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..QoC/) LOS COMBUSTIBLES PARA LOS

MOTORES CON BAJO NIVELDE EMISIONES

REDUCCiÓN DEL NIVEL DE EMISIONES EXPRESADO ENNÚMERO DE TRACTORES

15 MÁRQUEZ

combustible inyectado, ya quela inyección es volumétrica, loque significa un incremento dela potencia del motor. En gene­ral, las variaciones en la densi­dad de los combustibles sonpequeñas.

Es más importante lo quese relaciona con las tempe­raturas de vaporización delcombustible. Cuando el gasóleoofrece un punto de fin de vapo­rización (proceso de destilación)más alto (mayor temperatura),sus componentes menos vo­látiles no se queman bien, loque ocasiona escurrimientosdel gasóleo sin quemar hastael cárter, reduciendo la calidadlubricante del aceite, a la vezque aumentando la fraccióncarbonosa en las cámaras decombustión, sobre todo cuan­do el motor funciona a mediacarga. El comportamiento endestilación queda definido porel volumen de combustible (en%) que se ha destilado a unadeterminada temperatura.

Es frecuente, sin embargo,que los residuos carbonosos semantengan muy por debajo delos límites establecidos regla­mentariamente en los produc­tos que se comercializan, perohay que advertir de la dificultadpara utilizar gasóleos pesados(de calefacción) en motores dié­sel modernos. Los residuos decarbón son una referencia paramedir los que se depositarían

Tler 3 (2006): 6 Tler 4A (2011): 100

El primero de estos paráme­tros es la densidad. Esta den­sidad normalmente se expresaen g/cm3 o en kg/m3, y se deter­mina con el combustible a unatemperatura de 15°C. Permiteestablecer las equivalenciasentre el consumo de combus­tible en términos de masa (g/h)yen volumen (L/h). Con mayordensidad más será la masa de

de la entrada en vigor de los ni­veles IIIB y IV en las limitacionesestablecidas por la Unión Euro­pea para los vehículos extravia­rios, equivalentes a los nivelesTier 4i y 4 final de las normasamericanas de la EPA.

La necesidad de recurrir altratamiento posterior de los ga­ses de escape en su recorridodesde el motor hasta la atmós­fera, exige requisitos específicosa los carburantes, que tambiéndificultan el empleo de muchosde los de origen vegetal.

IParámetros que definenlas propiedades de loscombustibles

Tler 2 (2002): 4Tler 1 (1996): 1

La mejora de la calidad delos carburantes ha sidoesencial para aumentarlas prestaciones de los

motores, pero también parareducir las emisiones de gasescontaminantes que se producencon la combustión. Esto se hacomplicado como consecuencia

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en la cámara de combustión.El nivel de cenizas se definecomo el residuo obtenido en lacombustión libre del carbono,que puede ocasionar desgastescomo consecuencia de su sedi­mentación en el motor y en elturbocompresor (salida de ga­ses de escape)

Además, hay que conside­rar el contenido de sedimen­tos (suciedad en general), queson sustancias sólidas (pulveru­lentas) que producen desgastesen el sistema de inyección yenla cámara de combustión, y pér­dida de estanqueidad en el cie­rre de las válvulas. También uncontenido de agua demasiadoalto en el combustible favorecela corrosión, y hace que aparez­ca barro y sedimentos que sedepositan en los elementos decombustión y de inyección.

Con contenido en azufreelevado, a baja temperatura delos componentes, puede pro­ducir abrasión mediante corro­sión y afecta a la periodicidadde cambio del aceite del motor.Por el contrario, un contenidode azufre demasiado bajo pue­de empeorar la capacidad delubricación que proporciona elcombustible. Los catalizadoresque se utilizan para reducir lasemisiones de escape de los mo­tores pueden exigir niveles deazufre muy bajos, lo que obligaa añadir, en alternativa al azufre,mejoradores de la lubricidad. Pa­ra la medida de la lubricidad seha desarrollado el ensayo HFRR(High Frequency ReciprocatingWear Rig) que simula el desgas­te que se produciría en el pasodel combustible por una bombade inyección. Para ello se ejer­ce una presión constante sobreuna bola que se desliza por unaplaca de acero pulido; el achata­miento de la bola, después de75 minutos de acción, permitecalcular el desgaste medio (nor­ma EN-ISO 12156-1).

La viscosidad indica la ca­pacidad que tiene el combusti-

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ble para fluir por un orificio. Amedida que aumenta, la canti­dad de combustible que pasapor el conducto se reduce. Laviscosidad baja con el aumentode la temperatura y es importan­te, ya que afecta especialmenteal proceso de arranque. La vis­cosidad cinemática se expresaen mm 2/s a una temperaturadeterminada (1 mm2/s = 1 cSt- centistoke). Las diferenciasde viscosidad entre los com­bustibles de origen fósil son pe­queñas, pero en el caso de losaceites vegetales son mayoresy, por ello, uno de los factoreslimitantes. Para utilizar un com­bustible con alta viscosidad senecesita su calentamiento an­tes de la inyección.

El número de cetano infor­ma sobre la inflamabilidad delcombustible; está relacionadocon el intervalo de encendido,o tiempo transcurrido desde elmomento que se abre la válvu­la del inyector, dejando pasarel combustible a la cámara, yel instante en el que comienzala combustión del mismo. Esteintervalo de encendido es unfactor muy importante para elfuncionamiento del motor:• Si es demasiado largo, el com­

bustible pulverizado atraviesala cámara sin inflamarse, cho­cando con las paredes calien­tes, lo que da lugar a una peor

combustión y un aumento delhumo blanco en el escape,con bajada del rendimiento ysobrecarga mecánica y térmi­ca en el motor.

• Si es demasiado corto, seinflama en las proximidadesdel inyector, que se calienta yse cubre de carbón, lo que ala larga produce desviacionessobre el chorro de combusti­ble inyectado, modificando sutrayectoria normal dentro dela cámara, con una combus­tión incorrecta por escasez deoxígeno, produciéndose en elescape humos negros y demal olor.

El número de cetano se de­termina mediante la utilizaciónde un motor con característicasdefinidas por la correspondientenorma de ensayo. De forma al­ternativa se puede utilizar comoreferencia el índice de cetano,que se calcula a partir de los va­lores de densidad del combus­tible y de su comportamientoen destilación, que se conside­ra correlativo con el número decetano.

El valor calorífico inferiorindica la cantidad de calor quese puede conseguir al quemar 1kg de combustible. El punto deinflamación es un valor que sir­ve como referencia para advertirel riesgo de incendio, pero no

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tiene ninguna importancia conrespecto al funcionamiento delmotor. Se toma como referenciapara establecer limitaciones detemperatura para el transportey el almacenamiento del com­bustible.

El comportamiento en fríode los combustibles afecta alos motores, especialmente enel proceso de arranque. Así, elpunto de congelación indicala temperatura a la que el com­bustible deja de fluir movidopor la fuerza de la gravedadAdemás de la temperatura decongelación se definen otras,como la correspondiente alpunto de fluidez (Pour Point).que se encuentra aproximada­mente 3 oC por encima de lade congelación, y la del puntode enturbiamiento (Cloud Po­int), que es aquella en la que seaprecia la presencia de segre­gaciones sólidas (parafinas) enel combustible. El valor límitede filtrabilidad (CFPP) indica latemperatura en la que se pue­den producir la obstrucción defiltros y conductos.

El número de neutraliza­ción es un valor que indica elcontenido de ácidos en el com­bustible o en el biocombustible(biodiésel). Se define por la can­tidad de hidróxido potasio quehay que añadir para neutralizarlos ácidos que contiene. Loscompuestos ácidos en el com­bustible producen corrosión ydesgaste, con el aumento delos residuos que se depositanen el interior del motor.

El combustible para losmotores diésel, especialmentecuando se almacena duranteperiodos prolongados con cam­bios de temperatura, da lugara la condensación de agua quese mezcla con el combustible.Este agua favorece la corrosiónde los depósitos. Para evaluarlos límites establecidos en lasnormas técnicas, que sirven pa­ra definir las especificacionesde los combustibles, se utilizala inmersión en el combustible,a una temperatura de 50°C, deuna tira de cobre lijada durante 3horas. Esto sirve para definir elparámetro denominado 'corro­sión de cobre' que se incluyenen las tablas de característicasdel combustible

En el caso de que los com­bustibles se almacenen durantemucho tiempo, estos se puedenoxidar y polimerizar parcialmen­te, con la formación de grumosno diluibles que obstruyen losfiltros Por ello, la resistenciaa la oxidación es otro de losparámetros de referencia paragarantizar la calidad del com­bustible cuando se alargan losperiodos de almacenamiento.

En las especificaciones so­bre los combustibles es frecuen­te que se utilicen como unidadlas 'partes por millón' (ppm). Conella se describe la concentraciónen peso del componente Así, 1ppm (m/m) es igual a 1 mg/kg.

IEspecificacionestécnicas de los gasóleos

La Directiva 97/68/CE rela­tiva al control de las emi­siones de gases contami­nantes en el escape delos motores de máquinasmóviles (no de carretera),en la que se incluyen lostractores agrícolas, revi­sada según la Directiva2001/63/CE, incluye, ensu Anexo IV, las caracte­rísticas técnicas del com­bustible de referencia para

realizar las homologaciones ypara comprobar la conformidadde la producción.

Por otra parte, en los dife­rentes países de la UE se esta­blece en la legislación las espe­cificaciones técnicas de los pro­ductos petrolíferos comerciales.El Real Decreto 61/2006, de 31de enero, 'por el que se deter­minan las especificaciones degasolinas, gasóleos, fuelóleos ygases licuados del petróleo y seregula el uso de determinadosbiocarburantes' incluyen en susAnexos 1I y 111 las especificacio­nes de los denominados comogasóleo 'de automoción' (claseA), 'para usos agrícolas y maríti­mos' (clase B) y 'de calefacción'(clase C).

Siguiendo la misma clasifi­cación establecida por el Decre­to 2204/1975, las clases indica­das se diferencian así:• Gasóleo A: De mejor calidad,

gravado con la totalidad delimpuesto aplicable al petróleoy sus derivados.

• Gasóleo B: De la misma ca­lidad que el anterior, con pre­cio bonificado (reducción departe del impuesto). limitadopara usos agrícolas y pes­queros, con colorante rojo ytrazadores para controlar suempleo.

• Gasóleo C: De calidad ligera­mente inferior, y, por tanto, demenor precio, también sujetoa bonificación fiscal, apropia­do para generadores de calorde cualquier potencia, teñidode color azul y con trazadorespara controlar su empleo.

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CUADRO 1.- ESPECIFICACIONES DE LOS GASÓLEOS -. Tipo CE Reglamentación española

Características 97168/CE Gasóleo A Gasóleo 8 Gasóleo C

0.2

7.0

900

índice de cetanomínimo 45 46 46máximo 50 49

Densidad a 15°Cmínimo 835 820 820máximo 845 845 880

Destilación 95%máximo (OC) 370 360 370

Viscosidad a 40 oCmínimo 2.5 2.0 2.0máximo 3.5 4.5 4.5

Azufremáximo (%) 0.1-0.2 0.05 0.2

Entre todas las especifi­caciones establecidas para elcombustible que se utiliza enlas pruebas de homologaciónde motores, las más impor­tantes, por su influencia en elrendimiento del motor y en lasemisiones de escape, son lasque se incluyen en el cuadro 1,junto a las correspondientes delreglamento español.

Limitaciones en el índice decetano

La variación en el intervalode encendido (consecuencia delcambio en el índice de cetanodel carburante) influye de ma­nera fundamental en los arran­que en frío de los motores. Noobstante, el diseño de las cáma­ras de combustión afecta a larespuesta del motor frente a lavariación del índice de cetanodel combustible. Los motoresde inyección directa, que sonlos que en estos momentos seutilizan en la mayoría de los trac­tores agrícolas, resultan los másafectados por las variaciones delíndice de cetano.

Los fabricantes de motoresdiésel en Europa establecen pa­ra los motores extraviarías queel número de cetano sea supe­rior a 45. Con valores inferioresse suele producir humo blanco

en el escape, así como fallos enel encendido.

Una reducción del índicede cetano obliga a modificarlas regulaciones del sistemade inyección, especialmente elavance, y siempre reducirá elrendimiento de los motores, ano ser que se modifiquen parael nuevo índice de cetano. En elmercado americano se permi­te un índice de cetano mínimode 40, lo que exige cambiar laregulación de la inyección enlos motores. En cualquier caso,se recomienda que, para el in­vierno, el índice de cetano seasuperior a 40. La utilización decombustibles con bajos nive­les en el índice de cetano nogarantiza que se cumplan losniveles de emisión de gases enel escape.

Otras limitaciones deparámetros que afectan a losmotores

Pasar de clase 1 a clase 2en el nivel de corrosión, medidomediante el ensayo de la 'lámi­na de cobre' significa una mayoracción agresiva del combustiblesobre depósitos y conduccionesque estén en contacto con elgasóleo, lo que obligará a utili­zar materiales más resistentes.La agresividad es mayor cuando

se utilizan biocombustibles, yaque incorporan oxígeno en sumolécula

La inclusión en el combus­tible de trazas de cinc puedeprovocar depósitos en los in­yectores, especialmente cuan­do se trabajan con sistemas decommon rai! de muy alta pre­sión. Por ellos no se permitenlos recubrimientos de cinc enlos tanques, ni en las tuberíaspor las que circule el combus­tible. También se debe evitarel empleo de materiales concontenidos de cobre (tuberías,piezas de latón)

Por otra parte, las normaseuropeas (y nacionales de losdiferentes países) permiten uobligan a la incorporación deuna cierta cantidad de biodié­sel en el gasóleo. Lo normal esla incorporación de porcenta­jes con un máximo del 7% envolumen en la UE (norma EN590) y del 5% en USA (normaASTM 0975). Con la incorpo­ración de biodiésel al gasóleoéste se hace más agresivo, portratarse de un combustible oxi­genado; los motores modernosse preparan para esta posibi­lidad. Cuando los porcentajesde biodiésel aumentan (820 a8100) los motores deben estarespecíficamente preparadospara este combustible, y los

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- CUADRO 2.- ESPECIFICACIONES DEL GASÓLEO SEGÚN LA NORMA EN 590

Características Unidades Valor límite Norma de ensa o

índice de cetano min.51 EN 590min.46 EN-ISO 4264

Densidad a 15 oC ka/m3 820-845 EN-ISO 3675 v 12185Hidrocarburos oolicíclicos aromáticos % (m/m) máx.11 EN 12916Contenido de azufre ma/ka máx.10 EN-ISO 20846 ó 20847Punto de inflamación oC min.55 EN-ISO 2719Residuos de carbón (de 10% deresiduos de destilación) % (m/m) máx.0.30 EN-ISO 10370Contenido de cenizas % (m/m) máx.0.01 EN-ISO 6245Contenido de aaua ma/ka máx.200 EN-ISO 12937Suciedad aeneral ma/ka máx.24 EN 12662Corrosión del cobre (3 h a 50 OC) arado Clase 1 EN-ISO 2160Estabilidad oxidación a/m3 máx.25 EN-ISO 12205

h min.20 EN-ISO 15751Lubricidad 'WSD 1.4) a 60 oC um máx.460 EN-ISO 12156-1Viscosidad a 40 oC mm2/s 2.00-4.50 EN-ISO 3104Destilación EN-ISO 3405

- caotada a 250 oC % (VNl máx.65- caotada a 350 oC % (VNl min.85- 95 vol. % a: oC 360

Contenido de metil-ester (biodiésel) % (VN) 7 EN 14078Límite de filtrabilidad oC (*) EN 116(*) Establecido en cada país en función de la temperatura ambiente en cada época del año.

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tiempos de cambios de aceiteen el motor se reducen consi­derablemente.

ILimitaciones queimponen los sistemas detratamiento de los gasesde escape

Para reducir las emisionesde CO, HC, NOx y partículas enel escape de los motores, sehan tenido que incorporar cata­lizadores de diferente tipo, co­mo el DOC (catalizador diésel),el DFP (filtro de partículas) y elSCR (reducción catalítica coninyección de urea)

En estos elementos seproducen reacciones acelera­das por compuestos químicosespecíficos que actúan comocatalizadores, que pueden serafectados en el proceso cata­lítico, o en la regeneración delcatalizador, por la presencia deelementos como el fósforo y elazufre en el combustible utiliza­do por el motor. Asimismo debeevitarse la presencia de calcio,

magnesio, sodio y potasio queacompañan a algunos combus­tibles, especialmente de origenorgánico.

Las especificaciones esta­blecidas en los combustiblespara el ensayo de los motoresque cumplen los límites de emi­siones en gases de escape co­rresponden a la norma EN 590(Cuadro 2).

Si se superan los límitesestablecidos, especialmenteen lo que respecta al azufre,no se pueden garantizar quese cumplan los límites fijadospara las emisiones, ni la vidaútil de los sistemas de trata­miento posterior de los gasesen el escape.

Los combustibles con uncontenido de azufre de másde 0.5% (m/m) (5000 mg/kg)obligan a cambiar el aceite delos motores con intervalos máscortos y no se pueden utilizar enmotores que cumplan los nive­les de emisiones IIIB (o Tier 4i).Los que contienen más del 1%(m/m) de azufre provocan en

los motores una gran corrosión,con fuerte reducción de su vidaútil, por lo que no se consideranaptos. La regeneración de loscatalizadores DPF (filtro de par­tículas) se puede ver afectadasin las cantidades de azufre pre­sente en el combustible superalos 15 mg/kg.

Por otra parte, un conteni­do de azufre bajo «500 mg/kg)puede provocar problemas dedesgaste por baja lubricidad.Los combustibles con bajo con­tenido de azufre «50 mg/kg) oexentos de azufre «15 mg/kg ó<10 mg/kg). si cumplen la normaEN 590 se garantiza la suficientelubricidad, conseguida mediantela incorporación de aditivos.

El biodiésel, conforme a loque especifica la norma de ca­lidad para este combustible (EN14214). puede contener hasta 5mg/kg de sodio+potasio. Unacantidad superior dañaría loscatalizadores SCR (inyecciónde urea), lo que obligaría a unasustitución periódica del mis­mo.•

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