Control de emisiones de vehículos

Control de emisiones de vehículos es el estudio de la reducción de las emisiones producidas por los vehículos a motor, especialmente los de combustión interna. Las principales emisiones estudiadas incluyen hidrocarburos, compuestos orgánicos volátiles, monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, partículas y óxidos de azufre. A partir de las décadas de 1950 y 1960, se formaron varias agencias reguladoras con un enfoque principal en el estudio de las emisiones de los vehículos y sus efectos en la salud humana y el medio ambiente. A medida que mejoró la comprensión mundial sobre las emisiones de los vehículos, también lo hicieron los dispositivos utilizados para mitigar sus impactos. Los requisitos reglamentarios de la Ley de Aire Limpio, que fue modificada muchas veces, restringieron en gran medida las emisiones aceptables de los vehículos. Con las restricciones, los vehículos comenzaron a diseñarse de manera más eficiente mediante la utilización de varios sistemas y dispositivos de control de emisiones que se volvieron más comunes en los vehículos con el tiempo.

Tipos de emisiones

Se ha demostrado que las emisiones de muchos contaminantes del aire tienen diversos efectos negativos en la salud pública y el medio ambiente natural. Las emisiones que son los principales contaminantes de preocupación incluyen:

• Hidrocarburos (HC) – Clase de combustible quemado o parcialmente quemado, los hidrocarburos son toxinas. Los hidrocarburos son un importante contribuyente al smog, que puede ser un problema importante en las zonas urbanas. La exposición prolongada a los hidrocarburos contribuye al asma, la enfermedad hepática, la enfermedad pulmonar y el cáncer. Las regulaciones que rigen los hidrocarburos varían según el tipo de motor y jurisdicción; en algunos casos, se regulan los "hidrocarburos no metanos", mientras que en otros casos se regulan los "hidrocarburos totales". La tecnología para una aplicación (para cumplir con un estándar de hidrocarburos no metano) puede no ser adecuada para su uso en una aplicación que tiene que cumplir un estándar total de hidrocarburos. El metano no es directamente tóxico, pero es más difícil descomponer en las líneas de ventilación de combustible y un recipiente de carbón está destinado a recoger y contener vapores de combustible y enrutarlos ya sea de vuelta al tanque de combustible o, después de que el motor se inicie y se calienta, en la ingesta de aire que se quema en el motor.
• Compuestos orgánicos volátiles (VOC) – Compuestos orgánicos que suelen tener un punto de ebullición inferior o igual a 250 °C; por ejemplo clorofluorocarbonos (CFC) y formaldehído.
• Monóxido de carbono (CO) – Un producto de combustión incompleta, monóxido de carbono inhalado reduce la capacidad de la sangre para transportar oxígeno; la sobreexposición (envenenamiento de monóxido de carbono) puede ser fatal. (El monóxido de carbono se une persistentemente a la hemoglobina, el químico portador de oxígeno en los glóbulos rojos, donde el oxígeno (O₂) se uniría temporalmente. La vinculación de CO excluye O₂ y también reduce la capacidad de la hemoglobina para liberar el oxígeno ya existente, en ambos casos la ineficacia de los glóbulos rojos. La recuperación es por la lenta liberación de CO enlazado y la producción del cuerpo de la nueva hemoglobina – un proceso de curación – así la recuperación completa de moderada a severa [pero no mortal] envenenamiento de CO toma horas o días. Eliminar a una persona de un ambiente envenenado por CO a un aire fresco detiene la lesión pero no produce una pronta recuperación, a diferencia del caso en que una persona se retira de un ambiente asfixiante [es decir, uno deficiente en oxígeno]. Los efectos tóxicos retrasados por días también son comunes.)
• óxidos de nitrógeno (NOx) – Generado cuando el nitrógeno en el aire reacciona con oxígeno a la alta temperatura y presión dentro del motor. NO_x es un precursor de la smog y la lluvia ácida. NO_x incluye NO y NO₂. NO₂ es extremadamente reactiva. NO_x la producción se aumenta cuando un motor funciona en su punto de funcionamiento más eficiente (es decir, más caliente), por lo que tiende a ser una compensación natural entre la eficiencia y el control de NO_x emisiones. Se espera que se reduzca drásticamente mediante el uso de combustibles de emulsión.
• Particulate - Bota o humo compuesto de partículas en el rango de tamaño micrometre: La materia particulada causa efectos negativos en la salud, incluyendo pero no limitados a enfermedades respiratorias y cáncer. La materia de partículas muy finas se ha relacionado con la enfermedad cardiovascular.
• óxido de azufre (SO)_x) – Un término general para óxidos de azufre, que se emiten a partir de vehículos de motor queman combustible que contiene azufre. Reducir el nivel de azufre de combustible reduce el nivel de óxidos de azufre emitidos desde la cola.

Historia

A lo largo de las décadas de 1950 y 1960, varios gobiernos federales, estatales y locales de los Estados Unidos realizaron estudios sobre las numerosas fuentes de contaminación del aire. En última instancia, estos estudios atribuyeron una parte importante de la contaminación del aire al automóvil y concluyeron que la contaminación del aire no está limitada por fronteras políticas locales. En ese momento, las regulaciones mínimas de control de emisiones que existían en los EE. UU. se promulgaban a nivel municipal y, ocasionalmente, estatal. Las ineficaces regulaciones locales fueron reemplazadas gradualmente por regulaciones estatales y federales más completas. En 1967, el Estado de California creó la Junta de Recursos del Aire de California y, en 1970, se estableció la Agencia Federal de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA). Ambas agencias, así como otras agencias estatales, ahora crean y hacen cumplir regulaciones de emisiones para automóviles en los Estados Unidos. Al mismo tiempo se desarrollaron e implementaron agencias y regulaciones similares en Canadá, Europa occidental, Australia y Japón.

El primer esfuerzo para controlar la contaminación de los automóviles fue el sistema PCV (ventilación positiva del cárter). Esto atrae los vapores del cárter, ricos en hidrocarburos no quemados (un precursor del smog fotoquímico) hacia el tracto de admisión del motor, de modo que se queman en lugar de liberarse sin quemar desde el cárter a la atmósfera. La ventilación positiva del cárter se instaló por primera vez de forma generalizada por ley en todos los automóviles nuevos modelo 1961 vendidos por primera vez en California. Al año siguiente, Nueva York lo exigió. En 1964, la mayoría de los automóviles nuevos vendidos en los EE. UU. estaban equipados con ese equipamiento y rápidamente el PCV se convirtió en equipo estándar en todos los vehículos del mundo.

Las primeras normas legisladas sobre emisiones de escape fueron promulgadas por el Estado de California para el año modelo 1966 para los automóviles vendidos en ese estado, seguido por los Estados Unidos en su conjunto en el año modelo 1968. También en 1966, la primera norma sobre emisiones Se promulgó un ciclo de pruebas en el estado de California que mide las emisiones del tubo de escape en PPM (partes por millón). Los estándares se fueron endureciendo progresivamente año tras año, según lo dispuesto por la EPA.

Para el año modelo 1974, los estándares de emisiones de Estados Unidos se habían endurecido de tal manera que las técnicas de desafinación utilizadas para cumplirlos reducían seriamente la eficiencia del motor y, por lo tanto, aumentaban el uso de combustible. Las nuevas normas de emisiones para el año modelo 1975, así como el aumento en el uso de combustible, obligaron a la invención del convertidor catalítico para el postratamiento de los gases de escape. Esto no era posible con la gasolina con plomo existente, porque los residuos de plomo contaminaban el catalizador de platino. En 1972, General Motors propuso al Instituto Americano del Petróleo la eliminación de los combustibles con plomo para los automóviles de los modelos 1975 y posteriores. La producción y distribución de combustible sin plomo fue un gran desafío, pero se completó con éxito a tiempo para los automóviles del año 1975. Todos los automóviles modernos están ahora equipados con convertidores catalíticos para reducir aún más las emisiones de los vehículos.

Antes del año modelo 1981 en los Estados Unidos, los fabricantes de vehículos de pasajeros se enfrentaban a los desafíos de su historia de cumplir con las nuevas regulaciones de emisiones, cómo cumplir con los requisitos mucho más restrictivos de la Ley de Aire Limpio (Estados Unidos) por la enmienda de 1977. Por ejemplo: para afrontar este desafío, General Motors creó un nuevo "Centro de Proyectos de Sistemas de Control de Emisiones" (ECS) ubicado por primera vez en el edificio de ingeniería de bujías de CA en Flint, Michigan. Su propósito era "tener la responsabilidad general del diseño y desarrollo del sistema catalizador de 3 vías de circuito cerrado carborado e inyectado con combustible, incluidos los controles electrónicos relacionados, medición de combustible, control de chispas, control de velocidad de ralentí, EGR, etc. actualmente planificados". hasta 1981."

En 1990, la Ley de Aire Limpio (CAA) fue enmendada para ayudar a regular aún más las emisiones nocivas de los vehículos. En la enmienda, las regulaciones sobre combustible para vehículos se volvieron más estrictas al limitar la cantidad de azufre permitida en el combustible diesel. Las enmiendas también requirieron un cambio de procedimiento para la creación de gasolina para garantizar que haya menos emisiones de hidrocarburos (HC), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NO_X), partículas (PM), y compuestos orgánicos volátiles (COV). Los cambios realizados en la CAA también requirieron el uso de gasolina oxigenada para reducir las emisiones de CO.

A lo largo de los años, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) continuó implementando nuevas regulaciones para reducir las emisiones nocivas para los vehículos. Algunos de los estándares de actualización más importantes son los siguientes.

• 1983: Para áreas con grandes problemas de contaminación, se crearon programas de inspección y mantenimiento, lo que significa que los vehículos tendrían que ser probados para las emisiones.
• 1985: Cambió la cantidad permitida de gasolina a 0,1 gramos por galón.
• 1991: Bajar las emisiones permitibles de HC y NOx para los tubos de la cola del vehículo
• 1993: Began desarrollando nueva tecnología de vehículos para ayudar a triplicar la economía de combustible en los sedantes familiares, reduciendo así las emisiones nocivas.
• 1996: Se prohíbe oficialmente el plomo en la gasolina. Nuevas regulaciones creadas con intenciones de innovar el diseño del vehículo para ser más limpia para el medio ambiente y mejorar el rendimiento del motor.
• 1998: Las normas del motor diesel aumentaron aún más en los esfuerzos por reducir las emisiones de ozono y PM para diversos vehículos, incluido el equipo industrial.
• 1999: Se finalizan los estándares de emisión de tailpipe, se reducen los contenidos de azufre en gasolina, y varios barcos/otros vehículos marinos que utilizan diesel han reducido los límites de emisión para NOx y PM.

Historia del plomo en la gasolina

En 1922, se añadió plomo a la gasolina como agente antidetonante. No fue hasta 1969, casi cinco décadas después, que las investigaciones comenzaron a mostrar los efectos negativos para la salud relacionados con el plomo como contaminante. A pesar de la gran cantidad de impactos negativos para la salud descubiertos, no se implementaron requisitos reglamentarios para reducir los niveles de plomo en la gasolina hasta 1983. Poco a poco, los países comenzaron a prohibir por completo el uso de plomo en la gasolina entre los años 1986 y 2021. Japón fue el primero en prohibir el plomo en la gasolina. en 1986, seguido de América del Norte y del Sur, y casi todos los países de los dos continentes prohibieron el plomo en 1998. África fue el último en prohibir el plomo en la gasolina; la mayoría de los países lo prohibieron en 2004 y 2005 y el último, Argelia, que no prohibió hasta 2021.

Agencias reguladoras

Las agencias encargadas de implementar los estándares de emisiones de escape varían de una jurisdicción a otra, incluso en el mismo país. Por ejemplo, en los Estados Unidos, la responsabilidad general pertenece a la EPA, pero debido a requisitos especiales del estado de California, las emisiones en California están reguladas por la Junta de Recursos del Aire. En Texas, la Comisión de Ferrocarriles de Texas es responsable de regular las emisiones de los motores de combustión rica alimentados con GLP (pero no de los motores de combustión rica alimentados con gasolina).

América del Norte

• California Air Resources Board – California, Estados Unidos (la mayoría de las fuentes)
• Environment Canada – Canadá (la mayoría de las fuentes)
• Environmental Protection Agency – United States (most sources)
• Texas Railroad Commission – Texas, Estados Unidos (sólo motores a GLP)
• Transporte Canadá – Canadá (entrenamientos y barcos)

Japón

• Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism / Road Transport Bureau / Environmental Policy Division

Europa

La Unión Europea tiene control sobre la regulación de las emisiones en los estados miembros de la UE; sin embargo, muchos estados miembros tienen sus propios organismos gubernamentales para hacer cumplir e implementar estas regulaciones en sus respectivos países. En resumen, la UE forma la política (fijando límites como el estándar de emisiones europeo) y los estados miembros deciden cómo implementarla mejor en su propio país.

Reino Unido

En el Reino Unido, las cuestiones relativas a la política medioambiental son "poderes transferidos" de modo que algunos de los países constituyentes lo abordan por separado a través de sus propios órganos gubernamentales creados para abordar cuestiones ambientales:

• Environment Agency – England and Wales
• Scottish Environment Protection Agency (SEPA) – Escocia
• Departamento del Medio Ambiente – Irlanda del Norte

Sin embargo, muchas políticas de todo el Reino Unido son manejadas por el Departamento de Medio Ambiente, Alimentación y Asuntos Rurales (DEFRA) y siguen sujetas a las normas de la UE.

Las pruebas de emisiones de automóviles diesel no se han llevado a cabo durante los MOT en Irlanda del Norte durante 12 años, a pesar de ser legalmente requeridas.

China

• Ministerio de Ecología y Medio Ambiente - Autoridad reguladora primaria responsable de la protección del medio ambiente, formula políticas, normas y reglamentos que abarcan las emisiones de vehículos y las evaluaciones de impacto ambiental.
• Ministerio de Industria y Tecnología de la Información – Crea y establece objetivos para nuevos vehículos energéticos (NEV) y vehículos comerciales. También juega un papel en la creación de normas nacionales de emisiones para los automóviles.
• Administración Estatal de Regulación de Mercado – Responsable de supervisión y estandarización del mercado en China. The State Administration for Market Regulation oversees the enforcement of vehicle emissions standards and ensures compliance by conducting inspections, testing, and quality control measures.
• Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma - Responsable de la planificación macroeconómica y formulación de políticas relacionadas con la energía en China. La Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma desempeña un papel en las normas de eficiencia energética, la promoción de combustibles alternativos y la aplicación de medidas de ahorro de energía para reducir las emisiones de vehículos.
• China Automotive Technology " Research Center - Una institución de investigación independiente encargada por el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información, para investigar, desarrollar y redactar las normas relativas a los límites de consumo de combustible de los vehículos motorizados.
• Ministerio de Transporte de la República Popular China - Si bien no está claro si este ministerio tiene autoridad legal sobre si pueden hacer cumplir estas normas, el Ministerio de Transporte no emitirá licencias comerciales a ningún vehículo pesado que no satisfaga los requisitos de consumo de combustible que hayan establecido.
• Provincial and Municipal Environmental Protection Bureaus - En el plano provincial y municipal, estas Oficinas se encargan de aplicar reglamentos como los relacionados con las emisiones de vehículos. Estas oficinas vigilan el cumplimiento, realizan inspecciones e imponen sanciones por incumplimiento.

Diseño del sistema de control de emisiones

Era muy importante para los diseñadores de sistemas cumplir con los requisitos de emisiones utilizando una cantidad mínima de material catalizador (platino y/o paladio) debido a problemas de costo y suministro. El "Centro de proyectos de sistemas de control de emisiones" de General Motors; era "seguir los planes operativos establecidos por los Centros de Proyectos anteriores (GM). Artículos exclusivos del "Centro de proyectos de sistemas de control de emisiones" (eran):

• No Diseñadores - todo el trabajo de diseño que se debe hacer en las divisiones de casa.
• Actividad de planificación que proporcionará los calendarios oficiales, costos de componentes, asignaciones, etc.

El ("Centro de Proyectos de Sistemas de Control de Emisiones") (tenía) siete tareas que realizar, de modo que se pusiera en producción un sistema de emisiones que apruebe toda la legislación federal existente sobre emisiones y economía de combustible.

Estos son para trabajar con las divisiones de automóviles para:

1. Definir los requisitos de hardware y sistema.
2. Desarrollar especificaciones de diseño para todo el hardware necesario.
3. Revisar diseños y sistemas alternativos.
4. Organizar sistemas de prueba y validación, que mejor se adapte a las necesidades de todos los interesados.
5. Monitor de diseño y liberación de componentes.
6. Seguir el progreso del trabajo de certificación de división.
7. Mantenga la gestión y las divisiones informadas del estado de progreso.

La aplicación del sistema (ha de ser) se ha gradual en más de tres años. En el año modelo 1979. Los vehículos de California con motores de 2,5, 2.8 y 3.5 litros tendrán un sistema CLCC. En 1980 año modelo, los vehículos vendidos en California y 3.8 y 4.3 litros motores vendidos federalmente tendrán CLCC, y finalmente en el año modelo 1981 todos los coches de pasajeros tendrán el sistema. Los camiones ligeros y medianos de California también pueden utilizar el sistema c-4. Mientras que los sistemas 1979 y 1980 son muy similares, el sistema de 1981 (2a generación) difiere en que puede incluir sistemas adicionales de control de motores (es decir, tiempo de chispa electrónica, control de velocidades ociosos, etc.)

El sistema de control de emisiones que se está desarrollando ha sido designado C-4, que significa convertidor catalítico controlado por computadora. El sistema C-4 abarca los sistemas de control de carburador de circuito cerrado (CLCC) y de inyección del cuerpo del acelerador (TBI).""

Control de emisiones

La eficiencia del motor se ha mejorado constantemente con un diseño mejorado del motor, sincronización de encendido más precisa y encendido electrónico, medición de combustible más precisa y gestión computarizada del motor.

Los avances en la tecnología de motores y vehículos reducen continuamente la toxicidad de los gases de escape que salen del motor, pero estos por sí solos generalmente han demostrado ser insuficientes para cumplir los objetivos de emisiones. Por tanto, las tecnologías para desintoxicar los gases de escape son una parte esencial del control de emisiones.

Inyección de aire

Uno de los primeros sistemas de control de emisiones de escape desarrollados es la inyección de aire secundario. Originalmente, este sistema se utilizaba para inyectar aire en los puertos de escape del motor para proporcionar oxígeno para que los hidrocarburos no quemados y parcialmente quemados en el escape terminaran de quemarse. La inyección de aire se utiliza ahora para favorecer la reacción de oxidación del convertidor catalítico y para reducir las emisiones cuando el motor arranca en frío. Después de un arranque en frío, un motor necesita una mezcla de aire y combustible más rica que la que necesita a la temperatura de funcionamiento, y el convertidor catalítico no funciona de manera eficiente hasta que alcanza su propia temperatura de funcionamiento. El aire inyectado aguas arriba del convertidor favorece la combustión en el tubo de escape, lo que acelera el calentamiento del catalizador y reduce la cantidad de hidrocarburos no quemados emitidos por el tubo de escape.

Recirculación de gases de escape

En los Estados Unidos y Canadá, muchos motores de vehículos de 1973 y más nuevos (1972 y más nuevos en California) tienen un sistema que dirige una cantidad medida de escape al tracto de admisión bajo condiciones de operación particulares. El escape no quema ni apoya la combustión, por lo que diluye la carga de aire/combustible para reducir las temperaturas máximas de la cámara de combustión. Esto, a su vez, reduce la formación de NOx.

Convertidor catalítico

El convertidor catalítico es un dispositivo colocado en el tubo de escape, que convierte hidrocarburos, monóxido de carbono y NO_x en gases menos nocivos mediante el uso de una combinación de platino, paladio y rodio como catalizadores.

Hay dos tipos de convertidor catalítico, uno de dos vías y otro de tres vías. Los convertidores de dos vías fueron comunes hasta la década de 1980, cuando los convertidores de tres vías los reemplazaron en la mayoría de los motores de automóviles. Consulte el artículo sobre convertidor catalítico para obtener más detalles.

Control de emisiones evaporativas

Las emisiones evaporativas son el resultado de los vapores de gasolina que se escapan del sistema de combustible del vehículo. Desde 1971, todos los vehículos estadounidenses han tenido sistemas de combustible completamente sellados que no expulsan directamente a la atmósfera; Los mandatos para sistemas de este tipo aparecieron simultáneamente en otras jurisdicciones. En un sistema típico, los vapores del tanque de combustible y la ventilación de la taza del carburador (en vehículos con carburador) se conducen a recipientes que contienen carbón activado. Los vapores se absorben dentro del recipiente y, durante ciertos modos operativos del motor, se aspira aire fresco a través del recipiente, arrastrando el vapor hacia el motor, donde se quema.

Pruebas de emisiones por teledetección

Algunos estados de EE. UU. también están utilizando una tecnología que utiliza luz infrarroja y ultravioleta para detectar emisiones cuando los vehículos pasan por la vía pública, eliminando así la necesidad de que los propietarios acudan a un centro de pruebas. La detección de gases de escape con destellos de luz invisibles se utiliza habitualmente en áreas metropolitanas y se está volviendo más conocida en Europa.

Uso de datos de pruebas de emisiones

En muchos casos, los resultados de las pruebas de emisiones de vehículos individuales se compilan para evaluar el rendimiento de las emisiones de varias clases de vehículos, la eficacia del programa de pruebas y de otras regulaciones relacionadas con las emisiones (como cambios en las formulaciones de combustible) y para modelar los efectos de las emisiones de los automóviles en la salud pública y el medio ambiente.

Vehículos de combustible alternativo

Las emisiones de escape se pueden reducir mediante el uso de propulsión limpia de vehículos. Los modos más populares incluyen vehículos híbridos y eléctricos. En diciembre de 2020, China tenía el mayor stock del mundo de turismos eléctricos enchufables legales para carreteras, con 4,5 millones de unidades, lo que representa el 42% del stock mundial de coches enchufables.