ARTÍCULO ORIGINAL

Emisiones de los motores diésel fuera de carretera. Caso Volskwagen ADG 1.9 L SDI

MSc. José Ramón Soca-Cabrera² 

²Universidad Autónoma Chapingo, Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola, Chapingo, Texcoco, Estado de México, México.

RESUMEN

Las pruebas de emisiones de gases de escape de los motores de combustión interna se encuentran estandarizadas, así como los valores límites permisibles para cada componente. En el presente trabajo se muestran los resultados de las pruebas realizadas al motor Volkswagen 1.9 SDI en el banco de pruebas estacionario Armfield CM12 y el escáner Launch X-431 pro realizadas en el laboratorio de motores diésel del Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola (DIMA) de la Universidad Autónoma Chapingo (UACh). Se utilizó la metodología de las Normas SAE J1995 e ISO 8178 para obtener los valores de los componentes del escape. Se construyeron las características de cada componente en función de la carga (potencia) y del índice lambda. Las concentraciones de HC + NO_x fueron de 30.25 g kW^-1h^-1 y del CO de 0.47 g kW^-1 h^-1 está por debajo de los límites establecidos.

Palabras clave: pruebas de motores; emisiones de escape

INTRODUCCIÓN

El imparable aumento de la cantidad de motores diésel en funcionamiento en el mundo contribuye al creciente deterioro de la calidad del aire atmosférico, hasta el punto en que el control de las emisiones de gases contaminantes que ellos generan es un factor primordial en el desarrollo de los nuevos diseños.

Los gases de escape del motor diésel están constituidos en un 99% por dióxido de carbono (CO₂), vapor de agua (H₂O) y nitrógeno libre (N₂), y por un 1% restante de subproductos sólidos y gaseosos que son nocivos para el aire atmosférico y los seres vivos, y que se agrupan en compuestos regulados por normativas gubernamentales y compuestos no regulados. Entre los compuestos regulados se encuentran las partículas sólidas de carbono (hollín) que son referidas como material particulado (PM) o material particulado diésel (DPM), el monóxido de carbono (CO), los óxidos de nitrógeno (NO_x), y los hidrocarburos no quemados, o parcialmente quemados, los cuales se expresan como hidrocarburos totales (THC) o hidrocarburos totales distintos del metano (NMHC). Los compuestos no regulados comprenden los hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAH), la fracción orgánica soluble (SOF) constituida por hidrocarburos adsorbidos en el material particulado, los aldehídos derivados de los hidrocarburos del combustible, el dióxido de azufre (SO₂) que se forma con el azufre del combustible y del aceite de lubricación que se quema durante la combustión, el óxido nitroso (N₂O), y diferentes óxidos metálicos formados a partir de los aditivos añadidos al aceite de lubricación (^{González et al., 2015}; ^{Mantilla et al., 2015}; ^{Suarez et al., 2015}; ^{Lodice et al., 2016}; ^{Puente y Remache, 2017}; ^{Tipanluisa et al., 2017}; ^{Hernández et al., 2018}; ^{Pérez, 2018}).

En la actualidad se utilizan diferentes métodos para optimizar el proceso de los motores en cuanto a las emisiones contaminantes, del consumo específico de combustible $g_{e }$ y del ruido de la combustión. En la Tabla 1 se observan estos métodos (^{Bosch, 2014}).

Nuevos sistemas de inyección de combustible con control electrónico se han introducido, como es el caso de los sistemas de unidad inyectora (UIS), el sistema unidad bomba (UPS) y el sistema de rail común (common rail) con el objetivo de aumentar la presión y precisión de la inyección del combustible; para la sobrealimentación de aire se utilizan fundamentalmente el turbocompresor de geometría variable (TGV) y el supercargador con la finalidad de incrementar la densidad y por ende, cantidad de aire que ingresa a los cilindros del motor. Otros sistemas de post tratamiento de los gases de escape se están introduciendo con el fin de disminuir los gases contaminantes: Catalizadores de oxidación para motores diésel (DOC), Filtro de partículas (DPF), Catalizadores para bajas emisiones de NO_x (LNC), Trampas de NO_x (LNT), Catalizadores reductores selectivos (SCR), catalizador para el deslizamiento del amoniaco (ASC, Ammonia Slip Catalyst), entre otros (^{Bosch, 2014}). El objetivo del trabajo consistió en realizar las pruebas al motor Volkswagen 1.9 SDI para la construcción de las características de cada componente en función de la carga (potencia) y del índice lambda.

MÉTODOS

Las pruebas para obtener los parámetros del motor se realizaron en el laboratorio de motores Diésel del Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola, perteneciente a la Universidad Autónoma Chapingo. Las condiciones de la prueba fueron: temperatura atmosférica de 297.15 K (24 °C), altitud de 2 250 m.s.n.m. con presión atmosférica de 78 kPa y humedad relativa del 38 %, obtenidas del Observatorio Metereológico de Chapingo (^{CEPRAE Universidad Autónoma Chapingo, 2019}).

Para realizar las mediciones de los parámetros que permiten construir las curvas características del motor se utilizaron los siguientes equipos e instrumentos (^{Soca et al., 2019}):

• Motor Volkswagen ADG SDI 1.9 L.

• Banco de pruebas Armfield diésel engine CM12.

• Escáner Launch X-431 pro.

• Computadora con programa para operar el banco de pruebas.

TABLA 1 Acciones para optimizar la combustión en los motores diésel 

Acciones	NOx	HC/CO	Hollín	Ruido	${\mathit{g}}_{\mathit{e}}$
Avance a la inyección, ${\phi }_{iny}$	+	-	-	+	-
Recirculación de gases de escape, EGR	+	-	-	+	-
Enfriamiento EGR	+	-	+	0	+
Sobrealimentación	-	+	+	0	+
Enfriador de sobrealimentación	+	-	+	0	+
Inyección piloto	0	+	-	+	0
Post inyección agregada	+	0	+	0	-
Incremento de presión de inyección	0	+	+	0	+
Menor relación de compresión, Rc	+	-	+	-	0

Símbolos: +: reducción; -: aumento; 0: sin cambios

Durante las pruebas del motor se utilizó la norma SAE J1995 que establece la metodología para obtener los parámetros del motor, cuando se desconectan el filtro de aire, el ventilador, el sistema de enfriamiento, el alternador y el tubo de escape, entre otros. Para obtener los valores de las emisiones de escape con el escáner Launch X- 431 pro se utilizó la norma ISO 8178. El ensayo estacionario que se contempla en las directivas Tier es el que se designa como C1 en las normas ^{ISO 8178-4:07: (2007)} y para los vehículos fuera de carretera y de uso industrial; se tienen en cuenta ocho puntos (Tabla 2) que se definen cada uno de ellos por un régimen de giro del motor y una determinada condición de carga, junto con un factor de ponderación para calcular el valor promedio de las emisiones de los gases de escape. El motor funciona en cada punto durante 10 min como mínimo y a lo largo de 3 min se determinan las emisiones, pero solo se contabilizan las obtenidas en el último minuto.

Para transformar los valores de los componentes de escape obtenidos en el equipo Launch X- 431 pro, expresados en partes por millón (ppm) y porciento (%) a g∙kW^-1h^-1 para su análisis y comparación con los valores límites establecidos en las legislaciones Tier y Stage se utiliza la siguiente metodología considerando que el combustible diésel sin azufre ( $\le$ 10 ppm de S) con una densidad de ρ_c = 830 kg·m^-3 a 15 °C (^{Heseding y Daskalopoulos, 2006}; ^{Asociación Alemana de Fabricantes de Maquinaria (VDMA), 2011})

TABLA 2 Condiciones del modo de ensayo C1 para motores de uso fuera de carretera 

Puntos de ensayo x	Régimen de giro^1 (min^1)	Carga del motor^2 (%)	Factor de ponderación Wx
1	Nominal	100	0.15
2	Nominal	75	0.15
3	Nominal	50	0.15
4	Nominal	10	0.10
5	Intermedio	100	0.10
6	Intermedio	75	0.10
7	Intermedio	50	0.10
8	Ralentí	0	0.15

¹Régimen nominal es el de la potencia nominal del motor. Régimen intermedio es el que corresponde al par máximo del motor siempre que esté comprendido entre el 60% y el 75% del nominal. Si el par máximo se alcanza por debajo de 60% del régimen nominal o por encima del 75 %, el régimen intermedio es el que corresponde a este porcentaje.

²Se refiere al par motor expresado como porcentaje del par máximo correspondiente a cada régimen de giro.

Para convertir estas unidades se utilizan las ecuaciones siguientes (^{Heseding y Daskalopoulos, 2006}; ^{Asociación Alemana de Fabricantes de Maquinaria (VDMA), 2011}):

${EP}_i={EV}_{i,d}\bullet \left(\frac{M_i}{M_{Exh,d}}\bullet \frac{\dot{m_{Exh,d}}}{N_e}\right)={EV}_{i,w}\bullet \left(\frac{M_i}{M_{Exh,w}}\bullet \frac{\dot{m_{Exh,w}}}{N_e}\right),$ (1)

donde:

${EP}_i$	- masa del contaminante i, correspondiente a la potencia de salida Ne, (g∙kW^-1h^-1).
${EV}_{i,d}$	- valor de emisión de escape en base seca del componente i, volumen (ppm).
${EV}_{i,w}$	- valor de emisión de escape en base húmeda del componente i, volumen (ppm).
$M_i$	- masa molecular del componente i, (g∙mol^-1).
$M_{Exh,d}$	- masa molecular de los gases de escape en base seca, (g∙mol^-1).
$M_{Exh,w}$	- masa molecular de los gases de escape en base húmeda, (g∙mol^-1).
$\dot{m_{Exh,d}}$	- flujo másico de escape en base seca, (kg∙h^-1).
$\dot{m_{Exh,w}}$	- flujo másico de escape en base húmeda, (kg∙h^-1).
$N_e$	- potencia de salida (efectiva) del motor correspondiente al punto de medición, (kW).
$g_e$	- consumo específico de combustible correspondiente al punto de medición, (g∙kW^-1h^-1).

La conversión general de la concentración de gases de escape (ppm o %) al consumo específico (g∙kW^-1h^-1) para vehículos pesados se expresa de la siguiente manera (^{Heseding y Daskalopoulos, 2006}; ^{Asociación Alemana de Fabricantes de Maquinaria (VDMA), 2011}):

$CO \left(g\bullet {kW}^{-1}{h}^{-1}\right)=3.591\bullet {10}^{-3}\bullet CO \left(ppm\right);$ (2)

${NO}_x \left(g\bullet {kW}^{-1}{h}^{-1}\right)=6.636\bullet {10}^{-3}\bullet {NO}_x \left(ppm\right);$ (3)

$HC \left(g\bullet {kW}^{-1}{h}^{-1}\right)=2.002\bullet {10}^{-3}\bullet HC \left(ppm\right);$ (4)

${CO}_2 \left(g\bullet {kW}^{-1}{h}^{-1}\right)=63.470\bullet {10}^{-3}\bullet {CO}_2 \left(vol \%\right);$ (5)

Las normas internacionales EPA y EURO de emisiones vehiculares para vehículos livianos y de pasajeros generalmente se informan en (g∙km^-1). Para conversión se utilizan las siguientes ecuaciones empíricas (^{Heseding y Daskalopoulos, 2006}; ^{Asociación Alemana de Fabricantes de Maquinaria (VDMA), 2011}).

$CO \left(g\bullet {km}^{-1}\right)=9.66\bullet {10}^{-3}\bullet CO \left(ppm\right);$ (6)

${NO}_x \left(g\bullet {km}^{-1}\right)=28.56\bullet {10}^{-3}\bullet {NO}_x \left(ppm\right);$ (7)

$HC \left(g\bullet {km}^{-1}\right)=5.71\bullet {10}^{-3}\bullet HC \left(ppm\right);$ (8)

${CO}_2 \left(g\bullet {km}^{-1}\right)=166.3\bullet {CO}_2 \left(vol \%\right);$ (9)

Los valores promedios obtenidos en (g∙kW^-1h^-1) o (g∙km^-1) para cada componente de escape i analizado en los x puntos del ciclo de prueba correspondiente al modo C1 (con j=8 puntos totales) de la Tabla 2, con sus correspondientes valores ponderados Wx para cada punto, se calculan utilizando la ecuación siguiente.

$E_i=\frac{\sum _{x=1}^j{EP}_{xi} {\bullet W}_x}{j};$ (10)

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La variación de los óxidos de nitrógeno NO_x en función de la carga en la zona del regulador se muestran en la figura 1. Se observa que las concentraciones de NO_x son mayores para regímenes de velocidad menores. Lo anterior se debe a que en esa zona de trabajo del motor, mientras menor sea la velocidad de giro, mejor será el proceso de la combustión. También se observa que a mayor carga para el mismo régimen de velocidad mayor será la concentración de NO_x producto de una mayor cantidad de combustible inyectado.

La variación de la concentración de oxígeno O₂ en función de la carga para diferentes regímenes de giro del motor se representa en la figura 2. Se observa que a mayor velocidad para una misma carga crece la concentración de oxígeno, mientras que cuando aumenta la carga para un mismo régimen de velocidad decrece la concentración de este componente. Lo anterior está relacionado con la relación aire/combustible, o sea, la índice lambda $\lambda$ para cada régimen de trabajo.

La variación del contenido de hidrocarburos HC de los gases de escape en función de la potencia para diferentes velocidades constantes del motor en la zona de regulación se exponen en la figura 3. Se observa que, para un mismo régimen de velocidad, a medida que aumenta la potencia disminuye la concentración de HC y que para una misma carga (suministro de combustible) a medida que aumenta la velocidad, aumenta también la concentración de HC. Lo anterior tiene como factor principal la calidad del proceso de combustión: a medida que aumenta la velocidad la duración de la combustión (en cada ciclo) aumenta, porque aumenta la fase de la combustión rápida o a volumen constante. También, a menor carga menor cantidad de combustible inyectado y menor contenido de HC en los gases de escape.

FIGURA 1 Variación del contenido NO_x en el escape en función de la carga para diferentes regímenes de velocidad (100, 75, 50 y 25%). 

FIGURA 2 Variación del contenido O₂ en el escape en función de la carga para diferentes regímenes de velocidad (100, 75, 50 y 25%). 

La variación del contenido de hidrocarburos CO₂ de los gases de escape en función de la potencia para diferentes velocidades constantes del motor en la zona de regulación se exponen en la Figura 4. Se observa que a menor régimen de velocidad para una misma carga, la concentración de dióxido de carbono aumenta; mientras que para un mismo régimen de velocidad, la concentración de CO₂ crece con el aumento de la carga.

Las concentraciones de los gases de escape analizados en función del índice lambda $\lambda$ para dos cargas constantes (100 y 75%) se representan en las Figuras 5 y 6. En estos gráficos a cargas constantes, varían las concentraciones de CO₂, O₂, HC y NO_x en función del índice lambda y las velocidades de rotación correspondiente. Desde $\lambda \approx 2$ hasta 5.8 de la figura 5 el motor opera en la zona de regulación.

Se observa que las mezclas más pobres (lambda de mayor valor) se obtienen a la velocidad máxima y la menos pobre en la zona cercana al máximo torque. Los contenidos de NO_x y CO₂ disminuyen mientras las mezclas son más pobres, mientras los de O₂ y HC se incrementan.

FIGURA 3 Variación del contenido HC en el escape en función de la carga para diferentes regímenes de velocidad (100, 75, 50 y 25%). 

Para determinar el valor de cada componente de gases de escape que define la norma ^{ISO 8178-4:07: (2007)}, se utilizan las ecuaciones (2 - 5). En la Tabla 3 aparecen los valores promedios obtenidos para cada componente en los regímenes (puntos) que establece el modo C1. El valor del promedio ponderado se determinó sustituyendo los valores correspondientes de la tabla, aplicando la ecuación (10).

FIGURA 4 Variación del contenido CO₂ en el escape en función de la carga para diferentes regímenes de velocidad (100, 75, 50 y 25%). 

TABLA 3 Valores para la prueba y el cálculo de la concentración de componentes de escape según ^{ISO 8178-4:07: (2007)}  

Parámetro	Puntos de medición								Promedio
Modo C1	1	2	3	4	5	6	7	8	-
Velocidad	Nominal				Par máximo			R1	-
Par (%)	100	75	50	10	100	75	50	10	-
Par (Nm)	98	74	49	9.8	108	81	54	7	-
Ponderación	0.15				0.10			0.15	-
CO2 (%)	11.1	8.5	6.2	3.5	11.6	7.8	4.9	0	7.475
O2 (%)	4.6	8.31	11.7	15	3.75	9.48	13.5	20.7	10.97
NOx (ppm)	720	593	405	120	848	662	348	0	455.5
HC (ppm)	1	6	11	24	10	12	16	20	11.9

R¹ - movimiento lento.

FIGURA 5 Variación del contenido O₂, CO₂, HC y NO_x en el escape en función del índice lambda o coeficiente de aire $\lambda$ para el 100% de carga. 

FIGURA 6 Variación del contenido O₂, CO₂, HC y NO_x en el escape en función del índice lambda o coeficiente de aire $\lambda$ para el 75% de carga. 

Sustituyendo por sus valores correspondientes de la Tabla 3 en las ecuaciones se obtienen:

${NO}_x =6.636\bullet {10}^{-3}\bullet {NO}_x =6.636\bullet {10}^{-3}\bullet 455.5 = 30.23 \mathrm{g} \bullet \mathrm{k}{W}^{-1}{h}^{-1}$

$HC=2.002\bullet {10}^{-3}\bullet HC = 2.002\bullet {10}^{-3}\bullet 11.9 = 0.024 \mathrm{g} \bullet \mathrm{k}{W}^{-1}{h}^{-1}$

${CO}_2 =63.470\bullet {10}^{-3}\bullet {CO}_2 = 63.470\bullet {10}^{-3}\bullet 7.475 =0.474 \mathrm{g} \bullet \mathrm{k}{W}^{-1}{h}^{-1}$

$CO =3.591\bullet {10}^{-3}\bullet CO =CO =3.591\bullet {10}^{-3}\bullet 131 =0.47 \mathrm{g} \bullet \mathrm{k}{W}^{-1}{h}^{-1}$

Al comparar estos valores obtenidos para este motor, en las condiciones de prueba, con los valores límites establecidos en las normas Stage se concluye que las concentraciones de HC + NO_x límites de 4.7 g∙kW^-1h^-1, son muy inferiores a las 30.25 g∙kW^-1h^-1 obtenidos. El componente CO₂ no está reglamentado, aunque se conoce que es un GEI importante. El contenido de CO = 0.47 g∙kW^-1 h^-1 está por debajo del límite, característico para los motores diésel que trabajan con mezclas pobres.

CONCLUSIONES

Del análisis de los resulatdos obtenidos se generaliza las siguientes afirmaciones para los gases de escape de un motor diésel:

• Las concentraciones de NO_x aumentan con la disminución de la velocidad de giro de los motores debido a que mejoran las condiciones para una combustión de mejor calidad. La concentración de NO_x aumentan con el incremento de la carga del motor, manteniendo constante la velocidad de giro del motor, debido a la mayor cantidad de combustible inyectado.

• La concentración de oxígeno O₂ aumenta cuando se eleva el régimen de velocidad del motor manteniendo constante la carga debido a que empeora la calidad de la combustión. La concentración de O₂ disminuye cuando crece la carga para un mismo régimen de velocidad del motor debido a que la mezcla que se forma es menos pobre (el índice lambda $\lambda$ disminuye).

• La concentración de HC disminuye cuando aumenta la carga manteniendo constante el régimen de velocidad, debido a que la mezcla será menos pobre, la velocidad de la combustión aumenta y también la calidad de esta. La concentración de hidrocarburos HC aumenta a medida que crece la velocidad de giro del motor manteniendo la carga constante, debido a que aumenta la duración de la combustión (en cada ciclo), porque aumenta la fase de la combustión rápida o a volumen constante y disminuye la calidad de la combustión.

• La concentración de CO₂ aumenta cuando disminuye el régimen de velocidad del motor para una misma carga, debido a que el proceso de combustión es más corto y mejora su calidad. La concentración de dióxido de carbono CO₂ aumenta cuando crece la carga para un mismo régimen de velocidad, debido a que se inyecta más combustible, la mezcla es menos pobre y se quema mejor el combustible.

• En la zona de trabajo del motor a medida que aumenta el torque, disminuye $\lambda$ y la concentración de NO_x y CO₂ aumentan, producto de una mejor combustión porque se incrementa el rendimiento volumétrico. Lo contrario ocurre en la zona de regulación con el incremento de la velocidad de giro. Inversamente ocurre con el O₂ y los HC.

• Los valores obtenidos de emisiones de gases de escape no cumplen con los límites establecidos de las normas Stage, Tier, EPA o Euro vigentes, debido a que el sistema de tratamiento de gases del motor instalado en el banco de pruebas no cumple las exigencias actuales.

REFERENCES

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CEPRAE UNIVERSIDAD AUTÓNOMA CHAPINGO: Centro de Percepción Remota & Análisis Espacial, CEPRAE Universidad Autónoma Chapingo Km 38.5, [en línea], Inst. Universidad Autónoma Chapingo, Texcoco, Chapingo CP 56230 Edo. México, 2019, Disponible en: [e-mail].

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Recibido: 28 de Noviembre de 2019; Aprobado: 13 de Marzo de 2020

Autor para correspondencia: José Ramón Soca-Cabrera, e-mail: [e-mail]