recirculación de gases de escape

En los motores de combustión interna , la recirculación de gases de escape ( EGR ) es una técnica de reducción de emisiones de óxido de nitrógeno ( NO _x ) utilizada en motores de gasolina , diésel y algunos motores de hidrógeno . ^{[ 1 ]} La EGR funciona recirculando una porción de los gases de escape del motor hacia los cilindros . Los gases de escape desplazan el aire atmosférico y reducen el O ₂ en la cámara de combustión . La reducción de la cantidad de oxígeno disminuye la cantidad de combustible que puede quemarse en el cilindro, reduciendo así las temperaturas máximas en el cilindro. La cantidad real de gases de escape recirculados varía según los parámetros de funcionamiento del motor.

En el cilindro de combustión, el NO _x se produce por mezclas a alta temperatura de nitrógeno y oxígeno atmosféricos, y esto suele ocurrir a la presión máxima del cilindro. En un motor de encendido por chispa, un beneficio adicional de la recirculación de gases de escape mediante una válvula EGR externa es un aumento de la eficiencia, ya que la dilución de la carga permite una mayor posición del acelerador y reduce las pérdidas de bombeo asociadas. El motor de inyección directa de gasolina SkyActiv turboalimentado de Mazda utiliza gases de escape recirculados y enfriados para reducir las temperaturas de la cámara de combustión, lo que permite que el motor funcione a niveles de sobrealimentación más altos antes de que sea necesario enriquecer la mezcla aire-combustible para evitar el picado del motor . ^{[ 2 ]}

En un motor de gasolina, este escape inerte desplaza cierta cantidad de carga combustible en el cilindro, reduciendo efectivamente la cantidad de carga disponible para la combustión sin afectar la relación aire-combustible . En un motor diésel, el gas de escape reemplaza parte del exceso de oxígeno en la mezcla de precombustión. ^{[ 3 ]} Debido a que el NO _x se forma principalmente cuando una mezcla de nitrógeno y oxígeno se somete a alta temperatura, las temperaturas más bajas de la cámara de combustión causadas por la EGR reducen la cantidad de NO _x que genera el proceso de combustión. Los gases reintroducidos desde los sistemas EGR también contendrán concentraciones cercanas al equilibrio de NO _x y CO; la pequeña fracción inicialmente dentro de la cámara de combustión inhibe la producción neta total de estos y otros contaminantes cuando se muestrean en un promedio temporal. Las propiedades químicas de los diferentes combustibles limitan la cantidad de EGR que se puede utilizar. Por ejemplo, el metanol es más tolerante a la EGR que la gasolina. ^{[ 4 ]}

Los primeros sistemas EGR eran rudimentarios; algunos eran tan simples como un inyector de orificio entre los conductos de escape y admisión que permitía el paso de los gases de escape al conducto de admisión siempre que el motor estuviera en marcha. Esto inevitablemente resultaba en dificultades de arranque, ralentí inestable, menor rendimiento y pérdida de eficiencia de combustible. ^{[ 5 ]} Para 1973, una válvula EGR controlada por el vacío del colector se abría o cerraba para permitir el paso de los gases de escape al conducto de admisión solo bajo ciertas condiciones. Los sistemas de control se volvieron más sofisticados a medida que los fabricantes de automóviles adquirían experiencia; el sistema de "Recirculación de Gases de Escape Controlada por Refrigerante" de Volkswagen de 1973 ejemplificó esta evolución: un sensor de temperatura del refrigerante bloqueaba el vacío a la válvula EGR hasta que el motor alcanzaba la temperatura normal de funcionamiento . ^{[ 5 ]} Esto evitaba problemas de conducción debido a la inducción innecesaria de gases de escape; el NO _x se forma en condiciones de temperatura elevada que generalmente no están presentes con un motor frío. Además, la válvula EGR estaba controlada, en parte, por el vacío extraído del venturi del carburador , lo que permitía una restricción más precisa del flujo de EGR solo a aquellas condiciones de carga del motor bajo las cuales es probable que se forme NO _{x .} ^{[ 6 ]} Posteriormente, se añadieron transductores de contrapresión al control de la válvula EGR para ajustar aún más el flujo de EGR a las condiciones de carga del motor. La mayoría de los motores modernos ahora necesitan recirculación de gases de escape para cumplir con las normas de emisiones de NO _x . Sin embargo, las innovaciones recientes han llevado al desarrollo de motores que no la requieren. El motor Chrysler Pentastar 3.6 es un ejemplo que no requiere EGR. ^{[ 7 ]}

Los gases de escape contienen vapor de agua y dióxido de carbono, ambos con una capacidad calorífica menor que la del aire. Por lo tanto, la adición de gases de escape reduce la presión y la temperatura durante la compresión isoentrópica en el cilindro, disminuyendo así la temperatura de la llama adiabática .

En un motor de encendido por chispa (SI) típico de un automóvil, entre el 5 % y el 15 % de los gases de escape se recirculan a la admisión como EGR. La cantidad máxima está limitada por la necesidad de que la mezcla mantenga un frente de llama continuo durante la combustión; un exceso de EGR en aplicaciones mal configuradas puede provocar fallos de encendido y combustión parcial. Si bien el EGR ralentiza la combustión de forma apreciable, esto se puede compensar en gran medida adelantando el encendido. El impacto del EGR en la eficiencia del motor depende en gran medida del diseño específico del motor y, en ocasiones, conlleva un compromiso entre la eficiencia y las emisiones de NO _x . En ciertos tipos de situaciones, un EGR que funcione correctamente puede, en teoría, aumentar la eficiencia de los motores de gasolina mediante varios mecanismos:

• Pérdidas de aceleración reducidas . La adición de gases de escape inertes al sistema de admisión significa que, para una potencia determinada, la mariposa debe abrirse más, lo que resulta en una mayor presión en el colector de admisión y una reducción de las pérdidas por aceleración. ^{[ 8 ]}
• Reducción de la disipación de calor . La disminución de las temperaturas máximas de combustión no solo reduce la formación de NO _x , sino que también reduce la pérdida de energía térmica en las superficies de la cámara de combustión, dejando más energía disponible para su conversión en trabajo mecánico durante la carrera de expansión.
• Disociación química reducida . Las temperaturas máximas más bajas hacen que una mayor parte de la energía liberada permanezca como energía sensible cerca del punto muerto superior (PMS), en lugar de quedar ligada (al inicio de la carrera de expansión) a la disociación de los productos de combustión. Este efecto es menor en comparación con los dos primeros.

La recirculación de gases de escape (EGR) no se suele utilizar a altas cargas, ya que reduce la potencia máxima. Esto se debe a que disminuye la densidad de la carga de admisión . La EGR también se omite al ralentí (baja velocidad, carga cero) porque provocaría una combustión inestable, resultando en un ralentí irregular.

Dado que el sistema EGR recircula una parte de los gases de escape, con el tiempo la válvula puede obstruirse con depósitos de carbono, lo que impedirá su correcto funcionamiento. En ocasiones, las válvulas EGR obstruidas pueden limpiarse, pero si están defectuosas, es necesario reemplazarlas.

Debido a que los motores diésel dependen del calor de compresión para encender el combustible, son fundamentalmente diferentes de los motores de encendido por chispa. El proceso físico de combustión del diésel es tal que la combustión más completa se produce a temperaturas elevadas. Sin embargo, la producción de óxidos de nitrógeno ( NOx ) aumenta a altas temperaturas. Por lo tanto, el objetivo de la recirculación de gases de escape (EGR ₎ es reducir la producción _de NOx disminuyendo la temperatura de combustión.

En los motores diésel modernos, el gas EGR se suele enfriar con un intercambiador de calor para permitir la introducción de una mayor masa de gas recirculado. Sin embargo, existen diseños de EGR sin refrigeración; estos se conocen comúnmente como recirculación de gas caliente (HGR). Los componentes del EGR refrigerado están expuestos a cambios de temperatura rápidos y repetidos, lo que puede provocar fugas de refrigerante y fallos catastróficos del motor. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

A diferencia de los motores de encendido por chispa , los motores diésel no están limitados por la necesidad de un frente de llama continuo. Además, dado que los diésel siempre funcionan con exceso de aire, se benefician (en términos de reducción de emisiones de NO _x ) de tasas de recirculación de gases de escape (EGR) de hasta el 50 %. Sin embargo, una tasa de EGR del 50 % solo es adecuada cuando el motor diésel está al ralentí, ya que en estas condiciones se produce un gran exceso de aire.

Dado que los motores diésel modernos suelen tener mariposa de admisión, la recirculación de gases de escape (EGR) puede reducir la necesidad de regularla, eliminando así este tipo de pérdida, al igual que ocurre con los motores de encendido por chispa. En un motor de aspiración natural (es decir, sin turbocompresor), esta reducción de la regulación también disminuye el problema de que el aceite del motor sea aspirado a través de los segmentos del pistón hacia el cilindro, provocando depósitos de carbono derivados del aceite.

En los motores diésel, en particular, los sistemas EGR presentan serios inconvenientes, uno de los cuales es la reducción de la vida útil del motor. Por ejemplo, debido a que el sistema EGR recircula los gases de escape directamente a la admisión del cilindro sin ningún tipo de filtración, estos gases contienen partículas de carbono . Dado que estas diminutas partículas son abrasivas, la recirculación de este material al cilindro aumenta el desgaste del motor. Esto se debe a que estas partículas de carbono pasan por los segmentos del pistón (causando desgaste en la interfaz pistón-cilindro) y terminan en el aceite del cárter, donde provocan un mayor desgaste en todo el motor, simplemente porque su pequeño tamaño permite que atraviesen los filtros de aceite convencionales. Esto les permite recircular indefinidamente (hasta el siguiente cambio de aceite). ^{[ 11 ]}

Los gases de escape —compuestos principalmente de nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua— tienen un calor específico mayor que el del aire, por lo que contribuyen a reducir las temperaturas máximas de combustión. Sin embargo, la incorporación de la recirculación de gases de escape (EGR) a un motor diésel reduce la relación de calor específico de los gases de combustión durante la carrera de potencia . Esto disminuye la potencia que puede extraer el pistón, reduciendo así la eficiencia termodinámica.

La recirculación de gases de escape (EGR) también tiende a reducir la completitud de la combustión del combustible durante la carrera de potencia. Esto se evidencia por el aumento de las emisiones de partículas que corresponden a un aumento de la EGR. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Las partículas (principalmente carbono, también conocidas como hollín) que no se queman durante la carrera de potencia representan energía desperdiciada. Debido a las regulaciones más estrictas sobre partículas (PM), el efecto de aumento de hollín de la recirculación de gases de escape (EGR) requirió la introducción de controles de emisiones adicionales para compensar el aumento resultante de las emisiones de PM. El dispositivo de control de hollín más común es un filtro de partículas diésel (DPF) instalado después del motor en el sistema de escape . Este filtro captura el hollín, pero provoca una reducción en la eficiencia del combustible debido a la contrapresión generada.

Los filtros de partículas diésel (DPF) tienen requisitos de funcionamiento y mantenimiento muy específicos. En primer lugar, a medida que el DPF captura las partículas de hollín (que se acumulan en mayor cantidad debido al uso de la recirculación de gases de escape), el propio DPF se va saturando progresivamente de hollín. Este hollín debe quemarse, ya sea de forma activa o pasiva.

A temperaturas suficientemente altas, el dióxido de nitrógeno, componente de las emisiones de NO _x, es el principal oxidante del hollín atrapado en el filtro de partículas diésel (DPF) a temperaturas normales de funcionamiento. Este proceso se conoce como regeneración pasiva y solo es parcialmente eficaz para eliminar el hollín capturado. A altas tasas de recirculación de gases de escape (EGR), la eficacia de la regeneración pasiva se reduce aún más. Esto, a su vez, requiere una regeneración activa periódica del DPF mediante la combustión directa de gasóleo en el catalizador de oxidación, con el fin de aumentar significativamente la temperatura de los gases de escape a través del DPF hasta el punto en que las partículas se incineran por el oxígeno residual presente en los gases de escape.

Debido a que tanto el diésel como el aceite de motor contienen impurezas no combustibles (metálicas y minerales), la incineración del hollín (partículas en suspensión) en el filtro de partículas diésel (DPF) deja un residuo conocido como ceniza. Por este motivo, tras repetidos ciclos de regeneración, el DPF debe desmontarse y limpiarse mediante un proceso externo especial, o bien sustituirse.

Como se mencionó anteriormente, la recirculación de gases de escape con bajo contenido de oxígeno al sistema de admisión de aire del motor diésel genera temperaturas de combustión más bajas, reduciendo así las emisiones de NO _x . Al reemplazar parte del aire fresco con gases inertes, la recirculación de gases de escape (EGR) también permite que el motor reduzca la cantidad de combustible inyectado sin comprometer la relación ideal de mezcla aire-combustible, lo que reduce el consumo de combustible en situaciones de baja carga del motor (por ejemplo, cuando el vehículo circula por inercia o a velocidad constante). La potencia no se reduce en ningún momento debido a la EGR, ya que no se utiliza en situaciones de alta carga del motor. Esto permite que los motores sigan ofreciendo la máxima potencia cuando sea necesario, pero con un menor consumo de combustible a pesar del gran volumen del cilindro cuando la carga parcial es suficiente para satisfacer las necesidades de potencia del vehículo y del conductor.

La recirculación de gases de escape (EGR) no tiene nada que ver con la recirculación de vapores de aceite de un sistema de ventilación positiva del cárter (PCV), ya que este último solo sirve para reducir las emisiones de vapores de aceite y puede estar presente en motores con o sin sistema EGR. Sin embargo, la mezcla tripartita resultante del uso simultáneo de EGR y PCV en un motor (es decir, gases de escape, aire fresco y vapores de aceite) puede provocar la acumulación de alquitrán pegajoso en el colector de admisión y las válvulas. Esta mezcla también puede causar problemas con componentes como las aletas de turbulencia , si están instaladas. Estos problemas, que en la práctica constituyen un círculo vicioso indeseado, empeorarán con el envejecimiento del motor. Por ejemplo, a medida que los segmentos del pistón se desgastan progresivamente, más aceite del cárter pasará al flujo de escape. Simultáneamente, más combustible, hollín y subproductos de la combustión accederán al aceite del motor.

El resultado de esta recirculación tanto de los gases de escape como del vapor de aceite del cárter es, de nuevo, un aumento en la producción de hollín, que, sin embargo, es contrarrestado eficazmente por el DPF, que recoge estas partículas y, finalmente, quema las que no se han quemado durante la regeneración, convirtiéndolas en _{emisiones de} CO₂ y vapor de agua que, a diferencia de los gases NOₓ , no tienen efectos negativos para la salud. ^{[ 14 ]}

Los modernos sistemas EGR refrigerados ayudan a reducir el desgaste del motor al utilizar el calor residual recuperado de los gases recirculados para calentar el refrigerante y, por lo tanto, el bloque del motor más rápidamente hasta alcanzar la temperatura de funcionamiento. Esto también ayuda a disminuir el consumo de combustible al reducir el tiempo después de los arranques en frío durante el cual el controlador del motor debe inyectar cantidades ligeramente mayores de combustible en los cilindros para contrarrestar los efectos de la condensación del vapor de combustible en las paredes de los cilindros y la menor eficacia de la combustión debido a que el bloque del motor aún se encuentra por debajo de la temperatura de funcionamiento ideal. La disminución de las temperaturas de combustión también ayuda a reducir la oxidación del aceite del motor, ya que el factor más significativo que la afecta es la exposición del aceite a altas temperaturas. ^{[ 15 ]}

Aunque los fabricantes de motores se han negado a divulgar detalles sobre el efecto de la EGR en el ahorro de combustible, las regulaciones de la EPA de 2002 que llevaron a la introducción de la EGR refrigerada se asociaron con una caída del 3% en la eficiencia del motor, contrarrestando así la tendencia de un aumento anual del 0,5%. ^{[ 16 ]}

• gases de escape diésel
• Inyección de aire secundario

• Heywood, John B., "Fundamentos del motor de combustión interna", McGraw Hill, 1988.
• van Basshuysen, Richard y Schäfer, Fred, "Manual de motores de combustión interna", SAE International, 2004.
• "Manual de Bosch Automotive", tercera edición, Robert Bosch GmbH, 1993.
• Alger, Terry (2010). "Clean and Cool" (PDF) . Technology Today . 31 (2). San Antonio, Texas: Southwest Research Institute: 10–13 . ISSN 1528-431X . Recuperado el 8 de abril de 2017 . 
• Sileghem, Luis; Van De Ginste, Martín; Sierens, Roger; Verhelst, Sebastián; Vancoillie, Jeroen (2011). "Metanol como combustible para motores modernos de encendido por chispa: estudio de eficiencia" . Departamento de Mecánica de Flujo, Calor y Combustión. Gante, Bélgica: Universidad de Gante . Consultado el 19 de marzo de 2019 a través de Research Gate.

• Apuntes de clase sobre cómo mejorar la eficiencia del combustible, que analizan los efectos de la relación de calores específicos , Universidad de Washington.
• Calculadora del ciclo diésel que puede utilizarse para mostrar el efecto de la relación de calores específicos , HyperPhysics de la Universidad Estatal de Georgia.
• Un club de fans del Chrysler Imperial describe diferentes mecanismos de control EGR. Archivado el 14 de noviembre de 2019 en Wayback Machine.
• No bloquees ni quites la válvula EGR, te ahorrarás dinero.
• ¿Cuáles son los síntomas de una válvula EGR defectuosa?