Diésel, óxidos de nitrógeno y el caso Volkswagen

18/10/2015 10 comentarios
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Detrás de las decisiones empresariales, que llevaron a un engaño tan sofisticado, se encuentran razones de origen fisicoquímico: no se consiguió regular adecuadamente la velocidad de degradación de los óxidos de nitrógeno.

La noticia saltó a finales de septiembre de 2015. Una empresa automovilística puntera, Volkswagen AG, que incluye 12 marcas, casi 600.000 trabajadores, y 112 factorías repartidas por todo el mundo, admitió un engaño mayúsculo. Unos once millones de automóviles, vendidos entre 2008 y 2014, superaban los límites de emisión de uno de los gases contaminantes, la familia de óxidos de nitrógeno. ¿Por qué, el engaño? ¿Y por qué se habla de óxidos de nitrógeno, y no de los demás contaminantes?

De ningún modo el engaño se puede considerar un simple descuido, o una negligencia en algún pequeño eslabón de la sofisticada cadena de producción. No. Se diseñaron e instalaron diversas versiones de un sofisticado software, que detectaba cuándo el vehículo estaba siendo sometido a test de emisión. En esa situación, el software modificaba el régimen de inyección, para emitir menos contaminantes y superar así los requisitos oficiales. Una vez terminaba el test, el motor volvía a funcionar a régimen normal y a emitir bastante más de lo permitido.

¿Cual es el origen de los problemas que llevaron a la situación actual? No me refiero a los aspectos de política empresarial, ni a las luchas internas por el poder ejecutivo, o a la feroz competencia entre marcas. Me refiero a los problemas técnicos, y no sólo de ingeniería, pues suelen ser la raíz de este tipo de situaciones. Sólo cuando se acude al origen fisicoquímico de los errores, se puede entender cuál fue el impedimento para conseguir algo tan aparentemente asequible, como cumplir con los límites de emisión.
 
Partiendo de la información divulgada, y de las características del proceso de combustión interna de los motores diésel, os analizo en el presente artículo en qué punto pudieron surgir los problemas y por qué.
 
El motor de combustión
 
El primer aspecto que quizá sorprenda es que sólo se hable de motores diésel y se dejen de lado los motores que queman gasolina. También es interesante que se hable de emisión excesiva de óxidos de nitrógeno y no de dióxido de carbono, monóxido de carbono o restos de los hidrocarburos, que son los demás contaminantes habituales.
 
Aunque ambas tecnologías, diésel y gasolina, se basan en la quema de combustibles, gracias a la acción del oxígeno del aire sobre derivados del petróleo, los detalles técnicos de cómo lo hacen difieren notablemente.
 
Revisemos primero los aspectos comunes. Un motor de combustión interna consigue mover un automóvil gracias al siguiente modo de funcionamiento:
 
  • Se introduce combustible vaporizado, y la cantidad de aire necesaria, dentro de una cámara cilíndrica, cuyo suelo es un pistón movible.
  • Con el pistón comprimiendo al máximo la mezcla, la ignición del combustible libera calor y aumenta la presión, impulsando así el cilindro.
  • El movimiento lineal del cilindro se transforma en circular, en las ruedas del automóvil, gracias a la transmisión a través del cigüeñal.
  • Los restos de la explosión se conducen hacia el escape, dejando la cámara libre para un nuevo ciclo.
 
La compresión de la mezcla combustible–aire. Motores diésel vs motores a gasolina
 
Uno de los aspectos clave, quizás el más relevante, para obtener el máximo rendimiento del motor, es el nivel de compresión. Este término designa la disminución del volumen de la mezcla, dentro de la cámara, por acción del cilindro. A mayor disminución del volumen inicial de la mezcla, mayor temperatura alcanza ésta, y mayor será el empuje transmitido al pistón, una vez explote el combustible.
 
El primer motor de combustión interna usaba gasolina, tecnología desarrollada por Nikolaus Otto en 1876. En este motor, la mezcla de gasolina y aire se realiza antes de entrar en la cámara, mediante un carburador o un sistema de inyección. Una vez en la cámara, la ignición se provoca mediante una chispa, en el momento de máxima compresión.
 
El problema es que la mezcla gasolina–aire no puede comprimirse todo lo que se quiera, puesto que la gasolina entra en autoignición mucho antes que el pistón se encuentre en el punto final de su recorrido. Este hecho, identificado como que el motor realiza “falsas explosiones” disminuye el rendimiento sobremanera. Por ello, el límite de compresión, en los motores de gasolina, se encuentra en una disminución de 12 veces del volumen inicial, aunque los valores normales son entre 8 y 10, llegando por ello a presiones de entre 8 y 14 atmósferas. Técnicamente se expresa diciendo que la relación de compresión es 8:1. El rendimiento máximo que puede obtener un motor de estas características es del 30 %.
 
La tecnología diésel fue introducida en 1892 por Rudolph Diesel, con posterioridad a la de gasolina, precisamente para corregir las debilidades de esta última. En los motores diésel, se introduce primero el aire en la cámara, y se comprime hasta el mínimo volumen. Entonces se introduce el combustible mediante microgotas, que se vaporizan inmediatamente y explotan a continuación, sin necesidad de chispa.
 
Esquema de un motor diésel.  El aire se introduce primero, que se comprime en el cilindro.  Después se introduce el combustible, mediante un inyector.  Se consiguen temperaturas y presiones más elevadas, aumentando así el rendimiento del motor, respecto del motor a gasolina
 
Puesto que en los motores diésel sólo se comprime el aire, se puede disminuir el volumen mucho más y alcanzar por ello temperaturas bastante más elevadas. Las relaciones de compresión típicas son 17:1, aunque hay versiones que llegan a 22:1. Este hecho permite llegar a presiones de 40 atmósferas y temperaturas del aire, antes de la combustión, de 550 ºC. Por ello, el rendimiento teórico es más elevado, hasta el 45 %, gracias a las mayores temperaturas conseguidas dentro de la cámara de combustión.
 
Los combustibles: gasolina y diésel
 
Una razón básica por la que la tecnología diésel permite mayores compresiones reside en el combustible, el diésel o gas–oil. ¿Cuál es la diferencia, entre la gasolina y el diésel? Básicamente, se trata de fracciones distintas del petróleo, así denominadas al obtenerse en fases diferentes de la destilación fraccionada del petróleo.
 
Estos componentes del petróleo son hidrocarburos, es decir, compuestos que contienen carbono e hidrógeno. Una forma de visualizar las correspondientes moléculas es disponer el carbono en cadena, definiendo así el esqueleto de la molécula, mientras que el hidrógeno recubre ese esqueleto. Algunos de los compuestos, en muy pequeña proporción, pueden contener además oxígeno, nitrógeno o azufre.
 
En la gasolina predominan los hidrocarburos heptano y octano, es decir, moléculas con siete y ocho átomos de carbono, respectivamente, aunque el intervalo se amplía con compuestos que contienen entre 4 y 10 átomos de carbono. 
 
Representación de la molécula de 2-metil-heptano, uno de los componentes principales de la gasolina
 
En cambio, el diésel está compuesto por moléculas más grandes, con 12 átomos de carbono de media, siendo el intervalo entre 10 y 15. Que hablemos de intervalos y no de componentes fijos es la razón primordial por la que la composición específica de las gasolinas o diésel, que adquirimos en las estaciones de servicio, pueda variar según la compañía que las suministran. A su vez, dependen de la factoría que las obtiene del petróleo, así como del propio yacimiento.
 
En general, las moléculas de la gasolina son más cortas que las diésel. Este simple hecho provoca que se vaporicen más fácilmente, y que entren en ignición a temperaturas y presiones más bajas. La menor longitud de las moléculas que conforman la gasolina, comparado con el diésel, es por tanto la causa de las relaciones de compresión menores en los motores a gasolina que en los motores diésel. Está claro que, en este contexto, la longitud importa...
 
Representación de la molécula de dodecano, uno de los componentes principales del combustible Diésel.  Su mayor longitud permite comprimir más la mezcla combustible-aire, antes de llegar al límite de ignición
 
 
Los productos de la combustión: no todo es dióxido de carbono y agua
 
La energía que permite acelerar el automóvil se obtiene, como es sabido, de la quema del combustible. La combustión de la gasolina y el diésel se describe como aquella reacción química que, al mezclar el hidrocarburo con el oxígeno que contiene el aire, se produce calor, dióxido de carbono y agua. Los gases a alta temperatura que libera la combustión son los responsables entonces del impulso del pistón. Como ya se ha expuesto, la repetición cíclica de la entrada de combustible y aire, su combustión, así como la expulsión de los gases producidos es lo que permite desplazar el automóvil, en último término.
 
Una de las experiencias que más placer produce a los conductores, al menos a una buena parte de éstos y mayoritariamente a los de género masculino, es notar la potencia de los motores. La capacidad de aceleración de los automóviles modernos subyuga a las mentes más racionales. Sin embargo, cuando se persiguen aceleraciones elevadas es cuando empiezan los problemas, y donde nacieron los problemas que llevaron al engaño Volkswagen.
 
Cuando aceleramos, las revoluciones del motor aumentan, puesto que se debe quemar más combustible en menos tiempo y obtener así más empuje. Pero quemar más, en menos tiempo, significa que la mezcla combustible–aire está en contacto menos tiempo. Y eso significa que la reacción de combustión se queda a medias, puesto que la quema completa requiere una mezcla perfecta entre el oxígeno y el hidrocarburo. Esa mezcla requiere tiempo, pues se debe vaporizar la gota de combustible y las moléculas deben difundir suficientemente entre ellas, que es lo que microscópicamente entendemos por mezclar.
 
El resultado es que, a mayor régimen de revoluciones, más productos intermedios de la combustión se obtienen. Estos contaminantes ya se han mencionado al inicio del artículo: monóxido de carbono, restos de hidrocarburos no quemados… y óxidos de nitrógeno.
 
Un momento. Stop. Si describimos la combustión como una reacción entre compuestos que contienen carbono e hidrógeno, más oxígeno… ¿qué pinta ahí el nitrógeno?
 
Ahí es donde el hecho de introducir aire en el motor cobra significado. El aire lo introducimos en el motor como fuente barata de oxígeno, pero el aire contiene un 78 % de nitrógeno. A pesar de que el compuesto es muy inerte, las elevadas temperaturas a las que se llega, debido a la combustión, provocan que la molécula de nitrógeno se rompa. En esas condiciones, el nitrógeno incorpora oxígeno, formando diversos compuestos, que genéricamente se conocen como óxidos de nitrógeno y se designan mediante el término NOx.
 
Óxidos de nitrógeno y motores diésel, un matrimonio mal avenido
 
Las condiciones de funcionamiento de los motores diésel, con presiones y temperaturas mayores que en los motores a gasolina, son las que más favorecen la formación de óxidos de nitrógeno. Su emisión libre es altamente contaminante. Provocan problemas respiratorios en las personas, si las concentraciones son elevadas. En verano, además, incrementan la concentración de ozono a baja altitud, que también es un gas irritante pulmonar. Su emisión, además, permanece bastante tiempo en la atmósfera, puesto que su degradación es lenta.
 
Pero eso no es todo. Los motores diésel favorecen la emisión de óxidos de nitrógeno por un motivo adicional. En la combustión del diésel se añade más aire del necesario, con el objetivo de disminuir al máximo la emisión de partículas sólidas
 
Esquema de la tecnología AdBlue para la eliminación de óxidos de nitrógeno.  Se basa en añadir una solución ultrapura de urea y agua, a los gases de escape, para acelerar la conversión de óxidos de nitrógeno a nitrógeno molecular.
 
Es éste un tema que en tiempos recientes está dando lugar a no poca polémica. En los motores diésel, la fracción que permanece sin quemar forma con facilidad cenizas, es decir, pequeños sólidos de aspecto negruzco, que tantas veces hemos visto emitir en motores antiguos. Estas cenizas permanecen en suspensión, en el aire, mucho más tiempo del que pueda parecer, y son uno de los factores que más problemas de salud causan. De hecho, investigaciones recientes han demostrado que los sólidos más pequeños, de tamaño micrométrico, son los más peligrosos. De ahí que el nivel de estos contaminantes esté muy vigilado, por las inspecciones técnicas de vehículos.
 
La forma de disminuir al máximo la emisión de partículas sólidas consiste en asegurar que la combustión sea lo más completa posible, añadiendo más aire del estrictamente necesario. Con ello se consigue disponer de un exceso de oxígeno, permitiendo así una rotura más completa de las cadenas de carbono de los hidrocarburos.
 
Sin embargo, más aire significa más nitrógeno, y por tanto más óxidos de nitrógeno. Pero menos aire significa más partículas sólidas… ¡vaya, la solución no es fácil!
 
Este problema, conocido desde hace tiempo, ha provocado en décadas recientes cambios importantes, que persiguen mejorar las prestaciones y disminuir al mismo tiempo la emisión de contaminantes. Todos los automóviles, gasolina y diésel, incorporan un catalizador de tres vías, para tratar los gases producidos. Además, los motores diésel incorporan filtros HEPA especiales, para eliminar las partículas. El funcionamiento de los turbocompresores se regula electrónicamente, y los coches de gama alta incorporan un sistema, denominado genéricamente AdBlue, que añade urea a los gases de escape, para eliminar los óxidos de nitrógeno. Finalmente, se han propuesto diversos sistemas de inyección directa, que regulan mediante software la inyección a presión, hasta 2500 atmósferas. Diversas microgotas de combustible son introducidas por etapas dentro del cilindro, con el objetivo de favorecer la combustión más completa.
 
Uno de los motores de Volkswagen, de 2.0 litros, había incorporado en 2008 un sistema propio de inyección directa por conducto común. El problema fue que no conseguía cumplir los estrictos requisitos de emisión de óxidos de nitrógeno, de la poderosa Agencia para la Protección del Medioambiente (EPA, de su nombre en inglés). En 2008, estos estaban fijados en 45 miligramos por kilómetro recorrido, bastante por debajo de los 180 mg/km exigidos entonces por la Unión Europea. La solución más efectiva, la tecnología AdBlue, no era factible por razones de coste, al tratarse de automóviles de gama baja. ¿La “alternativa”? Retocar el software del sistema de inyección directa, de modo que en fase de test disminuía la presión, y la potencia obtenida, para emitir menos óxidos de nitrógeno. 
 
Siento no poca vergüenza ajena, por el uso de tanta inteligencia para esto...
 
Nota adicional
 
El 3 de Febrero de 2016, la cadena de televisión TV3, a través de su Canal 33, emitió un programa de la serie "Quequicom" dedicado a la contaminación de los motores diésel.  Fuí entrevistado por Georgina Pujol para explicar las condiciones de combustión y la emisión de óxidos de nitrógeno, y mostramos una simulación de la combustión de hidrocarburos, efectuada por el Dr. Pablo Gamallo y yo mismo.  Aquí tenéis el enlace (programa en catalán).