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gases de escape diésel

Locomotora diésel British Rail Clase 55 Deltic con su característico y denso escape al arrancar un tren. Los gases de escape diésel son los gases producidos por un motor diésel ...

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Locomotora diésel British Rail Clase 55 Deltic con su característico y denso escape al arrancar un tren.

Los gases de escape diésel son los gases producidos por un motor diésel , junto con las partículas que contenga . Su composición puede variar según el tipo de combustible, la tasa de consumo o la velocidad de funcionamiento del motor (por ejemplo, al ralentí, a velocidad constante o bajo carga), y si el motor se encuentra en un vehículo de carretera, un vehículo agrícola, una locomotora, una embarcación, un generador estacionario u otra aplicación. [ 1 ]

Los gases de escape del diésel causan cáncer de pulmón y otras enfermedades como el asma , y ​​muchas muertes prematuras. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Existen métodos para reducir los óxidos de nitrógeno (NO x ) y las partículas (PM) en los gases de escape.

Algunos países han fijado una fecha para dejar de vender vehículos diésel , y algunos centros urbanos prohibirán los coches diésel. [ 5 ]

Composición

Los productos primarios de la combustión de combustibles derivados del petróleo en el aire son el dióxido de carbono y el agua. Los gases de escape de esta combustión también contienen nitrógeno y oxígeno sobrante que pasa a través de la combustión sin participar en ninguna reacción química. Los demás componentes existen principalmente por pirosíntesis . [ 1 ] [ 6 ] Si bien la distribución de los componentes individuales de los gases de escape diésel crudos (sin tratar) varía según factores como la carga, el tipo de motor, etc., la tabla a continuación muestra una composición típica.

Las condiciones físicas y químicas que existen dentro de cualquier motor diésel, bajo cualquier circunstancia, difieren considerablemente de las de los motores de encendido por chispa , ya que, por diseño, la potencia del motor diésel se controla directamente mediante el suministro de combustible, no mediante el control de la mezcla aire/combustible, como en los motores de gasolina convencionales. [ 7 ] Como resultado de estas diferencias, los motores diésel generalmente producen una gama distinta de contaminantes que los motores de encendido por chispa, diferencias que a veces son cualitativas (qué contaminantes están presentes y cuáles no), pero más a menudo cuantitativas (cuánto de contaminantes o clases de contaminantes específicos están presentes en cada uno). Por ejemplo, los motores diésel producen una veintiochoava parte del monóxido de carbono que producen los motores de gasolina, ya que queman su combustible en exceso de aire incluso a plena carga. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

Sin embargo, la naturaleza de combustión pobre de los motores diésel y las altas temperaturas y presiones del proceso de combustión dan como resultado una producción significativa de NO x ( óxidos de nitrógeno gaseosos ), un contaminante del aire que constituye un desafío único con respecto a su reducción. Si bien los óxidos de nitrógeno totales de los automóviles de gasolina han disminuido en alrededor de un 96% a través de la adopción de convertidores catalíticos de escape a partir de 2012, los automóviles diésel todavía producen óxidos de nitrógeno a un nivel similar al de los comprados 15 años antes en pruebas de mundo real; por lo tanto, los automóviles diésel emiten alrededor de 20 veces más óxidos de nitrógeno que los automóviles de gasolina. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] Los motores diésel modernos en carretera generalmente utilizan sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR) para cumplir con las leyes de emisiones, ya que otros métodos como la recirculación de gases de escape (EGR) no pueden reducir adecuadamente el NO x para cumplir con los nuevos estándares aplicables en muchas jurisdicciones.

Además, las partículas finas (materia particulada fina) en el escape diésel (por ejemplo, hollín , a veces visible como humo opaco de color oscuro) han sido tradicionalmente una mayor preocupación, ya que presentan diferentes riesgos para la salud y rara vez se producen en cantidades significativas por los motores de encendido por chispa . Estos contaminantes particulados especialmente dañinos alcanzan su punto máximo cuando dichos motores funcionan sin suficiente oxígeno para la combustión completa del combustible; cuando un motor diésel funciona al ralentí, generalmente hay suficiente oxígeno presente para quemar el combustible por completo. [ 14 ] Desde el punto de vista de la emisión de partículas, se ha informado que el escape de los vehículos diésel es significativamente más dañino que el de los vehículos de gasolina.

Los gases de escape diésel, conocidos desde hace tiempo por su característico olor, cambiaron significativamente con la reducción del contenido de azufre en el combustible diésel, y nuevamente con la introducción de los convertidores catalíticos en los sistemas de escape. Aun así, los gases de escape diésel siguen conteniendo una variedad de contaminantes inorgánicos y orgánicos, de diversas clases y en concentraciones variables (véase más abajo), dependiendo de la composición del combustible y las condiciones de funcionamiento del motor.

Clases químicas

A continuación se presentan clases de compuestos químicos que se han encontrado en los gases de escape del diésel. [ 22 ]

Sustancias químicas específicas

A continuación se presentan clases de sustancias químicas específicas que se han encontrado en los gases de escape del diésel. [ 24 ][ 1 ]

§ Incluye todos los regioisómeros de este compuesto aromático . Consulte las descripciones de los isómeros orto, meta y para en el artículo de cada compuesto.

Regulación

Estados Unidos

Para reducir rápidamente las partículas de los motores diésel de servicio pesado en California, la Junta de Recursos del Aire de California creó el Programa de Cumplimiento de Estándares de Calidad del Aire Carl Moyer Memorial para proporcionar fondos para la modernización de los motores antes de las regulaciones de emisiones. [ 38 ] En 2008, la Junta de Recursos del Aire de California también implementó la Regla Estatal de Camiones y Autobuses de California de 2008 que exige que todos los camiones y autobuses diésel de servicio pesado, con algunas excepciones, que operan en California modernicen o reemplacen sus motores para reducir las partículas diésel.

unión Europea

A diferencia del transporte marítimo internacional, que tenía un límite de azufre del 3,5 % en masa/masa fuera de las ECA hasta 2020, cuando se redujo al 0,5 % fuera de las ECA, el diésel para uso en carretera y fuera de ella (maquinaria pesada) ha estado limitado en toda la UE desde 2009.

El diésel y la gasolina tienen un límite de azufre de 10 ppm desde 2009 (para vehículos de carretera) y 2011 (para vehículos no de carretera). También se aplican especificaciones obligatorias a más de una docena de parámetros del combustible. [ 39 ]

Daños a la salud

Daños a la salud pública

Las emisiones de los vehículos diésel son más dañinas que las de los vehículos de gasolina. [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] Los gases de escape de la combustión diésel son una fuente de hollín atmosférico y partículas finas , que son un componente de la contaminación del aire implicada en el cáncer humano, [ 43 ] [ 44 ] daño cardíaco y pulmonar, [ 45 ] y funcionamiento mental. [ 46 ] Además, los gases de escape diésel contienen contaminantes catalogados como carcinógenos para los humanos por la IARC (parte de la Organización Mundial de la Salud de las Naciones Unidas ), como se presenta en su Lista de carcinógenos del Grupo 1 de la IARC . [ 47 ]

Los gases de escape del diésel son un carcinógeno del Grupo 1 , que causa cáncer de pulmón y tiene una asociación positiva con el cáncer de vejiga . [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] Contiene varias sustancias que también están incluidas individualmente en la lista de carcinógenos humanos de la IARC . [ 47 ]

Un informe de marzo de 2025 del Centro de Investigación sobre Energía y Aire Limpio (CREA) revela que el impacto de los camiones diésel es más perjudicial para la salud pública de lo que se creía anteriormente. [ 53 ] CREA evaluó los impactos de las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) de camiones medianos y pesados ​​fabricados y vendidos por Daimler , Traton , Volvo y Paccar entre 2014 y 2023. El análisis predice que, hasta 2040, podría haber 307 000 muertes prematuras, 217 000 nuevos casos de asma infantil, 120 millones de días laborales perdidos y 1,4 billones de dólares en costos económicos relacionados con las emisiones de los camiones diésel. [ 53 ]

Efectos en la salud laboral

Dos instrumentos portátiles con pantallas y cables sobre un fondo blanco.
Dos monitores de partículas diésel.

La exposición a los gases de escape diésel y a las partículas diésel (DPM) representa un riesgo laboral para camioneros , trabajadores ferroviarios , residentes de viviendas cercanas a estaciones de ferrocarril y mineros que utilizan maquinaria diésel en minas subterráneas. También se han observado efectos adversos para la salud en la población general a concentraciones atmosféricas de partículas muy inferiores a las presentes en los entornos laborales.

En marzo de 2012, científicos del gobierno estadounidense demostraron que los mineros subterráneos expuestos a altos niveles de gases de escape diésel tienen un riesgo tres veces mayor de contraer cáncer de pulmón en comparación con aquellos expuestos a bajos niveles. El Estudio de Gases de Escape Diésel en Mineros (DEMS, por sus siglas en inglés), con un presupuesto de 11,5 millones de dólares, realizó un seguimiento a 12.315 mineros, controlando la presencia de carcinógenos clave como el humo del cigarrillo, el radón y el amianto. Esto permitió a los científicos aislar los efectos de los gases de escape diésel. [ 54 ] [ 55 ]

Durante más de 10 años, se han planteado preocupaciones en los EE. UU. con respecto a la exposición de los niños a las partículas diésel (DPM) cuando viajan en autobuses escolares diésel hacia y desde la escuela. [ 56 ] En 2013, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) estableció la iniciativa Clean School Bus USA en un esfuerzo por unir a organizaciones públicas y privadas para reducir la exposición de los estudiantes. [ 57 ]

Debido a las partículas

Camión pesado, con hollín visible en forma de partículas.

Las partículas diésel (DPM), también conocidas como partículas de escape diésel (DEP), son el componente particulado de los gases de escape diésel, que incluye hollín diésel y aerosoles como partículas de ceniza, partículas de abrasión metálica, sulfatos y silicatos . Al liberarse a la atmósfera , las DPM pueden presentarse en forma de partículas individuales o agregados en cadena, la mayoría en el rango submicrométrico invisible de 100 nanómetros , también conocidas como partículas ultrafinas (UFP) o PM0.1.

La fracción principal de partículas de los gases de escape del diésel consiste en partículas finas . Debido a su pequeño tamaño, las partículas inhaladas pueden penetrar fácilmente en lo profundo de los pulmones. [ 1 ] Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) presentes en los gases de escape estimulan los nervios de los pulmones, provocando tos refleja, sibilancias y dificultad para respirar. [ 58 ] Las superficies rugosas de estas partículas facilitan su unión con otras toxinas del ambiente , aumentando así los riesgos de la inhalación de partículas. [ 14 ] [ 1 ]

Omidvarborna y colaboradores publicaron un estudio sobre las emisiones de material particulado (PM) de autobuses de tránsito que funcionaban con diésel de ultrabajo contenido de azufre (ULSD ) y una mezcla de biodiésel y diésel convencional (B20). En dicho estudio, concluyeron que las emisiones de PM parecían ser menores en los casos de uso de diésel/biodiésel mixto, dependiendo del modelo del motor , los modos de ralentí en frío y en caliente , y el tipo de combustible. Además, observaron que los metales pesados ​​en el PM emitido durante el ralentí en caliente eran mayores que los emitidos durante el ralentí en frío. Se sugirió que la reducción de las emisiones de PM en el biodiésel se debía a la estructura oxigenada del combustible biodiésel, así como a cambios en la tecnología (incluido el uso de un convertidor catalítico en este sistema de prueba). [ 59 ] Otros estudios concluyeron que, si bien en ciertos casos específicos (es decir, cargas bajas, materias primas más saturadas, ...), las emisiones de NO x pueden ser menores que con el combustible diésel, en la mayoría de los casos las emisiones de NO x son mayores, e incluso aumentan a medida que se mezcla más biocombustible. El biodiésel puro (B100) llega a tener entre un 10 % y un 30 % más de emisiones de NO x en comparación con el combustible diésel convencional. [ 60 ]

Efectos específicos

Las exposiciones se han relacionado con síntomas agudos a corto plazo como dolor de cabeza , mareo , aturdimiento , náuseas , tos , dificultad o esfuerzo respiratorio , opresión en el pecho e irritación de los ojos, la nariz y la garganta. [ 61 ] Las exposiciones a largo plazo pueden provocar problemas de salud crónicos y más graves como enfermedades cardiovasculares , enfermedades cardiopulmonares y cáncer de pulmón . [ 43 ] [ 44 ] [ 62 ] El carbono elemental atribuible al tráfico se asoció significativamente con sibilancias a la edad de 1 año y sibilancias persistentes a la edad de 3 años en el estudio de cohorte de nacimiento del Estudio de Alergia Infantil y Contaminación del Aire de Cincinnati. [ 63 ] La contaminación del aire ambiental relacionada con el tráfico se asocia con una disminución de la función cognitiva en hombres mayores. [ 46 ]

El estudio de las nanopartículas y la nanotoxicología está en sus inicios, y aún se están descubriendo los efectos en la salud de las nanopartículas producidas por todo tipo de motores diésel. Es evidente que los perjuicios para la salud derivados de las emisiones de partículas finas del diésel son graves y generalizados. Aunque un estudio no encontró evidencia significativa de que la exposición a corto plazo a los gases de escape del diésel provoque efectos extrapulmonares adversos, efectos que se correlacionan con un aumento de las enfermedades cardiovasculares , [ 64 ] un estudio de 2011 en The Lancet concluyó que la exposición al tráfico es el desencadenante prevenible más grave de infarto en la población general, siendo la causa del 7,4% de todos los infartos. [ 45 ] No es posible determinar cuánto de este efecto se debe al estrés de estar en el tráfico y cuánto a la exposición a los gases de escape.

Dado que el estudio de los efectos perjudiciales para la salud de las nanopartículas ( nanotoxicología ) aún está en sus inicios, y la naturaleza y el alcance de los impactos negativos para la salud de los gases de escape del diésel siguen siendo objeto de investigación, sigue siendo controvertido si el impacto en la salud pública de los vehículos diésel es mayor que el de los vehículos que utilizan gasolina. [ 65 ]

Variación con las condiciones del motor

Los tipos y cantidades de nanopartículas pueden variar según las temperaturas y presiones de operación, la presencia de una llama abierta, el tipo y la mezcla de combustible, e incluso las mezclas atmosféricas. Por lo tanto, los tipos de nanopartículas resultantes de diferentes tecnologías de motores e incluso de diferentes combustibles no son necesariamente comparables. Un estudio ha demostrado que el 95 % del componente volátil de las nanopartículas de diésel es aceite lubricante sin quemar. [ 66 ] Aún se necesitan aclarar los efectos a largo plazo, así como los efectos en grupos de personas susceptibles con enfermedades cardiopulmonares.

Los motores diésel pueden producir hollín negro (o, más específicamente, partículas diésel) en sus gases de escape. Este humo negro se compone de compuestos de carbono que no se han quemado debido a las bajas temperaturas localizadas donde el combustible no se atomiza por completo . Estas bajas temperaturas se producen en las paredes de los cilindros y en la superficie de las gotas de combustible. En estas zonas relativamente frías, la mezcla es rica (a diferencia de la mezcla general, que es pobre). La mezcla rica tiene menos aire para quemarse y parte del combustible se convierte en un depósito de carbono. Los motores de los automóviles modernos utilizan un filtro de partículas diésel (DPF) para capturar las partículas de carbono y, posteriormente, quemarlas intermitentemente mediante la inyección de combustible adicional directamente en el filtro. Esto evita la acumulación de carbono, aunque a costa de un pequeño desperdicio de combustible.

Al arrancar en frío, la eficiencia de combustión del motor se reduce porque el bloque del motor frío extrae calor del cilindro en la carrera de compresión. [ 67 ] El resultado es que el combustible no se quema completamente, lo que produce humo azul y blanco y menor potencia hasta que el motor se calienta. Esto ocurre especialmente con los motores de inyección indirecta, que son menos eficientes térmicamente. Con la inyección electrónica, el tiempo y la duración de la secuencia de inyección se pueden modificar para compensar esto. Los motores más antiguos con inyección mecánica pueden tener un control de regulador mecánico e hidráulico para modificar el tiempo, y bujías incandescentes controladas eléctricamente multifase , que permanecen encendidas durante un período después del arranque para asegurar una combustión limpia; las bujías se cambian automáticamente a una potencia menor para evitar que se quemen.

Wärtsilä afirma que existen dos maneras de generar humo en los motores diésel grandes: una es cuando el combustible entra en contacto con el metal y no tiene tiempo de quemarse, y la otra es cuando hay demasiado combustible en la cámara de combustión .

Wärtsilä ha probado un motor y comparado la emisión de humo, utilizando un sistema de combustible convencional y un sistema de combustible common rail, el resultado muestra una mejora en todas las condiciones de funcionamiento cuando se utiliza el sistema common rail. [ 68 ]

Efectos ecológicos

Experimentos realizados en 2013 demostraron que los gases de escape del diésel perjudicaban la capacidad de las abejas para detectar el aroma de las flores de la colza . [ 69 ]

Las emisiones de los motores diésel contribuyen a la producción de ozono troposférico , que puede dañar cultivos, árboles y otra vegetación. Los gases de escape del diésel también contribuyen a la formación de lluvia ácida, que afecta al suelo, lagos y arroyos, y puede entrar en la cadena alimentaria humana a través del agua, los productos agrícolas, la carne y el pescado. [ 70 ]

Las emisiones de diésel influyen en el cambio climático. Reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de los motores diésel mediante estrategias para mejorar el consumo de combustible o reducir el ralentí puede contribuir a abordar el cambio climático, mejorar la seguridad energética y fortalecer las economías de los países. [ 70 ] Si bien el diésel contiene un poco más de carbono (2,68  kg CO₂ / litro) que la gasolina (2,31  kg CO₂ / litro), en general, las emisiones de CO₂ de un coche diésel tienden a ser menores debido a su mayor eficiencia. En la práctica, esto equivale, en promedio, a unos 200 g CO₂ / km para la gasolina y 120 g CO₂ / km para el diésel.

Remedios

General

Con el endurecimiento de las normas de emisiones , los motores diésel tienen que ser más eficientes y tener menos contaminantes en sus gases de escape . Además, en los últimos años, Estados Unidos, Europa y Japón han extendido las regulaciones de control de emisiones, que antes abarcaban vehículos de carretera, para incluir vehículos agrícolas y locomotoras, embarcaciones marítimas y aplicaciones de generadores estacionarios. [ 71 ] Cambiar a un combustible diferente (es decir, dimetil éter y otros bioéteres como el dietil éter ) [ 72 ] tiende a ser un medio muy eficaz para reducir contaminantes como NO x y CO. Cuando se utiliza dimetil éter (DME), por ejemplo, las emisiones de material particulado son casi inexistentes, e incluso se podría omitir el uso de filtros de partículas diésel. [ 73 ] Además, dado que el DME se puede producir a partir de residuos animales, alimentarios y agrícolas, puede incluso ser neutro en carbono (a diferencia del diésel convencional). La mezcla de bioéter (u otros combustibles como el hidrógeno) [ 74 ] [ 75 ] con el diésel convencional también tiende a tener un efecto beneficioso sobre los contaminantes que se emiten. Además de cambiar el combustible, los ingenieros estadounidenses también han ideado otros dos principios y sistemas distintos para todos los productos en el mercado que cumplen con los criterios de emisiones de EE. UU. de 2010.Reducción selectiva no catalítica (SNCR) y recirculación de gases de escape (EGR). Ambas se encuentran en el sistema de escape de los motores diésel y están diseñadas para mejorar la eficiencia.

Reducción catalítica selectiva

La reducción catalítica selectiva (SCR) inyecta un reductor como amoníaco o urea —esta última acuosa, donde se conoce como fluido de escape diésel (DEF)— en el escape de un motor diésel para convertir los óxidos de nitrógeno (NO x ) en nitrógeno gaseoso y agua. Se han desarrollado prototipos de sistemas SNCR que reducen el 90% del NO x en el sistema de escape, mientras que los sistemas comerciales presentan una reducción algo menor. Los sistemas SCR no necesariamente necesitan filtros de partículas (PM); cuando se combinan SNCR y filtros de PM, se ha demostrado que algunos motores son entre un 3% y un 5% más eficientes en el consumo de combustible. Una desventaja del sistema SCR, además del coste adicional de desarrollo inicial (que puede compensarse con el cumplimiento normativo y la mejora del rendimiento), es la necesidad de rellenar el reductor, cuya periodicidad varía según los kilómetros recorridos, los factores de carga y las horas de uso. [ 76 ] El sistema SNCR no es tan eficiente a altas revoluciones por minuto ( rpm ). El SCR se está optimizando para lograr una mayor eficiencia en un rango de temperaturas más amplio, ser más duradero y satisfacer otras necesidades comerciales. [ 71 ]

recirculación de gases de escape

La recirculación de gases de escape (EGR), en los motores diésel, puede utilizarse para lograr una mezcla de combustible y aire más rica y una temperatura máxima de combustión más baja. Ambos efectos reducen las emisiones de NO x , pero pueden afectar negativamente la eficiencia y la producción de partículas de hollín. La mezcla más rica se logra desplazando parte del aire de admisión, pero sigue siendo pobre en comparación con los motores de gasolina, que se aproximan al ideal estequiométrico . La temperatura máxima más baja se logra mediante un intercambiador de calor que elimina el calor antes de que vuelva a entrar en el motor, y funciona debido a la mayor capacidad calorífica específica de los gases de escape en comparación con el aire. Con la mayor producción de hollín, la EGR a menudo se combina con un filtro de partículas (PM) en el escape. [ 77 ] En los motores turboalimentados, la EGR necesita un diferencial de presión controlado a través del colector de escape y el colector de admisión, que puede lograrse mediante ingeniería como el uso de un turbocompresor de geometría variable, que tiene álabes guía de entrada en la turbina para generar contrapresión de escape en el colector de escape dirigiendo los gases de escape hacia el colector de admisión. [ 77 ] También requiere tuberías y válvulas externas adicionales, y por lo tanto requiere mantenimiento adicional. [ 78 ]

Sistemas combinados

John Deere , fabricante de maquinaria agrícola, está implementando un diseño combinado SCR-EGR en un motor diésel de 9 litros y 6 cilindros en línea que incorpora ambos tipos de sistemas, un filtro de partículas y tecnologías adicionales de catalizador de oxidación. [ 79 ] El sistema combinado incluye dos turbocompresores : el primero, en el colector de escape, con geometría variable y que contiene el sistema EGR; y un segundo turbocompresor de geometría fija. Los gases de escape recirculados y el aire comprimido de los turbocompresores cuentan con enfriadores independientes, y el aire se mezcla antes de entrar en el colector de admisión. Todos los subsistemas están controlados por una unidad de control central del motor que optimiza la minimización de los contaminantes liberados en los gases de escape. [ 79 ]

Otros remedios

Air Ink creó una nueva tecnología que se está probando desde 2016 y que recolecta partículas de carbono mediante un dispositivo cilíndrico "Kaalink" que se instala en el sistema de escape de un vehículo. Después de procesarlo para eliminar metales pesados ​​y carcinógenos, la compañía planea usar el carbono para fabricar tinta. [ 80 ]

En India, el kit Chakr Dual Fuel adapta un grupo electrógeno diésel para que funcione con una mezcla de gas y diésel, con un 70 % de gas natural y un 30 % de combustible fósil . [ 81 ]

Recuperación de agua

Se han realizado investigaciones sobre cómo las tropas en los desiertos pueden recuperar agua potable de los gases de escape de sus vehículos. [ 82 ] [ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ]

Véase también

Referencias y notas

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Lippmann, Morton, ed. (2009). Sustancias tóxicas ambientales (PDF) . págs.  553, 555, 556, 562. doi : 10.1002/9780470442890 . ISBN 9780470442890La composición puede variar notablemente con la composición del combustible, el tipo de motor, las condiciones de funcionamiento... La combustión del combustible derivado del petróleo produce principalmente dióxido de carbono, agua y nitrógeno... Los riesgos para la salud residen en las partículas pequeñas, invisibles o poco visibles... El núcleo de carbono (EC) del hollín del diésel... sirve como núcleo para la condensación de compuestos orgánicos del combustible no quemado o quemado incompletamente... Todavía parece que los HAP nitrados son los mutágenos bacterianos más predominantes.
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