Los perfeccionamientos obtenidos en la técnica de motores han llevado en los últimos años a mejores procesos de combustión y con ellos, a menores emisiones brutas. El desarrollo de sistemas electrónicos de control del motor ha hecho posible una inyección exacta de la cantidad de combustible necesaria y el ajuste preciso del punto de encendido, así como la optimización, en función del punto de funcionamiento de la activación de todos los componentes existentes (predispositivo de mariposa electrónico DV-E). Estos dos puntos han llevado, además de un aumento de la potencia de los motores, también a un claro mejoramiento de la calidad de los gases de escape.
No hay que desatender tampoco las mejoras de la calidad en los combustibles. De acuerdo con el aumento constante de la potencia de los motores, son mayores las exigencias formuladas al combustible. El empleo de aditivos disminuye los sedimentos e incrustaciones durante la combustión en el cilindro, reduce las sustancias nocivas contenidas en los gases de escape e impide incrustaciones perjudiciales en el sistema de combustible. El cambio a combustible sin plomo constituyó un hito en el camino hacia gases de escape mas limpios de sustancias nocivas.
Con estas medidas se han podido reducir las emisiones desde los años 1970 en un 80% aproximadamente. Pero únicamente gracias al tratamiento posterior de los gases de escape con el catalizador fue posible observar los valores limite exigidos por la legislatura.
Los sistemas de control de emisiones de escape han sido desarrollados para reducir los elementos contaminantes generados por el automóvil en el proceso de combustión.
Dentro de los sistemas de control de emisiones destacan los siguientes:
● Control de la combustión (sonda Lambda).
● Sistema de ventilación positiva del Cárter (PCV).
● Sistema cerrado de control evaporativo (Canister).
● Sistema de recirculación de gases de escape (EGR).
● Sistema de inyección adicional de aire en el escape.
● Convertidor catalítico y Filtro de partículas
Sistema de diagnóstico OBD (on board diagnostics)
Lo mas reciente para reducir la contaminación generada por los vehículos motorizados es el sistema de diagnóstico OBD (on board diagnostics), EOBD (European on board diagnostics), que se aplica a todos los modelos con motores diesel y gasolina. El EOBD es un sistema de diagnóstico integrado en la propia gestión del motor, cuya misión es vigilar todos aquellos componentes y sistemas que por avería o mal funcionamiento alteren las emisiones de gases de escape, establecidas para el funcionamiento del motor en condiciones normales.
La principal novedad es la incorporación de un testigo de aviso, el cual indica al conductor la existencia de una anomalía en el motor, que provoca un aumento de las emisiones de gases, superiores a los límites establecidos.
El OBD II representa una versión más actualizada y desarrollada del OBD I.
Objetivos del OBD II
● Vigilancia de todos los componentes importantes para la calidad de los gases de escape.
● Protección del catalizador ante su puesta en peligro.
● Aviso visual, si hay componentes relacionados con los gases de escape, que presentan fallos en el funcionamiento
● Memorización de las averías.
● Susceptibilidad de diagnóstico.
La información ofrecida por el OBD II y la actuación del testigo de aviso deben ser idénticas para todos los automóviles. Por otro lado, según la organización jurídica de cada país, también debe ser posible su consulta por organismos oficiales o talleres autorizados.
Para ello se han estandarizado unos códigos de avería relacionados exclusivamente con el EOBD. Dichos códigos siguen la normativa SAE y son del tipo P0XXX.
Otro dato importante del OBD II es la indicación del número de kilómetros recorridos por el vehículo, desde que se activa el testigo de aviso.
Sistemas Anticontaminación
Sensor de oxigeno o sonda Lambda
El motor por si solo no puede controlar los porcentajes de aire y combustible que entran en la cámara de combustión, no lo pudo hacer en el pasado con el uso de carburadores, ni tampoco con sistemas de inyección electrónicos de "lazo abierto". Para poder controlar la mezcla es necesario de un elemento sensor, que indique, el porcentaje de aire y combustible que entra en el motor. A este dispositivo se le llama sensor de oxigeno o sonda Lambda. Este sensor situado a la salida del colector de escape del motor, analiza los gases de escape, y envía información constantemente a la gestión electrónica del motor que adecua la mezcla en función de las circunstancias de funcionamiento del vehículo.
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 del 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.
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.
Proporción de la mezcla y sus efectos en la emisión de gases contaminantes
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.
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.
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.
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.
Existe no obstante una zona llamada "ventana lambda" (puede verse en la gráfica inferior) 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.
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 concentración.
Localización de la sonda lambda en el motor
La sonda lambda esta dispuesta en el sistema de escape delante del catalizador. La señal de la sonda es conducida a la unidad de control del motor. Se pueden emplear sondas lambda de dos puntos (como las estudiadas hasta ahora) o sondas lambda de banda ancha (regulación lambda permanente). Detrás del catalizador puede encontrarse otra sonda lambda (regulación con dos sondas). Esta sonda es siempre una sonda de dos puntos.
Funcionamiento
Mediante el circuito de regulación formado con ayuda de una o dos sondas lambda pueden identificarse y corregirse desviaciones de una relación de aire y combustible determinada. El principio de regulación se basa en la medición del contenido de oxígeno residual en los gases de escape. El contenido de oxígeno residual es una medida para la composición de la mezcla de aire y combustible aportada al motor.
Regulación de dos puntos
La sonda lambda de dos puntos dispuesta delante del catalizador suministra en el margen rico {lambda.< 1) una tensión alta y en el margen pobre (lambda > 1), una tensión baja (U < 1). En el margen alrededor de "lambda = 1" se produce un pronunciado salto de tensión. La sonda lambda de dos puntos sólo puede distinguir, pues, entre mezcla rica y mezcla pobre.
La tensión de sonda se transforma en la unidad de control del motor en una señal de dos puntos. Es la magnitud de entrada para la regulación lambda puesta en efecto con ayuda del software. La regulación lambda actúa en la formación de la mezcla y ajusta la relación de aire y combustible adaptando el caudal de combustible inyectado. La magnitud de ajuste, compuesta de un salto y una rampa, varia su dirección de ajuste con cada salto de tensión de la sonda. Es decir, por el salto de la magnitud de ajuste varia la composición de la mezcla primero "de golpe" y a continuación en forma de rampa. Si la tensión de la sonda es alta (mezcla rica), la magnitud de ajuste regula en dirección hacia mezcla pobre; si la tensión de la sonda es baja (mezcla pobre), en dirección hacia mezcla rica. Con esta regulación de dos puntos se puede regular la mezcla de aire v combustible a valores lambda alrededor de "lambda = 1".
La típica "medición errónea" de la sonda lambda, condicionada por la variación de la composición de los gases de escape, se puede compensar de modo controlado conformando la evolución de la magnitud de ajuste selectivamente de modo asimétrico (desplazamiento hacía mezcla rica/mezcla pobre).
Regulación lambda constante
La sonda lambda de banda ancha suministra una señal de tensión constante. De este modo se puede medir no sólo el margen lambda (mezcla rica o pobre), sino también las desviaciones de "lambda = 1". La regulación lambda puede reaccionar así más rápidamente a una divergencia de la mezcla. De ello resulta un mejor comportamiento de regulación, de elevada dinámica.
Como sea que con la sonda lambda de banda ancha de "lambda = 1" se pueden medir composiciones de la mezcla divergentes, también es posible (al contrario de la regulación de dos puntos] regular tales composiciones. El alcance de regulación comprende valores lambda dentro del margen de "lambda = 0,7...3,0". La regulación lambda constante por tanto es apropiada para el funcionamiento con mezclas pobres o ricas de motores de inyección directa de gasolina.
Regulación con dos sondas
La regulación lambda con la sonda antes del catalizador tiene una precisión limitada, ya que la sonda está expuesta a notables influencias medioambientales. La exposición de una sonda lambda detrás del catalizador a estas influencias es considerablemente menor. Por esta razón ademas de la sonda antes el catalizador se ha implantado una segunda sonda lambda (calefactada) en el sistema de escape después del catalizador. Sirve para comprobar el funcionamiento del catalizador. Adicionalmente se lleva a cabo una autoadaptación de la sonda antes el catalizador.
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.
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 catalizador-acumulador.
