2020 ha marcado un punto de inflexión en la industria del automóvil. A estas alturas ya te habrás dado cuenta de que un gran número de fabricantes han lanzado este año diversas variantes electrificadas dentro de su gama, así como otros modelos de combustión totalmente renovados, especialmente en lo que a mecánicas se refiere.
No se trata de una casualidad ni mucho menos, sino de la entrada en vigor de la nueva normativa de la Unión Europea (UE) en materia de emisiones. Los automóviles son los responsables de alrededor del 12% de las emisiones totales de dióxido de carbono (CO2) de la UE, el principal gas de efecto invernadero, y en el Viejo Continente se han propuesto acabar con él.
Esa es precisamente la razón por la que los grandes gigantes automovilísticos están utilizando complejos sistemas de postratamiento de gases de escape en sus mecánicas de combustión, como es el caso del Grupo VAG. En este sentido destaca especialmente Audi, cuyo tratamiento de gases de escape para motores de gasolina y diésel vamos a analizar hoy en detalle.
Junto a la utilización de compleja tecnología en el motor, los últimos motores de gasolina y diésel de la firma incluyen sofisticados sistemas de purificación de gases de escape, como los filtros de partículas, que complementan el postratamiento catalítico de escape en los motores TDI y TFSI.
¿Cómo funciona el sistema de postratamiento de gases de escape para el V6 TDI?
Como sabrás, los óxidos de nitrógeno, también conocidos por su abreviatura química NOx, se forman cuando el nitrógeno del aire reacciona con el oxígeno durante el proceso de combustión. La proporción de óxido de nitrógeno es particularmente alta en los motores diésel, porque estas unidades están diseñadas para funcionar con un exceso de aire.
Audi encabeza el desarrollo de los motores V6 TDI de la nueva generación Evo 3 dentro del Grupo Volkswagen. En el caso del postratamiento de los gases de escape, se requieren mayores volúmenes en el diseño de los catalizadores, entre otras cosas, dando lugar a una compleja combinación de todas las tecnologías.
El flujo de los dos tractos de gases de escape en el exterior de ambos lados del banco de cilindros converge detrás del motor, frente al cortafuegos (elemento que separa el compartimiento del motor del compartimiento de pasajeros), donde se encuentra el turbocompresor de gases de escape.
A continuación, en el sistema de escape, hay un catalizador de oxidación, denominado NSC (catalizador de almacenamiento de NOx). Le sigue directamente un filtro de partículas diésel con revestimiento SCR (reducción catalítica selectiva). El segundo catalizador SCR se encuentra más adelante, debajo del piso del vehículo.
¿Cómo funciona la purificación de gases de escape de varias etapas en los motores TDI?
El catalizador de oxidación (NSC) ubicado cerca del motor puede almacenar temporalmente óxidos de nitrógeno hasta la etapa de regeneración. Este catalizador es eficaz incluso a bajas temperaturas de funcionamiento del motor, por ejemplo, después de un arranque en frío.
La regeneración se produce por medio de un enriquecimiento de la mezcla a corto plazo, activado por la unidad de control del motor. Así, además de almacenar y neutralizar posteriormente los óxidos de nitrógeno, el catalizador oxida los hidrocarburos no quemados y el monóxido de carbono, convirtiéndolo en dióxido de carbono y vapor de agua, utilizando las moléculas de oxígeno de los NOx almacenados temporalmente.
Otra etapa para reducir los óxidos de nitrógeno se activa mediante la inyección del aditivo AdBlue. Debido a que esta solución acuosa de urea se inyecta en el sistema de escape en dos puntos donde las temperaturas difieren, usando un módulo de dosificación en cada punto, el sistema total se conoce como dosificación doble.
Posteriormente, se produce el proceso químico de termólisis de la urea en el sistema de escape, que convierte el aditivo AdBlue en amoníaco. El amoníaco reacciona con el filtro de partículas diésel recubierto con SCR -ubicado cerca del motor- y en el segundo catalizador SCR -ubicado más adelante en el sistema de escape-, con óxidos de nitrógeno que aún no se han convertido.
Esto da como resultado la formación de agua y nitrógeno elemental, que representa alrededor de las cuatro quintas partes de la atmósfera de nuestra Tierra.
¿Cuáles son los beneficios de un sistema de dosificación doble?
La dosificación doble de AdBlue es especialmente eficaz. Aprovecha las diferentes condiciones en diversas áreas del sistema de escape para mejorar la efectividad del conjunto, ajustándose a diversas condiciones de operación. De esta manera, Audi logra convertir más del 90% de los óxidos de nitrógeno en un amplio rango de temperatura y funcionamiento.
Si el vehículo se conduce en condiciones de carga alta durante un período de tiempo más largo, como en autopistas o mientras se arrastra un remolque, las temperaturas de los gases de escape en el catalizador cercano al motor aumentan significativamente, lo que resulta en una disminución de las tasas de conversión de óxido de nitrógeno.
La dosificación doble contribuye decisivamente a cumplir los límites de emisiones de NOx.
Esto proporciona la etapa para la segunda inyección de AdBlue antes del segundo catalizador SCR activo, que se encuentra significativamente más adelante, a un nivel de temperatura más bajo, lo que permite que todo el sistema logre altas tasas de conversión en una amplia gama.
La tecnología de dosificación doble en el V6 TDI se utilizará desde la generación Evo 3 en adelante. Está disponible en motores diésel de 3.0 litros de cilindrada en tres clases de prestaciones diferentes y se instalará durante 2021 en todos los modelos que incorporen este motor.
¿Cómo reduce Audi las emisiones de sus motores de gasolina?
Al igual que ocurre en los TDI, la purificación de los gases de escape comienza con una variedad de tecnologías de motor internas para las unidades TFSI. En otras palabras, los motores de gasolina de inyección directa turboalimentados. Audi utiliza el ciclo B, también conocido como proceso de combustión Miller, en varios motores.
Proporciona importantes beneficios de economía de combustible, especialmente durante un estilo de conducción relajado. Con poca carga y baja velocidad del motor, el sistema Audi valvelift system (AVS) de dos etapas cierra las válvulas de admisión antes.
Esto da como resultado una etapa de compresión más corta que, combinada con pérdidas por aceleración más bajas y la fase de expansión larga, específicamente en el rango operativo de carga parcial que ocurre predominantemente, produce beneficios de ahorro de combustible y emisiones.
El sistema de cilindros bajo demanda (Audi cylinder on demand) es otro método para reducir el consumo. Desactiva cilindros individuales en condiciones de funcionamiento con baja demanda de carga. Un método alternativo es la inyección indirecta. Complementa la inyección directa de gasolina FSI, reduce el consumo y aumenta la potencia del motor.
La utilización de un filtro de partículas de gasolina (GPF) en el sistema de escape es común a todos los sistemas.
¿Por qué los motores de encendido por chispa (SI) requieren un filtro de partículas de gasolina?
La mayoría de los modelos de gasolina de Audi utilizan tecnología TFSI, es decir, motores de inyección directa de gasolina. La turboalimentación también se utiliza en la mayoría de los modelos. El objetivo es purificar eficazmente los gases de escape incluso en rangos operativos desfavorables.
El GPF reduce las emisiones de partículas de carbono causadas especialmente durante el arranque en frío hasta en un 90%. Desde 2018, toda la gama de modelos de Audi homologadas según la norma de emisiones Euro 6d TEMP están equipadas con filtros de partículas de gasolina, con dos excepciones.
La primera de ellas es el motor TFSI de 2.0 litros de la gama de modelos EA888 para modelos de gas natural (CNG) como el que se utiliza en el Audi A4 Avant g-tron y el Audi A5 Sportback g-tron, La segunda es la unidad 1.5 TFSI del Audi A3 Sportback 30 g-tron. Estos motores no requieren un filtro de este tipo porque el metano se quema sin emisiones de partículas.
¿Cómo funciona un filtro de partículas de gasolina?
El gas de escape debe fluir a través de un cuerpo cerámico de cordierita de poros finos detrás del catalizador. El principio de funcionamiento de este filtro de partículas de gasolina es similar a la tecnología de purificación de gases de escape de un motor diésel.
Eso quiere decir que los gases de escape fluyen a través de las paredes de las celdas cerámicas porosas, que forman pequeños canales cerrados hacia el lado de admisión y escape, respectivamente. El material particulado se adhiere a la superficie de cerámica rugosa.
Dependiendo del estilo de conducción individual, la regeneración del filtro tiene lugar en un proceso que es sensiblemente más simple que el de un motor diésel, porque una unidad de gasolina no genera material particulado en todas las condiciones de funcionamiento.
Asimismo, debido a su principio de diseño, las temperaturas de los gases de escape de los motores de encendido por chispa son más altas que las de los motores de encendido por compresión.
¿Qué distingue al sistema de Audi frente a la competencia?
Audi utiliza filtros de partículas de gasolina especialmente voluminosos. En el caso del motor EA888 de 2.0 litros y cuatro cilindros, tiene un volumen de 3,2 litros. Su diseño con optimización de contrapresión permite curvas favorables de potencia y par. El funcionamiento del GPF se supervisa mediante sensores en todos los modelos, en todos los ámbitos.
Gracias a este proceso de control, la frecuencia y la duración de la regeneración están orientadas al estado del filtro, que resulta de los perfiles de conducción diarios individuales reales de cualquier cliente. Esto reduce las emisiones y la carga ambiental, y aumenta la vida útil del filtro.
