Gases Emitidos por Vehículos y su Contaminación

Los vehículos y maquinaria que emiten contaminantes atmosféricos durante su funcionamiento son fuentes móviles terrestres contaminantes. Nos referimos a automóviles, camiones, autobuses y motocicletas, así como a maquinaria móvil fuera de ruta (la utilizada en construcción), maquinaria agrícola, aviones, barcos y locomotoras.

Es decir, en nuestras ciudades, vivimos rodeados de estas fuentes, las cuales emiten gases como dióxido de carbono (CO2), óxidos de nitrógeno (NOx), monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC), material particulado (MP) y compuestos orgánicos volátiles (VOC). Los motores de combustión interna -y el desgaste de sus componentes mecánicos- causan estas emisiones que contaminan el aire, impactando negativamente en el ambiente y la salud de la población.

Emisiones Contaminantes y su Impacto

Las emisiones de vehículos son una fuente importante de contaminación del aire urbano. La contaminación del aire es un problema bien conocido que oscila entre los problemas locales de calidad del aire, hasta los efectos globales que de la humanidad se enfrenta. Tras el Foro Internacional de Transporte las emisiones de CO2 del sector transporte representan el 23% a nivel mundial y 30% OCDE de las emisiones totales de CO2 procedentes de la quema de combustibles fósiles.

La preocupación por la calidad del aire y el impacto ambiental de las actividades humanas ha crecido exponencialmente en las últimas décadas. En este contexto, el control de gases emitidos por los automóviles se ha convertido en un pilar fundamental para la sostenibilidad y la salud pública.

Gases Contaminantes Principales Emitidos por Automóviles

• Monóxido de Carbono (CO): Un gas incoloro e inodoro, altamente tóxico. Se produce por la combustión incompleta de combustibles fósiles. Inhalado, el CO reduce la capacidad de la sangre para transportar oxígeno, pudiendo causar desde dolores de cabeza y mareos hasta la muerte en altas concentraciones. A nivel ambiental, aunque no es un gas de efecto invernadero de larga duración, contribuye a la formación de smog.
• Óxidos de Nitrógeno (NOx): Este término engloba varios compuestos de nitrógeno y oxígeno, siendo los más comunes el óxido nítrico (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2). Se forman a altas temperaturas durante la combustión. Los NOx son irritantes respiratorios y contribuyen significativamente a la formación de smog fotoquímico y lluvia ácida. Además, el NO2 es un gas de efecto invernadero.
• Hidrocarburos (HC): Son compuestos orgánicos formados por hidrógeno y carbono. Se emiten principalmente por la combustión incompleta del combustible y la evaporación de la gasolina. Algunos hidrocarburos son cancerígenos, y en presencia de luz solar y NOx, contribuyen a la formación de ozono troposférico (smog), un potente irritante respiratorio y gas de efecto invernadero.
• Partículas (PM): Se trata de una mezcla compleja de partículas sólidas y líquidas suspendidas en el aire. En el contexto de los automóviles, las partículas provienen principalmente de los motores diésel y, en menor medida, de los de gasolina (especialmente los de inyección directa). Las partículas finas (PM2.5) son especialmente peligrosas porque pueden penetrar profundamente en el sistema respiratorio y llegar al torrente sanguíneo, causando problemas respiratorios, cardiovasculares y cáncer.
• Dióxido de Carbono (CO2): El principal gas de efecto invernadero asociado al transporte. Se produce durante la combustión completa de combustibles fósiles. Aunque no es tóxico directamente, su acumulación en la atmósfera es la principal causa del calentamiento global y el cambio climático, con consecuencias devastadoras a largo plazo.

Más allá de estos gases principales, los vehículos también emiten otros contaminantes en menor medida, como compuestos orgánicos volátiles (COV) distintos de los hidrocarburos, amoníaco (NH3) en vehículos con sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR), y óxido nitroso (N2O), otro potente gas de efecto invernadero.

Tecnologías para el Control de Gases

La historia del control de emisiones automotrices es una evolución constante, impulsada por la legislación cada vez más estricta y la innovación tecnológica. Desde soluciones relativamente simples hasta sistemas complejos y sofisticados, la industria automotriz ha desarrollado diversas estrategias para reducir la emisión de gases contaminantes.

Primeras Soluciones y el Catalizador de Tres Vías

Inicialmente, el enfoque se centró en la combustión más eficiente dentro del motor, ajustando la mezcla aire-combustible y el tiempo de encendido. Sin embargo, estas mejoras tenían limitaciones. El verdadero avance llegó con la introducción del catalizador de tres vías en la década de 1970. Este dispositivo revolucionario, instalado en el sistema de escape, utiliza reacciones químicas para convertir simultáneamente tres contaminantes principales:

• Monóxido de Carbono (CO) se oxida a Dióxido de Carbono (CO2): 2CO + O2 → 2CO2
• Hidrocarburos (HC) se oxidan a Dióxido de Carbono (CO2) y Agua (H2O): HC + O2 → CO2 + H2O
• Óxidos de Nitrógeno (NOx) se reducen a Nitrógeno (N2) y Oxígeno (O2): 2NOx → N2 + xO2

El catalizador de tres vías es altamente efectivo para motores de gasolina, y sigue siendo un componente esencial en la mayoría de los vehículos modernos. Su eficiencia depende de mantener una mezcla aire-combustible cercana a la estequiométrica (relación ideal), lo que se logra mediante sensores de oxígeno (sonda lambda) que monitorizan los gases de escape y ajustan la inyección de combustible.

Tecnologías Avanzadas para Motores Diésel

Los motores diésel, conocidos por su eficiencia y par motor, presentan desafíos particulares en términos de emisiones, especialmente en lo que respecta a NOx y partículas. Las tecnologías para el control de emisiones en diésel han evolucionado significativamente:

• Filtro de Partículas Diésel (DPF): Captura las partículas sólidas (hollín) del escape. Periódicamente, el DPF se regenera, quemando las partículas acumuladas a altas temperaturas. Este proceso puede ser pasivo (ocurre durante la conducción normal) o activo (requiere inyección adicional de combustible o calentamiento eléctrico).
• Reducción Catalítica Selectiva (SCR): Sistema que inyecta un agente reductor, generalmente urea (AdBlue), en los gases de escape. En un catalizador especial, el urea reacciona con los NOx para convertirlos en nitrógeno y agua. El SCR es muy eficaz para reducir las emisiones de NOx, especialmente en motores diésel de gran tamaño.
• Recirculación de Gases de Escape (EGR): Reintroduce una porción de los gases de escape en el colector de admisión. Esto reduce la temperatura de combustión, disminuyendo la formación de NOx. Existen sistemas EGR de alta y baja presión, con diferentes ventajas y desventajas.
• Catalizador de Oxidación Diésel (DOC): Similar al catalizador de tres vías, pero optimizado para motores diésel. Reduce las emisiones de CO e HC, y también oxida parte del NO a NO2, lo cual es beneficioso para el funcionamiento del DPF y el SCR en algunos sistemas combinados.

Sistemas de Control de Emisiones Más Recientes y Sofisticados

La continua exigencia de normativas más estrictas ha llevado al desarrollo de sistemas de control de emisiones aún más avanzados:

• Catalizador de cuatro vías (FWC): Una evolución del catalizador de tres vías, que además de CO, HC y NOx, también reduce las emisiones de partículas finas en motores de gasolina de inyección directa, que pueden generar partículas en ciertas condiciones de funcionamiento.
• Sistemas de inyección de agua: Inyectan agua en el colector de admisión o directamente en la cámara de combustión. El agua reduce la temperatura de combustión, disminuyendo la formación de NOx y, en algunos casos, mejorando la eficiencia del motor.
• Sistemas de gestión térmica avanzados: Optimizan la temperatura de los componentes del sistema de escape (catalizadores, filtros) para que alcancen su temperatura óptima de funcionamiento lo más rápido posible después del arranque en frío, cuando las emisiones son más elevadas.
• Sensores de emisiones más precisos y sofisticados: Permiten una monitorización más detallada de los gases de escape y una mejor regulación de los sistemas de control, optimizando su eficiencia y diagnóstico de fallos.

Legislación y Normativas

La implementación y el desarrollo de tecnologías de control de emisiones están fuertemente impulsados por la legislación y las normativas gubernamentales a nivel global, regional y nacional. Estas regulaciones establecen límites máximos permisibles para la emisión de diferentes contaminantes, y obligan a los fabricantes a cumplir con estos estándares para poder comercializar sus vehículos.

Normativa Europea Euro

La Unión Europea ha sido pionera en la regulación de emisiones de vehículos con las normas Euro. Estas normas, que se han ido endureciendo progresivamente desde Euro 1 (introducida en 1992) hasta la actual Euro 6 (y futuras Euro 7), establecen límites cada vez más bajos para las emisiones de CO, NOx, HC y partículas, tanto para vehículos ligeros (turismos y furgonetas) como para vehículos pesados (camiones y autobuses).

Las normas Euro no solo definen los límites de emisión, sino también los procedimientos de ensayo y homologación para verificar el cumplimiento. Además, la normativa europea incluye la medición de emisiones en condiciones reales de conducción (RDE) para asegurar que los vehículos cumplan con los límites no solo en laboratorio, sino también en el uso cotidiano.

Normativa en Estados Unidos

En Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) es la encargada de regular las emisiones de vehículos. Las normativas estadounidenses, como las Tier 2 y Tier 3, también han establecido límites estrictos para los contaminantes y han impulsado la adopción de tecnologías de control de emisiones. California, en particular, tiene sus propias normas de emisiones, aún más exigentes que las federales, y otros estados han adoptado o están considerando adoptar los estándares californianos.

Normativa en Otros Países y Regiones

Muchos otros países y regiones del mundo también han implementado normativas de emisiones, inspiradas en gran medida en los estándares europeos o estadounidenses. Países como China, India, Japón, Corea del Sur y Brasil, entre otros, han adoptado normativas cada vez más estrictas para reducir la contaminación vehicular, reflejando una preocupación global por la calidad del aire y el cambio climático. La tendencia general es hacia la convergencia de los estándares a nivel internacional, buscando una armonización que facilite la fabricación y comercialización de vehículos más limpios a nivel mundial.

Alternativas al Motor de Combustión

Si bien las tecnologías de control de emisiones para motores de combustión interna han avanzado enormemente, la solución a largo plazo para la contaminación vehicular y el cambio climático pasa por la transición hacia sistemas de propulsión alternativos, principalmente los vehículos eléctricos.

Vehículos Eléctricos (VE): Cero Emisiones en el Tubo de Escape

Los vehículos eléctricos (VE), ya sean 100% eléctricos (BEV) o híbridos enchufables (PHEV) en modo eléctrico, no emiten gases contaminantes directamente del tubo de escape. Esto representa una ventaja fundamental en términos de calidad del aire local, especialmente en entornos urbanos densamente poblados.

Sin embargo, es importante considerar el ciclo de vida completo de los VE, incluyendo la producción de la electricidad que los alimenta y la fabricación de las baterías. Si la electricidad proviene de fuentes renovables, el impacto ambiental global de los VE es significativamente menor que el de los vehículos de combustión interna. Si la electricidad se genera principalmente con combustibles fósiles, la ventaja ambiental se reduce, aunque sigue existiendo una mejora en la calidad del aire urbano y, en general, una mayor eficiencia energética.

Otras Alternativas: Hidrógeno, Combustibles Sintéticos y Biocombustibles

Además de la electrificación, se están investigando y desarrollando otras alternativas para la propulsión vehicular sostenible:

• Vehículos de Pila de Combustible de Hidrógeno (FCEV): Utilizan hidrógeno como combustible y generan electricidad a bordo a través de una pila de combustible, emitiendo únicamente vapor de agua como "escape". El hidrógeno puede ser producido de forma sostenible a partir de energías renovables, aunque actualmente la mayoría se obtiene a partir de gas natural. La infraestructura de repostaje de hidrógeno aún está en desarrollo.
• Combustibles Sintéticos (e-fuels): Combustibles líquidos producidos a partir de CO2 capturado del aire y hidrógeno verde (obtenido por electrólisis del agua con energías renovables). Estos combustibles pueden ser utilizados en motores de combustión interna existentes, ofreciendo una vía para descarbonizar el parque automovilístico actual. La producción de e-fuels es aún costosa y requiere grandes cantidades de energía renovable.
• Biocombustibles: Combustibles derivados de biomasa (materia orgánica de origen vegetal o animal). Los biocombustibles de primera generación (como el bioetanol y el biodiésel) pueden tener problemas de sostenibilidad y competencia con la producción de alimentos. Los biocombustibles de segunda y tercera generación (producidos a partir de residuos agrícolas, algas, etc.) ofrecen un mayor potencial de sostenibilidad, pero su producción a gran escala aún está en desarrollo.

Mantenimiento y Revisión Técnica

Es crucial realizar las revisiones técnicas periódicas y el mantenimiento preventivo para asegurar que los vehículos cumplan con las normas de emisiones. Durante la revisión técnica, se verifica el estado del motor, el sistema de escape y se realiza un análisis de gases para determinar si el vehículo cumple con los límites permitidos de contaminantes.

Entre los aspectos que se revisan en la revisión técnica se incluyen:

• El tren delantero y trasero
• Comprobar si hay o no fugas de lubricantes, líquido de frenos o refrigerante
• Verificar si los frenos están con sus mantenciones preventivas al día y que funcionen a la perfección
• Revisar si todas las luces funcionan; es decir, luces altas, bajas, los intermitentes, luces de reversa y frenos
• Contar con el kit de seguridad
• Tener todos los documentos del auto, principalmente el padrón y la revisión técnica anterior con su respectivo certificado de emisión de gases contaminantes

Consejos para Reducir las Emisiones de tu Vehículo

Además del mantenimiento regular, existen algunas prácticas que puedes adoptar para reducir las emisiones de tu vehículo:

• Revisa que tu auto esté en buen estado: Debes estar siempre pendiente del estado del motor de tu vehículo y particularmente de las emisiones que salen a través del tubo de escape.
• Sé ordenado al manejar: Esta es otra de las alternativas que existen para controlar las emisiones de tu vehículo, procura siempre viajar a una velocidad constante; sin frenar abruptamente, ni acelerar ni bajar la velocidad de manera brusca.
• Utiliza y equipa bien tu vehículo: No lo sobrecargues, en caso de no ser necesario, sobrecargar un vehículo o distribuir mal la carga puede incrementar el consumo de gasolina hasta más del 20%, ya que mientras más peso haya, más trabajo debe hacer el motor para mover todo lo que lleva encima.
• Prefiere el transporte público: Sabemos que es mucho más cómodo movilizarte en tu propio auto, sin embargo, si no es tan necesario para tu día a día, dale una oportunidad al transporte público. El carpooling es otra de las opciones eficientes para darle un buen uso diario a tu vehículo, puedes hablar con gente de confianza que se dirija hacia el mismo destino que tú, y coordinar para recogerlos y hacer el viaje juntos.

Estudio de Emisiones Contaminantes de un Motor de Gasolina

Un estudio planteado de Emisiones Contaminantes de un Motor de Gasolina Funcionando a dos Cotas con Combustibles de dos Calidades, busca determinar la relación entre la calidad de la gasolina que se expende en el Ecuador (octanaje), la presión atmosférica de las distintas regiones del país, a nivel del mar, y sobre los 2500 metros de altura. Se debe tomar en cuenta la condición de ajuste en la inyección de combustible que viene dada por los resultados del cálculo de la relación aire/combustible (A/C), con los datos del sensor de oxígeno (CISE, 2011), en condiciones de mezcla rica, el tiempo de apertura de los inyectores disminuye.

Cuando la altitud aumenta la masa de oxígeno disminuye, sin importar la temperatura ambiental (Lapuerta et al., 2006), influyendo en la relación A/C de tal modo que el incremento de altura determina un ángulo de encendido mayor (Bosch, 2002). De lo expuesto, tanto el ángulo de encendido y la altura son determinantes en el consumo de combustible, el par motor y los gases emitidos.

Se ha considerado las Normativas vigentes en el país como: el Reglamento Técnico Ecuatoriano RTE INEN 017: Control de emisiones contaminantes de fuentes móviles terrestres, del cual se definen las normas a seguir para motores de gasolina. Entre las que se encuentran las normas NTE INEN 2203: Medición de emisiones de gases de escape en motores de combustión interna; NTE INEN 2204: Gestión ambiental. Aire. Vehículos automotores. Límites permitidos de emisiones producidas por fuentes móviles terrestres de gasolina; y la norma NTE INEN 2349: Revisión técnica vehicular. Procedimientos.

Resultados del Estudio

En la Tabla 4, se presentan los datos de las pruebas realizadas en el Laboratorio del CCICEV, en la ciudad de Quito, con gasolina de 92 octanos a una altura aproximada de 2860 m.

En la Tabla 5, se presentan los resultados de las pruebas realizadas en el Laboratorio del CCICEV, en la ciudad de Quito, con gasolina de 87 octanos a una altura aproximada de 2860 m.

En la Tabla 6, se presentan los resultados de las pruebas realizadas utilizando los mismos equipos del CCICEV en la ciudad de Tonsupa, con gasolina de 92 octanos a una altura aproximada de 15 m.

En la Tabla 7, se presentan los resultados de las pruebas realizadas utilizando los mismos equipos del CCICEV en la ciudad de Tonsupa, con gasolina de 87 octanos a una altura aproximada de 15 m.

Se debe mencionar que la concentración másica de oxígeno en el aire admitido disminuye con la altitud (Lapuerta, 2006), en contraparte el incremento de la temperatura disminuye la densidad, pero como regla general la altura influye en mayor proporción (Aeronáutica, 2009), de esta manera a mayor altura se tendrá una presión inferior así como una densidad baja, adicionalmente la gradiente térmica influye en una disminución de temperatura a medida que se incrementa la altitud.

En la Figura 3 se nota claramente como los niveles de CO a altura aproximada de 2860 m son bastante mayores a los valores a nivel del mar.

En la Figura 4, se puede ver la diferencia entre las emisiones a 2860 m y las emisiones a nivel del mar; sin embargo, la más notoria diferencia es entre distintos combustibles a nivel del mar, siendo las emisiones para gasolina de 92 octanos mínimas, tendiendo a cero, mientras que las emisiones para gasolina de 87 octanos es la más alta medición.

Acorde al modelo del vehículo (año 2011), y al mínimo mantenimiento realizado en los sensores se puede establecer que el aumento sus valores de CO y HC (anormales) a altas revoluciones, se deben al inicio de un malfuncionamiento del sensor de presión absoluta, a pesar que los valores se encuentran dentro de los rangos permitidos por la norma NTE INEN 2204. Estas diferencias se dan cuando el sensor realiza una mala medición del diferencial de presión: atmosférica y de succión, como consecuencia de una pérdida de sensibilidad del sensor. Prueba de ello se puede apreciar que las variaciones de O2 y CO2 son relativamente inapreciables (Xunta de Galicia, 2015), como se muestra en las figuras 5, 6, 9 y 10.

En la Figura 5, se aprecia una clara diferencia entre las pruebas realizadas a 2860 m y las pruebas realizadas a nivel del mar, siendo los niveles de emisiones de estas últimas, claramente menores. Mientras que en la Figura 6, al aumentar las rpm, los niveles de CO2 son mayores al utilizar la gasolina de mayor octanaje, esto se debe a que su combustión es mejor, y las emisiones de este gas son mayores pero las de Monóxido de Carbono son menores.

En las figuras 7 y 8, tenemos una clara muestra que el mejor resultado se consiguió con gasolina de 92 octanos a nivel del mar, mientras que el peor resultado es el de la gasolina de menor octanaje a la misma altura; sin embargo, debe resaltarse que al aumentar la velocidad de giro del motor, los niveles de emisiones para gasolina de 97 octanos se triplican.

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