6.2.1.1 Introducción

Todo viaje en vehículo comienza con la partida del motor, el recorrido hacia el destino deseado, estacionamiento del vehículo y luego el apagado del motor. A excepción de los vehículos eléctricos, las emisiones se producen en variadas cantidades a lo largo de toda la operación del vehículo. El propósito de esta sección es revisar enfoques que puedan ser utilizados para estimar estas emisiones de vehículos.

En la actualidad, prácticamente todos los vehículos en ruta son potenciados por motores de combustión interna que se alimentan con gasolina, diesel, gas natural, propano o etanol. Hay algunos pocos vehículos que funcionan con baterías o hidrógeno, pero existen tan pocos que no tienen un impacto significativo en las emisiones urbanas o regionales de ninguna parte del mundo. Afortunadamente, esto cambiará en el futuro. Las discusiones en esta sección están dirigidas hacia la estimación de emisiones provenientes de los motores de combustión interna más comunes. Los vehículos eléctricos por supuesto no tienen ningún impacto al ser utilizados y son tratados típicamente como vehículos de cero emisión. Si se consideran grandes números de vehículos eléctricos, se deben tomar en cuenta el aumento de emisiones provenientes de centrales de generación eléctrica, sin embargo en este caso la preocupación se volcaría más hacia emisiones provenientes de fuentes estacionarias que de fuentes en ruta.

Las emisiones de vehículos en ruta se presentan en cuatro formas. La fuente primaria de emisiones es el gas de emisión proveniente desde el motor del vehículo propiamente tal. Los frenos crean una segunda fuente de emisión de material particulado, los neumáticos crean una tercera fuente de emisiones de material particulado, y la evaporación del fuel crea una cuarta fuente de emisiones de hidrocarburos. Cada una de estas cuatro fuentes de emisiones vehiculares serán discutidas en esta sección.

6.2.1.2 Diseño de Motores y Combustibles

La figura 6.2.1-1 representa una ilustración simplificada del proceso de combustión en un motor de combustión interna.

Como se muestra en la figura 6.2.1-1, el aire y el combustible son introducidos al motor y se produce la combustión. La expansión de gases producto de la combustión activa el motor, y los gases provenientes del proceso de combustión son liberados, algunas veces a través de un dispositivo de control, como por ejemplo, un catalizador. En efecto, los gases de escape del motor se crean como bioproducto de una reacción química entre el oxigeno del aire y el carbón, hidrogeno, azufre, y otros compuestos oxidables del combustible. Los constituyentes primarios del gas de escape son el dióxido de carbono (CO2), agua (H2O), hidrocarburos no quemados o inalterados (HC), material particulado resultante de la combustión parcial de hidrocarburos, y monóxido de carbono (CO). Dado que el 70% del aire de la tierra es nitrógeno y el combustible por si solo puede contener algo de nitrógeno, existe una cantidad considerable de nitrógeno en la cámara de combustión que se calienta y comprime a medida que se produce el proceso de combustión. Esto lleva a la producción de oxido de nitrógeno (NO), dióxido de nitrógeno (NO2), oxido nitroso (N2O) y otros compuestos derivados del nitrógeno, los cuales son expulsados junto con otros gases.

Los motores de combustión interna a menudo se clasifican según la forma en que se quema el combustible en la cámara de combustión. Motores alimentados con gasolina dependen de una chispa para encender el combustible, mientras que los motores alimentados con diesel dependen del calentamiento debido a la compresión del aire y la mezcla de combustible para ser encendidos. El primero comúnmente se denomina motor encendido por chispa y el último como motor encendido por compresión.

Es fácil pensar en la combustión como un proceso de estado estable que produce una salida constante de gases de escape. Esto, por supuesto, no es verdad. Los vehículos están constantemente acelerando y frenando y la cantidad de flujo de gases de escape cambiará de acuerdo a esto. La razón entre aire y combustible cambia a menudo, lo cual cambia la tasa de formación de los variados componentes de escape. La variabilidad de mezclas químicas y de temperaturas en el gas de escape también genera un impacto en la formación de contaminantes como también en la eficiencia de cualquier dispositivo de control. De esta forma, a medida que un vehículo opera en una ruta, las emisiones cambian constantemente y dependen de múltiples factores. 6.2.1-2 muestra el resultado de mediciones segundo a segundo de emisiones de monóxido de carbono y de las velocidades de un vehículo moderno estándar alimentado con gasolina operando en una autopista normal.

Como se puede observar, las emisiones varían de forma considerable a medida que el vehículo recorre su ruta. La cantidad de cualquier químico que se forma en la cámara de combustión depende del número relativo de moléculas que participan en las reacciones junto con la temperatura y presión que existe durante estas reacciones y las tasas de reacción de los variados constituyentes de la mezcla. La ecuación 6.2.1-3 es una ecuación de balance químico común que representa la reacción principal durante la combustión de combustibles fósiles. Es común que m tenga un valor de 1.6 a 2.2 veces n.

En el caso de la ecuación 6.2.1-3, si n toma un valor de 10 y m toma un valor de 18 (gasolina) y se asume, por el momento, que e,f,g,h,i, y j son cero (es decir, para alcanzar la combustión perfecta sólo con formación de agua y dióxido de carbono), entonces para proveer la cantidad exacta de oxígeno para el carbón e hidrogeno existente en el combustible, b debe ser igual a 14.5 veces a. Otra forma de decir lo anterior es que por cada molécula de combustible, se necesitan 14.5 moléculas de oxígeno para quemar perfectamente el combustible y producir dióxido de carbono y agua. Sin embargo, el aire no es oxígeno puro. Para entregar 14.5 moléculas de oxígeno utilizando el aire, 54.23 moléculas de nitrógeno también entrarán a la cámara de combustión ya que el aire contiene aproximadamente 78% de nitrógeno y sólo un 21% de oxigeno. Esto significa que, en este ejemplo, 68.73 moléculas de aire entrarán a la cámara de combustión por cada molécula de combustible. Si esto se calcula en términos de masa en vez de hacerlo según el número de moléculas (volumen), la razón masa de aire a masa de combustible será de 14.5 a 1 en el caso del combustible discutido, en donde sólo se produce agua y monóxido de carbono. Es un capricho de la naturaleza que para combustibles tipo gasolina la razón perfecta entre aire y combustible sea prácticamente la misma cuando se calcula en términos de masa, que la razón entre oxígeno y combustible cuando se calcula en términos de volumen. Esta razón perfecta entre moléculas de oxígeno y moléculas de combustible se llama combustión estequiométrica y a menudo se menciona en discusiones de combustión interna en motores. La razón entre aire y combustible comparada con la cantidad estequiométrica se denomina el “Lambda” de la mezcla en la mayoría de las discusiones de combustión en motores. Si la mezcla tiene mayor cantidad de combustible que de oxigeno en comparación a la mezcla estequiométrica, entonces el lambda del motor es menor que uno y se dice que el motor está funcionando con una mezcla “rica”. Por otra parte, si al ser comparado con la mezcla estequiométrica tiene más aire en relación al combustible, entonces el lambda del motor será mayor que uno y se dice que el motor está funcionando con una mezcla “pobre”. De la ecuación 6.2.1-3 también se desprende que mientras mayor sea la cantidad de moléculas de combustible que están siendo quemadas en el motor (es decir, mientras mayor sea la variable “a”), mayor será la cantidad de emisiones producidas (es decir, mayores serán c,d,e, etc..). En otras palabras, vehículos mayores tenderán a producir más emisiones dado que utilizan más combustible; a pesar de que vehículos más pequeños con razones aire/combustible problemáticas y poco control pueden producir más emisiones que vehículos más grandes pero bien controlados.

La cantidad de CO, CH1.8, HC y NOx en gases de emisión vehicular que resultan de la combustión imperfecta de combustibles fósiles depende de la cantidad de aire comparada con el combustible (lambda), de las tasas de reacción, la temperatura y la presión durante la combustión. Mientras que las tasas de reacción son una cantidad desconocida para casi todos los componentes de los combustibles actuales, los demás factores varían en forma constante. La temperatura y presión dependen del diseño del motor, la razón de compresión del motor y la coordinación de la combustión en relación a la apertura y cierre de la válvula del motor. La razón entre aire y combustible depende del diseño del sistema de suministro de aire y combustible para el vehículo. La figura 6.2.1-4 ilustra el impacto de la razón aire/combustible en las emisiones provenientes de un motor de combustión interna. Este gráfico se deriva de un gráfico presentado en la 5ta edición del Manual Automotriz publicado por Robert Bosch, el año 2000.

El dato de la razón aire/combustible en la tabla 6.2.1-4 se presenta en términos de lambda. Como se ha discutido anteriormente, un lambda igual a 1 significa que la mezcla aire/combustible es estequiométrica. Como se puede ver, el monóxido de carbono (CO) muestra la mayor variación a medida que lambda cambia, sin embargo, otros compuestos también varían considerablemente. La razón óptima entre aire y combustible para reducir emisiones es cercana a 1.0 como podría esperarse. Sin embargo, para maximizar la eficiencia del equipamiento de control añadido, frecuentemente es deseable operar el motor en forma rica o pobre dependiendo de las necesidades del equipamiento de control o para aumentar la eficiencia del motor. En el caso de motores diesel con encendido por compresión, ellos siempre son operados con mezclas bastante pobres.

Combustible diesel, gas natural, etanol y gas propano son los combustibles más importantes para vehículos en ruta en la flota actual. Las razones estequiométricas aire/combustible típicas para los combustibles de vehículos en ruta más comunes en la actualidad se muestran en la tabla 6.2.1-5.



6.2.1.3 Sistemas de Despacho de Combustibles

Como se ha discutido anteriormente, uno de los factores más importantes al minimizar las emisiones producidas en un motor alimentado por combustible de tipo gasolina, es mantener la razón aire/combustible cercana a la condición estequiométrica. Esta razón aire/combustible en un vehículo es controlada por el sistema de inyección de combustible. El sistema de inyección introduce una cierta cantidad de combustible al flujo de aire antes de cada ciclo de combustión. El sistema de inyección de combustible no necesita ser complejo para un motor que siempre opera en una condición de estado estacionario. Sin embargo, los vehículos operan en un estado de cambios continuos, acelerando y desacelerando, y cambiando la tasa de flujo de aire hacia la cámara de combustión todo el tiempo. Esto requiere que el sistema de inyección varíe la cantidad de combustible requerida para mantener la razón aire/combustible en un nivel deseado. Existen varios tipos de sistemas de inyección que se pueden encontrar en vehículos, pasando de sistemas mecánicos a sistemas electrónicos muy rápidos y precisos.

La tabla 6.2.1-6 indica las amplias categorías de tecnologías aire/combustible para motores en uso en la actualidad.



6.2.1.4 Sistemas de Control de Emisiones en Vehículos

6.2.1.5 Introducción

La mayoría de vehículos modernos a gasolina incluyen sistemas de control de emisiones como parte de su diseño. Ellos caen típicamente en dos categorías: modificación de la combustión y tratamiento post combustión. La modificación de la combustión altera el ambiente durante la combustión del combustible en el motor para minimizar la producción de contaminantes, mientras que el tratamiento post combustión se refiere a la remoción de contaminantes en el flujo de emisión vehicular, posterior a la combustión.

6.2.1.6 Control de Combustión

Un tipo de control popular utilizado para cambiar el ambiente en la cámara de combustión se denomina Recirculación de Gas de Emisión Vehicular (EGR por sus siglas en inglés). La EGR devuelve una porción del flujo de gas de emisión a través del sistema de aire hacia la cámara de combustión. A pesar de que el flujo de emisión vehicular está a una temperatura mayor comparado con la toma de aire, el resultado de la EGR es, en efecto, reducir la temperatura en la cámara de combustión. Esto ocurre ya que el gas de emisión no contiene oxígeno. Así, de manera de tener suficiente oxígeno para la combustión, más aire sumado al gas de emisión debe ser introducido a la cámara de combustión para la misma cantidad de combustible. Esto disminuye la temperatura de la cámara. Temperaturas muy altas aumentan la tasa de reacción química que genera óxidos de nitrógeno. Por esto, la EGR se utiliza para disminuir las temperaturas peak que ocurran en la cámara de combustión, para minimizar la formación de NOx.

Uno de los más efectivos y ampliamente utilizados métodos de modificación de combustión son sistemas mejorados de despacho de combustible como MPFI y sistemas de inyección directa, como se ha descrito anteriormente en esta sección. Estos sistemas controlados en forma electrónica pueden sensar parámetros importantes del motor, incluyendo la temperatura, la potencia requerida, y niveles de oxígeno en gases de escape para determinar la cantidad exacta de combustible que necesita el motor para estar operando en una condición óptima. A medida que los sistemas electrónicos de combustible han avanzado, estos controles han podido responder tan rápida y precisamente al ambiente de la cámara de combustión que el motor puede operar en condiciones estequiométricas virtualmente el 100% del tiempo, lo que reduce en forma significativa la producción de contaminantes.

6.2.1.7 Controles para tratamiento post combustión - Gasolina

Los sistemas de control catalítico son el método más común para reducir emisiones de CO, NOx y COVs en el flujo de gas de escape. Platino, Rodio y otros metales se utilizan como sustratos en matrices cerámicas o metálicas para proveer una superficie donde los contaminantes que existen en el flujo de gas reaccionan para formar dióxido de carbono, agua y nitrógeno. Los catalizadores son sistemas pasivos y de baja mantención, sin embargo algunos químicos como el azufre y el plomo así como también las temperaturas extremadamente altas pueden dañarlos.

Los catalizadores no trabajan hasta que alcanzan cierta temperatura de operación, la cual generalmente se denomina temperatura de arranque. La temperatura de arranque de un catalizador específico depende de su diseño y componentes. El tiempo para alcanzar la temperatura de arranque depende de la temperatura del motor y del catalizador al momento en que comienza a funcionar el motor, como es operado el motor una vez encendido, la temperatura ambiente y la proximidad del catalizador al motor. El gas de escape, una vez que sale por primera vez de la cámara de combustión, tiene una temperatura diez veces mayor a aquella que tiene más abajo en el tubo de escape. Los catalizadores que se ubican aquí se denominan catalizadores integrados y son capaces de lograr la temperatura de arranque en forma mucho más rápida que los catalizadores que se ubican aguas abajo. La función primaria de los catalizadores integrados es la de reducir las emisiones de partida del motor. Sin embargo, a medida que el motor se calienta, un catalizador típico se dañaría con el calor extremo que existe a la salida de la cámara de combustión. Por ello, los catalizadores integrados están construidos con materiales más duraderos y son más caros que los catalizadores normales que se ubican aguas abajo.

Debido a que los catalizadores son tan efectivos, reduciendo en un 99% y más los contaminantes del flujo de gas de escape, el perfil de emisiones de un vehículo antes de que se active la temperatura de arranque es extremadamente diferente a las emisiones después de que el catalizador está trabajando. Para los propósitos de medir y mantener un registro del total de emisiones de un vehículo, es más práctico separar estas dos condiciones. De esta forma, la mayoría de los inventarios cuentan con emisiones de “Partida” y “Emisiones durante la operación”. Las emisiones durante la operación ocurren durante la operación normal de un vehículo una vez alcanzada la temperatura de operación del motor y catalizador. Esta temperatura variará dependiendo del vehículo y del ambiente en el cual éste está siendo operado. Las emisiones de partida se diferenciarán menos de las emisiones durante la operación en vehículos no catalíticos que en vehículos catalíticos; sin embargo el perfil de emisiones es todavía levemente diferente debido a la operación del vehículo durante las condiciones de partida cuando el motor está frío. Motores fríos usualmente se diseñan para ser operados levemente fuera de la condición estequiométrica, con una mezcla levemente rica para ayudar a mantener el motor funcionando. Por ello, ambos vehículos tanto aquellos equipados con catalizadores como aquellos que no tienen catalizador tendrán diferentes emisiones de partida, debido a las diferencias operacionales en el motor.

Para mayor simplicidad, la mayoría de los métodos de prueba especifican una duración de tiempo determinada para un ciclo determinado que se define como emisiones de partida. Para un catalizador normal usualmente toma uno o dos minutos que el motor se caliente, de uno a cinco minutos que un catalizador típico alcance su temperatura de arranque y algunos segundos más para alcanzar total eficiencia. Metodologías de partida comunes han elegido entre 200 a 500 segundos como una definición de cuando terminan las emisiones de partida y comienzan las emisiones de operación.

Uno de los mayores impactos sobre el tiempo de arranque de un catalizador son la temperatura del motor y del catalizador al momento de encendido. Mientras más caliente estén el motor y catalizador en el momento de encendido, menor será el tiempo que tomará al catalizador para llegar a su temperatura de arranque. Por ello, los inventarios de emisiones vehiculares categorizan las emisiones de partida en función de las temperaturas iniciales del motor y catalizador. Debido a que esta temperatura es difícil de medir, una variable sustituta que puede ser determinada más fácilmente es el largo de tiempo en que el vehículo ha estado sin operar. Esta cantidad de tiempo se denomina “tiempo de reposo”, haciendo referencia al tiempo en que el motor ha estado sin operar antes del encendido. A medida que el tiempo de reposo aumenta, las emisiones de partida también aumentan. Un motor/catalizador que está a temperatura ambiente antes de partir, lo cual se asume ocurrirá sólo después de 12 a 18 horas de tiempo de reposo, se denomina partida en frío. La figura 6.2.1-unknown muestra emisiones de CO y NO a partir de un vehículo a gasolina por más de 400 segundos después de una partida fría completa a 20°C.

Como se puede observar en la figura 6.2.1-7, las emisiones después de 200 segundos son mucho más bajas para este vehículo controlado por catalizador.

Debido al impacto que tienen las emisiones de partida en un inventario, es necesario reunir información acerca del número de partidas y del tiempo de reposo de cada partida. Muchas personas subestiman el número de partidas que hacen cada día. Es común que conductores crean que ellos hacen partir sus motores sólo dos veces al día - una vez en la mañana y una vez en la tarde. La realidad es bastante diferente. Mediciones realizadas por la ISSRC a lo largo de 10 países indican que el conductor típico hará partir su vehículo unas 6 a 8 veces por día. En los Estados Unidos, la junta de Recursos del Aire ha encontrado que el conductor promedio hace partir su vehículo 6.56 veces al día (EMFAC, http://www.arb.ca.gov/msei/onroad/doctable_test.htm, capítulo 7.6.2).

6.2.1.8 Controles para tratamiento post combustión - Diesel

La forma más común de tratamiento post combustión para emisión de material particulado (PM) son los filtros. Estos son más comúnmente usados en vehículos diesel y pueden reducir el particulado hasta en un 95%. Los filtros más avanzados utilizan materiales catalizadores, pueden “auto regenerarse” y por lo mismo requieren de mínimo mantenimiento y reemplazo.

Los filtros típicamente se presentan en dos formas. Una forma es un filtro tradicional reemplazable que debe ser cambiado cuando la caída de presión a través del filtro se vuelve excesiva. En el caso de estos filtros pasivos, cuando los problemas de rendimiento del motor sean inducidos por un filtro obstruido, normalmente lo más adecuado es reemplazarlos. Sin embargo, existe cierta preocupación de que el usuario pueda remover el filtro y operar el equipo sin este elemento. Al estimar emisiones basadas en este tipo de filtros, puede ser prudente permitir una cierta fracción de fallas en el equipamiento para aquellos casos en los que el operador simplemente quita el filtro y luego intenta operar el equipo sin él a pesar de las luces de advertencia del motor. El segundo tipo de filtro es un filtro catalítico que acumula partículas y luego se auto regenera quemándolas y sacándolas de la placa del filtro. Este tipo de filtro no requiere un reemplazo periódico, pero sí despide una pequeña cantidad de material particulado durante el proceso de regeneración. Ambos tipos de filtro son capaces de alcanzar el 95% de reducción de emisiones de material particulado; sin embargo algunos diseños más antiguos de motor no funcionan bien con estos tipos de filtro.

Un catalizador de oxidación diesel (DOC por sus siglas en inglés) es también una opción para reducir las emisiones de particulado especialmente en el caso de motores diesel de mayor antigüedad que no pueden utilizar filtros pasivos o activos. De muchas formas, el DOC opera como el catalizador de dos vías que se utilizan en vehículos a gasolina más antiguos. Éste quema (oxida) las emisiones de hidrocarburos y monóxido de carbono liberados por el motor. Debido a que algunos de los particulados del diesel son un tipo de hidrocarburo, el DOC puede destruir estas formas de material particulado. La cantidad de particulado diesel liberado en forma de hidrocarburo varía dependiendo de los parámetros de operación del motor, pero generalmente esta en el rango del 30% al 45%. Por ello, un DOC puede reducir del orden de 30% a 40% de emisiones de particulado. El DOC también reduce el monóxido de carbono e hidrocarburos gaseosos en los gases de escape hasta en un 90%. En algunos casos, el DOC también oxida el azufre en el combustible convirtiéndolo en sulfatos particulados resultando en realidad un aumento del material particulado si el combustible contiene una cantidad significativa de azufre.

Debido a lo anterior, la reducción de emisiones directamente en el tubo de escape puede en realidad aumentar como también disminuir. Se puede argumentar que el azufre en el combustible eventualmente se convertirá en material particulado, por lo que el aumento de particulado en el gas de escape debiera ignorarse. Sin embargo, la ubicación de los sulfatos cambiará de forma dramática con el uso de un DOC en un combustible con alto contenido de azufre.

Todas los controles post combustión para NOx disponibles en la actualidad involucran el uso de un catalizador y la incorporación de un agente reductor químico, tales como urea o amoniaco, a la pluma del escape en frente del catalizador. La urea normalmente se administra como una solución en agua la cual se inyecta a la pluma del escape. El amoniaco se utiliza más a menudo como un gas comprimido. Si el agente reductor se acaba, entonces el dispositivo de control de NOx no funcionará. Esta es una de las críticas hacia los controles actuales de NOx; sin embargo los fabricantes han desarrollado métodos para detectar la ausencia del agente reductor. Cuando el agente reductor no está, el motor está diseñado para operar de un modo menos eficiente lo cual debiera incentivar al operador a que agregue el agente requerido. Sin embargo, para propósitos de estimación de emisiones provenientes de uso de este tipo de equipamiento de control, se debiera considerar que una pequeña fracción del equipamiento de control será operado sin que el catalizador esté funcionando en forma adecuada. Adicionalmente, para que el catalizador de NOx funcione adecuadamente, el gas de escape debe alcanzar ciertas temperaturas mínimas. Algunos modos de operación y diseños de motor pueden crear problemas al no alcanzar las temperaturas necesarias. Si bien este es básicamente un tema de aplicación del equipamiento de control a un sistema específico, este hecho debiera considerarse al realizar estimaciones de reducción de emisiones, particularmente en el caso de repuestos. Además, algunos dispositivos de control post combustión pueden imponer una penalidad sobre el combustible, lo cual necesitaría considerarse para emisiones de CO2 y otras emisiones.

La tabla 6.2.1-8 resume los sistemas de control aplicados en vehículos a gasolina y diesel para la reducción de emisiones del gas de escape.

6.2.1.9 Emisiones Evaporativas



Las emisiones evaporativas son otra clase de emisiones que deben ser consideradas en cualquier inventario, ya que las emisiones de COV pueden ser mayores que las emisiones de tubo de escape en algunos vehículos a gasolina. Las emisiones evaporativas son combustible volatilizado liberado desde el tanque de combustible del vehículo, desde el motor y del sistema de inyección de combustible del vehículo, y debido a que provienen de un proceso de evaporación y no de combustión, se presentan solamente en forma de COV. Las emisiones evaporativas provienen de combustibles de gasolina y etanol, mientras que no existen emisiones evaporativas importantes que provengan de combustibles diesel debida a su baja tasa de volatilidad. A menudo las emisiones evaporativas provenientes del tanque de combustible son denominadas perdidas en reposo. Los tanques de vehículos con combustible de gasolina y etanol son no presurizados y usualmente se accede a ellos a través de una tapa que puede ser atornillada. Esto quiere decir que existe la oportunidad para que cantidades importantes se evaporen hacia el aire a medida que cambian las temperaturas a lo largo del día, y cuando la tapa se retira para el reabastecimiento de combustible. Muchos tanques de combustible modernos y los sistemas de abastecimiento asociados se diseñan para reducir la tasa de evaporación. Las leyes en los Estados Unidos requieren que las evaporaciones provenientes del sistema de combustible sean controladas a través del sellado del sistema, y algunos de estos sistemas han demostrado prácticamente no tener emisiones evaporativas. Algunas ubicaciones en los Estados Unidos requieren que los sistemas de reabastecimiento de combustibles junten y guarden emisiones durante operaciones de reabastecimiento. Esto se discute en los párrafos siguientes.

La cantidad de evaporación para un combustible dado a una temperatura dada se determina por la volatilidad del combustible. Esta volatilidad se mide en términos de la presión del vapor bajo condiciones normales de operación. La presión se denomina Presión de Vapor Reid (RVP por sus siglas en inglés) y en los Estados Unidos se mide en libras por pulgada al cuadrado (psi). RVP es la presión medida sobre la gasolina cuando ésta y la cámara de medición están a 100 grados Fahrenheit (37.8 grados Celsius).

La evaporación, por supuesto, aumenta a medida que la temperatura ambiente aumenta y es mucho peor durante las épocas más cálidas del año. En muchas ubicaciones existen estándares definidos para la presión de vapor permitida en combustibles de vehículos. La tabla 6.2.1-9 muestra algunos de los límites de verano encontrados en los Estados Unidos. La presión de vapor de un combustible puede también impactar las emisiones de gas de escape pero sólo investigaciones limitadas están disponibles sobre este tema (Shih, 1990).



Las emisiones evaporativas pueden también ocurrir a través de los sellos del motor y a través de la reserva de aceite. Una de las más antiguas formas de control de emisiones evaporativas de los Estados Unidos fue la recopilación de vapores provenientes de la reserva de aceite y su regreso al motor a través de la toma de aire. Esto se denomina ventilación positiva del cárter (PCV por sus siglas en inglés), lo cual se resume en 6.2.1-10. La mayoría de los vehículos a lo largo del mundo tienen alguna forma de PCV. En años recientes, estudios de túneles han aumentado la posibilidad de emisiones evaporativas importantes a través de fugas muy pequeñas, difíciles de notar en los sellos del motor. Los fabricantes han mejorado los sellos en los Estados Unidos desde el año 2000 debido a este problema. Poco es lo que se conoce acerca de este proceso de fuga, pero vale la pena tenerlo en cuenta.

Un caso extremadamente importante donde ocurren emisiones evaporativas significativas es en el momento en que el vehículo está reabasteciéndose de combustible. Estas son llamadas emisiones de reabastecimiento y usualmente no se consideran como emisiones de fuentes móviles, sino que más bien como parte del inventario de un área de fuente, dentro de las emisiones de estaciones de reabastecimiento de combustible y serán discutidas posteriormente en el capítulo de Fuentes Estacionarias.

En este caso, las emisiones resultan cuando el combustible entre al tanque y desplaza los vapores ahí existentes. Sin ningún control, el aire en el tanque de combustible completamente saturado con gasolina es forzado a salir a la atmosfera. Muchas áreas urbanas de los Estados Unidos requieren que estas emisiones sean capturadas en la manguera de abastecimiento a medida que se llena el estanque. Se debe notar que mientras que combustibles como el gas natural y propano son almacenados en tanques sellados, el proceso de reabastecimiento de aquellos tanques pueden tener emisiones significativas y también es posible que se desarrollen pequeñas fugas en sistema de aire comprimido. El gas natural licuado (LNG por sus siglas en inglés) tiene sus propios problemas de evaporación, los cuales debieran ser considerados si es que el LNG se vuelve una opción popular para combustibles.



6.2.1.10 Octanaje de Combustible

En los primeros días de la introducción del motor de combustión interna, se encontró que algunas gasolinas combustionaban demasiado rápido (pre-encendido) causando explosiones virtuales en los motores que reducían la eficiencia y dañaban partes del motor. Este fenómeno resulta en un sonido de golpes, el cual se denomina comúnmente “golpeteo”. El pre-encendido (golpeteo) se vuelve un problema mayor en motores a gasolina que operan a temperaturas y presiones más altas. Un sistema de clasificación de combustibles fue desarrollado y se denomina octanaje. El nombre fue seleccionado debido a que el hidrocarburo iso-octano era utilizado como un estándar para el desarrollo del sistema de clasificación. El iso-octano puro tiene una clasificación de 100. Si un combustible produce golpeteo en el motor a una presión y temperatura menor que la del iso-octano, se le asigna una clasificación menor a 100. Técnicamente números de octanaje hasta 100 indican el contenido volumétrico en porcentaje de C8H18 iso-octano contenido en una mezcla con C7H16 n-heptano al punto en que la resistencia al golpe de la mezcla en un motor de prueba es idéntica a aquella del combustible siendo testeado (Bauer, 2000). Aproximadamente en 1920 en Estados Unidos se encontró que la incorporación del compuesto tetra etilo de plomo (TEL) aumentaba dramáticamente el octanaje de un combustible dado, permitiendo a las refinerías una gran flexibilidad para producir combustibles de alto octanaje a un costo más bajo que al utilizar compuestos de hidrocarburo. Sin embargo, a medida que el uso del vehículo aumentó y grandes cantidades de TEL eran liberadas al aire, se asoció el TEL a serios problemas de salud, incluyendo daño cerebral en niños. Por consiguiente, durante los años 80 en Estados Unidos el TEL fue etiquetado como un compuesto tóxico y se dejó de utilizar por completo en los años 90. Este es también el mismo período de tiempo cuando se introdujeron los catalizadores en los Estados Unidos, y se reconoció que la presencia de TEL en el combustible también destruía la habilidad de trabajo de los catalizadores. Hoy en día, el combustible con plomo como se le llama comúnmente, está prohibido en la mayoría de los países del mundo, sin embargo aun se utiliza TEL en algunas partes de África, el Medio Este y Asia Central.

Como una alternativa al uso del TEL para aumentar el nivel de octanaje, los combustibles son ahora reformulados con hidrocarburos de mayor octanaje en la mayoría de las ubicaciones. Por ejemplo, la incorporación de alcohol a la gasolina aumenta su octanaje. En países que no quieren hacer una inversión en sus refinerías para reformular sus combustibles, un compuesto llamado Tricarbonil (Metilciclopentadienil) Manganeso (MMT por sus siglas en inglés) está siendo utilizado o propuesto para reemplazar al TEL. Sin embargo existe la preocupación de que MMT pueda tener riesgos asociados para la salud así como también el potencial para degradar el rendimiento de sistemas de control. Por estas razones, el uso de MMT en combustibles no está permitido en los Estados Unidos.

6.2.1.11 Combustibles Limpios/Oxigenados

Adicionalmente a la cantidad de combustible, temperatura y razón aire/combustible, la compensación de combustible puede jugar un papel importante en cambiar las características de las emisiones del motor. En un intento por disminuir las emisiones vehiculares, California siguió el curso de la introducción del metano a la mezcla de combustible hacia finales de los años 80. En respuesta a esto, la empresa ARCO (ahora parte de BP Petróleo), desarrolló una gasolina de combustión más limpia, que ellos argumentaban resultaría en una combustión en el motor que sería tan limpia como utilizar metanol. Esta nueva gasolina incluía el uso de una mezcla de hidrocarburos levemente diferente en el combustible y la incorporación de metil terc-butil éter (MTBE). Estos cambios en el combustible produjeron una combustión más limpia que la gasolina normal al mismo tiempo que demostraba que era posible producir formas más limpias de combustión de gasolina. La fórmula simplificada para el MTBE es C5H12O. La incorporación de MTBE al combustible efectivamente agregaba oxígeno a la mezcla de combustible, por ello el MTBE se denomina oxigenante para propósitos de discusión de aditivos de combustibles. Metanol y Etanol producen resultados similares que el MTBE, excepto que ellos aumentan la volatilidad del combustible a menos que se hagan cambios al combustible base (vea la sub sección relativa a emisiones evaporativas).

Volviendo a 6.2.1-3, es digno de notar que si el combustible fuera a ser reemplazado por un combustible oxigenado que en términos generales se pareciera a C10H18O (es decir, el combustible contiene aproximadamente un 10% de oxigeno por peso), entonces la relación aire combustible requerida para una combustión estequiométrica cae desde 14.5 a 14. En un motor al que se le suministra aire (por lo tanto oxígeno) a una tasa constante, como en el caso de los motores carburados, entonces con la adición de un oxigenante la mezcla aire/combustible comenzaría a operar de forma más pobre (es decir, moverse a la derecha en 6.2.1-unknown). Dado que la mayoría de los motores tienden a estar programados para operar con una mezcla rica de manera de entregarles mayor potencia y de que tengan una partida más fácil, el uso de combustibles oxigenados resulta en una mezcla más pobre que normalmente disminuirá las emisiones. Esta es la base para el uso de combustibles oxigenados así como también para medidas de control de emisiones en algunas localidades. Los combustibles oxigenados fueron obligatorios en ciudades altamente contaminadas de los Estados Unidos según el Decreto de Aire Limpio del año 1990.

Se ha discutido que los vehículos modernos con control computarizado que incorporan sensores de oxigeno en el tubo de escape no se beneficiarán de los combustibles oxigenados dado que ellos ajustan la mezcla aire/combustible para mantener un lambda constante. Pruebas realizadas sobre algunos de los primeros motores con control computarizado, sí se beneficiaron de combustibles oxigenados probablemente porque los ajustes del motor no eran tan precisos como se pensaba. Sin embargo, vehículos con control computarizado fabricados después del año 2000 en los Estados Unidos no parecieron beneficiarse de forma significativa con combustibles oxigenados, confirmando esta creencia previa. Las flotas en países en vías de desarrollo con grandes cantidades de vehículos carburados o con sistemas aire/combustible fallidos o antiguos, se podrían ver beneficiados del uso de combustibles oxigenados.

En este punto vale la pena mencionar los problemas de aguas subterráneas asociadas con MTBE. Desafortunadamente, MTBE es levemente soluble en agua debido a la molécula de agua en su estructura. Por ello, en el caso de fugas desde el tanque de gasolina, las cuales son bastante frecuentes, el MTBE se transfiere hacia aguas subterráneas a una rápida tasa. Por ello MTBE se volvió un problema de aguas subterráneas en muchas áreas de los Estados Unidos. Finalmente, MTBE fue prohibido como aditivo de gasolinas en los Estados Unidos debido a este problema. El Etanol ha sustituido al MTBE como el aditivo en los Estados Unidos.

Combustibles hechos con cadenas de carbón más cortas y de estructura menos compleja, tienden a combustionar de manera más limpia que combustibles con cadenas de carbono más largas y complejas en su estructura. Por ello, el metano (CH4) tiende a realizar una combustión más limpia que el metanol (CH3OH), el cual a su vez tiene una combustión más fácil que la gasolina (C10H20). Esto no quiere decir que el metano haga una combustión más limpia que el metanol o la gasolina en todas las situaciones. Una razón aire/combustible inapropiada en un motor a gas natural puede producir más emisiones que un motor carburado a gasolina ajustado adecuadamente. Los kits de repuestos utilizados para convertir vehículos a gasolina en vehículos a gas pueden producir vehículos altamente contaminantes en algunos casos.

Todos los combustibles fósiles contienen algún grado de azufre. Cuando los combustibles son quemados, el azufre se emite a través del tubo de escape. Dado que el dióxido de azufre es dañino y con el tiempo se convierte en PM2.5, el azufre degrada la atmosfera. Sumado a lo anterior, el azufre inhibe la operación del sistema catalítico del vehículo a medida que se desplaza por el gas de escape. En California, el azufre en combustibles se ha restringido a 15 ppm para proteger a los catalizadores y para permitir catalizadores de NOx en vehículos diesel.

6.2.1.12 Emisiones de Material Particulado Formado Mecánicamente

Cuando se aplican los frenos, el roce entre las pastillas de freno y balatas causa que las pastillas de freno se gasten y eventualmente necesiten ser reemplazadas. Este proceso de desgaste produce material particulado que debiera ser considerado al evaluar las emisiones vehiculares. Estas partículas tienen distinta distribución de tamaño y composición que aquellas provenientes del proceso de combustión. En el pasado, las pastillas de freno estaban hechas de asbesto. Este material es particularmente dañino y no está permitido en las balatas en los países desarrollados. El estado del asbesto en países desarrollados es desconocido para los autores en este momento. Un proceso similar ocurre con los neumáticos. La huella del neumático que desaparece a medida que el neumático envejece, es liberada en forma de material particulado, lo cual también contribuye a las emisiones vehiculares. Estas emisiones mecánicas son normalmente consideradas de menor importancia en comparación con las emisiones de gas de escape y emisiones evaporativas, pero no debieran ser despreciadas ya que en algunos casos pueden liberar emisiones tóxicas al medioambiente.

6.2.1.13 Envejecimiento de Vehículos

Un factor final que determina la cantidad de emisiones de un vehículo es su envejecimiento. El envejecimiento del vehículo tendrá un impacto sobre emisiones de gas de escape, evaporativas y de aquellas inducidas mecánicamente. Como se podría esperar, los sistemas de control de aire/combustible, sistemas de control de emisión de gas de escape y otros sistemas mecánicos en los vehículos se desgastan y operan de manera menos optima a medida que el vehículo envejece. La mayoría de las veces este desgaste resulta en un aumento de emisiones. Los contaminantes en el combustible pueden acelerar el proceso. El plomo permanentemente destruye el catalizador y ensucia las bujías. El azufre reduce la efectividad del catalizador, de la misma forma en que lo hace el Tricarbonil (Metilciclopentadienil) Manganeso (MMT) cuando se utiliza en lugar del plomo. Es común aplicar a las emisiones de tubo de escape de vehículos en ruta, una tasa de deterioro lineal. Este es el enfoque utilizado por la EPA de los Estados Unidos en sus factores originales de emisión AP-42. La tabla 6.2.1-11 muestra el aumento estimado de emisiones comparado con las emisiones provenientes de un vehículo nuevo para los primeros 161,000 kilómetros de utilización, basado en los factores de emisión AP-42 de la EPA de los Estados Unidos.



No se recomienda que las tasas de deterioro mostradas en 6.2.1-11 sean utilizadas para ningún cálculo serio. Ellas se muestran para ilustrar el hecho de que las emisiones tienden a aumentar a medida que los vehículos envejecen. También debiera notarse que las emisiones reales para un vehículo a inyección de combustible con catalizador, aún con el gran deterioro mostrado en 6.2.1-11, son menores que en vehículos carburados. La mayoría de los modelos de emisión vehicular incorporan algún factor que tome en cuenta el aumento de emisiones a medida que el vehículo envejece. Los modelos IVE y CMEM abordan el uso del vehículo creando tres grupos de uso de vehículos basados en el número de kilómetros que cada vehículo ha operado. En el caso del modelo IVE, los vehículos de baja utilización son aquellos operados menos de 79,000 kilómetros. Vehículos de alta utilización son aquellos que se operan por más de 161,000 kilómetros. Los vehículos de mediano uso son aquellos cuya utilización cae entre las categorías de baja y alta utilización. Otros modelos utilizados en los Estados Unidos utilizan regímenes complicados que consideran los efectos de programas de inspección y mantenimiento, intervención a los sistemas de control y el deterioro normal de vehículos y sus sistemas de control de emisiones. Estos requieren pruebas y catastros extensivos para determinar la tasa de deterioro global para variados tipos de vehículo.

6.2.1.14 Gases de Calentamiento Global

La preocupación por el calentamiento global ha ido aumentando durante los últimos veinte años. Las emisiones provenientes de vehículos en ruta que contribuyen al calentamiento global incluyen dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y óxido nitroso (N2O). El metano (CH4) es de menor importancia en el caso de vehículos diesel o a gasolina, pero aun así debiera considerarse. El óxido nitroso (N2O) se produce en el motor y en el catalizador. Por ello, vehículos catalíticos normalmente producen más oxido nitroso que los vehículos no catalíticos. Sin embargo, la ventaja de los catalíticos para la reducción de contaminación del aire en zonas urbanas hasta ahora se ha considerado más importante que los modestos aumentos en N2O causados por los catalizadores.

La mayor contribución al calentamiento global proveniente de vehículos que operan con combustibles fósiles es el dióxido de carbono. La cantidad de dióxido de carbono en el gas de escape es un resultado directo del uso de combustible, lo cual es afectado por el diseño del motor, los sistemas de control, el tamaño del vehículo, mantenimiento del vehículo y patrones de conducción. Sin embargo, los factores predominantes que determinan las tasas de emisión de CO2 son el tamaño y diseño del motor y el tipo de combustible utilizado. Todas las emisiones vehiculares basadas en carbón eventualmente se oxidan y producen dióxido de carbono. Por ello, emisiones de CO y COV debieran ser consideradas al calcular las emisiones totales de CO2 para propósitos de calentamiento global.

Mientras más alta sea la eficiencia del combustible de un vehículo, menor será el uso de combustible y también el CO2 producido por el vehículo durante el mismo recorrido. Vehículos a gasolina normal operan a una eficiencia de combustible de aproximadamente 23%. Esto quiere decir que el 23% de la energía del combustible se transforma en energía mecánica para mover el vehículo. Aproximadamente el 77% de la energía en el combustible se desperdicia. Los motores diesel (motores de encendido por compresión) típicamente operan con razones de compresión mucho mayores comparado con motores a gasolina y por ello a menudo tienen una eficiencia de aproximadamente un 33%. Esto indica la razón por la cual la mayoría de los camones prefieren motores diesel. El uso de inyección de combustible multipunto controlada por computador ha aumentado modestamente la eficiencia de combustible en vehículos a gasolina. Debido a lo anterior, los vehículos modernos obtienen una mejor economía de combustible que vehículos carburados si los otros parámetros operacionales del vehículo se mantienen iguales. El tamaño de los vehículos ha aumentado significativamente en los Estados Unidos en los años 90 lo que ha mitigado las crecientes eficiencias de combustibles derivadas de mejoras en la inyección de combustible y transmisión.

Para mejorar la eficiencia en vehículos a gasolina, se ha introducido el vehículo hibrido. Los vehículos híbridos actuales utilizan un pequeño motor a gasolina en combinación con un motor eléctrico y baterías. El motor eléctrico y las baterías ayudan a acelerar el vehículo a medida que éste comienza a moverse. Esto permite el uso de un motor más pequeño y eficiente en el vehículo, y que éste sea operado en una banda de potencia más angosta, lo cual también aumenta la eficiencia operacional. Finalmente, cuando el vehículo es frenado o está bajando una cuesta, el motor eléctrico puede ser utilizado como un generador para recuperar algo de la energía utilizada para poner al vehículo en movimiento o moverlo cuesta arriba. Esta energía almacenada puede ser utilizada para acelerar el vehículo posteriormente. En general un vehículo hibrido a gasolina puede llegar a la misma eficiencia de combustible que un motor diesel. Por supuesto, un hibrido diesel podría tener una eficiencia aún mejor.

6.2.1.15 Gases Tóxicos

Los vehículos en ruta también pueden producir cantidades significativas de gases tóxicos. Los más importantes son el plomo, 1,3 butadieno, acetaldehído, amoniaco, benceno y material particulado diesel. Por supuesto, el plomo sólo será un problema si se utiliza en el combustible. Sin señalar un compuesto especifico, la EPA de los Estados Unidos ha declarado recientemente que substancias encontradas en material particulado proveniente de la combustión de diesel son sospechados cancerígenos mientras que la Junta de Recursos del Aire de California ha declarado al material particulado diesel como un cancerígeno reconocido. Esto ha aumentado el nivel de conciencia y ha promovido una acción acelerada para reducir emisiones de material particulado de tubos de escape provenientes de todos los vehículos diesel y vehículos en o fuera de ruta. Otros tóxicos relacionados a vehículos, tales como los aldehídos se asocian con emisiones COV o de hidrocarburos provenientes del tubo de escape. Por ello, en estos casos, la cantidad de emisiones de hidrocarburos pueden servir de forma gruesa como un sustituto para la producción de gases tóxicos en un vehículo. Esta es una relación útil debido a que es caro y más difícil medir compuestos tóxicos específicos en comparación con las emisiones globales de hidrocarburos. El resultado es que los mismos factores que aumentan la cantidad de hidrocarburos en el gas de escape tendrán la tendencia a aumentar las emisiones toxicas en el gas de escape, sin embargo esta regla no es rígida. Los factores vehiculares que impactan más fuertemente la emisión de gases tóxicos son el diseño del motor, el mantenimiento del vehículo y los patrones de conducción.

6.2.1.16 Resumen

En resumen, las emisiones de un vehículo provienen de una variedad de fuentes, incluyendo el motor, tanque de combustible, neumáticos y frenos del vehículo. Las emisiones del motor debido a la actividad del vehículo son altamente variables y el comportamiento de conducción puede tener un impacto importante en estas emisiones. Los vehículos emiten más cuando el motor y el sistema catalítico son encendidos. Estas emisiones a menudo se denominan emisiones de partida y la cantidad dependerá de la temperatura ambiente y el tiempo durante el cual el motor ha estado apagado (tiempo de reposo), y por ello, en frío. Es común que las emisiones de partida se traten como una categoría separada de emisiones en comparación con las emisiones en marcha debido a que se requieren distintos enfoques para estimarlas. La tecnología del motor, particularmente la tecnología de abastecimiento aire/combustible, sistemas catalíticos y otros sistemas de control provocan un impacto sobre la cantidad de emisiones liberadas a través del sistema de escape, así como también el deterioro del sistema a través del tiempo. La evaporación y los frenos y neumáticos son de importante consideración al evaluar los impactos ambientales globales provenientes de vehículos en ruta.