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.
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.
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.
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...
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.
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).
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