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No todo es culpa del diésel. Así se forman los NOx en los motores de gasolina

Desde hace ya algún tiempo, pero especialmente tras el escándalo del Dieselgate de Volkswagen, las plataformas "antidiésel" salen como las setas en otoño. Después de más de una década dominando de manera abrumadora el mercado europeo con casi el 70 % de las matriculaciones en algunos países, en el último año están casi a la par que las de gasolina.

Parece que hemos pasado de alabar sus buenas prestaciones y bajos consumos a convertirlos en los culpables del aire irrespirable de nuestras ciudades, del aumento de casos de enfermedades del sistema respiratorio, las alergias...

Que las emisiones de los motores diésel son perjudiciales para la salud es un hecho incontestable, pero es que los de gasolina actuales no son unas hermanitas de la caridad precisamente. A medida que los fabricantes tienen que extraer más energía de cada gota de combustible y reducir las emisiones de CO₂ aparecen otros productos en los gases de los motores de gasolina.

LOS NOX Y LAS PARTÍCULAS EMITIDAS POR LOS SISTEMAS DE ESCAPE ESTÁN ENTRE LOS PRINCIPALES CAUSANTES DE SMOG.

Antes, las únicas partículas que emitían estas mecánicas eran pequeñas gotas de gasolina que no habían ardido por completo, pero ahora que se ha aumentado mucho la presión y la temperatura en los cilindros para mejorar el rendimiento, también surgen los temidos NOx y partículas cancerígenas en ellas.

En los motores diésel la mezcla de aire y combustible arde debido a las elevadas presiones y temperaturas que hay en el cilindro.

La diferencia principal entre un motor de gasolina y uno diésel es que en el primero se tiene que preparar una mezcla explosiva que se detona con una chispa, mientras que en el segundo lo que hace es arder una mezcla debido al calor y la presión que se generan en el cilindro.

Mientras que la mezcla de gasolina debe ser estequiométrica para poder explotar a unas presiones relativamente bajas y cuando salte la chispa, el diésel se inflama sin necesidad de que la mezcla sea muy precisa, de hecho, los motores diésel siempre trabajan con mezcla pobre debido, con un exceso de aire; por eso no necesitan mariposa en el acelerador, un motor diésel siempre aspira todo el aire que es capaz de entrar en sus cilindros.

Esta diferencia básica en el funcionamiento produce que los motores diésel generen más NOx- entre 3 y 10 veces más- y más partículas de hollín, pero es que, con la búsqueda de mayores rendimientos y de obtener más energía de cada gota de combustible, los motores de gasolina poco a poco funcionan de una manera más parecida a los diésel. Para entender esto vamos a ver primero a qué nos referimos con NOx.

¿Qué son los NOx?

Los NOx son óxidos de nitrógeno producidos por las elevadas temperaturas y presiones en las cámaras de combustión.

Se conocen como NOx un grupo de compuestos químicos que son óxidos de nitrógeno. Tanto el oxígeno como el nitrógeno son gases inocuos que están presentes en el aire que respiramos, el problema es cuando se combinan.

Según sea la reacción química en la que se juntan las moléculas de oxígeno y las de nitrógeno pueden surgir varios compuestos N₂O, N₂O₃, NO₂, NO, N₂O₅... Todos estos compuestos se engloban dentro de los NOx.

En los motores de combustión, la mayoría de los NOx que se producen son en realidad dióxidos de nitrógeno (NO₂) que es un gas muy peligroso para la salud. Además de que es irritante en sí mismo, si se combina con hidrógeno (que también está presente en el aire y en el agua de nuestras células) se transforma en ácido nítrico, y respirar ácido no es bueno.

¿Qué son las partículas que emiten los motores?

Los motores diésel emplean filtros anti partículas y catalizadores NOx para reducir estas emisiones y cumplir la ley. Los motores de gasolina están por ahora exentos de esta obligatoriedad.

Si las reacciones químicas que tienen lugar en los cilindros fuesen perfectas, lo único que debería generarse al quemar un hidrocarburo mezclado con aire tendría que ser agua y CO₂. Por desgracia, en la naturaleza no existen las reacciones perfectas, del mismo modo que no existe el movimiento perpetuo.

En la combustión dentro de los cilindros quedan algunas gotas de combustible que no llegan a arder por completo, además de otros productos que no reaccionan en el proceso (azufres del combustible, gases presentes en el aire, restos de aceite de la lubricación del motor...).

Las altas temperaturas que se alcanzan en los cilindros hacen que esas partículas se conviertan en cenizas que salen expulsadas por el tubo de escape. Estas partículas son muy pequeñas, tanto como para llegar a entrar en nuestro organismo y adherirse a nuestras células, que las pueden llegar a absorber y provocar mutaciones en ellas, es decir, son muy cancerígenas.

Para evitarlo, como los motores diésel son los que más partículas sólidas emiten, es obligatorio desde hace ya años el incorporar un filtro antipartículas, encargado de atraparlas. Los motores de gasolina no generaban tantas partículas —prácticamente ninguna en el pasado— pero a medida que se ha mejorado su rendimiento y sus presiones de trabajo, cada vez emiten más, aunque las autoridades todavía no han legislado nada al respecto.

¿Cómo se producen los NOx y las partículas en los motores de gasolina?

Los motores de inyección directa de gasolina actuales generan elevadas cantidades de NOx y partículas debido a las presiones y las mezclas pobres de combustible.

Para hacerlo entendible utilizaré un ejemplo que más o menos todos hemos experimentado en nuestra vida, prepararnos un colacao.

Seguramente que has notado que es más fácil diluir el cacao en la leche caliente que cuando está fría. La temperatura es un factor importante a la hora de realizar una mezcla y en las reacciones químicas. Si la temperatura de la leche no es la adecuada o nos pasamos con el cacao, quedarán grumos. Lograr que la mezcla sea perfecta y sin grumos requiere que la leche tenga una temperatura apropiada, remover durante un tiempo suficiente y no pasarnos en las proporciones.

Si hay poco cacao y mucha leche (mezcla pobre) aquello no sabe a nada. Si nos pasamos con el cacao se convierte en un ladrillo intragable. Si no removemos lo suficiente (si no damos tiempo a que tenga lugar la reacción química) o no calentamos la leche a la temperatura óptima, en lugar de hacer reaccionar toda la leche con todo el cacao tendremos partes de leche sin mezclar y grumos de cacao.

Pues con las reacciones químicas en los cilindros de los motores de gasolina pasa algo muy similar. Para que la reacción sea perfecta (para que toda la gasolina se mezcle con todo el aire), la proporción de aire y gasolina debe ser perfecta, es decir, un mol de moleculas de combustible tienen que reaccionar con un mol de moléculas de aire. El peso atómico de las moléculas de gasolina es 14 veces más grande que el de las de aire, por lo que para que reaccionen el mismo número de moléculas de uno y otro. En este caso la proporción es de 14 a 1.

Los motores de inyección directa de gasolina actuales generan elevadas cantidades de NOx y partículas debido a las presiones y las mezclas pobres de combustible.

Los motores diésel, en cambio, no trabajan con una mezcla estequiométrica, siempre funcionan con un exceso de aire, por eso consumen menos. La evolución de las mecánicas de gasolina es tratar de imitar el funcionamiento de los diésel para mejorar su rendimiento. En realidad, los motores de inyección directa de gasolina actuales funcionan como un diésel con mezcla pobre cuando vamos a punta de gas (llaneando) y pasan a funcionar con mezcla estequimétrica cuando aceleramos.

Para lograr que la mezcla explote cuando funciona con poco combustible, lo que se hace es aumentar la compresión en los cilindros y concentrar la gasolina cerca de la bujía, de forma que alrededor de la chispa tengamos una mezcla estequiométrica que sí sea inflamable y con cierta cantidad de energía.

Sin embargo, en el cilindro hay un exceso de aire que no llega a reaccionar por completo con el combustible, pero como se alcanzan unas temperaturas elevadas debido a las altas compresiones y a la energía de la explosión, empiezan a reaccionar algunos componentes del aire que, si tuviesen otra pareja con la que relacionarse no lo harían.

NI EL AIRE QUE RESPIRAMOS NI LA GASOLINA SON MOLÉCULAS PERFECTAS. LO QUE RESPIRAMOS NO ES SÓLO OXÍGENO Y EN LA GASOLINA HAY AZUFRES, ANTIDETONANTES, ADITIVOS, OTROS COMPUESTOS CONTAMINANTES...

Cuando el motor trabaja en régimen estratificado (se llama así a la mezcla pobre porque ésta se estratifica cerca de la bujía para que allí sea más rica, como decía antes), las moléculas del aire de admisión que no encuentran combustible con el que reaccionar, como están sometidas a mucha presión y temperatura empiezan a intimar con malas compañías y ya tenemos el lío padre.

En esta imagen se aprecia como el inyector se posiciona muy cerca de la bujía para que la mezcla en su proximidad sea más rica en gasolina.

Sí, hemos mejorado el rendimiento del motor y sacamos más energía de cada gota de gasolina, pero como no tenemos la leche a la temperatura ideal (está demasiado caliente), ni las proporciones son perfectas (hay poco cacao), el resultado son grumos (NOx y otras impurezas).

Hasta ahora, los diésel eran los motores que más NOx y subproductos generaban en la combustión, pero los motores de gasolina modernos son verdaderas máquinas de producir "subproductos" muy dañinos. Por desgracia, buscando reducir los consumos y las emisiones de CO y CO₂, hemos acabado produciendo otras moléculas que son más dañinas, además de cenizas cada vez más finas que se pueden adherir a nuestras células provocando cáncer.

¿Cómo eliminar los NOx y las partículas?

Los motores de gasolina de inyección directa tendrán que equipar filtros anti partículas denominados GPF (gasoline particle filter), similares a los empleados en los diésel.

Ya vemos que, tanto las partículas como los NOx, se producen por una reacción química. Lo mismo que se generan, se pueden eliminar.Basta con introducir un nuevo "laboratorio" en el motor del coche que se encargue de provocar nuevas reacciones químicas que transformen estos gases y productos en otros.

Lo bueno es que hay una solución a este problema, lo malo es que cuestan dinero (menos que unas llantas de 18 pulgadas, pero no molan tanto) y son susceptibles de producir averías. Como, además, las autoridades de momento no han prestado atención a este problema, los motores de gasolina se libran de las severas normas anti partículas de los diésel, porque hasta ahora estaban fuera de la polémica.

Volkswagen —muy oportuna después de la mala fama que se ha ganado por el engaño en sus emisiones— acaba de anunciar que será la primera marca en introducir filtros de partículas en los sistemas de escape de sus motores de gasolina.

EN QUÍMICA UN CATALIZADOR ES ALGO QUE FAVORECE UNA REACCIÓN QUÍMICA PERO QUE NO INTERVIENE EN ELLA.

Para eliminar los NOx la solución es un catalizador especial. En el caso de los coches, el catalizador es una pieza cerámica con mucha superficie expuesta al paso de los gases (más o menos una hectárea) pero que está "doblada" tantas veces como para que quepa en una especie de tubo de unos 15 cm de diámetro y 30 cm de largo.

Esa superficie cerámica está recubierta de metales preciosos que hacen el mismo efecto que el alcohol en una discoteca a las 5 de la mañana. Ese chico o esa chica a la que unas horas antes no te habrías acercado ni con un palo, no sabes como acabas liándote con él o ella. Pues con los gases de escape lo mismo.

Las moleculas de NOx, los restos de combustible sin quemar, etcétera, al estar en contacto con estos metales y con la temperatura que se acumula en el catalizador empiezan a interactuar con el oxígeno y otros gases presentes en el escape y se convierten en otras moléculas que no son nocivas, principalmente N₂, O₂ y CO₂. Para que haya suficiente "material" en el sistema de escape como para poder transformar todos los NOx en otras moléculas, se inyecta en el sistema de escape urea. AdBlue es su nombre comercial, suena más fino que "orina diluida en agua", pero es simplemente eso: orina.

Las partículas, como ya son un producto sólido, es más difícil hacerlas reaccionar, así que lo que se hace es atraparlas en un filtro y, cuando éste está a punto de saturarse, se eleva la temperatura en el filtro para incinerarlas por completo.

¿Qué problemas tienen los GPF y los catalizadores NOx?

Los filtros anti partículas se obstruyen y precisan de dispositivos complejos para su funcionamiento. Esto, además de encarecer el coche, aumenta el riesgo de sufrir averías.

El principal problema que tienen estos dos dispositivos es que cuestan dinero. Especialmente el catalizador NOx supera los 2.000 euros por la cantidad de metales preciosos que posee en su interior, como el platino o el paladio. El filtro de partículas, en cambio, es mucho más barato, del orden de los 150 euros para el fabricante.

El siguiente problema de estos elementos es que se integran en la corriente de gases de escape, lo cual reduce la potencia del motor y aumenta el consumo. Por suerte su diseño ha mejorado mucho y cada vez absorben menos energía en el flujo de los gases.

Sin embargo, para el dueño del coche la mayor pega es que estos dispositivos son susceptibles de padecer averías, algo que saben muy bien los que tienen un coche diésel posterior al 2004, año en el que se empezaron a instalar este tipo de filtros.

LA CIUDAD Y LOS RECORRIDOS CORTOS AUMENTAN LAS AVERÍAS

En estos casos el motor no llega a alcanzar la temperatura suficiente ni lo hacemos girar a las revoluciones necesarias como para que en los gases de escape haya la suficiente energía para que tengan lugar los procesos químicos necesarios.

Hasta hace una década, aproximadamente, los motores diésel tenían fama de ser "más duros" que los de gasolina. En efecto, su construcción es más robusta. Sin embargo, la incorporación de estos filtros anti partículas, los complejos sistemas de inyección a alta presión (por encima de los 2.000 bar) y la sobrealimentación con turbos los ha encarecido y ha reducido su fiabilidad, hasta el punto de que, a día de hoy, un motor de gasolina es menos problemático que un diésel.

Los motores de inyección indirecta de gasolina trabajaban con el combustible a una presión de 3 o 4 bar. Los motores actuales están todos por encima de los 200 bar, incluso llegan a los 400 bar. Si alguna vez te has mojado la mano con gasóleo en una gasolinera, sabrás que el diésel tiene un tacto aceitoso. En efecto, el gasóleo tiene ciertas propiedades lubricantes. Sin embargo, la gasolina se evapora rápidamente y no deja residuos. Su capacidad lubricante es mínima. Esto hace que tanto las bombas de alta presión como los inyectores de gasolina modernos estén sometidos a una erosión bastante elevada y empiezan a ser más frecuentes sus averías.

Como conclusión debemos asumir que, si queremos motores eficientes desde el punto de vista termodinámico —que tengan potencia y gasten poco, para entendernos— y que además sean lo más inocuos para el medio ambiente y los organismos vivos, los motores serán cada vez más complicados. Ser más complejo implica que sea más caro y, además, con más papeletas para sufrir averías.

En cualquier caso, siempre sale perdiendo el mismo: todos. Si no se incorporan estos catalizadores y estos filtros acabaremos por no poder respirar o teniendo que prohibir el uso del coche, y si los incorporamos tenemos que asumir el coste.

Con información de motorpasion.com