domingo, 7 de abril de 2013

CATALIZADOR Y FILTRO DE PARTÍCULAS: SOBRECOSTE NECESARIO

Presente y pasado: T7070 & Fiat 640 (web New Holland)
Reducciones espectaculares
Sólo 20 años (de 1990 a 2010) pero una diferencial abismal en el nivel de emisiones. Hoy, un vehículo Euro4 emite un 98 % menos de partículas de hollín, un 80% menos en monóxido de carbono (CO) y otro 85% menos en óxidos de nitrógeno (NOx) y similar la proporción de bajada en hidrocarburos libres (HC)
Pero no se ha acabado. La Euro 5 implica utilizar catalizadores más eficientes y diseños de motores aun más optimizados.
Los tractores, igual que coches y camiones, están obligados a cumplir, casi (pues en el caso de tractores no se llegará a la Euro 6), las mismas normas anticontaminación aunque con plazos diferentes.
Catalizador
Pero “nada es gratis” y hablando con algunos fabricantes han estimado que un tractor cumpliendo la Euro 4 frente a un Euro 2 se ha podido encarecer “el mismo producto” unos 4000-5000 €
Sí con las normativas Euro 3 y Euro 4 algunos fabricantes optaron por sistemas EGR otros optaron por el SCR. Para la Euro 5 todos coinciden que los sistemas serán mixtos mezclando tecnologías EGR con la SCR. En la actualidad los fabricantes, en general, han optado por EGR para potencias pequeñas y medias (hasta 115 CV) y por SCR para potencias medias y grandes (a partir de 120 CV)

Comparativa contaminante Tier I vs Tier IV

EGR, SCR Y EGR+SCR
Me baso en entradas anteriores para recordar ambos sistemas:
Resumen del EGR: Los gases quemados, en gran medida, se vuelven a meter en el motor. La proporción de gases quemados se recirculan y tras pasarlos por unos filtros se enfrían con agua en un radiador o intercooler, dos es variable en función de la contaminación instantánea
Resumen del SCR: Se adiciona urea, unos 2 litros de urea a 0,7 €/litro cada 100 de gasoil,
Intentar no adicionar urea y adicionar, por ejemplo, urea rebajada con agua, es contraproducente pues la oxidación del sistema significa averías muy costosas. Otros optan por reprogramar la centralita para disminuir las inyecciones de urea pero ojo si se estropea el catalizador nos van a temblar todos los dientes. Así que consejo: seguir las recomendaciones de los fabricantes y dejar los “inventos” para otra ocasión.

GASES PRODUCIDOS
Cuando en el interior de los cilindros de un motor se quema la mezcla aire combustible se generan unos gases que en algunos casos son inocuos y otros nocivos. Son inocuos el Nitrógeno (N2) que forma parte, en un 80% de proporción, del aire atmosférico; O el vapor de agua (H2O); O el anhídrido carbónico (CO2) que si bien es inocuo y necesario en la atmósfera para mantener el equilibrio de gases no significa que algunos países, los alemanes son especialmente beligerantes contra este gas, le declaren la “guerra” por considerar que el CO2 es tan contaminante como el que más por su efecto invernadero.
Los gases nocivos dependen de la composición de la mezcla (ver factor lambda); Si el motor funciona con mezcla rica (mucho combustible en relación con la cantidad de aire) aparecen hidrocarburos sin quemar (HC). Si es con mezcla pobre (poco combustible) se generan óxidos de nitrógeno (NOx)
Los nuevos motores, regulados electrónicamente, funcionan en cada momento intentando reducir los gases nocivos al mínimo, vigilando, de forma continua, la relación aire/combustible (relación estequiométrica)

Factor lambda (λ)
Designa la proporción aire / combustible (en peso) en forma de mezcla que entra al cilindro de un motor de ciclo Otto, comparada con la proporción estequiométrica de la mezcla ideal que es considerada a la proporción 14,7/1. Justo a la relación estequiométrica 14,7/1 se le da factor lambda = 1.
Ejemplo de cálculo del factor lamba: Imagine el lector que se tiene un motor que usa una mezcla aire combustible de 15/1; Su factor lambda sería 15/14,7 = 1,02 > 1 es decir se trata de un motor que funciona con mezcla pobre (entra más aire del necesario)
Un motor que funcione con mezcla pobre reduce el consumo y por consiguiente los contaminantes de HC y CO; A cambio, ¡no hay nada gratis!, perderá par y potencia.
El factor lambda se mide mediante un sensor que se denomina sonda lambda que mide la concentración de oxígeno residual. La medición se manda a la Unidad de Control de inyección que varía de forma continua la cantidad de combustible inyectado.

CATALIZADOR
Una óptima inyección con un factor lambda óptimo no es suficiente. Hay que seguir atacando a los gases contaminantes que ya se han producido en la combustión. Por eso la siguiente etapa es disponer de un catalizador.
¿Cómo funciona? El catalizador reduce la contaminación de los gases de escape mediante catálisis. Se coloca en el tubo de escape, cerca del motor, ya que ahí los gases mantienen una temperatura elevada que es una circunstancia indispensable para que el catalizador funcione correctamente (se necesita una ventana de temperatura entre los 400 y los 700 ºC)
Exteriormente el catalizador es un recipiente de acero inoxidable, frecuentemente provisto de una carcasa-pantalla metálica antitérmica, deseable también de inoxidable porque si no en 3 meses el tractor nuevo presentará una visión lamentable (¡el detalle importa!)
Interiormente el catalizador posee un soporte cerámico con una estructura en forma de panal de múltiples celdillas (la densidad de celdillas alcanza las 100 por cm2); La superficie se impregna con una resina o sustancia con polvo de elementos nobles metálicos (Platino y Paladio para oxidar y Rodio para reducir). Los metales preciosos actúan como elementos catalizadores (un catalizador acelera las reacciones químicas entre otras sustancias aunque ellos no participan en las reacciones)
Celdillas catalizador (de Wikipedia)
Aunque no siempre lo hace, el catalizador siempre debe funcionar en combinación con la sonda lambda y la Unidad de Control del motor y así regular la entrada del combustible (de nuevo el detalle importa). Si hay exceso de combustible se generan CO, pero que queda atrapado en el catalizador, la sonda detecta el exceso y empobrece la mezcla, entonces se genera NOx que reacciona con el CO anterior para producir CO2, H2O, N2 y O2.
Doble y triple vía: Se tratan de diferentes tecnologías en la construcción del catalizador. En uno de doble vía, es el más usado en motores diesel, ocurren dos reacciones simultáneas: se oxida el CO pasando a CO2; Y se oxidan los hidrocarburos (HC) que no se han quemado produciendo dióxido de carbono y agua (CO2 + H2O) Los NOx son incompatibles con el metal noble así que queda la opción de la recirculación (EGR)
Catalizador y sondas
En un catalizador de triple vía, el más usado en los motores de gasolina por tener una proporción de NOx menor que en los diesel, ocurren 3 reacciones simultáneas, además de las 2 oxidaciones anteriores, ahora se produce una reducción de los NOx para formar oxígeno (O2) y nitrógeno molecular (N2)
Pero un catalizador es caro. Su construcción con inoxidable y cerámica, la introducción de metales nobles, presagian un alto coste. Su avería o rotura nos dará un gran dolor de cabeza, pero hoy se puede garantizar que un catalizador de un vehículo de primera línea alcance los 150.000 km (eso son unas 6000 h en tractores)

FILTRO DE PARTÍCULAS 
La fama de “sucios” de los motores diésel viene dada por los humos negros de escape que a su vez se deben a la incompleta combustión del gasóleo que deja en el aire partículas de hollín que si bien con técnicas como la inyección directa, inyectores multiorificio, common rail, se han reducido mucho, todavía son necesarios con la normativa Euro 4 y posteriores los llamados filtros de partículas diésel (FPD)
El FPD (o FAP o DPF según sus siglas francesas o inglesas) se coloca entre el catalizador y el silencioso final; Su función es quemar las partículas de hollín causantes del humo negro de los motores diésel.


EL FUTURO
Las futuras reducciones sólo podrán venir por mejoras de combustible (las recientes normativas de gasóleo sin azufre y gasolina sin plomo sólo es el inicio); Se deberá estudiar cambios de combustible (biocombustibles, gas natural, hidrógeno, etc.) o bien optar por motorizaciones híbridas y motores más pequeños. Es decir habrá que quemar aún mejor a la vez que quemar menos con motores diésel de una nueva generación con turbos más eficientes, filtros de partículas y catalizadores SCR además de EGR

Ampliando:
Manual de la técnica del automóvil BOSCH ISBN 3-934584-82-9
EGR&SCR según potencias

2 comentarios:

  1. Me ha gustado mucho...si señor.

    Saludos.
    Twins' Farm
    www.twins-farm.com

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  2. Menos mal que poco a poco se van solucionando estos temas de la contaminación en ora buena la incorporación de los filtros de particulas DPF en todo tipo de maquinarias, tractores, y maquinaria diversa lo malo es que los fabricantes de los motores instalan los ordenadores de a bordo que son pirateados y el cliente al final los anula.
    Es muy dificl por las autoridades que los persigan ya que hay de todo tipo gente que los anula y a la hora de pasar la ITV los vuelve a montar.

    Si los fabricantes hicieran un sistema inviolable creo que es la solución, y no haberlos de perseguir uno por uno. Total la culpa la tienen los fabricates por no bloquear estos sistemas.

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