Apuntes sistema de control de emisiones

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Apuntes sistema de control de emisiones

  1. 1. Sistema de control de emisiones Profesor: Sergio Avaria L. -Emisiones: corresponden a elementos provenientes de la evaporación o combustión de hidrocarburos que pueden tener diversos orígenes. En los automóviles las emisiones pueden provenir de tres fuentes: a) Emisiones de escape: corresponden a gases emitidos a través del tubo de escape, los que son generados por la combustión de una mezcla aire-combustible al interior del motor. b) Emisiones de gases del carter: gases de fuga emitidos por el carter del motor y que corresponden a la evaporación de elementos lubricantes e hidrocarburos generados en forma natural, una vez que el motor se encuentra a temperatura de trabajo. c) Emisiones de combustible evaporado: en este caso se trata de gases emitidos por el sistema de combustible , vale decir , estanque de combustible , múltiple de admisión , carburador en aquellos vehículos equipados con este sistema, etc. Componentes de las emisiones: -Las emisiones cuentan principalmente de elementos inocuos, sin embargo, también poseen una cantidad de elementos nocivos: N2 Nitrógeno Inocuas O2 Oxigeno CO2 Dióxido de carbono - Emisiones H2O Vapor de Agua CO Monóxido de Carbono HC Hidrocarburos Nocivas NOx Oxido de Nitrógeno SOx Oxido de Sulfato Particulas SAL 1
  2. 2. Tanto el O2 como el N2, provienen directamente del aire. Estos se combinan químicamente para formar NOx cuando en la cámara de combustión existe una temperatura sobre los 2.000 º C y una presión de 49 bares o 711 psi. El CO2, el H2O, el CO y el HC provienen de la reacción química entre el combustible y el aire. El NOx, el SOx, estos gases se forman de reacciones químicas del aire a altas temperaturas de combustión. Las partículas son generadas principalmente por los motores Diesel. A las emisiones nocivas se les denominan, contaminantes. El origen del HC es en un 20% proveniente de gases de fuga del carter del motor, 60% del escape y otro 20% del combustible evaporado. El HC del escape proviene principalmente de combustible no quemado o por combustión incompleta al interior del motor (superficies de enfriamiento dentro de la cámara de combustión y el cilindro). Combustión: Se entiende como combustión a una oxidación con gran desprendimiento de calor de los elementos de un combustible, capaces de ser oxidados. La oxidación consiste en la ruptura de la estructura molecular del combustible por el oxigeno, originando productos. Ecuación General de la Combustión: Los reactivos fundamentales son, en este caso, el combustible (hidrocarburos) y el comburente (aire), formado por una combinación de gases, entre los que se encuentran el Ox., H y N2 en diversa proporción. Los hidrocarburos corresponden a la formula general CxHy. Esto significa que están compuestos, principalmente, por hidrogeno y carbono, aunque la mayoría de ellos son una mezcla de varios hidrocarburos diferentes: Parafinas; Olefinas; Diolefinas; Nafteno; Alcoholes, etc. Mediante un prefijo quedan individualizados el número de carbones que poseen: -Metano : C H4 -Etano : C2 H6 -Propano : C3 H8 -Butano : C4 H10 -Pentano : C5 H12 -Hexano : C6 H14 -Heptano : C7 H16 SAL 2
  3. 3. -Octano : C8 H18 ------------- Bencinas -Dodecano : C12 H26 ------------- Petróleos -Cetanos : C16 H34 Comburente: Solo se requiere de oxigeno para que se realice la combustión, sin embargo el aire es una mezcla de gases, compuesta en un 79% por N2 y un 21% de O2 en volúmenes. 78 = 3,71 N2 21 Por cada parte de O2, hay 3,71 partes de N2 en volumen. 1.- Productos de la combustión teórica: en este caso la combustión se realiza en forma completa, es decir, se oxida el 100% del C, con un 100% de aire teórico. Y los producto resultantes son: CO2; H2O y N2. 2.- Productos de la combustión completa: Para que esto ocurra, debe existir mayor cantidad de aire disponible. Y los productos resultantes son: CO2; O2; H2O y N2. No aparece la formación de CO y la presencia de O2 se debe al exceso de aire. 3.- Producto de la combustión incompleta: Si la combustión no se realiza totalmente, se van a producir residuos no deseados, como el CO. Por lo que los productos resultante van a ser: CO2; CO; O2; H2O y N2. Si se encuentra Ox resultante, es por que hay aire en exceso. Aire Estequeométrico o 100% de aire teórico, es la cantidad mínima que se requiere para una combustión completa. Debido a que en la práctica el tiempo de contacto entre el combustible y el comburente es muy breve y dependiendo de la construcción de la cámara de combustión, a donde entra la mezcla, la combustión con aire estequeométrico no ocurre nunca. Por lo que se hace necesaria la presencia de aire en exceso siempre, obteniéndose como resultado en diferentes proporciones de acuerdo a las características propias de cada motor: CO; CO2; N2; H2O en la medida en que se va aumentando el porcentaje de aire, se van a ir incrementando tanto el CO como el CO2. Ecuación Teórica de la combustión: C8 H18 + O2 + N2  CO2 + H2O + N2 En primer lugar se balancea en forma algebraica la cantidad de elementos que están presentes a ambos lado de la ecuación: SAL 3
  4. 4. C8  8 CO2 Puesto que la bencina posee 8 átomos de carbono, estos se mantendrán en el producto. A continuación, balanceamos el hidrógeno, en el caso indicado se encuentran 18 átomos del elemento, quedando: H18  9H2O En la composición del agua existen dos átomos de hidrógeno por cada átomo de oxigeno, para que exista la misma cantidad en ambos lados deberemos multiplica por 9, quedando el lado derecho de la ecuación de la siguiente forma:  8 CO2 + 9 H2O Tanto el número 8 como el 9 que se encuentran multiplicando al carbono y al hidrógeno, también multiplica la cantidad de oxigeno quedando:  16 + 9 = 25 (oxígenos) En el lado izquierdo nos encontramos con dos átomos de oxigeno (O2), de modo que al dividir los 25 átomos que se encuentran en el lado derecho, por los dos átomos que en forma natural posee este elemento al combinarse con el H, tenemos 12,50: 12,50 O2 <--- 8 CO 2 + 9 H2O el último elemento en balancear es el N , que se encuentra en una proporción de 3,76 partes por cada parte de oxigeno : 12,50(3,71) N2  46 N2 La ecuación final químicamente balanceada nos indica la cantidad de oxigeno que se necesita para combustionar en forma estequeometrica a este hidrocarburo: C8 H18 + 12,50 O2 + 46 N2  8 CO2 + 9H2O + 46 N2 Solo se necesita multiplicar la cantidad de cada elemento por su peso molecular: Carbono = 12 ; Nitrógeno =14 ; Oxigeno =16 , Hidrógeno = 1 . Por lo tanto: peso del hidrocarburo C8 H18 (8 x12; 18 x 1) = 114 12,50 O2: 12,50 (16 x 2)= 400 46 N2: 46 (14 x 2)= 1.288 Peso total del aire = 1.688 La relación peso del combustible y el peso del aire está dado por la división entre el primero por el segundo, de la siguiente forma: SAL 4
  5. 5. Peso molecular del combustible 114 / 1.688 peso del aire =0,0675 Esto significa que por cada parte de aire se van a necesitar 0,0675 partes de combustible o que por 1.000 gr. de aire se consumirán 66,40 grs. de combustible 1.000/67.53= 14.80 Mezcla estequeométrica Poder calorífico de un combustible: Es la energía liberada por unidad de peso o de volumen del mismo. Para los combustibles sólidos o líquidos, el poder calorífico se expresa en Kcal/Kg. y para los gases se expresa en Kcal/m3 de gas a 15º C y a una presión de 760 mm. De Hg El poder calorífico del combustible varía en relación a la cantidad de H y C que posee. Cuanto mayor es la cantidad H, mayor resulta su poder calorífico: - Poder calorífico del H = 28.700 Kcal/Kg - Poder calorífico del C = 8.140 Kcal/Kg - 1 lt. De gasolina pesa 700 gr. - 1 lt. De agua pesa 1.000 gr. - 1 lt. De gasolina tiene = 7.350 kcal/lt - 1Kg. De gasolina tiene = 10.500 Kcal/Kg Una caloría (cal) es la energía que se necesita para elevar en 1º C de temperatura de un gramo de agua, por lo tanto, 1 kcal (1000 cal), es capaz de elevar en 1º C un kilo de agua. Un litro de bencina es capaz de proporcionar 7.350 Kcal, lo que significa que se puede elevar la temperatura 73,5 lts. de agua de 0º a 100º C. Para que se produzca la combustión en un motor Otto se necesita de aire y gasolina RAC = A/C - En la combustión, el oxigeno permite que la gasolina se queme. El N pasa por el motor y sale por el escape sin cambios, excepto que se calienta y expande. El combustible y el oxigeno que se quema, calienta y expande al N y a los demás gases, crea una presión extrema sobre la cabeza del pistón. Esta fuerza es la que produce potencia en el motor. Aire: corresponde a una mezcla de gases, siendo los mas importantes el oxigeno y el nitrógeno (21% y 78 % respectivamente), además de argón (1 %), bióxido de carbono (0,03 %) y hidrogeno (0.01 %). El peso del aire varía de acuerdo con la presión atmosférica y la temperatura. Siendo estas variables uno de los problemas que se enfrentan al formular una mezcla estequeométrica. La presión atmosférica es máxima a nivel del mar (760 Mm. Hg.) y a una temperatura de 0º C. A esta temperatura existe poca humedad y el peso de un litro de aires es máximo, vale decir, 1,2929 grs. Si la temperatura varía en 15º C, el peso disminuye en 1,225 grs. /lt. SAL 5
  6. 6. Ahora, si se incrementa la altura a 500 mts. Conservando los 15º C de temperatura, el aire pesa 1,165lts/gr y a 1.000 mts. de altura disminuye aún mas 1,111gr/ lt manteniendo siempre la temperatura a 15º C. Mezclas ricas y mezclas pobres: A toda mezcla que contenga una mayor proporción de gasolina en relación con el aire, se la conoce como mezcla rica, tales como: 1:14, 1:13, 1:12 o menos. Cuando se enriquece la mezcla en forma desproporcionada, se produce una combustión con generación de gran temperatura lo que influye en un recalentamiento del motor y en la formación de carbonilla, la que se va depositando en la superpie del pistón, cámara de combustión, anillos, bujías, culata, etc. El exceso de combustible que no se alcanza a combustionar lava las paredes del cilindro disminuyendo en forma drásticas la lubricación, bajando al carter contaminando el aceite. Por otro lado, este combustible se elimina fuera del motor por el escape en forma evaporada provocando un incremento de los HC y del CO. Existen momentos en que los motores requieren de este tipo de mezcla por algunos instantes, como: a) al darle arranque al motor b) al acelerar c) al exigir al motor máximas potencia Cuando las mezclas poseen una mayor proporción de aire en su composición tales como 1:16, 1: 17, o más, se habla de mezclas pobres. En casos extremos, la combustión se retarda y se prolonga pudiendo llegar a encender la mezcla que se encuentra en el múltiple de admisión al abrirse la válvula respectiva lo que da origen a explosiones. Este tipo de mezcla también da origen a un aumento de la temperatura del motor ya que la combustión tarda más tiempo, lo que puede llegar a quemar las válvulas de escape. Los productos contaminantes también sufren importantes SAL 6
  7. 7. incrementos de acuerdo al grafico siguiente: Proceso de combustión: El proceso de combustión puede ser dividido en tres etapas: 1- formación del núcleo de la llama 2- fraguado 3- propagación. 1- El núcleo de la llama se forma en el instante en que la chispa de encendido salta entre los electrodos de la bujía desarrollando una pequeña bola de fuego de color azul. 2- Al incremento del tamaño del núcleo se le llama fraguado, en este instante el núcleo forma “dedos” de fuego hacia la mezcla que se encuentra en la cámara de combustión, lo que genera suficiente calor para incrementar la temperatura y presión. 3- El frente de llama que se forma, se extiende y progresa en la cámara de combustión en la etapa de propagación .Este es un proceso gradual cuya velocidad depende de las diferencia de presión entre las porciones de gas quemado y el gas que queda sin quemar. SAL 7
  8. 8. No basta entonces que las mezclas tengan todo el oxigeno necesario para que la combustión sea completa , se necesita también del tiempo preciso, el que puede llegar a ser menor a un milisegundo , cuando el motor gira a una velocidad de 5.000 RPM . Factores a considerar en forma importante para un correcto proceso, además de una correcta mezcla, pueden ser entre otros: El tipo de combustible empleado y la puesta a punto del encendido. La puesta a punto determina en forma importante el tiempo para realizar el proceso de combustión en forma completa influyendo principalmente en gases como el HC y el NOx, no así en el CO como lo muestran los gráficos siguientes: El grafico muestra la concentración de HC en ppm en el eje de ordenada, la relación SAL 8
  9. 9. Aire/combustible en el eje de la abscisa y los grados de avance a la derecha. El gráfico muestra la concentración de NO x en el eje de ordenadas, la relación aire combustible en la abscisa y la variación en las emisiones de acuerdo a los diferentes grados de avance. Efecto de contaminantes en el ser humano: a) Monóxido de carbono (CO): este gas se combina con la hemoglobina de la sangre, desplazando al oxigeno, lo que impide la respiración celular, produciendo toxicosis. Su principal peligro se produce en áreas cerradas debido a que no posee olor o color que permita su detección en forma natural. b) Hidrocarburos (HC): no producen un efecto directo inmediato en las personas, sin embargo reacciona con los NO y luz solar, produciendo smog fotoquímico. El smog fotoquímico produce irritación de los ojos, produce daño en las hojas de los árboles y ataca los productos que contienen caucho. c) Oxido de Nitrógeno (NOx): Se combina con la hemoglobina más fácilmente que el CO, provocando asfixia. Estos contaminantes no solo son emitidos por automóviles, denominados como fuentes móviles, sino también por industrias, hogares, centrales de energía, etc. Denominadas fuentes fijas. Siendo entonces dos las fuentes productoras de la contaminación ambiental. La contaminación que sube a la atmósfera, en algún momento tiene que bajar y lo hace en forma de lluvia ácida . Los óxidos de sulfato y nitrógeno de las fuentes fijas y móviles son arrastrados por el viento, reaccionan con el agua contenida en las nubes y cae a la tierra, donde queda depositado en forma de particular secas. Los lagos poco profundos de suelo arenoso pueden transformarse con rapidez en lagos ácidos. Reglamentaciones y medidas de emisiones: SAL 9
  10. 10. En los años setenta y debido a presiones de la ciudadanía, el Congreso estadounidense aprobó la Ley de Aire Limpio de 1970. Junto con las enmiendas de 1976 y 1990, esta ley, aplicada por la Environmental Protection Agency (Agencia de Protección Ambiental), más conocida por sus siglas en inglés, EPA, representa los fundamentos del control de la contaminación atmosférica en Estados Unidos. Las disposiciones de la Ley exigen que se cumplan cuatro etapas: -Identificar los contaminantes. -Demostrar cuáles son causantes de qué efectos en la salud o el ambiente, de modo que . se impongan normas ambientales razonables. -Determinar las fuentes de los contaminantes. -Preparar y poner en práctica las medidas de control. Estas etapas son flexibles. Conforme se obtiene más información sobre los efectos nocivos de los contaminantes se imponen normas más rigurosas y se establecen determinadas estrategias de control En ella se fija plazo a las empresas automotrices para ir disminuyendo en forma gradual las emisiones provocadas por los vehículos, siendo la meta llegar a producir en la primera década de este siglo un vehículo que produzca 0 emisiones. Control de la contaminación atmosférica La Ley de Aire Limpio de 1970 ordena la imposición de normas para cuatro contaminantes primarios (partículas, dióxido de azufre, monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno) y para el contaminante secundario ozono. Hoy, con la adición reciente del plomo, se conocen como los contaminantes para criterio y en Estados Unidos los cubren las normas nacionales de la calidad del aire. La norma básica de cada contaminante se funda en el mayor nivel que toleran los seres humanos sin efectos adversos observables, menos 10 a 50 por ciento de margen de seguridad. En el caso de muchos contaminantes se determinan niveles a corto y largo plazo. Las normas a corto plazo están destinadas a proteger de efectos agudos, mientras que las otras son para los efectos crónicos. Es importante observar que las normas de calidad del aire se establecieron de acuerdo con criterios de salud humana y no por su impacto en otras especies o en la química de la atmósfera. Además, en Estados Unidos se han publicado unas normas nacionales de emisiones de contaminantes peligrosos para ocho sustancias tóxicas: arsénico, asbesto, benceno, berilio, emisiones de la quema de coque, mercurio, núcleos radiactivos y cloruro de vinilo. La Ley de Aire Limpio de 1990 extiende esta sección de las reglamentaciones al especificar 189 contaminantes atmosféricos tóxicos. Estrategias de control La estrategia básica de la Ley de Aire Limpio de 1970 consistía en regular la contaminación atmosférica de manera que los contaminantes de criterio se mantuvieran por debajo de los niveles señalados por las normas básicas. Este planteamiento se llama estrategia de orden y control, porque se imponían a las industrias reglamentaciones para SAL 10
  11. 11. que no rebasaran los límites determinados de cada contaminante y que emplearan el equipo de control específico. Se suponía que la salud humana y el ambiente se beneficiarían con la reducción en la emisión de contaminantes. Si alguna región violaba las normas de un contaminante dado, una dependencia local del gobierno rastreaba la fuente y ordenaba reducir las emisiones hasta que el área cumpliera con las normas. Pero esta estrategia resultó difícil de poner en práctica. Casi toda la responsabilidad de las regulaciones quedaba en manos de los estados y las ciudades estadounidenses, que con frecuencia no podían o no querían imponer los controles y muchas áreas violaban las normas. Aun ahora, a 30 años de legislaciones estadounidenses de control de la contaminación ambiental, 93 zonas metropolitanas siguen rebasando las normas para el ozono, 38 no cumplen con las de monóxido de carbono, 83 violan las de partículas suspendidas y 47 superan las de dióxido de azufre. Es cierto que los contaminantes totales se han reducido en alrededor del 24% en un lapso en que tanto la población como las actividades económicas han aumentado con exageración, pero aún se emiten cantidades ingentes a la atmósfera. Para resolver este incumplimiento, la Ley de Aire Limpio de 1990 se ocupa de ciertos contaminantes y exige con más firmeza que se sigan las normas imponiendo sanciones. Como en la ley anterior, los estados tienen la gran responsabilidad de hacer cumplir las disposiciones de la ley de 1990. Cada uno debe preparar un plan estatal de implantación que pasa a discusión pública antes de ser sometido a la EPA para que lo apruebe. Este plan está destinado a reducir las emisiones de los contaminantes señalados por las normas nacionales de emisiones de contaminantes peligrosos que no se han logrado controlar. Un cambio fundamental es un trámite de solicitud de permiso. Los contaminadores deben identificar los contaminantes que emiten, sus cantidades y las medidas que han tomado para reducirlas. El costo del trámite provee de fondos a los estados para llevar a cabo sus actividades de control de la contaminación. La nueva ley es también más flexible que el planteamiento de orden y control de la anterior, pues permite que los contaminadores elijan el medio más económico de lograr los objetivos. Además, utiliza un sistema de salida para distribuir la contaminación entre diferentes empresas. El costo de controlar la contaminación atmosférica Sin duda alguna, las medidas tomadas para reducir la contaminación del aire tienen un costo económico. En Estados Unidos se calcula que el control de la contaminación cuesta 125 millones de dólares anuales, de los que alrededor de un cuarto representa los esfuerzos por reducir la contaminación del aire. La EPA calcula que, después de entrar en vigencia por completo el 2005, la nueva Ley de Aire Limpio costará otros 25 millones de dólares. Aunque es una suma enorme, es menos del uno por ciento de los siete billones que se esperan de la economía para ese año. Algunos críticos, sobre todo economistas, acusan a los controles de la contaminación atmosférica de no estar equilibrados, es decir, que los beneficios no son tan grandes como los costos. Ven oportunidades perdidas de crecimiento económico y tienden a omitir los costos evitados, incluso a pesar del hecho de que un análisis reciente y conservador de la Ley de Aire Limpio descubrió beneficios directos por 6.8 billones de dólares, esto es, una ganancia neta de 6.4 billones para la sociedad. Además, el control de la contaminación es ahora una gran industria que provee millones de empleos y es una parte importante de la economía. SAL 11
  12. 12. Situación en nuestro país: En 1978, los estudios medio-ambientales realizados, principalmente en la región Metropolitana, permiten detectar un alto grado de contaminación atmosférica, los que obligan a tomar medidas permanentes las que se ven reflejados en el decreto supremo Nº 349, de 1990. Estos estudios indicaban que el 79% de las emisiones de CO, el 59% de NOx, el 44% de los compuestos orgánicos volátiles y el 5% de las emisiones de partículas respirables provienen de los automóviles a gasolina y que el 71% de la concentración ambiental de partículas respirables (PM-10) es atribuible a la emisión de vehículos diesel. Y que en los meses de invierno, entre abril y agosto, en forma reiterada, los valores dados como normales, para PM-10 y CO son superados ampliamente. Mientras que en la primavera las emisiones de ozono son superiores a aquellas aceptables para proteger la salud de las personas. Estas normas están contenidas en la Resolución 1215 del Ministerio de Salud del año 1978. Por otra parte, el crecimiento del parque automotriz, se ha ido incrementando ha razón de unos 85.000 vehículos en promedio, llegando en los últimos años a 120.000, de esos, aproximadamente unos 85.000 son vendidos en la Región Metropolitana. Para disminuir las emisiones producto de las fuentes móviles, a partir de septiembre del año 1992, queda prohibida la internación al país de vehículos que no cumplan con un sistema de control de emisiones señalado por el DS 20 Numero 211, la que en sus puntos principales indica: “ Artículo 4º: Los vehículos motorizados livianos, señalados en el artículo 2º, para circular(1 ), deberán reunir características técnicas que los habiliten para cumplir, en condiciones normalizadas, con los niveles máximos de emisión de monóxido de carbono (CO), hidrocarburos totales (HC), óxidos de nitrógeno (NO x) y partículas que se señalan a continuación: a) Emisiones provenientes del sistema de escape, en Gramos/kilómetro. VEHICULOS LIVIANOS DE PASAJEROS HC Totales CO NO x Partículas 0,25 2,11 0,62 0,125 VEHICULOS COMERCIALES LIVIANOS HC Totales CO NO x Partículas 0,50 6,2 1,43 0,16 La norma de partículas se aplica sólo a vehículos con motor diesel (2 ). Para vehículos motorizados livianos a gas natural comprimido, cuya primera inscripción se 1 ) Frase "en las regiones señaladas" suprimida por el Nº 1, letra b) del D.S. Nº 205, de 28 de agosto de 1998, publicado en el Diario Oficial de 27 de octubre de 1998. 2 ) Letra a) sustituida como aparece en el texto, por Decreto Nº 280 de 27 de Diciembre de 1991, publicado en el Diario Oficial de 14 de febrero de 1992. SAL 12
  13. 13. realice a contar de la entrada en vigencia de este decreto, se considerarán los hidrocarburos no metálicos (HCNM), en reemplazo de los hidrocarburos totales, en cuyo caso el nivel de emisión será de 0,20 gr./Km. Respecto de los vehículos de este tipo, que se inscriban en el Registro Nacional de Vehículos Motorizados, a contar de 1 de septiembre del año 2002, el nivel de emisión será de 0,16 gr./Km.(3 ) Emisiones por evaporación de hidrocarburos. La suma de las emisiones evaporativas de hidrocarburos para los vehículos con motor de encendido por chispa, no deberá exceder de 2,0 gramos por ensayo. El ensayo utilizado será el establecido en el artículo 5º. Emisiones de cárter: El sistema de ventilación del cárter no deberá emitir gases a la atmósfera. A los furgones de carga, entendiéndose por tales aquellos vehículos para el transporte de mercaderías provistos de dos puertas laterales que permiten el acceso a su única corrida de asientos, se les aplicará las normas sobre vehículos comerciales livianos, pero si en virtud de cualquier transformación o modificación, tales como incorporación de corridas de asientos adicionales o apertura de ventanas, se pretende utilizarlos para transporte de pasajeros, deberá ajustarse a la normativa de ese tipo de vehículos. Si no cumpliera con las normas para vehículos de pasajeros, perderá el respectivo autoadhesivo de color verde a que se refiere el artículo 6º.” El articulo antes señalado, debe ser acatado por los importadores de vehículos nuevos y debe estar certificado por los fabricantes de automóviles. Aquellos vehículos que cumplan con la norma estipulada, recibirán un autoadhesivo de color verde, el que debe ser entregado al momento de obtener su primera patente. Este adhesivo debe mantenerse de por vida en el vehículo. Aquellos vehículos que no cumplan con lo estipulado en el Art.4º, obtendrán un adhesivo de color rojo, lo que los imposibilita de circular por la Región Metropolitana. Los vehículos que ya se encuentran en el país, debidamente inscritos, deberán ser sometidos a revisiones técnicas periódicas las que van a depender del año de fabricación El artículo que rige esta norma es el siguiente: “Artículo 8º: El procedimiento a seguir en la revisión hecha por las plantas de revisión recién referidas, considerará en los vehículos con motor de encendido por chispas (4 ) la medición de, a lo menos, HC, CO, CO2 y las revoluciones del motor. Las mediciones de gases deberán efectuarse en ralentí (entre 350 y 1.100 revoluciones por minuto) y en un modo de alta velocidad (entre 2.200 y 2.800 revoluciones por minuto). Para obtener el certificado aprobado de revisión, las mediciones correspondientes deberán cumplir, en ambos regímenes, con las siguientes condiciones: 3 )Párrafo agregado mediante Decreto Supremo Nº103, publicado en el Diario Oficial el 15 de septiembre de 2000. 4 ) Expresión "a gasolina" reemplazada como se indica en el texto por el D.S. N° 96 de 15 de julio de 1999, publicado en el Diario Oficial de fecha 4 de septiembre de 1999. SAL 13
  14. 14. Monóxido de carbono (CO): 0,5% como máximo; Hidrocarburos totales (HC): 100 partes por millón como máximo, y Monóxido de carbono + anhídrido carbónico (CO + CO2): no menos de 6%. Los vehículos motorizados livianos con motor diesel deberán, de igual modo, aprobar la respectiva revisión técnica en las plantas mencionadas, utilizando un procedimiento que a la menos deberá considerar partículas y las revoluciones del motor. Para obtener su aprobación, deberán producir cero de opacidad, medida en ralentí (entre 350 y 1.100 revoluciones por minuto) y en un modo de alta velocidad (entre 2.200 y 2.800 revoluciones por minuto); quedando facultado el Ministerio de Transportes y Telecomunicaciones para establecer, mediante decreto, otros procedimientos y límites de emisión, alternativos.” Las normas antes descritas han sido desarrolladas en USA, y están en el artículo 5º del DS indicado anteriormente y se conoce por su sigla en ingles como EPA: “Artículo 5º: Para los efectos de la rotulación señalada, las condiciones normalizadas de medición, serán las estipuladas por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de Norteamérica (USEPA), en el llamado "Code of Federal Regulation" título 40, parte 86-Control of air pollution from new vehicle engines, en los métodos FTP-75 y Shed. “ Catalizadores: Lo primero que debemos conocer, es que se entiende por el término “catalizador”. Químicamente se refiere a una sustancia que se encuentra presente en una reacción química, en contacto físico con los reactivos, sin formar parte en la reacción pero permitiendo su aceleración o su retardo. En mecánica automotriz, se usan se usan catalizadores metálicos para “catalizar” reacciones de los gases nocivos que son expelidos por el tobo de escape. Estos gases como ya sabemos, corresponden a: CO, HC, NO x los que se generan como productos de una combustión incompleta e ineficiente al interior del motor. Convertidor Catalítico: Se trata de un dispositivo ubicado a la bajada del múltiple de escape. Se encuentra al interior de una carcaza de acero inoxidable conformado por un cuerpo cerámico impregnado de metales nobles tales como platino, rodio y paladio (alrededor de 2 o3 gr.) Este cuerpo cerámico está atravesado por varios miles de canales longitudinales de trayectoria paralela por donde pasan los gases de escape en estrecho contacto con las paredes de estos canales con el fin que su estructura exponga la máxima superficie de contacto al flujo de los gases, minimizando la cantidad de catalizador requerido ya que es muy costoso. SAL 14
  15. 15. Los vehículos modernos se encuentran equipados con convertidores catalíticos de tres vías, puesto que actúan sobre los tres contaminantes principales que deben controlar. Constitución del catalizador de tipo cerámico: SAL 15
  16. 16. Dentro del convertidor se realizan procesos de oxidación y de reducción. Ambos procesos se realizan en forma separada uno de otro y en etapas. SAL 16
  17. 17. Catalizador por reducción: En esta primera etapa, se trata de controlar las emisiones de NOx, haciendo pasar el gas a través de la cerámica compuesta por platino y rodio en donde el átomo de N es retenido dejando libre al O2, el que sigue su curso. El N retenido queda desbalanceado eléctricamente, por lo que se une a otro átomo de N, siendo entonces liberado al flujo de gases. Ambos gases resultantes son componentes los normales del aire y por lo tanto no son contaminantes. Catalizador por oxidación: Corresponde a la segunda etapa en donde el platino mas el paladio actúa sobre los otros gases restantes, vale decir CO, HC a los que se les hace reaccionar con oxígeno, proveniente del motor y de la etapa anterior. De modo que los hidrocarburos son oxidados, liberándose el H, mientras que el carbono restante recibe oxigeno formándose CO2. El monóxido de carbono también recibe un átomo de oxigeno por lo que se oxida firmándose también CO2. En la ilustración siguiente se representa en forma gráfica ambos procesos: Sistema de control: SAL 17
  18. 18. El convertidor catalítico solo trabaja en forma adecuada cuando la relación aire/combustible es lo mas cercano a la mezcla estequiométrica, vale decir, cuando Lambda =1. Mantener esta proporción es una de los parámetros más difíciles, puesto que debe hacerse bajo cualquier condición de conducción. Para que el convertidor trabaje, debe alcanzar una temperatura de alrededor de 300º C, lo que puede ocurrir entre los 80 seg. Y los 3 minutos. Si las temperaturas exceden los 900º C, se acelera su envejecimiento. Superados los 1.200º C, queda inutilizado en forma permanente. También los combustibles o aditivos que contengan plomo, pueden bloquear el contacto entre los metales nobles y el gas, impidiendo el proceso catalítico. Con mezcla rica y a mas de 500º C, se remueve el azufre depositado al interior del con dispositivo, produciendo ácido sulfúrico de olor fuerte y desagradable y que en altas concentraciones es dañino para la salud. El azufre es uno de los elementos contaminantes de la gasolina. Sonda Lambda: También se conoce como sensor de oxigeno se encuentra atornillada en el tubo de escape antes del catalizador. De cerámica especial de bióxido de zirconio, la superficie externa de la sonda está expuesta al gas del escape, mientras que su cara interna se halla en contacto con el aire de escape. Sonda Lambda o Sensor de Oxigeno La característica principal del bióxido de zirconio consiste en conducir muy bien los iones de oxigeno cuando estos se encuentran a temperaturas elevadas. A partir de las diferencias de concentración de Ox. Entre la parte interna y la parte externa, la sonda genera una tensión eléctrica la que se incrementa en forma significativa cuando se da una determinada proporción de oxigeno en el gas de escape. Este aumento bruscote la tensión tiene lugar exactamente cuando alcanzo una proporción de aire/combustible lambda =1. Cuando la SAL 18
  19. 19. mezcla es pobre en Ox, vale decir mezcla rica, lambda es < 1, la tensión generada por la sonda llega a valores de entre 0.9 a 1.1 v. Cuando el valor de lambda >1, vale decir, mezcla pobre, se alcanza una tensión de aproximadamente 0.1 v. La señal emitida por lambda, es enviada a la Unidad de Control Electrónico (ECU), siendo este elemento el encargado de controlar el pulso de inyección de modo de mantener la proporción aire/combustible lo mas cercano a lambda = 1. La velocidad de reacción de la sonda ante las variaciones de oxigeno en la mezcla, va a estar en función a su temperatura de funcionamiento. A 300º C tiene un tiempo de reacción de aproximadamente un segundo, mientras que a 600º C el tiempo de reacción no llega a 50 milisegundos (0,050 seg.). En algunos vehículos es posible encontrar sondas que llevan incorporado una instalación de calefacción, lo que le permite alcanzar una temperatura de operación más rápidamente, alrededor de 600º C. Dentro de las recomendaciones entregadas por los fabricantes de vehículos equipados con catalizadores están: a) No remolcar al vehículo en distancias muy largas, puesto que de existir alguna falla en el sistema de encendido, se podría provocar la entrada de combustible al sistema de escape, lo que podría ser extremadamente perjudicial si el convertidor se encuentra aún muy caliente. b) Si se sospecha de fallas en el sistema de encendido, deben realizarse una inmediata comprobación. Una vez reanudada la marcha, evitar los regímenes de revoluciones elevados. c) Después de un periodo prolongado de sequías, se recomienda no estacionar sobre heno u hojas secas. En condiciones extremas se podría generar fuego bajo el vehículo. d) Comprobar en forma periódica , estando el vehículo levantado , que los recubrimientos térmicos se encuentren en buen estado e) Fallas en el catalizador o en la sonda lambda son por lo general, hallazgo durante la comprobación de los gases de escape. Un catalizador cerámico dañado por excesivo calor, genera ruidos de tableteo. La medición entre los terminales de tierra del sensor y el terminal de señal se debe realizar con un voltímetro, acelerando repetidamente el motor debe entregar una lectura mínima de 0,6 V. Para realizar esta medición, debe encontrarse a temperatura de funcionamiento (refrigerante entre los 80 y 95º C) Si se trata de una sonda con calefactor, se deberá medir la resistencia entre los terminales del calefactor (30 o mas ohm). CONTROL DE GASES DE ESCAPE Una combustión completa, donde el combustible y el oxigeno se queman por completo solo produce CO2 (dióxido de carbono), N (nitrógeno) y H2O (agua). Este proceso de una combustión completa y a fondo muy pocas veces se lleva a cabo y entonces surge el CO (monóxido de carbono), también aparece el O2 (Oxigeno) e HC (Hidrocarburos), la aparición de estos gases es porque al no completarse la combustión "siempre queda algo sin quemar." SAL 19
  20. 20. CO (monóxido de carbono): El monóxido es resultado del proceso de combustión y se forma siempre que la combustión es incompleta, es un gas toxico, inodoro e incoloro. Valores altos del CO, indican una mezcla rica o una combustión incompleta. Normalmente el valor correcto esta comprendido entre 0,5 y 2 %, en motores sin emisionar, siendo la unidad de medida el porcentaje en volumen. CO2 (Dióxido de Carbono): El dióxido de Carbono es también resultado del proceso de combustión, no es toxico a bajos niveles, es el gas que se usa en las bebidas, también se llama anhídrido carbónico. El motor funciona correctamente cuando el CO2 esta a su nivel más alto, este valor porcentual se encuentra entre el 12 y el 15 %. Es un excelente indicador de la eficiencia de la combustión. Como regla general, lecturas bajas de CO2 son un indicio de un proceso de combustión malo, que representa una mala mezcla o un encendido defectuoso. HC (Hidrocarburos no quemados): Este compuesto representa los hidrocarburos que salen del motor sin quemar. La unidad de medida es el ppm, partículas por millón de partes, recordemos que el porcentaje representa partes por cien partes y el ppm, partes por millón de partes. La conversión seria 1%=10000 ppm. Se utiliza las ppm, porque la concentración de HC en el gas de escape es muy pequeña. Una indicación alta de HC indica: • Mezcla rica (el CO también va a tener un valor alto). • Mala combustión por mezcla pobre. • Escape o aceite contaminado. El valor normal esta comprendido entre 100 y 400 ppm. Para motores sin emisionar. O2 (Oxigeno): Este compuesto es el oxigeno del aire que sobro del proceso de combustión. Un valor alto de Oxigeno puede deberse a mezcla pobre, combustiones que no se producen. También va a estar presente al estar el escape roto. Un valor de 0% significa que se ha agotado todo el oxigeno, si el CO es alto es indicativo de un mezcla rica. Normalmente el Oxigeno debe ubicarse debajo del 2 %. NOx (Óxidos de Nitrógeno): Los óxidos de Nitrógeno se simbolizan genéricamente como NOx, siendo la "x" el coeficiente correspondiente a la cantidad de átomos de Nitrógeno, puede se 1, 2,3 etc. Estos óxidos son perjudiciales para los seres vivos y su emisión en muchos lugares del mundo se encuentra reglamentada. Los óxidos de Nitrógeno surgen de la combinación entre sí del oxigeno y el nitrógeno del aire, y se forman, como ya s e ha indicado, a altas temperaturas y bajo presión. Este fenómeno se lleva a cabo cuando el motor se encuentra bajo carga, y con el objetivo de disminuir dicha emisión de gases, los motores incorporan el sistema EGR (recirculación de gases de escape). El sistema EGR esta constituido por una válvula, de accionamiento neumático o eléctrico, que permite que parte de los gases de escape entren al múltiple de admisión del motor, y de esta forma se empobrece la mezcla. Si bien el motor pierde potencia, la temperatura de combustión baja consiguiendo una disminución en la emisión de NOx. Tenemos que destacar que la válvula EGR, se abre en motores a gasolina sólo bajo condiciones de carga y su apertura es proporcional a la misma. SAL 20
  21. 21. El sistema EGR disminuye las emisiones de óxidos de nitrógenos, por una baja significativa en la temperatura de la cámara de combustión, como consecuencia del ingreso de gases de escape la misma. Analizadores de Gases Infrarrojo: Existen diversos tipos de analizadores de gases, siendo los autorizados por ley, aquellos que utilizan el espectro infrarrojo de la luz, puesto que los gases derivados de la combustión en los motores de combustión interna, tienden a absorber las bandas estrechas de longitudes de ondas infrarrojas, las que son 5 o 6 veces mas largas que la luz visible (luz blanca). Si un gas absorbe un espectro de luz infrarroja, y este espectro es característico y específico de dicho gas, entonces la indicación de esta absorción puede ser usada como indicación de la concentración de dicho gas. La concentración de un gas que se quiere medir puede ser expresada porcentual mente de acuerdo a la absorción de IR que pasa a través de una celda que contenga ese gas en una mezcla de gases. El método frecuentemente usado en analizadores de gases de escape para poder medir la concentración de los gases presentes en la mezcla, consiste en hacer pasar luz infrarroja por una celda que contiene el gas, y detectar la energía absorbida por cada uno de los gases con detectores apropiados. Estos detectores consisten en un filtro óptico formando por un lente que permite pasar solo las longitudes de onda del espectro infrarrojo correspondientes al gas cuya concentración se quiere medir. Luego de este filtro, la luz es sensada por un sensor óptico electrónico (fotodiodo o fototransistor), como se puede apreciar en el siguiente esquema: La celda de medición es también sometida a una leve temperatura que es controlada por un dispositivo de modo que este equipo debe ser sometido a una etapa previa de calentamiento antes de ser utilizado en algún vehículo. SAL 21
  22. 22. Los sensores ópticos, así constituidos envían señales eléctricas a circuitos electrónicos amplificadores, los cuales terminan marcando en una pantalla los valores de cada uno de los gases que son sensados por estos dispositivos. Los analizadores posen uno o varios filtros o trampas de agua, los que deben ser sustituidos o limpiados antes de utilizar el equipo, también es conveniente someter a una espera breve entre mediciones a diferentes vehículos con el fin de no saturar los sensores de modo que los valores entregados correspondan con lo que se está midiendo. SAL 22

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