Repositorio Institucional de Documentos

E SCUELA D E I NGENIERÍA Y A RQUITECTURA U NIVERSIDAD D E Z ARAGOZA PROYECTO FIN DE CARRERA MEMORIA A NÁLISIS Y E STUDIO D E S ISTEMAS D E A UMENTO D E R ENDIMIENTO Y R EDUCCIÓN D E E MISIONES E N M OTORES A LTERNATIVOS D E C OMBUSTIÓN I NTERNA Alumno: Jorge Asensio López Directora de proyecto: Yolanda Bravo Rodríguez Especialidad: Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Convocatoria: Septiembre 2012 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 1 ÍNDICE 1.-OBJETIVOS/ MOTIVACIÓN/ ALCANCE……………………………………….27 1.1.- Objetivos del proyecto………………………………………….......................27 1.2.-Motivación……………………………………………………………………..28 1.3.- Alcance………………………………………………………………………..28 2.- INTRODUCCIÓN………………………………………………………................29 3.- ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL………………………………………30 3.1.- La combustión………………………………………………………………….30 3.1.1.- Estequiometría…………………………………………………………..31 3.1.2.- Motores de Encendido Provocado……………………………………….38 3.1.3.- Motores de Encendido por Compresión…………………………………42 3.1.4.- La formación de los contaminantes……………………………………..43 3.1.4.1.- Productos contaminantes en los MEC…………………………..44 3.1.4.2.- Métodos de reducción de emisiones contaminantes…………….45 3.2.- El petróleo 3.2.1.- Historia del petróleo……………………………………………………...49 3.2.2.-La contaminación…………………………………………………………50 3.2.3.- Reservas petrolíferas……………………………………………………..51 3.2.3.1.- La Teoría de Pico de Hubbert…………………………………...57 3.2.4.- El precio del petróleo…………………………………………………...59 3.3.- Normativa de reducción de emisiones contaminantes………………………….61 3.3.1.- Introducción…………………………………………………………….61 3.3.2.- El control de las emisiones……………………………………………...61 3.3.3.- El desarrollo de medidas………………………………………………..62 3.3.3.1.- Medidas particulares…………………………………….……...63 3.3.4.- Normativa de emisiones de la Unión Europea………………………….64 3.3.4.1.- Normativa para turismos……………………………………….64 3.3.4.2.- Normativa para vehículos industriales y ligeros……………….65 3.3.4.3.- Normativa para vehículos pesados(camiones y autobuses)........66 3.3.4.4.- Normativa para vehículos N2 y N3…………………………….67 3.3.5.- Norma Euro6……………………………………………………………68 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 2 4.- EL MACI…………………………………………………………………………70 4.1.- Evolución histórica del MACI………………………………………………..70 4.2.- Introducción a los sistemas de aumento de rendimiento y reducción de emisiones en el MACI......................................................................................94 4.2.1.- Optimización del sistema de inyección…………………………………95 4.2.1.1.- La inyección…………………………………………………….95 4.2.1.1.1.- La inyección en motores de gasolina…………………96 4.2.1.1.1.1 El sistema de inyección directa… …………96 4.2.1.1.1.2.- El sistema de inyección indirecta………..103 4.2.1.1.2.- La inyección en motores Diesel…………………… 105 4.2.1.1.2.1.- El inyector-bomba……………………….113 4.2.1.1.2.2.- Bomba de inyección rotativa…………….114 4.4.1.1.2.3.- Sistema Common-Rail…………..............118 4.2.1.1.2.4.- Bomba VP 44 Bosch................................ 118 4.2.1.1.2.5.- Sistema de bomba unitaria …………..….119 4.2.1.1.2.6.- Sistema de unidad inyectora……………..120 4.2.1.1.2.7.- Sistema de inyector Dual………………...121 4.2.2.- Accionamiento flexible de válvulas………………………………….122 4.2.2.1.- Las válvulas en motores de combustión……………………..122 4.2.2.1.1.- Introducción……………………………………....122 4.2.2.1.2.- Lás válvulas de asiento en motores de combustión122 4.2.2.2.- Sistemas de Distribución Variable…………………………..128 4.2.2.2.1.- Desplazamiento del árbol de levas………………..129 4.2.2.2.1.1.- Convertidores de fase…………………129 4.2.2.2.1.2.-Sistema Vanos………………………....133 4.2.2.2.1.3.-Sistema VarioCam……………………..135 4.2.2.2.1.4.-Sistema Valvetronic…………………...139 4.2.2.2.1.5.- Sistema Vario Cam Plus………………142 4.2.2.2.1.6.-Sistema VVT (cambio del Overlap)………………………………145 4.2.2.2.2.- Alzada de levas Variable………………………….150 4.2.2.2.2.1.-Sistema VTEC de Honda……………...150 4.2.2.2.2.2.-Sistema VVTl-i de Toyota…………….153 4.2.2.2.2.3.- Sistema de desconexión selectiva de Cilindros…………………156 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 3 4.2.3.- Sistemas de admisión variable……………………………………..164 4.2.3.1.- Introducción………………………………………………..164 4.2.3.2.- Modelos de admisión variable……………………………..168 4.2.3.2.1.- Admisión variable por longitud del colector…….168 4.2.3.2.2.- Admisión variable por resonancia……………….168 4.2.3.2.3 Sistema de admisión variable por longitud del Colector…………………………………………..169 4.2.3.2.4.- Sistema de admisión variable por resonancia……173 4.2.3.2.5.- Sistema Dual Ram de Opel……………………...174 4.2.4.- Sistema de compresión variable…………………………………….178 4.2.4.1.- El sistema VCR…………………………………………….178 4.2.4.2.- Componentes……………………………………………….180 4.2.4.2.1.- Biela……………………………………………...180 4.2.4.2.2.- Culata…………………………………………….182 4.2.4.2.3.- Cárter……………………………………………..185 4.2.4.2.4.- Cigüeñal………………………………………….187 4.2.4.2.5.- Cremalleras………………………………………189 4.2.4.2.6.- Rodillo de sincronizado…………………………..191 4.2.4.2.7.- Pistón de combustión…………………………….193 4.2.4.2.8.- Actuador………………………………………….196 4.2.4.2.9.- Empujadores hidráulicos…………………………198 4.2.4.3.-Ventajas tecnológicas……………………………………..200 4.2.4.3.1.- Reducción de emisiones………………………..200 4.2.4.3.2.- Reducción en el consumo………………………204 4.2.5.- Post-tratamiento de los gases de escape…………………………….206 4.2.5.1.- Las emisiones en motores alternativos de combustión Interna……………………………………………………....206 4.2.5.1.1.- Componentes de los gases de escape……………..206 4.2.5.1.1.1.- Partículas sólidas……………………..212 4.2.5.1.1.2.- Otros contaminantes………………….215 4.2.5.1.1.3.- Hidrocarburos inquemados…………..218 4.2.5.1.1.4.- Óxidos de azufre……………………..222 4.2.5.2.- Sistemas para reducir las emisiones contaminantes de los gases de escape………………………………………223 4.2.5.2.1.1.-Catalizadores para sistemas inyección directa de gasolina……………………………...234 4.2.5.2.1.2.-Sistema SCR…………………………………….236 4.2.5.2.1.3.-Filtro de partículas (motores Diesel)……………240 4.2.5.2.1.4.- Sistema de inyección adicional de aire en el escape………………………………………..245 4.2.5.2.1.5.- Control de la combustión (sonda Lambda)……..251 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 4 4.2.5.2.1.6.- Sistema de ventilación positiva del cárter………257 4.2.5.2.1.7.- Válvula de recirculación de los gases de escape..260 4.2.5.2.1.8.-Canister ó Filtro de carbón activo………………279 4.2.5.2.1.9.-Sistemas de control del post-tratamiento……….285 4.2.6. -Evolución de las técnicas de sobrealimentación………………….289 4.2.6.1.- El turbocompresor………………………………………..291 4.2.6.2.-Compresor volumétrico…………………………………...300 4.2.6.3.-Compresor comprex………………………………………302 4.2.6.4.-Sistemas biturbo…………………………………………..303 4.2.7.- Nuevos combustibles……………………………………………..311 4.2.7.1.-Regulación e impacto social de los biocombustibles……..311 4.2.7.1.1.-Las consecuencias de la dependencia energética.311 4.2.7.1.2.- La alternativa de los biocombustibles………….312 4.2.7.2.- Tipos de biocombustibles………………………………...314 4.2.7.3.- Marco regulatorio de los biocombustibles en Europa……………………………………………………364 4.2.7.4.- Los biocarburantes en España……………………………366 4.2.7.4.2.- El marco regulatorio en España………………..366 4.2.7.4.2.1.- Producción, logística y distribución..368 5. CONCLUSIONES Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 5 Referencias [1]Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) www.opec.org/ [2] Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico OCDE http://www.oecd.org/ [3]Agencia Internacional de Energía o AIE http://www.iea.org/ [4] Aramco (Arabia Saudita), http://www.saudiaramco.com [5] National Iranian Oil Company en.nioc.ir/ [6] Petróleos de Venezuela Sociedad Anónima PDVSA (Venezuela) www.pdvsa.com/ [7] China National Petroleum Corporation www.cnpc.com.cn/en/ [8] Kuwait Petroleum Company www.kpc.com.kw/ [9] Sonatrach www.sonatrach.es/ [10] Nigerian National Petroleum Corporation www.nnpcgroup.com/ [11] Libya National Oil Co en.noclibya.com.ly/ [12] Petróleos Mexicanos (PEMEX) México www.pemex.com/ [13] Abu Dhabi National Oil Co www.adnoc.ae/ [14] Lukoil www.lukoil.com/ [15] BP www.bp.com/ [16] Asociación para el Estudio del Pico del Petróleo y el Gas (ASPO) www.aspospain.org/ [17] ChevronTexaco www.chevron.com/ www.texaco.es/ [18] Repsol-YPF www.repsol.com/ [19] UE europa.eu/index_es.htm [20] Protocolo de Kyoto unfccc.int [21] Legislación CAFE de Estados Unidos Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 6 [22] Federación Europea de Transporte y Medioambiente www.transportenvironment.org/ [23]La Asociación de Fabricantes Europeos de Automóviles (ACEA) www.acea.be/ [24] Escuela Técnica Superior deIngenieros Industriales de Madrid www.etsii.upm.es/ [25] Mazda www.mazda.es/ [26] Mazda SerieRX en.wikipedia.org/wiki/Mazda [27]Mazda MX – 5. www.mazda.es/showroom/mx-5/overview/ [28] Bosch www.grupo-bosch.es/ [29] Mercedes 300 SL del año 1954 es.wikipedia.org/wiki/Mercedes-Benz_Clase_SL [30] Premio "Paul Pietsch Preis" [31] Fiat www.fiat.es/ [32] Toyota www.toyota.es/ [33] Siemens www.siemens.com/ [34] Delphi delphi.com/ [35] Denso www.globaldenso.com/ [36] MultiJet www.fiatmultijet.com.ar/ [37] VP 44 bomba rotativa www.boschservice.com.pe/productos_bosch [38] Bomba unitaria (UPS)www.bosch.com.mx/content/language1/html/13449.htm [39]Unidad inyectora UIS www.bosch.com.ve/autopartes/.../sistemas.../nuevas_tecnologias.htm [40]Nissan Motor Co www.nissan-global.com/ [41] Alfa Romeo www.alfaromeo.es/ [42] Twin Spark es.wikipedia.org/wiki/Motor_Twin_Spark [43]BOSCH Motronic. rb-kwin.bosch.com/mx/es/.../gasolinesystems/.../motronic.html Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 7 [44] Sistema Vanos www.bmw.es/es/es/insights/technology/.../vanos_double_vanos.html [45] BMW www.bmw.es/ [49]Sistema VarioCam www.porsche.com/microsite/.../default.aspx?pool... [50]Porsche www.porsche.com/spain/ [51] Porsche 968 es.wikipedia.org/wiki/Porsche_968 [52] Porsche 996 Carrera en.wikipedia.org/wiki/Porsche_996 [53] Audi www.audi.es/ [54] Audi A3 www.audi.es/es/brand/es/Modelos/a3/a3.html [55] Sistema Valvetronic www.bmw.es/es/es/insights/technology/.../mm_valvetronic.html [56] Sistema Vario Cam Plus www.porsche.com/microsite/.../default.aspx?pool. [57] Porsche Carrera turbo www.porsche.com/spain/models/911/ [58] Motronic ME7.8 www.catalogobosch.com/BibliotecaPDF.../Sistemas_de_Inyección.pd... 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Inyección indirecta y directa……………………………………………...104 Imagen 26. Inyector-bomba…………………………………………………………...106 Imagen 27 Evolución histórica de los inyectores bomba Bosch……………………...107 Imagen 28. Sistema de inyección…………………………………………………......107 Imagen 29. Sistema de inyección 2…………………………………………………...108 Imagen 30. Sistema de generación de alta presión de inyección……………………...109 Imagen 31.Inyector…………………………………………………………………....110 Imagen 32. Funcionamiento de sistema inyector de alta presión……………………..110 Imagen 33. Electroválvula de alta presión……………………………………………112 Imagen 34. Esquema de la inyección con válvula rotativa……………………………113 Imagen35. Sistema Common Rail de Bosch………………………………………….115 Imagen 36. Esquema de instalación del sistema Common Rail………………………116 Imagen 37. Bomba VP 44 Bosch……………………………………………………...119 Imagen 38. Sistema de bomba unitaria………………………………………………..120 Imagen 39. Sistema de unidad inyectora……………………………………………...120 Imagen 40. Inyección Dual frente inyección estándar………………………………..121 Imagen 41. Sistema de inyección Dual……………………………………………….121 Imagen 42. Esquema entradasalida de gases en cámara de combustión…………….123 Imagen 43. Ejemplo de diagrama de distribución…………………………………….127 Imagen 44. Cruce de válvulas…………………………………………………………128 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 16 Imagen 45. Motor Alfa Romeo con variador de fase…………………………………130 Imagen 46. Convertidor de fase………………………………………………………131 Imagen 47. Esquema de un convertidor de fase………………………………………132 Imagen 48. Esquema de un sistema VANOS de BMW………………………………133 Imagen 49. Esquema de funcionamiento de un sistema BI-VANOS de BMW………134 Imagen 50. Curvas de apertura de válvulas en sistema BI-VANOS de BMW……….135 Imagen 51. Sistema VarioCam………………………………………………………..136 Imagen 52. Diagrama de distribución de un sistema VarioCam……………………...137 Imagen 53. Funcionamiento del variador de fase……………………………………..138 Imagen 54. Funcionamiento variador de fase…………………………………………138 Imagen 55. Sistema Valvetronic………………………………………………………140 Imagen 56. Alzada variable mediante regulación electrónica continua………………140 Imagen 57. Variación alzada de válvulas con el sistema Valvetronic………………...141 Imagen 58. Sistema Valvetronic en motor……………………………………………141 Imagen 59. Funcionamiento sistema Vario Cam Plus………………………………...142 Imagen 60. Sistema Vario Cam Plus en motor Boxter………………………………..144 Imagen 61. Lecturas captadas en el sistema VVT y mandadas a Unidad de Control...147 Imagen 62. Sistema VVT……………………………………………………………..148 Imagen 63. Avance en sistema VVT………………………………………………….148 Imagen 64. Retardo en sistema VVT………………………………………………….149 Imagen 65. Retención en sistema VVT……………………………………………….149 Imagen 66. Motor Honda con tecnología VTEC……………………………………...150 Imagen 67. Funcionamiento sistema VTEC…………………………………………..152 Imagen 68. Funcionamiento a bajas y medias revoluciones sistema VVTl-i…………153 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 17 Imagen 69. Funcionamiento a altas revoluciones……………………………………..154 Imagen 70. Sistema hidraúlico de control y variación de parámetros en función de los revoluciones en sistema VVTl-i………………………………………………………155 Imagen 71. Motor 4.0 TFSI V8 de Audi……………………………………………..156 Imagen 72. Despiece del mismo motor con el Sistema de Desconexión a la vista…...157 Imagen 73. Funcionamiento del Audi Valvelift System……………………………...159 Imagen 74. Sistema Valve Lift en bloque motor……………………………………..160 Imagen 75. Desplazamiento pieza flotante con perfles de levas en función de los regimenes del motor…………………………………………………………………..161 Imagen 76. Desplazamiento axial de la pieza flotante cambiando el perfil de leva en contacto………………………………………………………………………………..161 Imagen 77. Eje ranurado sobre el que se coloca la pieza flotante…………………….162 Imagen 78. Pieza flotante encajada axialmente con el eje…………………………….162 Imagen 79. Muelle interno en el eje ranurado, para asegurar la correcta colocación…162 Imagen 80. Inyección monopunto y multipunto……………………………………....165 Imagen 81. Sistema de aspiración ajustable en continuo……………………………..165 Imagen 82. Sistema de admisión ajustable BMW…………………………………….166 Imagen 83. Estructura de los conductos de admisión…………………………………167 Imagen 84. Estructura de una admisión resonante……………………………………168 Imagen 85. Funcionamiento de sistema de aspiración variable Toyota………………170 Imagen 86. Sección transversal y longitudinal de motor V6 Mercedes con admisión variable………………………………………………………………………………..170 Imagen 87. Flujo del aire en sistema de admisión variable…………………………...171 Imagen 88. Funcionamiento colector de admisión variable…………………………..172 Imagen 89. Funcionamiento de la admisión variable resonante……………………....173 Imagen 90. Funcionamiento sistema Dual Ram Opel por encima y debajo de las 4000 rpm…………………………………………………………………………………….174 Imagen 91. Esquema de funcionamiento de la admisión en BMW M5………………175 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 18 Imagen 92. Motor M5 BMW de 6 cilindros…………………………………………..176 Imagen 93. Esquema del sistema de aspiración variable resonante del BMW M5…...177 Imagen 94. Relación de volúmenes…………………………………………………...178 Imagen 95. Esquema del sistema VCR…………………………………………….....180 Imagen 96. Biela del sistema VCR……………………………………………………181 Imagen 97. Estado tensional de la biela del sistema VCR en funcionamiento……….181 Imagen 98. Corte de la culata…………………………………………………………183 Imagen 99. Junta de la culata del sistema sistema VCR……………………………...183 Imagen 100. Bloque motor sistema VCR……………………………………………..184 Imagen 101. Cárter sistema VCR……………………………………………………..185 Imagen 102. Estado tensional del bloque motor………………………………………186 Imagen 103. Diseño del cigüeñal del sistema VCR…………………………………..187 Imagen 104. Cigüeñal del sistema VCR sin contrapesos de equilibrado……………..187 Imagen 105. Estado tensional del cigüeñal…………………………………………...188 Imagen 106. Estado tensional de la cremallera del pistón en sistema VCR…………..189 Imagen 107. Diseño de la cremallera del pistón……………………………………....190 Imagen 108. Rodillo de sincronizado en el sistema VCR…………………………….191 Imagen 109. Rodillo de sincronizado…………………………………………………193 Imagen 110. Pistón de combustión sistema VCR……………………………………..193 Imagen 111. Despiece del pistón de combustión junto con la cremallera…………….193 Imagen 112. Estado térmico del pistón en funcionamiento…………………………...194 Imagen 113. Ventajas del diseño del pistón de combustión del sistema VCR………..195 Imagen 114. Esquema del cilindro actuador………………………………………....196 Imagen 115. Regulación de la relación de compresión……………………………….197 Imagen 116. Localización de los empujadores hidraúlicos…………………………...199 Imagen 117. Empujador hidraúlico en el corte del bloque motor…………………….199 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 19 Imagen 118. Tasas impuestas al motor con sistema VCR por emisiones de CO2 en Francia………………………………………………………………………………...201 Imagen 119. Filtro de partículas con adición de AdBlue y reducción catalítica……...203 Imagen 120. Catalizador de 3 vías ……………………………………………………203 Imagen 121. Comparativa de emisiones en función del tamaño del tipo de vehículo..205 Imagen 122. Efecto del CO2 en la sangre…………………………………………….217 Imagen 123. Efecto del smog fotoquímico en las grandes ciudades………………….221 Imagen 124. Elementos contaminantes generados en el vehículo por lugar de origen.224 Imagen 124. Localización del catalizador…………………………………………….225 Imagen 125. Estructura catalizador de 3 vías…………………………………………226 Imagen 126. Catalizador por oxidación……………………………………………….227 Imagen 127. Estructura interna de un catalizador oxidación……………………….....227 Imagen 128. Esquema de catalizador con toma intermedia de aire…………………..228 Imagen 129. Catalizador de 3 vías……………………………………………………229 Imagen 130. Esquema de los procesos en un catalizador de 3 vías…………………..230 Imagen 131. Esquema interno de un catalizador de 3 vías……………………………231 Imagen 132. Situación del catalizador en la línea de escape………………………….233 Imagen 133. Procesos de la línea de escape con catalizadores……………………….234 Imagen 134. Sistema SCR…………………………………………………………….236 Imagen 135. Filtro de partículas Diesel……………………………………………….240 Imagen 136. Esquema de una partícula de hollín……………………………………..241 Imagen 137. Transformación química de compuestos………………………………..242 Imagen 138. Línea de escape con post-tratamiento…………………………………...242 Imagen 139. Regualción de línea de escape con Post-tratamiento……………………243 Imagen 140. Sistema con aditivo……………………………………………………...244 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 20 Imagen 140. Filtro con aditivo………………………………………………………..244 Imagen 141. Filtro sin aditivo…………………………………………………………244 Imagen 142. Válvulas Pulsair…………………………………………………………245 Imagen 143. Válvula pulsair abierta y cerrada………………………………………..245 Imagen 144. Funcionamiento válvula Pulsair………………………………………...247 Imagen 145. Esquema de un sistema con inyección del aire en el escape……………248 Imagen 146.Esquema del sistema de inyección de aire en el escape Motronic………248 Imagen 147. Esquema del sistema de inyección de aire en el escape………………...249 Imagen 148. Esquema de los componentes de un sistema de inyección de aire en el escape………………………………………………………………………………….250 Imagen 149. Sonda Lambda Bosch…………………………………………………...251 Imagen 150. Localización de la sonda Lambda………………………………………252 Imagen 151. Funcionamiento de la sonda en bucle cerrado…………………………..254 Imagen 152. Línea de escape con dos sondas lambda………………………………..255 Imagen 153. Catalizador con dos sondas lambda…………………………………….255 Imagen 154. Señales de las sondas lambda…………………………………………..256 Imagen 155. Línea de escape de un motor FSI de VAG……………………………..257 Imagen 156. Sistema de ventilación abierta………………………………………….258 Imagen 157. Sistema de ventilación cerrada………………………………………….259 Imagen 158. Sistema PCV……………………………………………………………259 Imagen 159. Esquema del circuito de ventilación positiva…………………………...260 Imagen 160. Esqeuma de un sistema EGR……………………………………………263 Imagen 161. Sección de una válvula EGR neumática………………………………...270 Imagen 162. Sección de una válvula EGR eléctrica…………………………………..271 Imagen 163. Funcionamiento de una válvula EGR…………………………………...272 Imagen 164. Válvula EGR eléctrica desarrollada por Delphi Automotive…………...272 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 21 Imagen 165. Tipos de válvulas EGR Diesel…………………………………………..273 Imagen 166. Tipos de válvulas EGR para motores gasolina………………………….273 Imagen 167. Esquema de gestión de la gestión electrónica de un Diesel donde se puede observar la función del EGR………………………………………………………….274 Imagen 168. Esquema de la recirculación de gases de escape………………………..275 Imagen 169. Esquema de un sistema EGR con refrigeración de los gases de escape...276 Imagen 170. Sistema de refrigeración de un motor TDI donde se puede observar la parte perteneciente a la refrigeración del EGR……………………………………………...277 Imagen 171. Carbonilla acumulada en la válvula EGR……………………………….278 Imagen 172. Representación de la evaporación de los gases de hidrocarburos en un vehículo antiguo………………………………………………………………………280 Imagen 173. Esquema interno del canister……………………………………………280 Imagen 174. Esquema de funcionamiento del canister…………………………….....282 Imagen 175. Localización del canister en el vehículo………………………………...283 Imagen 176. Circuito de control del canister………………………………………….283 Imagen 177. Canister en un sistema de inyección electrónica Motronic de Bosch…..284 Imagen 178. Turbocompresor (A) y compresor volumétrico (B)…………………….290 Imagen 179.Funcionamiento de un turbocompresor (izda)…………………………..291 Imagen 180. Estructura del turbocompresor………………………………………….291 Imagen 181. Regulación de la presión de control…………………………………….294 Imagen 182. Turbocompresor de geometría variable…………………………………296 Imagen 183. Turbocompresor en regímenes bajos…………………………………....297 Imagen 184 . Turbocompresor a regímenes altos……………………………………..298 Imagen 185 .Estados de funcionamiento de la electrovalvula para regulacion de la presion de sobrealimentacion…………………………………………………………299 Imagen 186 .Compresor volúmetrico tipo roots……………………………………...300 Imagen 187. Funcionamiento de compresor tipo roots……………………………….301 Imagen 188. Estructura del Turbo Comprex………………………………………….302 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 22 Imagen 189 . Compresor tipo Comprex………………………………………………303 Imagen 190 .Sistema biturbo………………………………………………………….304 Imagen191. Motor 1.4 TSI de VW……………………………………………………306 Imagen 192. Accionamiento del compresor…………………………………………..308 Imagen 193. Compresor motor V6 motor TFSI de Audi……………………………..309 Imagen 194. Logística y distribución del GLP………………………………………..321 Imagen 195. Estaciones de llenado en 2007………………………………………….322 Imagen 196. Esquema de la fabricación del bioetanol………………………………..328 Imagen 197. Diferencias en los procesos de obtención de bioetanol…………………330 Imagen 198. Distribución del bioetanol………………………………………………334 Imagen 199. El bioetanol en España………………………………………………….335 Imagen 200. El BioDiésel en España………………………………………………....351 Imagen 201. Pilas de combustible…………………………………………………….359 Imagen 202. Abastecimiento de GNV………………………………………………..364 Imagen 203. Consumo de biocarburantes en Europa en 2007………………………..373 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 23 Lista de tablas Tabla 1. Reservas y producción anual de hidrocarburos a nivel mundial……………...56 Tabla 2. Normas europeas sobre emisiones para turismos (categoría M1*), en g/km…64 Tabla 3. Normas europeas sobre emisiones para vehículos industriales ligeros ≤ a 1305 kg (categoría N1 - I), en g/km………………………………………………..65 Tabla 4. Normas europeas sobre emisiones para vehículos industriales ligeros 1305 kg-1760 kg (categoría N1 - II), en g/km………………………………………....65 Tabla 5. Normas europeas sobre emisiones para vehículos industriales ligeros 1760-3500 kg (categoría N1 - III), en g/km……………………………………………66 Tabla 6. Normas europeas sobre emisiones para motores diésel HD, en g/kWh (Humo en m-1)…………………………………………………………………………67 Tabla 7. Normas europeas sobre emisiones para la categoría EDC……………………67 Tabla 8. Normas europeas sobre emisiones para el ciclo(antiguo) ECE R49………….67 Tabla 9. Características técnicas de la biela del sistema VCR………………………..182 Tabla 10. Características técnicas de la culata………………………………………..184 Tabla 11. Diferenciación entre el cárter de aluminio y de fundición…………………186 Tabla 12. Características técnicas de cigüeñal………………………………………..188 Tabla 13. Características técnicas tanto de la cremallera anexa al pistón, cómo del engranaje……………………………………………………………………190 Tabla 14. Características técnicas del rodillo de sincronizado………………………..192 Tabla 15. Caraterísticas técnicas del pistón de combustión…………………………..194 Tabla 16. Características técnicas del cilindro actuador………………………………198 Tabla 17. Características técnicas del empujador hidraúlico…………………………200 Tabla 18. Normativas Euro de emisiones……………………………………………..202 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 24 Tabla 19. Influencia de la reducción de determinados parámetros y los resultados en consumo y reducción de emisiones de CO2………………………..204 Tabla 20. Ahorro con implementación del sistema VCR……………………………..205 Tabla 21. Valores límite de Euro 6……………………………………………………223 Tabla 22. Ventajas e inconvenientes del uso del turbocompresor…………………….295 Tabla 23. Ventajas de los turbos de geometría variable………………………………299 Tabla 24. Ventajas e incovenientes del compresor volumétrico……………………...301 Tabla 25. Ventajas e incovenientes del turbo Comprex………………………………302 Tabla 26. Comparativa de combustibles………………………………………………324 Tabla 27.Rendimiento de los cultivos de producción de BioDiésel…………………..345 Tabla 28. Estándares según norma ASTM D6751……………………………………348 Tabla 29. Estándares según norma ASTM D7467……………………………………349 Tabla 30. Análisis del uso de GNV…………………………………………………...361 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 31 3.1.1.- Estequiometría La estequiometría es el cálculo de las relaciones cuantitativas entre los reactantes (oxígeno y combustible) y los productos de la combustión. El balance de estas reacciones depende únicamente de la conservación de la masa de cada una de las especies químicas que intervienen en la reacción. La reacción de combustión de una molécula de combustible requiere de varias moléculas de oxígeno, en función del número de carbonos e hidrógenos de que esté compuesta. Cada dos hidrógenos que haya en el combustible, requieren un átomo de oxígeno, para formar una molécula de agua; y cada carbono requiere dos átomos de oxígeno, para formar una molécula de dióxido de carbono. Con esa forma, se obtiene una combustión completa. Para el caso del octeno, por ejemplo, de molécula C8H16, la reacción de combustión completa es: Hablando en términos de moles, la masa molecular del octeno es, más o menos, 112 g/mol, y la de oxígeno 32 g/mol, luego se necesitan 384 g de oxígeno para quemar 112 g de octeno. Como el aire tiene, más o menos, un 21% de moléculas de oxígeno y un 79% de nitrógeno, las 12 moléculas de oxígeno van acompañadas de 45.1 moléculas de nitrógeno, así que en definitiva, para quemar los 112 g de octeno, hacen falta 1648 g de aire (384 g de oxígeno y 1264 de nitrógeno). Se llama λ (lambda, en este caso) al cociente entre la masa de aire y la masa de combustible de una mezcla. Se dice que la mezcla es estequiométrica cuando contamos justo con el aire necesario para quemar el combustible que hay. Se llama lambda relativa (λr) al cociente entre la lambda y la lambda estequiométrica, luego una λr mayor que 1 indica que la mezcla es pobre, con exceso de aire, y si es menor que uno, que la mezcla es rica, con exceso de combustible. Como ejemplo, en un Otto de inyección en colector, la λr de funcionamiento normal es de 1, pero a plena carga, cuando pisamos el acelerador al máximo, pasa a ser de unos 0,87. Para tener máximo rendimiento, o mínimo consumo, λr ha de ser aproximadamente 1,15. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 32 La ecuación que define la proporción exacta entre el aire y el combustible que es necesario teoricamente, para que todo el combustible se oxide hasta los productos finales de combustión y teniendo en cuenta que actualmente muchos combustibles de los utilizados en los MACI contienen oxígeno se puede expresar como: CnHmOp + na (O2 + 3.76N2) -> nCO2+ (m/2)H2O + na(3.76N2) donde na = (n+ m/4- p/2) siendo el número de moles para oxidar completamente el combustible. Con n moles y m masa Con n, m y p subindices. Es necesario comentar que las ecuaciones expuestas arriba corresponden a una combustión perfecta, en particular, la primera, es una reacción global, es decir, muestra el inicio y el final de una combustión perfecta,sin embargo, las reacciones no siempre se cumplen en su totalidad, y tampoco son instantáneas, sino que constan de varias reacciones intermedias que ayudan a completar el proceso. Se pueden dar dos reacciones intermedias, que de alguna forma son etapas del proceso. La primera consiste en la destrucción de la molécula de hidrocarburo, formado monóxido de carbono e hidrógeno: Ahí ya se ha desprendido una gran parte de la energía química del combustible, pues se han roto todos sus enlaces. Después, el CO y el H2 siguen buscando oxígeno para completar la reacción de oxidación. El más ávido por oxígeno es el hidrógeno, quedando: Esa reacción también es muy energética, liberando mucha energía. Después el monóxido de carbono sigue buscando oxígeno en la cámara, pasando a dióxido de carbono, bajo la ecuación: Estas dos últimas reacciones se hacen en paralelo, pero la del hidrógeno es mucho más rápida que la del monóxido de carbono. Así, se gastan los mismos oxígenos que en la reacción global, pero por partes. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 33 Esto explica cómo, si se tiene una mezcla rica, con poco aire para el combustible, se completa la descomposición del combustible, casi todo el hidrógeno encontrará oxígeno, y será el CO el que se quede son oxidar, de manera que con mezclas ricas aumenta mucho la emisión de monóxido de carbono. Con mezclas pobres, con mucho aire, hay oxígeno suficiente para completar toda la reacción, sacando el máximo de energía por cada gramo de combustible. Se puede observar también que es posible quemar mezclas ricas obteniendo mayor potencia, al desparecer todo el combustible, la energía total liberada va a ser mayor con mezclas algo ricas, por lo que se podrá obtener más potencia. Por tanto, y cómo se ha comentado, la combustión requiere que el aire y el combustible se hallen mezclados en una proporción determinada, esta proporción entre el aire y el combustible es lo que se llama "relación estequiométrica". En un motor de gasolina la relación ideal es de 14,7:1, es decir son necesarios 14,7 gramos de aire por cada gramo de combustible para realizar una combustión perfecta. En la práctica esta proporción varía ligeramente, pudiendo alcanzar valores de 12 a 16, que serían los límites de funcionamiento de la combustión en el motor. Con 12 gramos de aire por gramo de gasolina la mezcla que se obtiene es excesivamente "rica" en gasolina mientras que con una relación de 16, el motor no arrancaría por escasez ("pobre") de gasolina. Mezcla pobre Resulta del exceso de aire en la mezcla. En estas condiciones en el motor se incrementa la temperatura de la combustión, facilitando la aparición de óxidos de nitrógeno (Nox), ademas si la mezcla es muy pobre, el combustible no llega a inflamarse y el motor se para. Mezcla rica Se produce debido al exceso de combustible en la mezcla con respecto al aire que entra en la cámara de combustión del motor. En este caso el exceso de combustible no se puede combinar completamente con el aire, por lo tanto una parte del combustible es expulsado por el escape en forma de hollín y CO (monóxido de carbono). En automoción se habla de factor lambda o relación "lambda" cuando quiere definirse la relación entre la cantidad de aire necesaria para producir una combustión completa, en relación estequiométrica y la cantidad de aire real que aspira el motor. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 34 Durante el funcionamiento del motor el factor lambda debe variar dentro de unos limites máximo y mínimo establecidos ya que el motor no puede estar alimentado constantemente con una mezcla en relación estequiométrica teórica, (esto es lambda = 1), puesto que en estas condiciones el motor no proporcionara ni su potencia máxima ni el máximo rendimiento térmico. En definitiva, el factor "lambda" da una idea muy precisa de la riqueza o pobreza de una mezcla, así se dice que: -Con una relación "lambda = 1", se obtiene una combustión perfecta porque el aire aspirado coincide con el teórico (el aire aspirado es el 100 % del teórico necesario). -Con una relación "lambda < 1", por ejemplo 0,8 indica escasez de aire por lo que la mezcla resulta rica de combustible (el aire aspirado es solo el 80 % del necesario). -Con una relación "lambda > 1", por ejemplo 1,20 indica exceso de aire, por consiguiente una mezcla pobre (el aire aspirado es un 120 % del teórico, es decir un 20 % mas del necesario). Como se puede ver en la gráfica inferior la potencia máxima en un motor otto se obtiene con una mezcla ligeramente rica, mientras que el consumo mínimo se consigue con una mezcla ligeramente pobre. Gráfica 1.Proporción de la mezcla y sus efectos en la emisión de gases contaminantes Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 35 La relación aire/combustible (factor lambda) tiene una influencia decisiva sobre Ia emisión de los gases contaminantes, como son el monóxido de carbono (CO) y el anhídrido carbónico (CO2). MONÓXIDO DE CARBONO (CO) La emisión de monóxido de carbono (CO) aumenta con las mezclas ricas, o sea para mezclas con un factor "lambda < 1". El oxígeno existente no es suficiente para completar la combustión, por lo cual el contenido de CO en los gases de escape es elevado. Por el contrario el monóxido de carbono (CO) disminuye con las mezclas pobres, o sea para mezclas con un factor "lambda > 1". El oxígeno presente es abundante y la combustión tiende a completarse, por lo cual el contenido de CO en los gases de escape alcanza valores mínimos. DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) La concentración de C02 alcanza el valor máximo para coeficientes "lambda" cercanos a 1. El valor de C02 puede dar una idea de la "calidad" de la combustión, obsérvese que el pico de valor máximo corresponde prácticamente con una mezcla con un factor "lambda" ligeramente superior a 1,00. Conviene recordar que hasta no hace mucho tiempo, los fabricantes de automóviles, hacían trabajar los motores con mezclas ricas, necesarias entre otras cosas para poder obtener potencias específicas elevadas. En la actualidad, para conseguir una reducción de los consumos, la tendencia es a trabajar en el campo de las mezclas pobres. Gráfica 2. Relación entre lambda y el porcentaje de CO y CO2 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 36 HIDROCARBUROS (HC) La concentración de hidrocarburos sin quemar se reduce a valores mínimos para relaciones aire-gasolina ligeramente superiores a la estequiométrica, es decir, para mezclas clasificadas como pobres (lambda = 1,2). Con mezclas ricas es imposible quemar por completo los hidrocarburos por falta de oxígeno. Por el contrario, con mezclas muy pobres (lambda > 1,2) se pueden tener retrasos en la combustión, dificultad de propagación de la llama o fallos de encendido al haberse superado los límites de inflamabilidad. En este caso la combustión resulta incompleta y se comprueba un aumento significativo de los HC emitidos en el escape. Gráfica 3. Relación entre lambda y la emision de particulas de HC ÓXIDOS DE NITRÓGENO (NOx) La dosificación de la mezcla influye también en la emisión de óxidos de nitrógeno (NOx). Una mezcla pobre contiene una cantidad mayor de oxígeno que facilita la formación de NOx. Para valores "lambda = 1,1" (relación aire/gasolina de 16:1) ligeramente superior a la relación estequiométrica (lambda = 1,0) se obtiene la concentración máxima de NOx. Si aumenta aún más la dosificación, disminuye la temperatura de combustión y por consiguiente se reduce la cantidad de óxidos de nitrógeno aunque exista exceso de oxígeno. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 37 La cuestión que se plantea ahora, una vez de analizados los datos expuestos mas arriba sobre la formación de los gases de escape, consiste en la imposibilidad de limitar al mismo tiempo los tres gases contaminantes principales: CO, HC y NOx , actuando únicamente sobre la dosificación de la mezcla. En efecto, en la zona de utilización del motor (lambda = 0,8 a 1,1), ocurre que a los valores mínimos de la emisiones de CO y HC corresponde el valor máximo de NOx. Para conseguir al mismo tiempo una reducción drástica de CO y de NOx y obtener un buen comportamiento de los HC, sería preciso garantizar una combustión completa con un factor lambda superior a 1,05. Gráfica 4. Resumen de relación de lambda y emisiones Existe no obstante una zona llamada "ventana lambda" (puede verse en la Gráfica 5) donde la proporción de gases es mínima y si puede conseguirse que el motor trabaje en esta zona, se garantizará una reducción de los gases contaminantes. Esta condición impone en la práctica buscar soluciones técnicas que garanticen el funcionamiento correcto en todas las condiciones de servicio del motor. Y la solución ha venido de diversas fuentes: la implementación de sistemas de inyección de gasolina con mando electrónico, la regulación de la mezcla para que trabaje cercana a la "ventana lambda" y el uso del catalizador. De este modo se ha conseguido reducir la emisión de gases contaminantes mediante la optimización de la combustión y la depuración posterior de los gases. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 38 La ilustración inferior muestra las gráficas de los distintos gases de escape después de atravesar el catalizador. Obsérvese como en la zona marcada como "ventana lambda" es donde coinciden los tres gases en la mínima concentrada Gráfica 5. Ventana Lambda En los MACI nos encontramos con dos procesos de combustión básicos, la combustión de Encendido Provocado y la combustión por Compresión, generando pues dos tipos de motores respectivamente, los MEP y los MEC. 3.1.2.- Motores de encendido provocado ( MEP) Cuando termina la compresión, en el motor Otto (MEP) se dispone de una mezcla de aire y combustible comprimida a una presión de, más o menos, 15 veces la de admisión (a plena carga, eso son unos 15 bares), y una temperatura, suponiendo un ambiente de 25ºC, de unos 375ºC. Por tanto, una vez finalizada la admisión, debido a la disminución del volumen del cilindro, se comprimer un fluido formado por: - Aire que proviene del proceso de admisión - Gases residuales procedentes del ciclo anterior, o bien recirculados ( EGR) -Combustible inyectado en el colector, en el caso de motores de inyección convencionales, en otros casos puede suceder que el combustible se inyecte directamente a la cámara de combustión ( motores de inyección directa) Para que comience la reacción de combustión, hace falta que se aporte algo de energía a la mezcla, para elevar la temperatura, que genera la inflamación de la mezcla. Ese aporte de energía se realiza en motores Otto mediante el salto de una chispa eléctrica en algún punto de la cámara. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 39 En ese momento, los gases que están cerca de la bujía reciben la descarga, aumentando su temperatura y reactividad, formándose una llama que avanza hasta llegar a las paredes, convirtiendo los reactantes en productos de la combustión. Se genera pues una nube de gases, compuesta por los productos de la combustión del hidrocarburo y aire (dióxido de carbono, agua, nitrógeno, oxígeno, monóxido de carbono, etc.) a una temperatura muy alta (será del orden de 2700 K). Esa nube está rodeada de gases más fríos, gases iguales a los originales (combustible y aire). En esa situación se va a producir una transferencia de calor desde los gases calientes a los fríos, de manera que un nuevo estrato de mezcla fresca recibe calor de los gases calientes, aumentando su temperatura. Imagen 1. Avance del frente de llama en la cámara de combustión en MEP La transferencia de calor se puede producir también por una cierta convección y mezcla, ya que la combustión genera mucha turbulencia en los gases. Estos últimos gases que reciben el aporte de temperatura terminan combustionando al igual que la nube inicial. Si se observa el fenómeno desde fuera, lo que se ve es un frente de llama que va avanzando por la cámara, haciendo que reaccione la mezcla. La velocidad del frente de llama es del mismo orden de magnitud que la velocidad del pistón ( aprox. 15 m/s), ésta dependerá de cómo se transfiera el calor desde los gases calientes hacia los fríos, y del tiempo que transcurra hasta que combustionen. La transferencia de calor va a depender sobre todo del nivel de turbulencia generado en la admisión, y este nivel de turbulencia será tanto mayor cuanto mayor sea la velocidad de paso de los gases. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 40 De esta forma, la velocidad del frente de llama se puede suponer, como ya se ha comentado, proporcional al régimen de giro del motor, y se llega a que el ángulo de giro de cigüeñal ocupado por la combustión, casi no depende del régimen. Este hecho hace que el límite de régimen de giro del motor de gasolina venga dado por el llenado y la resistencia de los materiales, pero no por la combustión. Una manera de reducir esa duración angular de la combustión es la utilización de dos bujías por cilindro. En ese caso se generan dos frentes de llama, que se acabarán juntando en algún punto de la cámara. Siguiendo con la velocidad del frente de llama, se puede comentar también que la riqueza de la mezcla influye de manera decisiva en la misma, de manera que con mezclas ligeramente ricas, factores lambda de 0.85 aproximadamente, que es donde la producción es mayor, la velocidad del frente es máxima. A medida que se empobrece la mezcla, va disminuyendo la producción, haciéndose tan lenta con lambdas de 1.15 que el ciclo llega a perder rendimiento, porque la combustión se prolonga mucho durante la expansión. Y para mezclas más pobres, puede llegar el caso de que aún haya llama en el cilindro al terminar el escape, y cuando se abre la válvula de admisión puede propagarse hacia el colector, provocando explosiones en la admisión muy peligrosas para el motor. A medida que se va efectuando el proceso, los gases que aún no se han quemado, van aumentando su temperatura, sometidos a la presión creciente que está habiendo en la cámara. Si la temperatura de esos gases llega a ser muy alta, es posible que ellos solos entren en ignición, sin necesidad de que llegue el frente de llama. En ese caso se produce lo que llamamos detonación o que también se conoce como picado de bielas. Otra cosa que puede pasar durante el proceso es que se apague la llama. Puede ser al principio del proceso, porque la chispa no haya sido demasiado potente, y aunque se queme una pequeña cantidad de mezcla, no haya energía para calentar suficientemente a lo que tiene alrededor. También se puede apagar la llama en medio de la combustión, normalmente porque se encuentren zonas de baja concentración de combustible. Ésto se llama "misfire", y es típico de motores que funcionan con mezcla pobre. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 47 El mayor atractivo de la combustión premezclada es que puede reducir la generación de NOx entre un 90 % y un 98 % en comparación con la combustión controlada por mezcla. La ausencia de un frente de llama en la combustión premezclada y el uso de mezclas pobres hace que las temperaturas de combustión sean muy bajas evitando la formación de NOX. Los estudios demuestran que este tipo de combustión también reduce la aparición de hollín. No obstante las investigaciones muestran que la pequeña masa de particulas emitidas en esta combustión esta compuesta por numerosas paritculas de pequeño diametro, del orden de 10 nm, lo que las hace más peligrosas para la salud. 3.1.4.3.- Métodos de reducción de emisiones contaminantes La restrictiva normativa anticontaminante ( que se analizará más adelante) hace necesario el apoyo en estrategias, en este caso dos básicas, para la reducción de emisiones. - Soluciones activas: Que tratan de evitar su formación - Soluciones pasivas: Que tratan de eliminarlas una vez creadas. Una de los principales sistemas incorporados ha sido el catalizador de tres vías, que permite acutar sobre los tres compuestos principales. El uso de este sistema, que actúa sobre todos los compuestos contaminantes generados, puede hacer pensar que el uso de otros sistemas carecería de sentido, por ejemplo el uso de EGR que es un excelente sistema de reducción del NOx, la cuestión es que en estos casos el EGR se usaría para el aumento del rendimiento a baja carga y el evitar la combustión por autoinflamación. Obviamente se generan excepciones, como sería en el caso de los motores de inyección directa en los que en determinadas condiciones de carga estratificada,como puede ser en condiciones pobres, el catalizador de tres vías no puede operar correctamente, de hecho puede oxidar el CO y los HC pero no reducir el NOx. La solución más adoptada son las trampas de NOx, que es un tipo de filtro químico que es capaz de almacenar los NOx que no puede eliminar el catalizador. Todo esto se comentará de manera más exhaustiva en el desarrollo del estudio. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 48 3.2.- El petróleo El modelo energético actual se basa mayoritariamente en el consumo de combustibles fósiles para el transporte y la generación de energía eléctrica. Hoy en día, dos factores ponen en entredicho la supervivencia de este modelo, en pie desde comienzos del Siglo XX.Dichos factores son el agotamiento de las reservas de combustible y el calentamiento global. Según la teoría de Pico de Hubbert el agotamiento de las reservas de petróleo y gas natural podría ser un hecho antes de que acabase el presente Siglo XXI. Por otro lado, cada vez son más los científicos y grupos de opinión que alertan sobre el comienzo de un período de calentamiento global asociado al incremento de emisiones de gases de efecto invernadero. Aun cuando todavía no hay acuerdo sobre la inminencia y el alcance de ambos problemas, existe un consenso generalizado sobre el hecho de que tarde o temprano, el ser humano deberá de dejar de utilizar los combustibles fósiles como su principal fuente de energía primaria y decantarse por fuentes más seguras, abundantes y menos dañinas para el medio ambiente En el presente los combustibles fósiles forman parte en un elevado porcentaje de la energía primaria que se consume en el mundo, de ese porcentaje, un 38% es carbón, 40% es petróleo y 19% es gas natural. ( Estos valores están expuestos a variación con una cierta tolerancia dependiendo de las fuentes consultadas, como se observa en la Gráfica 7). Gráfica 7. Consumo de energía primaria global Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 49 Estas generan contaminación y no son renovables. No obstante, existen diversas opciones de generación eléctrica ajenas a los combustibles fósiles que podrían mitigar la dependencia que la sociedad moderna tiene de estos recursos escasos y contaminantes. Algunas de estas opciones ya están disponibles y otras son meras hipótesis, y cada una genera distintos y enfrentados puntos de vista sobre sus supuestas ventajas e inconvenientes. Lo que es un hecho es la tendente preocupación mundial surgida en torno a la situación y que se agrava debido que al ser un recurso agotable, genera el encareciemiento de precios, con una absoluta dependencia mundial, que llega incluso a verse proyectada en conflictos internacionacionales, amparados por el control de las reservas de crudo. Y es todo esto lo que evidencia el cuestionamiento del modelo. 3.2.1.- Historia del petróleo Desde la antigüedad el petróleo aparecía de forma natural en ciertas regiones terrestres como son los países de Oriente Medio. Hace 6.000 años en Asiria y en Babilonia se usaba para pegar ladrillos y piedras, en medicina y en el calafateo de embarcaciones; en Egipto, para engrasar pieles; las culturas precolombinas de México exactamente en Talpa de Allende pintaron esculturas con él; y los chinos ya lo utilizaban como combustible. La primera destilación de petróleo se atribuye al sabio árabe de origen persa Al-Razi en el siglo IX, inventor del alambique, con el cual obtenía queroseno y otros destilados, para usos médicos y militares. Los árabes a través del Califato de Córdoba, actual España, difundieron estas técnicas por toda Europa. Durante la Edad Media continuó usándose únicamente con fines curativos. En el siglo XVIII y gracias a los trabajos de G. A. Hirn, empiezan a perfeccionarse los métodos de refinado, obteniéndose productos derivados que se utilizarán principalmente para el engrasado de máquinas. En el siglo XIX se logran obtener aceites fluidos que empezaran pronto a usarse para el alumbrado. En 1846 el canadiense A. Gesnerse obtuvo queroseno, lo que incrementó la importancia del petróleo aplicado al alumbrado. En 1859 Edwin Drake perforó el primer pozo de petróleo en Pensilvania. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 50 La aparición de los motores de combustión interna abrió nuevas e importantes perspectivas en la utilización del petróleo, sobre todo en uno de los productos derivados, la gasolina, que hasta entonces había sido desechada por completo al no encontrarle ninguna aplicación práctica. El 14 de septiembre de 1960 en Bagdad, (Irak) se constituye la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) [1] , fundada por el Ministro de Energías venezolano Juan Pablo Pérez Alfonso, junto con un grupo de ministros árabes. Es de señalar, que derivado de la crisis del petróleo de 1973 y como respuesta a la OPEP, en 1974 la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico OCDE [2] , crea la Agencia Internacional de Energía o AIE [3], con el objetivo de que los países consumidores de crudo coordinaran la medidas necesarias para asegurar el abastecimiento del petróleo. Las principales empresas estatales son Aramco [4] (Arabia Saudita), National Iranian Oil Company [5] (Irán), Petróleos de Venezuela Sociedad Anónima PDVSA [6] (Venezuela), China National Petroleum Corporation [7], Kuwait Petroleum Company [8], Sonatrach [9], Nigerian National Petroleum Corporation[10], Libya National Oil Co [11], Petróleos Mexicanos (PEMEX) [12](México) y Abu Dhabi National Oil Co [13]. En el caso de la mayor empresa rusa, Lukoil [14], la propiedad gubernamental es parcial. 3.2.2.- La contaminación El petróleo tiene el problema de ser insoluble en agua y por lo tanto, difícil de limpiar. Además, la combustión de sus derivados produce productos residuales: partículas, CO2, SOx (óxidos de azufre), NOx (óxidos nitrosos), etc. En general, los derrames de hidrocarburos afectan profundamente a la fauna y vida, razón por la cual la industria petrolera mundial debe cumplir normas y procedimientos estrictos en materia de protección medioambiental. Casi la mitad del petróleo y derivados industriales que se vierten en el mar, son residuos que vierten las ciudades costeras. El mar es empleado como un accesible y barato depósito de sustancias contaminantes. Otros derrames se deben a accidentes que sufren los grandes barcos contenedores de petróleo, que por negligencia transportan el combustible en condiciones inadecuadas. De cualquier manera, los derrames de petróleo representan una de las mayores causas de la contaminación oceánica. Ocasionan gran mortandad de aves acuáticas, peces y otros seres vivos de los océanos, alterando el equilibrio del ecosistema. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 51 En las zonas afectadas, se vuelven imposibles la pesca, la navegación y el aprovechamiento de las playas con fines recreativos. Por otro lado, otra más que conocida consecuencia de su uso es el efecto invernadero, generado por la combustión de los derivados del petróleo que cómo ya se sabe es una de las principales causas de emisión de CO2, cuya acumulación en la atmósfera favorece el cambio climático. 3.2.3.- Reservas petrolíferas Muchas son las cifras que rodean este hecho y son muy dependientes de las fuentes que las publican, pero se estima de manera general que quedan unas 143.000 millones de toneladas de crudo. Hay entre 6,8 y 7,2 barriles de petróleo por tonelada, en dependencia de la densidad del petróleo. Por tanto, las reservas de crudo se calculan entre 0,97 y 1,003 billones de barriles de petróleo. En estas imágenes se observa la localización mundial de las principales reservas de combustibles fósiles: Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 52 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 53 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 54 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 55 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 56 Imagen 4. Reservas petrolíferas y de gas mundiales En este cuadro se analizan las reservas anuales estimadas de combustibles fósiles en la actualidad: Tabla 1. Reservas y producción anual de hidrocarburos a nivel mundial [15] Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 63 La Asociación de Fabricantes Europeos de Automóviles (ACEA) [22] solicitó ampliar el plazo al menos hasta 2015 y un enfoque diferente que permitiera a los constructores reducir las emisiones de CO2 con una viabilidad económica. De igual manera, ACEA solicitó a los gobiernos de la Unión Europea el desarrollo de políticas que incentiven la demanda de vehículos con reducidas emisiones de CO2. Al ver que los fabricantes no reducían voluntariamente las emisiones, la comisión europea decidió en 2009 obligar a una reducción de emisiones progresiva que persigue alcanzar los 95 g/km de media por coche fabricado por cada fabricante. Este valor se acerca a las emisiones medias de algunos fabricantes de vehículos de gama media-baja. El porcentaje de vehículos de cada fabricante que deberán estar por debajo de la media irá creciento progresivamente: 65% en 2012, 75% en 2013, 80% en 2014 y 100% a partir de 2015. Si la media de emisiones de la flota fabricada por una empresa aumenta respecto a 2012 deberá pagar una penalización. En 2020, el objetivo es que las emisiones sean de 95 g/km. A partir de 2013 se comenzará a debatir las medidas necesarias para ello. 3.3.3.1.- Medidas particulares Uno de los objetivos de la Directiva 1999/94/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 13 de diciembre de 1999, relativa a la disponibilidad de información a los consumidores sobre el consumo de combustible y las emisiones de CO2 en el ámbito de la comercialización de los turismos nuevos, es garantizar que la información pertinente y comparable sobre el consumo de combustible y las emisiones de CO2 de los turismos nuevos, ofrecidos en venta o alquiler, en la Unión Europea se pone a disposición de los consumidores a fin de que sea el propio consumidor quien pueda elegir con conocimiento de causa, impulsando de ese modo a los fabricantes a hacer lo necesario para reducir el consumo de los automóviles. Por poner un ejemplo, en Reino Unido, el planteamiento inicial se consideró ineficaz. La forma en que se presentó la información era demasiado complicada de entender para los consumidores. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 64 Como resultado, los fabricantes de automóviles en el Reino Unido acordaron voluntariamente poner una etiqueta de color (más sencilla para el consumidor) que muestra las emisiones de CO2 en todos los vehículos nuevos a partir de septiembre de 2005, con una letra desde la A (menos de 100 g de CO2 por km) a la F (más de 186 g/km). El objetivo de la nueva "etiqueta verde" es dar a los consumidores una información clara sobre el rendimiento medioambiental de los diferentes vehículos. Otros países miembros de la Unión Europea están también en proceso de introducir este tipo de etiquetas. 3.3.4.- Normativa de emisiones de la Unión Europea La Unión Europea ha ido desarrollando normativas respectivas a todo tipo de emisiones contaminantes cada cierto periodo de tiempo. Estas medidas son, obviamente, dependientes de los tipos de vehículos, variando los límites en función de la categoría de estos. Las etapas son normalmente denominadas Euro 1, Euro 2, Euro 3, Euro 4, Euro 5 y Euro 6 para vehículos ligeros. Las series correspondientes de las normas para vehículos pesados utilizan números romanos en vez de números arábigos (Euro I, Euro II, etc.) En estos cuadros se resumen, como se ha comentado en función de la categoría vehicular y el tipo de motor: 3.3.4.1.- Normativa para turismos Tabla 2. Normas europeas sobre emisiones para turismos (categoría M1), en g/km Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 65 3.3.4.2.- Normativa para vehículos industriales ligeros Tabla 3. Normas europeas sobre emisiones para vehículos industriales ligeros ≤ a 1305 kg (categoría N1 - I), en g/km Tabla 4. Normas europeas sobre emisiones para vehículos industriales ligeros 1305 kg-1760 kg (categoría N1 - II), en g/km Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 66 Tabla 5. Normas europeas sobre emisiones para vehículos industriales ligeros 1760-3500 kg (categoría N1 - III), en g/km 3.3.4.3.- Normativa para vehículos pesados ( camiones y autobuses) Aunque para los turismos, las normas se definen en g/km, para los camiones se definen según la potencia del motor en g/kWh y por lo tanto no son comparables. La siguiente tabla contiene un resumen de las normas sobre emisiones y de sus fechas de aplicación. Las fechas de las tablas se refieren a nuevas homologaciones; las fechas de todas las homologaciones son en la mayoría de los casos un año después (las homologaciones de la UE son válidas durante más de un año). El nombre oficial de la categoría es vehículo pesado de motores diésel, que en general incluye a camiones y autobuses. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 67 Tabla 6. Normas europeas sobre emisiones para motores diésel HD, en g/kWh (Humo en m-1) 3.3.4.4.- Normativa para vehículos N2 y N3 Tabla 7. Normas europeas sobre emisiones para la categoría EDC Tabla 8. Normas europeas sobre emisiones para el ciclo (antiguo) ECE R49 El ciclo ECE R49 se trata de un ciclo de prueba dinámico, nótese que los vehículos ligeros se ensayan instalando el vehículo en un banco de rodillos y siguiendo un ensayo dinámico normalizado, mientras que los vehículos pesados, industriales, estacionarios y marinos pasan por ensayos estacionarios o dinámicos en bancos de pruebas Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 68 3.3.5.- Norma Euro 6 Según los informes europeos la nueva norma sobre emisiones, Euro 6 entrará en aplicación según los Reglamentos estipulados: - 1 de septiembre de 2014 para homologaciones nuevas - 1 de septiembre de 2015 para nuevas matriculaciones. Respecto a los motores de gasolina y derivados prácticamente no hay variación con respecto a la Euro 5, las principales restricciones se producen en los motores Diésel y son bastante acusadas. En primer lugar Euro 6 establece que en estos la emisión máxima de de NOx se reduzca de 180 a 80 mg/km recorrido. La limitación en la emisión de monóxido de carbono (CO) y de partículas en suspensión se mantiene en 500 y 5 mg/ km, pero en cambio la mezcla combinada de hidrocarburos y óxidos de nitrógeno queda limitada a 170 mg/km en lugar de 230 mg/km. Con respecto a la norma análoga y referente a vehículos pesados ( Euro VI) se destacan las siguientes modificaciones: - Nuevos ciclos transitorios y estacionarios que incluyen el arranque en frío. - Reducción de las emisiones de NOx en un 80% respecto a la Euro V. -Reducción de la masa de partículas en un 66% respecto a la norma anterior e introducción de un límite adicional respecto al número de partículas, que tradcuciría en una reducción total de la las partículas superior al 95%. - Introducción de un límite para las emisiones de amoniaco. -Inclusión de las emisiones de gases de combustión del cárter si no se utiliza la recirculación de la aspiración de dichos gases. -Mejora de los requisitos de duración en materia de emisiones hasta 700.000 Km o 7 años para vehículos con la masa de referencia mñas alta (más de 7.5 toneladas). -Optimización del rendimiento del sistema de diagnóticos OBD (cuya función, comentaremos en apartados posteriores). Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 69 Con respecto al CO2 ni Euro 5 ni Euro 6 se establecen límites de emisiones y sin embargo desde 2009 han sido implantados, cómo ya se ha comentado anteriormente, por la Comisión Europea después de años de promover que las marcas de automoviles redujeran voluntariamente (y drásticamente) la cantidad de CO2 que emiten los vehículos. Las cifras objetivo ya han sido analizadas anteriormente, pero como dato añadido se ha establecido, que con respecto a este año 2012 el 65 % de los vehículos mtriculados de una marca en concreto deban emitir una cantidad de CO2 inferior a la media ( aunque el Reglamento no clarifica demasiado cuál es esa media, parece ser que se refiere a la media de emisiones del parque automovilístico europeo). Ese porcentaje irá aumentando hasta el 75% en 2013, el 80% en 2014 y alcanzará el 100% en 2015. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 70 4. Los MACI 4.1.- Evolución histórica de los MACI Desde siempre la primera energía mecánica utilizada por el hombre ha tenido el origen en su propia energía muscular, incrementada a través de mecanismos simples como la palanca y la polea. Otro paso importante en la obtención de la energía necesaria para realizar las labores más extenuantes consistió en la domesticación de los animales para la sustitución de la energía humana por la animal, en general más potente. A lo largo de los años la mejora progresiva de diversos aparejos permitió ir incrementando la capacidad de tiro de los animales. La importancia del aprovechamiento de la energía de los animales en la sustitución de tareas de los hombres se comprende fácilmente teniendo en cuenta que aún hoy en día se sigue utilizando.Un paso importante ha sido el aprovechamiento de las energías potenciales de la naturaleza como la hidráulica y la eólica, que eran las más fácilmente detectables por el hombre. Así, las primeras ruedas hidráulicas, precursoras de las actuales turbinas, constituyeron las primeras actividades de producción en serie en las que se utilizó maquinaria. El uso de la energía hidráulica pasó de los molinos de grano a las demás actividades industriales, hasta tal punto que la revolución industrial se inició en un momento en el que las máquinas hidráulicas, sobre todo motores, estaban muy extendidas. De hecho, como lo veremos luego, los primeros motores de vapor se usaron en muchas ocasiones para bombear agua y mover ruedas hidráulicas. Respecto a la energía eólica aparte de su uso convencional para mover barcos, comenzó a utilizarse más tarde que la hidráulica con fines industriales. Tanto la energía hidráulica como la eólica tienen el inconveniente de ser fuentes de energía de carácter estacional cuya utilización está limitada a la presencia de saltos de agua y a la relativa constancia de la velocidad y dirección del viento, respectivamente. La aparición de las primeras máquinas de vapor potenció y aceleró el gran desarrollo tecnológico que dio lugar a la revolución industrial a principios del siglo XVIII. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 71 LAS MÁQUINAS DE FUEGO La obtención de energía mecánica a partir de la combustión de combustibles se produjo antes del desarrollo de las bases termodinámicas (siglo XIX). Así, el aparato más antiguo de obtención de energía mecánica a partir del estado térmico proporcionado por el fuego data del siglo I antes de Cristo y está descrito en los escritos de Herón de Alejandría. El aparato que posteriormente recibiría el nombre de “eolípila”, consiste en una esfera giratoria hueca provista de unos codos acodados diametralmente opuestos y orientados en sentidos opuestos que era alimentada con vapor procedente de calentar agua con fuego. El vapor entraba en la esfera a través de unos soportes huecos y al circular por los codos acodados hacía girar la esfera (Imagen 5). Este dispositivo usado, posteriormente en el antiguo Egipto con fines litúrgicos, constituye el primer antecedente de las turbinas de vapor modernas, aunque el principio de reacción pura por el que trabaja no se aplica a ninguna de las turbinas existentes actualmente. Imagen 5. Eolípila o primera turbina de reacción pura que se conoce en la historia. Siglo I a.C. No se conocen más antecedentes serios de construcción de máquinas térmicas hasta finales del siglo XVII, en 1678, cuando el francés Abbé Jean de Hautefeuille, a quien la historia ha acreditado con el origen del motor de combustión con pistón, propuso usar la capacidad explosiva de la pólvora en un cilindro para mover un pistón y obtener trabajo. Sin embargo, fue solo hasta 1680 cuando los Franceses Huygens y Papin lograron construir un motor de este tipo. La falta de control en la explosión, y particularmente la dificultad de cargar el cilindro con el combustibles sólido entre cada carrera de trabajo, frenó el desarrollo de este motor excepto para algunas aplicaciones específicas como ciertos tipos de catapultas. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 72 En la Imagen 6 se ve un esquema. Cuando el pistón terminaba su carrera ascendente descubría unas lumbreras por las que se escapaban los gases calientes y al enfriarse el gas residual (generación de vacío), junto con la presión atmosférica, actuando sobre la cara opuesta del pistón empujaban a éste hacia abajo realizando la carrera de trabajo. Imagen 6. El motor de Huygens VACÍO A PARTIR DE LA CONDENSACIÓN DE VAPOR El francés Denis Papin, ayudante de Huygens, tuvo la clarividencia de usar la condensación del vapor de agua como mecanismo para producir vacío en el interior del cilindro, proporcionando así el fundamento para la construcción de la máquina de vapor de Newcomen. El motor de vapor de Papin (1690) consistía en un cilindro vertical en el que se situaba un pistón asociado a una barra. En el fondo del cilindro se ponía agua, la cual se calentaba generándose vapor. La expansión del vapor elevaba el pistón hasta el final de su carrera, donde se fijaba. En ese momento se refrigeraba el cilindro, con lo que se producía la condensación del vapor, haciéndose el vacío. Posteriormente se liberaba manualmente el pistón, el cual realizaba la carrera descendente de trabajo por acción de la presión atmosférica, al igual que en el motor de pólvora de Huygens. La idea de Papin fue poco practicable, ya que el cilindro tenía la triple función de caldera, condensador y mecanismo transmisor de potencia. Hay que señalar que, aunque Papin fue el primero en aplicar la creación de vacío por condensación de vapor a la obtención de potencia mecánica, en 1606 Giovanni Battista della Portaya había descrito antes este fenómeno, prediciendo sus posibles aplicaciones. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 79 Con todo el aire contenido ahora en la cámara B, se produce la expansión del mismo, empujando hacia abajo ambos pistones hacia la posición inferior. En este momento, el pistón con el regenerador es elevado por la inercia del motor, mientras el pistón de potencia permanece quieto. El regenerador, que se ha refrigerado al proporcionar calor al aire que ha pasado a su través, absorbe calor del aire contenido en la cámara B que es forzado a pasar hacia abajo a través de él. De este modo el regenerador se vuelve a calentar y el aire se enfría al entrar en la cámara A, iniciándose un nuevo ciclo. Los motores de aire caliente se dejaron de fabricar a principios del siglo actual, eclipsados por los motores de combustión interna alternativos. Sin embargo, los avances en metalurgia y en la tecnología de transmisión de calor han revitalizado el interés en el motor de Stirling, debido principalmente a sus bajas emisiones contaminantes y bajo ruido. Así, no se puede descartar que, en el futuro, este motor pueda suponer una cierta competencia para los actuales. DEL CALÓRICO A LA TERMODINÁMICA Se puede dar por sentado que la máquina de vapor alcanzó un elevado nivel de desarrollo sin que se conociera claramente la naturaleza de los procesos termodinámicos que tenían lugar en su interior. Así, en el momento de aparición de la máquina de vapor no se sabía que el calor era una forma de transporte de energía y que el trabajo era su equivalente mecánico. Fue en 1765 cuando J. Black explicó la naturaleza del calor usando su teoría del calórico, según la cuál el calor (calórico) era un fluido elástico contenido en los cuerpos de cuya densidad dependía la temperatura de los mismos. Según dicha teoría, el calórico tenía poco o ningún peso y se extraía de los cuerpos por fricción y por aplicación de fuego. La teoría del calórico permitía explicar los fenómenos de origen térmico conocidos hasta esa época, sin embargo pronto comenzó a tener detractores. Así, en 1798, el estadounidense B.Thompson, conde Rumford, a través de sus experimentos con el sistema de taladro enfriado con agua utilizado en la fabricación de cañones se convenció de que el calor no era una sustancia. Esta afirmación se basaba en el hecho de que, no importaba el tiempo que el taladro estuviera trabajando en el cañón, siempre se seguía produciendo liberación de calor o, lo que es lo mismo, nunca se agotaba el calórico. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 80 Sin embargo, no fue hasta muy entrado el siglo XIV cuando se logró rebatir completamente la teoría del Calórico. Se puede decir que la ciencia que explica los procesos que ocurren en los motores térmicos, la termodinámica, se encuentra en los pensamientos del ingeniero militar francés Nicholas Leonard Sadi Carnot, publicados en 1824 con el título de “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas a recibir esta potencia”. De esta manera, y hacia finales de 1860, con la aportación de grandes genios de la historia, se logra plantear la termodinámica como cuerpo de doctrina. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS Como se mencionó antes, la historia acredita al francés Abbé Jean de Hautefeuille como el hombre que primero concibió la idea del motor de combustión con pistones, debido a que en 1678 propuso usar pólvora en un cilindro para mover un pistón y obtener trabajo. Un par de años más tarde los franceses Huygens y Papin construirían un motor de este tipo, pero de aquí en adelante y durante más de 100 años, hasta 1794, con el motor desarrollado por Street en Inglaterra (ver Imagen 12 ) no se volvería a hablar de otra cosa que fueran las máquinas de vapor. Imagen 12 . Motor de Street (1794) Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 81 En este motor, el aire se inducía al cilindro bombeándolo con la mano, haciendo que el pistón subiera un poco. Luego se inyectaba combustible líquido y se producía el encendido debido al calentamiento de la parte inferior del cilindro ubicado en un horno. La combustión y expansión de los gases forzaban el pistón hacia arriba y realizaba trabajo, no solamente para elevar el pesado pistón, sino también para bombear agua a una elevación superior. La parte superior del cilindro estaba rodeado de una chaqueta de agua para refrigerar los gases de combustión y producir así un vacío parcial, el cuál, combinado con el efecto de la gravedad, hacían que el pistón se impulsara hacia abajo y elevara el agua desde el pozo. 32 años más tarde, en 1826, el inglés Samuel Brown era acreditado como el inventor del motor de vacío. Usaba un gran tanque lleno de aire dentro del cual inyectaba combustible gaseoso. El encendido de la mezcla producía una llama que forzaba el aire hacia fuera del tanque. La válvula de escape del tanque se cerraba cuando la presión disminuía hasta la atmosférica, y en ese momento inyectaba un chorro de agua dentro de los gases calientes provocando un enfriamiento rápido de los gases y obteniendo un vacío parcial en el tanque. Una cara del pistón estaba sometida a la presión atmosférica y la otra al interior del tanque, de tal forma que la diferencia de presiones unidas al peso de éste, generaban la fuerza para mover el pistón y realizar trabajo. El 13 de mayo de 1854 los Padres Eugenio Barsanti y Felix Matteucci patentaban en Inglaterra su método de “obtención de potencia motriz por explosión de gases”. En la Imagen 13 muestra el pistón y la biela descendiendo debido al efecto del enfriamiento de gases, al peso del pistón y a la presión atmosférica hasta que la cara superior del pistón descubre el puerto superior en la parte inferior izquierda del cilindro. Esto obliga a pasar los gases de combustión hacia la parte superior del pistón. La parte superior del cilindro está abierto a la atmósfera, de tal forma que los productos de combustión se mezclan con el aire inducido dentro del cilindro durante la carrera de bajada del pistón. La aplicación de la patente requiere del uso de dos cilindros, así que la bajada del segundo pistón inicia la subida del primero y el aire es inducido a través del puerto empleado para escape. Se inyecta hidrógeno a través de una válvula ubicada en la parte inferior derecha del cilindro. El movimiento del mecanismo de esta válvula produce una chispa selectiva, la cuál enciende los gases. El pistón y la biela eran libres durante la carrera de subida, pero realizaban trabajo en la carrera descendente. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 82 Imagen 13. Vista parcial del motor de pistón libre de Barsanti y Matteucci El motor de Lenoir. En 1860 el francés Étienne Lenoir desarrolló el motor de gas sin compresión fuertemente inspirado en las máquinas de vapor de la época. Se usaba una mezcla aire y gas de hulla que se quemaba a presión atmosférica. La mezcla aire – gas se admitía durante parte de la carrera de admisión a través de una válvula de corredera, cuya apertura era controlada por un sistema de varillas movido desde el cigüeñal. Cuando el pistón había realizado aproximadamente la mitad de la carrera, las válvulas se cerraban y, poco después, saltaba una chispa, originada por una bujía, lo que inflamaba la mezcla elevando la presión y transmitiendo potencia al pistón durante la segunda mitad de la carrera. En la carrera de regreso se descargaban los gases del cilindro. La eficiencia de este motor era baja debido a lo corta que era la carrera de expansión y a la ausencia de compresión previa de la mezcla. Pese a esto, se construyeron cerca de 500 motores de este tipo en Francia e Inglaterra. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 83 Imagen 14. Diagrama presión – volumen del motor de Lenoir En 1866 los alemanes Otto y Langen construyen una versión mejorada del motor de Barsanti y Matteucci, incluyendo además las mejoras del motor de Lenoir como la válvula de corredera y el encendido provocado de la mezcla. El motor Otto-Langen, como se llamó después, empleaba un volante de inercia para subir el pistón desde la posición inferior e inducir carga fresca. Este motor aprovechaba el incremento de presión por la combustión de la mezcla al principio de la carrera de subida de un pistón libre para acelerar dicho pistón, que estaba solidario a una cremallera. La subida rápida del pistón libre, que tenía una inercia considerable, producía la formación de vacío en el interior del cilindro. Posteriormente, con la cremallera del pistón engranada al cigüeñal, la presión atmosférica empujaba al pistón en su carrera descendente, que era la que proporcionaba trabajo al pistón. Por otra parte la válvula de corredera controlaba los procesos de admisión, escape y encendido de la mezcla mediante una llama de gas. Se construyeron cerca de 5000 motores que tenían las siguientes características: •Potencia nominal: entre 0,25 y 3CV •Régimen de giro: entre 90 y 110r pm •Rendimiento térmico: entre 8% y 11,2 % Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 84 Principios de Beau de Rochas En Francia, en 1862, Beau de Rochas sentaba los cuatro principios fundamentales para ahorro de combustible en un motor de combustión a pistones: 1. Relación superficie - volumen lo más pequeña posible para el cilindro. 2. Proceso de expansión lo más rápido posible. 3. Expansión lo máxima posible. 4. Máxima presión posible al inicio del proceso de expansión. Las primeras dos condiciones van encaminadas a reducir al mínimo las pérdidas de calor, permitiendo así que toda la energía disponible en los gases de escape se transforme en trabajo .La tercera condición prevé la expansión de los gases hasta el máximo, de tal manera que se obtenga el máximo trabajo de la expansión. La cuarta condición reconoce el hecho de que entre más alta sea la presión inicial, mayor es la presión a través de la carrera para una relación de expansión dada y hace posible mayores relaciones de expansión, resultado ambas en más trabajo. Beau de Rochas, también indicó el método de operación deseado para el motor de combustión interna a pistón: 1. Admisión durante la carrera de bajada del pistón. 2. Compresión durante la subida del pistón. 3. Encendido de la carga en las cercanías del punto muerto superior, seguida por una expansión durante la carrera de bajada del piston. 4. Escape durante la siguiente carrera de subida del pistón. Han transcurrido cerca de 140 años y los principios siguen siendo prácticamente los mismos, únicamente se han variado los tiempos de aperturas y cierres de válvulas con el fin de incrementar las velocidades y las potencias. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 85 El motor de Brayton En 1873, el estadounidense Brayton, desarrolló un motor que tenía las características de proceso de combustión a presión constante y expansión completa. Se usaba un cilindro para comprimir aire o la mezcla aire – combustible; el otro cilindro se usaba como un cilindro de trabajo y era lo suficientemente grande para obtener la expansión completa hasta presión atmosférica. El compresor descargaba la mezcla a una cámara, y la mezcla fluía luego de ésta al motor, siendo encendida y quemada a presión constante a medida que entraba al motor (ver Imagen 15). Imagen 15.Esquema del motor de Brayton y representación en el P – V del proceso ideal Se mantenía una llama para el encendido de la mezcla mediante un baypass desde la cámara, y como medida de seguridad, para evitar la retro llama a la cámara se ponía una malla. El motor de Brayton, aunque construido relativamente en gran número, no representó una competencia considerable con el motor de pistón libre de Otto-Langen debido principalmente a su bajo rendimiento por las elevadas pérdidas de calor y de fricción. Posteriormente éste se abandonó completamente a favor del proceso de Beau de Rochas cuando el motor de Otto penetró en el mercado estadounidense. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 86 Teóricamente el ciclo de Otto y el de Brayton deberían tener el mismo rendimiento térmico. Aunque el proceso de Brayton fue desechado para su aplicación en motores de pistones, fue sin embargo usado como proceso para las turbinas de gas y por esta razón a veces se dice que éstas trabajan según el ciclo de Brayton EL MOTOR OTTO A pesar de todos los diseños de motores de combustión interna alternativos descritos hasta ahora, la máquina de vapor era aún el motor más utilizado. Sin embargo, esta situación cambió rotundamente en el año 1876, cuando el alemán Nikolaus August Otto (ver Imagen 16) construyó el primer motor de cuatro tiempos de la historia basado en los principios de Beau de Rochas. Este motor ingresaría al banco depatentes con el número 365,701. Imagen 16 . Nikolaus August Otto y principio de operación del motor de gas de Otto Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 87 A pesar de que la patente de Otto fue invalidada en Alemania porque se basaba en los principios de Beau de Rochas, nadie acusó a éste de haber copiado, sino que simplemente se pensó que a Otto se le había ocurrido el ciclo de cuatro tiempos 14 años después que a Beau de Rochas. Las repercusiones de este litigio llegan hasta nuestros días, ya que el ciclo de cuatro tiempos se conoce en Francia como ciclo de Beau de Rochas, mientras que, prácticamente en el resto del mundo, se le llama ciclo Otto. En 1885 se implementaron en el motor de Otto dos mejoras significativas: el sistema de encendido eléctrico de la mezcla por magneto (diseñado por Otto) y el carburador de superficie para vaporizar el combustible líquido. Ya para 1890, se habían vendido cerca de 50.000 de estos motores en Europa y Estados Unidos. EL MOTOR DE DOS TIEMPOS De las cuatro carreras descritas en los principios de Beau de Rochas, solamente en una se obtenía trabajo (expansión). Esto es lo mismo que decir que de las dos revoluciones que tiene que dar el motor, solamente en una de ellas se logra suministrar potencia al cigüeñal (carrera de potencia). Era deseable pues, lograr obtener en una sola revolución las cuatro carreras antes mencionadas. Este principio llevó al desarrollo del motor de dos tiempos. A pesar de intentos previos, fue realmente el inglés Clerk quien en 1878 logró construir el primer motor de dos tiempos de la historia. Como se puede ver en la Imagen 17, el motor consistía en dos cilindros separados. El más pequeño contenía un pistón que bombeaba carga fresca al cilindro mayor, desplazando ésta los productos de la carga previa que se escapaba a través de puertos en las paredes del cilindro. Los motores de dos tiempos de compresión en carcasa (o en cárter) se usan más comúnmente debido a su bajo costo y pequeño tamaño especialmente en motores de fuera de borda y en motocicletas. Los motores de dos tiempos con soplador de barrido independiente se emplean en motores grandes para trabajo pesado. En la actualidad los primeros tienden a desaparecer del mercado por su excesiva descarga de emisiones contaminantes a la atmósfera. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 88 Imagen 17. Motor de dos tiempos de Clerk (1878) EL MOTOR DIESEL En 1892 el alemán Rudolf Diesel, (ver Imagen 18) basado en que el trabajo de compresión rápida en un medio incrementa su energía interna y su temperatura, propuso comprimir sólo aire hasta que alcanzara una temperatura lo suficientemente elevada para que lograra encender el combustible que se inyectaría hacia el final de la carrera de compresión. Propuso, igualmente, coordinar el ritmo (o la tasa) de inyección de combustible con el movimiento del pistón de tal forma que el calor de la combustión fuera liberado a una temperatura máxima constante. De esta forma, el proceso original fue concebido lo más cercano posible al ciclo de motor de Carnot. Sin embargo, razones económicas llevaron a que el proceso se realizara como una aproximación a un proceso de combustión a presión constante para motores Diesel grandes de baja velocidad. Así pues, Diesel recibiría el 16 de julio de 1895 en los Estados Unidos la patente número 542.846 por este diseño, usando carbón pulverizado. Esta patente igualmente incluía el sistema de inyección de combustible líquido en el cual una bomba suministraba la cantidad de combustible deseado mediante una válvula de aguja y aire a presión arrastraba el combustible dentro del cilindro Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 95 4.2.1 Optimización del sistema de inyección 4.2.1.1. - La inyección Los sistemas de inyección de combustible se pueden clasificar atendiendo a diversos criterios, el más importante de los cuáles, es considerar que se inyecte o no el combustible en el cilindro (inyección directa o indirecta). Dentro de la inyección indirecta caben otros criterios cómo el número de inyectores (monopunto o multipunto), el control sobre la cantidad de combustible ( por caudal o por tiempo de inyección), el tipo de variables operativas del motor medidas para calcular la cantidad de combustible ( caudal de aire o presión en el colector), o si el accionamiento de los inyectores es simultáneo o no. El proceso de inyección es preciso y tedioso, y no es el estudio exaustivo de la teoría de la inyección lo que en este proyecto se busca, sino un análisis generico de este proceso, que permita exponer y desarrollar los sistemas creados para perfeccionarlo. Es destacable tener en cuenta que desde que el uso del carburador y el complejo proceso de dosado y regulación de la mezcla en MEP dejó paso a los sistemas de inyección actuales, las diferencias en este campo, entre los motores de gasolina y motores Diesel han disminuido notablemente. Tanto en gasolina como en Diesel, existen la inyección directa e indirecta. En Diesel lo más usado es el sistema Common-Rail y el inyector bomba, ambos sistemas de inyección directa, ya que cómo se comentará más adelante, la indirecta en Diesel está en desuso. La inyección directa en motores Diésel, guarda algunas diferencias notables con respecto a la inyección directa en gasolina, por ejemplo, la presión de inyección en gasolina es mucho más baja, el combustible, obviamente es distinto, adquiriendo en el caso de la gasolina mayores volatilidades que el gasóleo y por último la combustión se inicia con una chispa en en el caso de los MEP. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 96 4.2.1.1.1 La inyección en motores de gasolina 4.2.1.1.1.1 El sistema de inyección directa Con respecto a la inyección en motores de gasolina, los fabricantes cada vez más, se estan inclinando por sistemas de inyección directa. Pero ha sido a través del desarrollo del control electrónico de motores cuando ha tenido su máximo desarrollo, y es que, mediante el uso del carburador, y su regulación mecánica de la mezcla, y el posterior uso de la inyección indirecta, las necesidades estaban cubiertas. Actualmente, la exigencia de mejores rendimientos y menores emisiones han llevado a la inyección directa a generalizar su uso. Por poner un ejemplo, el fabricante Bosch [28] lleva tiempo aplicando sus sistemas de inyección a los motores de inyección directa. Hace más de 60 años en los motores de aviación y también en el Mercedes 300 SL [29] del año 1954, con las puertas abatibles en forma de alas de mariposa. Este sistema de inyección funcionaba igual que el utilizado por los motores Diesel, es decir, estaba dotado de una bomba de inyección en linea que tiene tantos elementos de bombeo como cilindros tiene el motor y accionados por un árbol de levas sincronizado con el cigüeñal. La presión de inyección con la que trabajaba este sistema es de 15 a 20 kp/cm2, la cual si la comparamos frente a un Diesel (150 a 400) es muy baja, lo que hacía que la precisión del equipo de bombeo no fuera muy elevada. Pero tenia el enorme inconveniente de la lubricación, ya que la gasolina no es lubricante, e implicaba la necesidad de lubricar la bomba lo que encarecía su fabricación. También los inyectores debían lubricarse, lo cual lo complicaba en extremo. Los inyectores que estaban en contacto con las altas presiones y la temperatura que se alcanzaba en la cámara de combustión del motor hacían que se deterioraran rápidamente y requierían un gran mantenimiento por ello esta inyección directa solo se usaba en vehículos muy exclusivos o deportivos. Por las razones expuestas anteriormente Bosch aparco el desarrollo de esta tecnología, hasta que la utilización masiva de la electrónica hizo mas fácil desarrollar un sistema lo suficientemente fiable y a un precio ajustado. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 97 La marca Mitsubishi [30] fue la primera en construir motores de inyección directa de gasolina. En este motor la gasolina es inyectada directamente en el cilindro, con lo que se eliminan perdidas y se mejora el rendimiento. La cantidad exacta de gasolina se introduce con una temporización muy precisa, consiguiendo una combustión completa. Las innovaciones tecnológicas que presentan estos motores son: - Colectores de admisión verticales. - Pistones con una forma especial (deflector). - Bomba de combustible de alta presión. - Inyectores de alta presión. Imagen 23. Inyección directa Si comparamos el sistema de inyección en los colectores (inyección indirecta también llamados MPI) con la inyección directa de gasolina, entendemos porqué esta ultima es superior a la primera. Los inyectores de un motor de gasolina (MPI) suelen estar ubicados en el colector de admisión, lo que explica la denominación de estos sistemas. El combustible es inyectado por delante de una válvula cerrada o bien encima de la válvula abierta y es mezclado de forma casi completa con el aire de admisión en cada una de las toberas del colector de admisión. Pero esta mezcla de aire y neblina de combustible inyectado no permite su perfecta explosión en el cilindro si no está preparada conforme a una exacta relación estequiométrica comprendida en unos límites muy específicos (1/14,7). En el caso de los motores dotados de un catalizador de tres vías es válida la ideal ecuación de lambda igual a uno. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 98 Esta precisa relación de aire/combustible tiene que ser ajustada durante cada uno de los ciclos del motor cuando la inyección tiene lugar en el colector de admisión. El problema de estos sistemas de inyección (indirecta) viene dado principalmente a cargas parciales del motor cuando el conductor solicite una potencia no muy elevada, por ejemplo, (acelerador a medio pisar). Los efectos se podrían comparar con una vela encendida dentro de un envase que se va tapando poco a poco por su apertura superior: la llama de la vela va desapareciendo conforme empeoran las condiciones de combustión. Esta especie de estrangulación supone un desfavorable comportamiento de consumo de un motor de ciclo Otto en los momentos de carga parcial. Es aquí donde se declaran las grandes virtudes de la inyección directa de gasolina. Los inyectores de este sistema no están ubicados en las toberas de admisión, sino que están incorporados de forma estratégica con un determinado desplazamiento lateral por encima de las cámaras de combustión. Otra de las ventajas es que se evita la acumulación de combustible en los colectores de admisión con el paso del tiempo. La inyección directa de la gasolina posibilita una definición exacta de los intervalos de alimentación del carburante en cada ciclo de trabajo de los pistones así como un preciso control del tiempo que se necesita para preparar la mezcla de aire y combustible. En unas condiciones de carga parcial del motor, el combustible es inyectado muy cerca de la bujía y con una determinada turbulencia cilíndrica (efecto swirl) al final de la fase de compresión mientras el pistón se está desplazando hacia su punto muerto superior. Esta concentrada carga de mezcla puede ser explosionada aunque el motor se encuentre en esos momentos en una fase de trabajo con un determinado exceso de aire (1/12.4). Su grado de efectividad termodinámica es correspondientemente más alto. Comparado con un sistema de inyección en el colector de admisión (MPI) se obtienen unas importantes ventajas de consumo de combustible merced a la eliminación de la citada estrangulación. El colector de admisión vertical Con este tipo de colector se consigue crear un flujo de aire en la admisión del tipo giratorio en sentido de las agujas del reloj, con el que se consigue un mayor rendimiento. La ventaja de este sistema de flujo giratorio respecto al turbulento utilizado en la manera clásica (inyección indirecta), es que en este ultimo tiende a concentrarse el combustible en la periferia del cilindro y por tanto alejado de la bujía, en cambio el giratorio permite concentrarlo en el lugar que mas interesa para una mejor combustión, alrededor de la bujía. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 99 El hecho de que se realice siguiendo el sentido horario obedece a la necesidad de evitar que por medio de la inyección directa de gasolina choque con la bujía, ya que esto crea una acumulación de hollín que provoca falsas explosiones. Si el flujo girara hacia la izquierda no daría el tiempo suficiente para conseguir que el chorro de gasolina inyectado directamente se vaporizase. El ángulo relativamente grande del inyector ayuda a asegurar que también tendrá tiempo suficiente para que el chorro pulverizado se combustible se vaporice, incluso cuando se inyecta durante la carrera de compresión. El deflector del pistón ayuda a concentrar la mezcla de aire/gasolina rica alrededor de la bujía. Esta mezcla estratificada de forma ideal, rica alrededor de la bujía, pobre en la periferia, permite que el motor funcione suavemente en el modo de combustión ultra-pobre, con la asombrosa relación de aire 40/1(en el caso GDI de Mitsubishi), con lo cual se consigue una importante economía de combustible. Los motores de inyección directa gasolina funcionan con dos tipos de mezcla según sea la carga del motor: mezcla estratificada, mezcla homogénea y una transición que comentaremos entre los dos tipos principales, la mezcla homogénea-pobre. Mezcla estratificada: El motor es alimentado con una mezcla poco enriquecida cuando el vehículo se desplaza en unas condiciones de carga parcial (pedal del acelerador a medio pisar). Para poder conseguir una mezcla pobre para alimentar el motor, éste debe ser alimentado de forma estratificada. La mezcla de aire y combustible se concentra en torno a la bujía ubicada en una estratégica posición central en las cámaras de combustión, en cuyas zonas periféricas se acumula prácticamente sólo una capa de aire. Con esta medida se consigue la eliminación de la mencionada estrangulación para proporcionar un importante ahorro de combustible. La positiva característica de economía de consumo es también una consecuencia de la disminuida dispersión de calor. El aire concentrado de la manera comentada en la periferia del espacio de combustión mientras se produce la explosión de la mezcla en la zona central de la cámara proporciona una especie de aislamiento térmico. Con esta estratificación específica de la carga, el valor Lambda en el área de combustión oscila entre 1,5 y 3. De este modo, la inyección directa de gasolina alcanza en el campo de carga parcial el mayor ahorro de combustible frente a las inyecciones convencionales, en marcha de ralentí incluso un 40%. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 100 Durante la fase de admisión, el volumen de aire procedente de los colectores de admisión verticales recorre la superficie curvada del pistón y refluye hacia arriba creando un potente flujo giratorio en el sentido de la agujas del reloj. El control del flujo es posible gracias a sensores de flujo de aire, que controlan la contrapresión baja, y a dos selenoides de la válvula by-pass que permiten que grandes cantidades de aire lleguen al cilindro con suavidad, lo que es importantísimo cuando se trata de funcionar con relaciones de aire/combustible extremadamente pobres de hasta 40/1. En la carrera de compresión del pistón la forma giratoria se descompone en pequeños y numerosos torbellinos. A continuación, en la última fase de la carrera de compresión, el inyector de turbulencia de alta presión pulveriza el combustible siguiendo una espiral muy cerrada. Este movimiento de turbulencia junto con la elevada densidad del aire comprimido y los pequeños torbellinos, mantienen compacto el chorro pulverizado de combustible. El combustible se concentra alrededor de la bujía. La estratificación es muy buena: la mezcla aire/combustible es rica en el centro y pobre en la periferia. Finalmente salta la chispa en la bujía y el potente producto de la combustión es controlado por la cavidad esférica del pistón que se va extendiendo mediante una reacción en cadena. El resultado de todo este proceso es una mejora del 20% en el ahorro de combustible. Mezcla homogénea El control inteligente de la inyección permite disponer asimismo de una mezcla homogénea en los regímenes más elevados (cuando se exige potencia al motor). La inyección es adaptada de forma automática y el combustible no es inyectado en las fases de compresión sino en las de admisión. Unas determinadas leyes de la termodinámica imponen, no obstante, un aumento del llenado de los cilindros y una disminución de la temperatura de compresión en estas condiciones. Estos ajustes tienen unos efectos secundarios también muy positivos que se manifiestan en forma de unos elevados valores de potencia y par motor. Con una relación de compresión alta por encima de 11 (11,5:1) ofrece un valor significativamente más alto que un motor dotado de un sistema de inyección MPI (indirecta). Con mezcla homogénea el combustible se inyecta durante la carrera de admisión para crear un efecto de refrigeración, el inyector de alta presión cambia la forma de funcionar en este modo para alimentar el combustible mediante un chorro largo en forma de cono, con objeto de conseguir una dispersión en el cilindro. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 101 El efecto de refrigeración evita las detonaciones o combustión espontánea en el cilindro que pueden producirse cuando el motor tiene una relación de compresión alta y con un elevado calentamiento. Mezcla homogénea-pobre El motor trabaja en el modo homogéneo-pobre durante la transición entre el modo estratificado y el homogéneo. La mezcla pobre se encuentra distribuida de un modo homogéneo en la cámara de combustión. La relación de aire y combustible es de lambda 1,55, aproximadamente. Ventajas • Desestrangulación en los modos operativos con mezcla "estratificada". En estos modos operativos se trabaja con un valor lambda comprendido entre 1,55 y 3. Esto permite abrir más la mariposa y aspirar más aire, por que tiene que superar una menor resistencia que provocaba la valvula de mariposa al estar medio cerrada. • En el modo estratificado el motor trabaja con un valor lambda desde 1,6 hasta 3, consiguiendo una reducion de consumo de combustible considerable. • Menores pérdidas de calor cedido a las paredes de los cilindros. Esto es debido a que en el modo de mezcla estratificada la combustión únicamente tiene lugar en la zona próxima de la bujía, esto provoca menores pérdidas de calor cedido a la pared del cilindro, con lo cual aumenta el rendimiento térmico del motor. • Debido al movimiento intenso de la mezcla en el modo homogéneo, el motor posee una alta compatibilidad con la recirculación de gases de escape, equivalente hasta un 25%. Para aspirar la misma cantidad de aire fresco que cuando trabaja con bajos índices de recirculación de gases se procede a abrir la mariposa de gases un tanto más. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 102 • De esa forma se aspira el aire superando una baja resistencia y disminuyen las pérdidas debidas a efectos de estrangulamiento. • Con la inyección directa del combustible en el cilindro se extrae calor del aire de admisión, produciéndose un efecto de refrigeración de éste. La tendencia al picado se reduce, lo que permite aumentar a su vez la compresión. Una mayor relación de compresión conduce a una presión final superior en la fase de compresión, con lo cual también aumenta el rendimiento térmico del motor. • Es posible reducir el régimen de ralentí, y se facilita el arranque en frío debido a que al reanudar la inyección el combustible no se deposita en las paredes de la cámara de combustión. La mayor parte del combustible inyectado puede ser transformada de inmediato en energía utilizable. El motor funciona de un modo muy estable, incluso al trabajar con regímenes de ralentí más bajos. Inconvenientes • Uno de los problemas principales que plantea la inyección directa de gasolina es el tratamiento de los gases de escape para cumplir las normativas anticontaminación. Los óxidos nítricos que se producen con motivo de la combustión en el modo "estratificado" y en el modo "homogéneo-pobre" no pueden ser transformados suficientemente en nitrógeno por medio de un catalizador convencional de tres vías. Los óxidos nítricos se acumulan internamente en ese catalizador y se transforman en nitrógeno mediante medidas específicas para ello. • Otro inconveniente reside en los problemas que plantea el azufre en la gasolina. Debido a la similitud química que tiene con respecto a los óxidos nítricos, el azufre también se almacena en el catalizadoracumulador de NOx y ocupa los sitios destinados a los óxidos nítricos. Cuanto mayor es el contenido de azufre en el combustible, tanto más frecuentemente se tiene que regenerar el catalizador-acumulador, lo cual consume combustible adicional. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 103 Imagen 24. Sistema de inyección directa de gasolina. 4.2.1.1.1.2.- El sistema de inyección indirecta En el caso de la inyección indirecta, el combustible se inyecta a través de un inyector por cilindro (inyección multipunto) en las proximidades de las válvulas de admisión. Este es el tipo de inyección más utilizado en los MEP actualmente y tiene la ventaja frente a la carburación de que la superficie bañada por el combustible en el colector es pequeña, evitando problemas transitorios de aceleración y desaceleración. La calidad de la mezcla aire-combustible puede ser buena porque las velocidades del aire en las proximidades de la válvula de admisión son altas. Históricamente se empleó en algunos motores un sistema con un único inyector para todos los cilindros (inyección monopunto), en la posición que tendría el carburador convencional, aportando algunas ventajas frente a éste, pero manteniendo gran parte de los problemas transistorios debido a la superficie mojada del colector de admisión. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 104 Imagen 25. Inyección indirecta y directa Se observa en la imagen la diferencia en el diseño de la cámara de combustión y la forma del pistón en ambos casos. En el caso de la inyección directa, la colocación estratégica del inyector y la bujia y la forma de la parte superior del pistón permite que la turbulencia horizontal (tumble) que se asemejaría al movimiento helicoidal del aire (swirl) al entrar en la cámara,permita la homogeneidad de la mezcla y el direccionado hacia la bujía. 4.2.1.1.2.- La inyección en motores Diesel Desde un punto de vista general la formación de la mezcla en un MEC está caracterizada por los siguientes condicionantes: - La inyección debe comenzar en un punto perfectamente definido y con una ley definidad de forma que el proceso de combustión se desarrolle con las mínimas emisiones contaminantes y un rendimiento elevado, acotándose los gradientes de presión debidos a dicho fenómeno. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 111 -Carrera de aspiración (a) El émbolo de la bomba (2) se mueve hacia arriba mediante el muelle de reposición (3). El combustible, que se encuentra permanente bajo sobrepresión, fluye desde la parte de baja presión de la alimentación de combustible, a través de los taladros de entrada integrados en el bloque del motor y el canal de entrada de combustible, a la cámara de baja presión (6) también llamada cámara de electroválvula. La electroválvula está abierta. El combustible llega a través de un taladro de comunicación a la cámara de alta presión (4). -Carrera previa (b) El émbolo de bomba baja debido al giro de la leva de accionamiento (1). La electroválvula está abierta y el combustible es presionado por el émbolo de bomba, a través del canal de retorno de combustible, a la parte de baja presión de la alimentación de combustible. -Carrera de alimentación y proceso de inyección (c) La unidad de control suministra corriente a la bobina del electroimñan (7) en un momento determinado, de modo que la aguja de la electroválvula es atraida al asiento (8), por la fuerza electromotriz, cortándose la comunicación entra la cámara de alta presión y la parte de baja presión. Este momento se denomina comienzo de inyección eléctrico. La presión del combustible en la cámara de alta presión aumenta debido al movimiento del émbolo de la bomba y con ello aumenta también la presión en el inyector. Al alcanzarse la presión de apertura de inyector de aprox. 300 bar se levantará la aguja del inyector (9) y el combustible se inyecta en la cámara de combustión (comienzo de inyección real) ó comienzo de alimentación. A causa del elevado caudal de alimentación del émbolo de bomba sigue aumentando la presión durante todo el proceso de inyección. -Carrera residual (d) Si se desconecta la bobina del electroimán (7), la electroválvula se abre después de un breve tiempo de retardo y habilita nuevamente el paso a través de la comunicación entre la cámara de alta presión y la parte de baja presión. En la fase de transición entre la carrera de alimentación y la carrera residual se alcanza la presión punta. Ésta varía, según el tipo de bomba, entre 1800 y 2050 bar. Después de estar abierta la electroválvula la presión cae rápidamente. Al haberse quedado por debajo de la presión de cierre, el inyector se cerrará y finalizará el proceso de inyección. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 112 El combustible restante, suministrado por el elemento de bomba hasta la cúspide de la leva de accionamiento, es presionado hacia la parte baja a través del canal de retorno. Los sistemas de bomba-inyector son seguros intrínsecamente, o sea, que en caso de fallo, sumamente improbable, no se podrá producir más que una sola inyección descontrolada. Puesto que la unidad de bomba-inyector está monatada en la culata, está expuesta a temperaturas elevadas. Para mantener en el nivel más bajo posible las temperaturas en la unidad bomba-inyector, se refrigera mediante el combustible que retorna a la parte de baja de presión Válvula de alta presión Se muestra esquemáticamente la electroválvula de alta presión. Imagen 33. Electroválvula de alta presión El funcionamiento de la válvula de alta presión es similar al funcionamiento de cualquier electroválvula, la válvula está abierta cuando no hay corriente atravesando la bobina imán, mientras que se cierra cuando la unidad de control manda tensión al sistema. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 113 Las bombas inyectoras de alta presión son una de las mejoras más sustanciales a nivel de aumento de la eficiencia de los motores Diesel. Pasaremos a analizar por encima los inyectores bomba rotativos, ya que a pesar de su amplio uso en el motor Diesel, en la actualidad el uso de los inyectores-bomba de alta presión y el sistema Common- Rail, ha generado que este tipo de inyectores queden en desuso. 4.2.1.1.2.2.- Bomba de inyección rotativa Este tipo de bombas, que tienen un único elemento que da presión al combustible mediante un distribuidor hasta todos los inyectores del motor. El gasoil llega a la bomba de transferencia impulsado por la bomba de alimentación, y después de pasar por el filtro. Esta bomba se encarga de aumentar la presión mandando el gasoil a la válvula dosificadora. Dado que el caudal que manda es mayor que lo que puede pasar por la válvula dosificadora, el gasoil ira por otro conducto hasta la válvula reguladora de presión, la cuál es la que se encarga de mantener la presión en el circuito. Imagen 34. Esquema de la inyección con válvula rotativa. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 114 4.4.1.1.2.3.- Sistema Common-Rail El “Common Rail” conocido en castellano como raíl o conducto común, es uno de los sistemas utilizados en los motores actuales para lograr alcanzar las exigentes normas de emisión de gases contaminantes. Con su eficaz funcionamiento se ha logrado un importante aumento de presión de inyección. En 1998 recibió el Premio "Paul Pietsch Preis" [30] para Bosch y Fiat [31] por el sistema Common Rail como innovación técnica para el futuro. En general y justificado por su mayor versatilidad y flexibilidad tiene mayor nivel de aceptación que los inyectores bomba. Es esencialmente igual a la inyección multipunto de un motor de gasolina, en la que también hay un conducto común para todos los inyectores, con la diferencia de que en los motores diésel se trabaja a una presión mucho más alta. Con este sistema se acumula combustible a una determinada presión en el conducto común o rampa, para más adelante dosificar la cantidad necesaria a cada inyector utilizando gestores electrónicos. En la década de los 90, cuando aparecieron estos sistemas, se lograban presiones de hasta 1.400 bar. Con esta primera generación del Common Rail se encontró un importante problema, el aumento de temperatura en los cilindros provocado por el aumento de presión. Esto no debería ser un problema de difícil solución, pero sí lo supuso el hecho de que esta circunstancia provocó el aumento de NOx, uno de los parámetros controlados por las nuevas normativas. Los técnicos encontraron la solución en la preinyección. Realizando pequeñas inyecciones anteriores a la principal se logra crear la condición adecuada de aumento progresivo de temperatura conteniéndose, por un lado, el aumento de emisiones y, por otro, la sonoridad del motor. Hoy por hoy se están realizando hasta tres pequeñas inyecciones antes de la principal y después una inyección posterior a esta, con lo que se han logrado aumentos de presión que rondan los 1.700 bar. Si a esto le sumamos el perfeccionamiento que están logrando los fabricantes en el diseño de los inyectores y la gestión electrónica del sistema de alimentación, alcanzamos como resultado los efectivos sistemas de inyección que se están utilizando en la actualidad y que siguen teniendo como base la tecnología del raíl común. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 115 Imagen 35. Sistema Common Rail de Bosch Funcionamiento El gasoil almacenado en el depósito de combustible a baja presión es aspirado por una bomba de transferencia accionada eléctricamente y enviado a una segunda bomba, en este caso, de alta presión que inyecta el combustible a presiones que pueden variar desde unos 300 bar hasta entre 1500 y 2000 bar al cilindro, según las condiciones de funcionamiento. Hoy en los motores diésel de Toyota [32] se inyecta el combustible con una presión de 2000 bar. La bomba de transferencia puede ir montada en la propia bomba de alta presión, accionada por el mecanismo de distribución y sobre todo en el interior del depósito de combustible.Desde el colector común se hacen conexiones mediante tubos de acero con diámetro interior de 2 mm y diámetro exterior de 6 mm, capaces de soportar la alta presión de trabajo, hasta el electroinyector de cada cilindro. La duración de la corriente de excitación enviada al electroinyector, la presión de trabajo y la sección de salida del combustible por la tobera son los parámetros que permiten controlar el volúmen de combustible inyectado, y por tanto la energía puesta en juego. Será a través, cómo ya se ha explicado antes, de la ECU, cómo se procesará la información generada por los sensores y se conseguirá la regulación óptima. La principal ventaja de este sistema es que nos permite controlar electrónicamente el suministro de combustible permitiéndonos así realizar hasta 5 pre-inyecciones antes de la inyección principal con lo que conseguimos preparar la mezcla para una óptima combustión. Esto genera un nivel sonoro mucho más bajo y un mejor rendimiento del motor. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 116 Imagen 36. Esquema de instalación del sistema Common Rail Sensores principales: -Sensor de régimen o CKP para sincronizar las inyecciones a los ciclos del motor. -Sensor de fase o CMP para distinguir entre los cilindros gemelos (p.ej. el 2 y el 3) cuál de ellos está en fase de compresión y cuál en escape, para inyectar en el cilindro que corresponde. -Sensor de pedal de acelerador, para detectar la carga requerida por el conductor y según la pendiente. -Sensor de presión de Rail o RPS, para detectar la presión en cada instante. Sensores secundarios. -Sensor de temperatura del motor o ECT para compensar en el arranque en frío. -Sensor de temperatura del gasoil para compensar con gasóleo muy caliente. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 117 -Caudalímetro másico de aire o MAF para controlar el funcionamiento del EGR o Recirculación de gases de escape. -Sensor de presión de admisión del colector o MAP , para detectar la sobrealimentación del Turbo. Actuadores principales -Inyectores hidráulicos de mando electromagnético, o piezoeléctrico. -Regulador de presión del rail. -Regulador de caudal de entrada a la bomba de alta presión. Actuadores secundarios -Electroválvula de regulación del EGR. -Relé de control de los precalentadores. -Mariposa de parada. Inyector Common rail La principal ventaja de este sistema es que se puede regular la presión en los inyectores en función de la carga motor, de una manera muy precisa, con que se obtiene una regulación del caudal óptima. Por ejemplo al circular el vehículo subiendo a 2000 rpm por una ligera pendiente, la necesidad de par motor y por tanto de potencia es mayor que cuando el vehículo circula a las mismas 2000 rpm cuando baja la pendiente. En los sistemas mecánicos anteriores de inyección por bomba, la presión era prácticamente la misma y había que variar el caudal mediante variación del tiempo de inyección actuando sobre el tiempo de compresión de la bomba inyectora. Valores típicos de presión son 250 bar a ralentí, hasta 2000 bar a plena carga (no necesariamente a revoluciones máximas). La óptima atomización del combustible por parte de los inyectores hidráulicos de mando electrónico, controlados por una centralita de inyección electrónica, y la alta presión a la que trabaja el sistema hacen que se aumente el par y por tanto la potencia en todo el rango de revoluciones, se reduzca el consumo de combustible y se disminuya la cantidad de emisiones contaminantes, en especial los óxidos de nitrógeno, el monóxido de carbono y los hidrocarburos sin quemar. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 118 Al no haber un mecanismo mecánico que rija cuándo se debe inyectar el combustible se puede elegir libremente cuándo inyectar, incluso realizar varias inyecciones en un mismo ciclo. Esto permite la preinyección que se produce justo antes de la principal, aumentando la presión y temperatura dentro del cilindro, lo que mejora la combustión y disminuye el ruido característico de los diésel. Common-rail en la actualidad Actualmente, casi todos los automóviles nuevos fabricados en Europa con motor diésel incorporan common-rail identificados bajo distintas siglas según el fabricante (CRDI, CDTI, JTD, DCI, DTI, HDi ,TDCI), actualmente se empieza a incorporar en todos los TDI. Bosch, Siemens [33], Delphi [34] y Denso [35] son los fabricantes más importantes de estos sistemas. Entre sistemas mencionados existen diferencias considerables en cuanto a la regulación de la presión y el funcionamiento eléctrico de los inyectores, pero básicamente se rigen por la misma forma de trabajo mecánico. Desde 2003, los automóviles comercializados por Fiat Group Automobiles disponen de una variante más sofisticada del sistema common-rail denominada MultiJet [36]. Esta tecnología permite un mejor control de la mezcla con hasta cinco inyecciones diferentes por ciclo, lo que conlleva mejoras en los consumos, prestaciones y menor impacto ambiental. En 2009 se comenzaron a comercializar automóviles con MultiJet II, una segunda versión de este sistema con hasta 8 inyecciones, mejorando todos los parámetros de la anterior. Cómo se ha expuesto los sistemas de alta presión (aplicados por un lado a inyectores bomba) y por otro lado con la aplicación concreta del Common-Rail, son las tecnologías en el campo de la inyección, que mejores resultados ofrecen. Se van a puntualizar para terminar este estudio de la optimización en la inyección, otra serie de sistemas, que paralelamente están ofreciendo resultados muy ambiciosos . 4.2.1.1.2.4.- Bomba VP 44 Bosch El principio de funcionamiento de la VP 44 [37], una bomba rotativa de alta presión desarrollada y comercializada por la marca Bosch, es muy similar a la bomba rotativa normal, la principal diferencia está en la forma de generar la alta presión y el control electrónico. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 119 En las bombas rotativas normales, la alta presión se genera por el movimiento axial de un sólo pistón, en este caso contamos con dos pistones colocados en sentido radial, lo que genera un mayor aumento en el rendimiento. Imagen 37. Bomba VP 44 Bosch 4.2.1.1.2.5.- Sistema de bomba unitaria Se trata igualmente de un sistema desarrolado por Bosch, con denominación comercial UPS[38] Consiste en una bomba unitaria de alta presión, para cada cilindro. Esta bomba es accionada por el eje de comando del motor. Por medio del control electrónico que está programado para cada condición de revolución y carga. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 120 Imagen 38. Sistema de bomba unitaria 4.2.1.1.2.6.- Sistema de unidad inyectora Este sistema integra la bomba de alta presion y la tobera en una sola unidad compacta para cada cilindro del motor. El sistema UIS [39] (denominación Bosch) reemplaza el conjunto porta tobera de los sistemas convencionales, dispensando el uso de las cañerias de alta presión, lo que posibilita alcanzar elevadosvalores de presión. Cada unidad inyectora está instalada en la culata del motor y realiza la inyección de combustible directamente en cada cilindro. Se controla la inyección por medio de una válvula electromagnética de accionamiento rápido, a su vez controlada por la unidad de comando electrónica, que determina el mejor momento y el volúmen adecuado de combustible que va a ser inyectado para cada condición de funcionamiento del motor. Imagen 39. Sistema de unidad inyectora Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 127 Por esta razón, para poder elevar las RPM del motor (al margen de otros cambios que pueden o deben hacerse en el motor), hay que acelerar el vaciado y llenado del cilindro. Esto se consigue, entre otras cosas, aumentando el cruce de válvulas. En cambio, a bajas RPM parte de los gases frescos escaparán por la válvula de escape antes que esta se cierre, con lo que la fuerza de la explosión es menor, y en consecuencia, disminuyen el par motor y la potencia. Cómo se ha comentado, los motores de serie tienen un cruce de válvulas de 15 a 30 grados de giro del cigüeñal. En la Imagen 43 la magnitud del cruce es de 20 grados. Los árboles de levas de los vehículos de carreras tienes cruces de válvulas que van de 60 a 100 grados. Imagen 43. Ejemplo de diagrama de distribución Si la válvula de admisión se abre demasiado pronto, la calidad de marcha en ralentí se deteriora, mientras que el rendimiento en regímenes elevados no mejora demasiado. La velocidad máxima del pistón en el tiempo de admisión se alcanza antes de la apertura máxima de la válvula, por lo que si la válvula se abre antes, podría mejorar la respiración del motor. El factor del cruce de válvulas que afecta al rendimiento en regímenes elevados es el cierre de la válvula de escape. De hecho, aumentar el tamaño de la válvula de escape y su orificio correspondiente no suele considerarse demasiado adecuado para la obtención de más potencia, ya que la válvula de escape limita en mayor medida el flujo procedente del cilindro a medida que se cierra. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 128 Un cruce elevado de válvulas puede generar problemas de holguras entra la válvula y el pistón, es decir, que podrían llegar a tocarse. La elevada alzada de las válvulas no causa este problema, ya que el pistón está en una posición baja dentro del cilindro cuando la válvula se abre al máximo. Un cruce de válvulas más reducido aumenta la presión en el cilindro a revoluciones más bajas. Los diseñadores de árboles de levas intentan minimizar el cruce de válvulas al tiempo que procuran maximizar el rendimiento en regímenes elevados. Imagen 44. Cruce de válvulas 4.2.2.2.- Sistemas de Distribución Variable Estos sistemas permiten utilizar el tiempo óptimo de apertura y cierre de las válvulas a cualquier régimen de giro del motor. Según el fabricante del sistema se utilizan diferentes soluciones que modifican el calado de los árboles de levas, hacen actuar otra leva a altas revoluciones o modifican por medio de excéntricas la posición del árbol de levas sobre sus apoyos. Hay dos sistemas fundamentales a la hora de variar la distribución. 1. Variación de la alzada de válvula, con ello se consigue modificar simultáneamente el avance y cierre de la válvula, además de disminuir el área de paso de los gases frescos. 2. Desplazamiento del árbol de levas con respecto al cigüeñal. De la combinación de estos dos movimientos es posible ajustar cada uno de los ángulos de manera independiente al valor deseado. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 129 Es importante destacar que la mayoria de estos sistemas combinan ambos métodos de regulación. Se ha considerado la clasificación cómo sigue, pero se podría haber clasificado de modo distinto. 4.2.2.2.1.- Desplazamiento del árbol de levas 4.2.2.2.1.1.- Convertidores de fase Es posible adaptar el diagrama de distribución de un motor para conseguir un buen compromiso entre las exigencias de empuje a bajos regímenes y elevado rendimiento volumétrico (buen llenado de la cámara) a altos regímenes utilizando un variador de fase. Los hay de varios tipos, pero el más utilizado es el que controla la admisión variando la posición angular del árbol de levas respecto al engranaje que lo arrastra. Esta variación se controla a través de un accionador electromagnético comandado por la computadora del motor, de forma que la presión del aceite en el mecanismo variador de fase permite ese desacoplamiento de unos grados en el árbol. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 130 Los perfiles de las levas (alzada) propiamente dichos y, con ello, también la carrera de la válvula no se modifican. Para un rendimiento eficaz de este sistema basta con modificar los tiempos de distribución de las válvulas de admisión. Los ensayos realizados han demostrado que una modificación de los tiempos de distribución de las válvulas de escape no aporta una mejora significativa. La utilización de convertidores de fase, normalmente, solo se hace en motores con dos árboles de levas en cabeza (DOCH), tal y como los encontramos en motores multiválvulas. Sin embargo, la primera regulación de árboles de este tipo, fabricada en serie,se introdujo en un motor de 2 válvulas por cilindro de Alfa Romeo [41] en 1987 en elmodelo Twin Spark [42] de 2,0 litros, el cual también dispone de 2 árboles de levas en cabeza. Imagen 45. Motor Alfa Romeo con variador de fase Este motor gracias al convertidor de fase y a un doble encendido, da unos valores de rendimiento de 150 CV que, normalmente, solo los alcanzan motores multiválvulas y, por tanto, demuestra como a pesar de usar un motor de 2 válvulas se consigue unos valores de potencia elevados. El elemento más importante del "variador de fase" es el actuador electro-hidráulico acoplado al engranaje que arrastra en rotación al árbol de levas de las válvulas de admisión. Este actuador permite dar al mismo árbol dos posiciones angulares diversas y, por lo tanto, variar los tiempos de apertura de las válvulas de admisión. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 131 Su regulación está dirigida por el microprocesador del sistema electrónico de gestión del motor y que en este caso es la centralita que gestiona tanto el sistema de inyección como de encendido BOSCH Motronic [43]. La lógica de actuación de la variación de fase se establece de antemano, de manera tal que el cruce de válvulas; es decir, esa fracción del ciclo de funcionamiento del motor durante la cual están abiertas de manera simultánea las válvulas de admisión y de escape se reduzca a los regímenes bajos y con poca carga, y aumente en los regímenes altos y en caso de fuerte solicitación de potencia. Imagen 46. Convertidor de fase De ese modo se obtienen los siguientes resultados: - En los regímenes altos y medio-altos y en caso de fuerte demanda de potencia (puesta en fase normal), llenado óptimo de los cilindros y, por lo tanto, máximo de la potencia y del par. - En los regímenes bajos y medio-bajos y con reducidas cargas (puesta en fase atrasada ), regularidad óptima de funcionamiento y reducción de los consumos específicos. - En todos los regímenes, reducción al mínimo de las emisiones que contaminan. En el convertidor de fase normalmente se regulan hacia adelante o hacia atrás los árboles de levas de admisión durante el funcionamiento alrededor de 10º a 20º con respecto al ángulo entre árboles de levas (que corresponde a 20 - 40º del ángulo de calado respecto al cigüeñal). Para la construcción de tales mecanismos de regulación solo son adecuados aquellos mandos del árbol de levas en los que las cadenas de distribución (o correa de distribución) discurra a lo largo de los 2 árboles de levas o bien solo se accione el árbol de levas de escape. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 132 Entre la rueda de propulsión de accionamiento del árbol de levas y el árbol de levas de admisión se instala un mecanismo electrohidráulico de torsión, que lleva a cabo la torsión relativa deseada y que es gestionada electrónicamente. Durante la torsión del árbol de levas de admisión se modifican los siguientes parámetros del diagrama de distribución. - El cruce de válvulas - El inicio de la apertura de admisión. - El fin del cierre de la válvula de admisión. Estos parámetros tienen una influencia esencial sobre la potencia y el par motor, pero también sobre la calidad de la marcha en vacío, del comportamiento de los gases de escape y del consumo. Imagen 47. Esquema de un convertidor de fase Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 133 4.2.2.2.1.2 .-Sistema Vanos [44] El sistema Vanos es otro sistema que consigue variar el ángulo del árbol de levas este sistema no deja de ser un convertidor de fase aunque tenga una denominación distinta. VANOS son las siglas de Variable Nockenwellen Steuerung (separación variable del árbol de levas) que es un sistema de distribución variable empleado por la marca BMW. Consiste en desplazar el calado del árbol de levas utilizando la presión del aceite del sistema de engrase. El sistema aumenta el cruce de válvulas cuando el motor gira a altas revoluciones. El adelanto o retraso del árbol de levas con respecto al cigüeñal dependerá de las condiciones de funcionamiento del motor (carga, r.p.m. y temperatura). Por medio de una gestión electrónica del motor y también de un electroimán se conecta una válvula distribuidora 4-2 (4 vías, 2 posiciones), para lo cual un pistón hidráulico admite alternativamente presión del aceite del motor y se mantiene en sus dos posiciones iniciales posibles por medio de topes mecánicos. En el pistón se encuentra un eje dentado montado sobre rodamientos de baja fricción, que transforma la carrera del pistón por medio de un dentado helicoidal en un giro del árbol de levas con relación a la rueda dentada accionadora. El margen de ajuste es de 25º del ángulo de calado con respecto al cigüeñal. Gracias al sistema VANOS se ha logrado reducir el tiempo de apertura de las levas de admisión de 240º a 228º, sin reducir por eso el rendimiento máximo del motor. Esta medida tiene, ante todo una ventaja con respecto a la calidad en marcha en vacío. Imagen 48. Esquema de un sistema VANOS de BMW [45] Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 134 El sistema de accionamiento que utiliza el aceite a presión para su funcionamiento cuenta con un sistema propio que trabaja con una presión de 100 bar y también dispone de un depósito de aceite. La bomba de aceite de alta presión esta integrada en la unidad de regulación y se acciona por medio del árbol de levas de escape. La presión elevada del aceite es necesaria, para mantener el pistón regulador, que realiza la torsión de la rueda dentada hacia el árbol de levas de admisión por medio de un dentado helicoidal, en cualquier posición intermedia con seguridad. Para ello se requieren también 2 válvulas de mando electromagnéticas, así como 2 ruedas con marcas para la posición de los árboles de levas con sus correspondientes indicadores de posición. La información necesaria para la regulación procede de un mecanismo de mando propio del motor. Con el paso del tiempo BMW incorpora la tecnología del sistema de decalador variable a los dos árboles de levas, es decir, al de admisión y también al de escape. Imagen 49. Esquema de funcionamiento de un sistema BI-VANOS de BMW Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 135 Se regulan en continuo los árboles de levas de admisión y de escape dentro de un campo amplio, lo que provoca una elevada potencia especifica y al desarrollo homogéneo del par motor. Elsistema VANOS doble o también denominado Bi-VANOS es la denominación que se da al sistema que se explico anteriormente con regulación en ambos árboles de levas (admisión, escape). Se puede apreciar en el siguiente grafico como la variación de la apertura de las válvulas se da en ambos árboles variando de este modo la apertura de las válvulas de admisión y de escape. Imagen 50. Curvas de apertura de válvulas en sistema BI-VANOS de BMW 4.2.2.2.1.3.-Sistema VarioCam [49] Porche [50]: Utilizó en sus modelos 968 [51] y en las primeras series del 996 Carrera [52] un sistema (VarioCam) para variar los tiempos de distribución un tanto peculiar. El mecanismo hidráulico controlado por la unidad electrónica de control según el régimen de vueltas del motor empuja con dos patines y abre la cadena, que mueve los árboles de levas, provocando su desplazamiento y por lo tanto se produce un reajuste de los los tiempos de apertura y cierre de las válvulas de admisión. Al reducir el número de vueltas del motor los muelles repliegan el mecanismo de empuje de la cadena a su posición inicial. Este dispositivo se monta sobre una distribución de 4 válvulas por cilindro y se complementa con un sistema de distribución variable. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 136 Este sistema de distribución variable es controlado por una señal eléctrica que envía señales de la centralita de inyección (ECU) hacia un actuador que empuja unos patines que tensan la cadena de distribución. La regulación de la distribución se hace siguiendo unos parámetros: Para regímenes inferiores a 1500 rpm, las válvulas de admisión abren 7º después del PMS y cierra 52º después del PMI. Con estos parámetros, el motor funciona con un giro uniforme a bajas rpm, y la emisión gases sin quemar es muy baja debido a que no existe cruce de válvulas. Para regímenes comprendidos entre 1500 y 5500 rpm, el árbol de levas de admisión recibe un avance de 9º respecto al de escape. Esto significa que las válvulas de admisión abren 8º antes del PMS y cierran 37º después del PMI. Con este diagrama se consigue un buen llenado de los cilindros y un aumento del par motor. A partir de 5500 rpm, el árbol de admisión vuelve a la posición inicial, es decir, apertura 7º después del PMS y cierra 52º después del PMI. Como vemos esto es una contrariedad, pero es debido a que la alta velocidad de entrada de los gases de la mezcla necesitan un mayor retraso al cierre de admisión para aprovechar su inercia y lograr que entre más cantidad de mezcla en los cilindros. Imagen 51. Sistema VarioCam Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 143 El sistema de control de la carrera de válvulas consta de empujadores de vaso invertido cambiables controlados por una electro válvula de 3 vías. Los árboles de levas cuentan con levas de diferentes tamaños. Según las necesidades del motor, el sistema se adaptará proporcionando la carrera de las válvulas más adecuada a esta situación. Se utilizan dos empujadores concéntricos, que pueden bloquearse por medio de un pequeño bulón. El interior tiene contacto con la leva pequeña y el exterior con la leva grande. En el mecanismo va integrado además un sistema para el reglaje hidráulico del juego de válvulas. Los empujadores de vaso invertido cambiables son una obra maestra de la mecánica de precisión. La regulación de la carrera de la válvula funciona como sigue; para la transmisión de 2 carreras diferentes de las válvulas se ha subdividido el empujador de vaso invertido en una carcasa externa y en otra interna situada concentricamente en el interior de la externa. El mecanismo de cierre que se localiza en la zona del empujador de vaso invertido propio de la leva permite el acoplamiento de control hidráulico de la carcasa interna y de la externa por medio de la presión del aceite del motor. Una válvula de inversión electrohidráulica da admisión a los pistones de bloqueo, que dan lugar a un acoplamiento de las 2 piezas del empujador al alcanzar una presión de aceite de, como mínimo de 1,2 bar. Carrera pequeña de la válvula: - Los empujadores funcionan sin acoplamiento. -El empujador interno y la leva central (plana) son determinantes para la carrera. -El empujador interno también soporta el elemento para la compensación hidráulica del juego de las válvulas. -El empujador externo se mueve con relación al empujador interno y dependiendo de la curva de elevación de la válvula de las dos levas externas realiza, por así decirlo, un movimiento en vacío, es decir, no acciona la válvula. Además existe un muelle débil de la carrera del pistón diferenciadora que es el que garantiza el contacto con las levas. Carrera grande de la válvula: El empujador interno y el empujador externo están acoplados. Pero es el empujador externo el que determina la carrera del pistón y el que sigue las curvas de elevación de las 2 levas externas. La disposición doble de las 2 levas altas también sirve para reducir la presión superficial y para evitar el momento basculante. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 144 El sistema de distribución denominado "VarioCam Plus" consta de cuatro válvulas por cilindro, elementos de regulación de los árboles de levas (convertidores de fase) y empujadores de vaso invertido. Las cuatro válvulas de cada cilindro están dispuestas en forma de "V" con un ángulo de 27,4 grados. Para reducir las masas oscilantes en el mecanismo, los vástagos de las válvulas tienen un diámetro de seis milímetros. A diferencia del 996 Carrera, dispone de dos muelles por válvula. Este sistema optimiza la potencia y el par en todos los regímenes, ayuda a reducir el consumo y las emisiones y a mejorar el confort de marcha del motor. Imagen 60. Sistema VarioCam Plus en motor Boxter El sistema VarioCam Plus está formado en realidad por dos mecanismos que se complementan; la distribución variable mejora el funcionamiento del motor al ralentí al accionar la leva pequeña (carrera de 3 mm) y ajustar un pequeño cruce de válvulas. En función de la longitud de la carrera de válvulas disminuyen los rozamientos internos en el mecanismo de distribución. Los tiempos cortos de apertura permiten además una combustión de la mezcla en los cilindros más homogénea y eficaz. Los niveles de consumo y emisiones son hasta un diez por ciento más favorables, mejorando al mismo tiempo la estabilidad de giro del motor al ralentí. Para mejorar los niveles de consumo en carga parcial, es conveniente aprovechar la recirculación interna de gases de escape. El sistema de distribución variable conecta en este caso un cruce de válvulas más amplio, con carrera corta de las válvulas de admisión, con lo que se alarga el tiempo disponible para aspirar gases desde el colector de escape. En condiciones de plena carga, el conductor del 996 Turbo deberá alcanzar los máximos niveles de par y potencia. La carrera de válvulas es en este caso de diez milímetros, con tiempos de apertura y cierre adaptados. Pero el sistema Porsche VarioCam Plus ofrece otras propiedades, notables en el momento del arranque: con bajas temperaturas, la fase de calentamiento es más rápida y las emisiones contaminantes, por lo tanto, más bajas. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 145 Tanto la distribución variable como el control de la carrera de válvulas están controladas por la unidad de mando del Motronic ME7.8 [58], que ha sido diseñada específicamente con una capacidad de proceso más alta. El sistema VarioCam Plus requiere numerosos parámetros para su control, como por ejemplo el régimen del motor, la posición del acelerador, temperatura de aceite y agua y detección de la marcha acoplada. El sistema compara los deseos del conductor en cuanto a potencia y par en un momento dado con los contenidos de su memoria. En milésimas de segundo, el ordenador decide si debe intervenir el VarioCam Plus, en caso afirmativo, las operaciones de regulación y ajuste son efectuadas de forma imperceptible. Las ventajas de este metodo (VarioCam Plus) para el control variable de la alzada de las válvulas las encontramos en los costes relativamente bajos del sistema, en el peso reducido y en una estabilidad superior del numero de revoluciones (en comparación con el sistema Valvetronic de BMW). Si bien tampoco se consigue con este sistema el objetivo de un control de la carga completamente libre de estrangulaciones, si que se aprovecha una gran parte de las ventajas que tiene. Además se puede realizar una desconexión total de las válvulas por medio del empujador de vaso invertido (carrera de la válvula cero), lo cual puede aprovecharse para la desconexión del cilindro o la anulación del conducto. Sin embargo, ha de tenerse en cuenta que, en tal caso, solo se dispone de un perfil de leva. 4.2.2.2.1.6 .-Sistema VVT (cambio del overlap) Toyota, Daihatsu [59] y Hyundai [60] tienen uno de los sistemas más comunes que se encuentran actualmente en algunos de los vehículos que vemos en nuestro entorno. Las siglas VVT significan variación de tiempo valvular ( Variable Valve Timing) Las ventajas de este sistema radican en: · Economia de combustible ya que utiliza solamente el necesario. · Menor contaminación ambiental. · Aumento en la potencia del motor, mejorando el llenado de los cilindros. Cuando el motor funciona al ralentí la válvula de obturación se encuentra totalmente cerrada, por lo que se genera un gran vació en el múltiple de admisión. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 146 Por lo tanto en un motor sin VVT cuando se produce el traslape valvular, cierta cantidad de gases quemados ingresan al múltiple de admisión, creando en este un empobrecimiento de la mezcla que llenara los cilindros durante la carrera de admisión y a la vez tenemos un ralentí inestable. Para corregir esta deficiencia lo que se hace en los motores convencionales es aumentar las RPM del motor enriqueciendo la mezcla en ralentí, por lo que obtiene un mayor consumo de combustible. Con el uso del VVT lo que se consigue es retrasar la apertura de las válvulas de admisión y así evitar que los gases quemados ingresen al múltiple de admisión y a la vez se evita enriquecer la mezcla durante el ralentí. Es entonces donde encontramos la primera ventaja del VVT que es más economía de combustible ya que el motor puede funcionar a muy bajas RPM. Cuando se acelera el motor para hacer una salida, el VVT adelanta el tiempo de apertura de las válvulas de admisión en un grado mayor del que se establece en un motor sin VVT. En ese momento se puede pensar que la entrada de los gases de escape afectaran es rendimiento del motor, pero no es así, ya que las RPM del motor aumentaran, y más bien los gases de escape pueden dar ciertas ventajas tales como: • Reducción del esfuerzo de los pistones cuando viajan del PMS al PMI, permitiendo un mejor llenado de los cilindros. • Los gases que no se han quemado aun en el escape (CO y HC) retornan al conducto de admisión por lo que la contaminación por CO y HC se reduce obteniendo emisiones más limpias. • Además de lo anterior, los gases de escape al regresar por el cilindro, provocan que la cámara de combustión se enfrié evitando la producción de NOx, obteniendo también emisiones más limpias. Es así como aparece la segunda ventaja del VVT que es la producción deemisiones más limpias. Cuando el motor funciona a altas RPM, los pistones viajan a una velocidad mayor, cómo por ejemplo cuando se adelanta a otro vehículo.En un motor convencional ese tiempo esta preestablecido limitando el llenado de los cilindros durante la carrera de admisión. En un sistema con VVT se consigue que el adelanto de la apertura de las válvulas de admisión sea mayor permitiendo un mejor llenado de los cilindros. Si bien es cierto con el adelanto de apertura de las válvulas se con sigue también el adelanto de cierre de estas, pero ocurre que a pesar de ese adelanto de cierre, los cilindros ya se han llenado por completo. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 147 Aparte de esto, cuando el motor gira a altas velocidades en el escape se genera vacío, el cual evita que los gases de escape ingresen al múltiple de admisión, por lo que se consigue que los cilindros se llenen con una mezcla favorable de aire y combustible, dando como resultado una generación de potencia máxima que es la tercera ventaja del VVT. La computadora del sistema recibe las señales de los sensores de posición del cigüeñal, del sensor del árbol de levas y otros sensores, para que luego de que estas han sido procesadas, envié señales de activación y de desactivación a la válvula de control de aceite para adelantar o retrasar el tiempo de apertura de las válvulas de admisión a través del control de VVT. Imagen 61. Lecturas captadas en el sistema VVT y mandadas a Unidad de Control Funcionamiento del VVT El controlador del VVT es una envoltura que es impulsada por la cadena de distribución y una la paleta que esta fijada al arbol de levas mediante un tornillo. Entre la envoltura y la paleta se forman cámaras en las cuales se va alojar el aceite del motor para ocasionar que el árbol de levas gire a la derecha o la izquierda, según sea la dirección en que dirija el flujo de aceite la válvula OCV, para adelantar el tiempo de apertura de las válvulas de admisión. Además el controlador posee un pasador, llamado pasador de bloqueo que tiene la función de producir un bloqueo entre la paleta y la envoltura, mientras el circuito es llenado por completo. De este modo se evita el golpeteo de la envoltura y la paleta durante el arranque del motor. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 148 Imagen 62. Sistema VVT Avance: En este estado las señales de activación son más anchas que las señales de desactivación, por lo que lo OCV se mueve, permitiendo que las cámaras de aceite que generan el desplazamiento del controlador se llenen de aceite y la paleta se mueva a la derecha y transmita este movimiento de avance al árbol de levas. Imagen 63. Avance en sistema VVT Cuando la válvula OCV esta colocada de la forma que se muestra en la Imagen 63 por medio de la señal de avance recibida por la computadora, la presión de aceite resultante se aplica en la cámara de paletas del lado de avance de distribución para hacer girar el árbol de levas en dirección de avance. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 149 Retardo: En este caso las señales de activación de la OCV son más angostas que las señales de desactivación, por lo que la OCV se mueve hacia atrás, permitiendo que las cámaras de aceite de retraso del controlador se llenen de aceite y la paleta se mueva a la izquierda y transmita este movimiento de retraso al árbol de levas. Imagen 64. Retardo en sistema VVT Cuando la válvula OCV esta colocada de la forma que se muestra en la Imagen 64 por medio de la señal de retardo recibida por la unidad de control, la presión de aceite resultante se aplica en la cámara de paletas del lado de retardo para hacer girar el árbol de levas en dirección correspondiente. Retención: En esta condición podemos observar que las señales de activación y de desactivación tienen una anchura igual por lo que ambas cámaras de avance y de retraso son llenadas por igual y que la válvula OCV toma una posición neutral manteniendo una distribución fija. Imagen 65. Retención en sistema VVT Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 150 4.2.2.2.2.- Alzada de levas Variable 4.2.2.2.2.1.-Sistema VTEC de Honda Siglas de Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System. Honda [61] presento en el año 1989 un sistema para la variación de los tiempos de distribución, en el cual los árboles de levas no se torsionan. No solo se regula la fase de apertura, sino también el tiempo y la sección de la misma. El objetivo de esta medida son leyes creadas a medida para la apertura de las válvulas para regímenes de revoluciones diferentes. Para un número de revoluciones medio, los tiempos de apertura son más cortos y se efectua una carrera de válvula inferior, elevando la velocidad de entrada del combustible y por tanto, también el llenado. Para un número de revoluciones superior, los tiempos de apertura son más largos y una carrera de válvula más grande intensifica la respiración del motor, lo cual, a su vez, tiene un efecto sobre la potencia. Imagen 66. Motor Honda con tecnología VTEC [62] Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 151 El método por el cual puede conseguirse este efecto, requiere de 4 válvulas por cilindro, 6 levas y 6 balancines. Las levas externas, que están asignadas directamente a las válvulas, portan perfiles suaves y la leva central tiene los tiempos de distribución más largos y la carrera de la leva más grande. En el régimen de revoluciones bajo, solo están activas las levas externas, mientras que la leva central se acciona, por decirlo de alguna forma, en vacío, es decir, no tiene efecto alguno sobre las válvulas de los balancines centrales. Un muelle adicional evita que se pierda el contacto entre la leva y el balancín de palanca. Existen unos pasadores que se pueden desplazar de forma hidráulica y que entre 5000 y 6000 r.p.m. realizan una conexión mecánica entre los 3 balancines de palanca. Desde ese momento es la leva central más grande la que señala la apertura de la válvula. La presión de distribución necesaria para el desplazamiento la proporciona el circuito de aceite lubricante del motor. Para que el acoplamiento de los balancines de palanca funcione bien, es necesario que los círculos de base de todas las levas sean iguales, de modo que cuando las válvulas estén cerradas los alojamientos y los pasadores estén alineados. Honda ha demostrado la capacidad de rendimiento del sistema VTEC (DOCH) que tiene dos árboles de levas situados en la parte superior. Resumiendo, el sistema de distribución variable empleado por Honda en sus automóviles se basa en una tercera leva en cada cilindro que entra en funcionamiento a altas revoluciones. El balancín de esta leva no actúa a bajas revoluciones, mientras que al acelerar, la presión del aceite desplaza un vástago entre los balancines de las otras levas y el de la leva central, quedando todo el conjunto unido. En este momento los balancines son abiertos por la leva con mayor perfil (que es la central) y se incrementa el alzado de las válvulas y su momento de apertura y de cierre. Cuando el motor reduce el régimen de giro, el vástago se recoge y el balancín central queda suelto. El perfil que ahora actúa es el de las levas exteriores. Este sistema se acopla a las válvulas de admisión y escape en los motores de doble árbol de levas (DOCH) y solamente a las válvulas de admisión en los motores de un árbol de levas (SOCH). Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 152 Im agen 67. Funcionamiento sistema VTEC Dependiendo del encaje de los pernos o bulones se pueden obtener los siguientes estados de funcionamiento. Estado 1. Por debajo de las 2500 rpm y con el motor con poca carga, los tres bulones están desencajados con lo que los balancines pueden girar unos con respecto a los otros. El de más a la izquierda está apoyado sobre un anillo mecanizado en el árbol de levas, con lo que la alzada de la válvula correspondiente será nula, permaneciendo cerrada. El motor pues, estará funcionando en modo 12 válvulas (3 válvulas por cilindro). El balancín intermedio por no estar encajado no acciona ninguna válvula. El balancín de la derecha es accionado por la leva de perfil más suave, accionando su correspondiente válvula, con lo que se obtiene un diagrama de distribución propio de un motor elástico con un rendimiento de la combustión alto. Estado 2. Al sobrepasar las 2500 r.p.m. o acelerar, se introduce presión al bulón superior, enclavándolo, con lo que los balancines extremos se hacen solidarios. Con ello las dos válvulas de admisión son accionadas por el perfil de leva más suave, funcionando el motor en modo 16 válvulas. El motor opera en este estado desde en torno a las 2500 r.p.m. hasta las 6000. Estado 3. Cuando el motor sobrepasa las 6000 r.p.m. se manda presión al bulón inferior, haciendo solidarios los tres balancines, con lo que pasan a ser accionados por el perfil de leva de mayor alzada. Con ello se consigue una mayor potencia Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 255 Imagen 152. Línea de escape con dos sondas lambda El posicionamiento de las sondas lambda en el sistema de escape posee una gran importancia para la regulación de los gases de escape. Las sondas están expuestas a altos niveles de suciedad en los gases de escape. Después del catalizador, la sonda resulta menos expuesta a suciedad. Sin embargo, debido a los largos recorridos de los gases de escape, sería demasiado lenta la reacción de la regulación lambda si se instalara una sola sonda después del catalizador. Imagen 153. Catalizador con dos sondas lambda Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 256 Imagen 154. Señales de las sondas lambda Regulación lambda en la inyección directa de gasolina El catalizador acumulador de NOx, presenta una doble función. Además de la acumulación de NOx, y de la oxidación de HC y CO durante el funcionamiento con mezcla pobre, para el funcionamiento con "lambda = 1" es necesaria una función estable de tres vías, que requiere un mínimo de capacidad de acumulación de oxígeno. La sonda lambda delante del catalizador vigila la composición estequiométrica de la mezcla. Además de su aportación a la regulación con dos sondas, la sonda de dos puntos detrás del catalizador acumulador de NOx con el sensor de NOx integrado sirve para la vigilancia del comportamiento combinado de acumulación de O2 y NOx (identificación del fin de la fase de desacumulación de NOx). En la figura inferior tenemos una linea de escape de un motor de inyección directa de gasolina FSi. El sistema de escape está ejecutado en versión de 2 caudales en la zona delantera, para producir un aumento de par a regímenes bajos. Cada uno de los dos ramales de escape posee un precatalizador propio. Los precatalizadores van unidos de forma inseparable con el colector de escape que les corresponde. Dos sondas de banda ancha ejercen funciones de sondas precatalizador y vigilan la composición de la mezcla. Detrás de los precatalizadores hay dos sondas de dos puntos. Vigilan el efecto de los precatalizadores. Después de ello los dos ramales de escape confluyen en el catalizador-acumulador de NOx. El catalizador-acumulador retiene interinamente los óxidos nítricos (NOx) durante el funcionamiento del motor en el modo de mezcla pobre, durante lo cual el sensor NOx vigila el grado de saturación y da origen al ciclo de regeneración del catalizadoracumulador. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 257 Imagen 155. Línea de escape de un motor FSI de VAG 4.2.5.2.1.6.- Sistema de ventilación positiva del Cárter (PCV) Durante el funcionamiento del motor, y debido a las presiones y altas temperaturas a que está sometido el aceite del engrase, se produce la oxidación y descomposición del mismo, produciendo vapores que quedan en el interior del cárter. Esta descomposición es mas acusada cuando el motor ha perdido compresión, ya que entonces pasan gases frescos de la mezcla durante la compresión y vapores procedentes de la combustión al interior del cárter, que, al condensarse, se mezclan con el aceite descomponiendolo. En estas condiciones el aceite pierde rápidamente todas sus propiedades lubricantes, lo que origina el continuo cambio de aceite y ocasiona, además, una perdida de rendimiento del motor debido a la sobrepresión interna en el interior del cárter. Para evitar esto, los motores están provistos de un sistema de ventilación del cárter que tiene por objeto arrastrar fuera del mismo los vapores de agua y gasolina a medida que penetran en él, así como los procedentes de la propia descomposición del aceite, manteniendo de esta forma la presión interna. Entre los procedimientos empleados para ventilar el cárter están: • Ventilación abierta • Ventilación cerrada Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 258 La ventilación abierta Consiste en colocar un tubo, generalmente acoplado a la tapa de balancines (culata), que comunica el interior del cárter con exterior, y a través del cual escapan los gases directamente a la atmósfera, debido a la mayor presión interna de la parte superior del motor y con la ayuda de los órganos en movimiento. Este sistema tiene el inconveniente de que se expulsa a la atmósfera una mezcla de hidrocarburos y gases procedentes de la combustión que contaminan la misma, por lo cual este procedimiento esta prohibido desde hace muchos años. Imagen 156. Sistema de ventilación abierta Ventilación cerrada La ventilación cerrada, que actualmente es obligatoria, consiste en conectar el tubo de salida de gases al colector de admisión, y de esta forma los vapores son devueltos al interior de los cilindros, donde se queman juntamente con la mezcla. Este sistema tiene la ventaja de que la evacuación y ventilación interior es más rápida, al ser aspirados los gases por los cilindros durante la admisión, y la parte de aceite que arrastra la evacuación, al estar mezclada con los gases en pequeñas proporciones, sirve para el engrase de la parte alta de los cilindros. Cuando la aspiración de gases se conecta debajo de la mariposa, al llegar al colector de admisión hay una válvula (A) que se cierra a la vez que aquella y el motor queda a ralentí, se evita una entrada de aire y que el motor pueda pararse; esta válvula es accionada por la fuerte depresión ocasionada por el ralentí, cuando se acelera disminuye la depresión y la válvula se abre y continua la ventilación del cárter. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 259 Imagen 157. Sistema de ventilación cerrada En cierto rango de r.p.m. se abre la válvula PCV, creandose un vacío dentro del motor, que permite la entrada de aire fresco al mismo por medio de unos conductos desde el filtro de aire y la salida de los gases nocivos hacia la cámara de combustión pasando por el múltiple de admisión. El flujo de gases depende exclusivamente de la válvula PCV, y la abertura de este depende del vacío creado en el múltiple de admisión. Imagen 158. Sistema PCV Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 260 Imagen 159. Esquema del circuito de ventilación positiva 4.2.5.2.1.7.- Válvula de recirculación de los gases de escape EGR (Exhaust gas recirculation) Introducción La implantación de normas anticontaminación cada vez más exigentes y lo concienciación ecológica de los fabricantes hizo que en los 90 en Europa y bastante antes en USA se empezara a implantar en los motores un dispositivo llamado EGR iniciales de Exhaust Gas Recirculation, que es cómo se conoce la válvula de recirculación de gases de escape. Actualmente su uso es prácticamente total en los motores Diesel y cada vez mayor en los de gasolina. Por otro lado la progresiva reducción en los niveles de contaminantes exigidos para cumplir futuras normativas supone un incremento continuo de la importancia del EGR. La tendencia seguida durante los años anteriores lo confirma tal y como se desprende de la Gráfica 21. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 261 En dicha figura se muestra la tasa de EGR en funcion del regimen de giro y grado de carga para dos motores similares de un mismo fabricante homologados para la normativa euro III y la euro IV es posible notar que mientras en el caso del motor euro III los niveles no superan el 40%, el motor de la euro IV, presenta tasas de egr superiores al 50 %. Gráfica 21. Comparativas de dos sistemos EGR con legislación EURO III y EURO IV Cómo ya sabemos, en los gases de escape de los motores Diesel nos encontramos con los siguientes contaminantes: -Los hidrocarburos (HC). -El oxido de carbono (CO). -Las partículas por reacción química de oxidación. -El oxido de nitrógeno (NOx). Los tres primeros contaminantes, cómo se ha comentado en el apartado de catalizadores, se encarga de reducirlos el catalizador de oxidación. El oxido de nitrógeno no se ve afectado por la instalación de un catalizador, a no ser que se instale un catalizador de reducción selectiva, por lo que dicho contaminante hay que tratarlo antes de que llegue al escape. Esta es la razón por la que se utiliza el sistema EGR en los motores. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 262 Para reducir las emisiones de gases de escape, principalmente el oxido de nitrógeno (NOx), se utiliza el sistema EGR que reenvía una parte de los gases de escape al colector de admisión, con ello se consigue que descienda el contenido de oxigeno en el aire de admisión que provoca un descenso en la temperatura de combustión que reduce el oxido de nitrógeno (NOx). Sin embargo hay que precisar que la emisión de óxidos de nitrógeno (NOx) en los motores Diesel solamente es posible reducirla por este método alrededor de un 50% y para mayores tasas de reducción debe recurrirse a otros sistemas, como el empleo de catalizadores de reducción, cómo se ha puntualizado anteriormente. En el caso de los motores Diesel disminuye además la formación de partículas de hollín en alrededor de un 10%. Funcionamiento Cuando debe activarse el sistema EGR y cual es la cantidad de gases de escape que deben ser enviados al colector de admisión, es calculado por la ECU, teniendo en cuenta: • El régimen motor (R.P.M.) • El caudal de combustible inyectado • El caudal de aire aspirado • La temperatura del motor • La presión atmosférica reinante. Se denomina tasa de egr a la relación entre la masa total admitida por el motor y la cantidad de gas recirculado de acuerdo a la ecuación: dónde mEGR representa el gasto másico de EGR y maire hace referencia al gasto másico de aire fresco. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 263 A la hora de determinar la tasa de EGR de forma experimental cabe decir que, mientras la medida del gasto de aire fresco que atraviesa el motor es factible mediante sensores de hilo caliente, la cantidad de gas recirculado no es en absoluto sencilla de medir. Las elevadas temperaturas del gas recirculado y su contenido en partículas hacen que el uso de sensores de hilo caliente sea inviable. Si bien durante los últimos años han surgido algunos nuevos métodos para determinar la tasa de EGR, el procedimiento habitual, al menos a escala de laboratorio, para determinarla es utilizar la medida en escape y admisión de la concentración de alguna especie gaseosa afectada por la combustión. Normalmente el sistema EGR solamente esta activado a una carga parcial y temperatura normal del motor, nunca con el motor frío o en aceleraciones. En la figura inferior se puede ver el esquema básico de un sistema EGR, donde la válvula EGR (5) envía una parte de los gases de escape al colector de admisión, todo ello controlado por la ECU que decide cuando y que cantidad de gases de escape se hacen recircular. Imagen 160. Esqeuma de un sistema EGR Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 264 Tipos de EGR A partir de la tasa de egr y el gasto másico de aire fresco es posible determinar la cantidad de gas de escape recirculado. Existen diversos métodos para reintroducir dicho gas en la admisión. Según la naturaleza del mismo se puede establecer diversas clasificaciones del sistema de recirculación. Las más importantes se detallan a continuación. 1. Atendiendo al lugar de extracción de los gases a recircular los sistemas de EGR se clasifican en sistemas de EGR interno y sistemas de EGR externo. EGR interno: Esta técnica se basa en el aprovechamiento de los reflujos en las válvulas para atrapar una cierta cantidad de gases residuales en el cilindro. En este sentido el EGR interno tiene la ventaja de su teórica simplicidad constructiva y que no necesita un gradiente de presiones positivo entre escape y admisión para llevar a cabo su cometido. El EGR interno se produce a partir de un diseño particular de la distribución. Generalmente, un perfil peculiar de las levas de escape permite que estas se reabran durante la carrera de admisión en un punto en que la presión de escape es superior a la del cilindro. De esta forma parte del gas de escape es devuelto al cilindro. Pese a que se han llevado a cabo diversos estudios que muestran resultados interesantes en cuanto a la reducción de NOx con un sistema relativamente simple y económico, los importantes inconvenientes de este tipo de tecnología han hecho que su uso no haya proliferado. En efecto, las altas temperaturas del gas recirculado son un inconveniente fundamental, pues reducen de forma notable la masa admitida haciendo necesarias mayores presiones de sobrealimentación. Sin embargo, la mayor dificultad que presentan los sistemas de EGR interno es la reducida o nula capacidad de regulación. No obstante, los nuevos sistemas de distribución variable pueden solventar este problema y el egr interno vuelve a estar de actualidad. EGR externo: En este caso el gas recirculado procede de algún punto del escape del motor. El gas uye por diferencia de presión a través de un conducto que conecta algún punto de la línea de escape con un punto del sistema de admisión. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 271 Hay otros sistemas EGR en los que la Válvula EGR y la electrovalvula que controla la depresión o vació (Convertidor EGR) van juntas es decir forman la misma pieza por lo que se simplifica el sistema como se ve en la figura inferior: Las válvulas EGR eléctricas o electromagnéticas están controladas directamente por el instrumento de mando (son autónomas) y ya no necesitan más el vacío ni las válvulas soleinoides. Las válvula EGR eléctricas se caracterizan por no tener que utilizar una bomba de vacío para su funcionamiento por lo que trabajan de forma autónoma. Estas válvulas actúan de una forma muy similar al dispositivo "variador de avance de inyección" que utilizan las "bombas electrónicas" que alimentan a los motores de inyección directa diesel (TDi). Constan de un selenoide que actúa al recibir señales eléctricas de la ECU cerrando o abriendo un paso por el que recirculan los gases de escape. El mayor o menor volumen de gases a recircular viene determinada por la ECU, que tiene en cuenta ciertos parámetros como: la velocidad del coche, la carga y la temperatura del motor. La válvula EGR eléctrica cuenta con un pequeño sensor de posición (1) en su interior que informa a la ECU en todo momento, la posición que ocupa el elemento que abre o cierra el paso de la recirculación de los gases de escape. Este tipo de electroválvula no se resiente de la depresión, por tanto puede abrirse con cualquier carga motor y con cualquier depresión en el colector. Interviene con temperatura liquido motor 55ºC, temperatura aire aspirado > 17 ºC y régimen motor incluido entre 1500 y .5600 (según las características del motor). Para la compensación de la presión en la válvula durante las fases de regulación existe una comunicación directa (6) hacia la presión del aire del entorno a través del filtro de aire. Imagen 162. Sección de una válvula EGR eléctrica Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 272 Durante la intervención del sistema EGR, los gases de escape "B" son interceptados y canalizados a través del conducto "C" hacia la válvula "D", que gobernada por la centralita, levanta la válvula "E" permitiendo que los gases de escape sean canalizados hacia la admisión a través del conducto "F". Imagen 163. Funcionamiento de una válvula EGR Imagen 164. Válvula EGR eléctrica desarrollada por Delphi Automotive. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 273 Diferencias entre válvulas EGR en Diesel y gasolina Las válvulas EGR de los vehículos Diesel (figura inferior) tienen grandes diámetros de abertura debido a las elevadas tasas de reciclaje. Imagen 165. Tipos de válvulas EGR Diesel Las secciones transversales en las válvulas EGR en los motores de gasolina (figura inferior) son mucho más pequeñas. Imagen 166. Tipos de válvulas EGR para motores gasolina Ejemplo de un sistema EGR en un motor TDi 1.9ltr Cómo ya se comentado, el sistema de inyección directa Diesel trabaja con altas temperaturas de la combustión y grandes contenidos de oxígeno, que promueven la producción de óxidos nítricos (NOx). Los óxidos nítricos generados no se pueden reducir con el catalizador de oxidación, en virtud de lo cual ya se los tiene que limitar desde el momento de su generación, a base de aplicar una recirculación de gases de escape (EGR). Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 274 Introduciendo una determinada cantidad de gases de escape en la mezcla de combustible y aire se reduce la temperatura de la combustión, bajando así el contenido de oxígeno en la cámara y reduciéndose las emisiones de NOx. Agregando gases de escape, de forma regulada, se puede influir así sobre el comportamiento de las emisiones de escape en función de las condiciones de carga. Sin embargo, el ascenso de la concentración de hidrocarburos (HC), monóxido de carbono (CO) y partículas sólidas marca los límites para la cantidad de gases de escape recirculables. Imagen 167. Esquema de gestión de la gestión electrónica de un Diesel donde se puede observar la función del EGR Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 275 La unidad de control para sistema de inyección directa diesel (EDC 15V) comprueba el funcionamiento de la recirculación de los gases de escape, con ayuda del medidor de la masa de aire. El paso de la masa de aire se vigila al momento de un ciclo de recirculación de gases de escape y se compara con los valores teóricos en la unidad de control, en consideración de la señal procedente del transmisor de altitud. El principio básico del control de funcionamiento está basado en la particularidad, de que, durante un ciclo de recirculación de gases de escape, el flujo de la masa de aire (aire atmosférico) debe ser inferior al flujo que existe al estar desactivada la recirculación de gases de escape. Imagen 168. Esquema de la recirculación de gases de escape Sistema EGR refrigerado Un radiador para recirculación de gases de escape se encarga de que se reduzca aún más la temperatura de la combustión a base de refrigerar los gases de escape que se realimentan y posibilita la recirculación de una mayor cantidad de gases de escape. Este efecto se intensifica con la recirculación de gases de escape a baja temperatura. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 276 Imagen 169. Esquema de un sistema EGR con refrigeración de los gases de escape Al estar cerrado el termostato, el radiador para recirculación de gases de escape (Imagen 170) es alimentado directamente con líquido refrigerante frío procedente del radiador del motor. El mayor gradiente de temperatura que ello supone permite recircular una mayor cantidad de gases de escape. De esa forma pueden reducirse las temperaturas de la combustión y, por consecuencia, las emisiones de óxidos nítricos en la fase de calentamiento del motor. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 277 Imagen 170. Sistema de refrigeración de un motor TDI donde se puede observar la parte perteneciente a la refrigeración del EGR Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 278 Averías más comúnes La causa más frecuente de las averías en el sistema EGR son las válvulas EGR adheridas o carbonizadas. Los gases de escape reciclados contienen también partículas de hollín además de los contaminantes gaseosos sobre todo en los automóviles Diesel. El aceite en el aire de aspiración puede causar las carbonizaciones o las adhesiones contra las cuales la fuerza ejercida por la válvula dejará de funcionar en cualquier momento, la válvula EGR no podrá entonces abrirse o permanecerá abierta. Las consecuencias: sacudidas, ralentí brusco o potencia deficiente. Imagen 171. Carbonilla acumulada en la válvula EGR Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 279 4.2.5.2.1.8.-Canister ó Filtro de carbón activo A este sistema, sobre todo los americanos, lo denominan: EVAP (Sistema de control evaporativo de gases). Hay que comentar que el uso de este sistema fue inicialemente implementado a motores con carburador, por ello y a modo de puntualización,en este estudio se comenta el funcionamiento o aplicación a vehículos ya en desuso con carburador, más adelante se analiza en vehículos actuales. La gasolina por ser muy volátil es inflamable y, además, se evapora a temperatura ambiente con relativa facilidad. Por lo tanto una cantidad relativamente importante de hidrocarburos se escapan del vehículo por evaporación a través de el orificio de ventilación o puesta en atmósfera del tapón de llenado del depósito de gasolina. También se evaporan hidrocarburos por el aireador de la cuba del carburador, que esta abierto cuando el acelerador esta en posición de reposo. Se calculó que el combustible que se evaporaba representaba hasta el 20% de la contaminación potencial de un vehículo. En Estados Unidos a partir de 1971 la ley federal exigió el uso de sistemas de control de emisiones evaporativas en la mayoría de los vehículos. Estas fugas de hidrocarburos hacia la atmósfera pueden evitarse recuperando y almacenando momentáneamente en un recipiente llamado canister, para mas tarde quemarlos en el motor. El canister en motores con carburador El canister contiene carbón activo con el fin de retener provisionalmente los hidrocarburos evaporados del depósito de gasolina y de la cuba del carburador. La válvula de control (8) establece o interrumpe la aspiración de los hidrocarburos por el motor. Un filtro impide la entrada de polvo que podría ser arrastrado por la circulación de aire que atraviesa el "bote" (canister), cuando se establece la unión colector de admisión con este. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 280 Imagen 172. Representación de la evaporación de los gases de hidrocarburos en un vehículo antiguo Imagen 173. Esquema interno del canister Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 287 En Europa, según la Directiva 98/69EG [90], los coches a gasolina de 2000 en adelante, los coches a diesel de 2003 en adelante y los camiones desde 2005 en adelante tienen que estar provistos de un OBD. El estandarizado interfaz del OBD2 no sólamente es utilizado por el fabricante para sus funciones avanzadas de diagnóstico sino también por aquellos que van más allá de lo que la ley exige. La siguiente etapa planeada es el OBD III en el que los propios coches toman contacto con las autoridades si se produce un empeoramiento de las emisiones de gases nocivos mientras el coche está en marcha. Si esto sucede se pedirá, a través de una tarjeta indicativa, que se corrijan los defectos. Control en motores Diesel y gasolina Control en los motores de gasolina • Vigilancia del rendimiento del catalizador • Diagnóstico de envejecimiento de sondas lambda • Prueba de tensión de sondas lambda • Sistema de aire secundario ( si el vehículo lo incorpora) • Sistema de recuperación de vapores de combustible (cánister) • Prueba de diagnóstico de fugas • Sistema de alimentación de combustible • Fallos de la combustión - Funcionamiento del sistema de comunicación entre unidades de mando, por ejemplo el Can-Bus • Control del sistema de gestión electrónica • Sensores y actuadores del sistema electrónico que intervienen en la gestión del motor o están relacionados con las emisiones de escape Control en los motores Diesel • Fallos de la combustión • Regulación del comienzo de la inyección • Regulación de la presión de sobrealimentación • Recirculación de gases de escape • Funcionamiento del sistema de comunicación entre unidades de mando, por ejemplo el Can-Bus • Control del sistema de gestión electrónica • Sensores y actuadores del sistema electrónico que intervienen en la gestión del motor o están relacionados con las emisiones de escape Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 288 El OBD permite estandarizar los códigos de averías para todos los fabricantes y posibilitar el acceso a la información del sistema con equipos de diagnosis universales. Proporciona información sobre las condiciones operativas en las que se detectó y define el momento y la forma en que se debe visualizar un fallo relacionado con los gases de escape. Los modos de prueba de diagnóstico OBDII han sido creados de forma que sean comúnes a todos los vehículos de distintos fabricantes. De esta forma es indistinto tanto el vehículo que se esté chequeando como el equipo de diagnosis que se emplee, las pruebas se realizarán siempre de la misma forma. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 289 4.2.6. -Evolución de las técnicas de sobrealimentación La sobrealimentación consiste en aumentar la masa de aire (diésel) o de mezcla aire/gasolina (motor de gasolina) que entra al cilindro en la fase de admisión, aumentando su presión en el motor de combustión interna alternativo, para aumentar la fuerza de la carrera de trabajo, es decir el par motor en cada revolución y por tanto la potencia. Los sistemas de sobrealimentación se inventaron a principios del siglo XX, pero en su momento solo apareció un uso práctico en los motores de aviación, con objeto de poder compensar la pérdida de densidad del aire con la altura. La presión que ejerce un sobrealimentador se mide en bar o en lb/pulgada cuadrada (psi). Una presión de 1 bar significa que dentro de la admisión hay una presión equivalente a la presión atmosférica. Un motor de automóvil puede llegar a tener una presión de 2 bar, o sea el doble que la presión atmosférica. El funcionamiento del turbo se basa en una pequeña turbina compresora metida dentro de una caracola, unida por un eje a una turbina de empuje, que es impulsada por los gases de escape. El turbo gira a altas Rpm y para evitar la fricción y desgaste de sus componentes, su montaje se realiza en flotación de aceite, es decir, la bomba de aceite envía el caudal suficiente como para mantener en flotación el eje del turbo para evitar su desgaste y gripado del mismo. Todos los motores turbo alimentados llevan instalado un refrigerador de aceite, ya sea un radiador de aceite o un intercambiador de temperatura aceite-refrigerante, ya que el aceite al paso por el eje del turbo se expone a altísimas temperaturas. Un motor sobrealimentado puede conseguir hasta un 40% más de potencia que un motor de iguales características no sobrealimentado. Este aumento de potencia se debe tener en cuenta a la hora de fabricar los motores con el objetivo de evitar sobrecalentamientos del motor o presiones y temperaturas excesivas de encendido en la cámara de combustión provocados por la alta capacidad de entrega de aire y presión. De todas formas, se emplean dispositivos que limitan la velocidad máxima o rendimiento de potencia para evitar perjudicar al motor. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 290 Para realizar la sobrealimentación se necesita una máquina capaz de tomar el aire a la presión atmosférica y comprimirlo para conseguir una sobrepresión. Este trabajo se encomienda a los compresores. Los compresores se pueden clasificar de la siguiente forma: – Turbocompresores. Son de tipo centrífugo. Se suelen denominar como turbo y son accionados por los gases de escape. – Compresores volumétricos. Son accionados de forma mecánica por el cigüeñal del motor por medio de correas o engranajes. Imagen 178. Turbocompresor (A) y compresor volumétrico (B) – Comprex. Son accionados de la misma forma que los compresores volumétricos. También llamados compresores de ondas a presión ya que la energía necesaria para la sobrealimentación es transmitida por contacto directo entre los gases de escape y los de admisión mediante ondas de presión. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 291 4.2.6.1.- El turbocompresor El turbocompresor es una bomba de aire diseñada para operar con la energía que normalmente se pierde en los gases de escape del motor. Estos gases impulsan la rueda de turbina (lado escape) que va acoplada a la rueda de compresor (lado admisión). Cuando giran, aportan un gran volumen de aire a presión, aumentando la presión en las cámaras de combustión del motor. El turbocompresor es el más utilizado porque no consume potencia del motor y puede girar a más de 100.000 rpm. Se pueden clasificar en : – Turbocompresores de geometría fija. – Turbocompresores de geometría variable. Turbocompresor de geometría fija El conjunto turbocompresor está formado principalmente por una turbina (2) y un compresor (1) que se encuentran introducidos en sus respectivas carcasas de forma opuesta y unidas ambas por un eje común (3). Tanto la turbina como el compresor contienen álabes para conseguir aumentar la presión de alimentación. En una parte anexa al turbo también se encuentra la válvula de descarga (4) wastegate, que se encarga de limitar la presión de sobrealimentación del turbo desviando una cantidad de gases de escape directamente al escape sin pasar por la turbina. La carcasa de la turbina tiene forma de caracol para aumentar la velocidad de los gases haciéndolos incidir con mayor fuerza sobre sus álabes. La carcasa del compresor tiene el mismo aspecto que la turbina, pero sus condiciones de utilización son menos extremas en cuanto a temperaturas, pero son iguales en cuanto a la presión que se produce en ellas. Imagen 179.Funcionamiento de un turbocompresor (izda) Imagen 180. Estructura del turbocompresor (dcha) Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 292 En la parte central se ubica el eje que une la turbina y el compresor. Este eje está sometido a altas solicitaciones mecánicas debido al giro y, además, debe soportar elevadísimas temperaturas (en torno a 900 grados). El eje se apoya en el turbocompresor por medio de cojinetes o rodamientos (turbos muy pesados) en sus extremos y está en contacto con el circuito de engrase para conseguir un perfecto movimiento del eje y una refrigeración debido a las altas temperaturas. La falta de una lubricación correcta puede provocar la destrucción del turbo en cuestión de minutos. De forma resumida se puede decir que al aceite que pasa por el turbo se le asignan dos principales tareas: – Establecer una pantalla de estanqueidad entre los gases de escape, el aire introducido y las partes internas del turbocompresor. – Transportar una parte muy elevada del calor cedido por los gases de escape a la turbina. Rebaja en unos 200 grados las partes del turbo que están en contacto con el aceite. Para garantizar siempre la lubricación de los cojinetes, el motor no debe pararse inmediatamente después de haber efectuado recorridos a alta velocidad, recomendándose mantener el motor en ralentí durante un breve espacio de tiempo. Por otra parte, si las paradas son repetitivas con el motor en caliente se ocasionarán erosiones y desprendimientos de incrustaciones de las paredes del cuerpo central. Sistema de regulación de la presión del turbo La regulación de la presión de sobrealimentación permite suministrar al motor una presión límite variable de sobrealimentación, la cual está acorde con las condiciones de trabajo, tanto de solicitud de carga como a las climatológicas, temperatura del aire y presión atmosférica. Para ello, el turbocompresor dispone de una válvula mecánica wastegate encargada de regular la presión de soplado del mismo. Esta válvula está situada en derivación (by-pass) con el conducto de escape. Está constituida por una cápsula sometida a la presión de sobrealimentación, una membrana y una cámara de presión con un muelle tarado. El accionamiento de esta válvula puede ser de tipo neumático o eléctrico. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 293 – Regulación de la presión por accionamiento neumático. Durante el funcionamiento del motor en ralentí o carga parcial la velocidad de los gases de escape es moderada creando una presión de sobrealimentación en el tubo (1) que es incapaz de abrir la válvula (4). Cuando el motor gira a plena carga (elevadas revoluciones) la presión en el colector de admisión supera unos valores preestablecidos. Esta presión de soplado se transmite del colector de admisión a la válvula wastegate a través del tubo de conexión, que hace desplazar la membrana (2) y esta, a su vez, comprime el muelle (3) de la válvula (4) desplazándola de su asiento. En esta situación parte de los gases de escape dejan de fluir por la turbina del turbocompresor, reduciéndose el efecto del compresor y disminuyendo la presión de alimentación en el lado de admisión. – Regulación de la presión por accionamiento eléctrico. La única diferencia con el sistema neumático es que se ha instalado una electroválvula de regulación intercalada en el tubo de unión entre el colector y la válvula mecánica. Esta electroválvula para limitación de la presión de sobrealimentación es excitada por la unidad de control del motor y la señal que reciba va a variar en función de las señales que llegan a la unidad de control, como las revoluciones del motor, temperatura del aire aspirado, presión en el colector de admisión, posición del pedal del acelerador y transmisor altimétrico. Está compuesta por un bobinado eléctrico (3) que controla la posición de un inducido constituido por un émbolo (2) que, al desplazarse, puede cerrar el paso permanente que se establece entre A (colector de admisión) y B (conducto hacia la wastegate). Según el valor de la corriente recibida en el bobinado, el émbolo pasa a cerrar el conducto A y a establecer el paso directo entre C (presión atmosférica) y B. La presión de control con que se acciona la válvula wastegate viene determinada por la proporción de periodo de la señal. De esta forma se gestiona la cantidad de caudal de gases de escape que pasa a accionar la turbina del turbocompresor. La presión de control se obtiene por medio de la combinación de la presión atmosférica y la presión de sobrealimentación. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 294 Cuando el motor gira a bajas y medias revoluciones, la electroválvula de control deja pasar la presión de sobrealimentación que hay en el colector de admisión (conducto después del compresor) directamente hacia la válvula wastegate, cuya membrana es empujada para provocar la apertura de la válvula, pero esto no se producirá mientras que no se supere una presión de soplado suficiente para vencer la fuerza de tarado del muelle de la válvula. Si las revoluciones aumentan demasiado, la fuerza e soplado abrirá la válvula y disminuirá el paso de gses de escape por la turbina, es decir, se disminuirá a sobrealimentación. También puede ocurrir que la unidad de control considere ue la presión en el colector puede sobrepasar iertos límites de funcionamiento (circulación en altitud, levada temperatura ambiente o aceleraciones fertes) sin que esto sea un riesgo para el motor. Para elo actuará sobre la electroválvula y comunicará el cnducto de presión atmosférica situado antes del ompresor (colector de admisión) con el de la válvula wastegate, manteniéndose esta cerrada por no vencerse la presión del muelle, y provocando un aumento de la sobrealimentación al entrar en contacto todos los gases con la turbina. Imagen 181. Regulación de la presión de control Temperaturas de un turbo Las diferencias de temperaturas que se alcanzan a un lado y otro del turbo son muy notables. En la turbina se pueden alcanzar temperaturas de 800 a 1 000 grados, mientras que en el compresor como máximo se alcanzan unos 80 grados. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 295 Esto hace que el eje común al que se unen tanto la turbina como el compresor esté sometido a temperaturas muy diferentes en sus extremos, lo cual dificulta el diseño y sobre todo la elección de materiales para su construcción. El turbo se refrigera principalmente por el aceite de engrase, y además por el aire de entrada del colector de admisión que recoge parte del calor que contiene el rodete compresor. Hay que destacar que esto último no es nada beneficioso para el motor, ya que el aire caliente hace dilatar el aire de admisión y descender su densidad, con lo que el rendimiento volumétrico del motor se ve seriamente perjudicado. Intercambiador de calor o intercooler Es un sistema compuesto por un intercambiador de calor en el que se introduce el aire calentado que sale del rodete compresor para enfriarlo antes de introducirlo en los cilindros del motor. El aire que incide sobre este intercambiador o radiador proviene del exterior durante la marcha del vehículo y consigue rebajar la temperatura del aire que pasa por el interior del intercooler unos 40 grados (el aire de admisión en motores turboalimentados puede alcanzar hasta 100 grados). Por tanto, se trata de un intercambiador de calor aire/aire. Con él se consigue aumentar la potencia y el par del motor debido al aumento de la masa de aire que entra en el cilindro como consecuencia de la subida de densidad del aire cuando este enfría. Otros efectos positivos resultantes de la utilización del intercooler son la disminución del consumo y de las emisiones contaminantes. En ciertos motores el intercambiador es de tipo aire/agua, es decir, al aire se le fuerza a pasar por un radiador por el que circula el agua del sistema de refrigeración. Tabla 22. Ventajas e inconvenientes del uso del turbocompresor Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 296 Turbocompresor de geometría variable Los turbocompresores de geometría variable tienen la característica de que a bajas revoluciones del motor se nota su efecto, eliminando el gran inconveniente de los turbocompresores de geometría fija. Imagen 182. Turbocompresor de geometría variable Son los más implantados en vehículos modernos. Su funcionamiento es similar a los de geometría fija, pero con la salvedad de que estos no necesitan de una válvula de descarga, puesto que el sistema puede hacer disminuir el giro de la turbina y, por tanto, rebajar la presión a los valores preestablecidos en determinados modos de funcionamiento del motor. La gestión electrónica en este caso es la encargada de hacer disminuir o aumentar la fuerza que ejercen los gases de escape sobre la turbina. Con esto se consiguen tiempos de respuesta del turbo muy breves, además de velocidad de gases alta y un funcionamiento progresivo de la turbina desde bajos regímenes. Para conseguir los efectos anteriormente expuestos se ha dispuesto en la turbina de escape del turbocompresor una corona (3) con un número de álabes móviles (2) en su periferia. La corona, a su vez, se encuentra unida a una varilla (6) y esta a una cápsula neumática (8) dividida en dos cámaras. Teniendo en cuenta que la presión que ejercen los gases de escape está relacionada con el número de revoluciones del motor, se podrán obtener diferentes regímenes de funcionamiento de la turbina según la orientación que tomen las paletas o álabes móviles, es decir, se variará la sección de paso de los gases de escape. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 303 Imagen 189 . Compresor tipo Comprex 4.2.6.4.-Sistemas biturbo Los sistemas biturbo son montajes de dos turbos en vehículos de elevadas prestaciones. Son sistemas avanzados de gasolina biturbo que cuentan con dos turbos en línea, uno compuesto por un turbo centrífugo y otro por un compresor arrastrado por el motor. La combinación de los turbos y su fase de trabajo está condicionada al par solicitado en cada momento. Con esta información la unidad controla: – Trabajo del compresor, acoplando o no el mismo. – Mariposa by-pass. – Válvula de control de presión del turbo centrífugo. Los tres elementos específicos del sistema son: – El turbo centrífugo, que funciona por acción de los gases de escape. Es de geometría fija y su válvula de descarga es accionada de forma neumática. – El compresor de lóbulos o roots, que funciona arrastrado por una correa desde el cigüeñal. Este permite aportar un volumen de aire extra cuando el régimen del motor es bajo, ya que el volumen es forzado por su propio mecanismo. Su activación depende de la unidad de control que, en función de las necesidades, aplicará o no una tensión al electroembrague del compresor. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 304 – La mariposa by-pass, que es conmutada para desviar el flujo de aire en función de las necesidades. Es decir, conmutará el aire para que este proceda directamente del exterior o bien a través del compresor. El sistema puede funcionar en los siguientes modos: - Funcionamiento sin carga. Ocurre cuando el motor gira a un régimen bajo sin petición de carga; entonces la unidad desactiva el mando del acoplamiento del compresor, provocando que este no gire y, por tanto, que no haya pérdidas por arrastre. La mariposa de by-pass se encuentra abierta, permitiendo el paso de aire a presión atmosférica sin pasar por el compresor. – Petición de carga con régimen bajo-medio. En este estado la unidad de control activa el electroembrague del compresor, de forma que este se acopla y gira. Esto provoca un aumento del volumen de aire que permite aumentar rápidamente el rendimiento del motor. La mariposa de by-pass está cerrada permitiendo el paso del aire a través del compresor. Una vez adquiridas las condiciones de trabajo necesarias, entra en juego el efecto de trabajo del turbo centrífugo, permitiendo aportar el volumen solicitado a un régimen mayor. – Petición de carga con régimen medio-alto. Aquí, si la velocidad del turbo centrífugo es suficiente, la unidad de control no activará el compresor, pero en caso necesario sí lo activará. Además, la válvula by-pass se encuentra abierta no permitiendo el paso del aire por el compresor. Si la unidad activa al compresor al mismo tiempo modula la señal sobre la mariposa. En la figura se ven representadas las fases de trabajo en función del régimen del motor y la presión media efectiva, indicando el funcionamiento solo como turbo o con la ayuda del compresor. Imagen 190 .Sistema biturbo Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 305 Gráfica 22 . Fases de trabajo de un sistema biturbo Aplicaciones Para solucionar el efecto conocido como turbo-lag, o retraso de respuesta en los motores turboalimentados, existen distintas soluciones. Una de ellas es el turbocompresor de geometría variable, que antes se ha comentado, con unos álabes que varían el paso de los gases de escape y consiguen el efecto de aceleración de la turbina desde bajas vueltas. Son muy corrientes en los motores diesel, pero no tan comunes en los de gasolina porque la temperatura en los gases de escape de estos motores es muy elevada, y daban problemas de fiabilidad, ya superados (Porsche empezó a utilizarlos en el 911 Turbo en 2006) con las nuevas tecnologías de materiales. Otra posibilidad son los turbocompresores denominados twin-scroll, en los que el turbocompresor cuenta con dos entradas separadas para los gases de escape, una para cada dos cilindros. Suele utilizarse en los motores de gasolina para separar los cilindros que suministran presión con los que pueden provocar una reducción de la misma al reaspirar los gases de escape. Por eso se separan los gases de los cilindros 1 y 4 por una entrada de los cilindros 2 y 3 por la otra, es decir, los que están en la carrera de escape con los de admisión. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 306 El tercer sistema para mejorar la respuesta en un motor turboalimentado es la doble sobrealimentación. Y si bien lo más frecuente es utilizar un doble turbocompresor escalonado, uno más pequeño para conseguir una rápida respuesta en baja y otro mayor para suministrar más presión en alta (y por tanto más potencia), el grupo Volkswagen utiliza en sus TSI (o TFSI, según el que lo monte sea un Volkswagen o un Audi) un sistema de doble sobrealimentación mediante un turbo y un compresor. El motor 1.4 TSI de Volkswagen Volkswagen estrenó el sistema de doble sobrealimentación mediante compresor y turbo en su motor 1.4 TSI. Lo llevan, entre otros muchos modelos, el VW Golf. Imagen 191. Motor 1.4 TSI de VW La idea cómo ya se ha expuesto es, utilizar un turbo del tamaño necesario para suministrar una presión elevada, y en vez de un turbo más pequeño, recurrir a un compresor volumétrico para generar presión cuando sería difícil mover la turbina del turbocompresor, es decir, a bajo régimen, cuando no hay suficientes gases de escape. Es importante puntualizar, que la alimentación en dos etapas no es algo nuevo. Lancia [91] ya utilizó un sistema de doble sobrealimentación con compresor y turbo en su Delta S4 [92] allá por 1985, aunque con el objetivo de conseguir el máximo rendimiento y una potencia muy alta. Sin ir más lejos, Porsche la utilizó a mediados de los años ochenta en el 959 [93], nacido Grupo B, que portaba un motor boxer de seis cilindros de 2.850 c.c. y 450 caballos de potencia a 6.500 rpm. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 307 Tampoco podemos obviar a una marca como Toyota, que ya emplearía este sistema en el motor de seis cilindros en línea del Supra Biturbo [94] de 1993, que con 2.997 cc era capaz de entregar nada menos que 320 caballos de potencia a 4.000 rpm. El resultado de tanta potencia era un misil donde a medio recorrido se sumaba sin transición un segundo chorro de potencia.Volkswagen, por su parte, ha desarrollado este sistema para poder mejorar la técnica del downsizing, reduciendo la cilindrada de sus motores, y buscando, sobre todo, una mejora en el consumo. Funcionamiento del motor TSI Cómo se ha comentado, la idea fundamental del desarrollo de los motores TSi es la utilización de un compresor volumétrico para generar potencia a bajas revoluciones y un turbocompresor para generar potencia a altas. El funcionamiento del compresor, está basado en el principio Roots(Una característica de este tipo de compresores es su capacidad para mantener el giro cuando se produce un cambio de marchas). El compresor está conectado al cigüeñal mediante una polea y un embrague electromagnético, y es capaz de generar hasta 2,8 bares de presión máxima desde un régimen apenas superior al ralentí, algo imposible para el turbo, y una cifra superior a los 2,5 bares de presión máxima absoluta que pueden generar compresor y turbo cuando trabajan juntos. Esto sólo sucede en un rango determinado de revoluciones. A partir de 2.400 rpm el compresor se desconecta, aunque si la carga (es decir, la presión sobre el acelerador) es alta, y hasta 3.500 rpm como máximo, puede sumar su efecto al del turbocompresor, por lo que sí trabajan de forma conjunta. Por encima de 3.500 rpm, sólo funciona el turbo. La presión de inyección máxima se incrementa hasta 150 bares con el fin de obtener esta amplia gama de flujo transversal. Asimismo, la tecnología TSI hizo posible lograr una relación de compresión de 10:1, una cifra alta en motores sobrealimentados ya que anteriormente los motores que utilizaban turbos, difícilmente superaban relaciones de compresión superior a 8,5:1. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 308 Accionamiento de compresor y componentes auxiliares por correa poli-V - El motor TSI 1.4 l dispone de dos correas poli-V. - En el accionamiento de correa para los grupos auxiliares se implanta una correa poli-V de seis hileras. Se encarga de accionar desde la polea del cigüeñal la bomba de líquido refrigerante, el alternador y el compresor del climatizador. - En el accionamiento de correa para el compresor se implanta una correa poli-V de cinco hileras. Se encarga de accionar el compresor a través de la polea del acoplamiento electromagnético. Imagen 192. Accionamiento del compresor Ventajas: - Rápida generación de la presión de sobrealimentación. - Pares intensos a bajas revoluciones - Sólo se activa en función de las necesidades. - No requiere lubricación o refrigeración externas. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 309 Desventajas: - Consume potencia del motor - La presión de sobrealimentación se genera en función del régimen y luego se vuelve a perder una parte de la energía al someterse a regulación. Imagen 193. Compresor motor V6 motor TFSI de Audi El motor 535d de BMW Por otro lado, el motor 535d [95] de BMW es otro caso de aplicación de la sobrealimentación en dos etapas. En cuestión el motor, que recibe la denominación RD6 y deriva del 3.0 diesel de 218 caballos (correspondiente al 530d), incorpora un doble turbo escalonado. El motor del 535d, lejos de funcionar como un biturbo convencional, utiliza la tecnología de la sobrealimentación escalonada (Twin Turbo variable). En este sentido, se distingue de los primeros en que emplea dos turbos de distinto tamaño y situados en serie, en lugar de en paralelo (como ocurre con los motores que emplean doble turbo). De esta manera, cada turbocompresor puede activarse en función de lo que aceleramos y del régimen de giro. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 310 Para estudiarlo bien, hagámoslo analizando sus tres estados diferenciados. A bajas revoluciones: alrededor de las 1.100 rpm y con la mariposa de escape cerrada el aire de aspiración pasa libremente por la unidad de sobrealimentación grande y se comprime en la pequeña. De esa manera, el motor puede aspirar mucho aire y casi sin retardo a ralentí. Esto significa que disponemos de un par motor de 530 Nm a partir de tan sólo 1.500 rpm. Una cantidad muy superior a la que ofrecen los motores tradicionales de gasóleo. A medio régimen: se produce alrededor de las 2.000 rpm y con la mariposa de escape semiabierta, mientras la de admisión permanece cerrada. De esta manera, ambos turbos trabajan de forma escalonada ?el aire de admisión se precomprime primero en el turbo grande, mientras el pequeño lo comprime a mayor presión y se alcanza una presión de soplado muy alta ?2,85 barescon un par bastante elevado 560 Nm (57,1 mkg) desde 2.000 rpm. Todo ello da como resultado una respuesta bastante contundente. A altas revoluciones: en torno a las 3.100 rpm, el turbo pequeño deja de funcionar, ya que las mariposas de escape y de admisión permanecen abiertas, motivo por el que los gases se evaden a través del turbo grande, el cual es el único que carga a regímenes elevados desde 3.200 hasta 4.600 rpm. En este caso, el motor es muy aprovechable a altas velocidades funcionando mejor que un turbo de geometría variable, dado que es muy aprovechable desde altas revoluciones. Basta señalar que a 4.400 rpm ya desarrolla toda su potencia de 272 caballos. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 311 4.2.7.- Nuevos combustibles Dentro del objetivo del proyecto, que son los sistemas o mejoras aplicables a motores alternativos de combustión, para su mejora de rendimiento o la reducción de sus emisiones contaminantes, se ha considerado interesante el analisis de los nuevos combustibles que de una manera u otra se están empezando a usar a modo de sustitivos de combustibles fósiles, con el objetivo principal y básico, de reducir las emisiones contaminantes, que inevitablemente los derivados del crudo generan. 4.2.7.1.-Regulación e impacto social de los biocombustibles 4.2.7.1.1.- Las consecuencias de la dependencia energética El sector del transporte consume un 30% de toda la energía utilizada en el mundo. Esta cifra se eleva en la Unión Europea al 32% y en España al 39%. Actualmente se consumen diariamente en torno a 88 millones de barriles de petróleo en todo el mundo y las estimaciones indican que esta cifra aumentará hasta llegar a los 112 millones de barriles diarios en 2020. Cada año se utiliza una cantidad de petróleo en torno a cuatro veces superior a la que se descubre y así es imposible que salgan las cuentas. Cómo ya se comentó en el apartado correspondiente, no es que el petróleo se vaya a acabar a corto plazo, pero extraer lo que queda se va haciendo cada vez más difícil y más caro. El suministro futuro depende de nuevos yacimientos, siempre de pequeño tamaño, y de la mejora en las tecnologías de extracción de los grandes pozos ya existentes, en su mayoría descubiertos en la década de los 70. Más tarde o más temprano, la escasez de petróleo está asegurada, por lo que encontrar y desarrollar soluciones alternativas no sólo es una cuestión ambiental, sino también una necesidad estratégica de futuro. Los biocombustibles constituyen una salida poco traumática para paliar la escasez de crudo, ya que son capaces de sustituirlo sin necesidad de realizar grandes cambios en el parque móvil mundial. Basamos nuestra movilidad en una fuente energética cuyo futuro está seriamente comprometido y esta es una razón más que suficiente para plantearse un cambio en el modelo energético, pero es que además se da la circunstancia de que el petróleo es un recurso distribuido geográficamente de manera desigual, y este es un aspecto que no se puede pasar por alto. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 312 La Unión Europea depende de terceros para obtener más de la mitad del petróleo que consume, mientras que en España el porcentaje supera el 70%. Estos datos deberían hacernos reflexionar y llevarnos a cambiar, no sólo el modelo energético, sino también nuestros hábitos de consumo. La caída libre del precio del petróleo generada por la peor crisis económica en 80 años pone en peligro las enormes inversiones necesarias para desarrollar energías alternativas y luchar contra el cambio climático. 4.2.7.1.2.- La alternativa de los biocombustibles La utilización de los biocarburantes presenta diversas ventajas medioambientales, energéticas y socioeconómicas respecto a los combustibles convencionales derivados del petróleo que los convierten en un instrumento muy útil para el cumplimiento de las políticas comunitarias en materia de lucha contra el cambio climático y de seguridad de suministro por la vía de reducción de la dependencia del petróleo. Un biocarburante o biocombustible es una mezcla de hidrocarburos que se utiliza como combustible en los motores de combustión interna y que deriva de la biomasa, materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía. Para la obtención de los biocarburantes se pueden utilizar especies de uso agrícola tales como el maíz o la mandioca, ricas en carbohidratos, o plantas oleaginosas como la soja, girasol y palmas. También se pueden emplear especies forestales como el eucalipto y los pinos. En Europa, Argentina y Estados Unidos ha surgido diversa normativa que exige a los provedores mezclar biocombustibles hasta un nivel determinado. Generalmente los biocombustibles se mezclan con otros combustibles en cantidades que varian del 5 al 10%. El uso de biocarburantes tiene impactos ambientales negativos y positivos. Los impactos negativos hacen que, a pesar de ser una energía renovable, no sea considerado por muchos expertos como una energía no contaminante y, en consecuencia, tampoco una energía verde. Una de las causas es que, pese a que en las primeras producciones de biocarburantes sólo se utilizaban los restos de otras actividades agrícolas, con su generalización y fomento en los países desarrollados, muchos países subdesarrollados, especialmente del sureste asiático, están destruyendo sus espacios naturales, incluyendo selvas y bosques, para crear plantaciones para biocarburantes. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 319 Basado en estimaciones conservadoras, los 7 millones de vehículos ya que corren sobre el Autogas en Europa representan los ahorros anuales de al menos 2.7 millones de toneladas de CO2. A la luz de sus ventajas de reducción de CO2 y la disponibilidad inmediata, hay una base convincente para un papel mayor del Autogas en el transporte por carretera de la Unión Europea. El autogas hace una contribución inmediata y significativa a los esfuerzos de la Unión Europea para reducir emisiones de CO2 de vehículos y a los más amplios objetivos de reducir el total emisiones de CO2 de la Unión Europea en un 20 % hacia 2020 y encontrar objetivos nacionales sobre la mitigación de cambio climático dentro del marco regulador post-Kyoto. Predicciones Se apoyan en los estudios realizados por la empresa Purvin and Getz Con un exceso de GLP anual pronosticado en los límites de 11-17 millones de toneladas hasta 2015, hay razones para creer que el Autogas puede solidificar su posición como uno de los combustibles alternativos principales de Europa en los años que venideros. Estas perspectivas robustas son sostenidas por las reservas sustanciales de los materiales de la fuente del GLP, el gas natural y el aceite. La Agencia Internacional de la Energía puntualiza que: " La dotación mundial total de aceite es bastante grande para apoyar la subida proyectada de la producción y que, por todo el mundo, los recursos de gas natural son más que suficientes para cubrir con los objetivos de la demanda proyectada hasta 2030." Gráfica 25. Estimaciones de consumo mundial de GLP Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 320 Fuentes de extracción del GLP Hay tres fuentes distintas de GLP: 1. Tratamiento durante extracción de gas 2. Tratamiento durante extracción del aceite 3. Como un producto que surge naturalmente durante la refinación del crudo Actualmente, el 60 % de producción de GLP global viene de las fuentes 1 y 2, con la producción de campos de gas natural que constituyen una parte cada vez más significativa. Producción en millones de toneladas de GLP en función de las fuentes anteriormente comentadas: Gráfica 26. Producción en millones de toneladas de GLP [98] Gráfica 27. Suministro en millones de toneladas de GLP en función de regiones Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 321 Logística y distribución Imagen 194. Logística y distribución del GLP Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 322 Imagen 195. Estaciones de llenado en 2007 Conclusiones respecto al GLP El ahorro está sustentado con el hecho de que el costo del GLP es bastante inferior al de cualquier gasolina. Incluso que la gasolina de 84 octanos. Usando GLP en lugar de gasolina, se reducirá el gasto operativo del automóvil, o dicho de otra forma se conseguirá un ahorro de entre 40% y 50% del gasto actual en gasolina. El autogas también reduce considerablemente los humos de escape. Debido a su alto octanaje, el autogas no requiere de aditivos, lo que se refleja en una menor cantidad de emisiones contaminantes. Otro de los beneficios que permite el uso del autogas, es la imposibilidad de ser sustraído del depósito que lo almacena. Esto quiere decir que se elimina la posibilidad de pérdida del carburante, situación muy común con la gasolina en el caso de flotas de vehículos. Por desgracia en España, aún existen pocas gasolineras que contemplan este combustible aunque estan bastante bien distribuidas y su aumento, sin duda alguna, dependerá de la demanda. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 323 Metanol El metanol es utilizado como combustible, principalmente al mezclarlo con gasolina. Sin embargo, ha recibido menos atención que el etanol (combustible) porque tiene algunos inconvenientes. Su principal ventaja es que puede ser elaborado fácilmente a partir del metano (el principal componente del gas natural) así como por la pirólisis de muchos materiales orgánicos. El problema de la pirólisis es que solamente es económicamente factible a escala industrial, así que no es recomendable producir el metanol a partir de recursos renovables como la madera a pequeña escala (uso personal). En cualquier caso, el proceso alcanza temperaturas muy elevadas, con cierto riesgo de incendio; además, el metanol es altamente tóxico, así que se debe tener siempre especial cuidado de no ingerirlo, derramarlo sobre piel desnuda o inhalar los humos. El metanol se puede producir a partir de biomasa; Rusia tiene un extenso programa para producir metanol a partir de eucalipto. A diferencia del etanol, el metanol es un producto tóxico; la exposición extensa a él podría provocar daños irreversibles para la salud, incluyendo ceguera. La exposición máxima permitida en los EE. UU. en el aire (40 h/semana) es de 1.900 mg/m³ para el etanol, de 900 mg/m³ para la gasolina, y de 260 mg/m³ para el metanol. Es también tremendamente volátil y por lo tanto aumentaría el riesgo de incendios o de explosiones. Además de los importantes riesgos de incendio y de explosión, una volatilidad más alta significa más emisiones por evaporación. En la atmósfera y en el hígado, el metanol se oxida en dos toxinas altamente potentes: formaldehído (usado como conservante para la materia orgánica muerta en laboratorios), y ácido fórmico (el veneno encontrado en picaduras de la hormiga). Los convertidores catalíticos degradarían en general estas dos toxinas de forma similar a como lo hacen ya con el dióxido de azufre (SO2), óxidos de nitrógeno (NOX), o moléculas de monóxido de carbono (CO) si no fuera por el hecho de que los convertidores catalíticos funcionan debajo de la temperatura requerida hasta que el vehículo ha recorrido unos 10-15 km (unas 5-10 millas). Es posible superar este problema ambiental de dos maneras. En primer lugar, existe la opción (muy costosa) de agregar más elementos catalizadores al panal de aluminio del convertidor. Pero los catalizadores suelen ser el platino, el paladio, y el rodio metales muy raros y por lo tanto caros. Como ejemplo, el paladio cuesta cerca de 5.500 €/kg. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 324 El platino cuesta aún más: 26.200€/kg. Este es el motivo por el cual los convertidores catalíticos contienen tan poco catalizador: los catalizadores son demasiado costosos para ser utilizados extensamente de manera que se consiguiese el rendimiento que se espera de ellos. Alternativamente, un calentador eléctrico (como el calentador de motores diésel) serviría para precalentar el convertidor que un poco más que el motor por sí mismo más rápidamente. El convertidor catalítico todavía estaría funcionando por debajo de la temperatura requerida por un cierto tiempo, pero menos que en un vehículo sin modificar, así los niveles de contaminación se reducen perceptiblemente. Obsérvese que los vehículos híbridos son más fáciles modificar pues tienen ya sistemas de batería que pueden proveer suficiente energía para calentar el catalizador a una temperatura más adecuada, mientras que los coches convencionales pueden necesitar modificaciones eléctricas. Un problema adicional del metanol es que su contenido en energía, su PCI, es de solamente es 45% que el de la gasolina y el 75% del etanol. Comparaciones Tabla 26. Comparativa de combustibles El metanol es un combustible alternativo para motores de combustión interna y otros, ya sea en combinación con gasolina o directamente ("puro"). Se utiliza en los coches de carreras y en China. En los EE.UU., combustible de metanol ha recibido menos atención que el combustible etanol, como una alternativa a los combustibles derivados del petróleo; ya que en la década de 2000 en particular, con el apoyo de etanol a base de maíz, le ofrecía ciertas ventajas políticas. En general, el etanol es menos tóxico y tiene una mayor densidad de energía, aunque el metanol es menos caro de producir sosteniblemente y es una manera menos costosa para reducir la huella de carbono. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 325 El metanol se puede hacer a partir de recursos fósiles o renovables, en particular gas natural y biomasa, respectivamente. Aplicación En Brasil se intentó agregar un porcentaje de metanol a la gasolina y casi fue aprobado un experimento piloto propuesto por un grupo de científicos que investigaban la adición a la gasolina de metanol entre 1989 y 1992. El experimento a gran escala que debía ser probado en São Paulo fue vetado a última hora por el alcalde de la ciudad, por la preocupación por la salud de los trabajadores de las gasolineras (la mayoría de los cuales son analfabetos y no se puede esperar que sigan medidas de seguridad). Hasta 2006, la idea no ha vuelto a proponerse. Desde el accidente de siete coches en las 500 millas de Indianápolis en la segunda vuelta de 1964 se decidió prohibir la gasolina cuando Eddie Sachs y Dave McDonald murieron en el choque. Sin embargo, cuando el coche Johnny Rutherford empezó a arder al entrar en la bola de fuego que se había producido el incendio que formó fue mucho menor al estar su coche lleno con metanol. Hoy en día se utiliza metanol puro o mezclas de metanol y etanol en una proporciones 90%, 10% respectivamente. Etanol Se denomina así al alcohol etílico deshidratado (99.4% de pureza) utilizado en motores de combustión, que sustituyen a la nafta en forma parcial y/o total. La denominación puede ser tanto etanol con bioetanol (en este estudio ya que nos referimos al combustible), la idea de cambiar la designación es, en el uso general distinguir entre el alcohol y el combustible. Estos alcoholes tienen un alto contenido de oxígeno (hoy todas las naftas llevan agregados de oxigenantes) y se pueden obtener de distintas fuentes: • Materias ricas en sacarosa: como la caña de azúcar, la melaza y el sorgo dulce. • Materias ricas en almidón: como los cereales (maíz, trigo, cebada, etc.) y los tubérculos (camote, papa, etc). • Materias ricas en celulosa: como la madera y los residuos agrícolas. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 326 Definición y características El alcohol etílico o etanol es un producto químico obtenido a partir de la fermentación de los azúcares que se encuentran en los productos vegetales, tales como cereales, remolacha, caía de azúcar, sorgo o biomasa. Estos azúcares están combinados en forma de sacarosa, almidón, hemicelulosa y celulosa. Las plantas crecen gracias al proceso de fotosíntesis, en el que la luz del sol, el dióxido de carbono de la atmósfera, el agua y los nutrientes de la tierra forman moléculas orgánicas complejas como el azúcar, los hidratos de carbono y la celulosa, que se concentra en la parte fibrosa la planta. El etanol se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en la materia orgánica de las plantas. En este proceso se obtiene el alcohol hidratado, con un contenido aproximado del 5% de agua, que tras ser deshidratado se puede utilizar como combustible. El bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto poder energético con características muy similares a la gasolina pero con una importante reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustión. El etanol se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 o el 10%, E5 [99] y E10 [100] respectivamente, que no requieren modificaciones en los motores actuales. Un obstáculo importante es la legislación europea sobre la volatilidad de las gasolinas que fija la proporción de etanol en mezclas E5. Concentraciones más elevadas, autorizadas en Suecia y Estados Unidos, implica que se debe disponer de un veh�culo flexible (FFV) [101], con un depósito, motor y sistema de combustible único capaz de funcionar con gasolina y etanol, solos o mezclados en cualquier proporción. La otra alternativa para su uso es en forma de aditivo de la gasolina como etil-tercbutil �ter (ETBE).[102] Las especificaciones para la utilización de bioetanol se compendian en la norma Europea de Gasolinas EN 228 [103], en España se encuentra transpuesta la Directiva 2003/17/CE [104] relativa a la calidad de las gasolinas y gasóleo, en el Real Decreto R.D. 61/2006 [105] de las especificaciones y uso de biocarburantes. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 327 Aplicaciones Para poder utilizar el etanol como combustible puro (E100) [106] se necesitan llevar a cabo una serie de modificaciones en el motor, para no alterar significativamente el consumo. Estas son: -Aumentar la relación de compresión. -Variar la mezcla de combustible/aire. -Colocar bujías resistentes a mayores temperaturas y presiones. -Colocar conductos resistentes al ataque de alcoholes. -Agregar un mecanismo que facilite el arranque en frío. La forma más común y sencilla de utilización de este combustible es en forma parcial hasta un 15% (E10 o E15 [107]) sin ser necesaria modificación alguna en el motor, aunque pequeñas modificaciones en la relación de compresión y relación aire/combustible, puede mejorar la potencia. A medida que aumenta el agregado de alcohol en la mezcla, la combustión libera menor cantidad de contaminantes a la atmósfera, en especial CO. Procesos de obtención de etanol El bioetanol se obtiene a partir de la remolacha (u otras plantas ricas en azúcares), de cereales, de alcohol vínico o de biomasa, mediante un proceso de destilación. En España la producción industrial emplea principalmente cereal como materia prima básica, con posibilidad de utilizar los excedentes de la industria remolachera transformados en jugos azucarados de bajo costo. En general, se utilizan tres familias de productos para la obtención del alcohol: • Azucares, procedentes de la caña o la remolacha, por ejemplo. • Cereales, mediante la fermentación de los azúcares del almidón. • Biomasa, por la fermentación de los azúcares contenidos en la celulosa y hemicelulosa. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 328 El esquema general de fabricación del bioetanol (Imagen 196) , muestra las siguiente fases en el proceso: Imagen 196. Esquema de la fabricación del bioetanol Dilución: Es la adición del agua para ajustar la cantidad de azúcar en la mezcla o (en última instancia) la cantidad de alcohol en el producto. Es necesaria porque la levadura, usada más adelante en el proceso de fermentación, puede morir debido a una concentración demasiado grande del alcohol. Conversión: La conversión es el proceso de convertir el almidón/celulosa en azúcares fermentables. Puede ser lograda por el uso de la malta, extractos de enzimas contenidas en la malta, o por el tratamiento del almidón (o de la celulosa) con el ácido en un proceso de hidrólisis ácida. Fermentación: La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico realizado por las levaduras, básicamente. De la fermentación alcohólica se obtienen un gran número de productos, entre ellos el alcohol Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 335 Imagen 199. El bioetanol en España BioDiésel El biodiésel es un biocombustible líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso previo,1 mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del petrodiésel o gasóleo obtenido del petróleo. El biodiésel puede mezclarse con gasóleo procedente del refino del petróleo en diferentes cantidades. Se utilizan notaciones abreviadas según el porcentaje por volumen de biodiésel en la mezcla: B100 en caso de utilizar sólo biodiésel, u otras notaciones como B5, B15, B30 o B50 [111], donde la numeración indica el porcentaje por volumen de biodiésel en la mezcla. El aceite vegetal, cuyas propiedades para la impulsión de motores se conocen desde la invención del motor diésel gracias a los trabajos de Rudolf Diesel, ya se destinaba a la combustión en motores de ciclo diésel convencionales o adaptados. A principios del siglo XXI, en el contexto de búsqueda de nuevas fuentes de energía, se impulsó su desarrollo para su utilización en automóviles como combustible alternativo a los derivados del petróleo. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 336 El biodiésel descompone el caucho natural, por lo que es necesario sustituir éste por elastómeros sintéticos en caso de utilizar mezclas de combustible con alto contenido de biodiésel. El impacto ambiental y las consecuencias sociales de su previsible producción y comercialización masiva, especialmente en los países en vías de desarrollo o del Tercer y Cuarto mundo generan un aumento de la deforestación de bosques nativos, la expansión indiscriminada de la frontera agrícola, el desplazamiento de cultivos alimentarios y para la ganadería, la destrucción del ecosistema y la biodiversidad, y el desplazamiento de los trabajadores rurales. Se ha propuesto en los últimos tiempos denominarlo agrodiésel ya que el prefijo «bio-» a menudo es asociado erróneamente con algo ecológico y respetuoso con el medio ambiente. Sin embargo, algunas marcas de productos del petróleo ya denominan agrodiésel al gasóleo agrícola o gasóleo B, empleado en maquinaria agrícola. Antecedentes históricos La transesterificación de los aceites vegetales fue desarrollada en 1853 por los científicos E. Duffy y J. Patrick, muchos años antes de que el primer motor diésel funcionase. El primer modelo de Rudolf Diesel, un monocilíndrico de hierro de 3 metros con un volante en la base funcionó por vez primera en Augusta (Alemania), el 10 de agosto de 1893. En conmemoración de dicho evento, el 10 de agosto se ha declarado "Día Internacional del Biodiésel". Diesel presentó su motor en la Exposición Mundial de París de 1900. Este motor es un ejemplo de la visión de Diesel, ya que era alimentado por aceite de cacahuete –un biocombustble, aunque no estrictamente biodiésel, puesto que no era transesterificado-. Diesel quería que el uso de un combustible obtenido de la biomasa fuese el verdadero futuro de su motor. En un discurso de 1912, dice: “el uso de aceites vegetales para el combustible de los motores puede parecer insignificante hoy, pero tales aceites pueden convertirse, con el paso del tiempo, importantes en cuanto a sustitutos del petróleo y el carbón de nuestros días”. Durante los años veinte, los fabricantes de motores diésel adaptaron sus propulsores a la menor viscosidad del combustible fósil (gasóleo) frente al aceite vegetal. La industria petrolera amplió así su hueco en el mercado de los carburantes porque su producto era más económico de producir que la alternativa extraída de la biomasa. El resultado fue, por muchos años, la casi completa desaparición de la producción de combustibles a partir de biomasa. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 337 Sólo recientemente la preocupación por el impacto ambiental y la menor diferencia de precios han hecho de los biocombustibles una alternativa válida. A pesar del increíble uso de los derivados del petróleo como combustibles, durante los años veinte, treinta y la posguerra mundial, varios países (entre ellos Argentina) informaron de haber usado aceites como sustituto del diésel. Se detectaron problemas por la diferencia de viscosidad entre el aceite y el diésel, que producía depósitos dentro de la cámara de combustión y los inyectores. Algunos intentos para superar esto fueron aplicar una pirólisis y craqueo al aceite, mezclarlo con diésel de petróleo o etanol, o calentarlo. El 31 de agosto de 1937, G. Chavanne de la Universidad de Bruselas, Bélgica [112], obtuvo la patente por “transformar aceites vegetales para su uso como combustibles”. La patente describía la transesterificación del aceite usando etanol o metanol para separar la glicerina de los ácidos grasos y reemplazarla con alcoholes de cadenas cortas. Esta fue la primera producción de biodiésel. Más recientemente, en 1977, Expedito Parente, científico brasileño, inventó y patentó el primer proceso industrial de producción de biodiésel. Actualmente, Tecbio, la empresa de Parente, trabaja junto con Boeing [115] y la NASA [116] para certificar bioqueroseno. Entre 1978 y 1996, el National Renewable Energy Laboratory (NREL) [117] estadounidense ha experimentado el uso de algas como fuente de biodiésel, dentro del Aquatic Species Program [118]. La experimentación del NREL, tras 16 años, está estancada debido a que el programa de investigación carece de financiación. En 1979 se iniciaron en Sudáfrica investigaciones sobre cómo transesterificar aceite de girasol en diésel. Finalmente en 1983, el proceso de cómo producir biodiésel de calidad fue completado y publicado internacionalmente. Gaskoks [119], una industria austríaca, obtuvo esta tecnología y estableció la primera planta piloto productora de biodiésel en 1987 y una industrial en 1989. Durante la década de los 90, se abrieron muchas plantas en muchos países europeos, entre ellos la República Checa, Alemania y Suecia. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 338 En los años noventa, Francia ha lanzado la producción local de biodiésel (conocido localmente como diéster) obtenido de la transesterificación del aceite de colza. Va mezclado en un 5% en el combustible diésel convencional, y en un 30 % en el caso de algunas flotas de tranporte público. Renault, Peugeot y otros productores han certificado sus motores para la utilización parcial con biodiésel, mientras se trabaja para implantar un biodiésel del 50%. Francia empezó una producción local de biodiésel el cual se mezclaba en un 30% con diésel para transporte público. Renault [120] y Peugeot certificaron motores de camiones con uso parcial de biodiésel (alrededor del 50%). Durante el año 1998 se identificaban 21 países con proyectos comerciales de biodiésel. En septiembre del año 2005, Minnesota fue el primer estado estadounidense que obligaba un uso de, al menos, un 2% de biodiésel. En 2008, la ASTM (American Society for Testing and Materials) [121] publicó los estándares y especificaciones de mezcla de biodiésel. Propiedades El biodiésel se describe químicamente como compuestos orgánicos de ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga y corta. El biodiésel tiene mejores propiedades lubricantes y mucho mayor índice de cetano que el diésel de poco azufre. El agregar en una cierta proporción biodiésel al gasóleo reduce significativamente el desgaste del circuito de combustible; y, en baja cantidad y en sistemas de altas presiones, extiende la vida útil de los inyectores que dependen de la lubricación del combustible. El poder calorífico del biodiésel es 37,27 MJ/L (megajulio por litro) aproximadamente. Esto es un 9% menor que el diésel mineral. La variación del poder calorífico del biodiésel depende de la materia prima usada más que del proceso. El biodiésel es líquido a temperatura ambiente y su color varía entre dorado y marrón oscuro según el tipo de materia prima usada. Es inmiscible con el agua, tiene un punto de ebullición alto y baja presión de vapor. Su punto de inflamación (superior a 130 °C) es mucho mayor que el del diésel (64 °C) o la gasolina (-40 °C). Tiene una densidad de aproximadamente 0,88 g/cm3, menos que el agua. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 339 Más allá, no tiene virtualmente ningún contenido de azufre y se suele mezclar como aditivo con el diésel de bajo contenido en azufre. Carácterísticas Ventajas -El biodiésel disminuye de forma notable las principales emisiones de los vehículos, como son el monóxido de carbono y los hidrocarburos volátiles, en el caso de los motores de gasolina, y las partículas, en el de los motores diésel. -La producción de biodiésel supone una alternativa en el uso del suelo que evita los fenómenos de erosión y desertificación a los que pueden quedar expuestas aquellas tierras agrícolas que, por razones de mercado, están siendo abandonadas por los agricultores. -El biodiésel supone un ahorro de entre un 25% a un 80% de las emisiones de CO2 producidas por los combustibles derivados del petróleo, constituyendo así un elemento importante para disminuir los gases invernadero producidos por el transporte. -Por su mayor índice de octano y lubricación reduce el desgaste en la bomba de inyección y en las toberas. -No tiene compuestos de azufre por lo que no los elimina como gases de combustión. -El biodiésel también es utilizado como una alternativa de aceite para motores de dos tiempos, en varios porcentajes; el porcentaje más utilizado es el de 10/1. -El biodiésel también puede ser utilizado como aditivo para motores a gasolina (nafta) para la limpieza interna de éstos. Inconvenientes -La explotación de plantaciones para palmas de aceite (utilizadas para hacer biodiésel) fue responsable de un 87% de la deforestación de Malasia hasta el año 2000. En Sumatra y Borneo, millones de hectáreas de bosque se convirtieron en tierra de cultivo de estas palmeras y en los últimos años se ha conseguido más que doblar esa cifra, la tala y los incendios perduran. Hasta deforestaron por completo el famoso parque nacional Tanjung Puting de Kalimantan.[122] Orangutanes, gibones, rinocerontes, tapires tigres, panteras nebulosa, etc, se van a extinguir por la destrucción del hábitat. Miles de indígenas han sido desalojados de sus tierras y 1500 indonesios fueron torturados. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 340 Pero los gobiernos, mientras Europa siga comprando su palma de aceite para hacer biodiésel, seguirán promoviendo el cultivo de estas plantas para su propio beneficio. -Debido a su mejor capacidad disolvente con respecto al petrodiésel, los residuos existentes son disueltos y enviados por la línea de combustible, pudiendo atascar los filtros, caso que se da únicamente cuando se utiliza por primera vez después de haber estado consumiento diésel mineral. -Tiene una menor capacidad energética, aproximadamente un 3% menos, aunque esto, en la práctica, no es tan notorio ya que es compensado con el mayor índice de cetano, lo que produce una combustión más completa con menor compresión. -Otros problemas que presenta se refieren al área de la logística de almacenamiento, ya que es un producto hidrófilo y degradable, por lo cual es necesaria una planificación exacta de su producción y expedición. El producto se degrada notoriamente más rápido que el petrodiésel. -El rendimiento promedio para oleaginosas como girasol, maní, arroz, algodón, soja o ricino ronda los 900 litros de biodiésel por hectárea cosechada. Esto puede hacer que sea poco práctico para países con poca superficie cultivable; sin embargo, la gran variedad de semillas aptas para su producción (muchas de ellas complementarias en su rotación o con subproductos utilizables en otras industrias) hace que sea un proyecto sustentable. No obstante, se está comenzando a utilizar la jatrofa para producir aceite vegetal y, posteriormente, biodiésel y que puede cultivarse incluso en zonas desérticas. Compatibilidad con materiales Plásticos Es compatible con el polietileno de alta densidad. Al PVC lo degrada lentamente. Algunos polímeros los disuelve al contacto directo. Metales Afecta a materiales basados en el cobre, también ataca el zinc, el estaño, el plomo y el hierro fundido. Los materiales de acero inoxidable y aluminio son inmunes. Caucho El biodiésel descompone al caucho natural de algunos componentes de motores antiguos. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 341 Gelificación Cuando el biodiésel se enfría hasta determinado punto, algunas moléculas se agregan y forman cristales. El combustible empieza a “nublarse” una vez que los cristales se hacen grandes (un cuarto de la longitud de onda de luz visible). Este punto se llama punto de enturbiamiento. Cuanto más frío esté el combustible, mayores son los cristales. La menor temperatura en la cual el biodiésel pasa por un filtro de 45 micrones se la llama punto de obstrucción de filtros en frío (CFPP en inglés). A menores temperaturas el biodiésel se convierte en gel y luego solidifica. Dentro de Europa, hay mucha diferencia en este punto entre países. La temperatura en la cual el biodiésel puro comienza a gelificarse depende de la mezcla de ésteres y, consecuentemente, de la materia prima usada. Por ejemplo, si se produce a partir de sebo, tiende a convertirse en gel cerca de los 16 °C. Hay muchos aditivos que se le agregan al biodiésel para disminuir esta temperatura. Otra solución es mezclar biodiésel con diésel o queroseno. Otra es tener un tanque secundario de biodiésel acompañando al del diésel de petróleo: el primero arranca y calienta el segundo, y una vez alcanzada la temperatura necesaria, se cambia la alimentación. Con agua El biodiésel puede contener pequeñas cantidades de agua, pero son problemáticas. Aunque el biodiésel no es miscible con el agua, es higroscópico como el etanol, es decir, absorbe el agua de la humedad atmosférica. Una de las razones para que el biodiésel sea higroscópico es la persistencia de los mono y diglicéridos sobrantes de una reacción incompleta. Estas moléculas pueden actuar como un emulsionante, permitiendo que el agua se mezcle con el biodiésel.[cita requerida] Por otro lado, puede haber agua residual debido al tratamiento o como resultado de la condensación del tanque de almacenamiento. La presencia de agua es un problema porque: -El agua reduce el calor de combustión del combustible a granel. Esto significa más humo, mayores dificultades en el arranque, menor rendimiento energético. -El agua causa la corrosión de los componentes vitales del sistema de combustible: las bombas de combustible, bombas de inyección, líneas de combustible, etc. -El agua y los microbios que la acompañan atascan y estropean los filtros de papel para el combustible, lo que a su vez se traduce en un fallo prematuro de la bomba de combustible debido a la ingestión de partículas grandes. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 342 -El agua se congela para formar cristales de hielo cerca de 0 °C (32 °F). Estos cristales proporcionan sitios para la nucleación y aceleran la gelificación del combustible residual. -El agua acelera el crecimiento de las colonias de microbios, que pueden obstruir el sistema de combustible. Hay informes de usuarios de biodiésel que han calentado los depósitos de combustible para hacer frente al problema de los microbios. -Además, el agua puede producir picaduras en los pistones de un motor diésel. Mezclas Las mezclas de biodiésel y diésel convencional basada en hidrocarburos son los productos más habitualmente distribuidos para su uso en el mercado del gasóleo al por menor. Gran parte del mundo utiliza un sistema conocido como la "B", factor que indica la cantidad de biodiésel en cualquier mezcla de combustible: el combustible que contiene 20% de biodiésel tiene la etiqueta B20, mientras que el biodiésel puro se denomina B100. Las mezclas con 80 por ciento de biodiésel y 20 por ciento de diésel de petróleo (B80) se pueden utilizar en general en motores diésel sin modificar. El biodiésel también puede ser utilizado en su forma pura (B100), pero puede requerir algunas modificaciones del motor para evitar problemas de mantenimiento y rendimiento. Las mezclas de biodiésel (B100) con diésel de petróleo se puede realizar por diferentes métodos: 1) Mezclado en los depósitos. Tanto el biodiésel como diésel de petróleo se llevan a un depósito en la terminal de almacenamiento donde se mezclan y desde donde se distribuye la mezcla realizada. 2) En línea de mezcla. Los dos componentes provienen de depósitos diferentes en la terminal de almacenamiento y llegan al camión cisterna de forma simultánea: La mezcla final del biodiésel con el diésel de petróleo en la proporción deseada se realiza en la terminal de almacenamiento, en el brazo de carga del camión cisterna, lo que se conoce como “mezcla splash”. 3) Parquímetro bomba de mezcla. Tanto el biodiésel como diésel de petróleo están en depósitos diferentes en la estación de servicio o el punto de consumo. En el surtidor de combustible se marca la mezcla deseada y es el surtidor el que realiza la mezcla solicitada en el momento de servirla. Desde el punto de vista logístico la mejor opción es ésta. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 343 Utilización de biodiesel Este es un combustible que se ha empezado a utilizar hace poco tiempo, no trae muchos inconveniente en el motor, ya que tiene un alto contenido lubricante (más que el gasoil fósil), por ende duplica la vida útil de los motores. Este para poder funcionar debe tener más cantidad de aire en la cámara de combustión. Se dice que ha partir del año 1998 el biodiesel puede ser utilizado sin muchas modificaciones al motor, ya que estos vienen con mejor diseño y el único problema que este ocasiona es el desprendimiento de pintura del tanque, las conexiones y el desgaste de mangueras. Materias primas La fuente de aceite vegetal suele ser aceite de colza, ya que es una especie con alto contenido de aceite, que se adapta bien a los climas fríos. Sin embargo existen otras variedades con mayor rendimiento por hectárea, tales como la palma de aceite (Elaeis guineensis), la curcas o jatropha, camelina etc. También se pueden utilizar aceites usados (por ejemplo, aceites de fritura), en cuyo caso la materia prima es muy barata, y además se reciclan lo que en otro caso serían residuos. Existen otras materias primas de las cuales se puede extraer aceite para utilizarlas en el proceso de producción de biodiésel. Las materias primas más utilizadas en la selva amazónica son la la jatropha o curcas (piñón en portugués), sacha inchi, el ricino (mamona en portugués) y la palma aceitera. Además, otra materia prima utilizada es la grasa animal, la cual produce mayores problemas en el proceso de fabricación, aunque el producto final es de igual calidad que el biodiésel de aceite, exceptuando su punto de solidificación. Una gran variedad de aceites pueden ser usados para producir biodiésel. Entre ellos: Aceite vegetal sin usar. Los aceites de colza y soja son los más usados. El aceite de soja representa el 90% de la materia prima para biodiésel en los Estados Unidos. También puede ser obtenido de carraspique (zurrón boliviano), jatropha, lino, girasol, palma, cocotero , aceite de camelina y cáñamo. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 344 Aceites vegetales usados Grasas animales. Cerdo, gallina y los subproductos de la producción de ácidos grasos omega3 provenientes del pescado. Algas. Las cuales pueden crecer usando materiales cloacales y sin desplazar la tierra usada para producir comida. Aceite de halófitas como la salicornia. Éstas crecen en agua salada, generalmente en costas, donde no se puede cultivar otra cosa. Muchas experiencias sugieren que los aceites usados son las mejores materias primas, empero, debido a que la disponibilidad es drásticamente menor a la cantidad de combustible de petróleo que se quema, la solución no es muy usada. Las Grasas animales son subproductos de la producción de carne. A pesar de esto, no es eficiente criar animales (o atrapar peces) simplemente por su grasa, aunque el uso de los subproductos incrementa el valor de la industria ganadera. Sin embargo, producir biodiésel de grasas animales reemplazaría un pequeño porcentaje de uso de diésel de petróleo. Hoy en día, muchas productoras de biodiésel que trabajan con distintas materias primas, hacen combustible biológico a partir de grasas animales de muy buena calidad. Actualmente una empresa valorada en 5 millones de dólares está siendo construida en EE. UU., con la intención de producir 11.4 millones de litros a partir de 1 billón de kilogramos de grasa de gallina. El alcohol puede ser metanol, que forma metilésteres, o etanol, que forma etilésteres. El proceso con etanol es más complicado que con metanol. El metanol proviene del petróleo, aunque puede producirse por pirólisis de la madera. El etanol proviene de las plantas o del petróleo, y hay un método para destilarlo caseramente. Cantidad de materia prima requerida La producción actual de aceites vegetales y grasas animales no es suficiente para reemplazar la demanda de combustibles fósiles. Es más, al aumentar la producción, se requerirán más fertilizantes y pesticidas, y más tierras serán desplazadas. En Estados Unidos, el consumo de combustibles fósiles es de 160 millones de toneladas, y la producción de aceites y grasas es de 16.3 millones de toneladas. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 351 El biodiésel producido se destina tanto a ventas en estación de servicio como a ventas directas y a la exportación. En 2004 la producción acumulada de éster metílico superó las 14.000 toneladas, lo que supone un incremento del 139% en relación al año anterior. Imagen 200. El BioDiésel en España Hidrógeno Introducción En la historia de la Química, la primera referencia al hidrógeno como tal aparece con la identificación de dos gases diferentes como formando parte del agua,por el inglés Henry Cavendish en 1766. Cavendish le da el nombre de aire inflale. Más tarde, Antoine Lavoisier le da el nombre por el que lo conocemos, hidrógeno, generador de agua. Antes de que finalizara el siglo XVIII, el hidrógeno encontró su primera aplicación práctica, como ocurre frecuentemente, por el ejército francés para globos de reconocimiento. Más de un siglo después, Alemania lo empleó en sus dirigibles para cruzar el océano Atlántico e incluso como combustible para la propulsión de los llamados zeppelines. Esta empresa concluyó después de la catástrofe del Hinderburg en 1937. Más tarde, antes y después de la segunda guerra mundial, el hidrógeno se empleó como combustible de motores de vehículos de todo tipo, incluidos locomotoras y submarinos, pero sin gran éxito. Y ello a pesar de la predicción de Julio Verne en su novela “La isla misteriosa” de que algún día el agua, bajo la forma de sus componentes hidrógeno y oxígeno, serviría como fuente inagotable de energía. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 352 El auge del carbón en el siglo XIX y del petróleo en el siglo XX eliminaron toda posibilidad del uso masivo del hidrógeno. Solamente la industria química, primero con la producción de fertilizantes derivados del amoníaco y después con la necesidad de hidrógeno para eliminar azufre y otros componentes de las gasolinas y gasóleos de locomoción y como complemento en las síntesis de productos derivados del petróleo, mantuvieron en el mundo una producción sustancial del hidrógeno. Más adelante, ya en la segunda mitad del siglo XX, la preocupación por el ambiente y los posibles efectos sobre el clima, el comienzo de la era espacial y la inquietud sobre el agotamiento de los combustibles fósiles, ha traído de nuevo un gran impulso, sobre todo, de la industria automovilista por el empleo en gran escala del hidrógeno, lo que se ha llamado, erróneamente a mi modo de ver, la economía del hidrógeno. El interés de las industrias aeroespacial y automovilista por el hidrógeno se debe a la llamada pila de combustible, donde el hidrógeno puede quemarse con el oxígeno, transformándose la energía de la combustión en electricidad. Este proceso fue ya descubierto en 1839 por el galés William R. Grove, pero su desarrollo comenzó en la década de los 1960 por la NASA para producir electricidad y agua en algunas de sus misiones espaciales. Actualmente, un gran número de prototipos de las principales marcas de automóviles y autobuses ensayan pilas de combustible de tipos y combustibles diversos y ya se pueden ver gran cantidad de modelos en circulación. Las razones principales son de tipo ambiental y de previsión sobre el posible agotamiento del petróleo, que hoy constituye la base energética actual de los países avanzados, especialmente del transporte. Otras dependen de sus propiedades específicas, así como también sus inconvenientes. Su principal ventaja es que su combustión produce solo agua, lo que significa que no emite gases de efecto invernadero, como ocurre con los combustibles fósiles e incluso con la biomasa. Esto le hace particularmente apropiado para sustituir a los derivados del petróleo. La sustitución de éstos, sin embargo, tiene el grave inconveniente de no ser un combustible primario.Hay que producirlo con otros. Su importancia radica en que es buen vector para transportar energía. La posibilidad de su almacenamiento le hacen competir favorablemente con la electricidad en algunos casos. Una de sus propiedades importantes es la energía específica de su combustión. Su valor es de 120 megajulios por kg en comparación con 50 MJ/kg del gas natural o con 44,6 MJ/kg del petróleo. Esto se contrapone a la baja densidad que presenta tanto como gas cómo licuado y a las dificultades de almacenamiento para sus aplicaciones al transporte. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 353 No obstante, su capacidad de ser almacenado le hace apropiado como complemento de algunas energías renovables que funcionan intermitentemente o son irregulares como la eólica o la solar. Algunas instalaciones de este tipo funcionan o están en fase de proyecto en nuestro país. Propiedades El hidrógeno es normalmente un gas. Es el elemento más abundante en el Universo y es el combustible de las estrellas y, evidentemente, del Sol, por lo que la energía que éste nos envía es la base de todos los procesos fisicoquímicos y biológicos que tienen lugar en la Tierra. El hidrógeno está presente en forma molecular o iónica, pero a pesar de su abundancia no está disponible para nosotros. El posible yacimiento más próximo está en Júpiter, inaccesible por el momento. En la Tierra, desgraciadamente, el hidrógeno está combinado en su mayor parte formando agua, no hay hidrógeno libre y la corteza terrestre está formada principalmente por oxígeno, silicio, aluminio y otros elementos menores. Deben destacarse algunas propiedades que son importantes y deberán ser tenidas en cuenta en muchos de los aspectos que se verán a continuación. Los primeros son el bajo punto de ebullición y la proximidad a la temperatura crítica.Los segundos son las bajas densidades del gas y del líquido. La tercera es el contenido en deuterio, que puede ser una de las bases de la energía nuclear de fusión, lo que no se tratará en esta presentación. De las propiedades antes citadas se pueden deducir las dificultades de almacenar el hidrógeno, de transformar el gas en el líquido y de los problemas del almacenamiento del líquido. En la tabla 2 aparece otro grupo de propiedades relacionadas con la seguridad de su manejo y de su empleo como son su elevado coeficiente de difusión en el aire, los límites de detonación e inflamabilidad y las temperaturas de ignición y de la llama. Métodos de producción Debemos preguntarnos primero cuáles son las materias primas para obtener hidrógeno. Evidentemente, el primero es el mar, en el que el hidrógeno está en un 11,19% en peso. Todos los organismos vivos, animales y vegetales, contienen hidrógeno. Puede obtenerse por ello de la biomasa y de algunos productos de origen animal como el biogas. Y lo contienen los combustibles fósiles, gas natural, petróleo y carbón. No obstante, ha de quedar claro que la molécula de agua es extraordinariamente estable y que en todos los casos es preciso aportar energía para obtener el hidrógeno. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 354 Otra cuestión que, a veces se olvida, es que en nuestro mundo el hidrógeno no es una energía primaria y es preciso obtenerlo mediante alguna reacción química, bien de disociación del agua o por alguna reacción en que el hidrógeno es un producto de la reacción. En los últimos años casi el 90% del hidrógeno producido se dedica a la fabricación de amoníaco, 50%, y en las refinerías de petróleo, 37%. La obtención de metanol, 8%, otros productos químicos, 4%, y diversas aplicaciones, 1%, completan una producción que en el mundo se eleva a unos 60 millones de toneladas anuales. Los métodos industriales de producción de hidrógeno se basan principalmente en los combustibles fósiles. Según los países y su disponibilidadde materias primas se emplea el gas natural, el carbón o los derivados del petróleo y solamente en algunos la electrolisis del agua. A escala mundial, el 48% de la producción utiliza el reformado catalítico de gas natural con vapor. Le siguen el 30% a partir de hidrocarburos, el 18% del carbón gasificado y el 4% por electrolisis. La necesidad de reducir las emisiones de CO2 para evitar el efecto invernadero que provoca y las consecuencias previsibles del calentamiento de la Tierra y del posible cambio climático hace que actualmente se estudie profundamente la obtención de hidrógeno a partir de agua por métodos térmicos. La alta temperatura necesaria para alcanzar un rendimiento apreciable indica que es necesario acudir a la utilización de catalizadores y mejor aún al empleo de ciclos a fin de reducir la temperatura máxima de trabajo y así requerir materiales que puedan funcionar en condiciones prácticas de resistencia mecánica y química adecuadas. El creciente interés por las energías renovables como fuentes energéticas que no emiten dióxido de carbono ha hecho que se propongan métodos diversos de producción de electricidad que pueden utilizarse para obtener hidrógeno. El acoplamiento electricidadhidrógeno puede servir para suplir el inconveniente de la electricidad de no poder ser almacenada. El hidrógeno, almacenado cuando no se emplee la electricidad, podrá ser utilizado en periodos de mayor demanda utilizando su combustión directa o las pilas de combustible para generar electricidad o su empleo en cualquier tipo de utilización en la industria. Los métodos directos basados en la fotolisis con semiconductores o en la radiación no tienen, por ahora, más que un interés puramente científico. La falta de interés práctico, esta vez desde el punto de vista económico, se aplica a los métodos basados en la biomasa, tanto los basados en su reformado directo como el de productos derivados, tales como los biocombustibles (biofuel, biogas, alcoholes, etc). Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 355 En nuestro país hay diversas plantas piloto para producir hidrógeno mediante energías renovables. La primera de ellas fue la del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) [132], que está formada inicialmente por una sección fotovoltaica y una pila de combustible de ácido fosfórico y que funciona desde 1993. Otras han sido instaladas posteriormente en diversos centros de Madrid y Barcelona. Almacenamiento En las instalaciones que requieren un gran consumo de hidrógeno, la generación de éste se lleva a cabo en las cercanías con solo un almacenamiento intermedio a baja presión. Si la generación se hace lejos o sirve para instalaciones diferentes o alejadas se transporta por hidrogenoductos o a veces por ferrocarril o carretera. El almacenamiento a bajas presiones no plantea problemas especiales y para ello se utilizan gasómetros semejantes a los de otros gases industriales. Se han empleado también, de manera semejante al gas natural, cavidades naturales: minas antiguas de sal (Reino Unido) o acuíferos (Francia). El único problema es la baja densidad que hace precisos grandes volúmenes. La reducción de volumen por el empleo de mayores presiones (de 200 a 450 bares) suele hacerse en depósitos cilíndricos, lo que está prohibido en algunos países como Japón. Una reducción aún mayor se logra mediante liquefacción. Sus inconvenientes principales se deben a la baja temperatura involucrada (punto de ebullición, 252,7ºC). Por una parte, los depósitos deben estar muy aislados. Por otra, para la liquefacción se invierte una energía próxima a 1/3 de la que el hidrógeno puede rendir. Además, el depósito debe estar comunicado con el exterior porque la temperatura crítica ( 239,8ºC) está muy próxima a la de ebullición y existe el riesgo de sobrepresiones peligrosas. La cuestión del almacenamiento se hace particularmente relevante cuando se trata de vehículos, para conjugar el volumen con la necesidad de su recarga y hay que ponderar la seguridad y las posibilidades de accidentes. La existencia de nuevos materiales de construcción, como los composites o materiales compuestos permite utilizar presiones de hasta 700 bares, pero en el caso de hidrógeno líquido el aislamiento hecho a base de capas de distintos aislantes limita la capacidad de almacenamiento. Otros métodos de almacenamiento incluyen métodos físicoquímicos en los que el equilibriopueda desplazarse con la temperatura y lapresión. Los equilibrios buscados son de absorción por líquidos orgánicos e inorgánicos, por adsorción con carbón activo o nanotubos y por formación de hidruros con metales o mezclas de metales. Los más estudiados han sido los de hierro-titanio, lantano-níquel y magnesioníquel. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 356 Las investigaciones que ahora se realizan tratan de encontrar una solución razonable del compromiso entre capacidad de retención por el compuesto, cinética de formación del hidruro (tiempo) y condiciones de presión y temperatura para liberar el hidrógeno. En algunos casos para vehículos se ha optado por el empleo de otros compuestos como gasolinas y alcoholes que, por reformado, produzcan el hidrógeno en el propio vehículo. Transporte y distribución El transporte de hidrógeno gas por conducciones, hidrogenoductos, está menos extendido que el del gas natural. Suele hacerse en zonas industrializadas en que su generación está centralizada y las distancias involucradas son menores. En todo caso, en ellos las presiones de transporte no son muy altas, dependiendo principalmente de la distancia y del uso final del hidrógeno. La creación de un sistema de distribución semejante al de la electricidad, el petróleo y sus derivados o el más moderno, todavía en desarrollo del gas natural, requiere grandes inversiones, tecnología y equipamientos, además de tiempo. Habría necesariamente que comenzar por grandes flotas, líneas de transporte, empresas municipales y tráfico en ciudades. La distribución a automóviles podría hacerse con el equivalente a las gasolineras con hidrógeno líquido. Ya existen en diversos países estaciones de servicio en las que se presta este servicio. El hidrógeno gas a presión se sirve ya en flotas de autobuses como ocurre ya en algunas ciudades de España. Se ha propuesto que, para acelerar el proceso de establecer un sistema general, se utilizaran algunos de los actuales gasoductos, tras modificar algunos componentes como los compresores, y observar el comportamiento del acero de las conducciones por su posible fragilización. En Estados Unidos se transporta hidrógeno líquido en cisternas criogénicas sobre camión, vagón de ferrocarril y barcaza especialmente preparados. En una fase posterior, más lejana, la red de conducciones podría ampliarse a otros menesteres. Hay pocos datos acerca de los costes o precios del hidrógeno tanto dependiendo del proceso seguido para su obtención como de los costes previstos para el suministro en estaciones de servicio. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 357 Seguridad Esta es una de las cuestiones más debatidas para un futuro empleo masivo del hidrógeno o al menos en las ciudades. El recuerdo de la tragedia del dirigible alemán “Hinderburg”, que utilizaba hidrógeno para su sustentación, está en la historia de los empleos frustrados del hidrógeno. Es clave bajo esta consideración su masa molecular, la más baja de los elementos gaseosos, que da idea de su difusividad y de su baja densidad. Otras igualmente importantes son la temperatura de ignición y la toxicidad. El gran intervalo de sus mezclas con aire y la velocidad de propagación de la llama favorecen una posible explosión, mientras que la difusividad y la densidad tienden a reducir su probabilidad, especialmente en espacios abiertos. En espacios cerrados, el escape de hidrógeno tiene lugar con disminución de la temperatura lo que reduce el riesgo. Por otra parte, la reacción química transcurre con reducción de volumen por lo que en vez de explosión lo que ocurre es una Implosión Materiales En condiciones de presión y temperatura no muy diferentes de las ambientales, el hidrógeno no presenta problemas respecto al uso de materiales corrientes. La fragilización, que afecta seriamente a las propiedades mecánicas de los aceros, aparece cuando se utilizan presiones superiores a 100 atmósferas y sobre todo temperaturas altas. En cualquier caso, los aceros al carbono deben ser observados si se emplean en contacto con hidrógeno. Los aceros de alta resistencia, las aleaciones níqueltitanio y, en menor medida, los aceros inoxidables austeníticos son también susceptibles a la fragilización. Por el contrario, no se fragilizan por el hidrógeno el aluminio, el cobre y las aleaciones cobreberilio. Pilas de combustible Es fácil prever un aumento notable en los usos masivos actuales del hidrógeno en sus dos principales destinos: la fabricación de amoníaco y el refino de petróleo. El amoníaco es la base de la industria de fertilizantes que han de servir para atender la creciente población del mundo y el aumento de su nivel de bienestar. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 358 En las refinerías el hidrógeno se emplea para reducir el contenido en azufre de los crudos y para incrementar la proporción de productos ligeros por el creciente uso de crudos pesados. También aumentará en otros usos de la industria química como son las producciones de metanol, benceno, ciclohexano, oxialcoholes, anilina y muchos más, en la hidrogenación de grasas para la industria alimentaria y en la industria metalúrgica para la reducción de óxidos y la obtención de preconcentrados. Sin embargo, si se desarrolla la llamada “economía del hidrógeno” el mayor incremento de la producción será con destino a la automoción y el transporte y parcialmente a la generación de electricidad, todo ello por la utilización de la célula o pila de combustible. En esencia, una pila de combustible es un sistema electroquímico que convierte directamente la energía química del hidrógeno al reaccionar con oxígeno, en electricidad. Esto tiene como principal ventaja el alto rendimiento que se puede obtener en el proceso. Muy superior al de la combustión, que para la producción de energía tiene como límite el ciclo de Carnot. El rendimiento máximo de la transformación directa viene dado por el cociente entre la energía libre y la entalpía del proceso. Este rendimiento teórico en la reacción de combustión del hidrógeno para dar agua es del orden del 95% en comparación con el 33-38% de la combustión. Es evidente que este rendimiento máximo disminuye en la práctica por los fenómenos irreversibles y su ánodo y cátodo y las diversas resistencias en el electrolito y otros compuestos de la pila. Se obtienen así rendimientos entre el 60 y el 70%. El modelo más sencillo de pila consta de dos electrodos, un ánodo, negativo, y un cátodo, positivo, ambos con platino como catalizador separados por un electrolito. El hidrógeno entra en la pila por el ánodo y allí se disocia en iones hidrógeno y electrones. Los iones hidrógeno pasan a través del electrolito hasta el cátodo. Los electrones del ánodo emigran por un circuito exterior hasta el cátodo donde reaccionan con los iones hidrógeno y el oxígeno para dar agua. Para obtener un mayor voltaje se emplea un cierto número de unidades, es decir, un acoplamiento en serie. La intensidad a obtener depende de la superficie necesaria. La pila de combustible es una invención del siglo XIX. Se la atribuye el abogado inglés William R. Grove en 1839, aunque hay un antecedente en una publicación del suizo Christian F. Schnbein el año anterior. Los modelos actuales se desarrollaron durante el resto del siglo XIX y la primera parte del XX, pero solo cuando la NASA americana, en la década de los 1960, instaló una pila de combustible en uno de sus vehículos espaciales, no comenzaron los trabajos de investigación y desarrollo de las grandes empresas como General Electric [133], British Petroleum[134] y algunas otras. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 359 Más recientemente, las preocupaciones por el ambiente y por los recursos energéticos han contribuido a su desarrollo, estimulado además por el éxito de las instaladas en la lanzadera espacial Shuttle y en el Ariane europeo. Los diversos tipos existentes difieren en el electrolito utilizado y, por tanto, en el ión involucrado, en el catalizador, que suele ser platino o níquel y en la temperatura de funcionamiento. El conjunto de características condiciona sus aplicaciones. Las aplicaciones futuras más previsibles y de mayor importancia corresponden a los ámbitos del transporte y de la producción de electricidad. Algunos valores típicos de las pilas que reúnen las características más apropiadas para alimentar automóviles, camiones, autobuses e incluso aviones desde los puntos de vista de potencia, recorridos sin repostar y rendimientos se dan en la tabla 14. Su rendimiento puede ser superior, pero, por ahora, su recorrido sin repostar no es comparable a los motores de explosión y combustión y solo supera al motor eléctrico. Durante los últimos años, las grandes empresas automovilísticas, los fabricantes de pilas y algunos centros de I+D y Universidades han unido sus fuerzas para obtener experiencia en diversos tipos de pilas y vehículos con distintos combustibles y métodos de almacenamiento de hidrógeno. Imagen 201. Pilas de combustible. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 360 El más corriente combustible es el hidrógeno gas a presión pero también se utilizan el hidrógeno líquido, el reformado de metanol y algunos hidruros. En algunos casos se dispone un generador auxiliar de electricidad para el arranque o para atender picos de demanda que suele consistir en una batería de acumuladores. El problema más importante para seleccionar el combustible en los vehículos, especialmente en los automóviles pequeños, es el volumen ocupado por el depósito correspondiente. El hidrógeno gaseoso, aún a presión, ocupa un gran volumen y aunque el hidrógeno produzca tres veces más energía que la gasolina, la cantidad en masa que incorpora es relativamente baja por lo que hay que repostar con gran frecuencia. En su mayoría los fabricantes de vehículos optan por el empleo del hidrógeno líquido, hidruros o metanol para los vehículos de menor tamaño y, en cambio, por el gas a presión para aquellos, como autobuses o vehículos de transporte, en el que el volumen destinado al depósito de combustible es menos crítico. Es evidente que en el caso de los hidruros como en el del metanol también cuenta el volumen de la unidad de descomposición o del reformado, respectivamente. Aparte de las ventajas inherentes a las pilas, su aplicación a los vehículos hace tener otras como es su facilidad de arranque a cualquier temperatura, ya que la pila PEM funciona a baja temperatura y no necesita llegar a las altas temperaturas a las que funcionan los motores de explosión. Otra ventaja es su fácil adaptación y por ello su inmediata respuesta a las variaciones de la demanda. Las ventajas principales del uso del hidrógeno es su ausencia de emisiones contaminantes. El hidrógeno no es una energía primaria. Es solo un vector para su transporte y utilización. Como vector solamente puede competir con la electricidad por su más fácil almacenamiento. Para el transporte solamente puede competir con los hidrocarburos en cuanto a su no emisión de gases de efecto invernadero. Puede complementar a la electricidad. Para producir hidrógeno hay que utilizar una fuente de energía primaria u otra forma de energía derivada como la electricidad. El almacenamiento del hidrógeno gas no presenta dificultades pero requiere un gran desarrollo en su aplicación a la automoción en forma líquida. La distribución para transportes terrestres depende del establecimiento de una red adecuada, lo que requiere evidentemente un aumento notable del número de vehículos y debe comenzar por las flotas de camiones y autobuses de recorridos fijos. El empleo de las pilas de combustible, que tienen un rendimiento energético mucho más elevado que la combustión, es una forma de atenuar las pérdidas en la transformación térmica del hidrógeno, pero requieren todavía considerable experiencia industrial para aumentar su duración y rendimiento y reducir sus costes de inversión y operación. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 367 Para ello, en virtud de dicho Real Decreto-Ley se creó la Comisión para el estudio del uso de biocombustibles, presidida por el Ministerio de Economía. Esta Comisión ha elaborado un informe, de fecha 30 de junio de 2001, en el que se abordan las implicaciones fiscales, medioambientales y económicas derivadas de la utilización de los biocombustibles, las posibles medidas para promover su utilización y las actuaciones en materia de investigación y desarrollo para reducir sus costes de producción. Imagen 203. Consumo de biocarburantes en Europa en 2007 Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 368 Finalmente el Real Decreto1700/2003 [143] por el que se fijan las especificaciones de gasolinas, gasóleos, fuelóleos y gases licuados del petróleo, y el uso de biocarburantes (en adelante, RD 1700/2003), transpone parcialmente al ordenamiento español la Directiva 2003/30/CE antes citada. En este Real Decreto únicamente se reconocen como biocarburantes el bioetanol de origen vegetal y el biodiésel tipo FAME de origen vegetal o animal y se establecen sus especificaciones. No se incluyen en dicho Real Decreto referencias a los objetivos pretendidos de porcentajes mínimos de comercialización de biocarburantes en el mercado que determina la Directiva 2003/30/CE . El RD 1700/2003 contempla asimismo que se exigirá un etiquetado específico en los puntos de venta para mezclas de biocarburantes con derivados del petróleo que excedan el 5% de contenido en biodiésel o bioetanol. En relación con las mezclas de biocarburantes con gasóleos, su disposición adicional primera establece que las administraciones públicas supervisarán las repercusiones que se deriven del uso de biocarburantes en mezclas con gasóleo superiores al 5% en vehículos no modificados y se adoptarán, en su caso, las medidas oportunas para garantizar el respeto de la legislación vigente en materia de límites de emisión. Finalmente, con objeto de mantener los más altos requisitos de seguridad respecto a las actividades logísticas de las mezclas de biocarburantes con carburantes convencionales, la disposición adicional segunda del mencionado Real Decreto exige que en las instalaciones destinadas al almacenamiento y expedición de mezclas de biocarburantes con gasolinas y/o gasóleos, será necesario por parte de los titulares de las instalaciones la realización de las correspondientes comprobaciones técnicas, tanto en lo referente a los requisitos de compatibilidad de los materiales de las instalaciones mecánicas (tanques, tuberías, aparatos surtidores, etc.), con las citadas mezclas, como en lo relativo a la posible presencia de agua en las mencionadas instalaciones. 4.2.7.4.2.1.- Producción, logística y distribución Fiscalidad y ayudas a la producción Una de las medidas más habitualmente empleadas para incentivar la demanda de biocarburantes consiste en aplicar incentivos de tipo fiscal. En España esta política se introdujo por medio de la Ley 53/2002, de 30 de diciembre, de Medidas Fiscales, Administrativas y del Orden Social [144], que adicionó el artículo 50bis a la Ley de Impuestos Especiales (Ley 38/1992, de 28 de diciembre)[145]. Esta modificación estableció un tipo impositivo cero para los biocarburantes, aplicándose el tipo especial exclusivamente sobre el volumen de biocarburante aun cuando éste se utilice mezclado con otros productos. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 369 La Directiva 2003/96/CE [146]por la que se reestructura el régimen comunitario de imposición de los productos energéticos y de la electricidad permite a los Estados miembros que apliquen para los biocarburantes exenciones o reducciones en las accisas que gravan los hidrocarburos. La reciente transposición de la Directiva, operada por medio de la Ley 22/2005 [147], ha variado el encaje formal de los biocarburantes en la estructura del impuesto especial pero sin cambos en la tributación efectiva, que implica la aplicación de un tipo cero a los biocarburantes. La argumentación económica utilizada para defender la exención o reducción fiscal de los biocarburantes se basa en consideraciones de eficiencia, fundamentadas en una valoración del diferente grado de externalidad negativa que provoca el consumo de estos combustibles, más ecológicos que los convencionales. Frente al escenario alternativo de utilización de carburantes de origen fósil, los biocarburantes reducen la emisión de gases de efecto invernadero y previenen la lluvia ácida, con las consecuencias positivas o, por decirlo más correctamente, menos negativas sobre la calidad ambiental general y la salud de la población. A esas razones se añaden las de tipo político y estratégico como la reducción de la dependencia de las importaciones de crudo y el aumento de la seguridad del suministro. Los efectos económicos de estos incentivos no pueden entenderse sin hacer referencia a su carácter relacional. Y ello en un doble sentido. En primer lugar, este mecanismo actúa modificando los precios relativos de las diferentes alternativas de carburantes, por lo que la imposición efectiva que soportan los carburantes convencionales representa la ventaja fiscal de los biocombustibles. La disminución relativa del precio y, por tanto, la eficacia incentivadora de la exención dependerán de la carga fiscal que soporten los carburantes de origen fósil. Esta disminución será mayor cuando se establecen tipos de gravamen elevados sobre el consumo de hidrocarburos fósiles y será menos apreciable en diseños tributarios, como el nuestro, que realizan una menor internalización de los costes externos de naturaleza ambiental que provoca la utilización de carburantes convencionales y fijan tipos de gravamen más bajos en los impuestos sobre hidrocarburos. En segundo lugar, la existencia de diferencias significativas en imposición de los hidrocarburos en los distintos estados miembros puede provocar un efecto de desviación de comercio. Por ello interesa conocer cuál es el nivel del incentivo fiscal con respecto al del resto de países de la UE. En el caso español, como puede comprobarse en el precio medio de los carburantes es considerablemente inferior al de la media ponderada de la Unión (39,6c€/litro para la gasolina y 17,5 c€/litro para el gasóleo), siendo de naturaleza tributaria la principal razón que explica esta diferencia: la suma de IVA e impuestos especiales representa 60,2 % del precio medio de la gasolina en la UE frente a un 50,2 % en España (53,7 % y 44,3 %, respectivamente en el caso del gasóleo). Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 370 Gracias a la exención fiscal, el margen de beneficio de los biocarburantes es más alto en aquellos países europeos con tributación más alta para los carburantes convencionales (por ejemplo, Reino Unido, Alemania, Francia o Países Bajos) en cierta forma esteriliza el incentivo que estamos comentando, y es una de las razones que explica el destino para la exportación de buena parte de la producción nacional de biocarburantes en el momento presente. Impacto sobre el consumo En nuestro país, la exención fiscal no ha tenido un impacto significativo sobre el consumo. Las razones pueden ser diversas: a) la ausencia de una planificación integral del problema que hubiera previsto medidas de acompañamiento para fomentar la implantación de este carburante en flotas cautivas, entre las que cabría destacar el transporte público urbano, que ha apostado en mayor medida por la utilización de gas natural. b) la existencia de competencias atribuidas a administraciones diferentes según el tipo de transporte del que se trate, puede dificultar este proceso c) en lo que se refiere al fomento en el suministro directo en el surtidor por parte de los consumidores, se aprecian importantes reticencias por parte de los distribuidores, lo que implica la existencia de un reducido número de puntos de venta. d) los consumidores, encuentran escaso incentivo económico a su empleo, ya que la exención solo abarca al porcentaje de biocarburante en el contenido y, además, existen pocos incentivos a trasladar al usuario la rebaja fiscal; e) el carácter transitorio de la exención fiscal (hasta el año 2012), y la incertidumbre sobre la situación a partir de ese momento, generan escasos incentivos para fomentar, tanto el desarrollo de adaptaciones en los vehículos para hacer compatible el uso de biocarburantes con las garantías técnicas de los mismos, como el fomento de su incorporación al consumo de gasóleo en porcentajes reducidos. f) los fabricantes han expresado su preocupación por la ausencia de una norma que regule las características técnicas que debe tener este producto a la hora de extender las garantías de sus productos sobre aquellos que consumen biodiésel en porcentajes elevados. Ante este panorama, y ante la necesidad de incentivar el consumo de cara a cumplir con los objetivos de la Directiva 2003/30/CE y del PER, parece inexcusable adoptar medidas adicionales; entre ellas la más efectiva es, sin duda, la fijación opelege de un porcentaje obligatorio de biocarburantes en las mezclas tradicionales. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 371 En resumen, la coexistencia de distintos niveles de imposición sobre hidrocarburos en la UE, así como la posible apropiación del margen fiscal por parte de los suministradores de carburantes, limita la efectividad de las medidas fiscales y hacen más adecuados mecanismos alternativos. Entre ellos el más eficaz es el de la obligación legal de mezclas, también denominada política RFTO (Renewable Fuel Transport Obligation) [148] impuesta a los suministradores de combustibles para que incorporen un determinado porcentaje de carburante biológico al conjunto de carburantes fósiles que comercializan. Esta obligación ya ha sido acordada con éxito en numerosos países (Brasil, EE.UU., Francia, Italia, Países Bajos, Alemania, Reino Unido, entre otros), aunque en algunos aún no es exigible. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 372 5. Conclusiones El análisis del presente estudio ha permitido evidenciar la situación actual del motor alternativo de combustión interna. Se ha tratado, cómo ya se comentó al inicio del proyecto, de generar una perspectiva global del estado del arte y del actual nivel de desarrollo tecnológico de los sistemas tanto de aumento de eficiencia, cómo de reducción de emisiones en el MACI. Inicialmente se ha buscado y ya que es uno de los procesos sustancialmente más característicos del motor alternativo, analizar el fenómeno de la combustión, entrando en los principios básicos que la definen. Es en este proceso donde se genera toda la energía mecánica encargada de mover la cadena de transmisión del vehículo, pero también es donde se crean todos los productos nocivos en mayor o menor proporción dependiendo del tipo de motor, combustible y caraterísticas cuantitativas del proceso. Es por tanto un núcleo importantísimo de estudio: Será mediante las relaciones estequiométricas que lo definen, de la calidad y la naturaleza de los combustibles y del fundamental diseño de la cámara de combustión, cómo se podrá limitar la emisión de componentes contaminantes. Y eso es debido a que la cantidad de aire-combustible introducido, todo ello regulado mediante la inyección y la admisión, serán decisivos en la formación de emisiones. Obviamente la calidad y la naturaleza de los combustibles definirán las reacciones químicas que se generan, es por ello que el uso de combustibles alternativos es un tema en auge, la mayoría de ellos producen cómo resultado de la reacción componentes considerados cómo no nocivos para la salud y para el medio ambiente. Por ultimo, un estudiado diseño de la cámara de combustión y de la cabeza del pistón generará, una mayor homogeneidad de la mezcla, reduciendo la formación de hollín y de partículas. Es por tanto que han sido tanto la inyección, cómo la admisión y el accionamiento flexible de válvulas, que permita reducir el consumo adaptándose a los regimenes de funcionamiento del motor, objetos de estudio en este proyecto. En la optimización de la inyección tanto en motores Diesel cómo gasolina, se ha podido observar que el control electrónico es fundamental, debido a que se pueden adaptar los procesos a las exigencias, siempre variables del motor. Por otro lado, otra vertiente de estudio, ha sido el aumento más que notable de la presión de inyección, que permite mejorar la formación del chorro de combustible, cómo de su proceso de mezcla con el aire introducido en la cámara. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 373 Una línea de mejora que generaría cambios sustanciales y que de hecho ya se está implementando, serían soluciones próximas a la denominada inyección Dual que, aparte de aumentar el número de inyectores optimiza el uso del combustible, generando una vaporización de este, permitiendo una mezcla muchos más homogénea, al reducir el diametro de las gotas de carburante, de modo, que se reduce el consumo y se optimiza la inyección, reduciendo las emisiones. Pero, cómo ya se ha puntualizado, es necesario la conjunción del mayor número de mejoras posibles para conseguir la mayor cantidad de resultados posibles, es por tanto que otro de los campos de estudio ha sido el accionamiento flexible de válvulas, que permite de una manera muy eficiente y siempre pasando por la regulación electrónica, adaptar los procesos a las exigencias, y es por ello que a través de regulaciones de alzadas de válvulas, se puede conseguir controlar los flujos de entrada y salida de aire, regulando la mezcla de combustible y obteniendo respuestas adecuadas a las necesidades. Cómo se puede observar, mediante un control de la inyección y de la admisión se controla exhaustivamente la combustión, y es que el control de parámetros de entrada, nos permite conocer definiendo el proceso intermedio a la perfección, los de salida, que son entre otros, la respuesta del motor y las características de los gases de escape. Previo a la intervención de las válvulas, es el proceso de admisión, sobre el que también se interviene, por ejemplo y cómo se ha podido observar, mediante la denominada admisión variable, que busca mejorando el diseño de los tubos de admisión, mejorar las respuesta del motor dependiendo de las revoluciones. Por otro lado una de las soluciones más novedosas e ingeniosas, es la variación de la relación de compresión en función de las necesidades, un estudiado sistema, que cambia algunos apectos de la estructura interna del bloque, permitiendo regular otro de los inputs del motor y que hasta la fecha venía definido en el diseño y era un parámetro invariable. Este sistema permite tanto adaptar el par de salida, cómo reducir los consumos y las emisiones del motor, tal y cómo se ha podido observar en el estudio del apartado pertinente. Es una idea en desarrollo por algunas empresas y que busca generar un sistema, sostenible económicamente y facilmente desarrollado en masa. Es por tanto que muchos de los prototipos en construcción, siguen sometidos a modificaciones. Otro de los ámbitos fundamentales en la reducción de emisiones una vez que estas de un modo u otro dejan la cámara de combustión, son los sistemas de post-tratamiento de gases de escape, y es mediante la implementación de soluciones a lo largo de la línea de escape, cómo se busca reducirlas o limitarlas. Los sistemas son múltiples y cada uno trata de aportar respuestas diversas a la problemática. Una de las innovaciones que se pueden resaltar en este campo es la añadición de soluciones, cómo por ejemplo, de urea ( AdBlue) que ligados a un método de reducción catalítica selectiva ( SCR) consigue reducir la cantidad de NOx producto de la combustión. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 374 Los sistemas EGR, también están, debido a su sustancial contribución a reducir los niveles de emisiones, sometidos a estudio continuo, tratando de imponer mejoras en su diseño y buscando medidas que permitan aumentar el rendimiento en su funcionamiento. Sin olvidar los catalizadores y filtros de partículas, componentes fundamentales en la reducción de componentes nocivos y de los que su funcionabilidad depende el diseño y materiales que los constituyen. Por otro lado, la sobrealimentación sigue siendo una de las mejoras más notables implementadas en los motores, los turbocompresores de geometría variable constituyen una prueba evidente de la optimización de estos sistemas, tratando también de adaptarlos a las condiciones de circulación que se planteen, mejorando su eficiencia y prestaciones. Es una de las vertientes de mejora de los motores que más atractivo despierta, ya que su descubrimiento supuso cambios trascendentales en los motores de combustión. Finalmente, se han analizado en el proyecto los distintos biocombustibles que actualmente se encuentran tanto en uso, cómo en estudio, ya que generar alternativas al petróleo, supone apoyarse de análisis minuciosos tanto de viabilidad, de capacidad productiva para cubrir la demanda, cómo de búsqueda de fuentes de desarrollo y de infraestructutras consecuentes. Es por ello que se encuentran sobre la mesa numerosas soluciones por las que apostar, cada una con sus ventajas y sus inconvenientes, y será la más adecuada, obviamente, aquella que presente mayor sostenibilidad y que por consiguiente ayude a reducir los niveles de emisiones de manera general, ya que las emisiones se generan en todo el proceso productivo y de uso de; en este caso el combustible. Es en ese ámbito donde hay que incidir, porque carece de sentido reducir las emisones en la combustión de estos, cuando en su tratamiento previo, su almacenaje y transporte se están generando niveles de contaminación desproporcionados. Obviamente se requerirá de soluciones técnicas que den respuesta a las necesidades de producción elevadas y de almacenaje, sin olvidar que el objetivo de encontrar combustibles alternativos no es generar monopolios o oligopolios de fuentes de energía, sino buscar fuentes respetuosas con el medio ambiente y que se puedan mantener en el tiempo, sirviendo para abastecer a los métodos, distintos o adaptados a los actuales, de propulsión vehicular. Las empresas de la automoción ya se están apoyando en numerosas técnicas, para intentar diseñar motores adaptados a la problemática actual. Los sistemas se mejoran y perfeccionan continuamente, con el objetivo principal de aumentar la eficiencia de estos para crear motores más respetuosos con el entorno. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 375 Es, por otro lado, en este entorno tecnológico, donde otras alternativas al motor de combustión están surgiendo, tanto con combustibles alternativos que sustituyan al sobreexplotado crudo, generando menos contaminación en su combustión, cómo sistemas alternativos de propulsión, cómo son los vehículos electricos o hibridizados. Es importante destacar, que la máxima de estas investigaciones es encontrar sistemas de propulsión, que cumplan con las exigencias tecnológicas y sociales actuales, y que se apoyen en recursos totalmente sostenibles a largo plazo, tanto a nivel ecnómico, como medioambiental y humano. Es por tanto que los actuales estudios se centran en numersas vertientes, los denominados greencars, por ejemplo, son expuestos cómo alternativas sostenibles y con cero emisiones, cuando realmente no lo son, ya que el propio generador de energía motriz que incorpora el vehículo se debe apoyar de una red eléctrica, que con muchas probabilidades vendrá abastecida de plantas de generación de energía con altos índices de emisones. Los combustibles alternativos, por otro lado, son soluciones viables, pero que en muchos casos, generarían sobreexplotaciones de cultivos, que se habrían desarrollado en entornos deforestados con el único fin del aumento de una capacidad productiva que busca abastecer un mercado global exigente e insaciable. Cómo conclusión, fruto de la realización de este proyecto y del interés en la materia, considero que es prematuro darle al motor de combustión fecha de caducidad, debido a que, ha sido en estos últimos años donde se ha demostrado el interés de las empresas del sector y de las instituciones, de empezar a fomentar alternativas, pero es obvio que generar un cambio de modelo de estas características es lento y paulatino, pués ,cómo ya se ha comentado, es fundamental la búsqueda de un modelo sólido y muy estudiado, que se apoye en fuentes de abastecimiento fiables y que por otro lado sea sostenible y respetuoso. Todo ello viene seguido de una generación de infraestructuras, de un cambio productivo, de la modificación de las legislaciones y un sin fin de cambios, que no se pueden producir en un plazo de tiempo mínimo. Es por todo esto, que lógicamente las empresas se apoyan en modelos ya muy insertados en la sociedad que sigan generando una rentabilidad ecnómica, y es que el motor de combustión es el modelo más rentable y más desarrollado tencnológicamente que hay en la actualidad, asegurando una fiabilidad y unas prestaciones únicas, es por ello que las investigaciones seguirán centrándose en su perfeccionamiento, y con toda seguridad, conoceremos nuevas normativas de reducción de emisiones. Es reclacable hacer notar, que esto no significa que los modelos alternativos no vayan a ser desarrollados, puesto que paralelamente proseguirán los estudios para el fomento de energías limpias y cada vez más se dejarán ver por la vía pública más flotas electricas, hibridas, o con combustibles diferentes a los que se encuentran en uso actualmente. Análisis y estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento Y Reducción de Emisiones en MACI MEMORIA Página 376 Es necesario el perfeccionamiento de estos sistemas para facilitar su uso y su implementación en los vehículos, aumentado sus autonomías, mediante baterías estables con componentes poco o nada nocivos para la salud. El desarrollo en masa de vehículos alternativos se escapa actualmente de la sostenibilidad económica, serán necesarios años de estudio, de mejora y de abaratamiento de costes para que puedan convertirse en una realidad y mientras esto no se produzca, la solución más barata, asentada y perfeccionada sigue siendo el MACI. Las exigencias que rodean al futuro desarrollo del motor de combustión están claras, y las legislaciones cada vez tratan de ser más restrictivas respecto a lo que de contaminación se trata, por tanto es fundamental seguir investigando, mejorando, creando y desarrollando, las soluciones futuras y presentes, que por un lado puedan ser incorporadas sobre motores más eficientes y limpios, ó, que por otro generen una lenta pero posible sustitución del histórico motor de combustión de una manera sostenible y tecnológicamente viable.