06 anticontaminacion 1parte

» SISTERMAS AUXILIARES DEL MOTOR ANTICONTAMINACION.

Prof. Nicolás ColadoProf. Nicolás Colado

SISTEMAS AUXILIARES DEL MOTOR

Anticontaminación.

1ª parte (de dos).

5TEMA



Anticontaminación

1. Combustibles 2. Gases presentes en el escape 3. Dispositivos para el control de emisiones de escape

5TEMA



1. Combustibles

Esquema de combustión perfecta.



1. Combustibles



1. Combustibles

Par motor y consumo específico en función del

factor lambda.Contaminantes en función

del factor lambda.



1. Combustibles



2. Gases presentes en el escape

Residuos de la combustión en el motor.



2. Gases tóxicos presentes en el escapeMonóxido de carbono: incoloro e inodoro. Tóxico ya que impide la respiración celular.

Dióxido de azufre: enfermedades respiratorias.Partículas de hollín: enfermedades respiratorias y

alergias.

Hidrocarburos: olor penetrante y color azulado. Cancerígenos e irritantes.

Monóxido de nitrógeno: en presencia de aire se transforma en dióxido. Irrita las vías respiratorias.



2. Gases no tóxicos presentes en el escape

Nitrógeno

Dióxido de carbono

Vapor de agua

Oxígeno



3. Dispositivos para el control de emisiones de escape

El control de emisiones por el escape se logra siguiendo dos estrategias diferentes.

•Recirculación de los gases del combustible.•Recirculación de gases.•Inyección de aire en el escape.•Catalizadores.•Sondas lambda.•Postinyectores.•Filtros de partículas.

Mediante el tratamiento de los gases.

Haciendo modificaciones en el motor.

•Cámaras de combustión.•Caldeo de colectores.•Distribución variable.•Colectores variables.



3. Dispositivos para el control de emisiones de escape. Cámara de combustión compacta.

. ..

La forma de la cámara de combustión y el avance de la llama, influyen mucho en la producción de HC.•Una cámara de combustión con mucha superficie genera muchos HC.•El diseño debe buscar formas regulares y de poca superficie.•La bujía debe colocarse en una posición centrada para que genere un buen frente de llama..



3. Dispositivos para el control de emisiones de escape Dispositivos y diseño, para el caldeo de colectores de admisión:Una mala evaporación del combustible, da lugar a una generación mayor de CO y de HC durante las etapas de funcionamiento del motor en frío.Para reducir el tiempo en el que el motor toma los gases de admisión en frío podemos seguir diversas estrategias: •Colocar el colector de admisión sobre el de escape.•Colocar el colector de admisión cerca del sistema de refrigeración.•Colocar en el interior del colector de admisión un sistema de caldeo eléctrico (conocido como erizo) que, alcanzada la temperatura de servicio se desactive.El diagrama de la distribución también influye en la

generación y composición de los gases de escape.Los sistemas de distribución variable mejoran las emisiones ya que se adaptan a las diferentes condiciones de funcionamiento.




Conducto para entrega de par. Conducto para entrega de potencia.

Colectores de admisión variable:Su longitud y sección puede variar para lograr un mejor llenado del

cilindro. En general podemos decir:a) Un colector corto y grueso mejora el llenado a altas vueltas.b) Un colector largo y estrecho mejora el llenado a bajas revoluciones. La UCE controla el recorrido que hace el aire en la admisión.




Recirculación de vapores del combustible.




Elementos del sistema de recirculación de vapores del combustible.

Ubicación del cánister.

Electroválvula de purga.




Elementos del sistema de recirculación de vapores del combustible.

Electroválvula de purga.

• La electroválvula es de tipo NC.

• Solo abre cuando es conectada a masa por la UCE.

• Su señal de activación es de frecuencia fija y dwell variable

• Cuando se activa, la sonda lambda detecta el enriquecimiento momentáneo de la mezcla

• El momento de la apertura depende del tipo de motor, pero nunca se hace al ralentí, con la mariposa cerrada o en fase de calentamiento.




Las técnicas empleadas más comúnmente son:

A. La recirculación de gases de escape, EGR, que reduce la presión y temperatura durante la combustión (Nox).

B. La inyección de aire secundaria en el escape para favorecer la oxidación de los hidrocarburos y el monóxido de carbono.

C. El empleo de catalizadores y sondas lambda, que posibilitan reacciones de oxidación y reducción que anula gran cantidad de contaminantes.

Una vez generados los gases de escape, estos pueden ser tratados o empleados para reducir la parte contaminante.




Nuevos dispositivos: recirculación de gases, EGR. Introduce, de forma controlada,

gases del escape en el colector de admisión.

Con ello baja la temperatura y presión de la combustión.

La producción de NOx disminuye.

La UCE decide cuanto humo introducimos en la admisión en función de:•Rpm.•Caudal de combustible.•Caudal de aire aspirado.•T motor.•Presión atmosférica.c




Aunque con pequeñas variaciones, según los modelos, el sistema EGR funciona así:

• Está inactivo con el motor frío (menos de aprox. 30º C), ralentí o requerimientos de altas prestaciones: recirculación de gases nula.

• Se precisa un flujo mediano de recirculación de gases con cargas medianas y a bajas velocidades.

• Se precisa un alto flujo de recirculación de gases con velocidades de crucero y pequeñas aceleraciones.

En los sistemas con EGR, la UCE controla el avance del encendido (gasolina) o el caudal de inyección (diesel) para adecuarse a la incorporación de gases de escape en la admisión.

El control de las válvulas EGR puede ser de tipo neumático o eléctrico.




Nuevos dispositivos: válvula EGR neumática.

EGR neumática: la UCE controla una electroválvula que regula la depresión que recibe la cápsula neumática.

La señal que controla la electroválvula es de tipo RCO, caracterizada por tener una frecuencia fija y una relación entre los dos valores que adquiere variable.




Nuevos dispositivos: válvula EGR neumática.




Nuevos dispositivos: válvula EGR eléctrica.




Tensión en la válvula de salida del potenciómetro. Oscilograma de la electroválvula.




EGR con electroimán deslizante.



3. Dispositivos para el control de emisiones de escape Sistemas EGR refrigerados.




Nuevos dispositivos: inyección de aire secundario en el escape.




Sistema de inyección de aire secundario.




Nuevos dispositivos: válvula combinada de aire secundario.




Nuevos elementos: válvula electroneumática de aire combinado.



Nuevos elementos: sonda lambda.





•Si la mezcla es estequiométrica, podemos asegurar que el catalizador eliminará prácticamente todos los productos nocivos del escape.

•Fuera de esta proporción, los contaminantes se disparan.

•Hay un estrecho margen en el que la producción de tóxicos es limitada: 0´99<lambda<1´05.

•La sonda permite hacer mezclas aire-combustible que se ajusten a estos valores.




Sonda lambda de circonio.




Elemento sensor en tubo de escape.




Elemento de dióxido de circonio.




Señal de medición de cambios de voltaje.

Relación entre la mezcla y la tensión.

•El ZrO2 se convierte en conductor de O-2 cuando su temperatura es superior a 300º C.

•La diferencia en la concentración de O2 entre sus dos caras puede ser registrada como una tensión.

•Esta va desde los 100 mV cuando la mezcla es pobre (lambda>1), hasta los 900 mV si la mezcla es rica (lambda<1), pasando por V=450 mV si es estequiométrica (lambda=1).




Sonda lambda de 4 cables. Fuente NGK.




1 cable. 1 de señal de color negro.

2 cables.1 de señal de color negro.

3 cables.1 de señal de color negro.2 del calefactor de color blanco.

4 cables.1 de señal de color negro.2 del calefactor de color blanco.

Sin elemento calefactor Con elemento calefactor

Masa a través de la carcasa.

Masa aislada. Cable gris.

Masa a través de la carcasa.

Masa aislada. Cable gris.




Circuito regulación lambda de dos puntos. Mezcla pobre.

Efecto de la regulación lambda cuando la inyección ha generado una mezcla pobre.

•Tensión lambda=200 mV

•Tensión de referencia lambda=450 mV

Alargar el tiempo de inyección.




Señales de regulación lambda de dos puntos. Mezcla pobre.

Etapas que tiene el aumento del tiempo de inyección:

1. Rápido aumento del tiempo de inyección (A).

2. Aumento lento cuando la tensión llega a 450mV (B)




Circuito regulación lambda de dos puntos. Mezcla rica.

Efecto de la regulación lambda cuando la inyección ha generado una mezcla rica.

•Tensión lambda=800 mV

•Tensión de referencia lambda=450 mV

Acortar el tiempo de inyección.




Señales de regulación lambda de dos puntos. Mezcla rica.

Etapas que tiene la reducción del tiempo de inyección:

1. Rápida reducción del tiempo de inyección (A).

2. Reducción lenta cuando la tensión llega a 450mV (B)




Sonda lambda de titanio.

Sonda lambda de dióxido de titanio, TiO2:

• La resistencia de este material cambia bruscamente ante la presencia de O2.

• Este tipo de sonda es más resistente mecánica y térmicamente.

• Deben alimentarse eléctricamente por la centralita (1-5 V en función del modelo).

• Son sondas calefactadas.




Curvas de resistencia en función de lambda.

•Mezcla rica lambda bajo resistencia baja poca caída de tensión.

•Mezcla pobre lambda alto resistencia alta mayor caída de tensión.




Cable de señal (-)Color negro

Cable de señal (+)Color amarillo

Cable de señal (-)Color negro.

Cable de señal (+)Color amarillo.

Sonda de titanio tipo I Sonda de titanio tipo II

Calefactor (+)Color rojo.

Calefactor (-)Color negro.

Calefactor (+)Color gris.

Calefactor (-)Color blanco.




Comprobación de la resistencia de calefacción de sonda lambda convencional.

La resistencia debe ser menor a 30 ohmios; si supera este valor, hay que cambiar la sonda.




Sonda lambda de banda ancha:

•Son las más usadas actualmente.

•Son capaces de leer valores alejados del estequiométrico sin saturar la señal.

•Normalmente su conector es de 6 terminales.

Están formadas por dos elementos diferenciados:

1.El sensor de medición (bomba de oxigeno, célula de medición, fisura de difusión y resistencia calefactora).

2 .Conjunto electrónico (circuito interno del conector).

Sonda lambda banda ancha




Curva de intensidad de sonda de banda ancha.

La señal que lee la UCE son pequeñas variaciones del consumo eléctrico de la sonda (intensidades por tanto) que la centralita reconoce como cambios en la tensión que se da en una resistencia puesta en serie con el circuito.




•La célula de medición (óvalo rojo), es capaz de medir, en forma de voltaje, la diferente concentración de O2 que hay entre el aire y los gases de escape.•El truco para que funcione este dispositivo consiste en subir o bajar el número de O2 que hay en el área de medición, tomando estos Ó2 de los gases de escape.•Para transportar estos O2, se consume una cierta intensidad, que la UCE reconoce por la caída de tensión en una resistencia puesta en serie con la bomba,

.Area de medición




Generación de tensión. Mantenimiento de la tensión cte.

Célula de medición:Tenemos una zona cerámica que se interpone entre dos electrodos de igual forma que en una sonda lambda de banda estrecha.El sistema actúa constantemente para que la medición de esta célula sea de V=450 mV, o lo que es lo mismo, que estemos en un valor lambda=1.




Mantenimiento del valor lambda.

Funcionamiento de la célula bomba.

Célula bomba:•Al aplicarle una intensidad, esta célula es capaz de atraer o repeler moléculas de O2

•Para lograr que la célula de medición marque lambda=1, la célula bomba debe mover un cierto número de O2 , con lo que tendrá un consumo energético que puede medirse.




Relación entre consumo de la bomba y valor lambda.

•Hay por lo tanto una relación entre el consumo energético de la célula bomba y el mantenimiento de la lectura lambda=1 en la célula de medición.

•Puedo medir el “esfuerzo” que hace la bomba para mantener lambda=1.




Si tengo mezcla pobre:

1. La tensión mandada por la célula de medición tiende a irse a 0 mV.

2. Para recuperar el valor de 450 mV, la célula bomba extrae O2 de la célula de medición.

3. Con esta operación, lambda vuelve a ser 1 y la tensión regresa a 450 mV.

4. El consumo de corriente, en forma de intensidad con valor positivo, es lo que lee la UCE (en realidad lee la tensión asociada en un punto del circuito).




Si tengo mezcla rica:

1. La tensión mandada por la célula de medición tiende a irse a 1 V.

2. Para recuperar el valor de 450 mV, la célula bomba introduce O2 en la célula de medición.

3. Con esta operación, lambda vuelve a ser 1 y la tensión regresa a 450 mV.

4. El consumo de corriente, en forma de intensidad con valor negativo, ( hay un cambio de polaridad), es lo que lee la UCE (en realidad, lee la tensión asociada en un punto del circuito).




Mantenimiento de la sonda lambda:

En principio deben durar tanto como el coche.

Pero hay algunos factores que pueden deteriorarlas:•Golpes.•Humedad en el ambiente, corrosión del soporte.•Repetidos trayectos cortos.•Combustibles inadecuados con concentración de Pb.

Síntomas de mal funcionamiento de la sonda lambda:•Tirones del vehículo.•Menor potencia.•Alto consumo de combustible.•Contaminación en los gases de escape.




Depósitos de plomo en la sonda lambda. Fuente NGK.

Depósitos de carbón en la sonda lambda. Fuente NGK.

Contaminación por aceite en la sonda lambda.

Fuente NGK.




1. Debímetro2. Catalizador3. Catalizador4. Inyectores5. Sonda lambda6. Sonda lambda7. Gasolina8. Colector admisión9. Colector escape

Disposición de elementos a lo largo de la línea de escape y lógica de funcionamiento.




Determinación por las sondas lambda de la cantidad de oxígeno antes y después del catalizador.




Voltaje y frecuencia correctas de la sonda lambda situada antes del catalizador.




Prueba de regulación de la tensión lambda anterior al catalizador.




Nuevos elementos: catalizadores. •Es un elemento capaz de hacer

que los contaminantes del escape reaccionen químicamente con los metales contenidos en él.

•Su temperatura de trabajo está entre los 300 y los 800º C, por lo que se coloca en el escape, cerca del motor.

•Exteriormente es un recipiente de acero inoxidable.

•Interiormente es un monolito cerámico que recuerda a un panal. Está impregnado con elementos como el paladio (Pd), el platino (Pt) y el rodio (Rh), que favorecen las reacciones de oxidación-reducción.




Ratio de conversión en el catalizador. Voltaje de la sonda lambda.

En %

En V




• El tratamiento de los gases de escape el catalizador de tres vías en es el procedimiento de depuración de gases de escape mas eficaz para el motor de gasolina con mezcla estequiometria (lambda = 1).

• Con el catalizador de tres vías se puede impedir casi por completo la expulsión de monóxido de carbono, hidrocarburos y óxidos de nitrógeno, con una distribución homogénea de la mezcla y una composición estequiometrica de ésta.

• Estas condiciones ideales de servicio, sin embargo, no se pueden mantener siempre.

• Aún así se logra una reducción de los contaminantes del mas del 98%.

Efectividad del catalizador

Busca aquí: http://www.aficionadosalamecanica.com/catalizadores.htm




Catalizador de doble vía:

En un catalizador de doble vía, usado mayormente en el motor diésel, ocurren dos reacciones simultáneas:

•Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono:

2CO + O2 → 2CO2

•Oxidación de hidrocarburos no quemados o parcialmente quemados a dióxido de carbono y agua:

CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O

Este tipo de catalizadores se usan en motores diésel ya que trabajan con exceso de oxígeno, generando unas tasas muy altas de óxidos de nitrógeno, incompatibles con el metal noble que los disocia.

En estos motores el NO2 se elimina con la recirculación de gases de escape, EGR.

Catalizador para motor Diésel.




Reacción catalítica de oxidación en un motor diésel.




Catalizador de triple vía:

En un catalizador de triple vía ocurren tres reacciones simultáneas:

•Reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno y oxígeno:

2NOx → xO2 + N2

•Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono:

2CO + O2 → 2CO2

•Oxidación de hidrocarburos no o parcialmente quemados a dióxido de carbono y agua:

CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O.

Estos catalizadores pertenecen a los motores de ciclo Otto ya que la proporción de NO2 es mucho menor que en los diésel, al no trabajar con exceso de oxígeno.

Catalizador para motor Otto.




Reacción catalítica del catalizador de un motor de gasolina.




Depuración catalítica de un catalizador de tres vías.



Fig. 12





Depuración de gases mediante precatalizadores.

Para ver:

Funcionamiento de un catalizador.

http://www.youtube.com/watch?v=OFLSOAi3S9Q&feature=related




Catalizador-acumulador de NO2.

Circuito de escape con acumulador de NO2

y sonda lambda.




Diagnóstico del catalizador por medio de sonda lambda anterior y posterior.



Nuevos elementos: filtro de partículas


El filtro de partículas, FAP o DPF, es un dispositivo que se encarga de retener todas las partículas sólidas generadas por los motores diésel. Una vez que el filtro se satura con esas partículas, las incinera, reduciendo así el nivel de emisiones contaminantes. Este proceso se conoce como regeneración.

Hay dos tipos de filtros de partículas: los que no utilizan ningún tipo de aditivo para la regeneración, y los que sí lo utilizan.



En los coches que no usan aditivo, para regenerarse, el filtro necesita que se circule durante una media hora. por encima de unas 2.500 rpm para que los gases de escape alcancen una temperatura lo suficientemente elevada -unos 700 grados- como para que se incineren las partículas sólidas. Si se circula muy poco por encima de este régimen, el propio motor tendrá que realizar un ciclo de regeneración; para ello, inyectará más carburante del habitual. Estos ciclos se pueden producir cada 1.000 ó 1.200 km -depende del tipo de uso- Durante este proceso no se debe parar el motor. Si se interrumpe este ciclo en más de tres ocasiones, un testigo luminoso nos indicará que debemos acudir al taller para que realicen allí la regeneración

Los filtros de partículas sin aditivo se colocan muy cerca del motor, justo después del colector de escape, para que estén expuestos a la temperatura más alta de los gases recién salidos del motor. Necesitan de 650 a 750 grados centígrados.



Los filtros de partículas con aditivo de cerina se pueden colocar más alejados en la línea de escape.



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.

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1. Conjunto precatalizador-FAP.

2. Sensor de presión diferencial y temperatura.

3. UCE.

4. Inyector de aditivo.

5. Control de las postinyecciones.

6. Precatalizador.

7. FAP



Ejercicios:1. ¿Qué elementos presentes en la gasolina pueden inutilizar el catalizador?2. ¿A partir de que temperatura el catalizador se destruye?3. ¿Qué es el precatalizador?4. Haz una clasificación de los diferentes tipos de catalizadores según:

1. El tipo de vehículo en el que se emplean.2. Los materiales de los que están fabricados.3. Los gases contaminantes que son capaces de transformar.

5. ¿Cómo puedo determinar si un catalizador no funciona correctamente?6. Hay una serie de acciones que pueden estropear el catalizador y unas normas básicas de

mantenimiento, ¿Cuáles?7. ¿Qué es un filtro de partículas y que vehículos lo llevan?8. ¿Cuál es la diferencia principal entre los catalizadores y los filtros de partículas (FAP)?9. ¿En que consiste la regeneración de los FAP?10. Enumera y explica los elementos que componen el FAP?11. Haz un resumen de todo lo que averigües de la regeneración de un FAP.

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