CONTROL DE EMISIÓN DE GASES DEL MOTOR DIESEL

1. CONCEPTOS PREVIOS

1.1. MCIA: motor de combustión interna alternativo; en este motor el proceso

de liberación de energía y la producción de potencia ocurren en la cámara de

combustión del motor.

1.2. Formación de mezcla externa: proceso de formación de la mezcla aire-

combustible que se inicia en el exterior del cilindro del MCIA.

1.3. Formación de mezcla interna: proceso de formación de la mezcla aire-

combustible que ocurre en el interior del cilindro del MCIA.

1.4. MECH: motor de encendido por chispa, en este motor la mezcla aire-

combustible se enciende debido al salto de chispa eléctrica que entre los

electrodos de una bujía.

1.5. MEC: motor de encendido por compresión, en este motor la mezcla aire-

combustible se enciende por compresión a causa del fenómeno de auto

inflamación del combustible.

1.6. Auto inflamación: fenómeno mediante el cual ocurre el encendido de la

mezcla aire-combustible debido a la elevación de la temperatura del aire en

el interior del cilindro. El incremento de temperatura es ocasionado por el

empleo de altas relaciones de compresión.

1.7. Cámara de combustión: espacio comprendido entre la culata y el pistón

del MCIA.

1.8. PMS: punto muerto superior del pistón; posición del pistón

correspondiente a un volumen mínimo de la cámara de combustión.

1.9. PMI: punto muerto inferior del pistón; posición del pistón

correspondiente a un volumen máximo de la cámara de combustión.

1.10. Difusión: fenómeno mediante el cual los fluidos que son puestos en

contacto se extienden igualmente por todo el espacio común formando una

mezcla homogénea.

1.11. Diagrama indicador: representación del cambio de presión dentro del

cilindro del motor en función del ángulo de giro del cigüeñal o volumen de la

cámara de combustión.

1.12. Cristal de cuarzo: material usado en sensores de presión debido a su

propiedad de generar un voltaje al ser sometido a una deformación física.

1.13. Sensor piezoeléctrico: instrumento que utiliza un cristal de cuarzo para

captar el cambio instantáneo de presión en la cámara de combustión del

MCIA.

1.14. Calidad de inyección del combustible: se refiere al tamaño de las gotas

de combustible atomizado a una presión determinada en la cámara de

combustión del motor.

1.15. Grado de penetración del chorro: toma en cuenta en función de la

presión de inyección, la distancia recorrida por el combustible desde la punta

del inyector hasta una determinada profundidad en la cámara de

combustión.

1.16. Diagrama de liberación de calor: representación gráfica característica de

la cantidad de calor liberado por la combustión en función del ángulo de giro

del cigüeñal del motor.

1.17. Frente de llama: zona muy delgada de la mezcla donde ocurre el proceso

de combustión, presenta una porción o franja de precalentamiento y una de

reacción química propiamente dicha. Representa la separación física entre

los productos de combustión y la mezcla fresca.

1.18. Periodo de retardo a la inflamación: tiempo transcurrido entre el inicio

de la inyección y la aparición de los primeros focos de inflamación.

1.19. Variación cíclica de presión: fenómeno característico de los MECH

convencionales en los cuales la fluctuación en el suministro de aire y

combustible es responsable de cambios en el proceso de combustión que se

observan como variaciones de la presión máxima en el diagrama del

indicador.

1.20. Relación combustible-aire equivalente: valor indicativo de la riqueza o

pobreza de la mezcla combustible-aire que se está empleando en el proceso

de combustión.

1.21. Combustión completa: proceso de combustión en el que se consigue

obtener la máxima liberación de energía como consecuencia de la oxidación

de todo el carbono e hidrógeno contenido en el combustible, dando origen

a la formación de dióxido de carbono y vapor de agua respectivamente.

1.22. Relación combustible-aire estequiométrica: relación entre las

cantidades de combustible y aire consumidas en un proceso de combustión

para las cuales la combustión es completa o perfecta.

1.23. Destilación: es la operación de separar las distintas sustancias que

componen una mezcla líquida mediante vaporización y

condensación selectivas. Dichas sustancias, que pueden ser componentes

líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados, se separan

aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada una de ellas, ya

que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es

decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de

la presión

1.24. REACCIÓN QUÍMICA

Llamamos reacción química o modificación química al proceso químico en el cual dos o

más sustancias (los reactivos), por la acción de una variable energética devienen en otras

sustancias denominadas productos; las sustancias pueden ser elementos, o en su

defecto compuestos.

1.24.1. REACCIÓN EXOTÉRMICA

Es cualquier reacción química que desprende energía. La reacción exotérmica se da

especialmente en aquellas reacciones de oxidación, que son las reacciones químicas en

las cuales existe una transferencia electrónica entre los reactivos, dando paso a una

modificación de los estados de oxidación de los mencionados con relación a los

productos. O sea, para que se produzca una reacción de oxidación en el sistema en

cuestión deberá haber un elemento que cede electrones y otro que los acepta.

El ejemplo más común de reacción exotérmica es la combustión, desprendiéndose una

enorme cantidad de luz y de calor. En la combustión nos encontramos con un elemento

que arde, que es el combustible y con otro, comburente, que es el que produce la

combustión; la mayoría de las veces se trata de oxígeno de modo gaseoso.

1.24.2. CALIDAD DEL DIESEL

La calidad del crudo se define según la densidad (gravedad API), además del

contenido en azufre y la acidez. Cuanto mejor sea el crudo, mayor la gravedad API y

menores los niveles de azufre y acidez

La gravedad API, o grados API: Sus siglas significa American Petroleum Institute

Es una medida de densidad que, en comparación con el agua y con iguales temperaturas,

precisa cuán pesado o liviano es el petróleo. Índices superiores a 10 implican que son

más livianos que el agua y, por lo tanto, flotarían en ésta. La gravedad API se usa también

para comparar densidades de fracciones extraídas del petróleo

1.1.1. REACCIÓN DEL DIESEL

El diésel es la fracción de hidrocarburos de C15 a C23 que destila en el rango de

temperaturas de 230 C° a 250C° y está compuesto por hidrocarburos parafínicos,

nafténicos, nafteno aromáticos y aromáticos.

Las reacciones de combustión en el caso del diesel se hacen más complejas que las del

gas natural y la gasolina por la cantidad de hidrocarburos aromáticos que contiene, que

constituyen el 25% del combustible.

El combustible que no se quema representa el 4 -8% hidrocarburos gaseosos que solo

pueden cuantificarse con un cromatógrafo de gases o analizadores de gases de

combustión equipados con sensores que los detecten.

El gasóleo o diésel ofrece una densidad volumétrica energética de 35,86 MJ/L contra los

32,18 MJ/L de la gasolina, lo que supone un 11% más, que podría considerarse notable

cuando se compara la eficiencia del motor diésel frente al de ciclo Otto. Las emisiones

de CO2 del diésel son de 73,25 g/MJ, solo ligeramente más bajas que la gasolina, con

73,38 g/MJ.

A. REACCIÓN COMPLETA EXÓTERMICA

B. REACCIÓN DEL TEÓRICA DIESEL

1.1.2. Tipos de Diesel del sector vehicular del Perú

A. Diesel B5 PETROPERÚ

A partir del 01 Enero 2011 se inició la comercialización de este combustible, en reemplazo del Diesel B2.

El Diesel B5 es un combustible constituido por una mezcla de Diesel N°2 y 5% en volumen de Biodiesel (B100).

Diesel N°2.- Combustible derivado de hidrocarburos, destilado medio, obtenido de procesos de refinación.

Biodiesel (B100).- Combustible diesel derivado de recursos renovables, puede ser obtenido a partir de aceites vegetales o grasas animales. Cumple con las especificaciones de calidad establecidas en la norma nacional e internacional. Este combustible prácticamente no contiene azufre.

Es importante resaltar que, de conformidad a la legislación nacional vigente, se estableció un cronograma para el uso obligatorio de mezclas del Diesel N°2 con el Biodiesel B100:

Desde el 01.01.2009: Diesel B2 (mezcla de Diesel N°2 + 2% de Biodiesel B100) Desde el 01.01.2011: Diesel B5 (mezcla de Diesel N°2 + 5% de Biodiesel B100) El DIESEL B5 PETROPERÚ, con denominación comercial en nuestro caso de BIO DIESEL B5 PETROPERÚ, cumple con las especificaciones técnicas de la norma técnica peruana vigente y guarda concordancia con los principales ensayos de los estándares internacionales ASTM, D975 y SAE J313.

Características técnicas

Elevado índice de cetano con respecto a la especificación, que asegura una excelente calidad de ignición, arranque rápido y menor ruido del motor.

Bajo contenido de azufre con respecto a la especificación, asegurando una protección efectiva contra el desgaste. La especificación vigente exigida para el Diesel B5 es de máximo 5000 ppm; no obstante, como puede apreciarse en la información publicada por OSINERGMIN en el Link; el contenido de azufre del Diesel producido en las refinerías de PETROPERÚ, se halla muy por debajo del nivel establecido.

Excelente lubricidad y reducción de emisiones contaminantes (al incrementarse el porcentaje de biodiesel de 2 a 5%).

Elevado poder calorífico, que garantiza una eficiente combustión.

El DIESEL B5 PETROPERÚ contiene un paquete de aditivos de performance de última generación que le otorgan las siguientes ventajas:

Permite la limpieza de inyectores para una óptima pulverización y por ende mejora de la combustión; protección para la bomba de inyección de combustible; protección contra la corrosión; separación del agua al contener un demulsificante. Estas mejoras favorecen el mejor rendimiento, menores gastos por mantenimiento, prolongando la vida útil del motor

Asegura una mejora de la estabilidad, previniendo la acumulación de depósitos y protegiendo la superficie de los metales contra la formación de depósitos.

Controla la espuma durante el abastecimiento de combustible, permitiendo mayor comodidad y rapidez en el llenado.

Protege el ambiente al reducir la emisión de gases contaminantes e hidrocarburos no quemados.

Usos

En motores diesel de vehículos para el transporte terrestre (automóviles, camiones, ómnibus, etc)

En plantas de generación eléctrica En equipos para la industria en general ( minería, pesquería, construcción,

sector agrícola, etc)

B. Diesel Ultra (DIESEL B5 S-50 PETROPERÚ)

A partir del 01 Enero 2011 se inició la comercialización de este combustible, en reemplazo del Diesel B2 S-50

El Diesel B5 S-50 es un combustible constituido por una mezcla de Diesel N°2 S-50 y 5% en volumen de Biodiesel (B100).

Diesel N°2 S-50.- Combustible derivado de hidrocarburos, destilado medio, obtenido de procesos de refinación que presenta un contenido de azufre máximo de 50 partes por millón.

Biodiesel (B100).- Combustible diesel derivado de recursos renovables, puede ser obtenido a partir de aceites vegetales o grasas animales. Cumple con las especificaciones de calidad establecidas en la norma nacional e internacional. Este combustible prácticamente no contiene azufre.

De conformidad al D.S. 061-2009-EM, a partir del 01.01.2010 se inició la comercialización de este combustible con un contenido máximo de azufre de 50 partes por millón, y de conformidad al Reglamento para la Comercialización de Biocombustibles, desde el 01.01.2011 se incrementa el porcentaje de biodiesel de 2 a 5%, por lo que la denominación cambia a DIESEL B5 S-50. En nuestro caso, el combustible presenta como denominación comercial DIESELULTRA PETROPERÚ y cumple con las especificaciones de calidad de la norma técnica peruana vigente. Características técnicas

Combustible limpio, presenta muy bajo contenido de azufre, por lo cual favorece la protección del ambiente al disminuir las emisiones contaminantes.

Elevado índice de cetano con respecto a la especificación, que asegura una excelente calidad de ignición, arranque rápido y menor ruido del motor.

Excelente lubricidad al incrementarse el porcentaje de biodiesel de 2 a 5%.

El DIESEL ULTRA PETROPERÚ contiene un paquete de aditivos de performance de última generación que le otorgan mayores ventajas:

Permite la limpieza de inyectores para una óptima pulverización y por ende mejora de la combustión y protección del sistema de combustible, lo cual

influye favorablemente en el rendimiento y menores gastos de mantenimiento, prolongando la vida útil del motor.

Asegura una mejora de la estabilidad, previniendo la acumulación de depósitos, protegiendo la superficie metálicas

Contiene un demulsificante que permite la separación del agua (de presentarse) en el sistema de almacenamiento, para una fácil eliminación.

Controla la espuma durante el abastecimiento de combustible, permitiendo mayor comodidad y rapidez en el llenado.

Usos

De conformidad a la Resolución Ministerial N° 139-2012-MEM/DM, a partir del 16 de julio 2012 se suministra el Diesel B5 S-50, para todos los sectores, en los Departamentos de Lima, Arequipa, Cusco, Puno, Madre de Dios y en la Provincia Constitucional del Callao.

Algunos aspectos importantes

Azufre en el combustible

El azufre es un elemento químico que se halla presente en forma natural en el petróleo crudo.

Efectos del ultra bajo azufre en las emisiones

Disminución de las emisiones de material particulado fino Disminución de las emisiones de SO2 ( Anhidrido Sulfuroso) Favorece la protección y la vida útil de los motores

¿Cómo se logra la reducción del contenido de azufre en los combustibles La reducción del contenido de azufre en los combustibles se logra mediante las siguientes acciones:

Selección de la materia prima (Petróleo crudo) con bajo contenido de azufre para su procesamiento en las refinerías. Al respecto, PETROPERÚ, viene realizando todos los esfuerzos para reducir continuadamente el contenido de azufre en el combustible; lo que se obtiene con el procesamiento de parte del crudo obtenido de la cuenca petrolífera de Talara con características “dulces”; es decir, crudo con muy bajo contenido de azufre, que contribuye a la reducción del azufre en los combustibles.

Mediante procesos de desulfurización en las refinerías. Referente a este punto, en el Proyecto de Modernización de Refinería Talara, que ya está en marcha, se contempla este proceso.

¿Por qué necesitamos combustibles con bajo contenido de azufre?

Porque así se reducen los impactos en la salud por el material particulado y SO2.

Porque se puede introducir al país vehículos de avanzada tecnología. Conservar la efectividad y durabilidad de los sistemas de control de

emisiones de los vehículos. Prevenir daños a los motores.

1.2. CAMBIOS DE ESTADO

2. ORIGENES DE CONTAMINANTES EN EL CICLO DE COMBUSTIÓN

Esta depende que tan avanzada este la tecnología en el momento de la

combustión de un motor diésel, como los factores de diseño, propiedades del

combustible y factores atmosféricos.

Sustancias no toxicas: O2, N2, H2O, CO2

Sustancias toxicas: CO, HC, SO2, NOX, PM

3. SUSTANCIAS NOCIVAS EN LOS GASES DE ESCAPE

El monóxido de carbono (CO) se produce a raíz de una combustión incompleta de

combustibles con contenido de carbono, al producirse esa combustión con escasez de oxígeno. Es un gas incoloro, inodoro e insípido.

Se da el nombre de hidrocarburos a una gran cantidad de combinaciones diferentes (por

ejemploC6H6, C8H18), que se producen tras una combustión incompleta.

El dióxido de azufre se genera a raíz de la combustión de un combustible con contenido

de azufre. Es un gas incoloro, de olor penetrante. El contenido del azufre en el combustible viene siendo cada vez menor., ...)

Los óxidos nítricos (por ejemplo NO, NO2) se producen por intervención de altas presiones, altas temperaturas y exceso de oxígeno durante la combustión en el motor.

Si falta oxígeno se producen partículas de hollín como consecuencia de una combustión incompleta.

3.1. PARTÍCULAS

La palabra partícula se utiliza como término genérico para todos los pequeños

corpúsculos, sólidos o líquidos, que se producen por abrasión, trituración, erosión, condensación, así como por una combustión incompleta. Estos procesos generan partículas de diferentes formas, dimensiones y estructuras.

3.1.1. PARTÍCULAS DE HOLLIN

Durante el proceso de la combustión en un motor diésel se producen partículas de hollín. Son esferas microscópicas de carbono, con un diámetro aproximado de 0,05 µm. Su núcleo es de carbono puro. En torno a este núcleo se adhieren diversas combinaciones de hidrocarburos, óxidos metálicos y azufre.

La composición exacta de las partículas de hollín depende de la tecnología del motor,

las condiciones de aplicación y el combustible empleado.

4. MEDIDAS PARA REDUCIR LAS EMISIONES DE PARTÍCULAS

4.1. Medidas endomotrices.

Diseño de los conductos de admisión y escape para establecer óptimas

condiciones de flujo.

Altas presiones de inyección con la tecnología de Common rail.

El diseño de una cámara de combustión reduciendo su espacio y

optimizando su geometría de la cámara y la cabeza del pistón

Sincronización de inyección atrasada

Combustible es inyectado dentro del cilindro más tarde en la carrera de compresión

Menos tiempo al combustible para mezclarse con el aire, antes de la ignición. Temperatura real de combustión más baja más baja Menor formación de gases de NOx. Eficiencia de combustiónligeramente reducida.

“Atrasar demasiado la sincronización puede conducirá emisiones más altas de

hidrocarburos y a desempeño inaceptable del motor”

Sincronización de inyección adelantada

Combustible es inyectado dentro del cilindro más pronto durante la carrera de compresión

Más largo será el periodo de retardo de encendido.

Temperaturas de combustión más altas

Menos combustible sin quemaremisiones reducidas de HC’s.

“Adelantar demasiado la sincronización promueve la creación de un nivel

inaceptable de gases de NOx.”

“adelantar demasiado la sincronización promueve la creación de un nivel

inaceptable de gases de NOx”

4.2. Medidas ectomotrices Con medidas ectomotrices se puede evitar la emisión de las partículas de hollín que se generan con motivo de la combustión. Entiéndese por tal la reducción de las partículas de hollín a través de un sistema de filtración. Se distinguen a este respecto dos sistemas – el filtro de partículas diésel con aditivo y el filtro de partículas diésel con recubrimiento catalítico, a esto se le adiciona el sistema de recirculación de gases (EGR)

Sistema con aditivo Este sistema se implanta en vehículos con el filtro de partículas instalado lejos del motor. Debido al largo trayecto de los gases de escape entre el motor y el filtro de partículas, la temperatura de encendido necesaria para la combustión de las partículas sólo se puede conseguir agregando un aditivo.

Sistema con recubrimiento catalítico

Este sistema se implanta en vehículos con el filtro de partículas instalado cerca del motor. Debido a los cortos recorridos de los gases de escape entre el motor y el filtro de partículas, la temperatura de los gases de escape todavía es suficiente para la combustión de las partículas

Filtro de partículas

En su condición de filtro de partículas diésel se encarga de retener partículas de hollín contenidas en los gases de escape. En su función de catalizador de oxidación se encarga de depurar los gases de escape en lo que respecta a los contenidos de hidrocarburos (HC) y monóxido de carbono (CO). Se transforman en agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2)

Estructura

El filtro de partículas diésel consta de un cuerpo cerámico alveolar de carburo de silicio, alojado en una carcasa de metal. El cuerpo de cerámica está dividido por una gran cantidad de pequeños conductos paralelos, cerrados de forma alternativa. De ahí resultan conductos de admisión y escape separados por las paredes filtrantes.

Funcionamiento: En la zona anterior hay una gran cantidad de platino, mientras que en la zona posterior la cantidad de platino es baja. El recubrimiento diferido por zonas supone las siguientes ventajas:

● Al funcionar el motor en condiciones normales, el filtro de partículas diésel se calienta rápidamente en la zona anterior. Debido a la alta concentración del platino, como material catalizador, en esta zona anterior, el filtro cuenta con una acción catalítica rápida. Se habla aquí también de un comportamiento de respuesta rápido por parte del filtro de partículas diésel. ● En la fase de regeneración, la parte posterior del filtro de partículas diésel adopta altas temperaturas a raíz de la combustión del hollín. Estas altas temperaturas suponen un ataque a largo plazo contra el platino. Por ese motivo se renuncia a dotar la zona posterior de un recubrimiento grueso con esta materia prima del platino, que supone un coste alto. ● Otro motivo por el cual se implanta la baja cantidad de platino en la zona posterior reside en el envejecimiento del filtro de partículas diésel. Durante su período de vida útil es cada vez mayor la cantidad de residuos de la combustión que se depositan en la parte posterior, afectando con ello el efecto catalítico del platino. Regeneración pasiva En el ciclo de regeneración pasiva las partículas de hollín se queman de forma continua, sin intervención por parte de la gestión del motor. El posicionamiento cercano al motor, del filtro de partículas, permite que por ejemplo los gases de escape alcancen temperaturas de 350-500 °C al circular por autopista. Las partículas de hollín son transformadas, por medio de una reacción con dióxido nítrico, en dióxido de carbono. Esta operación gradual se desarrolla de forma lenta y continua a través del recubrimiento de platino, que hace aquí las veces de material catalizador.

Regeneración activa Con motivo de la regeneración activa se procede a quemar las partículas de hollín, para lo cual la gestión del motor se encarga de producir un aumento específico de la temperatura de los gases de escape. Al circular por ciudad a baja carga del motor, las temperaturas de los gases de escape son demasiado bajas como para poder practicar un ciclo de regeneración pasiva en el filtro de partículas. En virtud de que deja de ser posible degradar las partículas de hollín se produce una saturación de hollín en el filtro. En cuanto se alcanza una saturación Específica de hollín en el filtro, la gestión del motor pone en vigor un ciclo de regeneración activa. Esta operación tarda unos 10 minutos. Las partículas de hollín se queman, produciendo dióxido de carbono, a partir de una temperatura de los gases de escape de 600-650 °C.

4.3. SISTEMA EGR

El sistema de recirculación del gas de escape toma una porción del gas de escape y la regresa a la cámara de combustión.

La combustión ocurre cuando es inyectado combustible en un cilindro que contiene aire bajo altas presión y temperatura.

El combustible rápidamente es quemado y libera una gran cantidad de energía térmica. Esta incrementa drásticamente la presión en el cilindro. Esta presión incrementada impulsa hacia abajo al pistón.

El aire en altitudes elevadas es menos denso que el aire a nivel del mar, pero la relación de oxígeno a nitrógeno permanece igual.

La humedad, deja menos espacio para las moléculas de oxígeno en un volumen fijo de aire.

El aire húmedo y caliente no crea buena eficiencia de combustión.

El aire frio y seco es excelente para la combustión.

El próximo paso viable para reducir temperaturas pico de combustión, es enfriar algo del gas de escape, mezclarlo con aire de admisión fresco y mover esta mezcla dentro de la cámara de combustión

.

5. NORMAS

5.1. NORMAS EURO

5.2. NORMAS EPA

5.3. NORMAS TIER

ACTUALIDAD EN EL PERÚ