control de emisiones de vehículos

El control de emisiones vehiculares es el estudio de la reducción de las emisiones producidas por los vehículos de motor , especialmente los de combustión interna . Las principales emisiones estudiadas incluyen hidrocarburos, compuestos orgánicos volátiles, monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, material particulado y óxidos de azufre. A partir de las décadas de 1950 y 1960, se crearon diversas agencias reguladoras con el objetivo principal de estudiar las emisiones vehiculares y sus efectos en la salud humana y el medio ambiente. A medida que mejoraba el conocimiento mundial sobre las emisiones vehiculares, también mejoraban los dispositivos utilizados para mitigar sus impactos. En Estados Unidos, los requisitos reglamentarios de la Ley de Aire Limpio , que fue modificada en numerosas ocasiones, restringieron considerablemente las emisiones vehiculares aceptables. Con estas restricciones, los vehículos comenzaron a diseñarse de manera más eficiente mediante la utilización de diversos sistemas y dispositivos de control de emisiones, que se hicieron más comunes con el tiempo.

Se ha demostrado que las emisiones de muchos contaminantes atmosféricos tienen diversos efectos negativos sobre la salud pública y el medio ambiente natural . Entre los principales contaminantes que preocupan se incluyen:

• Hidrocarburos (HC): Los hidrocarburos, una clase de combustibles quemados o parcialmente quemados , son tóxicos . Contribuyen significativamente al smog , que puede ser un problema grave en las zonas urbanas . La exposición prolongada a los hidrocarburos contribuye al asma , enfermedades hepáticas , enfermedades pulmonares y cáncer . Las regulaciones que rigen los hidrocarburos varían según el tipo de motor y la jurisdicción ; en algunos casos, se regulan los hidrocarburos distintos del metano , mientras que en otros, se regulan los hidrocarburos totales. La tecnología para una aplicación (para cumplir con un estándar de hidrocarburos distintos del metano) puede no ser adecuada para una aplicación que deba cumplir con un estándar de hidrocarburos totales. El metano no es directamente tóxico, pero es más difícil de descomponer en las líneas de ventilación del combustible, y un filtro de carbón activado está diseñado para recolectar y contener los vapores de combustible y dirigirlos de vuelta al tanque de combustible o, después de que el motor arranca y se calienta, a la entrada de aire para que se quemen en el motor.
• Compuestos orgánicos volátiles (COV): compuestos orgánicos que normalmente tienen un punto de ebullición inferior o igual a 250  °C; por ejemplo, clorofluorocarbonos (CFC) y formaldehído .
• Monóxido de carbono (CO): Producto de la combustión incompleta, el monóxido de carbono inhalado reduce la capacidad de la sangre para transportar oxígeno; la sobreexposición ( intoxicación por monóxido de carbono ) puede ser mortal. (El monóxido de carbono se une persistentemente a la hemoglobina, la molécula transportadora de oxígeno en los glóbulos rojos, donde el oxígeno (O₂ ₎ se une temporalmente. La unión del CO excluye el O₂ _y también reduce la capacidad de la hemoglobina para liberar el oxígeno ya unido, lo que en ambos casos hace que los glóbulos rojos sean ineficaces. La recuperación se produce mediante la liberación lenta del CO unido y la producción de nueva hemoglobina por parte del cuerpo —un proceso de curación— , por lo que la recuperación completa de una intoxicación por CO de moderada a grave (pero no mortal) tarda horas o días. Trasladar a una persona de una atmósfera contaminada con CO a aire fresco detiene la lesión, pero no produce una recuperación inmediata, a diferencia de cuando se la traslada de una atmósfera asfixiante (es decir, deficiente en oxígeno). Los efectos tóxicos que se manifiestan con días de retraso también son comunes).  
• Óxidos de nitrógeno (NO _x ) – Se generan cuando el nitrógeno del aire reacciona con el oxígeno a alta temperatura y presión dentro del motor. El NO _x es un precursor del smog y la lluvia ácida . El NO _x incluye NO y NO ₂ . ^{[ 1 ]} El NO ₂ es extremadamente reactivo. La producción de NO _x aumenta cuando un motor funciona en su punto de operación más eficiente (es decir, más caliente), por lo que suele haber una compensación natural entre la eficiencia y el control de las emisiones de NO _x . Se espera que se reduzca drásticamente con el uso de combustibles emulsionados . ^{[ 2 ]}
• Material particulado : hollín o humo compuesto por partículas del orden de los micrómetros . El material particulado provoca efectos negativos para la salud, entre los que se incluyen, entre otros, enfermedades respiratorias y cáncer . El material particulado muy fino se ha relacionado con enfermedades cardiovasculares.
• Óxido de azufre (SO _x ) – Término general para los óxidos de azufre , que se emiten cuando los vehículos de motor queman combustible que contiene azufre. Reducir el nivel de azufre en el combustible reduce el nivel de óxidos de azufre emitidos por el tubo de escape.

Durante las décadas de 1950 y 1960, diversos gobiernos federales, estatales y locales de Estados Unidos realizaron estudios sobre las numerosas fuentes de contaminación atmosférica. Estos estudios atribuyeron una parte significativa de la contaminación atmosférica al automóvil y concluyeron que esta no conoce fronteras políticas locales. En aquel entonces, las escasas regulaciones de control de emisiones existentes en Estados Unidos se promulgaban a nivel municipal o, en ocasiones, estatal. Estas ineficaces regulaciones locales fueron sustituidas gradualmente por regulaciones estatales y federales más completas. En 1967, el estado de California creó la Junta de Recursos del Aire de California y, en 1970, se estableció la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA). Ambas agencias, junto con otras agencias estatales, crean y hacen cumplir las regulaciones de emisiones para automóviles en Estados Unidos. Agencias y regulaciones similares se desarrollaron e implementaron simultáneamente en Canadá , Europa Occidental , Australia y Japón .

El primer intento de controlar la contaminación de los automóviles fue el sistema PCV (ventilación positiva del cárter) . Este sistema aspira los gases del cárter, ricos en hidrocarburos no quemados —precursores del smog fotoquímico— , hacia el conducto de admisión del motor para que se quemen en lugar de liberarse sin quemar a la atmósfera. La ventilación positiva del cárter se instaló por primera vez de forma generalizada por ley en todos los automóviles nuevos del modelo de 1961 vendidos inicialmente en California. Al año siguiente, Nueva York la hizo obligatoria. Para 1964, la mayoría de los automóviles nuevos vendidos en EE. UU. ya contaban con este sistema, y ​​el PCV se convirtió rápidamente en equipamiento estándar en todos los vehículos del mundo. ^{[ 3 ]}

Las primeras normas legislativas sobre emisiones de escape (tubos de escape) fueron promulgadas por el estado de California para el año modelo 1966 para los automóviles vendidos en ese estado, seguidas por Estados Unidos en su conjunto en el año modelo 1968. También en 1966, se implementó en el estado de California el primer ciclo de prueba de emisiones que medía las emisiones de escape en partes por millón (ppm). Las normas se fueron endureciendo progresivamente año tras año, según lo exigido por la EPA.

Para el año modelo 1974, las normas de emisiones de Estados Unidos se habían endurecido tanto que las técnicas de desajuste utilizadas para cumplirlas reducían seriamente la eficiencia del motor y, por lo tanto, aumentaban el consumo de combustible. Las nuevas normas de emisiones para el año modelo 1975, así como el aumento en el consumo de combustible, impulsaron la invención del convertidor catalítico para el postratamiento de los gases de escape. Esto no era posible con la gasolina con plomo existente , ya que los residuos de plomo contaminaban el catalizador de platino. En 1972, General Motors propuso al Instituto Americano del Petróleo la eliminación de los combustibles con plomo para los automóviles del año modelo 1975 y posteriores. La producción y distribución de gasolina sin plomo representó un gran desafío, pero se completó con éxito a tiempo para los automóviles del año modelo 1975. Todos los automóviles modernos ahora están equipados con convertidores catalíticos para reducir aún más las emisiones vehiculares.

Antes del año modelo 1981 en Estados Unidos, los fabricantes de vehículos de pasajeros se enfrentaron al desafío histórico de cumplir con las nuevas regulaciones de emisiones, específicamente con los requisitos mucho más restrictivos de la Ley de Aire Limpio (Estados Unidos) según la enmienda de 1977. Por ejemplo, para afrontar este desafío, General Motors creó un nuevo "Centro de Proyectos de Sistemas de Control de Emisiones" (ECS), ubicado inicialmente en el Edificio de Ingeniería de AC Spark Plug en Flint, Michigan. Su propósito era "tener la responsabilidad general del diseño y desarrollo del sistema de catalizador de circuito cerrado de 3 vías con carburador e inyección de combustible, incluyendo los controles electrónicos relacionados, la dosificación de combustible, el control de chispa, el control de velocidad de ralentí, EGR , etc., actualmente planificado hasta 1981". ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

En 1990, la Ley de Aire Limpio (CAA, por sus siglas en inglés) fue enmendada para ayudar a regular aún más las emisiones nocivas de los vehículos. En la enmienda, las regulaciones sobre combustibles para vehículos se volvieron más estrictas al limitar la cantidad de azufre permitida en el diésel. Las enmiendas también exigieron un cambio de procedimiento para la producción de gasolina a fin de garantizar menores emisiones de hidrocarburos (HC), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx ₎ , material particulado (PM) y compuestos orgánicos volátiles (COV). Los cambios realizados a la CAA también exigieron el uso de gasolina oxigenada para reducir las emisiones de CO. ^{[ 7 ]}

A lo largo de los años, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) ha seguido implementando nuevas regulaciones para reducir las emisiones nocivas de los vehículos. Algunas de las normas de actualización más importantes son las siguientes:

• 1983: En las zonas con graves problemas de contaminación, se crearon programas de inspección y mantenimiento, lo que significaba que los vehículos debían someterse a pruebas de emisiones.
• 1985: Se modificó el límite máximo de plomo permitido en la gasolina, estableciéndolo en 0,1 gramos por galón.
• 1991: Se redujeron las emisiones permitidas de HC y NO _x para los tubos de escape de los vehículos.
• 1993: Comenzó a desarrollar nueva tecnología para vehículos con el fin de triplicar la eficiencia del combustible en los sedanes familiares, reduciendo así las emisiones contaminantes.
• 1996: Se prohíbe oficialmente el plomo en la gasolina. Se crean nuevas regulaciones con el objetivo de innovar el diseño de los vehículos para que sean más respetuosos con el medio ambiente y mejorar el rendimiento del motor.
• 1998: Se incrementaron aún más las normas para los motores diésel en un esfuerzo por reducir las emisiones de ozono y partículas en suspensión de diversos vehículos, incluidos los equipos industriales.
• 1999: Se finalizan las normas sobre emisiones de escape, se reduce el contenido de azufre en la gasolina y se reducen los límites de emisión de NO _x y PM para varios barcos y otros vehículos marinos que utilizan diésel. ^{[ 7 ]}

Los organismos encargados de implementar las normas sobre emisiones de escape varían según la jurisdicción, incluso dentro del mismo país. Por ejemplo, en Estados Unidos, la responsabilidad general recae en la EPA, pero debido a los requisitos específicos del estado de California, las emisiones en California están reguladas por la Junta de Recursos del Aire . En Texas, la Comisión Ferroviaria de Texas es responsable de regular las emisiones de los motores de combustión rica alimentados con GLP (pero no de los motores de combustión rica alimentados con gasolina).

Para los diseñadores del sistema era muy importante cumplir con los requisitos de emisiones utilizando una cantidad mínima de material catalizador ( platino y/o paladio ) debido a problemas de costo y suministro. El "Centro de Proyectos de Sistemas de Control de Emisiones" de General Motors debía seguir los planes operativos establecidos por los Centros de Proyectos anteriores de GM. Los elementos exclusivos del "Centro de Proyectos de Sistemas de Control de Emisiones" eran:

• No se necesitan diseñadores: todo el trabajo de diseño se realizará en las divisiones internas.
• Actividad de planificación que proporcionará los cronogramas oficiales, los costos de los componentes, las asignaciones, etc.

El ("Centro de Proyectos de Sistemas de Control de Emisiones") tenía siete tareas que realizar para que se pusiera en producción un sistema de emisiones que cumpliera con toda la legislación federal vigente en materia de emisiones y economía de combustible.

Estas tareas consisten en trabajar con las divisiones de automóviles para:

1. Defina los requisitos de hardware y del sistema.
2. Desarrollar especificaciones de diseño para todo el hardware necesario.
3. Analizar diseños y sistemas alternativos.
4. Organizar pruebas y validación de los sistemas que mejor se adapten a las necesidades de todos los implicados.
5. Supervisar el diseño y el lanzamiento de los componentes.
6. Siga el progreso del trabajo de certificación divisional.
7. Mantenga informados a la gerencia y a las divisiones sobre el estado del progreso.

La implementación del sistema se realizaría gradualmente a lo largo de tres años. En el año modelo 1979, los vehículos de California con motores de 2.5, 2.8 y 3.5 litros contarían con el sistema CLCC. En el año modelo 1980, los vehículos vendidos en California y los de motores de 3.8 y 4.3 litros vendidos a nivel federal también contarían con CLCC, y finalmente, en el año modelo 1981, todos los automóviles de pasajeros tendrían el sistema. Los camiones ligeros y medianos de California también podrían usar el sistema C-4. Si bien los sistemas de 1979 y 1980 son muy similares, el sistema de 1981 (segunda generación) se diferenciará en que podría incluir sistemas de control del motor adicionales (por ejemplo, sincronización electrónica del encendido, control de la velocidad de ralentí, etc.).

El sistema de control de emisiones en desarrollo ha sido designado C-4. Esto significa convertidor catalítico controlado por computadora. El sistema C-4 abarca sistemas de control de carburador de circuito cerrado (CLCC) e inyección en el cuerpo de aceleración (TBI). ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

La eficiencia del motor ha mejorado progresivamente gracias a un diseño de motor más preciso, una sincronización del encendido más exacta y el encendido electrónico , una dosificación de combustible más precisa y una gestión del motor computerizada .

Los avances en la tecnología de motores y vehículos reducen continuamente la toxicidad de los gases de escape, pero generalmente se ha demostrado que estos por sí solos son insuficientes para cumplir con los objetivos de emisiones. Por lo tanto, las tecnologías para desintoxicar los gases de escape son una parte esencial del control de emisiones.

Las emisiones por evaporación son el resultado de la fuga de vapores de gasolina del sistema de combustible del vehículo. Desde 1971, todos los vehículos estadounidenses cuentan con sistemas de combustible completamente sellados que no liberan gases directamente a la atmósfera; en otras jurisdicciones, surgieron simultáneamente normativas para sistemas de este tipo. En un sistema típico, los vapores del tanque de combustible y del respiradero de la cuba del carburador (en vehículos con carburador) se canalizan a depósitos que contienen carbón activado . Los vapores se adsorben dentro del depósito y, durante ciertos modos de funcionamiento del motor, se introduce aire fresco a través del depósito, arrastrando los vapores hacia el motor, donde se queman.

Algunos estados de EE. UU. también utilizan una tecnología que emplea luz infrarroja y ultravioleta para detectar emisiones mientras los vehículos circulan por vías públicas, eliminando así la necesidad de que los propietarios acudan a un centro de pruebas. La detección de gases de escape mediante destellos de luz invisible se utiliza habitualmente en áreas metropolitanas, ^{[ 17 ] [ 18 ]} y se está popularizando en Europa. ^{[ 19 ]}

Las emisiones de escape se pueden reducir utilizando sistemas de propulsión de vehículos limpios. Los modos más populares incluyen vehículos híbridos y eléctricos . A partir de diciembre de 2020 China tenía el mayor parque mundial de coches eléctricos de pasajeros enchufables legales para circular por carretera, con 4,5  millones de unidades, lo que representa el 42% del parque mundial de coches enchufables. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

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• Asociación para el Control de Emisiones mediante Catalizador (AECC)
• Laboratorio Nacional de Emisiones de Vehículos y Combustibles de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos
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