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Análisis sobre la legislación para reducir las emisiones contaminantes de los motores de los tractores agrícolas, la terminología utilizada y las soluciones tecnológicas que ofrecen los fabricantes

 

Luis Márquez, presidente del Comité Técnico Normalizador de Tractores y maquinaria agrícola de Aenor

En varias ocasiones se han tratado diferentes aspectos relacionados con la tecnología utilizada para reducir las emisiones contaminantes en los gases de escape de los motores, adaptándose progresivamente a la legislación establecida en las distintass áreas.

Parece que a finales de 2016 solo se podrán comercializar en Europa motores que cumplan el nivel ‘VI’ para los vehículos industriales viarios. Esto significa que la emisión de gases contaminantes en los motores se habrán reducido, del Euro I al Euro VI para vehículos comerciales pesados, en el 66% para el CO, el 88% para el HC, del 98% para el PM y del 98% para el NOx. La tecnología lo permite, pero esta tecnología tiene un coste.

Las limitaciones en las emisiones contaminantes de los motores se han establecido mediante reglamentos de la Unión Europea, pero también de países situados en otras áreas geográficas. Los niveles fijados y las fechas de entrada en vigor de las diferentes etapas presentan pequeñas diferencias; es conveniente clarificar la terminología que se aplica en función del tipo de vehículo en el que se instale el motor.

Tradicionalmente los reglamentos que se aplicaban en la homologación de motores diésel tomaban en consideración el nivel de humos (partículas) en los gases de escape. A medida que aumentaba la inyección de combustible en los motores diésel se obtenía mayor potencia, pero eran menos eficientes, aumentando el nivel de humos en los gases de escape.

Por el contrario, en los motores más eficientes aumentaban las emisiones de óxidos de nitrógeno en el escape. Pero al controlar simultáneamente la emisión de partículas y de óxidos de nitrógeno en el escape de los motores su diseño se complica.

El objetivo es que para 2016 solo se matriculen vehículos que cumplan los niveles más estrictos, aunque están exceptuados los motores industriales de menos de 50 CV, y en discusión la aplicación de los límites a los motores de los tractores agrícolas compactos.

Cuando los fabricantes de motores introdujeron los primeros sistemas que tenían como objetivo reducir las emisiones de gases contaminantes en el escape, en motores que habían sido diseñados sin considerar esta circunstancia, se produce una caída de la potencia y un aumento del consumo de combustible. Para superar este inconveniente los fabricantes tienen que aumentar la cilindrada.

La entrada de la electrónica en el motor ha hecho posible mejorar el proceso termodinámico de la combustión del gasóleo para aumentar su eficiencia y reducir las emisiones.

En los motores modernos se alcanzan rendimientos del 40 al 44%, pero cualquier elemento colocado en el motor para reducir las emisiones produce una pérdida de su rendimiento potencial, comenzando por el turbocompresor, al obstaculizar la salida libre de los gases de escape.

Los sistemas EGR y SCR representan en la actualidad las más difundidas tecnologías para controlar las emisiones contaminantes de gases de escape en los motores diésel. Cada uno de ellos ofrece ventajas e inconvenientes:

La recirculación parcial de los gases de escape (EGR)

La tecnología denominada EGR se basa en la reaspiración de una parte de los gases de escape para disminuir la cantidad de aire fresco presente en el cilindro. Esto tiene como consecuencia la reducción del porcentaje de oxígeno presente en la mezcla, y el aumento del porcentaje de nitrógeno y anhídrido carbónico, que no intervienen en la combustión, pero que absorben calor.

Así se produce una reducción de la temperatura máxima local, sin que disminuya significativamente la temperatura media en el cilindro, que es lo que condiciona la eficiencia. Dado que el NOx presente en el escape depende de la temperatura máxima local producida en la fase de combustión, al reducirla también lo hacen las emisiones de este gas.

Desde el punto de vista técnico, la forma más simple de realizar la recirculación de los gases de escape es modificando el tiempo de apertura de las válvulas de aspiración o del tiempo de cierre de las válvulas de escape del motor.

En ambos casos, una parte de los gases de escape retrocederán por el colector de admisión o permanecerán en el cilindro.

El sistema tiene un coste casi nulo, pero su funcionamiento es muy rígido y no permite bajar la temperatura del gas recuperado.

Como alternativa se puede desviar una parte de los gases de escape, antes de los silenciadores, mediante la apertura de una válvula (válvula EGR) que comunica el escape con la admisión. Este flujo de gases de escape, previamente refrigerados, se introduce en el colector de admisión mezclándolo con el aire que llega del exterior. Regulando la apertura/ cierre de la válvula EGR por medios electrónicos se puede modular el porcentaje de gases que entran en el cilindro en función del estado de funcionamiento del motor.

Es necesario mantener una diferencia positiva en la presión entre el escape y la aspiración para que los gases fluyan en la dirección apropiada, sin contrapresiones que incrementen el consumo de combustible.

Conviene resaltar que en un motor ‘no EGR’, con el alto rendimiento que ofrecen los modernos turbo, la presión en el colector de aspiración puede ser más alta que en el colector de escape. Así se recupera una parte de la energía residual de los gases de escape para mejorar un poco la eficiencia del motor. Esto no se puede utilizar en motores industriales con EGR en alta presión.

Además, la reducción de las emisiones de NOx mediante EGR tiene sus consecuencias.

La menor temperatura y la mayor dificultad para ‘encontrarse’ el combustible con el oxígeno, conllevan un alargamiento de la combustión y el aumento de la producción de partículas. Por ello se necesita incorporar en el escape filtros DOC y DPF, este último con sistema de regeneración periódica para evitar su obstrucción.

En los motores EGR, por la reducción de la temperatura de combustión se produce una reducción del rendimiento termodinámico; también baja el rendimiento volumétrico del mismo por la mezcla del aire de aspiración con los gases de escape calientes, lo que reduce la densidad de la mezcla.

Por ello, en los motores más evolucionados, se utilizan intercambiadores de calor para refrigerar los gases de escape antes de introducirlos en el colector de admisión. Al ser los tractores vehículos de baja velocidad hay que sobredimensionar el circuito de refrigeración, con lo que aumenta el consumo de energía, lo que se suma al empeoramiento del proceso termodinámico de la combustión.

Con este sistema es posible conseguir una relación prestaciones/consumo ligeramente inferior a la de los motores sin el sistema EGR, aunque no se puede aumentar la cantidad de oxígeno que llega a la cámara de combustión incrementando la presión del turbo para alcanzar el nivel que se consigue en los motores sin EGR.

En los motores EGR hay que considerar otros aspectos que los penalizan, como la cantidad de aceite en el cárter y los periodos de mantenimiento.

Los gases en recirculación arrastran partículas que pasan al aceite del cárter, por lo que se necesita aumentar su cantidad y reducir los periodos de mantenimiento. Conviene recordar que un aumento del volumen de aceite en el cárter retrasa el momento en el que el motor alcanza la temperatura óptima de funcionamiento, lo que incrementa el consumo de combustible. Esto es menos importante en los tractores agrícolas que trabajan a régimen constante sin paradas frecuentes.

Si el mantenimiento no es el adecuado, se acumula la suciedad en la válvula EGR, por lo que algunos usuarios, cuando finaliza el periodo de garantía, la bloquean, lo que hace aumentar las emisiones de NOx en el escape.

Filtros DO C y DPF

Los conocidos como filtros DOC (oxidación catalítica en motores diesel) permiten un flujo directo de los gases, utilizando materiales cerámicos como la cordierita, que actúan sobre los hidrocarburos no quemados y el monóxido de carbono para transformarlos en anhídrido carbónico y agua mediante un proceso de oxidación. El Filtro DOC va por delante y normalmente unido al DPF.

Los filtros DPF (filtros de partículas para motores diesel), que actúan reteniendo las partículas carbonosas que salen por el escape, siempre son un freno a la salida de los gases, ya que estos atraviesan el elemento filtrante, lo que hace que el motor pierda potencia. El filtro está formado por un material cerámico poroso, como la cordierita, y se necesita incorporar un sistema para quemar periódicamente las partículas carbonosas que lo obstruyen sometiéndolo a unas temperaturas entre 250 y 500 ºC. Este proceso se conoce como ‘regeneración’ y se puede realizar a baja o a alta temperatura.

En la regeneración a baja temperatura un catalizador de metal precioso ayuda a crear NO2 en los gases de escape, el cual oxida el carbón a temperaturas de 250 ºC o superiores.

Esta tecnología exige la presencia de NOx para que el proceso funcione; la relación mínima necesaria sería de 25/1 entre el NOx y a las partículas (lo deseable sería una relación 40/1).

Esta solución solo es válida en motores con potencia de hasta 130 kW, en los que la legislación permite la presencia en los gases de escape de una pequeña cantidad de NOx. El proceso se desarrolla de forma continua durante el ciclo de trabajo sin intervención del conductor, y la mayoría de los fabricantes procuran aprovechar esta forma de regeneración manteniendo la temperatura del escape por encima de los 250º. Solo en casos extremos, como cuando se trabaja a muy bajas temperaturas o en ciclos de carga muy bajos, hay que recurrir a la regeneración provocada.

La regeneración a alta temperatura es un proceso ocasional que se utiliza para quemar el hollínacumulado después de varias horas de operación. Para ello se utiliza un quemador, con una inyección complementaria de gasóleo en el filtro, que provoca la subida de los gases de escape hasta 600ºC para la combustión de las partículas que lo obstruyen.

Aunque las partículas de los filtros se oxidan completamente durante la regeneración, hay pequeñas cantidades de minerales, como los fosfatos en el aceite, que no se queman.

Esto hace que después de muchas horas de utilización se acumulen cenizas en los canales porosos del filtro de partículas, lo que incrementa la contrapresión y aumenta el consumo de combustible. La EPA de USA establece que el primer mantenimiento para eliminación de las cenizas no tendría que hacerse antes de las 3000 horas en motores de menos de 130 kW y 4500 en los de más de 130 kW. En Europa no hay publicada normativa al respecto, pero los fabricantes han aumentado las dimensiones de los filtros para alargar los periodos de mantenimiento.

Otro aspecto que afecta a todos los fabricantes es la presencia de azufre en los combustibles de algunos países.

Este reacciona con los metales preciosos de los catalizadores e impide que funcionen de forma correcta. El nivel de azufre admitido en el gasóleo para los motores modernos debe ser inferior a las 15 ppm.

En resumen, se puede decir que el sistema EGR, complementado con los filtros DOC y DPF, ofrece una tecnología fiable y fácil de gestionar, con un coste reducido, utilizable sin problemas en motores que cumplen la Fase IIIB. Por el contrario no permite, por el momento, superar por sí solo el nivel de emisiones establecido por la Fase IV, aunque ya se anuncia la disponibilidad de motores que la utilizan con o sin filtros de partículas para conseguirlo.

En la mayoría de los casos se recurre a la tecnología SCR en alguna de sus variantes

La eliminación del óxido de nitrógeno producido en la combustión (SCR)

La alternativa al sistema EGR es el denominado SCR

Las siglas SCR corresponden al acrónimo de las palabras inglesas que en castellano corresponderían a la ‘Reducción Catalítica Selectiva’. Como los términos utilizados para designar el sistema indican, se trata de una reducción ‘selectiva’, que solo afecta a los componentes nitrogenados, y no a otros contaminantes. La palabra ‘catalítica’ indica que el proceso se acelera mediante la utilización de un catalizador, generalmente fabricado mediante estratos de vanadio depositados sobre una estructura cerámica a través de la cual pasan los gases de escape.

Antes de llegar a este catalizador, los gases de escape atraviesan un mezclador que provoca turbulencia, y se nebuliza por delante un pequeño porcentaje de una sal de urea, obtenida por síntesis para lograr la máxima pureza, y diluida al 32% en agua desmineralizada, conocida en comercialmente en Europa como AdBlue y en USA como DEF (Diesel Emission Fluid).

El sistema conceptualmente es muy simple, ya que solo se trata de pulverizar una solución acuosa en el interior de una conducción, pero complejo en la realización por la precisión necesaria, lo que obliga a un control electrónico de la misma. Conviene advertir que el catalizador solo funciona cuando la temperatura alcanza un determinado nivel; si esto no se produce, la electrónica del motor reduce la potencia desarrollada por el mismo.

Es necesario incluir en el vehículo un sistema de inyección de urea, que tiene un coste, y un depósito en el que se almacena. También se produce un sobrecoste por el consumo de esta solución, aunque éste se compensa por la reducción del consumo de combustible al trabajar el motor en condiciones de máxima eficiencia. Por otra parte, la bajas temperaturas pueden producir la solidificación de la solución de urea (se congela a -9 ºC), lo que obliga a instalar un sistema de calefacción en el depósito que la contiene. También la solución de urea se deteriora con el tiempo, especialmente si se almacena en situaciones desfavorables.

Al trabajar el motor en condiciones de altas temperaturas aumentan las emisiones de óxidos de nitrógeno (que se elimina con el SCR), a la vez que se produce una reducción de CO y de partículas, que se forman cuando las temperaturas son bajas (recirculación de gases mediante EGR).

En los motores diésel de última generación la presencia de estos contaminantes es poco significativa, por lo que se puede prescindir del filtro DOC, pero suele ser necesario incluir un filtro CUC (Clean-up Catalyst) para retener la urea en exceso que acompaña a los gases de escape.

Este filtro tiene la ventaja de sus pequeñas dimensiones con respecto a los filtros de partículas. En principio, los filtros DPF no serían necesarios, aunque parece que habría que recurrir a ellos en algunas circunstancias.

En resumen, la tecnología SCR permite mejorar las prestaciones de los motores reduciendo el consumo de combustible, pero tiene como inconveniente el sobrecoste del sistema y el gran espacio que se necesita para instalarlo, lo que limita su utilización en tractores compactos y de bajas especificaciones, con las alternativas tecnológicas que ahora están disponibles. También hay que contar con los condicionantes que impone la solución de urea.

Las propuestas de los fabricantes

Hasta llegar a la Fase IIIB las soluciones propuestas por los diferentes fabricantes no son coincidentes, ya que todas las soluciones técnicas ofrecen ventajas e inconvenientes.

El sistema SCR más costoso de implementar y con los inconvenientes que conlleva el manejo de la solución de urea, permite conseguir las máximas prestaciones del motor reduciendo el consumo específico de combustible, por lo que se utiliza mayoritariamente en los motores de los tractores de alta potencia.

En los tractores de menor potencia predomina la tecnología EGR, incluso en los grupos industriales que han llevado la bandera del SCR por su experiencia en la fabricación de motores para camiones, en los que el espacio disponible para situar el catalizador no ha sido un problema.

Otros fabricantes han preferido mantener el ‘solo gasóleo’, por ser la opción que mayoritariamente la pedían sus usuarios, optimizando el EGR mediante el control preciso de las temperaturas en los diferentes puntos del sistema para minimizar las pérdidas de potencia. Con la utilización de muy alta presión de inyección, por encima de los 2000 bar, y el sistema de turbo doble y/o de geometría variable, la han mantenido hasta llegar a la Fase IV.

Si continúan las limitaciones en relación con partículas y óxidos de nitrógeno, en todos los casos, habrá que utilizar la combinación de EGR ‘ligero’ (menor porcentaje de gases en recirculación) y SCR, con los filtros de partículas complementarios, dando prioridad a algunos elementos en función de los criterios que aplique el fabricante por la demanda de los usuarios Pero el problema que está sin resolver es el control de las emisiones para la Fase IV en tractores compactos (fruteros y viñeros con potencia de menos de 100 CV), en los que no queda espacio para instalar un catalizador SCR.

Algunos fabricantes de motores vinculados a los fabricantes de tractores están desarrollando catalizadores compactos incorporando filtros CUC para recuperar la urea residual que sale del catalizador.

Otros fabricantes ofrecen ya motores Fase IV sin sistemas SCR, conseguidos con altas presiones de inyección y electrónica avanzada, junto con EGR y filtros. La tecnología avanza y lo permite, pero hay dudas de que pueda rentabilizarse si, como parece, significa en los tractores compactos un sobrecoste del 30%.

Terminología

Es habitual, cuando se indica el nivel de emisiones que cumple un determinado motor, que se utilicen términos como ‘Euro’, ‘Stage’, ‘Etapa’, ‘Fase’, ‘Nivel’, ‘Tier’, seguidos de números arábigos o romanos, lo que induce a confusión.

El término ‘Euro’ se debe utilizar al referirse a automóviles y vehículos industriales ‘viarios’ (para circulación por carretera) seguido de un número arábigo en el caso de automóviles y vehículos industriales ligeros, o de un número romano en el caso de los pesados.

Para los vehículos extraviarios (off road) se utiliza el término ‘Stage’, que se puede traducir como ‘Fase’ o ‘Etapa’, seguido de un número romano.

Cuando los límites se fijan conforme a la EPA de USA, el término utilizado es el de ‘Tier’seguido de número romano.

Los límites establecidos por la normativa USA ‘Tier IV interim’ son equivalentes a la europea Fase IIIB, y la ‘Tier IVfinal’ a la Fase IV. Algunos fabricantes utilizan la designación Tier IVB en alternativa Tier IVfinal.