Avances tecnológicos para el control de emisiones de Motores Diesel en Tractores y Máquinas
Os presentamos un artículo muy completo y detallado sobre el control de emisiones contaminantes en motores diésel en tractores y máquinas, que son los más importantes dentro de la maquinaria móvil no viaria. El control de las emisiones de los gases de escape del motor es algo que en los últimos años ha afectado mucho al rendimiento de estas máquinas y a su precio.
Antes que nada, hay un par de cosas que aclarar:
- Este documento solo va a meterse en detalles técnicos a sobre asuntos complicados como [1] la producción de sustancias contaminantes a consecuencia de la combustión de motores diesel en maquinaria móvil no viaria (non-road mobile machinery, NRMM), [2] los efectos de estas emisiones contaminantes sobre el medio ambiente y sobre la salud, [3] suministrar información sobre los factores relacionados con la combustión diésel, [4.1 y 4.2] las soluciones aportadas, [4.3] la adaptación de esas soluciones técnicas a las reglamentaciones surgidas en los distintos países, [5] la aplicación de esas soluciones técnicas para cumplir las reglamentaciones en todos los segmentos de potencia por parte de los fabricantes y [6] analizar los costes que ha supuesto aplicar esas soluciones,
- Todos los aspectos arriba mencionados son complejos por lo que requieren una explicación técnica no exenta de complejidad y que dicha explicación técnica está llena de palabras técnicas en inglés que se han traducido lo mejor posible.
Así que, si no te desamina,
- algo de lenguaje técnico en <<espanglish>>,
- un poco de química (con su estequiometria),
- una pizca de historia (porque las primeras reglamentaciones fueron hace de 25 años),
- un puñado de gráficas con muchos datos y números y letras chiquititos (lo cual en la era del <<pinch-to-zoom>> de las pantallas táctiles de <<smartphones>> y <<tablets no es problema>>)
a conocer algo más sobre,
- el qué son,
- de dónde vienen,
- por qué importan,
- desde cuándo están reguladas,
- cómo se reducen y
- cuánto cuesta combatir
las emisiones, sigue leyendo.
#VengaVamos.
1. ¿De dónde vienen las emisiones de los motores Diesel?
La combustión del Diesel involucra una serie compleja de reacciones químicas que producen tanto energía útil para alimentar motores como contaminantes dañinos. Aquí te presento un desglose detallado de la reacción de combustión del Diesel, centrándonos en las emisiones de contaminantes (Nova & Tronconi, 2014): (Nova & Tronconi, 2014):
Inyección y vaporización del combustible: el combustible Diesel se inyecta en la cámara de combustión del motor. Debido a la alta temperatura y presión dentro de la cámara, las moléculas de hidrocarburos (C₈H₁₈) del combustible líquido se vaporiza rápidamente en diminutas gotas, aumentando su área superficial y promoviendo una combustión eficiente al reaccionar con el oxígeno (O₂) del aire. A raíz de esta reacción se produce dióxido de carbono (CO₂) y vapor de agua liberando una gran cantidad de energía que propulsa el motor.
2C8H18+25O2→16CO2+18H2O
Formación de óxidos de nitrógeno (NOₓ): la combustión del Diesel también da lugar a la formación de óxidos de nitrógeno, principalmente dióxido de nitrógeno (NO₂) y óxido nítrico (NO). Estos componentes contaminantes se crean cuando el nitrógeno (N₂) del aire reacciona con el oxígeno (O2) del aire a altas temperaturas en el interior de la cámara de combustión del motor. Las emisiones de óxidos de nitrógeno son una preocupación medioambiental debido a su contribución a la contaminación atmosférica (llamada en inglés smog, como resultado de mezclar las palabras smoke, humo y fog niebla y llamada en nuestro país la boina de las grandes ciudades), a la lluvia ácida y los problemas de salud respiratoria.
N2+O2→2NO (formación de óxido nítrico)
2NO+O2→2NO2 (formación de dióxido de nitrógeno)
Producción de monóxido de carbono (CO): los procesos de combustión incomplete puden llevar a la formación de monóxido de carbono (CO). El CO es un gas inoloro e incoloro que resulta tóxico cuando es inhalado en altas concentraciones. Se produce cuando no hay oxígeno suficiente para oxidar el carbono presente en el combustible.
2CO2+C8H18→16CO+9H2O (Incomplete combustión)
Síntesis de óxidos de sulfuro (SOₓ): el Diesel contiene compuestos de azufre (S), como el dióxido de azufre (SO₂) y el trióxido de azufre (SO₃), que pueden reaccionar con el oxígeno (O2) del aire produciendo óxidos de azufre. Estos componentes contaminantes pueden contribuir la formación de lluvia ácida y tienen efectos dañinos en personas y otros animales.
S+O2→SO2 (formación de dióxido de azufre)
2SO2+O2→2SO3 (formación de trióxido de azufre)
Formación de partículas en suspensión (Particulate Matter, PM) Formación: durante la combustion incomplete, algunas moléculas del Diesel pueden no oxidarse completamente, resultando en la formación de partículas en suspensión, comunmente denominadas hollín (soot en inglés). Estas partículas diminutas están compuestas de material carbonoso pudiendo variar tanto en tamaño como en composición. Las emisiones de partículas en suspensión (PM) contribuyen a la contaminación del aire y tienen efectos adversos sobre la salud respiratoria y la visibilidad.
En general, aunque la combustión de Diesel proporciona la energía necesaria para alimentar vehículos y maquinaria, también genera una variedad de contaminantes nocivos. Para mitigar el impacto ambiental de los motores Diesel, se emplean tecnologías como la recirculación de gases de escape (exhaust gas recirculation, EGR), filtros de partículas diesel (diesel particulate filters, DPF), y sistemas de reducción catalítica selectiva (selective catalytic reduction, SCR) son utilizados para reducir las emisiones de NOₓ, PM, CO, y SOₓ.
2. ¿Por qué debemos preocuparnos?
Las emisiones Diesel tienen un impacto significativo en la salud de humanos, medio ambiente y climatología. Estas emisiones contienen contaminantes como partículas (PM), óxidos de nitrógeno (NOx) y monóxido de carbono (CO) que contribuyen al asma y enfermedades cardio respiratorias. Las regulaciones en vigor controlan las emisiones de vehículos como automóviles, camiones ligeros y pesados, autobuses, locomotoras, botes, yates, barcos, aeronaves, así como maquinaria móvil no viaria potenciando la reducción de estos impactos, mejorando la calidad del aire, reduciendo riesgos para la salud, el medio ambiente y la climatología (OSHA, 2013; Ris, 2007).
2.1.1. Partículas en suspensión (particulate matter, PM)
Las emisiones de PM tienen efectos negativos para y el medio ambiente. Las partículas pequeñas, especialmente las de 10 micrómetros de diámetro (un pelo humano tiene entre 20 y 180 micrómetros, y el SARS-CoV-2 virus, causante del COVID-19 entre 60 y 140 micrómetros) y suponen un enorme riesgo para la salud dado que pueden penetrar en los pulmones y en el torrente sanguíneo. Los problemas de salud relacionados con las partículas en suspensión incluyen muerte premature, ataques al corazón, ritmo cardiaco irregular, asma agravado y descenso de la capacidad pulmonar. Los grupos vulnerables incluyen individuos con problemas cardiacos, respiratorios, niños y ancianos.
A nivel medioambiental las partículas en suspensión de 2.5 micrómetros (PM2.5) son la principal causa de reducción de la visibilidad. Si la calima del desierto del Sáhara son partículas de arcilla y limo de entre 20 y 200 micrómetros es capaz de llegar al sur de Europa es fácil de entender que partículas en suspensión de 2.5 micrómetros de hidrocarburos quemados parcialmente (hollín) puedan viajar largas distancias contribuyendo a la acidificación de lagos, cursos de agua, alterando los balances de nutrientes, alterando suelos, dañando bosques y cultivos e impactando la biodiversidad del ecosistema. Las PM también dañan materiales como la roca, estatuas y monumentos relacionados con la lluvia ácida.
2.1.2. Óxidos de nitrógeno (NOx)
El dióxido de nitrógeno (NO2) es un gas altamente reactive, parte del grupo de los óxidos de nitrógeno (NOx), emitido principalmente por la quema de combustibles en vehículos, plantas de energía y equipos no viarios (o fuera de Carretera). La exposición a altas concentraciones de NO2 puede irritar el Sistema respiratorio, exacerbar el asma y provocar síntomas respiratorios. La exposición prolongada puede contribuir al Desarrollo de asma y aumentar la susceptibilidad a infecciones respiratorias, con mayores riesgos para los pacientes asmáticos, los niños y los ancianos. El NO2 reacciona con otros productos químicos del aire para formar partículas en suspensión dañinas y ozono (que en capas bajas de la atmósfera es nocivo), que afectan aún más a la salud respiratoria.
Además, los NOx contribuyen a la formación de lluvia ácida, dañando ecosistemas sensibles como bosques, lagos, ríos y el agua costera.
2.1.3. Monóxido de carbono (CO)
Monóxido de carbono (CO) es un gas incoloro e inodoro emitido cuando se quema un combustible. Respirar altos niveles de CO reduce la capacidad de la sangre para transportar oxígeno a órganos vitales como el cerebro y el corazón.
En espacios cerrados, altas concentraciones de CO pueden causar mareos, confusión, inconsciencia y muerte. Mientras que la exposición a esos niveles al aire libre es improbable, niveles elevados de CO pueden poner en riesgo a individuos con afecciones cardíacas, reduciendo el nivel de oxígeno transportado al corazón produciendo dolor en el pecho en situaciones de estrés o de ejercicio físico intenso.
2.2. Aplicaciones de los motores Diesel
Los motores de combustión interna se usan en numerosas aplicaciones, desde el transporte hasta maquinaria especializada, pero también son unas fuentes significativas de sustancias contaminantes, impactando la Calidad del aire, la salud de las personas y la climatología. Las reglamentaciones regulatorias que intentan reducir estas emisiones han sido muy útiles para poder gestionar la Calidad del aire en todo el mundo y para impulsar el Desarrollo de tecnologías avanzadas de motores y de control de emisiones.
Los Estados Unidos y la Unión Europea han Avanzado mucho en el control de las emisiones de los motores que no son para Carretera, lo que nos da unas pistas muy útiles para otros lugares que están desarrollando programas similares, Entender cómo han evolucionado las normativas de emisiones y las tecnologías relacionadas en estas regiones nos puede ayudar a guiar los esfuerzos para controlar las emisiones de los motores de maquinaria móvil no viaria.
2.3. Emisiones de maquinaria móvil no viaria (NRMM)
Los motores no relacionados con la carretera siguen siendo unos contribuyentes importantes a la contaminación del aire en los Estados Unidos (EPA, 1994, 1998, 2004, 2016) y la Unión Europea (CE, 1997, 2000, 2004, 2009), emitiendo cantidades notables de óxidos de nitrógeno (NOx), partículas finas (PM2.5), monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC). Estas emisiones provienen de varios sectores, incluyendo la construcción, la agricultura, aplicaciones comerciales, y de jardinería. Los motores Diesel, predominantes en la agricultura y la construcción, son responsables de la mayoría de las emisiones de CO2 debido a su uso extendido y ventajas en eficiencia (Dallmann & Menon, 2016).
En la agricultura, los tractores con motor Diesel dominan, mientras que en la construcción se utilizan una variedad más amplia de equipos como cargadores, excavadoras y camiones. La diversidad de tipos de equipos conduce a ciclos de trabajo y condiciones operativas variadas, lo que influye en las estrategias de control de emisiones. Por ejemplo, los tractores suelen funcionar a velocidades y cargas constantes y altas, mientras que el equipo de construcción experimenta ciclos más transitorios con frecuentes períodos de ralentí.
El amplio rango de potencia de los motores Diesel no relacionados con la carretera, que abarca desde menos de 8 kW hasta más de 1000 kW, complica aún más los esfuerzos de control de emisiones. Las estrategias y tecnologías varían significativamente según la clase de potencia del motor, lo que requiere enfoques adaptados. A pesar de las diferencias en la distribución de potencia entre regiones y sectores, tanto la agricultura como la construcción muestran una mezcla diversa de tamaños de motor, con ciertas clases de potencia más prevalentes en cada sector.
Entender la distribución de la potencia del motor y los tipos de equipos es crucial para implementar medidas efectivas de control de emisiones en los sectores no relacionados con la carretera (Kodjak et al., 2011).
2.4. Regulaciones internacionales
Las normativas de emisiones para motores Diesel no relacionados con la carretera se introdujeron por primera vez por la agencia de protección del medio ambiente (Environment Protection Agency, EPA) de EE. UU. en 1994, (EPA, 1994, 1998, 2004, 2016) seguido por la Unión Europea en 1997 (EC, 1997, 2000, 2004, 2009) Estas normativas, desarrolladas para alinearse entre sí, se han convertido en modelos para otros países que establecen programas similares. Las normativas de la EPA avanzan en Tiers (niveles), mientras que las normativas de la UE avanzan en Stages (etapas). Ambas regiones categorizan las normativas de emisiones según la clase de potencia del motor, con plazos de implementación que varían según las clases dentro de un Tier o Stage (Hagan et al., 2022).
Los contaminantes regulados incluyen óxidos de nitrógeno (NOx), partículas en suspensión (PM), hidrocarburos (HC) y monóxido de carbono (CO). Además, la EPA regula las emisiones de humo, mientras que la UE incluye la regulación de emisiones de amoníaco a partir de los estándares de la Etapa IIIB en adelante. Cabe destacar que ni Estados Unidos ni la UE han implementado hasta la fecha normativas de eficiencia de combustible o de emisiones de dióxido de carbono para motores no relacionados con la carretera. (Tang et al., 2016).
Muchos países en todo el mundo han establecido regulaciones para motores de maquinaria no viaria similares a las de Estados Unidos o la Unión Europea. Canadá, Japón y Corea del Sur ya han aplicado estándares equivalentes al Tier 4f. Las normativas actuales de China para motores no relacionados con la carretera se alinean con la Etapa IIIA de la UE, con planes para implementar estándares similares a la Etapa IIIB y IV de la UE, aunque las fechas específicas están pendientes. India ha adoptado normativas equivalentes al Tier 3 de EE. UU.(Iverson, 2007).
3. ¿Cómo de complicado es hacerlo realidad?
Las regulaciones cada vez más estrictas para los motores Diesel utilizados en vehículos y equipos fuera de carretera en Estados Unidos y la Unión Europea han llevado a desarrollos en el diseño de motores y tecnologías de postratamiento dirigidas a controlar las emisiones de contaminantes atmosféricos. El objetivo principal de las secciones restantes de este artículo es describir esta evolución en el diseño de motores fuera de carretera, destacando los cambios tecnológicos clave realizados en cada nivel/etapa de los programas regulatorios en EE. UU. y la UE. Los avances tecnológicos se evalúan en función de la clase de potencia del motor, considerando que las diferentes clases de potencia enfrentaban requisitos de emisiones variables en cada nivel/etapa regulatoria, y los diseños de los motores pueden diferir significativamente entre clases de potencia. Esta evaluación comienza con una breve descripción de las tecnologías de control de emisiones, cubriendo tanto las estrategias de cilindro utilizadas para controlar las emisiones salientes del motor como los sistemas de postratamiento que eliminan los contaminantes del flujo de gases de escape. Dado que muchas de estas tecnologías fueron desarrolladas inicialmente para motores Diesel en carretera, también se proporciona una visión general del desarrollo de tecnología de control de emisiones de motores Diesel en carretera en Estados Unidos y la Unión Europea (Franco et al., 2014)
La temperatura local (K) (local temperature) y la relación equivalente local (f) (Local Equivalent Ratio) son factores críticos que influyen en las emisiones producidas por los motores Diesel. La temperatura dentro de la cámara de combustión de un motor Diesel tiene un impacto significativo en emisiones como las partículas en suspensión (PM) y los óxidos de nitrógeno (NOx). Las temperaturas más altas tienden a promover la formación de emisiones de NOx porque facilitan la reacción entre el nitrógeno y el oxígeno en el aire. Esta reacción genera óxidos de nitrógeno, que son contaminantes dañinos que contribuyen a la contaminación del aire y a problemas de salud. Por otro lado, temperaturas más bajas pueden llevar a niveles elevados de emisiones de partículas en suspensión. Cuando las temperaturas son más bajas, el combustible puede no quemarse completamente, lo que resulta en la liberación de pequeñas partículas de combustible no quemado y otras sustancias en el escape, contribuyendo a las emisiones de partículas en suspensión (Hagan et al., 2022).
De manera similar, la relación equivalente local, que se refiere al equilibrio de aire y combustible en el proceso de combustión, también influye en las emisiones de los motores Diesel. Una relación equivalente local más alta, que indica más aire que combustible, tiende a resultar en niveles más bajos de emisiones de PM, pero puede llevar a niveles más altos de emisiones de NOx. Esto se debe a que el exceso de aire ayuda a quemar más combustible completamente, reduciendo la cantidad de partículas en suspensión producido. Sin embargo, la temperatura más alta resultante del exceso de aire también puede aumentar la formación de óxidos de nitrógeno. Por el contrario, una relación equivalente local más baja, que indica más combustible que aire, tiende a llevar a niveles más altos de emisiones de PM y potencialmente a niveles más bajos de emisiones de NOx. En este escenario, no hay suficiente oxígeno disponible para quemar todo el combustible completamente, lo que lleva a la formación de partículas en suspensión. Sin embargo, la temperatura más baja resultante de la falta de oxígeno puede inhibir la formación de óxidos de nitrógeno (Han et al., 1996).
En resumen, tanto la temperatura local como la relación equivalente local desempeñan roles significativos en la determinación de los niveles de emisiones de material particulado y óxidos de nitrógeno de los motores Diesel. Encontrar el equilibrio adecuado entre estos factores es crucial para minimizar las emisiones y cumplir con las regulaciones ambientales, así como para optimizar el rendimiento del motor y la eficiencia del combustible.
La combustión Diesel convencional opera mediante la inyección de combustible Diesel en la cámara de combustión del motor, donde se mezcla con aire. La mezcla se comprime por el pistón, elevando significativamente su temperatura y presión. En un punto crítico, el calor generado por la compresión hace que el combustible se encienda espontáneamente, un proceso conocido como ignición por compresión. Esta combustión rápida genera altas temperaturas y presiones, que impulsan el pistón hacia abajo, produciendo la energía mecánica necesaria para la propulsión del vehículo o el funcionamiento de la maquinaria. Si bien la combustión Diesel convencional es reconocida por su eficiencia y potencia, también está asociada con mayores emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y material particulado (PM), que son contaminantes dañinos que contribuyen a la contaminación del aire y problemas de salud (Sun et al., 2017).
Por contra, la combustión a baja temperatura (LTC, por sus siglas en inglés) representa un enfoque alternativo destinado a mitigar las emisiones, especialmente de NOx y PM. LTC logra esto al reducir intencionalmente las temperaturas y presiones máximas en la cámara de combustión en comparación con la combustión convencional. A pesar de seguir inyectando combustible Diesel en la cámara, LTC modula el proceso de combustión mediante el control preciso de parámetros como el tiempo de inyección de combustible, la mezcla aire-combustible y la recirculación de gases de escape (EGR). Al manejar estos factores, LTC facilita la combustión a temperaturas más bajas manteniendo la eficiencia. Este proceso de combustión controlado minimiza la formación de NOx y PM, lo que resulta en emisiones más limpias. Además, LTC tiende a producir niveles más bajos de otros contaminantes como monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC), contribuyendo a una mejor calidad del aire y sostenibilidad ambiental(Han et al., 1996).
Las diferencias clave entre la combustión Diesel convencional y la combustión a baja temperatura radican (low temperature combustion LTC) en sus enfoques para el control de la combustión y la reducción de emisiones. Mientras que la combustión convencional se basa en altas temperaturas y presiones para la ignición espontánea y la generación de energía, la LTC reduce deliberadamente estos parámetros para lograr una combustión más limpia. La LTC requiere mecanismos de control y tecnologías sofisticadas para regular las condiciones de combustión y optimizar la eficiencia mientras se reducen las emisiones. En última instancia, mientras que la combustión Diesel convencional es conocida por su potencia y eficiencia, la combustión a baja temperatura ofrece una alternativa más limpia al priorizar la reducción de emisiones sin comprometer el rendimiento (Dhal et al., 2018a).
Coordinar el rendimiento, el uso de combustible y las emisiones de los motores Diesel presenta numerosos desafíos debido a la intrincada interacción entre estos elementos. El rendimiento del motor Diesel abarca su eficacia en términos de potencia de salida, eficiencia y fiabilidad. La optimización del rendimiento implica alcanzar la potencia de salida deseada mientras se garantiza un funcionamiento sin problemas bajo diversas condiciones, como velocidades variables, cargas y temperaturas ambientales. Los principales desafíos en la optimización del rendimiento incluyen encontrar un equilibrio entre potencia y eficiencia, gestionar respuestas transitorias durante cambios en las condiciones de funcionamiento y manejar eficazmente cambios en las cargas del motor.
El consumo de combustible en los motores Diesel se refiere a la cantidad de combustible consumido para producir una potencia de salida específica o realizar una tarea. La optimización del consumo de combustible implica maximizar la eficiencia para minimizar el combustible necesario para un nivel de rendimiento dado. Los desafíos en la optimización del consumo de combustible incluyen lograr una combustión completa, ajustar finamente los parámetros del motor para un uso óptimo del combustible y reducir las pérdidas parásitas de los sistemas auxiliares (Dempsey et al., 2016).
Las emisiones de los motores Diesel comprenden contaminantes como óxidos de nitrógeno (NOx), material particulado (PM), monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC). La reducción de emisiones es crucial para el cumplimiento de regulaciones y la minimización del impacto ambiental. Los desafíos en la reducción de emisiones incluyen controlar las emisiones de NOx a través de tecnologías como la reducción catalítica selectiva (SCR) o la recirculación de gases de escape (EGR), reducir las emisiones de material particulado utilizando filtros de partículas Diesel (DPF) y gestionar los compromisos entre la reducción de emisiones, el rendimiento del motor y el consumo de combustible.
En conclusión, sincronizar el rendimiento del motor Diesel, el consumo de combustible y las emisiones es complejo debido a los intrincados compromisos involucrados. Lograr un rendimiento óptimo, eficiencia en el consumo de combustible y control de emisiones requiere un enfoque integral que considere diversos parámetros del motor y factores externos.
4. ¿Qué se ha podido hacer al respecto?
Numerosas tecnologías y estrategias diferentes se han ideado para mantener bajo control la contaminación del aire procedente de los motores Diesel. Básicamente, estas estrategias se dividen en dos grupos: lo que sucede dentro del motor (en el cilindro) y los dispositivos que cuelgan del tubo de escape (dispositivos de postratamiento de escape) (Wang et al., 2016).
Una línea de trabajo dedicada al cilindro se centra en cambiar cómo funciona el motor para reducir los contaminantes durante la combustión. Esto generalmente implica trastear con la forma en que se inyecta el combustible en el motor y cómo entra el aire, pero también puede implicar ajustar la forma del motor para asegurarse de que todo se mezcle bien. A veces, también echan parte del escape de vuelta al motor (EGR) para reducir las emisiones de NOx. Gracias a los sofisticados controles electrónicos del motor, hemos mejorado bastante en afinar este proceso.
Pero aquí está el truco: cuando intentas controlar un tipo de contaminación, a menudo terminas dejando pasar la otra. Por ejemplo, las estrategias para controlar el material particulado (PM) pueden no hacer mucho por los óxidos de nitrógeno (NOx), y viceversa. A medida que las regulaciones sobre contaminación se vuelven más estrictas, confiar únicamente en modificaciones en el cilindro ya no es suficiente (Peng et al., 2011).
Ahí es donde entra el equipo de trabajo de postratamiento. Estos son los dispositivos que se acoplan al sistema de escape para eliminar los contaminantes antes de que lleguen al aire. Para los motores Diesel fuera de carretera, los más importantes son los filtros de partículas Diesel (DPF) para las PM y los sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR) para los NOx. Si añades estos dispositivos a la ecuación, puedes reducir seriamente las emisiones.
Pero no todo son alegrías y arcoíris. Cuando le agregas estos aparatos sofisticados a un motor, de repente, el tipo de combustible que estás usando importa mucho más. Especialmente, la cantidad de azufre que hay flotando en tu Diesel puede afectar a lo bien que funcionan estos sistemas. La mayoría de los gadgets modernos necesitan Diesel de bajo contenido en azufre (15 ppm o menos) para brillar de verdad (Wagner et al., 2008).
4.1. Aspectos de diseño del motor para el control de las emisiones de motores de maquinaria no viaria
4.1.1. Estrategias en la cámara de combustión
En el reino de la cámara de combustión las estrategias se centran en diferentes sustancias emitidas. Una aproximación clave implica afinar el sistema de inyección aumentando la presión de inyección lo cual ayuda a atomizar más el combustible mejorando la eficiencia en la mezcla con el aire lo que mejora la combustión y reduce las emisiones de partículas (PM), óxidos de nitrógeno (NOx), hidrocarburos (HC), y monóxido de carbono (CO). Ajustar la puesta a punto y el punto de inyección mejoran aún más este proceso utilizando inyección adelantada (premixed charge compression ignition, PCCI) o retrasada (homogenous charge compression ignition, HCCI) para optimizar la eficiencia de la combustion y simultáneamente equilibrar las emisiones de PM, NOx, y otras emisiones (Choi & Park, 2022).
4.1.2. Tecnología de aspiración
Los turbocompresores juegan un papel vital en la mejora del rendimiento de los motores y del control de emisiones. Diferentes tipos, inclueyendo turbocompresores con válvula de descarga (Wastegate), multi etapa, geometría variable (variable geometry turbocharger, VGT) y diseñados para potenciar la aspiración de aire a lo largo de las amplias condiciones de funcionamiento con lo que reducen las emisiones PM, CO, and HC. La refrigeración del aire comprimido (intercooling) ayuda a reducir la temperatura de los gases entrantes en la cámara de combustión lo cual ayuda a mejorar el control de los NOx, siendo los interenfriadores aire-aire (air-to-air intercooling) los que ofrecen un rendimiento superior frente a los interenfriadores aire-agua (air-to-water intercooling) (Dhal et al., 2018b).
4.1.3. Recirculación de los gases de escape (exhaust gas circulation, EGR)
Los sistemas EGR empleados para mitigar las emisiones de NOx mediante la recirculación de gases de escape en la aspiración reducen la temperatura de combustión. Se emplean sistemas de recirculación interna, que retienen los gases de escape residual en la cámara de combustión, y sistemas de alta presión de recirculación externa. La recirculación de gases de escape refrigerados mejora aún más la eficiencia en la reducción del NOx al reducir la temperatura de los gases recirculados que entran en la cámara de combustión.
4.2. Estrategias de diseño sistemas de postratamiento para el control de las emisiones de motores de maquinaria no viaria
Los dispositivos de postratamiento entran en juego para limpiar aún más las emisiones del escape. Los catalizadores de oxidación Diesel (DOC) ayudan en la oxidación de hidrocarburos (HC), monóxido de carbono (CO) y material particulado (PM). Los filtros de partículas Diesel (DPF) atrapan y eliminan el PM de los gases de escape, empleando métodos de regeneración activos o pasivos para mantener limpio el filtro. Los sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR) se dirigen a las emisiones de NOx catalizando la conversión de óxidos de nitrógeno (NO y NO2) en nitrógeno y agua inofensivos utilizando amoníaco como agente reductor. Los catalizadores de deslizamiento de amoníaco (ASC) ayudan a controlar cualquier exceso de amoníaco que pueda pasar a través del sistema SCR, asegurando una reducción eficiente de NOx sin emisiones no deseadas de amoníaco. El catalizador de oxidación de amoníaco (AOC) facilita la conversión de amoníaco a dióxido de nitrógeno para mejorar el rendimiento del SCR, especialmente a temperaturas más bajas (Nova & Tronconi, 2014; Tang et al., 2016).
4.2.1 Catalizador de oxidación Diesel (oxidation catalysts, DOC)
Los catalizadores de oxidación Diesel (DOC) son un componente del sistema de postratamiento del escape en motores Diesel diseñado para reducir las emisiones de contaminantes nocivos como monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC), así como algo de material particulado (PM). Así es cómo funciona en detalle:
Reacción Catalítica: El DOC contiene un catalizador, típicamente compuesto de metales preciosos como platino (Pt) y paladio (Pd), soportados en un sustrato de alta área superficial como cerámica o metal. Cuando los gases de escape pasan sobre el catalizador, ocurren las reacciones químicas.
Oxidación de CO y HC: La función principal del DOC es oxidar el monóxido de carbono (CO) y los hidrocarburos no quemados (HC) presentes en los gases de escape. El catalizador facilita la reacción entre estos contaminantes y el oxígeno (O2) en el gas de escape, convirtiendo el CO en dióxido de carbono (CO2) y los HC en dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Estas reacciones ocurren a temperaturas relativamente bajas, típicamente entre 150°C y 500°C.
2CO+O2→2CO2
Reducción del Material Particulado: Aunque la función principal del DOC no es reducir el material particulado (PM), puede tener un efecto secundario en las emisiones de PM. Las altas temperaturas alcanzadas durante la oxidación de CO y HC pueden promover la combustión de algunas partículas, lo que lleva a una reducción en las emisiones de PM.
Temperatura de Operación: La eficacia del DOC depende de su temperatura de funcionamiento. Requiere una temperatura mínima para iniciar las reacciones catalíticas de manera efectiva. Para garantizar un funcionamiento adecuado, los motores Diesel a menudo incluyen estrategias como la recirculación de gases de escape (EGR) o filtros de partículas Diesel (DPF) para elevar la temperatura de los gases de escape cuando sea necesario.
Durabilidad y Regeneración: Los DOC son generalmente duraderos y requieren un mantenimiento mínimo en comparación con otros componentes de postratamiento. Sin embargo, pueden degradarse con el tiempo debido a la exposición a contaminantes en los gases de escape, como compuestos de azufre, fósforo y zinc. En algunos casos, se pueden emplear procesos de regeneración para eliminar los depósitos acumulados y restaurar la actividad del catalizador.
En resumen, el catalizador de oxidación Diesel desempeña un papel crucial en la reducción de las emisiones nocivas de los motores Diesel al promover la oxidación del monóxido de carbono y los hidrocarburos en compuestos menos nocivos como el dióxido de carbono y el agua.
4.2.2 Filtro de partículas diesel (diesel particle filter, DPF)
El filtro de partículas Diesel (DPF) es un componente clave en el sistema de postratamiento del escape de vehículos Diesel, diseñado para capturar y eliminar el material particulado (PM) de los gases de escape (Xi & Zhong, 2006). Así es cómo funciona, incluidas las reacciones químicas involucradas:
Captura de partículas (PM): A medida que los gases de escape fluyen a través del DPF, la estructura porosa del filtro atrapa el material particulado, incluido el hollín, las cenizas y otras partículas sólidas. El DPF consta de una estructura de panal de cerámica o metálica con innumerables canales y paredes recubiertas con un material poroso especial.
Oxidación de partículas: Una vez que el material particulado está atrapado en el DPF, necesita ser oxidado o quemado para evitar que el filtro se obstruya y para regenerar su capacidad de filtrado. Este proceso se llama regeneración.
Regeneración pasiva: En la regeneración pasiva, la alta temperatura de los gases de escape en sí misma desencadena la oxidación de las partículas de hollín atrapadas. Cuando la temperatura de los gases de escape alcanza alrededor de 600°C, las partículas de hollín en la superficie del filtro reaccionan con el oxígeno (O2) para formar dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) en una reacción de oxidación. Este proceso ocurre continuamente durante las condiciones de conducción normales, especialmente durante la conducción en autopista o bajo carga pesada, donde las temperaturas de los gases de escape son más altas.
C+O2→CO2
C+2H2O→CO2+H2O
Regeneración activa: Si la temperatura de los gases de escape no es consistentemente lo suficientemente alta para que ocurra la regeneración pasiva, se puede iniciar la regeneración activa mediante la unidad de control del motor (ECU). En la regeneración activa, se inyecta combustible adicional en el sistema de escape, generalmente a través de un inyector dedicado ubicado aguas arriba del DPF. El combustible inyectado reacciona con el oxígeno en los gases de escape y el recubrimiento catalítico en el DPF para generar calor, elevando la temperatura dentro del DPF para facilitar la combustión del hollín. Las reacciones resultan en la combustión de hidrocarburos (HC) del combustible inyectado, produciendo dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O), junto con nitrógeno (N2) del aire.
2CnH2n+2+3(O2+N2)→2CO2+2H2O+N2
CnH2n+2+(O2+N2)→CO2+H2O+N2
Eliminación de cenizas: Con el tiempo, las cenizas inorgánicas provenientes de aditivos en el combustible Diesel y el aceite del motor pueden acumularse en el DPF, reduciendo su efectividad. La eliminación de cenizas generalmente requiere mantenimiento periódico, como la limpieza o el reemplazo del DPF.
Al capturar y eliminar el material particulado del escape del motor Diesel, los DPF ayudan a reducir las emisiones nocivas y mejorar la calidad del aire.
4.2.3 Reducción catalítica selectiva (selective catalytic reduction, SCR)
La reducción catalítica selectiva (SCR) es una tecnología de control de emisiones utilizada en motores Diesel para reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) (Folić et al., 2010). Así es cómo funciona, incluidas las reacciones químicas involucradas:
Introducción de amoníaco: Los sistemas SCR requieren la inyección de un agente reductor, típicamente una solución acuosa de urea conocida como líquido de escape Diesel (DEF). El DEF se inyecta en el flujo de escape aguas arriba del catalizador SCR.
Formación de Amoníaco: Dentro del catalizador SCR, el DEF se descompone para producir amoníaco (NH3). La reacción química involucrada en este proceso es:
HNCO+H2O→NH3+CO2 (Hidrolisis)
(NH2)2CO (aq)→NH3 (g) + CO2 (g) (Termólisis)
Reducción de NOx: Una vez que se genera amoníaco, reacciona con los óxidos de nitrógeno (NOx) presentes en los gases de escape para formar nitrógeno (N2) y vapor de agua (H2O) inofensivos en un proceso conocido como reducción catalítica selectiva. Las reacciones ocurren sobre el catalizador SCR, que típicamente consiste en un sustrato recubierto con un metal (generalmente vanadio o titanio) que sirve como catalizado.
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O
6NO2+8NH3→7N2+12H2O
Regeneración del catalizador: Los catalizadores SCR requieren regeneración periódica para mantener su eficacia. Esto se logra a través de un proceso llamado desorción, donde se eliminan cualquier amoníaco o subproductos restantes de la superficie del catalizador para evitar la desactivación del catalizador.
Al convertir las emisiones nocivas de NOx en nitrógeno inofensivo y vapor de agua, los sistemas SCR ayudan a los motores Diesel a cumplir con normas de emisión estrictas al tiempo que minimizan su impacto ambiental.
4.2.4. Catalizador de fuga de amonia (ammonia slip catalyst, ASC)
El ASC es un componente utilizado a menudo en los sistemas de SCR para reducir la cantidad de amoníaco no reaccionado (NH3) emitido a la salida del SCR (Folić et al., 2010). Así es cómo funciona:
Introducción de amoníaco: En los sistemas SCR, se inyecta fluido de escape Diesel (DEF), que es una solución acuosa de urea, en el flujo de escape aguas arriba del catalizador SCR. Parte de la urea inyectada se descompone para producir amoníaco (NH3), que es el agente reductor responsable de convertir los óxidos de nitrógeno (NOx) en nitrógeno (N2) y agua (H2O) sobre el catalizador SCR.
Oxidación de amoníaco: Sin embargo, no todo el amoníaco inyectado se consume en el proceso SCR, y parte del amoníaco no reaccionado puede pasar a través del catalizador SCR y ser emitido al medio ambiente. Para mitigar esto, a menudo se instala un Catalizador de Deslizamiento de Amoníaco (ASC) aguas abajo del catalizador SCR. El ASC promueve la oxidación del amoníaco no reaccionado a nitrógeno y vapor de agua inofensivos. La reacción química convierte el amoníaco (NH3) en óxidos de nitrógeno (NO), que son reducidos aún más por el catalizador SCR.
4NH3+5O2→4NO+6H2O
Conversión de NOx: Los óxidos de nitrógeno (NO) producidos a partir de la oxidación del amoníaco pueden luego experimentar una reducción adicional sobre el catalizador SCR.
Al incorporar el Catalizador de Deslizamiento de Amoníaco (ASC) en el sistema de postratamiento de escape, los motores Diesel equipados con tecnología SCR pueden minimizar la liberación de amoníaco no reaccionado al medio ambiente, garantizando el cumplimiento de las regulaciones de emisiones estrictas al tiempo que reducen su impacto ambiental.
4.2.5. Catalizador oxidativo de amoniaco (ammonia oxidation catalyst, AOC)
El AOC es un componente usado en los sistemas postratamiento de los motores diesel, en concreto en sistemas que incluyen tecnología SCR. Su función principal es facilitar la oxidación de la ammonia (NH3) a óxidos de nitrógeno (NOx), principalmente dióxido de nitrógeno (NO2), que puede formar parte de la reacción del SCR para reducir las emisiones contaminantes.
Incorporando un AOC al sistema de postratamiento los motores equipados con tecnología SCR pueden mejorar la eficacia del uso de la amonia reduciendo la emission de amonia sin reaccionar al tiempo que se maximiza la eficacia de la conversión de NOx asegurando el cumplimiento de las regulaciones de emisiones.
4.3. Aplicación de las tecnologías a las diferentes evoluciones de la reglamentación
4.3.1. Tier 1 y Stage I
Tier 1 y Stage I marcaron los esfuerzos iniciales para regular las emisiones de contaminantes atmosféricos de los motores Diesel no viarios en los EE. UU. y la UE. Aunque similares, variaron en los tamaños de los motores regulados, las fechas de implementación y los estándares de emisión. La reducción de NOx fue el principal enfoque, abordado a través de estrategias en el cilindro como la inyección de combustible retardada y los turbocompresores con enfriadores de aire de carga. Los diseños de los motores variaron según las clases de potencia, con los motores pequeños favoreciendo la inyección indirecta mientras que los motores más grandes usaban inyección directa y turbocompresores. A lo largo de la fase regulatoria, los fabricantes enfatizaron las modificaciones del motor para el cumplimiento (Iverson, 2007).
4.3.2. Tier 2 y Stage II
Tier 2 y Stage II se implementaron en los EE. UU. de 2001 a 2006 y en la UE de 2001 a 2004. Mientras que las regulaciones de EE. UU. mantuvieron las mismas clases de potencia del motor, la UE amplió su alcance para incluir motores entre 19 y 37 kW. Estas regulaciones apretaron los límites de emisión de NOx y PM, introdujeron límites de PM para motores de 37 a 130 kW en los EE. UU. e impusieron requisitos de durabilidad más estrictos. Las principales respuestas tecnológicas incluyeron la mejora de los sistemas de inyección de combustible, la adopción de controles electrónicos del motor y el uso de sistemas de enfriamiento de aire a aire con turbocompresores. Se introdujeron tecnologías avanzadas de inyección de combustible, como bombas de combustible rotativas e inyectores electrónicos unitarios, mejorando la economía de combustible y las reducciones de emisiones. Los controles electrónicos del motor se hicieron más comunes, lo que permitió un mejor control de la combustión y estrategias de inyección de combustible limitantes de contaminantes. Los turbocompresores y los sistemas de enfriamiento de aire de carga también vieron mejoras, contribuyendo a reducciones de emisiones, especialmente en motores más grandes. Los motores pequeños (<37 kW) no requirieron cambios de diseño importantes para cumplir con los estándares Tier 2, ya que la mayoría de los diseños de Tier 1 en esta categoría ya estaban cerca del cumplimiento (Tang et al., 2016).
4.3.3. Tier 3 y Stage IIIA
Tier 3 y Stage IIIA , aplicados de 2001 a 2006, trajeron reducciones significativas de emisiones para motores entre 37 y 560 kW. Ambas regiones armonizaron las emisiones de NOx a través de límites combinados de NOx + NMHC, marcando una reducción del ~40% respecto a los estándares Tier 2. Los límites de PM permanecieron sin cambios, en parte debido a la falta de un ciclo de prueba estandarizado. Los sistemas EGR se convirtieron en una tecnología fundamental para cumplir con los requisitos de NOx, junto con los controles electrónicos del motor, los turbocompresores de geometría variable y los sistemas de inyección de combustible avanzados. Si bien el EGR era frecuente en los diseños, no se exigía su uso para el cumplimiento. Los diseños de motores variaron según las clases de potencia, con los motores más grandes incorporando paquetes de tecnología más avanzados, incluidos turbocompresores de geometría variable y sistemas de inyección de combustible electrónicos. Los motores más pequeños confiaban en paquetes de tecnología más simples, con sistemas de inyección de combustible mecánicos y motores de inyección indirecta comunes en la clase de potencia más baja. Los motores muy grandes y pequeños permanecieron sin regular bajo los estándares Tier 3 hasta la introducción de los estándares Tier 4i y Tier 4f, respectivamente (Bacenetti et al., 2018).
4.3.4. Tier 4 interim y Stage IIIB
Tier 4i y Stage, implementadas entre 2008 y 2011, introdujeron reducciones significativas de emisiones para motores entre 56 y 560 kW. Los límites de PM se redujeron drásticamente, acompañados de estándares de NOx más estrictos, lo que llevó a una amplia adopción de tecnologías de postratamiento. Surgieron caminos de diseño de motores, ya sea optimizando las emisiones de PM y utilizando SCR para el control de NOx, o empleando dispositivos de postratamiento de PM con EGR enfriado. Los fabricantes se enfrentaron a decisiones influenciadas por consideraciones de rendimiento, aplicación y costo. Los motores de Liebherr ejemplifican estos caminos, con equipos de movimiento de tierras que utilizan EGR enfriado, DOC y DPF, mientras que las grúas móviles se basaban solo en SCR. Los sistemas de combustible common rail de alta presión, los turbocompresores de múltiples etapas y los controles electrónicos fueron comunes en los diseños de Tier 4i/Etapa IIIB. Los motores entre 56 y 130 kW tenían más flexibilidad debido a los estándares de NOx relajados, y algunos modelos cumplían con las regulaciones sin DPF o SCR. Los motores más grandes (>560 kW) a menudo cumplían con los estándares Tier 4i sin postratamiento, utilizando controles en el cilindro, aunque un pequeño porcentaje incorporaba DOCs o adoptaba sistemas EGR y SCR para el control de NOx (Bacenetti et al., 2018).
4.3.5. Tier 4 final y Stage IV
Tier 4f y Stage IV, vigentes entre 2008 y 2015 en EE. UU. y de 2014 a 2015 en la UE, implementaron estándares de emisiones estrictos para motores Diesel no viarios. Notablemente, un límite de NOx de 0.4 g/kWh para motores entre 56 y 560 kW marcó una reducción sustancial respecto a los estándares anteriores. Mientras que los límites de PM permanecieron sin cambios para esta clase de potencia, se endurecieron para motores más pequeños y grandes. Los fabricantes respondieron con varios paquetes tecnológicos, adoptando prominentemente SCR para el control de NOx en conjunto con EGR enfriado. Si bien el control de PM dependía principalmente de controles en el cilindro y DOC, algunos diseños incluían DPF, especialmente para motores más grandes o aquellos con capacidad de regeneración pasiva del filtro. La omisión de DPF llevó a una mayor emisión de PM y aumentó el riesgo de fallos de emisiones con el tiempo. Los motores entre 19 y 56 kW siguieron tendencias similares, utilizando EGR enfriado y catalizadores de oxidación o DPF para el control de PM. Sin embargo, la tecnología SCR aún no se ha implementado para este rango de tamaño. Los motores por debajo de 19 kW generalmente permanecieron sin regular, con motores de inyección indirecta naturalmente aspirados siendo comunes debido a consideraciones de costo. Los motores más grandes (>560 kW) típicamente presentaban EGR enfriado y catalizadores de oxidación o SCR, con los motores de grupos electrógenos a menudo incorporando sistemas SCR para estándares de emisiones más estrictos. En general, las regulaciones Tier 4f/Etapa IV impulsaron avances significativos en tecnologías de control de emisiones en varios tamaños de motor.
4.3.6. Stage V
Stage V, propuestos por la Comisión Europea, tienen como objetivo endurecer los límites de PM e introducir nuevos estándares de número de partículas para motores entre 19 y 560 kW, a partir de 2018 y obligatorios a partir del 1 de enero de 2020. Además, los tamaños de motor previamente no regulados (<19 kW y >560 kW) ahora enfrentarán estándares equivalentes a Tier 4f. Se espera que los fabricantes adopten filtros de partículas de manera universal para cumplir con estos nuevos estándares, especialmente para motores entre 19 y 560 kW. Los diseños de motores entre 56 y 560 kW pueden converger en una configuración común que involucre catalizadores de oxidación, filtros de partículas y sistemas SCR. Sin embargo, los motores entre 19 y 56 kW pueden requerir solo DPF para cumplir con los límites de PM y PN, ya que los estándares de NOx relajados no exigen sistemas SCR. Para motores más allá de 560 kW y por debajo de 19 kW, es probable que las tecnologías sigan las desarrolladas en respuesta al programa Tier 4f de EE. UU (Shao et al., 2016).
5. ¿Qué soluciones se han aplicado?
Dado todas las tecnologías disponibles, su impacto en la combustión del Diesel y la intensidad de las restricciones definidas por las regulaciones de emisiones de Diesel de NRMM, los requisitos de investigación y despliegue, los costos de implementación de soluciones técnicas compatibles han llevado a una variación significativa en el número de soluciones aplicadas en los diferentes segmentos de potencia del motor a lo largo de las diferentes fases de las regulaciones. (Dallmann & Menon, 2016).
Sirva como ejemplo las cuatro soluciones técnicas ofrecidas por un mismo fabricante para cumplir con las emisiones StageV.
Así es fácil de entender que el número de posibilidades técnicas es numeroso tal y como se puede ver en la Figura 12 y Figura 13.
Dada el elevado número de alternativas es fácil de entender que los fabricantes hayan optado por muy variadas soluciones técnicas tanto en lo referente a maquinaria no viaria (Figura 14 y Figura 15) como viaria (Figura 16).
6. ¿Qué coste han supuesto las soluciones técnicas?
El costo total de estas tecnologías de control de emisiones está directamente relacionado con la potencia nominal del motor. Curiosamente, para motores con una potencia inferior a 19 kW, el costo incremental es insignificante. Sin embargo, cuando observamos equipos no viarios con potencias más altas, el panorama de costos se vuelve comparable a lo observado en el sector de vehículos pesados. En este segmento, el aumento principal en el costo proviene de la adopción de filtros de partículas Diesel (DPF) y sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR) durante la transición a las regulaciones Tier 4f y Stage V.
El costo en motores más grandes proviene principalmente de los dispositivos de postratamiento cuyo tamaño depende directamente de la potencia del motor, ya que los motores más pequeños pueden cumplir con las regulaciones de emisiones con desarrollos de manejo de aire y EGR. De manera similar, una vez que se requieren la ECU, los sensores y el cableado para cumplir con las regulaciones de emisiones, su costo es bastante estable en todos los segmentos de potencia del motor.
Conclusiones
Durante las últimas dos décadas, los motores Diese no viarios han experimentado avances tecnológicos significativos para cumplir con estándares de emisiones cada vez más estrictos en los Estados Unidos y la Unión Europea. Estos avances han llevado a una notable reducción del 95% en las emisiones de PM y NOx en comparación con los estándares Tier 1/Stage I de mediados de la década de 1990. Inicialmente, las mejoras se lograron mediante enfoques en el cilindro, incluidos sistemas avanzados de inyección de combustible, turbocompresores y recirculación de gases de escape, sin necesidad de dispositivos de postratamiento hasta las fases Tier 3/Stage IIIB.
Sin embargo, a partir de los estándares Tier 4i/Stage IIIB en 2011, los dispositivos de postratamiento se volvieron necesarios para muchas clases de motores, ya que los controles en el cilindro resultaron insuficientes. Mientras que los motores Diesel viarios han convergido en un paquete de control de emisiones estándar, los motores no viarios muestran una variación considerable. Los motores más grandes a menudo utilizan SCR para el control de NOx y catalizadores de oxidación para el control de PM, a veces incluyendo filtros de partículas. Los motores más pequeños suelen depender de EGR refrigerados y catalizadores de oxidación.
A pesar del progreso, los motores Diesel no viarios siguen siendo una fuente significativa de contaminación del aire, responsables de emisiones sustanciales de PM2.5 y NOx. Aunque las normas Tier 4f/Stage IV han ayudado a reducir las emisiones, las regulaciones actuales no son tan estrictas como las de los motores viarios, y el uso de las mejores tecnologías disponibles como DPF y sistemas SCR no es obligatorio. Las normas propuestas de Stage V en la UE tienen como objetivo abordar esta brecha al requerir la aplicación universal de DPF para motores entre 19 y 560 kW. (Lutsey et al., 2017; Norris & Escher, 2017; Posada et al., 2016, 2020).
El coste relative del Stage V cost respecto a la base de referencia (baseline) va de 1.03 veces de los motores de menos de 19kW a 4.98 veces de los motores de19 a 37kW mientras que los tractores de 56 a 224 kW es 3.13 veces.
El costo en motores más grandes proviene principalmente de los dispositivos de postratamiento cuyo tamaño depende directamente de la potencia del motor, ya que los motores más pequeños pueden cumplir con las regulaciones de emisiones con desarrollos de la combustion y EGR. De manera similar, una vez que se requieren la ECU, los sensores y el cableado para cumplir con las regulaciones de emisiones, su costo es bastante estable en todos los segmentos de potencia del motor.
7. Conclusiones
Durante las últimas dos décadas, los motores Diesel no viarios han experimentado avances tecnológicos significativos para cumplir con estándares de emisiones cada vez más estrictos en los Estados Unidos y la Unión Europea. Estos avances han llevado a una notable reducción del 95% en las emisiones de PM y NOx en comparación con los estándares Tier 1/Stage I de mediados de la década de 1990. Inicialmente, las mejoras se lograron mediante enfoques en el cilindro, incluidos sistemas avanzados de inyección de combustible, turbocompresores y recirculación de gases de escape, sin necesidad de dispositivos de postratamiento hasta las fases Tier 3/Stage IIIB.
Sin embargo, a partir de los estándares Tier 4i/Stage IIIB en 2011, los dispositivos de postratamiento se volvieron necesarios para muchas clases de motores, ya que los controles en el cilindro resultaron insuficientes. Mientras que los motores Diesel viarios han convergido en un paquete de control de emisiones estándar, los motores no viarios muestran una variación considerable. Los motores más grandes a menudo utilizan SCR para el control de NOx y catalizadores de oxidación para el control de PM, a veces incluyendo filtros de partículas. Los motores más pequeños suelen depender de EGR refrigerados y catalizadores de oxidación.
A pesar del progreso, los motores Diesel no viarios siguen siendo una fuente significativa de contaminación del aire, responsables de emisiones sustanciales de PM2.5 y NOx. Aunque las normas Tier 4f/Stage IV han ayudado a reducir las emisiones, las regulaciones actuales no son tan estrictas como las de los motores viarios, y el uso de las mejores tecnologías disponibles como DPF y sistemas SCR no es obligatorio. Las normas propuestas de Stage V en la UE tienen como objetivo abordar esta brecha al requerir la aplicación universal de DPF para motores entre 19 y 560 kW.
8. Referencias
OSHA. (2013). OSHA Hazard Alert: Diesel Exhaust/Diesel Particulate Matter. Occupational Safety and Health Administration, Washington, DC.
Bacenetti, J., Lovarelli, D., Facchinetti, D., & Pessina, D. (2018). An environmental comparison of techniques to reduce pollutants emissions related to agricultural tractors. Biosystems Engineering, 171, 30–40.
Choi, M., & Park, S. (2022). Optimization of multiple-stage fuel injection and optical analysis of the combustion process in a heavy-duty diesel engine. Fuel Processing Technology, 228, 107137.
Dallmann, T., & Menon, A. (2016). Technology pathways for diesel engines used in non-road vehicles and equipment. International Council on Clean Transportation (ICCT): Washington, DC, USA.
Dempsey, A. B., Curran, S. J., & Wagner, R. M. (2016). A perspective on the range of gasoline compression ignition combustion strategies for high engine efficiency and low NOx and soot emissions: Effects of in-cylinder fuel stratification. International Journal of Engine Research, 17(8), 897–917.
Dhal, G. C., Dey, S., Mohan, D., & Prasad, R. (2018a). Simultaneous abatement of diesel soot and NO x emissions by effective catalysts at low temperature: An overview. Catalysis Reviews, 60(3), 437–496.
Dhal, G. C., Dey, S., Mohan, D., & Prasad, R. (2018b). Simultaneous abatement of diesel soot and NO x emissions by effective catalysts at low temperature: An overview. Catalysis Reviews, 60(3), 437–496.
EC. (1997). Directive 97/68/EC of the European Parliament and of the Council of 16 December 1997. European Commission (EC). http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=celex:31997L0068
EC. (2000). Directive 2000/25/EC of the European Parliament. European Commission (EC). http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:32000L0025
EC. (2004). Directive 2004/26/EC of the European Parliament and of the Council of 21 April 2004 amending Directive 97/68/EC. European Commission (EC). http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:32004L0026R%2801%29
EC. (2009). Directive 2009/30/EC of the European Parliament and of the Council of 23 April 2009 amending Directive 98/70/EC. European Commission (EC). http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=celex%3A32009L0030
EPA. (1994). Determination of Significance for Nonroad Sources and, Emission Standards for New Nonroad Compression-Ignition Engine At or Above 37 Kilowatts; Final Rule. U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Federal Register, 59(116). https://www.epa.gov/regulations-emissions-vehicles-and-engines/final-rule-determination-significance-nonroad-sources
EPA. (1998). Control of Emissions of Air Pollution From Nonroad Diesel Engines; Final Rule. U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Federal Register., 63(205). https://www.gao.gov/products/ogc-99-11
EPA. (2004). Control of Emissions of Air Pollution From Nonroad Diesel Engines and Fuel; Final Rule. . U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Federal Register., 69(124). https://www.epa.gov/regulations-emissions-vehicles-and-engines/final-rule-control-emissions-air-pollution-nonroad
EPA. (2016). Nonroad Compression-Ignition Engines: Exhaust Emission Standards. EPA-420-B-16-022. U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Office of Transportation and Air Quality.
Folić, M., Lemus, L., Gekas, I., & Vressner, A. (2010). Selective ammonia slip catalyst enabling highly efficient NOx removal requirements of the future. US Department of Energy “Directions in Engine Efficiency and Emissions Research (DEER) Conference.
Franco, V., Sánchez, F. P., German, J., & Mock, P. (2014). Real-world exhaust emissions from modern diesel cars. Communications, 49(30), 847102–847129.
Hagan, R., Markey, E., Clancy, J., Keating, M., Donnelly, A., O’Connor, D. J., Morrison, L., & McGillicuddy, E. J. (2022). Non-road mobile machinery emissions and regulations: A review. Air, 1(1), 14–36.
Han, Z., Uludogan, A., Hampson, G. J., & Reitz, R. D. (1996). Mechanism of soot and NOx emission reduction using multiple-injection in a diesel engine. SAE Transactions, 837–852.
Iverson, J. (2007). EPA emissions regulations. Technical Information from Cummins Power Generation.
Kodjak, D., Bandivadekar, A., German, J., & Lutsey, N. (2011). The regulatory engine: How smart policy drives vehicle innovation. ICCT KnowledgeSeries, 2.
Lutsey, N., Meszler, D., Isenstadt, A., German, J., & Miller, J. (2017). Efficiency technology and cost assessment for US 2025–2030 light-duty vehicles. International Council on Clean Transportation (ICCT), Washington, USA, White Paper, 22nd March.
Norris, J., & Escher, G. (2017). Heavy duty vehicles technology potential and cost study. The International Council on Clean Transportation.
Nova, I., & Tronconi, E. (2014). Urea-SCR technology for deNOx after treatment of diesel exhausts (Vol. 5). Springer.
Peng, Z., Liu, B., Wang, W., & Lu, L. (2011). CFD investigation into diesel PCCI combustion with optimized fuel injection. Energies, 4(3), 517–531.
Posada, F., Chambliss, S., & Blumberg, K. (2016). Cost of emission reduction technologies for heavy duty diesel vehicles. In The International Council on Clean Transportation (icct). The International Council on Clean Transportation (icct.
Posada, F., Isenstadt, A., & Badshah, H. (2020). Estimated cost of a Diesel emissions-control technology to meet future California Low NOx standards in 2024 and 2027. In The International Council on Clean Transportation (icct). The International Council of Clean Transportation. https://theicct.org/
Ris, C. (2007). US EPA health assessment for diesel engine exhaust: a review. Inhalation Toxicology, 19(sup1), 229–239.
Shao, Z., Dallmann, T., & Bandivadekar, A. (2016). EUROPEAN STAGE V NON-ROAD EMISSION STANDARS BACKGROUND.
Sun, Z., Wang, X., Wang, X., & Zhou, J. (2017). Combustion and emission analysis of heavy-duty vehicle diesel engine. AIP Conference Proceedings, 1820(1).
Tang, W., Chen, B., Hallstrom, K., & Wille, A. (2016). Aftertreatment pathways to meet China HDD emissions regulations. SAE International Journal of Engines, 9(2), 739–749.
Wagner, U., Eckert, P., & Spicher, U. (2008). Possibilities of Simultaneous In-Cylinder Reduction of Soot and Emissions for Diesel Engines with Direct Injection. International Journal of Rotating Machinery, 2008.
Wang, B., Mosbach, S., Schmutzhard, S., Shuai, S., Huang, Y., & Kraft, M. (2016). Modelling soot formation from wall films in a gasoline direct injection engine using a detailed population balance model. Applied Energy, 163, 154–166.
Xi, J., & Zhong, B. (2006). Soot in diesel combustion systems. Chemical Engineering & Technology: Industrial Chemistry‐Plant Equipment‐Process Engineering‐Biotechnology, 29(6), 665–673.
Revisado por: Prof. Dr. Luis Ruiz García el 23/04/2024