La contaminación diésel

Numerosos son los estudios publicados la última década que informan sobre los elevados niveles de contaminación generados por los motores diésel  y sus posibles consecuencias.

El escándalo público y la polémica, sin embargo, son cosa de los últimos meses. Claramente incentivados por la irresponsabilidad y mala praxis demostrada por el grupo VW al homologar algunos de sus motores diésel con un software específico para los test anticontaminación , multitud de medios de comunicación especializados han indagado en el tema y los resultados no se  han hecho esperar. 

Las emisiones tóxicas de los vehículos diésel en condiciones de funcionamiento real superan y multiplican varias veces las cantidades “previstas” y los valores máximos homologados.

A día de hoy  casi se podría afirmar que el problema es algo generalizado que engloba a prácticamente todos los fabricantes. En la mayoría de los casos se han aprovechado los pequeños vacíos legales existentes en las pruebas de homologación para lograr superar los test de emisiones y obtener los datos de consumo / emisiones oficiales, que por otro lado suelen ser los que se publicitan.

Pequeñas tretas tales como aumentar la presión de los neumáticos, desconectar todos los consumidores eléctricos incluida la servodirección, utilizar lubricantes específicos … se unen a un ciclo de prueba sobre rodillos que poco tiene que ver con las condiciones reales de circulación, ni en carretera ni en ciudad.

De este modo se ha maquillado una realidad que los habitantes de las principales capitales Europeas llevan padeciendo ya  algunos años. El smog fotoquímico, ese manto entre marrón y gris que se ve sobre las ciudades, tan solo es la parte visible de un peligro invisible pero muy real, los elevados niveles de óxidos de nitrógeno ( NOx) producidos por los motores Diesel.

En los últimos tiempos se ha promovido la renovación del parque móvil y su sustitución por vehículos diésel por parte de las autoridades en varios países en forma de incentivos y ayudas a la compra. La menor cantidad de CO2/km emitido ha sido el factor determinante y la lucha contra el recalentamiento global el objetivo. Se ha “vendido” el vehículo diésel como más respetuoso con el medio ambiente que el de gasolina, lo cual no deja de ser una verdad a medias, y no del todo verdad.

La realidad de la revolución diésel  es mucho más peligrosa de lo esperado y debemos conocer el por qué.

La naturaleza del combustible y el proceso de  combustión de los motores de gasolina o diésel determina la diferente composición y proporción de sus respectivos gases de escape.

Pese a que los motores de gasolina producen en un principio una mayor cantidad de sustancias contaminantes que los diésel, estas son fácilmente transformadas en sustancias inocuas mediante un catalizador de tres vías, lográndose reducir su cantidad en un 95% e incluso más.

En el interior de los cilindros la mezcla aire/ gasolina mantiene siempre una proporción  cercana a la ideal ( relación estequiométrica ). El combustible se vaporiza y mezcla fácilmente con el aire gracias a su escasa densidad formándose una mezcla muy homogénea. El escaso tamaño de las moléculas de los  hidrocarburos que forman la gasolina favorece su total oxidación en un corto espacio de tiempo de modo que la combustión es prácticamente simultánea en toda la cámara de combustión y muy rápida. La reacción se completa en aproximadamente 1.5 – 2 milisegundos, variando escasamente en función  del diseño de la cámara de combustión, la relación de compresión, la temperatura del motor y la proporción aire/combustible. La cantidad de mezcla contenida en el interior de la cámara de combustión influye mínimamente en la duración de la reacción de combustión.

De este modo los gases resultantes son en su mayoría N2 y CO2 junto a un 1% de  CO y 1% de O2 como resultado de combustión incompleta y una cantidad mínima de NOx y HCs, que posteriormente el catalizador transforma casi en su totalidad en vapor de agua CO2  y N2.

El proceso de combustión en los motores de ciclo Diesel resulta algo más complejo debido a las características del propio combustible y su funcionamiento de ciclo autoinflamable.

Los hidrocarburos que forman el gasóleo son de muy diferente índole, básicamente  son  moléculas de un tamaño mucho mayor  y estructura atómica más compleja que los de la gasolina. Como consecuencia su oxidación completa resulta más lenta y libera más energía que en el caso de la gasolina. Por contrapartida el combustible diésel resulta más denso y  menos volátil lo cual dificulta que se mezcle bien con el aire y dificulta su vaporización.

Basta observar la diferente velocidad con la que se evaporan a temperatura ambiente ambos combustibles para hacerse una idea de su “predisposición “ química para mezclarse con el aire.

El gasoil es inyectado a alta presión en el interior de la cámara de combustión. En la actualidad, para conseguir una buena pulverización del combustible se utilizan inyectores de múltiples orificios ( 5 a 7 por lo general en motores de turismo) , sistemas de inyección de más de  2000 bares de presión  y conductos de admisión de alta turbulencia. Pese a ello la homogeneización aire  / gasoil no resulta total.

La cuestión es cuanto menos  complicada. La “mezcla” debe realizarse en un ínfimo espacio de tiempo  que disminuye conforme aumenta el régimen de giro del motor y paradójicamente aumenta la cantidad de combustible que se debe inyectar. Como consecuencia la única forma de asegurar que se aprovecha y se oxida la mayor cantidad  del combustible inyectado es introducir siempre en la cámara de combustión una cantidad de O2 muy superior a la químicamente necesaria. Para evitar la formación de partículas de hollín ( hidrocarburos parcialmente quemados ) se debe mantener un exceso de O2 del 9-12 % mínimo. Es por ello que históricamente la mayoría de motores diésel han trabajado sin estrangulamiento en la admisión de aire, de forma que el trabajo obtenido del motor se regulaba únicamente  mediante la cantidad de combustible inyectada.

Paralelamente, la duración de la combustión y la temperatura del proceso dependen sustancialmente de la cantidad de combustible participante. Para regímenes de giro más rápidos se necesita más combustible que tardará más tiempo en quemarse y logrará una mayor temperatura.

La elevada presión de inyección  necesaria para conseguir una buena pulverización y penetración / homogeneización del combustible en la cámara de combustión provoca un enfriamiento instantáneo del gasoil al pasar de estado líquido en el interior del inyector a estado gaseoso en la cámara de combustión. Pese a que el enfriamiento supone un retraso en la ignición del combustible y un verdadero quebradero de cabeza para sincronizar el inicio de la combustión con el punto muerto superior de los pistones, recordemos que se autoinflama por la  elevada temperatura del aire comprimido,  debemos considerar que tiene una parte positiva, y es que permite un tiempo “ mínimo”  para que el combustible pulverizado se mezcle con el aire. De este modo la combustión no se inicia justo a la salida de los orificios del inyector sino más bien centrada circularmente en el interior de la cámara de combustión.

La elevada concentración de combustible “ frio “ en el centro de la cámara de combustión contrasta con la escasez del mismo en la zona más externa de la misma, de modo que la combustión una vez iniciada se desarrolla de forma bastante diferente en función de la proporción aire / combustible existente en cada lugar de la cámara de combustión. Si establecemos la zona intermedia  como “ideal” claro está que la central presentara déficit de oxigeno durante prácticamente todo el proceso de inyección y la zona más alejada un exceso de oxigeno destacable. Y aquí es donde empiezan los problemas…

Durante el desarrollo de la combustión en condiciones desfavorables se generan diversas sustancias contaminantes.

Como consecuencia de la excesiva concentración  de gasoil en la zona central se desplaza el aire y con ello el oxígeno necesario, dando lugar a la formación de partículas sólidas de hollín, hidrocarburos parcialmente oxidados, e incluso a la presencia de hidrocarburos sin quemar en los gases de escape, especialmente a elevados regímenes de trabajo y altas cargas.

El exceso de oxígeno en la zona más externa de la cámara de combustión resulta todavía más perjudicial. El desarrollo de la combustión en el frente de llama con exceso de oxígeno y alta temperatura provoca una reacción química parásita, la creación de Óxidos de Nitrógeno de diferente estructura. El nitrógeno ( N2) presente en el aire en una proporción del 78% reacciona con el oxígeno (O2) a temperaturas superiores a los 1500 ºC y muy especialmente por encima de los 1800ºC.

La combinación digamos accidental o no deseada del N2 y el O2 supone un doble problema. Además de la propia creación de los diferentes Óxidos de Nitrógeno disminuye la cantidad de Oxigeno disponible para la combustión, de modo que dependiendo de su proporción puede dar origen a combustiones parciales que aumentan la cantidad de CO y partículas sólidas en los gases de escape.

Al igual que en los motores de gasolina los hidrocarburos  y el CO resultantes de la combustión se logran eliminar fácilmente mediante un catalizador de oxidación. Las partículas sólidas u hollín se retienen y posteriormente eliminan mediante un filtro de partículas poroso. Los NOx sin embargo resultan bastante más difíciles  y costosos de eliminar.

Llegados a este punto resulta fácil determinar porque los modernos motores diésel producen más cantidad de NOx incluso que un motor relativamente antiguo.

Para obtener mayor rendimiento termodinámico y mecánico del motor se requiere mayor presión en la cámara de combustión y para lograrlo son necesarias temperaturas de combustión más elevadas, que propician la formación de NOx . A tal efecto se debe quemar más combustible en menos tiempo, en el momento preciso y durante un periodo de tiempo limitado.

Quemar más combustible requiere más oxígeno ( O2) y en consecuencia más aire (78% N2), de ello se encargan los modernos turbos de geometría variable. Quemarlo en menos tiempo requiere inyectar más cantidad en menos tiempo, que se consigue  con mayores presiones de inyección y más orificios en los inyectores. Más orificios de inyección conllevan mayor número de  frentes de llama que es justamente donde se originan los NOx.

De este modo resulta fácil comprender que la evolución de los motores diésel haya sacado a relucir su punto débil. Los viejos y lentos motores diésel no desarrollaban las prestaciones de los actuales, pero tampoco la cantidad de NOx de estos últimos. Con un solo orificio de inyector  en la mayoría de casos y admisión atmosférica o turbos de bajo soplado no se alcanzaban las altas temperaturas de combustión que facilitan la formación de tan “irritante” sustancia.

La evolución del parque móvil hacia el diésel es una realidad evidente en los últimos tiempos… y el incremento en las cantidades y concentraciones  de NOx especialmente en las grandes ciudades también.

Los niveles de NOx previstos en las grandes ciudades europeas han sido claramente rebasados muy probablemente debido a la clara divergencia entre las cantidades teóricas y reales producidas por muchos vehículos relativamente nuevos.

Ahora que ya sabemos cómo se forman, en  próximas entradas de nuestro blog hablaremos más sobre los NOx, su peligrosidad, como evitar su formación y como eliminarlos o transformarlos en sustancias no toxicas...