Control de emisiones de vehículos

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El control de emisiones de vehículos es el estudio de la reducción de las emisiones producidas por los vehículos de motor , especialmente los motores 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 los años 1950 y 1960, se formaron varias agencias reguladoras con un enfoque principal en el estudio de las emisiones de los vehículos y sus efectos sobre la salud humana y el medio ambiente. A medida que mejoraba la comprensión mundial de las emisiones de los vehículos, también lo hacían los dispositivos utilizados para mitigar sus impactos. Los requisitos reglamentarios de la Ley de Aire Limpio, que fue enmendada muchas veces, restringieron en gran medida las emisiones aceptables de los vehículos. Con las restricciones, los vehículos comenzaron a diseñarse de manera más eficiente mediante el uso de varios sistemas y dispositivos de control de emisiones que se volvieron más comunes en los vehículos con el tiempo.

Se ha demostrado que las emisiones de numerosos contaminantes del aire tienen diversos efectos negativos sobre la salud pública y el medio ambiente natural . Entre los principales contaminantes que suscitan preocupación se encuentran los siguientes:

• Hidrocarburos (HC) – Una clase de combustible quemado o parcialmente quemado , los hidrocarburos son toxinas . Los hidrocarburos contribuyen en gran medida al smog , que puede ser un problema importante en las áreas urbanas . La exposición prolongada a los hidrocarburos contribuye al asma , las enfermedades hepáticas , las enfermedades pulmonares y el cáncer . Las regulaciones que rigen los hidrocarburos varían según el tipo de motor y la jurisdicción ; en algunos casos, se regulan los "hidrocarburos no metánicos ", mientras que en otros casos, se regulan los "hidrocarburos totales". La tecnología para una aplicación (para cumplir con un estándar de hidrocarburos no metánicos) puede no ser adecuada para su uso en una aplicación que tiene que cumplir con un estándar de hidrocarburos totales. El metano no es directamente tóxico, pero es más difícil de descomponer en las líneas de ventilación de combustible y un recipiente de carbón está destinado a recolectar y contener los vapores de combustible y enviarlos de regreso al tanque de combustible o, después de que el motor se enciende y se calienta, hacia la entrada de aire para que se quemen en el motor.
• Compuestos orgánicos volátiles (COV): compuestos orgánicos que normalmente tienen un punto de ebullición menor o igual a 250 °C; por ejemplo, los clorofluorocarbonos (CFC) y el formaldehído .
• Monóxido de carbono (CO) – El monóxido de carbono inhalado, un producto de la combustión incompleta, 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 de forma persistente a la hemoglobina, la sustancia química que transporta el oxígeno en los glóbulos rojos, donde el oxígeno (O2 ₎ se uniría temporalmente. La unión del CO excluye al O2 _y también reduce la capacidad de la hemoglobina para liberar el oxígeno ya unido, lo que hace que los glóbulos rojos sean ineficaces en ambos casos. La recuperación se produce por 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 total de una intoxicación moderada a grave (pero no mortal) por CO lleva horas o días. Sacar a una persona de una atmósfera envenenada con CO al aire fresco detiene la lesión, pero no produce una recuperación rápida, a diferencia del caso en el que se saca a una persona de una atmósfera asfixiante (es decir, una con deficiencia de oxígeno). Los efectos tóxicos que se retrasan durante días también son comunes).
• Óxidos de nitrógeno ( NO _x ): se generan cuando el nitrógeno del aire reacciona con el oxígeno a altas temperaturas y presiones 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 funcionamiento más eficiente (es decir, más caliente), por lo que tiende a haber un equilibrio natural entre la eficiencia y el control de las emisiones de NO _x . Se espera que se reduzca drásticamente mediante el uso de combustibles de emulsión . ^[2]
• Partículas en suspensión ( hollín o humo) formadas por partículas de tamaño micrométrico : las partículas en suspensión tienen efectos negativos para la salud, como enfermedades respiratorias y cáncer , entre otros . Las partículas en suspensión muy finas se han relacionado con enfermedades cardiovasculares.
• Óxido de azufre (SO _x ): término general para los óxidos de azufre que emiten los vehículos motorizados que queman combustible que contiene azufre. Al reducir el nivel de azufre en el combustible, se reduce el nivel de óxidos de azufre emitidos por el tubo de escape.

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Durante las décadas de 1950 y 1960, varios gobiernos federales, estatales y locales de los Estados Unidos realizaron estudios sobre las numerosas fuentes de contaminación del aire. Estos estudios finalmente atribuyeron una parte significativa de la contaminación del aire a los automóviles y concluyeron que la contaminación del aire no está limitada por las fronteras políticas locales. En ese momento, las regulaciones mínimas de control de emisiones que existían en los EE. UU. Se promulgaron a nivel municipal o, ocasionalmente, estatal. Las regulaciones locales ineficaces fueron suplantadas gradualmente por regulaciones estatales y federales más integrales. 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 los Estados Unidos (EPA). Ambas agencias, así como otras agencias estatales, ahora crean y hacen cumplir las regulaciones de emisiones para automóviles en los Estados Unidos. Agencias y regulaciones similares se desarrollaron e implementaron contemporáneamente 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, que contienen hidrocarburos no quemados (un precursor del smog fotoquímico ), hacia el tracto de admisión del motor, de modo que se queman en lugar de liberarse sin quemar del cárter 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 1961 que se vendieron por primera vez en California. Al año siguiente, Nueva York lo impuso. En 1964, la mayoría de los automóviles nuevos vendidos en los EE. UU. estaban equipados con este sistema, y ​​la ventilación positiva del cárter se convirtió rápidamente en un equipo estándar en todos los vehículos del mundo. ^[3]

Las primeras normas de emisiones de escape (tubo de escape) legisladas fueron promulgadas por el estado de California para el año modelo 1966 para los automóviles vendidos en ese estado, seguido por los Estados Unidos en su conjunto en el año modelo 1968. También en 1966, se promulgó el primer ciclo de prueba de emisiones en el estado de California, que mide las emisiones del tubo de escape en PPM (partes por millón). Las normas se fueron endureciendo progresivamente año tras año, según lo exigió la EPA.

Para el año modelo 1974, las normas de emisiones de los Estados Unidos se habían endurecido de tal manera que las técnicas de desajuste utilizadas para cumplirlas estaban reduciendo seriamente la eficiencia del motor y, por lo tanto, aumentando el consumo de combustible. Las nuevas normas de emisiones para el año modelo 1975, así como el aumento en el uso de combustible, obligaron a la invención del convertidor catalítico para el postratamiento de los gases de escape. Esto no era posible con la gasolina con plomo existente , porque el residuo de plomo contaminaba 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. ^{[ cita requerida ]} La producción y distribución de combustible sin plomo fue 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 del vehículo.

En los años previos al año modelo 1981 en los Estados Unidos, los fabricantes de vehículos de pasajeros se enfrentaron a los desafíos históricos de cumplir con las nuevas regulaciones de emisiones, cómo cumplir con los requisitos mucho más restrictivos de la Ley de Aire Limpio (Estados Unidos) según la enmienda de 1977. Por ejemplo: para enfrentar este desafío, General Motors creó un nuevo "Centro de Proyecto de Sistemas de Control de Emisiones" (ECS) ubicado inicialmente en el Edificio de Ingeniería de Bujías de CA en Flint, Michigan. Su propósito era "Tener la responsabilidad general del diseño y desarrollo del sistema de catalizador de tres vías de circuito cerrado con inyección de combustible y carburador, incluidos los controles electrónicos relacionados, la medición de combustible, el control de chispa, el control de velocidad de ralentí, EGR, etc., actualmente planificados hasta 1981". ^{[4] [5] [6]}

En 1990, se modificó la Ley de Aire Limpio (Clean Air Act, CAA) para ayudar a regular aún más las emisiones nocivas de los vehículos. En la enmienda, las regulaciones sobre el combustible para vehículos se volvieron más estrictas al limitar la cantidad de azufre permitida en el combustible diésel. Las enmiendas también exigieron un cambio de procedimiento para la creación de gasolina para garantizar que haya menos emisiones de hidrocarburos (HC), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NO _X ), material particulado (PM) y compuestos orgánicos volátiles (VOC). 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 normas para reducir las emisiones nocivas de los vehículos. Algunas de las normas actualizadas más importantes son las siguientes:

• 1983: Para las zonas con grandes problemas de contaminación, se crearon programas de Inspección y Mantenimiento, lo que significa que los vehículos tendrían que ser sometidos a pruebas de emisiones.
• 1985: Se modificó la cantidad permitida de gasolina a 0,1 gramos por galón.
• 1991: Se redujeron las emisiones permitidas de HC y NOx para los tubos de escape de los vehículos.
• 1993: Comenzó a desarrollar nueva tecnología de vehículos para ayudar a triplicar el ahorro de combustible en los sedanes familiares, reduciendo así las emisiones nocivas.
• 1996: Se prohíbe oficialmente el plomo en la gasolina. Se crean nuevas regulaciones con la intención de innovar en el diseño de vehículos para que sean más ecológicos y mejoren el rendimiento del motor.
• 1998: Se aumentaron aún más los estándares para motores diésel en un esfuerzo por reducir las emisiones de ozono y PM para diversos vehículos, incluidos equipos industriales.
• 1999: Se ultiman los estándares de emisiones de los tubos de escape, se reducen los contenidos de azufre en la gasolina y varias embarcaciones y otros vehículos marinos que utilizan diésel tienen límites de emisiones reducidos para NOx y PM. ^[7]

En 1922, se añadió plomo a la gasolina como agente antidetonante. No fue hasta 1969, casi cinco décadas después, que la investigación comenzó a mostrar los efectos negativos para la salud relacionados con el plomo como contaminante. A pesar de la plétora de impactos negativos para la salud descubiertos, no se implementaron requisitos regulatorios para reducir los niveles de plomo en la gasolina hasta 1983. Lentamente, los países comenzaron a prohibir el uso de plomo en la gasolina por completo desde los años 1986 hasta 2021. Japón fue el primero en prohibir el plomo en la gasolina en 1986, seguido de América del Norte y del Sur, y casi todos los países de los dos continentes prohibieron el plomo en 1998. África fue el último en prohibir el plomo en la gasolina; la mayoría de los países lo prohibieron en 2004 y 2005 y el último, Argelia, no lo prohibió hasta 2021. ^[8]

Las agencias encargadas de implementar las normas sobre emisiones de escape varían de una jurisdicción a otra, incluso dentro del mismo país. Por ejemplo, en los Estados Unidos, la responsabilidad general recae en la EPA, pero debido a los requisitos especiales del estado de California, las emisiones en California están reguladas por la Junta de Recursos del Aire . En Texas, la Comisión de Ferrocarriles 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).

• Junta de Recursos del Aire de California – California, Estados Unidos (la mayoría de las fuentes)
• Environment Canada – Canadá (la mayoría de las fuentes)
• Agencia de Protección Ambiental – Estados Unidos (la mayoría de las fuentes)
• Comisión de Ferrocarriles de Texas – Texas, Estados Unidos (solo motores alimentados con GLP)
• Transporte Canadá – Canadá (trenes y barcos)

• Ministerio de Tierras, Infraestructura, Transporte y Turismo / Dirección de Transporte por Carretera / División de Política Ambiental ^[9]

La Unión Europea tiene el control sobre la regulación de las emisiones en los estados miembros de la UE; sin embargo, muchos estados miembros tienen sus propios organismos gubernamentales para hacer cumplir e implementar estas regulaciones en sus respectivos países. En resumen, la UE formula la política (al establecer límites como la norma europea de emisiones ) y los estados miembros deciden cómo implementarla mejor en su propio país.

En el Reino Unido, las cuestiones relativas a la política medioambiental son "competencias delegadas", de modo que algunos de los países constituyentes las tratan por separado a través de sus propios órganos gubernamentales creados para tratar cuestiones medioambientales:

• Agencia de Medio Ambiente – Inglaterra y Gales
• Agencia Escocesa de Protección del Medio Ambiente (SEPA) – Escocia
• Departamento de Medio Ambiente – Irlanda del Norte

Sin embargo, muchas políticas del Reino Unido son gestionadas por el Departamento de Medio Ambiente, Alimentación y Asuntos Rurales (DEFRA) y todavía están sujetas a las regulaciones de la UE.

En Irlanda del Norte, hace 12 años que no se realizan pruebas de emisiones en vehículos diésel durante las ITV , a pesar de que la ley lo exige. ^[10]

• Ministerio de Ecología y Medio Ambiente – Principal autoridad reguladora responsable de la protección del medio ambiente, formula políticas, normas y reglamentos que abarcan las emisiones de los vehículos y las evaluaciones del impacto ambiental. ^[11]
• Ministerio de Industria y Tecnología de la Información : crea y establece objetivos para los vehículos de nueva energía (NEV) y los vehículos comerciales. También desempeña un papel en la creación de estándares nacionales de emisiones para automóviles. ^[12]
• Administración Estatal de Regulación del Mercado : Responsable de la supervisión y estandarización del mercado en China. La Administración Estatal de Regulación del Mercado supervisa la aplicación de las normas sobre emisiones de vehículos y garantiza su cumplimiento mediante la realización de inspecciones, pruebas y medidas de control de calidad. ^[13]
• Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma : Responsable de la planificación macroeconómica y la formulación de políticas relacionadas con la energía en China. La Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma desempeña un papel en la elaboración de normas de eficiencia de combustible, la promoción de combustibles alternativos y la aplicación de medidas de ahorro de energía para reducir las emisiones de los vehículos. ^[14]
• Centro de Investigación y Tecnología Automotriz de China: institución de investigación independiente encargada por el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información para investigar, desarrollar y redactar normas para los límites de consumo de combustible de los vehículos motorizados. ^[15]
• Ministerio de Transporte de la República Popular China - Si bien no está claro si este ministerio tiene autoridad legal para hacer cumplir estas normas, el Ministerio de Transporte no emitirá licencias comerciales a ningún vehículo pesado que no cumpla con los requisitos de consumo de combustible que ha establecido. ^[15]
• Oficinas de protección ambiental provinciales y municipales: a nivel provincial y municipal, estas oficinas son responsables de hacer cumplir las normas, como las relacionadas con las emisiones de los vehículos. Estas oficinas supervisan el cumplimiento, realizan inspecciones e imponen sanciones por incumplimiento.

Para los diseñadores de sistemas era muy importante cumplir con los requisitos de emisiones utilizando una cantidad mínima de material catalizador ( platino y/o paladio ) debido a cuestiones 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:

• Sin diseñadores: todo el trabajo de diseño se realizará en las divisiones locales.
• Actividad de planificación que proporcionará los cronogramas oficiales, costos de componentes, asignaciones, etc.

El ("Centro de Proyecto de Sistemas de Control de Emisiones") tenía siete tareas que realizar, para poner en producción un sistema de emisiones que pasara toda la legislación federal existente sobre emisiones y economía de combustible.

Estos trabajarán con las divisiones de automóviles para:

1. Definir los requisitos de hardware y sistema.
2. Desarrollar especificaciones de diseño para todo el hardware requerido.
3. Revisar diseños y sistemas alternativos.
4. Organizar pruebas y validar sistemas que se adapten mejor a las necesidades de todos los involucrados.
5. Supervisar el diseño y lanzamiento de componentes.
6. Seguir el progreso del trabajo de certificación divisional.
7. Mantener a la gerencia y a las divisiones informadas sobre el estado del progreso.

La implementación del sistema se iba a realizar en fases 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 tendrán un sistema CLCC. En el año modelo 1980, los vehículos vendidos en California y los motores de 3,8 y 4,3 litros vendidos a nivel federal tendrán CLCC y, finalmente, en el año modelo 1981, todos los automóviles de pasajeros tendrán el sistema. Los camiones ligeros y medianos de California también pueden 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 puede incluir sistemas de control del motor adicionales (es decir, sincronización electrónica de chispa, control de velocidad de ralentí, etc.)

El sistema de control de emisiones en desarrollo se ha denominado C-4, que significa convertidor catalítico controlado por computadora. El sistema C-4 abarca los sistemas de control de carburador de circuito cerrado (CLCC) y de inyección en el cuerpo del acelerador (TBI). ^{[4] [5] [6]}

La eficiencia del motor se ha mejorado de manera constante con un diseño mejorado del motor, un tiempo de encendido más preciso y encendido electrónico , una medición de combustible más precisa y una gestión computarizada del motor .

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

Uno de los primeros sistemas de control de emisiones de escape desarrollados es la inyección de aire secundario. Originalmente, este sistema se utilizaba para inyectar aire en los puertos de escape del motor para proporcionar oxígeno de modo que los hidrocarburos no quemados y parcialmente quemados en el escape terminaran de quemarse. La inyección de aire se utiliza ahora para apoyar la reacción de oxidación del convertidor catalítico y para reducir las emisiones cuando un motor se arranca en frío. Después de un arranque en frío, un motor necesita una mezcla de aire y combustible más rica que la que necesita a la temperatura de funcionamiento , y el convertidor catalítico no funciona de manera eficiente hasta que ha alcanzado su propia temperatura de funcionamiento. El aire inyectado aguas arriba del convertidor apoya la combustión en el tubo de escape, lo que acelera el calentamiento del catalizador y reduce la cantidad de hidrocarburos no quemados emitidos por el tubo de escape.

En Estados Unidos y Canadá, muchos motores de vehículos de 1973 y posteriores (de 1972 y posteriores en California) tienen un sistema que envía una cantidad dosificada de gases de escape al tracto de admisión en determinadas condiciones de funcionamiento. Los gases de escape no queman ni favorecen la combustión, por lo que diluyen la carga de aire y combustible para reducir las temperaturas máximas de la cámara de combustión. Esto, a su vez, reduce la formación _de NOx .

El convertidor catalítico es un dispositivo colocado en el tubo de escape, que convierte los hidrocarburos, el monóxido de carbono y los NO _x en gases menos nocivos mediante el uso de una combinación de platino, paladio y rodio como catalizadores . ^[16]

Existen dos tipos de convertidores catalíticos: de dos vías y de tres vías. Los convertidores de dos vías fueron comunes hasta la década de 1980, cuando los convertidores de tres vías los reemplazaron en la mayoría de los motores de automóviles. Consulte el artículo sobre convertidores catalíticos para obtener más detalles.

Las emisiones por evaporación son el resultado de los vapores de gasolina que se escapan del sistema de combustible del vehículo. Desde 1971, todos los vehículos estadounidenses tienen sistemas de combustible completamente sellados que no ventilan directamente a la atmósfera; en otras jurisdicciones aparecieron simultáneamente mandatos para sistemas de este tipo. En un sistema típico, los vapores del tanque de combustible y del respiradero del carburador (en vehículos con carburador) se conducen a recipientes que contienen carbón activado . Los vapores se adsorben dentro del recipiente y, durante ciertos modos operativos del motor, se aspira aire fresco a través del recipiente, lo que lleva el vapor al motor, donde se quema.

Algunos estados de EE. UU. también están utilizando una tecnología que utiliza luz infrarroja y ultravioleta para detectar emisiones cuando los vehículos pasan por la vía pública, 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 las áreas metropolitanas ^[17] y se está volviendo más conocida en Europa [ ^{18] .}

Los resultados de las pruebas de emisiones de vehículos individuales se compilan en muchos casos para evaluar el desempeño de las emisiones de varias clases de vehículos, la eficacia del programa de pruebas y de varias otras regulaciones relacionadas con las emisiones (como cambios en las formulaciones de combustible) y para modelar los efectos de las emisiones de los automóviles en la salud pública y el medio ambiente.

Las emisiones de escape se pueden reducir mediante el uso de propulsión de vehículos limpios. Los modos más populares incluyen vehículos híbridos y eléctricos . En diciembre de 2020 ^[actualizar], China tenía el mayor stock mundial de automóviles de pasajeros eléctricos enchufables legales para circular en carretera, con 4,5 millones de unidades, lo que representa el 42% del stock mundial de automóviles enchufables. ^{[19] [20]}

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• Centro de información sobre diésel
• Asociación para el Control de Emisiones por Catalizadores (AECC)
• Sistemas de control de emisiones en FamilyCar.com
• Laboratorio Nacional de Emisiones de Vehículos y Combustibles de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos
• Emisiones y pruebas de vehículos