En los motores de combustión interna , la recirculación de gases de escape ( EGR ) es una técnica de reducción de emisiones de óxido de nitrógeno ( NOx ) utilizada en motores de gasolina , diésel y algunos motores de hidrógeno . [1] La EGR funciona recirculando una porción 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. Reducir la cantidad de oxígeno reduce la cantidad de combustible que puede quemarse en el cilindro, reduciendo así las temperaturas máximas dentro del cilindro. La cantidad real de gases de escape recirculados varía según los parámetros de funcionamiento del motor.
En el cilindro de combustión, el NOx se produce mediante mezclas a alta temperatura de nitrógeno atmosférico y oxígeno, y esto generalmente ocurre a la presión máxima del cilindro. En un motor de encendido por chispa, un beneficio adicional de la recirculación de 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 mayor posición del acelerador y reduce las pérdidas de bombeo asociadas. El motor turboalimentado de inyección directa de gasolina SkyActiv de Mazda utiliza gases de escape recirculados y enfriados para reducir las temperaturas de la cámara de combustión, permitiendo así 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, los gases de escape reemplazan parte del exceso de oxígeno en la mezcla de precombustión. [3] Debido a que el NO x se forma principalmente cuando una mezcla de nitrógeno y oxígeno se somete a altas temperaturas, las temperaturas más bajas de la cámara de combustión causadas por la EGR reducen la cantidad de NO x 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 toman muestras 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 toscos; algunos eran tan simples como un chorro de orificio entre los tractos de escape y de admisión que admitía el escape al tracto de admisión cuando el motor estaba en marcha. Inevitablemente, el resultado fue un arranque difícil, un ralentí brusco, 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 sólo bajo ciertas condiciones. Los sistemas de control se volvieron más sofisticados a medida que los fabricantes de automóviles adquirieron experiencia; El sistema de "recirculación de gases de escape controlado 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 evitó problemas de capacidad de conducción debido a una inducción de escape innecesaria; Los NOx se forman 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 sólo a aquellas condiciones de carga del motor en las que es probable que se forme NOx . [6] Posteriormente, se agregaron 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 las normas sobre emisiones de NOx . Sin embargo, las innovaciones recientes han llevado al desarrollo de motores que no las requieren. El motor 3.6 Chrysler Pentastar es un ejemplo que no requiere EGR. [7]
Los gases de escape contienen vapor de agua y dióxido de carbono, ambos con una relación de capacidad calorífica menor que el aire. Por lo tanto, agregar gas de escape reduce la presión y la temperatura durante la compresión isentrópica en el cilindro, reduciendo así la temperatura de la 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 devuelven a la admisión como EGR. La cantidad máxima está limitada por la necesidad de la mezcla de mantener un frente de llama continuo durante el evento de combustión; Un EGR excesivo en aplicaciones mal configuradas puede provocar fallos de encendido y quemaduras parciales. Aunque la EGR ralentiza considerablemente la combustión, esto puede compensarse en gran medida avanzando la sincronización de la chispa. El impacto de la EGR en la eficiencia del motor depende en gran medida del diseño específico del motor y, en ocasiones, 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:
Por lo general, la EGR no se utiliza con cargas elevadas porque reduciría la producción de potencia máxima. Esto se debe a que reduce la densidad de carga de admisión. La EGR también se omite en ralentí (baja velocidad, carga cero) porque causaría una combustión inestable, lo que resultaría en un ralentí irregular.
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 la válvula está defectuosa.
Debido a que los motores diésel dependen del calor de compresión para encender su 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 tanto, reducir la producción de NOx reduciendo las temperaturas de combustión.
En los motores diésel modernos , el gas EGR suele enfriarse con un intercambiador de calor para permitir la introducción de una mayor masa de gas recirculado. Sin embargo, existen diseños de EGR sin enfriar; Estos a menudo se denominan recirculación de gases calientes (HGR).
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 motores diésel siempre funcionan con exceso de aire, se benefician (en términos de producción reducida de NOx ) de índices de EGR de hasta el 50%. Sin embargo, un porcentaje de EGR del 50% sólo es adecuado cuando el motor diésel está al ralentí, ya que en este caso existe un gran exceso de aire.
Debido a que los motores diésel modernos suelen tener un acelerador, la EGR puede reducir la necesidad de acelerar, eliminando así este tipo de pérdida de la misma manera que lo hace con los motores de encendido por chispa. En un motor de aspiración natural (es decir, no turboalimentado), dicha reducción en la aceleración también reduce el problema de que el aceite del motor sea aspirado más allá de los anillos del pistón hacia el interior del cilindro y provoque allí depósitos de carbón derivados del aceite. (Este beneficio solo se aplica a motores sin turbocompresor).
En particular, en los motores diésel, los sistemas EGR presentan serios inconvenientes, uno de los cuales es la reducción de la longevidad del motor. Por ejemplo, debido a que el sistema EGR dirige 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, debido a que estas pequeñas partículas son abrasivas, la recirculación de este material hacia el cilindro aumenta el desgaste del motor. Esto se debe a que estas partículas de carbón volarán a través de los anillos del pistón (causando desgaste de la interfaz pistón-cilindro en el proceso) y luego terminarán en el aceite del cárter, donde causarán mayor desgaste en todo el motor simplemente porque su pequeño tamaño pasa a través de ellos. Filtros de aceite típicos. Esto les permite recircularse indefinidamente (hasta que se realice el próximo cambio de aceite). [9]
Los gases de escape, que consisten principalmente en 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 máximas 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, reduciendo así la eficiencia termodinámica.
La EGR también tiende a reducir la integridad de la combustión del combustible durante la carrera de potencia. Esto es claramente evidente por el aumento de las emisiones de partículas que corresponde a un aumento de la EGR. [10] [11]
Las partículas (principalmente carbono y también conocidas como hollín) que no se queman en el golpe de potencia representan un desperdicio de energía. Debido a regulaciones más estrictas sobre partículas (PM), el efecto de aumento del hollín de la EGR requirió la introducción de controles de emisiones adicionales para compensar los aumentos resultantes en las emisiones de PM. 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. Esto captura el hollín pero provoca una reducción en la eficiencia del combustible debido a la contrapresión creada.
Los filtros de partículas diésel vienen con su propio conjunto de requisitos operativos y de 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 EGR), el propio DPF se carga progresivamente de hollín. A continuación, este hollín debe quemarse de forma activa o pasiva.
A temperaturas suficientemente altas, el componente de dióxido de nitrógeno de las emisiones de NO x es el oxidante principal del hollín atrapado en el DPF a temperaturas de funcionamiento normales. Este proceso se conoce como regeneración pasiva y sólo es parcialmente eficaz para quemar el hollín capturado. Y, especialmente con índices de EGR elevados, la eficacia de la regeneración pasiva se reduce aún más. Esto, a su vez, requiere una regeneración activa periódica del DPF mediante la quema de combustible diesel 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 son incineradas por el oxígeno residual en el escape.
Debido a que tanto el combustible diesel 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 esta razón, después de repetidos eventos de regeneración, eventualmente el DPF debe retirarse físicamente y limpiarse en un proceso externo especial, o debe reemplazarse.
Como se señaló anteriormente, la alimentación de los gases de escape con bajo contenido de oxígeno a la entrada de aire del motor diesel genera temperaturas de combustión más bajas, reduciendo así las emisiones de NOx . Al reemplazar parte de la entrada de aire fresco con gases inertes, el EGR también permite que el motor reduzca la cantidad de combustible inyectado sin comprometer la relación ideal de mezcla de aire y combustible, reduciendo así el consumo de combustible en situaciones de baja carga del motor (por ejemplo, mientras el vehículo está en inercia). o de crucero). La EGR no reduce la potencia en ningún momento, ya que la EGR no se utiliza en situaciones de alta carga del motor. Esto permite que los motores sigan entregando la máxima potencia cuando sea necesario, pero reduciendo el consumo de combustible a pesar del gran volumen del cilindro cuando la carga parcial es suficiente para satisfacer las necesidades de energía del automóvil y del conductor.
EGR no tiene nada que ver con el desvío de vapor de aceite desde un sistema de ventilación positiva del cárter (PCV), ya que este último solo está ahí 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 del empleo de EGR y PCV en un motor (es decir, gases de escape, aire fresco y vapor de aceite) puede provocar 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 , cuando las haya. (Estos problemas, que efectivamente toman la forma de un circuito de retroalimentación positiva indeseable, empeorarán a medida que el motor envejece. Por ejemplo, a medida que los anillos del pistón se desgastan progresivamente, entrará más aceite del cárter en el flujo de escape. Simultáneamente, más combustible y El hollín y los 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 nuevamente un aumento en la producción de hollín, que sin embargo es efectivamente contrarrestado por el DPF, que los recoge y finalmente quema las partículas no quemadas durante la regeneración, convirtiéndolas en CO2. y las emisiones de vapor de agua que, a diferencia de los gases NOx, no tienen efectos negativos para la salud. [12]
Los sistemas EGR refrigerados modernos 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 rápidamente a la temperatura de funcionamiento. Esto también ayuda a reducir el consumo de combustible al reducir el tiempo después del arranque 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 todavía está quieto. estar por debajo de la temperatura de funcionamiento ideal. Reducir las temperaturas de combustión también ayuda a reducir la oxidación del aceite del motor, ya que el factor más importante que afecta es la exposición del aceite a altas temperaturas. [13]
Aunque los fabricantes de motores se han negado a revelar detalles del efecto de la EGR en el ahorro de combustible, las regulaciones de la EPA de 2002 que condujeron a la introducción de la EGR enfriada se asociaron con una caída del 3% en la eficiencia del motor, contrarrestando así la tendencia de una caída anual del 0,5%. aumentar. [14]
