Alimentación y encendido del motor de gasolina (III)

En el módulo anterior (1.12.1) se explica cómo se desarrolla la combustión en el motor de gasolina, que se inicia con la chispa en la bujía.

También se comentan las proporciones de mezcla aire–gasolina, dosado, y la elección con menos polución (14,57 gramos de aire por cada gramo de gasolina que indicaremos como 15) desde que la legislación en 1.992/1.993 implicó una fuerte disminución de los gases contaminantes emitidos por el motor.

Se presenta en el anterior módulo la evolución de la alimentación y encendido del motor de gasolina para mejorar la calidad de la combustión.

En el módulo 3.12.1 se ve con más detalle el paso del carburador a los diferentes tipos de inyección, mecánica continua, discontinua y electrónica y también de los sistemas de encendido ya que es una excelente forma de entender las aportaciones de cada evolución.

En este módulo se parte del motor con inyección y encendido electrónicos como base para los complementos anticontaminantes.

Desde al año 1.992 en Europa se ha controlado la contaminación mediante normas que se identifican por EURO y un número, la primera en el año citado es la EURO1 y ha ido evolucionando con más restricciones contaminantes progresivamente.

Aún con el dosado 15, menos contaminante, los gases de la combustión superan la polución admitida por la norma EURO1, lo que implica la inclusión de sistemas que neutralicen el exceso de estos gases y es de lo que trata este módulo.

Se mencionan en las explicaciones sistemas de inyección y encendido que se han estudiado en el anterior 1.12.1, como repaso y seguimiento de la evolución técnica.

Los gases contaminantes del motor de gasolina

La combustión se produce al quemarse la gasolina, compuesta de carbono e hidrógeno C y H, con el oxigeno del aire O, que también contiene nitrógeno N.

Los gases resultantes salen por el escape y tienen efectos contaminantes, directos o indirectos, que afectan a la salud de los seres vivos.

Vemos en un motor de cuatro cilindros en línea los gases que salen por el escape; la  inyección es multipunto simultánea y el encendido electrónico integral con distribuidor:

  • HC hidrocarburos no quemados; son residuos de gasolina sin quemar en forma de gas
  • CO monóxido de carbono; se producen por la combustión entre el oxígeno del aire y el carbono de la gasolina
  • NOX óxidos de nitrógeno; oxígeno y nitrógeno son los componentes básicos del aire, se generan los NOX por el aumento de temperatura durante la combustión combinándose el nitrógeno con el oxígeno sobrante
  • CO2 dióxido de carbono; reacciones entre el carbono de la gasolina y oxígeno del aire en la combustión. También se producen ya en el exterior y más lentamente por el contacto del CO con el oxígeno aire
  • SOX óxidos de azufre; se producen durante la combustión entre el azufre contenido en la gasolina y el oxígeno del aire
  • Particularidades de los gases de escape:
    • HC, CO y NOX; son los tres gases contaminantes y se producen durante la combustión en proporción variable según el dosado. La cantidad emitida depende de la calidad de la combustión, que ha de ser lo más completa posible
    • CO2; su emisión es proporcional al consumo de gasolina, ya que es un gas generado por las reacciones durante la combustión
    • SOX; el azufre que lleva la gasolina se combina a temperatura de combustión con el oxígeno generando este gas contaminante

Cuando más difícil es controlar la combustión, y en consecuencia la emisión de gases contaminantes, es en aceleraciones transitorias.

En este módulo se va a comentar el acelerador electrónico por su relación con la contaminación y en el 3.12.1 se explica al ir desarrollando la evolución de la alimentación del motor de gasolina.

Causas y soluciones

Las causas de la emisión de los gases contaminantes y las soluciones es lo que se va a explicar con la imagen de este automóvil con motor delantero longitudinal y propulsión, el motor tiene cuatro cilindros en línea:

  • Admisión; entrada del aire al motor
  • Filtro de aire; limpia el aire antes de llegar a los cilindros
  • Caudalímetro; mide el caudal de aire para informar al calculador electrónico de inyección y encendido electrónicos
  • Mariposa de gases; regula la cantidad de aire que pasa hacia el motor
  • Línea de escape; va desde los colectores a la salida al exterior e incluye los silenciadores
  • Calculador de inyección y encendido electrónicos I + E; controla las actuaciones de los inyectores y del sistema de encendido que generan las chispas en las bujías
  • Entradas de información; al calculador de I + E para el desarrollo de sus funciones
  • Depósito de gasolina; almacena la gasolina que alimenta al sistema de inyección del motor
  • Bomba de gasolina; es eléctrica y lleva el combustible a presión a los inyectores
  • Filtro de gasolina; el circuito de alimentación desde la bomba a los inyectores pasa por un filtro que acumula posibles impurezas y suciedad para proteger al sistema de inyección
  • Inyectores; uno para cada cilindro, inyección multipunto
  • Bujías de encendido; son las encargadas de iniciar la combustión de la mezcla aire–gasolina por una chispa de alta tensión
  • Distribuidor de encendido y bobina; la bobina multiplica la tensión de batería de 12 voltios para lograr provocar la chispa en las bujías. El distribuidor reparte la alta tensión entre las bujías
  • Acelerador mecánico; la actuación de la mariposa de gases desde el pedal del acelerador se hace mediante un cable flexible de acero, por lo que el sistema es mecánico
  • Funcionamiento del motor; se observa que la inyección es multipunto simultánea y el encendido es electrónico integral con distribuidor. Se resaltan los gases emitidos por el escape
  • Monóxido de carbono CO, hidrocarburos no quemados HC y óxidos de nitrógeno NOX:
    • Son gases nocivos para la salud:
      • CO; enfermedades cardíacas
      • HC; afecta al sistema respiratorio y riesgo de cáncer
      • NOX; irritación de los ojos, sistema respiratorio y más riesgo de infecciones
    • Estos tres contaminantes se generan durante la combustión, en proporción variable según el dosado y la calidad de combustión
    • Solución; catalizador de tres vías o funciones pues va a neutralizar tres gases contaminantes
    • Sonda lambda o de oxígeno; está situada en la entrada del catalizador e informa al calculador de I + E de la relación de los gases de escape con el dosado, para que se mantenga en inyección el menos contaminante, 15
    • Se llama a este dosado lambda 1 y el funcionamiento del motor con el control del calculador de I + E para mantenerlo “bucle cerrado”
  • Otros gases:
    • Dióxido de carbono CO2:
      • No es un contaminante directo, pero potencia el efecto invernadero que causa el calentamiento global de la tierra
      • Su emisión es proporcional a la gasolina quemada en la combustión, es decir al consumo
      • Opción; para reducir su emisión se ha de disminuir el consumo de gasolina
    • Óxidos de azufre SOX:
      • Son gases nocivos para la salud; irritación de los ojos y sistema respiratorio
      • Se producen durante el proceso de combustión por el contenido de azufre en la gasolina
      • Opción; gasolina con menos contenido de azufre

El catalizador, con la sonda lambda, es la solución para limpiar los gases de escape del motor de gasolina, pero requiere que se mantenga el dosado 15 menos contaminante en la combustión de forma permanente, y esto no es posible con el carburador.

Por eso desde la norma EURO1 (para motores de más de 2 litros de cilindrada en 1.992) y EURO2 (para todos los motores en 1.993) la inyección electrónica tomó el relevo con evoluciones posteriores.

El CO2 y el consumo de gasolina

Veamos algunos detalles como repaso con este motor que ya conocemos y particularidades del CO2:

  • Inyección multipunto secuencial y encendido directo (sin distribuidor)
  • Catalizador y sonda lambda; neutraliza antes de salir al exterior los hidrocarburos no quemados HC, monóxido de carbono CO y óxidos de nitrógeno NOX
  • Los óxidos de azufre SOX se producen en la combustión por el contenido de este elemento químico en la gasolina
  • El dióxido de carbono CO2 no es contaminante directo, de hecho es el gas de las bebidas carbónicas
  • Su emisión es proporcional al consumo de gasolina, pudiendo variar según sea su formulación química, pero está en el entorno de +/– 23 a 24 gramos por litro de gasolina consumida
  • Los datos de emisión del CO2 se dan en gramos por cada kilómetro recorrido

Como resumen, los tres gases contaminantes que se han de neutralizar son HC, CO y NOX, para lo que se recurre al catalizador y sonda lambda.

El CO2 es proporcional al consumo por lo que reducirlo es el camino a seguir para lograr su disminución.

Los SOX requieren reformular la gasolina para no necesitar de este elemento, que tiene ventajas por su poder lubricante, lo que implica algunas adaptaciones técnicas en el motor y sistema de inyección para su fiabilidad.

Anticontaminación del motor de gasolina

Ya se ha comentado que el catalizador es imprescindible para neutralizar los tres gases contaminantes emitidos por el motor de gasolina, CO, HC y NOX asistido por la sonda lambda en la entrada para mantener el dosado de la mezcla aire–gasolina en 15, el menos contaminante.

Porqué dosado 15

La elección del dosado 15 es un compromiso de la menor contaminación global de los tres gases implicados; NOX óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono CO e hidrocarburos no quemados HC.

En esta gráfica se ve con detalle:

  • En horizontal (abscisas) se representa el dosado y en vertical (ordenadas) la contaminación o polución
  • Al dibujarse las curvas de los tres gases contaminantes se observa que no siguen la misma pauta, siendo el dosado 15 el que mejor resultado de contaminación global ofrece (el valor real es 14,57)
  • La sonda lambda en la entrada del catalizador mide el dosado de la mezcla e informa al calculador
  • El valor de dosado 15 se denomina lambda 1 y es el que el calculador de I + E trata de mantener durante el funcionamiento del motor
  • Cuando el calculador de inyección y encendido I + E según las informaciones de la sonda lambda mantiene el dosado 15, se dice que el sistema funciona en “bucle cerrado”, pues el calculador de I + E utiliza como dato prioritario la información de la sonda lambda en cada secuencia de actuación
  • Tomando como referencia el dosado 15, los valores más altos corresponden a mezclas pobres (más aire) y los más bajos a mezclas ricas (menos aire)
  • Al acelerar a fondo el calculador de I + E prima la demanda de prestaciones pasando al dosado de máxima potencia de 12,5, entonces el sistema que no tiene en cuenta la información de la sonda lambda funciona en “bucle abierto” (en el módulo anterior 1.12.1 al explicar el dosado se indicaron los tres valores característicos)
  • La emisión de los tres gases contaminantes en cuestión se miden así:
    • NOX óxidos de nitrógeno; en partes por millón PPM
    • CO monóxido de carbono; en % de los gases de escape
    • HC hidrocarburos no quemados; en partes por millón PPM

El dióxido de carbono CO2 que no se contempla en esta gráfica, se mide en gramos por kilómetro recorrido como se ha comentado antes.

Los SOX óxidos de azufre, que tampoco están en la gráfica, se miden e partes por millón PPM.

Las sucesivas normas EURO van reduciendo la cantidad de gases contaminantes que salen al exterior por el escape de los automóviles, requiriendo de evoluciones técnicas cada vez más complejas para la homologación de los automóviles.

Tiempo de inyección y momento de chispa con catalizador

En el módulo anterior 1.12.1 se explicó como el calculador de I + E determina el tiempo de inyección y el momento y duración de la chispa.

Al incorporar el catalizador y la sonda lambda hay variaciones que vemos también de forma didáctica:

  • Tiempo base de inyección; es función de las RPM del motor, caudal y presión del aire de admisión
  • Tiempo compensado; depende de la temperatura del motor (circuito de refrigeración) y de la del aire de admisión, pueden sumar o restar al tiempo base
  • Tiempo de aceleración; lo da la posición de la mariposa de gases y sus movimientos de apertura o cierre, puede sumar o restar a los tiempos anteriores (1)
  • Tiempo corregido; con catalizador la sonda lambda aporta información para mantener el dosado 15, el calculador lo tiene en cuenta como complemento final a los datos anteriores, “bucle cerrado”
  • Tiempo definitivo de inyección; es el resultado del cálculo con todas las informaciones, determina las secuencias de actuación de los inyectores y el tiempo de apertura de todos o de cada uno según sea simultánea o secuencial
  • Instante y duración de chispa; con los mismos datos el calculador induce la chispa en cada bujía en el momento exacto y con la duración precisa

Con inyección multipunto simultánea abren todos los inyectores a la vez al mismo tiempo, con la secuencial cada uno abre en su momento y durante el tiempo necesario independientemente de los demás.

Los sistemas de encendido estático y directo son más precisos que con distribuidor al no haber elementos mecánicos de desgaste para coordinar el reparto a las bujías.

(1) Con aperturas rápidas de la mariposa, aceleraciones bruscas, no es posible mantener el dosado adecuado, además hay riesgo de aportar mezcla demasiado pobre que provoque tirones, por estas razones se suele inyectar algo más de gasolina alterando el dosado ideal de 15.

Para reducir estas situaciones se ha incorporado el acelerador electrónico como respuesta a las exigencias de la norma EURO3 del año 2.000.

Se presenta más adelante en este módulo y se explica en el 3.12.1 con la evolución de la alimentación de gasolina.

Catalizador de tres vías y sondas lambda

El catalizador recibe este nombre por agilizar en su interior las reacciones químicas que tendrían los gases de escape contaminantes en la atmósfera, lo que llevaría bastante tiempo durante el que supondrían riesgos para la salud.

Las reacciones se realizan mediante metales preciosos, platino, paladio y rodio son los más habituales y explican el elevado precio del catalizador.

Estos son sus componentes y funcionamiento:

  • Carcasa; por el exterior es similar a un silenciador
  • Soportes; son placas en varios tramos, tres en este caso, para reducir el riesgo de roturas. Pueden ser cerámicos o metálicos
  • Material poroso; se aplica sobre los soportes y por su forma aumenta mucho la superficie de contacto con los gases de escape. Es poroso para permitir el alojamiento de los siguientes componentes y el paso de los gases
  • Metales preciosos; son generalmente platino, paladio y rodio y reaccionan con los gases contaminantes para que salgan al exterior transformados en gases inocuos. Estas son las reacciones, que vemos en la animación:
    • Platino + oxígeno (O2) = CO2
    • Paladio + oxígeno (O2) = CO2 + vapor de agua (H2O)
    • Rodio + CO = CO2 + nitrógeno (N)
  • Desgastes del catalizador; con el uso los metales preciosos se van consumiendo y los restantes quedan parcialmente tapados por carbonilla, reduciendo su capacidad anticontaminante
  • 2ª sonda lambda; se ubica en la salida del catalizador y si detecta contaminación, que indica que hay alguna anomalía o el catalizador ya no es operativo, informa al calculador de I + E para que encienda el testigo en el cuadro de instrumentos y adapta el funcionamiento del motor a estas circunstancias. Se incorporó desde la norma EURO3

Se aprecia que las reacciones químicas implican la emisión de bastante CO2 en lugar de los gases contaminantes.

El catalizador de tres vías hace en realidad dos funciones, oxidación y reducción:

  • Oxidación; del monóxido de carbono CO e hidrocarburos no quemados HC para dar respectivamente dióxido de carbono CO2 y agua H2
  • Reducción; quitando oxígeno (OX) a los óxidos de nitrógeno NOX para dar dióxido de carbono CO2 y nitrógeno N

Con catalizador gasolina sin plomo

Hasta 1.992 el motor funcionaba con gasolina con plomo, cuyas funciones eran principalmente dos; lubricar la fricción de las válvulas con sus asientos y reducir el riesgo de detonación (“picado de biela”) que es una combustión demasiado rápida.

Pero al incorporar el catalizador….:

  • El plomo destruye los metales preciosos; con un llenado de gasolina con plomo es suficiente para que se fundan los metales preciosos, quedando además bloqueado el paso de los gases por el catalizador
  • Desde la incorporación del catalizador con la norma EURO1 es imperativo utilizar gasolina sin plomo en los coches que lo equipan

La utilización de gasolina sin plomo ha supuesto ciertas adaptaciones en los motores para solucionar las dos funciones que hacia el plomo, que han sido; válvulas y sus asientos de material que soporte el esfuerzo y adaptar los avances de encendido para evitar el riesgo de detonación.

En el módulo 2.12.1 se explica la detonación.

Implantación del catalizador y sondas lambda en el automóvil

Veamos con la siguiente imagen y animaciones la implantación del catalizador y sus complementos en este automóvil con motor delantero longitudinal y propulsión:

  • Es un motor de cuatro cilindros en línea
  • Catalizador y dos sondas lambda, la 1 en la entrada y la 2 en la salida
  • Acelerador electrónico; el pedal del acelerador da informaciones electrónicas al calculador de I + E de las actuaciones del conductor, y el calculador de I + E acciona un motor eléctrico que mueve la mariposa de gases
  • Se trata de amortiguar las aperturas bruscas de la mariposa durante las que es difícil controlar el dosado, lo que implica cierta sensación de respuesta menos contundente del motor
  • Se observa que el encendido es directo y al ver el motor en funcionamiento se identifica la inyección como multipunto secuencial
  • Sonda lambda 1; en la entrada valora los gases de escape para calcular el dosado e informar al calculador de I + E que trata de mantener el dosado 15, es el funcionamiento en bucle cerrado
  • Sonda lambda 2; situada en la salida del catalizador, si detecta contaminación informa al calculador de I + E para que encienda el testigo en el cuadro y se puede llegar a reducir la potencia del motor como protección mecánica

Resumen de este módulo

Repasamos este módulo con la siguiente animación:

  • El motor de gasolina emite por el escape estos gases; monóxido de carbono CO, hidrocarburos no quemado HC, óxidos de nitrógeno NOX, óxidos de azufre SOX y dióxido de carbono CO2
  • Monóxido de carbono CO, hidrocarburos no quemados HC y óxidos de nitrógeno NOX:
    • Son nocivos para la salud
    • Se producen en la combustión
    • La solución es el catalizador de tres vías o funciones:
      • Con metales preciosos para neutralizar los tres contaminantes
      • Dos sondas lambda:
        • Una en la entrada para mantener el dosado 15
        • Y otra en la salida para detectar contaminación e informar al calculador de I + E
      • Con catalizador se ha de utilizar gasolina sin plomo
    • Óxidos de azufre SOX:
      • Son nocivos para la salud
      • Se producen en la combustión por el azufre contenido en la gasolina
      • Se reducen con menos azufre en la gasolina
    • Dióxido de carbono CO:
      • No es contaminante directo, potencia el efecto invernadero causante del calentamiento nuestro planeta
      • Es proporcional al consumo de gasolina
      • Con menor consumo se reducen sus emisiones

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