de inyección o e un revolucionario sistema de post-tratamiento. Finalmente añadir, que aunque los fabricantes de automóviles clamen al cielo, cada vez que se le de una vuelta más a la tuerca de la normativa, y se reduzcan los límites exigidos, es gracias a estas políticas, el que realmente las marcas investiguen en la reducción de emisiones y por tanto favorecen al desarrollo tecnológico de los motores diesel, además de claro está favorecer al medio ambiente.

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ANEJOS

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ANEJO A Directiva 70/220/CEE

Directiva 70/220/CEE , del Consejo, de 20 de marzo de 1970, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor DOCEL 6 Abril Título oficial redactado por la Directiva 88/436/CEE, del Consejo, 16 junio, por la que se modifica la relativa a la aproximación de las legislaciones de los

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Estados miembros en materia de medidas que deben adoptarse contra la contaminación del aire causada por los gases procedentes de los motores con los que están equipados los vehículos de motor (limitación de las emisiones de partículas contaminantes por los motores diesel) ( « D.O.C.E.L. » 6 agosto). EL CONSEJO DE LAS COMUNIDADES EUROPEAS, Visto el Tratado constitutivo de la Comunidad Económica Europea y, en particular, su artículo 100, Vista la propuesta de la Comisión, Visto el dictamen del Parlamento Europeo, Visto el dictamen del Comité Económico y Social, Considerando que en Alemania se publicó, en el « Bundesgesetzblatt I » , de 18 de octubre de 1968, un decreto, de 14 de octubre de 1968, por el que se modifica la « Strassenverkehrs Zulassungs Ordnung » ; que dicho decreto incluye disposiciones relativas a las medidas que deben adoptarse contra la contaminación del aire causada por los motores de explosión de los vehículos a motor; que dichas disposiciones entrarán en vigor el 1 de octubre de 1970; Considerando que en Francia se publicó, en el « Journal officiel » , de 17 de mayo de 1969, un decreto, de 31 de marzo de 1969, relativo a la « Composición de los gases de escape emitidos por los vehículos automóviles con motor de gasolina » ; que dicha orden se aplicará:

a partir del 1 de septiembre de 1971, a los vehículos homologados con un nuevo tipo de motor, es decir, con un tipo de motor que nunca, hasta ese momento, se haya instalado en un vehículo homologado; a partir del 1 de septiembre de 1972, a los vehículos puestos en circulación por primera vez; Considerando que tales disposiciones podrían obstaculizar la puesta en marcha y el normal funcionamiento del mercado común; que, como consecuencia de ello, es necesario que todos los Estados miembros adopten las mismas prescripciones, bien con carácter complementario o bien en sustitución de legislaciones actuales, con el fin principal de permitir para cada tipo de vehículo, la aplicación del procedimiento de homologación CEE objeto de la Directiva del Consejo, de 6 de febrero de 1970, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre la homologación de los vehículos a motor y de sus remolques; Considerando, sin embargo, que la presente Directiva se aplicará a partir de una fecha anterior a la fecha de aplicación de la Directiva mencionada en el considerando anterior; que, por lo tanto, los procedimientos previstos por esta última Directiva no serán aún aplicables; que, por este motivo, es necesario prever un procedimiento ad hoc, consistente en una comunicación en la que se haga constar que el tipo de vehículo de que se trate ha sido probado y que se ajusta a las prescripciones de la presente Directiva; Considerando que dicha comunicación debe permitir, a cada Estado miembro al que se haya solicitado una homologación de alcance nacional para algún tipo de vehículo, constatar que dicho tipo ha sido sometido a los controles previstos en la presente Directiva; que, con este fin, es conveniente que cada Estado miembro informe a los demás Estados miembros de sus conclusiones, mediante el envío de una copia de la comunicación que se establezca para cada tipo de vehículo probado; Considerando que es conveniente prever un plazo de adaptación más largo para la industria, en lo relativo a las prescripciones sobre el control de la media de gases contaminantes emitidos en una zona urbana congestionada después de un arranque en frío, que en lo relativo a las demás prescripciones técnicas de la presente Directiva; Considerando que en lo que se refiere a las prescripciones técnicas, es conveniente adecuarse a las adoptadas por la Comisión Económica para Europa de la ONU en su Reglamento n.o 15 ( « Prescripciones uniformes relativas a la homologación de los vehículos equipados con motor de

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explosión en lo que se refiere a las emisiones por el motor de gases contaminantes » ) anejo al Acuerdo de 20 de marzo de 1958 relativo a la adopción de condiciones uniformes de homologación y al reconocimiento recíproco de la homologación de piezas y equipos de vehículos a motor; Considerando además que las prescripciones técnicas deberán adaptarse rápidamente al progreso técnico; que para ello es oportuno prever la aplicación del procedimiento señalado en el artículo 13 de la Directiva del Consejo, de 6 de febrero de 1970, relativa a la homologación de vehículos a motor y de sus remolques, HA ADOPTADO LA PRESENTE DIRECTIVA: Artículo 1. A efectos de la presente Directiva se entenderá por: a) « vehículo » : cualquier vehículo según la definición de la sección A del anexo II de la Directiva 70/156/ CEE; b) « vehículo propulsado por GLP o gas natural » : un vehículo que cuenta con equipo específico para el uso del GLP o el gas natural en su sistema de propulsión. Dicho vehículo de GLP o gas natural se podrá diseñar y fabricar como vehículo monocombustible o bicombustible; c) « vehículo monocombustible » : un vehículo que está diseñado en primer lugar para funcionar permanentemente con GLP o gas natural pero puede tener también un sistema de gasolina para casos de emergencia o sólo para el arranque, cuando el depósito de carburante no contenga más de 15 litros de gasolina; d) « vehículo bicombustible » : un vehículo que puede funcionar en unos casos con gasolina y en otros casos con GLP o gas natural. Artículo 1 redactado por apartado 1) del artículo 1 de la Directiva 2002/80/CE de la Comisión, de 3 octubre 2002, por la que se adapta al progreso técnico la del Consejo relativa a las medidas que deben adoptarse contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor ( « D.O.C.E.L. » 28 octubre). Vigencia: 31 octubre 2002 Artículo 2. Los Estados miembros no podrán denegar la homologación CEE ni la homologación de alcance nacional de un vehículo por motivos que se refieran a la contaminación del aire causada por los gases procedentes del motor de explosión que propulse a dicho vehículo:

a partir del 1 de octubre de 1970, si tal vehículo cumple las prescripciones que figuran en el Anexo I, a excepción de los números 3.2.1.1 y 3.2.2.1, así como en los Anexos II, IV, V y VI; a partir del 1 de octubre de 1971, si tal vehículo cumple, además, las prescripciones que figuran en los números 3.2.1.1 y 3.2.2.1 del Anexo I y en el Anexo III.

Artículo 3. 1. Si un constructor o su representante lo solicitaren, las autoridades competentes del Estado miembro de que se trate rellenarán la comunicación que se ofrece en el Anexo VII con los datos solicitados. Se enviará una copia de dicha comunicación a los demás Estados miembros y al solicitante. Los demás Estados miembros a los que se solicite una homologación de alcance nacional para el mismo tipo de vehículo, aceptarán este documento como demostración de que se han efectuado los controles previstos. 2. Las disposiciones del apartado 1 quedarán derogadas desde el momento en que entre en vigor la Directiva del Consejo, de 6 de febrero de 1970, relativa a la homologación de los vehículos a motor y de sus remolques. Artículo 4.

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El Estado miembro que haya procedido a la homologación adoptará las medidas oportunas para ser informado de cualquier modificación de alguno de los elementos o de las características indicadas en el número 1.1 del Anexo I. Las autoridades competentes de dicho Estado decidirán si el vehículo modificado debe ser sometido a nuevas pruebas y si debe establecerse una nueva acta. No se autorizará la modificación cuando de las pruebas se deduzca que no se han cumplido las prescripciones de la presente Directiva. Artículo 5. Las modificaciones que sean necesarias para adaptar al progreso técnico las prescripciones de los Anexos I a XI, se adoptarán de conformidad con el procedimiento previsto en el artículo 13 de la Directiva del Consejo, de 6 de febrero de 1970, relativa a la homologación de vehículos a motor y de sus remolques .Artículo 5 redactado por la Directiva 98/69/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, 13 octubre, relativa a las medidas que deben adoptarse contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor y por la que se modifica la del Consejo ( « D.O.C.E.L. » 28 diciembre).

Artículo 6. 1. Los Estados miembros adoptarán, antes del 30 de junio de 1970, las disposiciones necesarias para cumplir la presente Directiva e informarán de ello inmediatamente a la Comisión. 2. Los Estados miembros comunicarán a la Comisión el texto de las disposiciones básicas de Derecho interno que adopten en el ámbito regulado por la presente Directiva. Artículo 7. Los destinatarios de la presente Directiva serán los Estados miembros. ANEXO I Téngase en cuenta que el anexo I de la , del Consejo, 20 marzo de 1970, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor ( « D.O.C.E.L. » 6 abril), ha sido modificada por: Directiva 91/441 CEE, de 26 de junio ( « D.O.C.E.L. » 30 agosto), Directiva 93/59 CEE, de 28 de junio ( « D.O.C.E.L. » 28 julio), Directiva 96/44 CE, de 1 de julio ( « D.O.C.E.L. » 20 agosto), Directiva 98/69 CE, de 13 de octubre ( « D.O.C.E.L. » 28 diciembre), Directiva 98/77 CE, de 2 de octubre ( « D.O.C.E.L. » 23 octubre), Directiva 99/102 CE, de 15 de diciembre ( « D.O.C.E.L. » 28 diciembre), Directiva 2001/1 CE, de 22 de enero ( « D.O.C.E.L. » 6 febrero) y Directiva 2002/80/CE de la Comisión, de 3 octubre ( « D.O.C.E.L. » 28 octubre). Directiva 91/441 CEE del Consejo, de 26 Jun. 1991 (modificación de la Directiva 70/220 CEE relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre medidas contra la contaminación atmosférica provocada por los gases de escape de los vehículos de motor) Directiva 93/59 CEE del Consejo, de 28 Jun. 1993 (modificación de la Directiva 70/220 CEE relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor) Directiva 94/12 CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 23 Mar. 1994 (medidas que deben adoptarse contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor y modificación de la Directiva 1970/220 CEE)

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Directiva 96/44 CE de la Comisión, de 1 Jul. (adapta al progreso técnico la del Consejo relativa a la aproximación de las legislaciones de los estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor) Directiva 98/69 CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 13 Oct. 1998 (medidas que deben adoptarse contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor y modificación de la Directiva 70/220 CEE del Consejo)

Directiva 98/77 CE de la Comisión, de 2 Oct. (adapta al progreso técnico la Directiva 70/220 CEE del Consejo relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas que deben tomarse contra la contaminación del aire causada por las emisiones de los vehículos de motor) Directiva 99/102 CE de la Comisión, de 15 Dic. 1999 (adaptación al progreso técnico de la

Directiva 1970/220 CEE del Consejo relativa a las medidas contra la contaminación atmosférica causado por las emisiones de los vehículos de motor) Directiva 2001/1 CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 22 Ene. 2001 (modificación

Directiva 1970/220 CEE del Consejo, medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor) ... ANEXO II Téngase en cuenta que el anexo II de la , del Consejo, 20 marzo de 1970, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor ( « D.O.C.E.L. » 6 abril), ha sido modificada por: Directiva 96/44 CE, de 1 de julio ( « D.O.C.E.L. » 20 agosto), Directiva 98/69 CE, de 13 de octubre ( « D.O.C.E.L. » 28 diciembre), Directiva 98/77 CE, de 2 de octubre ( « D.O.C.E.L. » 23 octubre) y Directiva 2002/80/CE de la Comisión, de 3 octubre ( « D.O.C.E.L. » 28 octubre). Directiva 96/44 CE de la Comisión, de 1 Jul. (adapta al progreso técnico la del Consejo relativa a la aproximación de las legislaciones de los estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor) Directiva 96/69 CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 8 Oct. 1996 (modificación de la Directiva 70/220 CEE relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor) Directiva 98/77 CE de la Comisión, de 2 Oct. (adapta al progreso técnico la Directiva 70/220 CEE del Consejo relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas que deben tomarse contra la contaminación del aire causada por las emisiones de los vehículos de motor) ... ANEXO III Téngase en cuenta que el anexo III de la , del Consejo, 20 marzo de 1970, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de

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motor ( « D.O.C.E.L. » 6 abril), ha sido modificada por: Directiva 91/441 CEE, de 26 de junio ( « D.O.C.E.L. » 30 agosto), Directiva 93/59 CEE, de 28 de junio ( « D.O.C.E.L. » 28 julio), Directiva 96/44 CE, de 1 de julio ( « D.O.C.E.L. » 20 agosto), Directiva 98/69 CE, de 13 de octubre ( « D.O.C.E.L. » 28 diciembre), Directiva 98/77 CE, de 2 de octubre ( « D.O.C.E.L. » 23 octubre) y Directiva 2002/80/CE de la Comisión, de 3 octubre ( « D.O.C.E.L. » 28 octubre). Directiva 91/441 CEE del Consejo, de 26 Jun. 1991 (modificación de la Directiva 70/220 CEE relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre medidas contra la contaminación atmosférica provocada por los gases de escape de los vehículos de motor) Directiva 93/59 CEE del Consejo, de 28 Jun. 1993 (modificación de la Directiva 70/220 CEE relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor) Directiva 96/44 CE de la Comisión, de 1 Jul. (adapta al progreso técnico la del Consejo relativa a la aproximación de las legislaciones de los estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor)

Directiva 98/69 CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 13 Oct. 1998 (medidas que deben adoptarse contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor y modificación de la Directiva 70/220 CEE del Consejo) Directiva 98/77 CE de la Comisión, de 2 Oct. (adapta al progreso técnico la Directiva 70/220 CEE del Consejo relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas que deben tomarse contra la contaminación del aire causada por las emisiones de los vehículos de motor) ... ANEXO IV Téngase en cuenta que el anexo IV de la , del Consejo, 20 marzo de 1970, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor ( « D.O.C.E.L. » 6 abril), ha sido modificada por: - Directiva 91/441 CEE, de 26 de junio ( « D.O.C.E.L. » 30 agosto). - Directiva 98/77 CE, de 2 de octubre ( « D.O.C.E.L. » 23 octubre).

Directiva 91/441 CEE del Consejo, de 26 Jun. 1991 (modificación de la Directiva 70/220 CEE relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre medidas contra la contaminación atmosférica provocada por los gases de escape de los vehículos de motor)

Directiva 98/77 CE de la Comisión, de 2 Oct. (adapta al progreso técnico la Directiva 70/220 CEE del Consejo relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas que deben tomarse contra la contaminación del aire causada por las emisiones de los vehículos de motor) ... ANEXO V Téngase en cuenta que el anexo V de la , del Consejo, 20 marzo de 1970, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de

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motor ( « D.O.C.E.L. » 6 abril), ha sido modificada por: - Directiva 91/441 CEE, de 26 de junio ( « D.O.C.E.L. » 30 agosto). - Directiva 93/59 CEE, de 28 de junio ( « D.O.C.E.L. » 28 julio). - Directiva 96/44 CE, de 1 de julio ( « D.O.C.E.L. » 20 agosto).

Directiva 91/441 CEE del Consejo, de 26 Jun. 1991 (modificación de la Directiva 70/220 CEE relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre medidas contra la contaminación atmosférica provocada por los gases de escape de los vehículos de motor) Directiva 93/59 CEE del Consejo, de 28 Jun. 1993 (modificación de la Directiva 70/220 CEE relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor)

Directiva 96/44 CE de la Comisión, de 1 Jul. (adapta al progreso técnico la del Consejo relativa a la aproximación de las legislaciones de los estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor) ... ANEXO VI Téngase en cuenta que el anexo VI de la , del Consejo, 20 marzo de 1970, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor ( « D.O.C.E.L. » 6 abril), ha sido modificada por: - Directiva 91/441 CEE, de 26 de junio ( « D.O.C.E.L. » 30 agosto). - Directiva 96/44 CE, de 1 de julio ( « D.O.C.E.L. » 20 agosto).

- Directiva 98/69 CE, de 13 de octubre ( « D.O.C.E.L. » 28 diciembre).

- Directiva 99/102 CE, de 15 de diciembre ( « D.O.C.E.L. » 28 diciembre).

Directiva 91/441 CEE del Consejo, de 26 Jun. 1991 (modificación de la Directiva 70/220 CEE relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre medidas contra la contaminación atmosférica provocada por los gases de escape de los vehículos de motor) Directiva 96/44 CE de la Comisión, de 1 Jul. (adapta al progreso técnico la del Consejo relativa a la aproximación de las legislaciones de los estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor)

Directiva 98/69 CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 13 Oct. 1998 (medidas que deben adoptarse contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor y modificación de la Directiva 70/220 CEE del Consejo)

Directiva 99/102 CE de la Comisión, de 15 Dic. 1999 (adaptación al progreso técnico de la

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Directiva 1970/220 CEE del Consejo relativa a las medidas contra la contaminación atmosférica causado por las emisiones de los vehículos de motor) ... ANEXO VII Téngase en cuenta que el anexo VII de la , del Consejo, 20 marzo de 1970, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor ( « D.O.C.E.L. » 6 abril), ha sido modificada por: Directiva 91/441 CEE, de 26 de junio ( « D.O.C.E.L. » 30 agosto), Directiva 98/69 CE, de 13 de octubre ( « D.O.C.E.L. » 28 diciembre) y Directiva 2002/80/CE de la Comisión, de 3 octubre 2002 ( « D.O.C.E.L. » 28 octubre). Directiva 91/441 CEE del Consejo, de 26 Jun. 1991 (modificación de la Directiva 70/220 CEE relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre medidas contra la contaminación atmosférica provocada por los gases de escape de los vehículos de motor) Directiva 98/69 CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 13 Oct. 1998 (medidas que deben adoptarse contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor y modificación de la Directiva 70/220 CEE del Consejo) ... ANEXO VIII Téngase en cuenta que el anexo VIII de la , del Consejo, 20 marzo de 1970, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor ( « D.O.C.E.L. » 6 abril), ha sido modificada por: - Directiva 91/441 CEE, de 26 de junio ( « D.O.C.E.L. » 30 agosto).

- Directiva 98/69 CE, de 13 de octubre ( « D.O.C.E.L. » 28 diciembre). Directiva 91/441 CEE del Consejo, de 26 Jun. 1991 (modificación de la Directiva 70/220 CEE relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre medidas contra la contaminación atmosférica provocada por los gases de escape de los vehículos de motor) Directiva 98/69 CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 13 Oct. 1998 (medidas que deben adoptarse contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor y modificación de la Directiva 70/220 CEE del Consejo) ... ANEXO IX A. Especificaciones de los carburantes de referencia para las pruebas de vehículos en relación con los límites de emisión que aparecen en la línea a del cuadro del punto 5.3.1.4 del anexo Iprueba del tipo I 1. CARACTÉRISTICAS TÉCNICAS DEL CARBURANTE DE REFERENCIA UTILIZADO PARA ENSAYAR VEHÍCULOS EQUIPADOS CON UN MOTOR DE ENCENDIDO POR CHISPA Tipo: Gasolina sin plomo Parámetro Unidad Límites (1) Método de prueba Mínimo Máximo Índice de octano investigación, RON 95,0 - EN 25164 Índice de octano motor, MON 85,0 - EN 25163 Densidad a 15 °C kg/m³ 748 762 ISO 3675

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Presión de vapor Reid kPa 56,0 60,0 EN 12 Destilación: -punto de ebullición inicial °C 24 40 EN-ISO 3405 -evaporado a 100 °C % v/v 49,0 57,0 EN-ISO 3405 -evaporado a 150 °C % v/v 81,0 87,0 EN-ISO 3405 -punto de ebullición final °C 190 215 EN-ISO 3405 Residuo % 2 EN-ISO 3405 Análisis de hidrocarburos: -olefinas % v/v - 10 ASTM D 1319 -aromáticos % v/v 28,0 40,0 ASTM D 1319 -benceno % v/v - 1,0 Pr. EN 12177 -saturados % v/v - Resto ASTM D 1319 Relación carbono/hidrógeno Relación Relación Período de inducción (2) min. 480 - EN-ISO 7536 Contenido en oxígeno % m/m - 2,3 EN 1601 Goma existente mg/ml - 0,04 EN-ISO 6246 Contenido en azufre(3) mg/kg - 100 Pr. EN-ISO/DIS 14596 Corrosión sobre el cobre de la clase I - 1 EN-ISO 2160 Contenido en plomo mg/l - 5 EN 237 Contenido en fósforo mg/l - 1,3 ASTM D 3231

2. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL CARBURANTE DE REFERENCIA UTILIZADO PARA LA PRUEBA DE LOS VEHÍCULOS EQUIPADOS CON UN MOTOR DE GASÓLEO

Tipo: Gasóleo Parámetro Unidad Límites (4) Método de prueba Mínimo Máximo Índice de cetano(5) 52,0 54,0 EN-ISO 5165 Densidad a 15 °C kg/m³ 833 837 EN-ISO 3675 Destilación: -punto 50 % °C 245 - EN-ISO 3405 -punto 95 % °C 345 350 EN-ISO 3405 -punto de ebullición final °C - 370 EN-ISO 3405 Punto de inflamación °C 55 - EN 22719 Punto de obstruccion del filtro en frío °C - - 5 EN 116 Viscosidad a 40 °C mm²/s 2,5 3,5 EN-ISO 3104 Hidrocarburos policíclicos aromáticos % m/m 3 6,0 IP 391 Contenido en azufre (6) mg/kg - 300 Pr. EN-ISO/DIS 14596 Corrosión del cobre - 1 EN-ISO 2160 Carbono Conradson en el residuo (10 %) % m/m - 0,2 EN-ISO 10370 Contenido en cenizas % m/m - 0,01 EN-ISO 6245 Contenido en agua % m/m - 0,02 EN-ISO 12937 Índice de neutralización (acidez fuerte) mg KOH/g - 0,02 ASTM D 974- 95 Estabilidad a la oxidación(7) mg/ml - 0,025 EN-ISO 12205 Nuevos métodos mejorados en fase de elaboración para los aromáticos policíclicos % m/m - EN 12916 B. Especificaciones de los carburantes de referencia para las pruebas de vehículos en relación con los límites de emisión que aparecen en la línea b del cuadro del punto 5.3.1.4 del anexo Iprueba

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del tipo I 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL CARBURANTE DE REFERENCIA UTILIZADO PARA ENSAYAR VEHÍCULOS EQUIPADOS CON MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA A BAJAS TEMPERATURAS AMBIENTE (PRUEBA DEL TIPO VI)

Tipo: Gasolina sin plomo Parámetro Unidad Límites (1) Método de prueba Mínimo Máximo Índice de octano investigación, RON 95,0 - EN 25164 Índice de octano motor, MON 85,0 - EN 25163 Densidad a 15 °C kg/m³ 740 754 ISO 3675 Presión de vapor Reid kPa 56,0 60,0 Pr. EN-ISO 13016-1 (DVPE) Destilación: -evaporado a 70 °C % v/v 24,0 40,0 EN-ISO 3405 -evaporado a 100 °C % v/v 50,0 58,0 EN-ISO 3405 -evaporado a 150 °C % v/v 83,0 89,0 EN-ISO 3405 -punto de ebullición final °C 190 210 EN-ISO 3405 Residuo % v/v - 2,0 EN-ISO 3405 Análisis de hidrocarburos: -olefinas % v/v - 10,0 ASTM D 1319 -aromáticos % v/v 29,0 35,0 ASTM D 1319 -benceno % v/v - 1,0 Pr. EN 12177 -saturados % v/v Relación ASTM D 1319 Relación carbono/hidrógeno Relación Período de inducción (2) minutos 480 - EN-ISO 7536 Contenido en oxígeno % m/m - 1,0 EN 1601 Goma existente mg/ml - 0,04 EN-ISO 6246 Contenido en azufre (3) mg/kg - 10 ASTM D 5453 Corrosión sobre el cobre - clase 1 EN-ISO 2160 Contenido en plomo mg/l - 5 EN 237 Contenido en fósforo mg/l - 1,3 ASTM D 3231 2. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL CARBURANTE DE REFERENCIA UTILIZADO PARA LA PRUEBA DE LOS VEHÍCULOS EQUIPADOS CON UN MOTOR DE GASÓLEO Tipo: Gasóleo Parámetro Unidad Límites (4) Método de prueba Mínimo Máximo Índice de cetano(5) 52,0 54,0 EN-ISO 5165 Densidad a 15 °C kg/m³ 833 837 EN-ISO 3675 Destilación: -punto 50 % °C 245 - EN ISO 3405 -punto 95 % °C 345 350 EN ISO 3405 -punto de ebullición final °C - 370 EN ISO 3405 Punto de inflamación °C 55 - EN 22719 Punto de obstruccion del filtro en frío °C - - 5 EN 116 Viscosidad a 40 °C mm²/s 2,3 3,3 EN-ISO 3104 Hidrocarburos policíclicos aromáticos % m/m 3,0 6,0 IP 391 Contenido en azufre (6) mg/kg - 10 ASTM D 5453 Corrosión del cobre - Clase 1 EN-ISO 2160 Carbono Conradson en el residuo (10 % DR) % m/m - 0,2 EN-ISO 10370

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Contenido en cenizas % m/m - 0,01 EN-ISO 6245 Contenido en agua % m/m - 0,02 EN-ISO 12937 Índice de neutralización (acidez fuerte) mg KOH/g - 0,02 ASTM D 974 Estabilidad a la oxidación(7) mg/ml - 0,025 EN-ISO 12205 Lubricidad (diámetro del detector HFRR a 60 °C) µm - 400 CEC F-06-A-96 Ésteres metílicos de ácidos grasos Prohibidos

C. Características técnicas del carburante de referencia utilizado para ensayar vehículos equipados con motores de encendido por chispa a bajas temperaturas ambiente (prueba del tipo VI) Tipo: Gasolina sin plomo Parámetro Unidad Límites (8) Método de prueba Mínimo Máximo Índice de octano investigación, RON 95,0 - EN 25164 Índice de octano motor, MON 85,0 - EN 25163 Densidad a 15 °C kg/m³ 740 754 ISO 3675 Presión de vapor Reid kPa 56,0 95,0 Pr. EN-ISO 13016-1 (DVPE) Destilación: -evaporado a 70 °C % v/v 24,0 40,0 EN-ISO 3405 -evaporado a 100 °C % v/v 50,0 58,0 EN-ISO 3405 -evaporado a 150 °C % v/v 83,0 89,0 EN-ISO 3405 -punto de ebullición final °C 190 210 EN-ISO 3405 Residuo % v/v - 2,0 EN-ISO 3405 Análisis de hidrocarburos: -olefinas % v/v - 10,0 ASTM D 1319 -aromáticos % v/v 29,0 35,0 ASTM D 1319 -benceno % v/v - 1,0 ASTM D 1319 -saturados % v/v Relación Pr. EN 12177 Relación carbono/hidrógeno Relación Período de inducción (9) minutos 480 - EN-ISO 7536 Contenido en oxígeno % m/m - 1,0 EN 1601 Goma existente mg/ml - 0,04 EN-ISO 6246 Contenido en azufre (10) mg/kg - 10 ASTM D 5453 Corrosión del cobre - Clase 1 EN-ISO 2160 Contenido en plomo mg/l - 5 EN 237 Contenido en fósforo mg/l - 1,3 ASTM D 3231

Anexo IX redactado por apartado E del Anexo de la Directiva 2002/80/CE de la Comisión, de 3 octubre 2002, por la que se adapta al progreso técnico la del Consejo relativa a las medidas que deben adoptarse contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor ( « D.O.C.E.L. » 28 octubre). Vigencia: 31 octubre 2002

ANEXO IX a Téngase en cuenta que el anexo IX a de la , del Consejo, 20 marzo de 1970, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor ( « D.O.C.E.L. » 6 abril), ha sido introducido por: Directiva 98/77 CE, de 2 de octubre ( « D.O.C.E.L. » 23 octubre) y Directiva 2002/80/CE de la Comisión, de 3 octubre ( « D.O.C.E.L. »

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28 octubre). ... ANEXO X Téngase en cuenta que el anexo X de la , del Consejo, 20 marzo de 1970, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor ( « D.O.C.E.L. » 6 abril), ha sido modificada por: Directiva 98/69 CE, de 13 de octubre ( « D.O.C.E.L. » 28 diciembre), Directiva 99/102 CE, de 15 de diciembre ( « D.O.C.E.L. » 28 diciembre) y Directiva 2002/80/CE de la Comisión, de 3 octubre ( « D.O.C.E.L. » 28 octubre). Directiva 98/69 CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 13 Oct. 1998 (medidas que deben adoptarse contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor y modificación de la Directiva 70/220 CEE del Consejo) Directiva 99/102 CE de la Comisión, de 15 Dic. 1999 (adaptación al progreso técnico de la Directiva 1970/220 CEE del Consejo relativa a las medidas contra la contaminación atmosférica causado por las emisiones de los vehículos de motor) ... ANEXO XI Téngase en cuenta que el anexo XI de la , del Consejo, 20 marzo de 1970, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor ( « D.O.C.E.L. » 6 abril), ha sido modificada por: Directiva 98/69 CE, de 13 de octubre ( « D.O.C.E.L. » 28 diciembre), Directiva 99/102 CE, de 15 de diciembre ( « D.O.C.E.L. » 28 diciembre), Directiva 2002/80 CE de 3 octubre ( « D.O.C.E.L. » 28 octubre) y Directiva 2003/76/CE de 11 agosto ( « D.O.U.E.L. » 15 agosto). Directiva 98/69 CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 13 Oct. 1998 (medidas que deben adoptarse contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor y modificación de la Directiva 70/220 CEE del Consejo) Directiva 99/102 CE de la Comisión, de 15 Dic. 1999 (adaptación al progreso técnico de la Directiva 1970/220 CEE del Consejo relativa a las medidas contra la contaminación atmosférica causado por las emisiones de los vehículos de motor) ... ANEXO XII Téngase en cuenta que el anexo XII de la , del Consejo, 20 marzo de 1970, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de medidas contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor ( « D.O.C.E.L. » 6 abril), ha sido introducido por: - Directiva 98/77 CE, de 2 de octubre ( « D.O.C.E.L. » 23 octubre). ... ANEXO XIII HOMOLOGACIÓN CE DE UN CATALIZADOR DE RECAMBIO COMO UNIDAD TÉCNICA INDEPENDIENTE 1. CAMPO DE APLICACIÓN El presente anexo se aplica a la homologación CE, como unidad técnica independiente de acuerdo con la definición de la letra (d) del apartado 1 del artículo 4 de la Directiva 70/156/CEE, de los catalizadores destinados a su instalación en uno o varios tipos de vehículos de motor de las categorías M1y N1(11), en calidad de piezas de recambio. 2. DEFINICIONES A efectos del presente anexo, se entenderá por: 2.1. « catalizador del equipo inicial » , véase el punto 2.17 del anexo I.

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2.2. « catalizador de recambio » , véase el punto 2.18 del anexo I. 2.3. « catalizador de recambio del equipo inicial » , véase el punto 2.19 del anexo I. 2.4. « tipo de catalizador » , catalizadores que no difieran entre sí en aspectos esenciales como: 2.4.1. número de substratos recubiertos, estructura y material, 2.4.2. tipo de actividad catalítica (de oxidación, de tres vías, etc.) 2.4.3. volumen, proporción del área frontal y longitud de los substratos, 2.4.4. materiales del catalizador, 2.4.5. proporción de materiales del catalizador; 2.4.6. densidad de las células, 2.4.7. dimensiones y forma, 2.4.8. protección térmica; 2.5. « tipo de vehículo » , véase el punto 2.1 del anexo I. 2.6. « homologación de un catalizador de recambio » , la homologación de un catalizador destinado a instalarse como pieza de recambio en uno o más tipos específicos de vehículos con respecto a la limitación de las emisiones contaminantes, del nivel de ruido y de los efectos en el rendimiento del vehículo y, si procede, del sistema de diagnóstico a bordo. 2.7. « catalizador de recambio defectuoso » es un catalizador que haya sido envejecido o deteriorado artificialmente demanera que cumpla las especificaciones establecidas en el punto 1 del apéndice 1 del anexo XI de la presente Directiva (12). 3. SOLICITUD DE HOMOLOGACIÓN CE 3.1. El fabricante deberá presentar una solicitud de homologación CE de un tipo de catalizador de recambio de acuerdo con el apartado 4 del artículo 3 de la Directiva 70/156/CEE. 3.2. En el apéndice 1 del presente anexo figura un modelo de ficha de características. 3.3. En caso de solicitud de homologación de un catalizador de recambio, se entregará al servicio técnico encargado de la realización de la prueba de homologación. 3.3.1. Vehículo(s) de un tipo homologado de conformidad con la y equipado(s) con un nuevo catalizador del equipo inicial. Este vehículo o vehículos serán seleccionados por el solicitante con el acuerdo del servicio técnico. El vehículo o vehículos cumplirán los requisitos del punto 3 del anexo III de la presente Directiva. El vehículo o vehículos de prueba no presentarán ningún defecto del sistema de control de emisiones; se reparará o se reemplazará cualquier componente relacionado con las emisiones que esté excesivamente gastado o que funcione incorrectamente. Antes de la prueba de emisión, el vehículo o vehículos de prueba se regularán y configurarán adecuadamente según las especificaciones del fabricante. 3.3.2. Una muestra del tipo del catalizador de recambio. Esta muestra se marcará de forma clara e indeleble con la denominación comercial o la marca del solicitante y su designación comercial. 3.3.3. Por lo que respecta a un catalizador de recambio destinado a instalarse en un vehículo equipado con un sistema DAB, una muestra más del tipo del catalizador de recambio. Esta muestra se marcará de forma clara e indeleble con la denominación comercial o la marca del solicitante y su designación comercial. El catalizador debe haber sido deteriorado como se indica en el punto 2.7. 4. CONCESIÓN DE LA HOMOLOGACIÓN CE 4.1. Si se cumplen los requisitos pertinentes, se concederá la homologación CE de conformidad con el apartado 3 del artículo 4 de la Directiva 70/156/CEE. 4.2. En el apéndice 2 del presente anexo figura el modelo del certificado de homologación CE. 4.3. De conformidad con el anexo VII de la Directiva 70/156/CEE, se asignará un número de homologación a cada tipo de catalizador de recambio homologado. Un mismo Estado miembro no podrá asignar idéntico número a dos tipos de catalizadores de recambio diferentes. El mismo número de homologación podrá incluir el uso de un tipo de catalizador de recambio en varios

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tipos de vehículos. 4.4. Cuando el solicitante de la homologación pueda demostrar al organismo de homologación o al servicio técnico que el catalizador de recambio es de un tipo indicado en el punto 1.10 del apéndice del anexo X de la presente Directiva, la concesión del certificado de homologación no dependerá de la comprobación de los requisitos especificados en el punto 6 del presente anexo.Punto 4.4 del anexo XIII redactado por artículo 1 de la Directiva 2003/76/CE de la Comisión, de 11 agosto 2003, por la que se modifica la del Consejo relativa a las medidas que deben adoptarse contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos a motor ( « D.O.U.E.L. » 15 agosto). Vigencia: 4 septiembre 2003 5. MARCA DE HOMOLOGACIÓN CE 5.1. Todo catalizador de recambio o catalizador de recambio del equipo inicial conforme con el tipo homologado en aplicación de la presente Directiva como unidad técnica independiente deberá llevar una marca de homologación CE. 5.2. Dicha marca consistirá en la letra minúscula « e » dentro de un rectángulo seguida del número o letras del Estado miembro emisor de la homologación: 1 para Alemania 2 para Francia 3 para Italia 4 para los Países Bajos 5 para Suecia 6 para Bélgica 7 para Hungría 8 para la República Checa 9 para España 11 para el Reino Unido 12 para Austria 13 para Luxemburgo 17 para Finlandia 18 para Dinamarca 20 para Polonia 21 para Portugal 23 para Grecia 24 para Irlanda 26 para Eslovenia 27 para Eslovaquia 29 para Estonia 32 para Letonia 36 para Lituania CY para Chipre MT para Malta Cerca del rectángulo figurará el « número de homologación de base » incluido en el punto 4 del número de homologación a que se refiere el anexo VII de la Directiva 70/156/CEE, precedido por las dos cifras que indican el número de la última modificación técnica importante de la en la fecha en que se concedió la homologación CE de componente. En el caso de la presente Directiva ese número es 01. Lista del número 5.2 del anexo XIII redactada por apartado 1.A.3 del Anexo II del Acta relativa a las condiciones de adhesión de la República Checa, la República de Estonia, la República de Chipre, la República de Letonia, la República de Lituania, la República de Hungría, la República de Malta, la República de Polonia, la República de Eslovenia y la República Eslovaca, y a las

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adaptaciones de los Tratados en los que se fundamenta la Unión ( « D.O.U.E.L. » 23 septiembre 2003). Vigencia: 1 mayo 2004 5.3. La marca de homologación contemplada en el punto 5.2 será indeleble y fácilmente legible y, siempre que sea posible, será visible cuando se instale el catalizador de recambio en el vehículo. 5.4. En el apéndice 3 del presente anexo figuran ejemplos de disposiciones de la marca de homologación y de los datos de homologación anteriormente mencionados. 6. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS 6.1. Especificaciones generales 6.1.1. El catalizador de recambio deberá diseñarse, construirse y montarse de forma que el vehículo pueda cumplir las especificaciones de la presente Directiva a las que se conformó inicialmente, y que se limiten efectivamente las emisiones contaminantes a lo largo de la vida normal del vehículo y en condiciones normales de utilización. 6.1.2. La instalación del catalizador de recambio se llevará a cabo en el emplazamiento exacto del catalizador del equipo inicial, y la posición de la sonda de oxígeno y de otros sensores con respecto a la tubería de escape, cuando proceda, no se modificará. 6.1.3. Cuando el catalizador del equipo inicial cuente con protección térmica, el catalizador de recambio contará con una protección equivalente. 6.1.4. El catalizador de recambio será resistente, es decir, estará diseñado y construido y podrá montarse de modo que se obtenga una resistencia razonable a los fenómenos de corrosión y oxidación a los cuales está expuesto, teniendo en cuenta las condiciones de utilización del vehículo. 6.2. Especificaciones técnicas sobre emisiones El vehículo o vehículos contemplados en el punto 3.3.1 del presente anexo, equipados con un catalizador de recambio del tipo cuya homologación se solicite, se someterán a una prueba de tipo I en las condiciones descritas en el anexo correspondiente de la presente Directiva a fin de comparar su rendimiento con el del catalizador inicial, según el procedimiento descrito más adelante. 6.2.1. Determinación de la base para la comparación Se instalará en el vehículo o vehículos un nuevo catalizador del equipo inicial (véase el punto 3.3.1), que se someterá a 12 ciclos no urbanos (parte 2 de la prueba de tipo I). Después de este preacondicionamiento, el vehículo o vehículos se mantendrán en una sala en la que la temperatura permanezca relativamente constante entre 293 y 303 K (20 y 30 °C). Este acondicionamiento se llevará a cabo durante al menos seis horas y proseguirá hasta que la temperatura del aceite y del refrigerante del motor estén a ± 2 K de la temperatura ambiental. A continuación, se llevarán a cabo tres pruebas de tipo I. 6.2.2. Prueba de los gases de escape con el catalizador de recambio El catalizador inicial del vehículo de prueba se sustituirá por el catalizador de recambio (véase el punto 3.3.2), el cual se someterá a 12 ciclos no urbanos (parte 2 de la prueba de tipo I). Después de este preacondicionamiento, el vehículo o vehículos se mantendrán en una sala en la que la temperatura permanezca relativamente constante entre 293 y 303 K (20 y 30 °C). Este acondicionamiento se llevará a cabo durante al menos seis horas y proseguirá hasta que la temperatura del aceite y del refrigerante del motor estén a ± 2 K de la temperatura ambiental. A continuación, se llevarán a cabo tres pruebas de tipo I. 6.2.3. Evaluación de la emisión de contaminantes de los vehículos equipados con catalizadores de recambio El vehículo o vehículos de prueba con el catalizador inicial cumplirá los valores límite con arreglo a la homologación del vehículo o vehículos, incluyendo, cuando proceda, los factores de deterioro aplicados durante la homologación del vehículo o vehículos.

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Se considerará que se cumplen los requisitos relativos a las emisiones del vehículo equipado con el catalizador de recambio cuando los resultados cumplan, para cada contaminante regulado (CO, HC, NOx y partículas), las siguientes condiciones: M ≤ 0,85 S + 0,4 G M≤G siendo: M, el valor medio de las emisiones de un contaminante o de la suma de dos contaminantes (13) obtenido en tres pruebas de tipo I con el catalizador de recambio, S, el valor medio de las emisiones de un contaminante o de la suma de dos contaminantes (13) obtenido en tres pruebas de tipo I con el catalizador inicial, G, el valor límite de las emisiones de un contaminante o de la suma de dos contaminantes (13) con arreglo a la homologación del vehículo o vehículos, dividido, cuando proceda, por los factores de deterioro determinados más adelante conforme al punto 6.4. Cuando se solicite la homologación para varios tipos de vehículos del mismo fabricante, y siempre y cuando estos diferentes tipos de vehículos estén equipados con el mismo tipo de catalizador del equipo inicial, la prueba de tipo I podrá limitarse a un mínimo de dos vehículos seleccionados previo acuerdo con el servicio técnico responsable de la homologación. 6.3. Especificaciones relativas al ruido y a la contrapresión del escape El catalizador de recambio cumplirá las especificaciones técnicas del anexo II de la Directiva 70/ 157/CEE. 6.4. Especificaciones sobre durabilidad El catalizador de recambio cumplirá los requisitos del punto 5.3.5 del anexo I de la presente Directiva, a saber, la prueba de tipo V o los factores de deterioro del siguiente cuadro para los resultados de las pruebas de tipo I. Cuadro XIII.6.4 Categoría del motor Factores de deterioro CO HC(14) NOx(14) HC+NOx Partículas Encendido por chispa 1,2 1,2 1,2 1,2 (15) Encendido por compresión 1,1 - 1,0 1,0 1,2 6.5. Especificaciones sobre la compatibilidad del sistema DAB (aplicables únicamente a los catalizadores de recambio destinados a instalarse en vehículos equipados con un sistema DAB) La demostración de la compatibilidad del DAB se exige únicamente si el catalizador inicial fue controlado en la configuración inicial. 6.5.1. La compatibilidad del catalizador de recambio con el sistema DAB se demostrará mediante los procedimientos descritos en el apéndice 1 del anexo XI de la Directiva 98/69/CE. 6.5.2. No se aplicarán las disposiciones del apéndice 1 del anexo XI de la Directiva 98/69/CE, aplicables a componentes distintos del catalizador. 6.5.3. El fabricante de productos de recambio podrá utilizar el mismo procedimiento de preacondicionamiento y de prueba aplicado en la homologación inicial. En ese caso, el organismo competente en materia de homologación comunicará, a quien lo solicite, el apéndice 2 del certificado de homologación CE que contiene el número y el tipo de ciclos de preacondicionamiento y el tipo de ciclo de prueba utilizados por el fabricante del equipo inicial para la prueba del sistema DAB del catalizador. 6.5.4. Para comprobar la instalación y el funcionamiento correctos de todos los demás componentes controlados por el sistema DAB, este no deberá indicar ningún mal funcionamiento y no habrá indicado ningún código de avería almacenado antes de la instalación de cualquiera de los catalizadores de recambio. Podrá utilizarse a tal fin una evaluación del estado del sistema DAB al final de las pruebas descritas en el punto 6.2.1 del presente anexo. 6.5.5. El IMF (véase el punto 2.5 del anexo XI de la presente Directiva) no debe activarse durante el funcionamiento del vehículo prescrito en el punto 6.2.2 del presente anexo.

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7. DOCUMENTACIÓN 7.1. Cualquier nuevo catalizador de recambio deberá ir acompañado de la siguiente información: 7.1.1. el nombre o marca registrada del fabricante del catalizador; 7.1.2. los tipos de vehículos (incluyendo el año de fabricación) para los que se ha homologado el catalizador de recambio, así como, cuando proceda, una mención para indicar que el catalizador de recambio se puede instalar en un vehículo equipado con un sistema de diagnóstico a bordo (DAB); 7.1.3. las instrucciones de montaje, cuando sea necesario; 7.2. Deberá facilitarse la siguiente información: o bien en forma de un folleto que acompañe al catalizador de recambio, o en el embalaje con que se comercialice el catalizador de recambio, o mediante cualquier forma adecuada. En todo caso, esa información deberá indicarse en el catálogo de productos distribuidos a los puntos de venta por el fabricante de los catalizadores de recambio. 8. MODIFICACIONES DEL TIPO Y DE LAS HOMOLOGACIONES En caso de modificarse el tipo homologado con arreglo a la presente Directiva, se aplicarán las disposiciones del artículo 5 de la Directiva 70/156/CEE. 9. CONFORMIDAD DE LA PRODUCCIÓN Las medidas para garantizar la conformidad de la producción se tomarán de conformidad con las disposiciones establecidas en el artículo 10 de la Directiva 70/156/CEE. 9.2. Disposiciones particulares 9.2.1. Los controles contemplados en el punto 2.2 del anexo X de la Directiva 70/156/CEE incluirán el cumplimiento de las características según la definición recogida en el punto 2.4 del presente anexo. 9.2.2. Para la aplicación del punto 3.5 del anexo X de la Directiva 70/156/CEE, podrán llevarse a cabo las pruebas descritas en el punto 6.2 del presente anexo (especificaciones sobre emisiones). En este caso, el titular de la homologación podrá solicitar, como alternativa, que se emplee como base para la comparación, en lugar del catalizador del equipo inicial, el catalizador de recambio utilizado durante las pruebas de homologación (u otra muestra cuya conformidad al tipo homologado se haya demostrado). Los valores de las emisiones medidas con la muestra sometida a verificación no excederán entonces por término medio más del 15 % de los valores medios medidos con la muestra utilizada como referencia. Apéndice 1

Ficha de características nº ... relativa a la homologación CE de los catalizadores de recambio ( , cuya última modificación la constituye la Directiva ...) Si procede aportar la información que figura a continuación, ésta se presentará por triplicado e irá acompañada de una lista de los elementos incluidos. Los planos, en su caso, se presentarán a la escala adecuada, suficientemente detallados y en formato A4 o doblados de forma que se ajusten a dicho formato. Las fotografías, si las hubiere, serán suficientemente detalladas. Si los sistemas, componentes o unidades técnicas independientes tienen funciones controladas electrónicamente, se suministrará información relativa a sus prestaciones. 0. GENERALIDADES 0.1. Marca (razón social del fabricante): ... 0.2. Tipo: ... 0.5. Nombre y dirección del fabricante: ... 0.7. En el caso de componentes y unidades técnicas independientes, localización y método de

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fijación de la marca de homologación CE: ... 0.8. Dirección(es) de la(s) planta(s) de montaje: ... 1. DESCRIPCIÓN DEL DISPOSITIVO 1.1. Marca y tipo del catalizador de recambio: ... 1.2. Planos del catalizador de recambio, que indiquen, en particular, todas las características contempladas en el punto 2.3 del presente anexo: ... 1.3. Descripción del tipo o tipos de vehículo a los cuales se destina el catalizador de recambio: ... 1.3.1. Número(s) y/o símbolo(s) que caracterizan el tipo o tipos de motor y vehículo: ... 1.3.2. El catalizador de recambio debe ser compatible con las especificaciones del sistema DAB (Sí/No) (16). 1.4. Descripción y planos que muestran la posición del catalizador de recambio en relación con el colector o colectores de escape del motor: ... Apéndice 2 Modelo [Formato máximo: A4 (210 mm × 297 mm)] Adenda al certificado de homologación CE nº ... relativo a la homologación como unidades técnicas independientes de los catalizadores de recambio destinados a los vehículos de motor con arreglo a la , cuya última modificación la constituye la Directiva ... 1. Información adicional 1.1. Marca y tipo del catalizador de recambio: ... 1.2. Tipo o tipos de vehículo para los cuales el tipo de catalizador cumple los requisitos para ser pieza de recambio: ... 1.3. Tipo o tipos de vehículo o vehículos en los cuales los catalizadores de recambio se han sometido a prueba: ... 1.3.1. Se ha demostrado la compatibilidad del catalizador de recambio con las especificaciones del sistema DAB (Sí/No) (16). 5. Observaciones: ... Apéndice 3 Modelo de marca de homologación CE (véase el punto 5.2 del presente anexo) Esta marca de homologación colocada en un componente de un catalizador de recambio indica que el tipo de que se trata ha sido homologado en Francia (e2) con arreglo a la presente Directiva. Los dos primeros dígitos del número de homologación (00) corresponden al número de orden asignado a las modificaciones más recientes a la Directiva 70/ 220/CEE. Los cuatro dígitos siguientes (1234) son el número de homologación de base asignado por el organismo competente en materia de homologación al catalizador de recambio. Anexo XIII redactado por apartado J del Anexo de la Directiva 2002/80/CE de la Comisión, de 3 octubre 2002, por la que se adapta al progreso técnico la del Consejo relativa a las medidas que deben adoptarse contra la contaminación atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de motor ( « D.O.C.E.L. » 28 octubre). Vigencia: 31 octubre 2002 -------------------------------------------------------------------------------(1) Los valores especificados en las especificaciones son « valores reales » . Para determinar sus valores límite, se ha recurrido a la norma ISO 4259 « Productos del petróleo- Determinación y aplicación de datos de precisión en relación a métodos de prueba » . Para fijar un valor mínimo, se ha tenido en cuenta una diferencia mínima de 2R por encima de cero; y para determinar un valor máximo y un valor mínimo, la diferencia mínima es de 4R (R -

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reproducibilidad). A pesar de que se trate de una medida necesaria por razones técnicas, el fabricante del combustible deberá procurar obtener un valor cero cuando el valor máximo estipulado sea de 2R y obtener el valor medio cuando se indique un máximo y un mínimo. Si fuera necesario aclarar si un combustible cumple las prescripciones de la especificación, se aplicarán los términos de la norma ISO 4259. Ver en Texto -------------------------------------------------------------------------------(2) El carburante podrá contener inhibidores del oxígeno y desactivadores de metales normalmente utilizados para estabilizar los flujos de gasolina en refinería, pero no deben agregarse aditivos detergentes/dispersivos ni aceites disolventes. Ver en Texto -------------------------------------------------------------------------------(3) Deberá declararse el contenido real de azufre del carburante empleado para la prueba del tipo I. Ver en Texto -------------------------------------------------------------------------------(4) Los valores especificados en las especificaciones son « valores reales » . Para determinar sus valores límite, se ha recurrido a la norma ISO 4259 « Productos del petróleo- Determinación y aplicación de datos de precisión en relación a métodos de prueba » . Para fijar un valor mínimo, se ha tenido en cuenta una diferencia mínima de 2R por encima de cero; y para determinar un valor máximo y un valor mínimo, la diferencia mínima es de 4R (R reproducibilidad). A pesar de que se trate de una medida necesaria por razones técnicas, el fabricante del combustible deberá procurar obtener un valor cero cuando el valor máximo estipulado sea de 2R y obtener el valor medio cuando se indique un máximo y un mínimo. Si fuera necesario aclarar si un combustible cumple las prescripciones de la especificación, se aplicarán los términos de la norma ISO 4259. Ver en Texto -------------------------------------------------------------------------------(5) El índice de cetano no se ajusta al margen mínimo exigido de 4R. No obstante, en caso de disputa entre el proveedor y el usuario de carburante, podrán aplicarse los términos de la norma ISO 4259 para resolver dicha disputa siempre que se efectúen varias mediciones, en número suficiente para conseguir la precisión necesaria, antes que determinaciones individuales. Ver en Texto -------------------------------------------------------------------------------(6) Deberá declararse el contenido real de azufre del carburante empleado para la prueba del tipo I. Ver en Texto -------------------------------------------------------------------------------(7) A pesar de que la estabilidad a la oxidación esté controlada, es probable que la vida útil del carburante sea limitada. Es conveniente consultar al proveedor sobre las condiciones de conservación y la duración en almacén. Ver en Texto -------------------------------------------------------------------------------(8) Los valores especificados en las especificaciones son « valores reales » . Para determinar sus valores límite, se ha recurrido a la norma ISO 4259 « Productos del petróleo- Determinación y aplicación de datos de precisión en relación a métodos de prueba » . Para fijar un valor mínimo, se ha tenido en cuenta una diferencia mínima de 2R por encima de cero; y para determinar un valor máximo y un valor mínimo, la diferencia mínima es de 4R (R reproducibilidad). A pesar de que se trate de una medida necesaria por razones técnicas, el fabricante del combustible deberá procurar obtener un valor cero cuando el valor máximo estipulado sea de 2R y obtener el valor medio cuando se indique un máximo y un mínimo. Si fuera necesario aclarar si un combustible cumple las prescripciones de la especificación, se aplicarán los términos de la norma ISO 4259. Ver en Texto -------------------------------------------------------------------------------(9) El carburante podrá contener inhibidores del oxígeno y desactivadores de metales normalmente utilizados para estabilizar los flujos de gasolina en refinería, pero no deben

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agregarse aditivos detergentes/dispersivos ni aceites disolventes. Ver en Texto -------------------------------------------------------------------------------(10) Deberá declararse el contenido real de azufre del carburante empleado para la prueba del tipo VI. » . Ver en Texto -------------------------------------------------------------------------------(11) Según la definición de la sección A del anexo II de la Directiva 70/156/CEE. Ver en Texto -------------------------------------------------------------------------------(12) A efectos de la prueba de demostración con vehículos provistos de motor de encendido por chispa, cuando el valor de HC medido en aplicación del punto 6.2.1 del presente anexo supere el valor medido durante la homologación del vehículo, la diferencia se añadirá a los valores umbral recogidos en el punto 3.3.2 del anexo XI, y se aplicará el exceso permitido en virtud del punto 1 del apéndice 1 del anexo XI. Ver en Texto -------------------------------------------------------------------------------(13) Según corresponda, en función de los valores límite definidos en el punto 5.3.1.4 del anexo I de la en la versión que sirvió para la homologación del vehículo equipado con el catalizador inicial. Ver en Texto -------------------------------------------------------------------------------(14) Aplicable únicamente a los vehículos homologados de acuerdo con la , modificada por la Directiva 98/69/CE o por directivas posteriores. Ver en Texto -------------------------------------------------------------------------------(15) Aplicable únicamente a los vehículos equipados con motor de encendido por chispa homologados de acuerdo con la