Caracterizacin tecnolgica de los sistemas de emisiones
contaminantes de los motores de encendido en vehculos automotrices
Technological characterization of the pollutant
emission systems of the ignition engines in automotive vehicles
Caracterizao tecnolgica dos sistemas de
emisso de poluentes dos motores de ignio em veculos automotores
Jairo Edison Guasumba-Maila II jguasumba@tecnoecuatoriano.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-0533-0397 Jos Israel
Guerra-Naranjo I iguerra@tecnoecuatoriano.edu.ec https://orcid.org/0000-0001-9563-3887
Cristopher
Alejandro Taipe-Gutierrez III jfonseca@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-7204-9781 Cristofer Alexander Vilca-Agila III vilcacristopher7@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-5121-360X
Correspondencia: iguerra@tecnoecuatoriano.edu.ec
Ciencias de la salud
Artculos de investigacin
*Recibido: 16
de julio de 2021 *Aceptado: 30 de agosto
de 2021 * Publicado: 08 de septiembre
de 2021
I.
Magster en Administracin de Empresas, Docente investigador, Instituto Superior
Tecnolgico, Ecuador.
II.
Magster en Diseo Mecnico, Docente
Investigador, Coordinador de Carrera de Mecnica y Electromecnica Automotriz,
Instituto Superior Tecnolgico Tecnoecuatoriano, Ecuador.
III.
Participante Investigador, Estudiante Tecnologa Superior en Electromecnica Automotriz, Instituto
Superior Tecnolgico Tecnoecuatoriano, Ecuador.
IV.
Participante Investigador, Estudiante Tecnologa Superior en Electromecnica Automotriz, Instituto
Superior Tecnolgico Tecnoecuatoriano, Ecuador.
Resumen
El efecto
invernadero es una de las actividades ms desafiantes en la contaminacin
atmosfrica y una de las mayores amenazas ambientales. Los gases de efecto
invernadero ms importantes son el dixido de carbono (CO2), el xido nitroso
(N2O), metano (CH4), fluoro carbonos (CF) y
clorofluorocarbonos (CFC). Se llevaron a cabo el anlisis de los sistemas
actuales de los reactores catalticos, los reactores qumicos y los filtros de
partculas como estrategias de la reduccin de las emisiones de los motores, como
las partculas y muchos gases ms, por la creciente preocupacin por el medio
ambiente y la regulacin gubernamental ms estricta sobre las emisiones de
escape. Se concluye que en un futuro se deben considerar diferentes parmetros
objetivos, como combinacin de los componentes analizados, un caso de esto ser
el catalizador de oxidacin disel (DOC) promueve la oxidacin de componentes
de escape como CO, hidrocarburos (HC) y NOx, y el
Catalizador SCR que cumple la reduccin de NOx
completando un sistema disel de mitigacin de contaminantes.
Palabras
clave: vehculo; amortiguador; parmetros de suspensin;
EHSA; metodologa.
Abstract
The greenhouse effect is one of the most challenging
activities in air pollution and one of the greatest environmental threats. The
most important greenhouse gases are carbon dioxide (CO2), nitrous oxide (N2O),
methane (CH4), fluorocarbons (CF) and chlorofluorocarbons (CFCs). Analysis of
the current systems of catalytic reactors, chemical reactors and particulate
filters were carried out as strategies to reduce
engine emissions, such as particulate matter and many other gases, due to the
growing concern for the environment. environment and
stricter government regulation on exhaust emissions. It is concluded that in
the future different objective parameters should be considered, as a
combination of the analyzed components, one case of this will
be the diesel oxidation catalyst (DOC) promotes the oxidation of exhaust
components such as CO, hydrocarbons (HC) and NOx, and the SCR Catalyst that
achieves NOx reduction by completing a diesel pollutant mitigation system.
Keywords: vehicle; shock absorber; suspension parameters; EHSA;
methodology.
Resumo
O efeito estufa uma das atividades mais desafiadoras na
poluio do ar e uma das maiores ameaas ambientais. Os gases
de efeito estufa mais importantes so dixido de carbono (CO2), xido
nitroso (N2O), metano (CH4), fluorcarbonos (CF) e clorofluorocarbonos (CFCs).
As anlises dos sistemas atuais de reatores catalticos, reatores qumicos e
filtros de partculas foram realizadas como estratgias para reduzir as
emisses dos motores, como partculas e muitos outros gases, devido crescente
preocupao com o meio ambiente e regulamentao governamental mais rgida
sobre as emisses de escapamento . Conclui-se que no
futuro diferentes parmetros objetivos devem ser considerados, como uma
combinao dos componentes analisados, um caso deste ser o catalisador de
oxidao de diesel (DOC) que promove a oxidao de componentes do escapamento
como CO, hidrocarbonetos (HC) e NOx, e o SCR Catalyst
que alcana a reduo de NOx completando um sistema de mitigao de poluente
diesel.
Palavras-chave: veculo; amortecedor; parmetros de suspenso; EHSA;
metodologia.
Introduccin
Un aumento en el tamao de la poblacin de automviles ha provocado que
las emisiones vehiculares se conviertan en una fuente importante de
contaminacin atmosfrica urbana. Elevar los estndares es un mtodo efectivo
para controlar las emisiones vehiculares y mejorar la calidad del aire. Los
vehculos ligeros son los principales contribuyentes a las misiones de HC y CO,
ya que constituyen una gran proporcin de todos los vehculos. (Lyu et al.,
2020). El sector del transporte es una de las principales fuentes de
contaminacin atmosfrica. A lo largo de los aos se han implementado
diferentes sistemas de postratamiento de gases de escape para controlar las
emisiones de contaminantes criterio (Suarez-Bertoa et al., 2020). Con las
legislaciones de emisiones cada vez ms estrictas, aumenta la presin sobre los
sistemas de postratamiento y, ms especficamente, los catalizadores de tres
vas. Con los desarrollos recientes en las legislaciones sobre emisiones,
existe la necesidad de sistemas de postratamiento ms complejos y comprensin
del proceso de envejecimiento (Irwin, Douglas, et al., 2017).
Una gran parte de la contaminacin atmosfrica causada se debe a las
emisiones vehiculares que estn aumentando a un ritmo alarmante. Los diferentes
tipos de vehculos, como automviles, autobuses, camiones, etc., contribuyen y
desempean un papel dominante en el aumento de la contaminacin del aire. Estos
vehculos encuentran su fuente de funcionamiento principalmente a partir de
extractos de combustibles fsiles como gasolina, disel. Los combustibles se
someten a combustin para generar energa con el fin de soportar el vehculo
para el servicio. La combustin incompleta de los combustibles en el motor
allana el camino para la produccin de productos como el monxido de carbono,
los hidrocarburos y las partculas (Mukherjee et al., 2016). Los motores de
gasolina se han utilizado ampliamente como maquinaria de ingeniera,
automviles y equipos de transporte de energa debido a su excelente capacidad
de conduccin y economa. Al mismo tiempo, los motores de gasolina son los
principales contribuyentes a varios tipos de contaminantes del aire, como el
monxido de carbono (CO), los xidos de nitrgeno (NOx) y otros compuestos
nocivos. Con la creciente preocupacin por el medio ambiente y la regulacin
gubernamental ms estricta sobre las emisiones de escape, la reduccin de las
emisiones de los motores, como las partculas y los NOx, es un objetivo de
investigacin importante en el desarrollo de motores (Tyagi & Ranjan, 2015).
El nmero de todos los componentes txicos en el gas de escape excede los
estndares mximos permitidos por decenas y cientos de veces. Una de las formas
ms fiables de reducir la toxicidad de los gases de escape de los vehculos,
los gases y eliminar sustancias nocivas es la oxidacin completa de los
componentes del escape utilizando composiciones catalticas sobre soportes de
bloques de metal o cermica (Sassykova et al., 2019)
Los contaminantes significativos que afectan negativamente al medio
ambiente, que son el Monxido de Carbono (CO), Hidrocarburos (HC), xidos de
nitrgeno (NOx), xidos de azufre (SOx), dixido de carbono (CO2) y partculas.
Adems, se discuten las emisiones del crter, el sistema de combustible y el
sistema de escape, que se consideran las principales fuentes de contaminacin
provenientes de un motor de encendido por chispa convencional (Abouemara &
Fikry, 2020). Por otro lado, las emisiones de vehculos son una fuente
importante de amonaco (NH3) en las reas urbanas. Para abordar mejor el papel
de las emisiones de vehculos en las fuentes urbanas de NH3, el factor de
emisin de NH3 (NH3-EF) de los vehculos que circulan por las carreteras en
condiciones reales (vehculos de carretera) debe actualizarse en consecuencia
con los estndares de emisiones de vehculos (Li et al., 2021). Las emisiones
de NOx se producen debido al proceso de combustin del motor disel. Hay tres
fuentes principales de formacin de NOx denominadas NOx trmico, NOx
combustible y NOx inmediato. La participacin del NOx en el combustible y el
NOx inmediato en las emisiones totales de NOx es insignificante. Bsicamente,
el NOx trmico es el principal contribuyente a la formacin de NOx durante todo
el proceso de combustin. El NOx es muy nocivo, peligroso y produce irritacin.
Los vehculos de inyeccin directa de gasolina (GDI) se han identificado
recientemente como una fuente importante de aerosoles carbonosos, tanto de
origen primario como secundario. Aqu investigamos las emisiones primarias y la
formacin de aerosoles orgnicos secundarios (SOA) a partir del escape de
vehculos GDI para varios vehculos y ciclos de pruebas de manejo, y nuevos
sistemas de postratamiento GDI (Pieber et al., 2017).
Los sistemas de concepto de bajas emisiones incluyen: solo reactor
trmico, un reactor trmico combinado y un sistema catalizador monoltico de HC
/ CO, y un sistema que combina colectores de escape de baja inercia trmica con
convertidores catalticos de lecho doble (NOx y HC / CO). Los problemas que se
ha demostrado que influyen en el rendimiento de las emisiones o en el
funcionamiento del vehculo durante el funcionamiento atpico y normal del
vehculo incluyen: la fusin de las estructuras monolticas utilizadas para
soportar los promotores catalticos de NOx y HC / CO, el efecto perjudicial del
contenido de azufre de la gasolina en el rendimiento de catalizadores de NOx
granulados, y la prdida de control de emisiones con componentes del motor que
funcionan mal. (Campau et al., 1972). Adems las tecnologas ms destacadas,
actualizadas y efectivas que trabajan sobre la combustin pobre, diseo de un
silenciador, sistema automtico de admisin de aire caliente, motor relacin de
compresin, modificacin de la cmara de combustin, modificacin de los
combustibles, tratamiento de los productos de escape de convertidores
catalticos de combustin, de tres y cuatro vas, recirculacin de gases de
escape (EGR), control total de emisiones paquetes, control de precombustin;
(Ventilacin positiva del crter (PCV)) y diseo de engranajes de vlvula
(Abouemara & Fikry, 2020). En este articulo se estudian los sistemas que
reducen significativamente las emisiones en base a los lmites de emisin, y
como aportan a la operacin del motor, de acuerdo con la necesidad tecnolgica
de control de los sistemas contaminantes.
Reactores Catalticos
Se denomina catalizadores catalticos, se instalan en el sistema de
escape para acelerar las reacciones de oxidacin o reduccin que no han
alcanzado el equilibrio qumico a la temperatura de los gases de salida del
cilindro. Este se constituye por tres elementos: el soporte donde se
depositarn las sustancias activas y debe estar diseadas para soportar altas
temperaturas, flojos altamente pulsatorios, vibraciones mecnicas, etc.; el
recubrimiento (washcoat) es constituido de xidos inorgnicos con poros cuyo
tamao mnimo puede ser inferior a 1 nm. Para mantener la accin de
catalizador, reducir la formacin de xidos de azufre y estabilizar el soporte
e inhibir la sinterizacin de los metales preciosos; el componente catalizador
se usan metales preciosos como el platino, paladio o rodio y mezcla de ellos.
Para oxidar CO y HC simultneamente con la reduccin del NOx (catalizador de
tres vas) (Payri y Desantes, 2011).
El catalizador moderno de tres vas (TWC) es muy eficaz para tratar los
hidrocarburos (HC), el monxido de carbono (CO) y los xidos de nitrgeno (NOx)
de los motores de gasolina estequiomtricos una vez que el TWC ha alcanzado su
temperatura mnima de funcionamiento por ejemplo entre 200 y 300 C,
dependiendo de la especie de gas. Asimismo, el catalizador de oxidacin disel
(DOC), el catalizador de reduccin cataltica selectiva (SCR) con inyeccin de
urea y el filtro de partculas disel (DPF) son eficaces para tratar las emisiones
de HC, CO, NOx y materia particulada (PM) de los motores disel una vez que se
calientan los catalizadores , aunque esto puede requerir un perodo de tiempo
significativo (por ejemplo, 1 a 3 min) debido a la temperaturas de escape
relativamente bajas de los motores disel
como se aprecia en la figura 1 (Lee et al., 2019).
Figura 1. El
catalizador moderno de tres vas (TWC) y el catalizador de reduccin cataltica
selectiva (SCR) con inyeccin de urea
En motores ms modernos, se ha probado un vehculo ligero de gasolina
Euro6 en el dinammetro del motor y se han analizado las emisiones aguas arriba
y aguas abajo del catalizador de tres vas (TWC) durante un ciclo WLTC. Se han
utilizado simulaciones de catalizador para evaluar los procesos dentro del convertidor
cataltico utilizando un esquema de reaccin basado en 19 reacciones bruto
(oxidacin y reduccin directas, reducciones catalticas selectivas con CO,
C3H6 y H2, reformado con vapor, desplazamiento de agua-gas y ceria a granel
tambin). como reacciones superficiales de ceria). Donde durante el arranque en
fro no son evidentes reacciones en el catalizador antes de que la temperatura
del gas que entra en el catalizador alcance los 270 C. Despus de la
iluminacin, las reacciones predominantes son la oxidacin directa, as como
las reacciones de ceria de superficie para CO y THC. La reduccin de NO durante
el arranque en fro se debe a la reaccin con el CO y tambin a la superficie.
Durante el funcionamiento del motor en caliente, las rupturas de CO durante los
transitorios se deben principalmente a la falta de oxgeno despus de perodos
cortos en los que la lambda del motor cae por debajo de uno y la mayor parte
del CeO2 de superficie y de volumen ha reaccionado con el Ce2O3 de superficie y
de volumen (Papetti et al., 2019).
El efecto del calentamiento del convertidor cataltico sobre la
caracterstica de emisin de los vehculos automotores en su fase inicial de
combustin influye directamente en las emisiones contaminantes. Se muestra en
la tabla 1 la mejora de las caractersticas de emisin de hidrocarburos de 800
a 15 ppm, CO de 4 a 0,07 (V / V%) y NOx de 1200 a 115 ppm. Y de forma precisa
en la figura 2 la razn de CO. Por lo tanto, al implementar el mtodo de
precalentamiento en los convertidores catalticos, podemos lograr la cantidad
deseada de control sobre la contaminacin automotriz. Los catalizadores se
activan mucho al suministrar suficiente temperatura y, por lo tanto, la
velocidad de reaccin aumenta desde la fase inicial, lo que optimiza la
conversin de emisiones de contaminantes (Tyagi & Ranjan, 2015). En el
mismo sentido el convertidor cataltico es una mejor manera de establecer una
combustin eficiente en el motor controlador del vehculo. El uso de metales
del grupo noble es una forma eficaz de lograr una combustin eficaz, como el
metal del grupo del platino es muy til para reducir los escapes. Con la ayuda
de medidas secundarias tambin se mejora la eficiencia del motor (Mukherjee et
al., 2016)
Tabla 1. Datos de emisin obtenidos
a travs del analizador de gases (Tyagi & Ranjan, 2015).
Tipo de operacin |
Emisiones de CO (v/v%) |
Emisiones de HC (ppm) |
Emisiones de NOx (ppm) |
sin catalizador |
4 |
800 |
1200 |
convertidor cataltico de dos vas |
0.5 |
250 |
1050 |
convertidor cataltico de tres vas |
0.2 |
30 |
200 |
convertidor cataltico de tres vas precalentado |
0.07 |
16 |
115 |
Figura 2. Variacin
de la emisin CO
El envejecimiento de los catalizadores no se comprende completamente ya
que estn sujetos a muchos entornos variables, incluidas la temperatura y las
concentraciones de gas. Se reconoce que la concentracin de oxgeno tiene una
influencia significativa en la velocidad de envejecimiento, pero los algoritmos
de envejecimiento actuales no tienen en cuenta completamente el efecto de las
concentraciones de gas. Se envejecieron varias muestras de catalizador,
utilizando un reactor de gas recirculante, durante un ciclo de temperatura
preciso para varios tiempos de envejecimiento y a diferentes concentraciones de
oxgeno, mientras se mantena un caudal constante. Los resultados mencionan
existe una clara correlacin cuando los parmetros se ajustan para alinear el catalizador
uno, que experiment el entorno de envejecimiento con menos oxgeno. Sin
embargo, nuevamente muestra la discrepancia en la temperatura de apagado cuando
el catalizador dos se somete a un entorno de envejecimiento con un mayor
contenido de oxgeno, aunque esta vez se prev una menor cantidad de
envejecimiento como se aprecia en la figura 3 (Irwin, Stewart, et al., 2017).
En suma, el efecto de las concentraciones variables de oxgeno sobre la
velocidad de envejecimiento no se comprende completamente y, por lo tanto, la
desactivacin total y las eficiencias no se conocen a lo largo de la vida til
del catalizador.
Los algoritmos actuales utilizados en la industria no tienen en cuenta
completamente estos
variaciones en las concentraciones de oxgeno. Varios catalizadores de
tres vas de paladio disponibles comercialmente se envejecieron durante un
ciclo de temperatura preciso a concentraciones variables de oxgeno para
diferentes tiempos de envejecimiento relacionados con a un kilometraje (Irwin,
Douglas, et al., 2017)
Figura 3.
Temperaturas de apagado experimentales y previstas el catalizador uno y dos
(Irwin, Douglas, et al., 2017).
Se realiz un estudio comparativo entre los catalizadores [(ZB CuO,
Al2O3 MoO3 CuO) y (ZJB CuO, Al2O3 CuO)] y un catalizador comercial con
estructura de panal fabricado para su uso en vehculos de gasolina, estos tres
catalizadores a partir de xido de cobre transportado en una matriz de una
mezcla de zeolita natural siria, jordana, bentonita siria y Al2O3-CuO. Como
simulacin de la condicin del automvil de campo, se utiliz una buena
cantidad de grnulos del catalizador, y los agentes de reaccin iniciales
fueron los gases de escape del automvil. Los experimentos catalticos se
llevaron a cabo por medio de un reactor de flujo similar a un micro pulso
utilizando los gases emitidos por los gases de escape de los automviles.
Cuando se aplic el catalizador (ZJB-CuO, Al2O3-CuO), la conversin mxima de
de-CO se estim como 60% a 250 C y 90% para de-CH a 400 C, mientras que la
tasa de de-CH La conversin del catalizador (ZB CuO, Al2O3 MoO3 CuO) fue
de hasta 80% a 360 C y 78% para de-CO a 360 C. Se alcanz una tasa de
conversin mxima de de-CH en el catalizador (ZB-CuO, Al2O3-CuO) a 450 C. Las
medidas de adsorcin-desorcin de N2 se llevaron a cabo a (196 C) (Walid
Bizreh et al., 2014)
En consecuencia, el control de las emisiones de vehculos ligeros ha
sido el principal medio de prevencin de la contaminacin del aire. Para esto
se implementado varios sistemas como catalizadores de tres vas, filtros de
partculas de gasolina y recuperacin de vapor de reabastecimiento a bordo en
vehculos de gasolina y catalizadores de oxidacin disel, filtros de
partculas disel y reduccin selectiva de catalizadores en vehculos disel
que cumplen con los estndares. Adems, control de vehculos ligeros basado en
diagnsticos a bordo (Lyu et al., 2020).
Reactores qumicos
Se proponen disminuir la concentracin de ciertos productos
contaminantes mediante reacciones qumicas en los gases de escape, generalmente
incluyendo alguna sustancia que se mezcle con los gases. Los sistemas de
reduccin cataltica selectiva SCR dedicado a reducir los xidos de nitrgeno
(Payri y Desantes, 2011). A medida que el NOx se reduce a N2, entre los rangos
de temperatura de 300 a 400 C, la carga del motor debe ser del 40% o ms. El
amonaco (NH3) comenzar a arder cuando la temperatura de escape del motor
supere los 400 C, lo que har que el sistema sea ineficaz. La reaccin del catalizador
SCR se volver lenta y se producirn reacciones indeseables como la formacin
de sulfatos de amonio cuando la temperatura desciende por debajo de 270 C, lo
que finalmente destruye el catalizador. Por lo tanto, la reaccin de SCR est
restringida principalmente por la actividad del catalizador, la concentracin
de especies y la temperatura de reaccin. La figura 4 muestra la representacin
sistemtica del sistema SCR (Ghazanfar, Mehdi Song, Zhou Yuanqing, Zhu Zubair,
Ali Shah, Kishore Chand, Raza Waleed Asif, 2019).
Figura 4.
Representacin sistemtica del sistema SCR
De los catalizadores SCR comunes, las zeolitas de cobre exhiben el mejor
rendimiento a baja temperatura en la reaccin SCR estndar. Las zeolitas de
cobre tienen propiedades de oxidacin innatas que ayudan a convertir el NO en
NO2, pero tambin pueden oxidar el amonaco a temperaturas ms altas. Las
zeolitas de hierro y cobre tienen diferentes propiedades y la adicin de Fe a
la zona de entrada de un catalizador de Cu / zeolita tambin ayuda a mitigar la
formacin de N2O(Johnson & Joshi, 2018).
Las mediciones de NH3 basadas en la absorcin por lser durante una
campaa de seis das en 2019 en un tnel urbano concurrido con un flujo de
trfico diario de casi 40,000 vehculos en la regin del Delta del Ro Pearl
(PRD) en el sur de China. La regresin lineal mltiple revel que los NH3-EF
promedio para vehculos de gasolina (GV), vehculos de gas licuado de petrleo
y vehculos disel de servicio pesado (HDV) fueron de 18,8, 15,6 y 44,2 mg
km-1, respectivamente. La aplicacin de la reduccin cataltica selectiva de
urea (SCR) en los HDV hace que sus emisiones de NH3 sean una preocupacin
emergente. Por tanto, los HDV pueden contribuir con ms del 11% de las
emisiones vehiculares de NH3 (Li et al., 2021). En suma, las emisiones en
carretera de una serie de contaminantes no regulados, incluidos NH3, N2O, CH4 y
HCHO, medidos con un FTIR porttil de una serie de Vehculos euro 6d, Euro 6c y
Euro 6d-TEMP, gasolina disel y gas natural comprimido (CNG) durante pruebas en
el mundo real. Los resultados obtenidos muestran que es posible medir N2O, NH3,
CH4 y HCHO durante la operacin en carretera. Los resultados tambin destacan
la importancia de la medicin de las emisiones de estos contaminantes durante
la conduccin en el mundo real, ya que las emisiones de NH3 (un precursor de
material particulado) y las de N2O y CH4 (gases de efecto invernadero) pueden
ser elevadas de algn vehculo. tecnologas. Las emisiones de NH3 fueron de
hasta 49 mg / km para los turismos de gasolina, hasta 69 mg / km para los
vehculos comerciales ligeros GNC y hasta 17 mg / km para los turismos disel
equipados con un sistema de reduccin cataltica selectiva (SCR). Por otro
lado, las emisiones de N2O y CH4 representaron hasta 9,8 g de CO2 eqv / km para
un automvil de pasajeros disel equipado con una combinacin de catalizadores
de oxidacin disel (DOC), trampas pobres de NOx (LNT), SCR (Suarez-Bertoa et
al., 2020). En suma, se utiliz una herramienta de optimizacin basada en un
control ptimo para mejorar la inyeccin de amoniaco en la reduccin cataltica
selectiva con diferentes lmites de emisin de NOx. Este control ptimo se
puede utilizar de dos formas: una para minimizar la emisin de NOx y otra para
reducir el consumo de amoniaco en la reduccin cataltica selectiva. Los
resultados mostraron una mejora considerable en el uso de la herramienta de
optimizacin. En comparacin con la calibracin estndar, la nueva estrategia
de inyeccin para la misma cantidad de inyeccin de amonaco redujo las
emisiones de NOx en un 13,7%, y para las mismas emisiones de concentracin de
NOx se ahorr un 33,5% del consumo de amonaco (Pla et al., 2020).
La figura 5 se muestra la reaccin de NH3 SCR que consiste en
catalizadores de Cu / SAPO-34 nuevos y sulfatados. En comparacin con el F-Cu,
se observan disminuciones en la conversin de NOx de los catalizadores
sulfatados cuando aumenta la relacin de SO3 a SOx. La cconversin de NOx en
relacin con la temperatura de reaccin de los catalizadores sin procesar y
sulfatados S-0-Cu = 50 ppm de SO2 durante 16 h, S-6-Cu = 50 ppm de SOx (6% SO3)
durante 16 h, S-13- Cu = 50 ppm de SOx (13% SO3) durante 16 h y S-20-Cu 50 ppm
de SOx (20% SO3) durante 16 h (a) y emergencia de N2O en el curso de la
reaccin de NH3 SCR sobre los catalizadores nuevos y sulfatados ( b) La
ejecucin de la reaccin se realiz con una mezcla conteniendo NOx 500 ppm,
NH3500 ppm, 7% CO2, 5% O2, 3% H2O y balance N2 por GHSV = 72.000 h-1 (Shen et
al., 2018)
Figura 5.
Comportamiento del SCR de la conversin de NOx de los catalizadores sulfatados
Finalmente, en un trabajo fundamental bastante innovador, Paolucci et
al. (2017) las mediciones cinticas transitorias y de estado estacionario
combinadas, los iones de Cu son mviles y pueden viajar a travs de las
ventanas de zeoli para el paso redox de iones de cobre de la reaccin SCR
(Paolucci et al., 2017). La formacin de sitios multinucleares a partir del
cobre movilizado representa un fenmeno distinto que cae fuera de los lmites
convencionales de un catalizador heterogneo u homogneo. El modelo ahora puede
usarse para ayudar a comprender los efectos del NO2 y el azufre, la formacin
de N2O y el envejecimiento trmico, y probablemente conducir a catalizadores
mucho mejores (Johnson & Joshi, 2018)
Paralelamente, se explica cmo la introduccin paulatina de dispositivos
de pequea escala orientados al control de NOx, como los sistemas de trampas de
NOx lean (LNTs) y, sobre todo, la reduccin cataltica selectiva (SCR) de NOx,
permiti la aplicacin a los vehculos de transporte por carretera de este ATS.
La evolucin del nivel de emisiones de NOx, N2O y NH3 con las diversas normas
europeas para vehculos ligeros y pesados. Como se observa un aumento obvio en
las emisiones de NH3 y N2O tanto en vehculos ligeros disel como de gasolina.
Las emisiones de NH3 medidas en vehculos livianos Euro 6 recientes ascienden a
unos pocos mg / km tanto para los motores de gasolina como para los disel, por
lo que las emisiones de N2O que superan una docena de mg / km solo se han
observado en los vehculos disel (Selleri et al., 2021)
Filtros de partculas
Evaluamos el efecto de los prototipos de filtros de partculas de
gasolina (GPF) modernizados en el eBC (carbono negro equivalente) primario, el
aerosol orgnico (OA), los NMOC (compuestos orgnicos gaseosos sin metano) y la
formacin de SOA (sulfuros de amoniaco). Se investigaron dos ciclos de pruebas
de conduccin reglamentarias y se evalu la importancia de las 20 fases
distintas dentro de estos ciclos (por ejemplo, arranque del motor en fro,
arranque del motor en caliente, conduccin a alta velocidad) para las emisiones
primarias y los productos secundarios. Se encontr que el reacondicionamiento
de GPF disminuy en gran medida la materia particulada primaria (PM) mediante
la eliminacin de eBC, pero mostr una eliminacin parcial limitada de la
fraccin menor de POA, y no tuvo ningn efecto detectable sobre las emisiones
de CONM o la produccin de SOA. En todas las pruebas, el arranque en fro del
motor, es decir, antes de la activacin trmica del sistema de postratamiento
cataltico, domin las emisiones de PM y NMOC primarias y secundarias. Se
encontraron diferencias en las propiedades de composicin a granel de SOA
producidas por el OFR y el SC (relaciones O: C y H: C), mientras que los
rendimientos de SOA concuerdan con nuestras incertidumbres, con una tendencia a
rendimientos ms bajos de SOA en los experimentos de SC. Se encuentra que
algunos compuestos aromticos dominan las emisiones de CONM (principalmente
benceno, tolueno, ismeros de xileno y bencenos C3). Una gran fraccin (>
0.5) de la produccin de SOA fue explicada por esos 30 compuestos, segn la
investigacin de la masa de NMOC reaccionada y la comparacin con las curvas de
rendimiento de SOA de tolueno, o-xileno y 1,2,4-trimetilbenceno determinadas en
nuestro OFR (Pieber et al., 2017)
Las emisiones empeoraron cuando los catalizadores envejecieron hasta
alcanzar su plena vida til, el TWC fueron sustituidos con GPF catalizados con
un volumen de 2.5X, pero mismo PGM total, pero con una carga de capa de lavado
entre un 30% y un 75% menor. No Se encontr impacto en las emisiones de CO2 o
penalizacin por combustible. Se obtuvieron reducciones significativas para las
emisiones de gases y es notable que ms de 66 pruebas RDE, no fue un solo caso
en el que las emisiones de PN excedieron el lmite cuando se utiliz un GPF.
Por otro lado, las pruebas se realizaron en cuatro vehculos GDI
turboalimentados con motores de 1.6-3.5 litros y emisiones se midieron
utilizando tanto el mtodo gravimtrico como instrumentos basados en las
propiedades de los aerosoles. Se encontr que los mtodos distintos al
gravimtrico subestimaron la masa de partculas por un factor de 3. Las altas
temperaturas y el tiempo asociado con el ciclo US06 da como resultado un tiempo
limitado para la maduracin del holln, y se encontr que resultan en
partculas con un modo de nucleacin ms grande, y en algunos casos, ms
pequeo contribucin del carbono negro, se aprecia en la figura 6 (Johnson
& Joshi, 2018). Xue et al., (2017) concluy que existe una muy buena
correlacin entre el gravimtrico mtodo y varias mtricas alternativas:
carbono negro, total y nmero de partculas slidas y rea superficial de las
partculas (Xue et al., 2017). Por tanto, la mayor masa de PM con el mtodo
gravimtrico se explica por su mayor sensibilidad a los hidrocarburos no
quemados (HC) y voltiles arrastrados (Johnson & Joshi, 2018)
Figura 6. La
eficiencia de filtracin de GPF vara segn las emisiones del motor, la
presencia de recubrimiento TWC y la temperatura en GPF, en funcin de su
ubicacin (Johnson & Joshi, 2018)
Por otro lado, el alcance en motores HD ha logrado un 55% de BTE
(eficiencia trmica de ruptura) utilizando mtodos que pueden comercializarse
razonablemente. Se resumen las tecnologas de control Lean NOx, que incluyen
SCR (reduccin cataltica selectiva), absorbedores y sistemas de NOx. Los
fundamentos de la reaccin SCR se exploran a nivel atomstico. El trabajo del
filtro de partculas disel (DPF) se ha centrado en las relaciones
estructura-rendimiento y el comportamiento de las cenizas. Los catalizadores de
oxidacin de investigacin se estn acercando al 90% de eficiencia para la oxidacin
de hidrocarburos y CO a 160-190 C. Las partculas de gasolina son una de las
principales tema en el control de emisiones (Johnson & Joshi,
2018)(El-Faroug et al., 2016)
Sistemas combinados
La Figura 7 y 8 resume los cambios que enfrentan las aplicaciones del
sistema de emisiones para disel y gasolina, junto con la introduccin de
diferentes normas europeas. Como se ilustra, el SCR ser un importante
componente de los vehculos disel, y podra potencialmente introducirse
tambin para algunas aplicaciones de gasolina en el futuro. De hecho, se
pudieron identificar algunas tendencias comunes, a saber, un estrecho
acoplamiento de la unidades catalticas para acelerar su calentamiento; la
necesidad de algunos activos estrategias de calentamiento para dosificar DEF en
una etapa temprana o para acelerar el apagado de TWC y la introduccin de
mltiples DEF puntos de dosificacin para aumentar el rendimiento general de
eliminacin de NOx y garantizar una flexibilidad adicional en el control del
sistema (Selleri et al., 2021). Por otro lado, el catalizador de oxidacin
disel (DOC) promueve la oxidacin de componentes de escape como CO,
hidrocarburos (HC) y NOx, utilizando catalizadores basados en metales del grupo
del platino (PGM). Este suele ser el primer componente del sistema de control
de gases disel y tiene mltiples funciones. Primero, convierte cualquier
especie no quemada como CO y HC en CO2 y agua. En segundo lugar, las reacciones
son exotrmicas y el calor generado se puede utilizar para elevar la
temperatura de escape y desencadenar la regeneracin del holln en el filtro de
partculas aguas abajo, o para permitir una dosificacin ms temprana de urea
para el SCR (Russell & Epling, 2011). Finalmente, un DOC oxida NO a NO2,
para apoyar tanto la regeneracin pasiva del filtro como para aumentar la
velocidad de la reaccin SCR a travs del mecanismo Fast SCR (CSF) (Selleri et
al., 2021)
Figura 7.
Configuraciones del sistema de postratamiento (ATS) de evolucin y
recientemente propuesto para LDV de disel (Selleri et al., 2021)
Figura 8.
Configuraciones del sistema de postratamiento (ATS) de evolucin y
recientemente propuesto para LDV de gasolina (Selleri et al., 2021).
Conclusiones y recomendaciones
En este artculo presentamos las aplicaciones, y los resultados del
anlisis del Reactores Catalticos representados por los convertidores
catalticos (TWC), los Reactores qumicos como componente principal de
tratamiento de contaminantes los sistemas de reduccin cataltica selectiva
(SCR) y los filtros de partculas con un componente representativo el filtro de
partculas de gasolina (GPF) toda esta tecnologa aporta a mitigar las emisiones
contaminantes y se aprecia sus distintas fases de evolucin a travs del
tiempo.
Se determino el comportamiento de catalizadores catalticos, con una
mejor comprensin del rendimiento a baja temperatura, los avances en el control
de las emisiones de gasolina de combustin pobre, adems del desafo clave son
las emisiones de arranque en fro y contina avanzando para cumplir con las
estrictas regulaciones de gas.
Se describe el catalizador SCR de zeolita de cobre que se evidencia el
equilibrio de la oxidacin de las zeolitas de cobre para formar NO2 y holln
oxidante, mientras se minimiza la oxidacin del NH3. Adems del control para el
azufre y los NOx que son relevantes como resultados de la combustin.
La combinacin de los componentes analizados en este trabajo aporta a
minimizar las emisiones contaminantes y cumplir las normativas locales e
internacionales, el caso del catalizador de oxidacin disel (DOC) promueve la
oxidacin de componentes de escape como CO, hidrocarburos (HC) y NOx, y el
Catalizador SCR que cumple la reduccin de NOx completando un sistema disel de
mitigacin de contaminantes eficiente
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