Conseguir acercarse al concepto de Zero Impact Emissions requiere combinar tecnologías cuidadosamente. No sólo deben ser medidas eficaces, sino también económicamente viables. La clave no es tanto inventar nuevas formas de reducir las emisiones, sino transformar las ya conocidas para que funcionen mejor y en más escenarios. En estas dos páginas vamos a repasar las herramientas y conceptos que ya están disponibles y, en la siguientes dos, vamos a ver cómo pueden combinarse de forma efectiva e inteligente. Las hemos etiquetado como aplicables a diésel, gasolina o ambos.
Herramientas para motores de gasolina
Compresión variable
Esta es una forma de controlar la autoignición sin perder calor, ya que se modifica la compresión del motor en lugar de avanzar el encendido –ver ‘motor adiabático’–. El motor de compresión variable de Infiniti –izq.– es la manera más radical de conseguir este propósito: una articulación en el cigüeñal modifica el punto muerto superior del pistón y el volumen de la cámara de combustión. Obviamente, esta solución no es del todo ‘asequible’. Afortunadamente, es posible utilizar la distribución variable para modificar virtualmente la compresión del motor –ver Ciclo Miller–, evitando el autoencendido y controlando la temperatura de los gases de escape.
Gas natural
El gas natural comprimido es un combustible que presenta cuatro ventajas clave de cara a conseguir nuestro propósito. La primera, es que se mezcla perfectamente con el aire de admisión, de manera que no genera partículas, y podemos prescindir del filtro. La combustión también es muy buena, de forma que no genera apenas óxidos de nitrógeno, ni siquiera en las fases críticas de funcionamiento –motor frío, alta carga…–. Es muy resistente a la autoignición –el índice de octano es de 130–, y por eso es un candidato ideal de cara a construir un motor ‘adiabático’. Y además, genera menos CO2 que la gasolina.
Ciclo Miller
Es una forma de controlar la temperatura de los gases en la cámara de combustión en un motor turboalimentado –en los atmosféricos se denomina Atkinson–. La clave consiste en emplear la distribución variable para retrasar el cierre de las válvulas de admisión*. De esta forma, parte del aire regresa al colector de admisión y la cantidad de aire que se comprime se reduce. Esto rebaja el calentamiento del aire debido a la compresión durante la carrera ascendente del pistón, reduciendo el riesgo de autoencendido y la temperatura que posteriormente va a alcanzar el gas durante la combustión el proceso de expansión.
Inyección directa
Obviamente, otra forma muy efectiva de prevenir el autoencendido es retrasar al máximo el momento de la inyección de combustible. Sin embargo, eso significa que el combustible tiene menos tiempo para mezclarse y que se generan más partículas. De manera que este retraso de inyección tiene que venir acompañado de un incremento en la presión de inyección. Por eso, los proveedores están contemplando emplear presiones de hasta 500 bares –casi el doble de los mejores sistemas actuales–.
Herramientas de los motores diésel
Catalizador calefactado
El mecanismo más efectivo para controlar el NOx en los diésel es el catalizador de reducción selectiva o SCR. Este catalizador emplea amoniaco para convertir el NOx en nitrógeno y oxígeno. El problema es que este catalizador sólo es eficiente cuando se encuentra a la temperatura ideal de funcionamiento, que es de unos 450 grados.
Obviamente, al arrancar el motor, el catalizador está frío y simplemente no funciona. Durante la conducción también se dan circunstancias en las que el catalizador se enfría, como por ejemplo cuando circulamos sin acelerar –por una cuesta abajo– o con el motor funcionando al ralentí. Una solución radical a este problema es calentar el catalizador con electricidad… preferentemente generada a partir de energía recuperada durante las frenadas.
SCR adicional
Esta sería la solución más radical y costosa. Si el primer catalizador deja escapar óxidos de nitrógeno, es posible montar un segundo catalizador algo más abajo en la línea de escape, junto con un segundo inyector de AdBlue… y, a continuación, un tercer catalizador que destruya el exceso de amoniaco que pueda escapar de este segundo catalizador de reducción selectiva o SCR.
Herramientas para los motores de gasolina y diésel
Filtro de partículas
Es una de las herramientas más viejas, pero también la prueba irrefutable de que un sistema de post-tratamiento de gases efectivo puede conseguir eliminar una clase de contaminante. Gracias a estos filtros, el nivel de partículas emitidas por la automoción se encuentra un orden de magnitud por debajo del nivel ‘de fondo’ en las ciudades –de hecho, actualmente las partículas no son una preocupación–. Los motores de gasolina modernos, dotados de inyección directa, necesitan emplear esta clase de filtros, pero son baratos y no presenta riesgo de obturarse porque, a diferencia de los diésel, las partículas que generan son muy finas.
Recirculación avanzada
Dado que para generar NOx se requiere la presencia de exceso de oxígeno en la mezcla que se va a quemar, una de las maneras más efectivas de evitar su formación es mezclar el aire de admisión con un gas con bajo contenido de oxígeno, como por ejemplo los gases de escape. Como otra manera de evitar el NOx es reducir la temperatura en la cámara de combustión, los gases de escape recirculados se refrigeran.
Por supuesto, estos gases de escape contienen partículas y NOx, de manera que el proceso se puede refinar un poco más recurriendo a la recirculación de baja presión. Esta recirculación sangra gases de la línea de escape una vez que ya han sido tratados, de manera que están libres de partículas y NOx –en cierto modo, es como mezclar el aire atmosférico con una mezcla de nitrógeno y dióxido de carbono relativamente puros… y, por eso, se denomina a esta técnica ‘dilución de carga avanzada’.
Motor adiabático
Un proceso adiabático es aquel que ocurre sin intercambio de calor con el exterior. En el caso de un motor de gasolina, significa procurar minimizar la transferencia de calor al bloque, procurando que toda la energía que no se ha convertido en trabajo abandone del cilindro en forma de calor y vaya a parar a donde puede ser de utilidad, que es en el sistema de escape, y se consigue retrasando al máximo el encendido de la mezcla. Sin embargo, el retraso de encendido está limitado por el proceso de picado o autoencendido, de manera que muchas medidas de esta página están encaminadas a evitarlo.
Inyección de agua
Esta estrategia es tan avanzada que aún no se ha utilizado, pero promete ser muy efectiva tanto en gasolina como en diésel. En el fondo, se trata de lo de siempre: el NOx se crea por la combustión a alta temperatura, de manera que se pulveriza agua en el aire de admisión para que, al vaporizase, absorba calor y enfríe la mezcla.
Turbo avanzado
El turbo de geometría fija de un motor de gasolina sencillamente no funciona bien. La razón es que la mayor parte del tiempo, los gases no pasan sobre los álabes de la turbina a la velocidad adecuada. La solución sería emplear un turbo de geometría variable, en el que unas piezas móviles aceleran los gases de escape cuando el caudal es bajo para mejorar la eficiencia del turbo. El motivo por el que no se hace es que los gases de escape de un motor de gasolina están demasiado calientes como para diseñar un turbo de geometría variable que resulte fiable y lo suficientemente bastante. La solución es enfriar los gases de escape recurriendo a un ciclo Miller, como hacen los 1.5 TSI Evo y TGI de Volkswagen.
En el caso de los motores diésel, en el que los gases de escape salen relativamente fríos del motor, el turbo es un ‘sumidero de calor’ que evita que el catalizador de reducción de NOx se caliente rápidamente. La solución es poner un bypass que permita que parte de los gases de escape puenteen al turbo y lleguen al catalizador sin enfriarse.
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