Funcionamiento de los sistemas de control de emisiones de los motores térmicos de combustión interna

Las emisiones de gases contaminantes

Las distintas normativas aplicables a las emisiones de los motores de combustión interna establecen límites para los gases contaminantes, que varían según las condiciones de funcionamiento del motor y el tipo de combustible utilizado (diésel, gas, hidrógeno…).
Estos sistemas de depuración necesitan temperaturas altas para funcionar bien y, por eso, hay que colocarlos lo más cerca posible de la salida del motor.

En el caso de los motores diésel, los límites se aplican a los siguientes contaminantes:

• Monóxido de carbono (CO)
• Hidrocarburos no quemados (HC)
• Óxidos de nitrógeno (NOx: NO, NO₂, N₂O)
• Partículas finas en masa (PM) y en número (PN)

Soluciones para reducir las emisiones de gases contaminantes

1. Catalizador de oxidación: Se coloca al principio del sistema, lo más cerca posible del motor. Trata los HC, el CO y los COV mediante oxidación catalítica.
2. Filtro de partículas (FAP/DPF): Reduce significativamente las emisiones de partículas finas PM y PN mediante la filtración a través de paredes porosas.
3. SCR: La técnica más eficaz para reducir los NOx. Inyección de AdBlue antes del catalizador SCR.

Sistema de depuración en línea de los gases de escape de un motor diésel

1. El catalizador de oxidación

Los contaminantes como los HC, el CO y otros COV se oxidan a temperaturas muy altas, transformándose en H₂O y CO₂: eslo que se conoce como oxidación térmica. Para que estas reacciones se produzcan a temperaturas más bajas, se utiliza un catalizador para llevar a cabo una oxidación catalítica.

Su función principal es tratar los hidrocarburos no quemados (HC) y el monóxido de carbono (CO), pero también los compuestos orgánicos volátiles (COV), los aldehídos y otros contaminantes nocivos del aire. Es un sistema pasivo que no necesita que le eches ningún aditivo ni que lo regeneres regularmente para funcionar.

2. El tratamiento de las partículas de los motores diésel

Las partículas de hollín que emiten los motores diésel se pueden reducir con distintos grados de eficacia, dependiendo del sistema de postratamiento que se elija.

El filtro abierto (POC — Catalizador de oxidación de partículas)

El POC es un sistema de «filtro abierto», a diferencia del FAP, que es un «filtro cerrado». Captura y almacena las partículas el tiempo suficiente para que la oxidación catalítica pueda transformarlas.

Un POC saturado siempre garantizará el paso de los gases de escape, pero perderá capacidad de conversión. A diferencia del FAP, no hay riesgo de que se atasque el sistema de depuración. Su sustrato suele ser metálico, formado por láminas planas y onduladas enrolladas sobre sí mismas.

La oxidación de las partículas se lleva a cabo gracias al NO₂ que genera el catalizador de oxidación (DOC) situado aguas arriba, que reacciona con las partículas de hollín para transformarlas en productos gaseosos.

Sustrato metálico que forma parte de un POC

3. SCR — Reducción catalítica selectiva

La eliminación de los óxidos de nitrógeno (NOx)

Las dos tecnologías que más se usan para reducir las emisiones de NOx sonel EGR (recirculación de gases de escape) y el SCR (reducción catalítica selectiva).

El EGR recicla parte de los gases de escape hacia la admisión, lo que reduce el aporte de oxígeno y limita la producción de NOx. Esto se puede conseguir mediante el cruce de válvulas (EGR interno) o mediante un circuito externo que conecta el escape con la admisión a través de una válvula EGR (EGR externo). Aunque son eficaces, estas tecnologías no son lo suficientemente eficaces como para alcanzar los niveles de reducción de NOx que se exigen hoy en día.

El SCR, junto con el EGR, permite reducir significativamente los niveles de NOx y es, a día de hoy, la técnica más eficaz. Se inyecta una solución líquida de urea (AdBlue) en el tubo de escape, antes del SCR — donde, bajo el efecto del calor, se descompone en amoníaco y entra en una reacción química que transforma los NOx en nitrógeno (N₂), vapor de agua (H₂O) y dióxido de carbono (CO₂).

Sistema SCR

La reducción catalítica selectiva

El convertidor catalítico SCR es de tipo monolítico, con una estructura alveolar. La reacción catalítica se produce en las zonas activas de conversión, que están depositadas en forma de una fina capa sólida sobre el sustrato. El AdBlue contiene un 67,5 % de agua y un 32,5 % de urea.

Las 4 reacciones de reducción de NOx en un SCR con inyección de urea

CO(NH₂)₂ → NH₃ + HNCO·Termólisis de la urea
HNCO + H₂O → NH₃ + CO₂·Hidrólisis del HNCO
4NH₃ + 4NO + O₂ → 6H₂O·Reacción SCR estándar
2NH₃ + NO + NO₂ → 2N₂ + 3H₂O·Reacción SCR rápida
Punto a tener en cuenta: un problema habitual es la oligomerización y la polimerización del HNCO en un derivado sólido de la urea que se descompone lentamente incluso a altas temperaturas. Las consecuencias son una dispersión heterogénea del amoníaco y una posible obstrucción del catalizador. El sistema de inyección debe garantizar una buena homogeneidad en la dispersión del NH₃ sobre la superficie del catalizador.

Datos típicos para el dimensionamiento de un SCR

• Caudal máximo de gases (Nm³/h)
• Temperatura de los gases a la entrada del SCR (°C)
• Nivel de NOx a la entrada del SCR (mg/Nm³)
• Reducción de NOx requerida (%)
• Concentración máxima de NH₃ en la salida (ppm)
• Pérdida de carga del SCR (mbar)

Reacciones de reducción catalítica selectiva en un SCR