En los motores de combustión interna , la recirculación de gases de escape ( EGR ) es una técnica de reducción de emisiones de óxido de nitrógeno ( NO x ) utilizada en motores de gasolina , diésel y algunos motores de hidrógeno . [1] La EGR funciona recirculando una parte de los gases de escape de un motor de regreso a los cilindros del motor . Los gases de escape desplazan el aire atmosférico y reducen el O 2 en la cámara de combustión. Al reducir la cantidad de oxígeno, se reduce la cantidad de combustible que puede quemarse en el cilindro, lo que reduce las temperaturas máximas en el cilindro. La cantidad real de gases de escape recirculados varía con los parámetros de funcionamiento del motor.
En el cilindro de combustión, el NOx se produce por mezclas de alta temperatura de nitrógeno atmosférico y oxígeno, y esto ocurre generalmente a la presión máxima del cilindro. En un motor de encendido por chispa, un beneficio adicional de la recirculación de los gases de escape a través de una válvula EGR externa es un aumento en la eficiencia, ya que la dilución de la carga permite una posición más grande del acelerador y reduce las pérdidas de bombeo asociadas. El motor de inyección directa de gasolina SkyActiv turboalimentado de Mazda utiliza gases de escape recirculados y enfriados para reducir las temperaturas de la cámara de combustión, lo que permite que el motor funcione a niveles de impulso más altos antes de que la mezcla de aire y combustible deba enriquecerse para evitar el golpeteo del motor . [2]
En un motor de gasolina, este escape inerte desplaza cierta cantidad de carga combustible en el cilindro, reduciendo efectivamente la cantidad de carga disponible para la combustión sin afectar la relación aire-combustible. En un motor diésel, el gas de escape reemplaza parte del exceso de oxígeno en la mezcla de precombustión. [3] Debido a que el NOx se forma principalmente cuando una mezcla de nitrógeno y oxígeno se somete a alta temperatura, las temperaturas más bajas de la cámara de combustión causadas por la EGR reducen la cantidad de NOx que genera el proceso de combustión. Los gases reintroducidos desde los sistemas EGR también contendrán concentraciones cercanas al equilibrio de NOx y CO; la pequeña fracción inicialmente dentro de la cámara de combustión inhibe la producción neta total de estos y otros contaminantes cuando se muestrean en un promedio de tiempo. Las propiedades químicas de los diferentes combustibles limitan la cantidad de EGR que se puede utilizar. Por ejemplo, el metanol es más tolerante a la EGR que la gasolina. [4]
Los primeros sistemas EGR eran rudimentarios; algunos eran tan simples como un orificio de salida entre los conductos de escape y admisión que admitía el escape al conducto de admisión siempre que el motor estuviera en funcionamiento. El resultado inevitable era un arranque difícil, un ralentí irregular, un rendimiento reducido y una pérdida de economía de combustible. [5] En 1973, una válvula EGR controlada por el vacío del colector se abría o cerraba para admitir el escape al tracto de admisión solo en determinadas condiciones. Los sistemas de control se volvieron más sofisticados a medida que los fabricantes de automóviles adquirían experiencia; el sistema de "recirculación de gases de escape controlada por refrigerante" de Volkswagen de 1973 ejemplificó esta evolución: un sensor de temperatura del refrigerante bloqueaba el vacío en la válvula EGR hasta que el motor alcanzaba la temperatura de funcionamiento normal . [5] Esto evitaba problemas de conducción debido a la inducción innecesaria del escape; el NOx se forma en condiciones de temperatura elevada que generalmente no están presentes con un motor frío. Además, la válvula EGR estaba controlada, en parte, por el vacío extraído del venturi del carburador , lo que permitía una restricción más precisa del flujo de EGR solo a aquellas condiciones de carga del motor en las que es probable que se forme NOx . [6] Más tarde, se añadieron transductores de contrapresión al control de la válvula EGR para adaptar aún más el flujo de EGR a las condiciones de carga del motor. La mayoría de los motores modernos necesitan ahora la recirculación de los gases de escape para cumplir con los estándares de emisiones de NOx . Sin embargo, las innovaciones recientes han llevado al desarrollo de motores que no los requieren. El motor Chrysler Pentastar 3.6 es un ejemplo que no requiere EGR. [7]
Los gases de escape contienen vapor de agua y dióxido de carbono, que tienen una relación de capacidad térmica menor que el aire. Por lo tanto, al agregar gases de escape se reduce la presión y la temperatura durante la compresión isentrópica en el cilindro, lo que reduce la temperatura de llama adiabática .
En un motor de encendido por chispa (SI) típico de un automóvil, entre el 5 % y el 15 % de los gases de escape se envían de regreso a la admisión como EGR. La cantidad máxima está limitada por la necesidad de que la mezcla mantenga un frente de llama continuo durante el evento de combustión; un exceso de EGR en aplicaciones mal configuradas puede causar fallas de encendido y quemaduras parciales. Aunque el EGR ralentiza considerablemente la combustión, esto se puede compensar en gran medida adelantando el tiempo de encendido. El impacto del EGR en la eficiencia del motor depende en gran medida del diseño específico del motor y, a veces, conduce a un compromiso entre la eficiencia y las emisiones de NOx . En ciertos tipos de situaciones, un EGR que funcione correctamente puede, en teoría, aumentar la eficiencia de los motores de gasolina a través de varios mecanismos:
La EGR no suele emplearse con cargas elevadas porque reduciría la potencia máxima de salida, ya que reduce la densidad de carga de admisión. La EGR también se omite en ralentí (baja velocidad, carga cero) porque provocaría una combustión inestable, lo que daría lugar a un ralentí inestable.
Dado que el sistema EGR recircula una parte de los gases de escape, con el tiempo la válvula puede obstruirse con depósitos de carbón, lo que impedirá que funcione correctamente. Las válvulas EGR obstruidas a veces se pueden limpiar, pero es necesario reemplazarlas si están defectuosas.
Debido a que los motores diésel dependen del calor de la compresión para encender el combustible, son fundamentalmente diferentes de los motores de encendido por chispa. El proceso físico de la combustión del combustible diésel es tal que la combustión más completa se produce a las temperaturas más altas. Desafortunadamente, la producción de óxidos de nitrógeno ( NO x ) aumenta a altas temperaturas. El objetivo de la EGR es, por lo tanto, reducir la producción de NO x reduciendo las temperaturas de combustión.
En los motores diésel modernos , el gas de EGR se suele enfriar con un intercambiador de calor para permitir la introducción de una mayor masa de gas recirculado. Sin embargo, existen diseños de EGR sin refrigeración; a menudo se los denomina recirculación de gas caliente (HGR). Los componentes de EGR enfriados están expuestos a cambios rápidos y repetidos de temperatura, lo que puede provocar fugas de refrigerante y fallas catastróficas del motor. [9] [10]
A diferencia de los motores de encendido por chispa , los motores diésel no están limitados por la necesidad de un frente de llama contiguo. Además, dado que los diésel siempre funcionan con exceso de aire, se benefician (en términos de reducción de la emisión de NOx ) de tasas de EGR de hasta el 50 %. Sin embargo, una tasa de EGR del 50 % solo es adecuada cuando el motor diésel está al ralentí, ya que es cuando hay un gran exceso de aire.
Debido a que los motores diésel modernos suelen tener un acelerador, la EGR puede reducir la necesidad de estrangulamiento, eliminando así este tipo de pérdida de la misma manera que lo hace en los motores de encendido por chispa. En un motor de aspiración natural (es decir, sin turbocompresor), dicha reducción del estrangulamiento también reduce el problema de que el aceite del motor sea succionado más allá de los anillos del pistón hacia el cilindro y provoque depósitos de carbón derivados del aceite allí. (Este beneficio solo se aplica a los motores sin turbocompresor).
En los motores diésel, en particular, los sistemas EGR presentan graves inconvenientes, uno de los cuales es la reducción de la longevidad del motor. Por ejemplo, debido a que el sistema EGR envía los gases de escape directamente de regreso a la admisión del cilindro sin ningún tipo de filtración, estos gases de escape contienen partículas de carbono . Y, como estas diminutas partículas son abrasivas, la recirculación de este material de regreso al cilindro aumenta el desgaste del motor. Esto se debe a que estas partículas de carbono pasarán por los anillos del pistón (lo que provocará un desgaste de la interfaz pistón-cilindro en el proceso) y luego terminarán en el aceite del cárter, donde causarán un mayor desgaste en todo el motor simplemente porque su pequeño tamaño pasa a través de los filtros de aceite típicos. Esto permite que recirculen indefinidamente (hasta que se realice el siguiente cambio de aceite). [11]
Los gases de escape, que se componen principalmente de nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua, tienen un calor específico más alto que el aire, por lo que aún sirven para reducir las temperaturas pico de combustión. Sin embargo, agregar EGR a un diésel reduce la relación de calor específico de los gases de combustión en la carrera de potencia . Esto reduce la cantidad de potencia que puede extraer el pistón, lo que reduce la eficiencia termodinámica.
La recirculación de los gases de escape también tiende a reducir la integridad de la combustión del combustible durante la carrera de potencia. Esto se evidencia claramente en el aumento de las emisiones de partículas que corresponde a un aumento de la recirculación de los gases de escape. [12] [13]
Las partículas en suspensión (principalmente carbono y también llamadas hollín) que no se queman en la carrera de potencia representan un desperdicio de energía. Debido a las regulaciones más estrictas sobre partículas en suspensión (PM), el efecto de aumento de hollín de la recirculación de los gases de escape requirió la introducción de controles de emisiones adicionales para compensar los aumentos de emisiones de PM resultantes. El dispositivo de control de hollín más común es un filtro de partículas diésel (DPF) instalado aguas abajo del motor en el sistema de escape. Este captura el hollín pero causa una reducción en la eficiencia del combustible debido a la contrapresión creada.
Los filtros de partículas diésel tienen sus propios requisitos de funcionamiento y mantenimiento muy específicos. En primer lugar, a medida que el DPF captura las partículas de hollín (que se vuelven mucho más numerosas debido al uso de la recirculación de los gases de escape), el propio DPF se va cargando progresivamente de hollín. Este hollín debe quemarse, ya sea de forma activa o pasiva.
A temperaturas suficientemente altas, el componente de dióxido de nitrógeno de las emisiones de NOx es el oxidante principal del hollín atrapado en el DPF a temperaturas de funcionamiento normales. Este proceso se conoce como regeneración pasiva y solo es parcialmente eficaz para quemar el hollín capturado. Y, especialmente a tasas altas de EGR, la eficacia de la regeneración pasiva se reduce aún más. Esto, a su vez, requiere una regeneración activa periódica del DPF quemando combustible diésel directamente en el catalizador de oxidación para aumentar significativamente las temperaturas de los gases de escape a través del DPF hasta el punto en que las partículas en suspensión se incineren por el oxígeno residual en el escape.
Debido a que tanto el combustible diésel como el aceite de motor contienen impurezas no combustibles (es decir, metálicas y minerales), la incineración de hollín (PM) en el DPF deja un residuo conocido como ceniza. Por este motivo, después de varios procesos de regeneración, el DPF debe retirarse físicamente y limpiarse mediante un proceso externo especial, o debe reemplazarse.
Como se ha indicado anteriormente, la alimentación de gases de escape con bajo contenido de oxígeno a la entrada de aire del motor diésel genera temperaturas de combustión más bajas, lo que reduce las emisiones de NOx . Al sustituir parte de la entrada de aire fresco por gases inertes, la EGR también permite al motor reducir la cantidad de combustible inyectado sin comprometer la relación ideal de la mezcla aire-combustible, lo que reduce el consumo de combustible en situaciones de baja carga del motor (por ejemplo, mientras el vehículo se desplaza por inercia o a velocidad crucero). La EGR no reduce la potencia en ningún momento, ya que no se utiliza en situaciones de alta carga del motor. Esto permite que los motores sigan entregando la máxima potencia cuando es necesaria, pero con un menor consumo de combustible a pesar del gran volumen del cilindro cuando la carga parcial es suficiente para satisfacer las necesidades de potencia del coche y del conductor.
La EGR no tiene nada que ver con la redirección del vapor de aceite desde un sistema de ventilación positiva del cárter (PCV), ya que este último solo está allí para reducir las emisiones de vapor de aceite y puede estar presente en motores con o sin sistema EGR. Sin embargo, la mezcla tripartita resultante de emplear tanto EGR como PCV en un motor (es decir, gases de escape, aire fresco y vapor de aceite) puede causar la acumulación de alquitrán pegajoso en el colector de admisión y las válvulas. Esta mezcla también puede causar problemas con componentes como las aletas de turbulencia , si están instaladas. (Estos problemas, que efectivamente toman la forma de un bucle de retroalimentación positiva indeseable, empeorarán a medida que el motor envejece. Por ejemplo, a medida que los anillos del pistón se desgastan progresivamente, más aceite del cárter ingresará en la corriente de escape. Simultáneamente, más combustible, hollín y subproductos de la combustión tendrán acceso al aceite del motor).
El resultado final de esta recirculación tanto de los gases de escape como de los vapores de aceite del cárter es un nuevo aumento de la producción de hollín, que sin embargo es contrarrestado eficazmente por el DPF, que los recoge y al final quemará las partículas no quemadas durante la regeneración, convirtiéndolas en emisiones de CO2 y vapor de agua que, a diferencia de los gases NOx, no tienen efectos negativos para la salud. [14]
Los sistemas modernos de recirculación de gases de escape (EGR) refrigerados ayudan a reducir el desgaste del motor al utilizar el calor residual recuperado de los gases recirculados para ayudar a calentar el refrigerante y, por lo tanto, el bloque del motor más rápido hasta la temperatura de funcionamiento. Esto también ayuda a reducir el consumo de combustible al reducir el tiempo después de los arranques en frío durante el cual el controlador del motor tiene que inyectar cantidades algo mayores de combustible en los cilindros para contrarrestar los efectos de la condensación del vapor de combustible en las paredes de los cilindros y la menor efectividad de la combustión debido a que el bloque del motor aún está por debajo de la temperatura de funcionamiento ideal. La reducción de las temperaturas de combustión también ayuda a reducir la oxidación del aceite del motor, ya que el factor más importante que afecta a esto es la exposición del aceite a altas temperaturas. [15]
Aunque los fabricantes de motores se han negado a publicar detalles del efecto de la EGR en el ahorro de combustible, las regulaciones de la EPA de 2002 que llevaron a la introducción de la EGR enfriada se asociaron con una caída del 3% en la eficiencia del motor, contrarrestando así la tendencia de un aumento anual del 0,5%. [16]
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