La anatomía de un motor diésel moderno

Los motores diésel modernos son totalmente distintos de los modelos anteriores por sus características de mayor ligereza, reducción de los niveles de emisiones y mayor integración de tecnologías avanzadas.

 

Europa está orquestando la modernización de los diésel con el ambicioso objetivo de lograr los más altos estándares de rendimiento y el menor impacto medioambiental.

Mediante una inversión continua en la tecnología de motor diésel, los proveedores y fabricantes de vehículos europeos han revolucionado con innovaciones en la tecnología diésel como el exclusivo dispositivo de control de las emisiones de escape, el catalizador, y el “AdBlue®”, un eficaz compuesto químico que contribuye a la reducción de las emisiones perjudiciales.

 

Tecnología de postratamiento

Es fundamental equipar los motores diésel con dispositivos de postratamiento de los gases de escape, ya que solo así será posible un control más estricto de las emisiones y una mejora en la calidad del aire.

A mediados de los años 70, se empezó a utilizar el catalizador en los coches de gasolina, que por entonces se conocía originalmente como “catalizador de oxidación”, hasta que acabó por reemplazarse por el “catalizador de tres vías”. El catalizador de oxidación diésel (DOC, por sus siglas en inglés) sigue siendo un componente clave de la tecnología de los motores diésel, ya que se encarga de convertir el monóxido de carbono (CO) y los hidrocarburos (HC), en dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). El DOC también disminuye la masa de emisiones de partículas diésel al oxidar parte de los hidrocarburos adsorbidos por las partículas de carbono.

Con el posterior desarrollo de nuevas tecnologías y sistemas de reducción de las emisiones y mejora de la eficiencia en términos de consumo de combustible,  surgió el filtro de partículas diésel (DPF, por sus siglas en inglés) para reducir aún más las emisiones al atrapar las partículas sólidas de hollín que el DOC era incapaz de oxidar.

Los DPF empezaron a integrarse en los vehículos diésel en el año 2000 y desde 2011 todos los diésel nuevos de la UE incluyen esta tecnología, que evita la emisión de partículas perjudiciales de los gases de escape.

Comparado con hace 10 años, los motores diésel actuales son más limpios y eficientes, dado que se equipan con sistemas de control de las emisiones que eliminan los gases perjudiciales que el vehículo expulsa por el tubo de escape.

La última mejora del sistema de escape es la reducción catalítica selectiva (SCR, por sus siglas en inglés). Con ayuda del catalizador, el sistema SCR convierte el óxido de nitrógeno (NOx) en dinitrógeno (N2) y H2O. Cuando las condiciones no son óptimas para que se desarrolle un ciclo de tratamiento de los catalizadores SCR, los adsorbedores de NOx resultan útiles ya que pueden capturar el NOx procedente del motor a fin de almacenarlo y tratarlo cuando las condiciones sean las adecuadas.

En última instancia, la combinación de distintas tecnologías de control de las emisiones garantiza un mejor control sobre las emisiones perjudiciales.

Diesel particulate substrate filter - diesel engine anatomy

Un filtro de partículas diésel (DPF, por sus siglas en inglés) atrapa más del 99,9 % de las partículas de la combustión

 

Cómo la innovación diésel reduce la contaminación atmosférica

La nueva generación de motores diésel se compone de un sistema integrado de tres partes: un motor altamente eficiente, combustible diésel con contenido ultrabajo en azufre y un sistema de control avanzado de las emisiones.

El sistema avanzado de gestión electrónica del motor es el “cerebro” de un motor moderno. Se encarga de controlar, entre otros parámetros, los niveles de emisiones, ya que recopila y procesa señales y datos de los sensores de a bordo del vehículo, para cotejar la información y coordinar el funcionamiento de los sistemas de postratamiento de los gases de escape DPF y SCR.

El nivel ultrabajo (menos de diez partes por millón) de azufre en el combustible permite usar mejores dispositivos de control de las emisiones. De esta forma, el motor puede utilizar el filtro de partículas para atrapar el hollín, reducir sus emisiones y, por extensión, mejorar la calidad del aire.

Por otra parte, los sistemas de inyección diésel de presión alta tipo conducto común, o “common rail”, contribuyen a la alta eficiencia de los motores diésel. Estos sistemas aumentan la presión en los inyectores y favorecen una mejor atomización del combustible, lo que, a su vez, mejora los procesos de encendido y combustión. De esta forma, se garantiza que se suministre al conducto común únicamente la cantidad de combustible que necesitan los inyectores. Como resultado, el filtro también puede “regenerarse” regularmente al quemarse el hollín acumulado.

La última generación de motores diésel usa catalizadores, adsorbedores y filtros de partículas, que convierten hasta el 99 % de los contaminantes de los gases de escape por la combustión del motor (HC, CO, NOx y partículas). El catalizador desempeña una función importante para el control de las emisiones: el monóxido de carbono (CO) y los hidrocarburos sin quemar (HC) se oxidan y dan lugar a CO2 y H2O. En cambio, el NOx, es decir, NO y NO2, se reduce en N2 inerte. El resultado es que se eliminan prácticamente los gases nocivos y se reduce la contaminación atmosférica.

El sector ha dado muestras de su compromiso con la mejora de la calidad del aire mediante el desarrollo y la combinación de tecnologías que combaten directamente los problemas de la contaminación atmosférica.

En un momento en el que aún no había suficientes evidencias epidemiológicas sobre los efectos que estas partículas tenían en la salud, se apeló aplicar el “principio de precaución”, que dictaba la eliminación de las partículas de carbono integrando los DPF en todos los vehículos diésel nuevos vendidos en Europa a partir de 2011. La confirmación llegó en 2013 de la mano de la Organización Mundial de la Salud (OMS) con su informe Review of Evidence on Health Aspects of Air Pollution (REVIHAAP), que concluía que las partículas ultrafinas tienen efectos nocivos para el cuerpo humano.

El DPF de flujo de pared se encarga de atrapar y almacenar las partículas dentro de todos los rangos de tamaño de partículas. Los gases de escape pasan por una estructura reticulada de pared de material cerámico poroso, donde las partículas de hollín se depositan como una capa de hollín. Este “pastel de hollín” almacena el hollín y además filtra las partículas ultrafinas.

Por tanto, la masa de las partículas y el nivel de emisiones de los vehículos diésel se controlan de forma eficiente en condiciones de conducción reales, ya que la cantidad de partículas se reduce en varios órdenes de magnitud. A continuación, las elevadas temperaturas de escape se encargan de quemar a intervalos regulares el hollín acumulado en el DPF, por lo que se regenera así el filtro dejándolo listo para el próximo ciclo de captura de hollín.

El sector ha dado muestras de su compromiso con la mejora de la calidad del aire mediante el desarrollo y la combinación de tecnologías que combaten directamente los problemas de la contaminación atmosférica.

 

Motores diésel eficientes de alto rendimiento

Las mejoras en el rendimiento de los motores diésel han permitido limitar de forma considerable las emisiones de las partículas y los niveles de NOx durante los últimos 15 años.

En la práctica, los DPF eliminan más del 99,9 % de las partículas, incluidas las de grado ultrafino. La reducción de las emisiones de NOx en el mundo real no siempre se produjo al mismo ritmo que las normas Euro 3 a 5, pero se ha observado una tendencia a la baja en la base de datos de mediciones de los vehículos gestionada por la AECC.

La AECC lleva más de una década midiendo las emisiones de los vehículos conforme a requisitos de prueba distintos a los de los procedimientos normativos. Primero fue el ciclo de prueba Artemis, una prueba de laboratorio que es más representativa de la conducción en el mundo real que el anterior ciclo de pruebas NEDC con carácter normativo.

Lleva realizando pruebas en la carretera desde 2012, con un sistema portátil de medición de las emisiones (PEMS, por sus siglas en inglés) instalado en el vehículo. La siguiente imagen indica la reducción de NOx en el mundo real de los vehículos diésel que la AECC ha evaluado durante estos años.

Niveles representativos a reales de NOx del diésel en conducción de mundo real en la base de datos de la AECC

Si bien las mejoras integradas en el motor suelen disminuir las emisiones de NOx, también aumentan las emisiones de partículas. En definitiva, al reducir el NOx por la disminución de la temperatura de combustión máxima, el motor emite más partículas. Esta condición se conoce como “compensación de NOx-Partículas”.

La mayoría de fabricantes de Europa han optado por aplicar esta compensación para minimizar las emisiones de partículas en la salida del motor, a la vez que usan el sistema de postratamiento SCR para controlar las emisiones de NOx procedentes del motor. Este método permite la mejora de la economía de combustible comparado con la generación anterior de motores.

En la práctica, los DPF eliminan más del 99,9 % de las partículas, incluidas las de grado ultrafino.

 

¿Qué innovaciones podemos esperar?

Desde principios de los 90, la Unión Europea lleva promulgando limitaciones cada vez más estrictas para los vehículos, son las conocidas “normas Euro”. Las normas Euro 1 a la 4 no eran tan rigurosas como las Euro 5 y 6, ya que no requerían la instalación de dispositivos de postratamiento de partículas ni NOx en los vehículos diésel. Estos vehículos diésel más antiguos y “más sucios” eran otros de los problemas de la calidad del aire para las ciudades europeas.

Para cumplir con las normas de emisiones nuevas y más estrictas de Europa, el sector de los vehículos diésel ha innovado y mejorado de forma constante la eficiencia energética.

London skyline - Anatomy of a diesel engine

Enmendada en 2017, la norma Euro 6 ahora se aplica a las Emisiones en conducción real (RDE, por sus siglas en inglés). De esta forma, se garantiza el uso óptimo de las tecnologías de postratamiento para el control de NOx a fin de reducir las emisiones de NOx de los vehículos. A día de hoy, el factor de conformidad (CF, por sus siglas en inglés) admite un margen para las emisiones de NOx en carretera.

Desde el 1 de septiembre de 2017, se aplica un límite de emisiones que no debe superarse (NTE, por sus siglas en inglés) para las RDE de los coches nuevos, con un CF provisional de 2,1 para las emisiones de NOx.  Es decir, las emisiones en el mundo real pueden ser 2,1 veces superiores al valor de límite del reglamento. Esta nueva norma más estricta para la circulación en carretera es la Euro 6d-temp, y será de aplicación para todos los vehículos nuevos matriculados a partir de septiembre de 2019.

La Comisión Europea y los estados miembros de la UE consideraron que el CF era un parámetro fundamental desde un punto de vista técnico, a fin de reflejar la incertidumbre de la medición de las RDE, ya que se conduce en la carretera y no en un laboratorio. Sin el CF, los vehículos conformes podrían fallar una prueba de RDE, ya que no sería una representación fiel del nivel de emisiones de un coche.

No obstante, la discrepancia se reducirá aún más al disminuir el CF a 1,0 más una incertidumbre de medición a partir de enero de 2020 para todos los modelos nuevos de vehículos y desde 2021 para todos los vehículos nuevos.

La incertidumbre de medición era originalmente 0,5, pero se realizará una revisión anual del CF para tener en cuenta las mejoras técnicas para el equipo de prueba en la carretera. En marzo de 2018, la Comisión Europea propuso reducir la incertidumbre de medición de 0,5 a 0,43. Este CF más restrictivo dará forma a la norma Euro 6d.

La tecnología de motor diésel ha avanzado a pasos agigantados en un plazo de tiempo realmente breve. Comparado con hace 10 años, los motores diésel actuales son más limpios y eficientes, dado que se equipan con sistemas de control de las emisiones que eliminan los gases perjudiciales que el vehículo expulsa por el tubo de escape.

El sector de los vehículos diésel continuará a la búsqueda de mayores estándares de eficiencia en respuesta a los requisitos normativos cada vez más estrictos.