Gases Escape

Volkswagen - Audi España S.A.

EMISIONES DE GASES DE ESCAPE DE VEHICULOS (Información monitor V26N00)

ESTADO TECNICO FEBRERO 2000

EMISIONES DE GASES DE ESCAPE DE VEHICULOS

Introducción ................................................................................................................... ... 3 Sustancias contaminantes en los gases de escape ..................................................... 4 Contramedidas de la industria del automóvil ................................................................ 6 Disminución del consumo................................................................................................... 6 Depuración de los gases de escape................................................................................... 6 Control del funcionamiento .................................................................................................. 7

Valores límites legales y directivos ................................................................................ 8

Determinación de las emisiones de gases de escape ............................................... 13

EMISIONES DE GASES DE ESCAPE DE VEHICULOS

INTRODUCCIÓN Con el paso de los años, el automóvil ha ido adquiriendo una importancia cada vez mayor para los habitantes de las naciones industrializadas. Por un lado es una componente de la «calidad de vida» que proporciona movilidad personal y en parte es también un exponente de la posición social. Pero por otro lado se ha convertido también en una herramienta en una sociedad donde la flexibilidad y la independencia del lugar son cada vez más importantes. Muchas personas dependen de su automóvil para poder realizar actividades cotidianas como son el trabajo y las compras. Y también la interrelación entre el automóvil y el medio ambiente ha pasado a ser un factor de creciente importancia. En la actualidad, los automóviles son impulsados principalmente por motores de combustión. Esto motores generan gases de escape (residuos de la combustión). Al quemarse los combustibles fósiles se producen gases de escape con repercusiones negativas para el medio ambiente y la salud de las personas. Por esta razón, la industria del automóvil se esfuerza desde hace años en mantener las emisiones de gases de escape de los automóviles al nivel más bajo posible.

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SUSTANCIAS CONTAMINANTES EN LOS GASES DE ESCAPE Los gases de escape de los automóviles contienen un alto porcentaje de dióxido de carbono (CO 2), agua (H20) y nitrógeno (N2). También contienen fracciones mínimas de - monóxido de carbono (CO), - óxidos de nitrógeno (NOX), - hidrocarburos (HC) y - dióxido sulfuroso (SO2). Las distintas sustancias contaminantes tienen las siguientes propiedades: •

Dióxido de carbono (CO2): se origina en caso de combustión total de combustibles

hidrocarbonados. Hasta ahora se le ha dedicado poca atención, pero esto ha cambiado repentinamente debido a las discusiones relativas a la catástrofe climática y al efecto invernadero. En 1992, el tráfico rodado era responsable de la emisión de 157 millones de toneladas de CO 2

•

Monóxido de carbono (CO2): se origina en caso de combustión incompleta de combustibles

hidrocarbonados. Es explosivo en alto grado y extremadamente tóxico, ya que impide el transporte de oxígeno por lo glóbulos rojos. Incluso una concentración relativamente baja en el aire respiratorio es ya mortal. En concentración normal se oxida rápidamente al aire libre, produciéndose dióxido de carbono. •

Oxidos de nitrógeno (NOX), son compuestos (NO, NO2 etc.) de oxígeno (O2) y nitrógeno (N2),

que se forman en el motor debido a las temperaturas elevadas. Algunos óxidos de nitrógeno son nocivos para la salud. Desgraciadamente, los intentos dedicados a reducir el consumo de combustible han llevado a un aumento de la concentración de óxidos de nitrógeno en los gases de escape. •

Hidrocarburos (HC) son fracciones de combustible sin quemar que quedan como residuo tras una combustión incompleta del combustible en el motor. Los hidrocarburos tienen diferentes efectos sobre el organismo. Algunos irritan los órganos sensoriales, otros son cancerígenos (p. e¡. el benzol). En combinación con determinados óxidos de carbono, algunos hidrocarburos intensifican la muerte de los bosques.

•

Dióxido sulfuroso (SO2): se presenta en cantidad muy escasa en los gases de escape de los automóviles. Es característico su olor penetrante. El dióxido sulfuroso da lugar a enfermedades de las vías respiratorias.

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•

Plomo (Pb): ha desaparecido casi totalmente de los gases de escape de los automóviles. La

gasolina con plomo se utilizaba para impedir el picado de las válvulas. Los combustibles con plomo han sido reemplazados en la actualidad casi totalmente por combustibles sin plomo. En 1985, la cantidad de plomo emitida era aún de 3.000 toneladas, en 1992 había pasado a ser de tan sólo 700 toneladas y en la actualidad es de suponer que sea sólo una pequeña fracción de la cantidad de 1992.

•

Partículas de carbonilla (PM): son emitidas exclusivamente por los motores Diesel. Se tiene la

sospecha de que hidrocarburos cancerígenos pueden acumularse en las partículas, llegando así a los pulmones. Además, las partículas forman una capa sucia y grasienta (entre otras cosas) sobre los parabrisas de los automóviles y los pavimentos de las calzadas, lo que perjudica la seguridad de marcha. Responsables de la emisión de partículas son ante todo vehículos pesados con motores Diesel (camiones y camionetas). En total, las emisiones de gases de escape del tráfico rodado fueron en 1992 las siguientes 1 :

Dióxido de carbono (C02)

157.000.000t

Monóxido de carbono (C0)

5.400.000t

Oxidas de nitrógeno (NOX)

1.641.000t

Hidrocarburos (HC)

1.200.000t

Partículas Partículas (PM)

80.000t

Dióxido sulfuroso (S02)

60.000t

Plomo (Pb)

1. Fuente: Ministerio alemán de transportes

700t

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CONTRAMEDIDAS DE LA INDUSTRIA DEL AUTOMÓVIL •

Disminución del consumo

Cuanto menos combustible quema un vehículo, tanto menos gases de escape genera. Por esta razón se han hecho esfuerzos dirigidos a reducir el consumo de combustible de los automóviles. Esto se ha conseguido a través de -

formas más aerodinámicas de los vehículos (reducción de la resistencia al aire [índice cw]),

-

disminuciones del peso,

-

sistemas electrónicos de gestión del motor (p. ej. optimización de la mezcla de aire y combustible, control en función de la carga),

-

cambios con más velocidades -> números de revoluciones más bajos para una misma velocidad = ahorro de combustible y reducción del ruido.

•

Depuración de los gases de escape

Pero la simple reducción del consumo de combustible no es suficiente para quedar por debajo de los valores límite cada vez más estrictos impuestos por la legislación. Por tal motivo, los gases de escape se depuran antes de que abandonen el vehículo. El instrumento principal para la depuración de gases de escape es el catalizador. Los catalizadores están formados por un cuerpo de cerámica o por un cuerpo metálico atravesado por varios miles de canales que incrementan la superficie del cuerpo. Esta superficie aumenta aún más con una así llamada «Wash-Coat». Sobre esta superficie, de varios miles de metros cuadrados, está aplicado un metal noble (platino/rodio/paladio). A temperaturas de entre 300 ºC y 900 ºC, este metal noble actúa como catalizador químico y hace que el monóxido de carbono (CO) y los hidrocarburos (HC) reaccionen con oxígeno (O2) para formar dióxido de carbono (CO 2) y agua (H2O). El oxígeno se adquiere por disgregación de los óxidos de nitrógeno (NO X) en oxígeno y nitrógeno (N2) en el catalizador. Se distinguen dos clases principales de catalizadores: Catalizadores no regulados,  que ya no se utilizan en la actualidad, debido a que su rendimiento no es suficiente. Un catalizador no regulado se limita a depurar el gas de escape que lo atraviesa. En este sistema no existen sensores que comuniquen al sistema de gestión del motor si existe una mezcla óptima de aire y combustible. Esta es la razón de que el rendimiento sea sólo limitado.

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Por el contrario, los catalizadores regulados  disponen de al menos una sonda que determina si se quema una mezcla óptima de aire y combustible. Se trata al respecto de la sonda Lambda. Esta sonda Lambda mide el contenido de oxígeno en los gases de escape y envía al sistema de gestión del motor una señal en caso de exceso de oxígeno (mezcla pobre) o de falta de oxígeno (mezcla rica) en los gases de escape, a fin de que se efectúe la correspondiente corrección de la mezcla de aire y combustible (óptimo = 1 l de combustible por 10.000 l de aire, denominada también mezcla «estequiométrica»). Gracias a este circuito de regulación, los catalizadores regulados alcanzan un rendimiento muy superior al de los catalizadores no regulados. Pero tampoco el automóvil con catalizador regulado significa el óptimo alcanzable. Por esta razón, los vehículos modernos se equipan con sistemas de recirculación de gases de escape. Cuanto más alta es la temperatura de combustión en el cilindro, tanto mayor es también el porcentaje de NOX en los gases de escape. Por ello, el sistema de recirculación de gases de escape introduce una determinada cantidad de gases de escape en la mezcla de aire y combustible aún por quemar, dependiendo dicha cantidad de la temperatura de los gases de escape y de la carga del vehículo. Esto reduce la temperatura de combustión y con ello la emisión de NO X. También es problemática la formación de mezcla durante la fase de arranque en frío. Si la mezcla es demasiado rica, el gas de escape contiene un mayor porcentaje de hidrocarburos sin quemar. Este problema se soluciona por medio del sistema de aire secundario , que añade aire ambiente adicional al gas de escape. El oxígeno contenido en dicho aire ambiente provoca una mejor post-oxidación del gas de escape a la salida de las válvulas de escape y reduce el alto porcentaje de hidrocarburos. El depósito de combustible es otra zona problemática. La gasolina muy volátil se evapora ya a temperaturas normales. Con esto, y en el caso de que el tapón del depósito no hermetice totalmente, pueden escapar al medio ambiente vapores de gasolina, formados por hidrocarburos. El sistema de ventilación del depósito  impide esto acumulando es un depósito de carbón activo los vapores de gasolina que se forman por encima de la superficie del combustible. Desde allí, los vapores de combustible se pasan al colector de admisión, quemándose en el motor.

•

Control del funcionamiento

No sólo para el servicio técnico es cada vez más importante comprobar el funcionamiento correcto de los sistemas de un automóvil relevantes para el medio ambiente. Las funciones para el autodiagnóstico son ya desde hace tiempo estándar en VW. Pero también la legislación de las diferentes naciones exige con cada vez más frecuencia que existan interfaces unificadas con las que los organismos oficiales puedan verificar rápidamente y sin problemas la operatividad de los sistemas de depuración de gases de escape. La legislación de algunos estados federales de los EE.UU. prescribe ya el así llamado On Board Diagnose (OBD). También en el marco de la Unión Europea se pretende dictar el uso obligatorio de tales sistemas a través de la legislación.

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VALORES LÍMITES LEGALES Y DIRECTIVAS En los últimos 10 años, la legislación ha dictado valores límite de emisiones cada vez más estrictos tanto a nivel nacional como a nivel de UE. Paralelamente a ello se han introducido tipos de impuestos cada vez más elevados para vehículos contaminantes, y a través de franquicias tributarías y/o tipos de impuestos más bajos se ha dado a los consumidores incentivos para que adquieran nuevos vehículos de bajo nivel de contaminación. Este camino ha pasado por los catalizadores no regulados y los catalizadores regulados hasta llegar a los actuales sistemas, en los que una gestión completa del motor procura unas emisiones lo más bajas posibles. Estos sistemas cumplen ya hoy en parte las normas que entrarán en vigor dentro de uno o dos años. En la actualidad rigen las siguientes normas para Alemania y respectivamente para la Unión Europea:

Norma

Vigencia

EU II

desde 1996, en toda Europa

D3

hasta mediados de 1998, sólo en Alemania

EU III

a partir del 2000, en toda Europa

EU IV

a partir del 2005, en toda Europa

En el marco de la norma EU II actualmente vigente rigen hoy los siguientes valores límite para turismos con motores de gasolina:

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En una acción unilateral del Gobierno federal alemán se introdujo la norma D 3 que significa una reducción de los valores límite de la norma EU II a nivel nacional: Para motores de gasolina y Diesel rigen en consecuencia los siguientes valores limite

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Las proyectadas normas EU IV son en la actualidad simples propuestas, lo que significa que es posible que los valores límite mencionados a continuación aún cambien hasta la aprobación definitiva de las normas. La norma EU III planificada para el año 2000 prevé una reducción de los valores a los siguientes límites:

Compare estos valores ante todo con los valores de la norma D3. Dado que el derecho de la UE es de rango superior al derecho nacional, Alemania estará obligada a hacer menos estrictos los valores límite cuando entre en vigor la norma EU III.

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Por el contrario, la norma EU IV planificada para el año 2005 reduce considerablemente los valores límite tanto por debajo del nivel de la EU III como también del de la norma D3:

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El diagrama siguiente compara las normas presentadas hasta el momento. Además se incluyen la norma EU I (reemplazada por la norma EU II) y la norma norteamericana EPA (Tier 0).

El diagrama no permite sin embargo prever la evolución futura de los valores límite en los EE.UU.; pero es seguro que hasta el año 2005 los valores límite norteamericanos alcanzarán como mínimo el nivel europeo, siendo probable incluso que queden por debajo de los valores límite europeos.

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Ante todo el Estado federal norteamericano de California intenta en la actualidad no sólo reducir aún más los valores límite para las sustancias contaminantes en los gases de escape, sino también el «retirar de la circulación» vehículos viejos, no equipados con la técnica actual de depuración de gases de escape. A tal fin, ante todo los propietarios de «flotas de vehículos» (por ejemplo consorcios con muchos vehículos de empresa, empresas de alquiler de automóviles, etc.) deben ser obligados por la legislación a tener en su parque de vehículos un determinados porcentaje de vehículos nuevos que respeten las normas sobre gases de escape más actuales.

Determinación de las emisiones de gases de escape Las emisiones de gases de escape de un vehículo se determinan en un banco de prueba de rodillos. Aquí se intenta representar un comportamiento de marcha lo más realista posible a través de los llamados «ciclos de marcha». Estos ciclos de marcha han sido revisados repetidamente en los últimos años y se han hecho cada vez más complejos, a fin de representar la realidad con la mayor exactitud posible. En el marco de la Unión Europea existe un ciclo de marcha normalizado (ciclo de marcha EU/ECE). Alrededor de 1985, el ciclo de marcha según ECE 15/03/15/01 tenía el siguiente aspecto:

La velocidad máxima era de 50 km/h y la longitud del test era de 1,013 km. El test se recorría cuatro veces.

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Entre tanto, el ciclo de marcha EU tiene el siguiente aspecto:

Condiciones Duración del ciclo: longitud del ciclo: Número de ciclos/test: Velocidad media: Velocidad máxima:

1220 s 11,007 km 4+1 33,6 km/h 44,0 km/h sin fase de ralentí 120 km/h

Llama la atención el hecho de que la duración del test se ha prolongado mucho y de que también la velocidad máxima se ha incrementado a 120 km/h. La primera parte del ciclo se recorre cuatro veces, y la segunda sólo una vez. En el marco de la revisión de normas con vistas a las normas III y IV de la EU se ha modificado también este ciclo de marcha. Hasta ahora, después de arrancar el motor se dejaba una fase de ralentí de 40 s, y sólo después se iniciaba el proceso de medición. En el nuevo ciclo de marcha EU, la medición comienza inmediatamente después de arrancar el motor. Antes de la primera aceleración se deja sólo una fase de ralentí de 11 segundos (durante la cual las emisiones ya se miden).

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Después de esta modificación, el ciclo de marcha tiene el siguiente aspecto:

Comienzo de la toma de muestras

Final de la toma de muestras

Condiciones Duración del ciclo: longitud del ciclo: Número de ciclos/test: Velocidad media: Velocidad máxima:

1191 S 11,007 km 4+1 33,6 km/h 44,0 km/h sin fase de ralentí 120 km/h

Las normas europeas se comparan con frecuencias con las normas sobre gases de escapes norteamericanas, ya que los EE.UU. han desempeñado por un lado un papel pionero en cuanto a la reducción de emisiones de gases de escape a través de la legislación y por otro lado debido a que muchas naciones no europeas se orientan en su legislación a las normas norteamericanas. Sin embargo no es posible comparar directamente ambos sistemas. Los ciclos de marcha europeos miden las sustancias contaminantes en gramos por test. Por el contrario, las pruebas norteamericanas miden las sustancias contaminantes en gramos entre sí. Sin embargo, esto no es tan fácil como puede parecer en un primer momento, pues los ciclos de test son diferentes tanto por la duración como por la longitud del trayecto recorrido (US: 17,8 km, ECE: 11,007 km), así como en lo que atañe a la velocidad máxima a la velocidad media y a los intervalos de velocidad. Por esta razón es muy difícil hacer comparaciones cuantitativas directas. Para que pueda usted hacerse una idea de los diferentes ciclos de test, hemos comparado en las páginas siguientes los ciclos de marcha usuales en la actualidad. Primero ve usted cada ciclo en un diagrama separado, y luego se superponen ambos ciclos en un diagrama. El diagrama muestra claramente que ambos ciclos tienen una estructura demasiado diferente para poder compararlos sin problemas. Para conseguir valores comparables sería necesario utilizar un ciclo y representar los resultados en respectivamente un sistema (gramos por test para el ciclo de marcha ECE y gramos por milla para el ciclo de marcha US).

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