• Descripción del sistema
• Potencial de reducción de emisiones
• Confiabilidad técnica
• Consideraciones de costos
• Experiencias y penetración de mercado
• Desafíos

Los buses diesel convencional producen cantidades significativas de emisiones contaminantes -especialmente material particulado (MP) y óxidos de nitrógeno (NOx) - que causan un deterioro de la calidad del aire y que tienen como consecuencia impactos adversos en la salud pública. Para reducir estas emisiones, los buses diesel avanzados se están desarrollando con varias tecnologías de control de emisiones. El término "bus diesel avanzado" aquí se refiere a un bus que cumple, al menos, con los estándares de emisiones US 2004/ 2005 EU sin la necesidad de modificaciones (ver ( w1 ) )

Hay dos tipos de sistemas de componentes que permiten que los buses diesel avanzados produzcan menores emisiones de contaminantes que los buses diesel regular:

1. El sistema de combustión del combustible: tecnologías avanzadas se refieren a la optimización de la combustión, inyección de combustible mejorada y turbo-alimentadores de geometría variable ( w1 )

2. Dispositivos de control de emisiones de post- tratamiento, incluyendo:

• Filtros de particulado diesel (DPFs)
• Catalizadores de oxidación diesel (DOCs)
• Reducción catalítica selectiva (SCR)
• Adsorbedores NOx
• Recirculación de gases de escapes (EGR) que extraen una porción de los gases de escape y los usa para modificar el mismísimo proceso de combustión.

Los buses diesel avanzados pueden emplear diferentes combinaciones de ésos. La mayoría de las tecnologías mencionadas en el punto 2 pueden también ser aplicadas a los buses convencionales y se analizan con algún detalle en la sección bus modificado.

Las tecnologías arriba mencionadas requieren el uso de diesel de bajo azufre (LSD) para el rendimiento óptimo (para detalles, ver las secciones bus modificado o combustibles más limpios).

Los EE UU (US) y la Unión Europea (EU) están introduciendo, sucesivamente, estándares de emisiones para motores de vehiculos más estrictos. La tabla siguiente muestra los estándares respecto de los contaminantes más importantes, NOx y MP, para el calendario hasta el 2010 ( w2 ). Todas las pruebas se efectúan con el uso de un dinamómetro de motor.

Debiera observarse que debido a que las condiciones bajo las cuales estos estándares deben cumplirse (procedimiento de prueba) difieren en los EE UU y la EU, los valores abajo dados sólo proveen una impresión general de las exigencias legales, no una comparación exacta y directa.

Los fabricantes de motores diseñan motores con una serie de factores en mente, incluyendo costos, rendimiento, economía de combustible y emisiones, amén de otros. Diferentes motores, por lo tanto, mientras cumplan con los mismos estándares de emisiones (ejemplo, Euro V) pueden usar combinaciones muy diferentes de las medidas arriba mencionadas para conseguir el nicho de mercado de cada motor. Diferentes fabricantes pueden también emplear filosofías fundamentalmente diferentes, creyendo, por ejemplo, que ellos tienen una ventaja competitiva con una tecnología versus otra. En consecuencia, al considerar el análisis de las diferentes tecnologías de más abajo, el mensaje es que hay una variedad de tecnologías que han surgido y se han usado por los fabricantes para lograr las normas de emisiones que se aplican en el mercado donde el motor se ha vendido o se venderá. Algunas de estas tecnologías se describen más abajo.

Configurar la tasa de inyección es un modo de ajustar el evento de inyección de combustible para reducir la temperatura máxima sin impactos sobre el consumo de combustible. La configuración de la tasa de inyección es posible debido al control electrónico y los avances en los inyectores de combustibles que funcionan con electrónica.

Las técnicas incluyen el uso de una cantidad piloto de combustible antes del evento de inyección principal y dividir la inyección de combustible principal en dos o más eventos.La configuraciónde la tasa de inyección ha demostrado simultáneamente reducir el NOx en 20% y el MP en 50%, bajo ciertas condiciones de operación. Algunos métodos de inyección de combustible demostraron lograr una efectiva configuración de la tasa, incluyendo el conducto común (common-rail), la unidad inyectora accionada mecánicamente y controlada electrónicamente, y la unidad inyectora accionada hidráulicamente y controlada electrónicamente.

La Recirculación de Gases de Escapes (EGR) ha sido investigada intensivamente en años recientes, especialmente como un medio de cumplir con los proximos estándares de emisiones de los EEUU y Europa. EGR es la recirculación de una porción de gas de escape hacia la toma. Reduce la formacion de NOx en la cámara de combustión al diluir el aire con masa inerte (gas de escape recirculado), lo cual reduce las temperaturas máxima de llama cuando se inyecta combustible. Reducciones significativas de emisiones de NOx se han observado con el uso de EGR. Estudios de laboratorios han mostrado que la EGR puede reducir el NOx en 40-50 % en potencia nominal, con un impacto mínimo sobre el MP, y, por medio de mayores porcentajes en otras cargas, con algunos impactos sobre el MP. Estas reducciones dependen de la recirculación de una gran porción del escape, con la cantidad dependiendo de la velocidad y carga del motor. Los sistemas EGR se han usado en los Diesels de Carga Liviana durante muchos años.

Una avanzada técnica de combustión, todavía en desarrollo, para reducir emisiones externas del motor es la ignición de compresión de carga homogénea (HCCI). Los motores diesel convencionales usan un proceso de combustión de mezcla controlada , o difusión turbulenta, donde, en el golpe de compresión, el combustible se inyecta tarde dentro de aire comprimido, caliente, lo que produce autoignición. La tasa de combustión se controla por la tasa a la cual el combustible se puede mezclar con el aire, porque las tasa de reacciones químicas son más rápidas que las tasas de mezclas. La formación de NOx es alta en el lado débil de la flama, y la formación de MP es alta en el lado grueso de la flama. En HCCI, el combustible y el aire son premezclados antes del ingreso a la cámara de combustible. La ignición ocurre espontáneamente a través de la mezcla como resultado de la compresión. Este proceso produce ignición en un gran número de sitios a través de la cámara de combustión, eliminando virtualmente ambas zonas -gruesa y débil- que causan la formación de altos índices de NOx y MP.

Bajo cargas bajas y medias, datos preliminares han demostrado reducciones de NOx de 90% o más, comparadas a la combustión diesel convencional. La eficiencia térmica de HCCI ha mostrado ser comparable a aquella de la combustión diesel convencional, en cargas parciales. Desafios asociados a HCCI que actualmente se investigan, incluyen el control de iniciación de combustión y tasa, preparación efectiva de mezcla de aire y combustible, y lograr que el HCCI sea estable bajo cargas altas y plena potencia de salida. Es probable que desarrollos posteriores de sensores y controles por computador se necesiten para lograr el necesario control de combustión para el amplio rango de condicionesde operación que ocurren en la práctica.

Para cumplir con los estándares de emisiones en ruta del 2007 - 10 en EEUU, se hizo notar antes que dispositivos de post- tratamiento de NOx y de MP, serían necesarios para reducir las emisiones bajo los niveles alcanzables por medio de estrategias de modificación de motores. Una razón clave para no haber usado ya dispositivos de post-tratamiento de alta eficiencia es la falta de combustible de ultra bajo azufre en uso, necesario para asegurar la operación apropiada de los dispositivos de post-tratamiento y evitar la formación de sulfatos. Con la introducción del combustible diesel de 15 partes por millón de azufre en el año 2006 en los EEUU, los motores diesel equipados con dispositivos de post-tratamiento y EGR refrigerado serán más de un 90 % más limpios que los motores de hoy. El combustible diesel con un nivel máximo de azufre de 10 ppm estará ampliamente disponible a través de Europa hacia el 2005 y se usará exclusivamente antes del 2009.

Los dispositivos de post-tratamiento de NOx que están siendo desarrollados incluyen el catalizador NOx pobre, el adsorbedor de NOx, y reducción catalítica selectiva (SCR). Los catalizadores NOx pobres (sistemas activos con combustible diesel como reductor) han demostrado proveer hasta 30% de reducción de NOx bajo ciertas condiciones de operación, aunque sucede un incremento en el consumo de combustible, para proveer el reductor.

Los adsorbedores de NOx funcionan almacenando NOx bajo operaciones de motor diesel típicas (condiciones "pobres" ). Antes de que el adsorbedor de NOx se sature completamente, las condiciones de operación del motor y las proporciones de provisión de combustible se ajustan para producir una descarga rica en combustible, lo que reduce los NOx almacenados a N₂ no dañino. Los adsorbedores de NOx han demostrado reducir las emisiones de NOx por sobre el 90% en el combustible ultra bajo en azufre, bajo muchas condiciones transientes y permanentes, con algo de penalización de combustible. Los adsorbedores NOx tienen gran afinidad con el azufre, lo que puede desactivar los sitios de catalizadores activos y hacer que los adsorbedores sean menos eficientes a lo largo del tiempo. Sistemas de desulfuración adsorbentes de NOx, capas catalizadoras activas más resistentes al azufre, y otros métodos se desarrollan actualmente para mantener la alta eficiencia de los adsorbedores de NOx a lo largo de la vida útil del motor.

SCR se ha usado por muchos años en aplicaciones de fuentes estacionarias. Funciona inyectando amoníaco o úrea al flujo del escape en contracorriente de un catalizador para reducir las emisiones de NOx. Estudios han demostrado que el SCR puede reducir emisiones de NOx entre un 20% y 35% sobre el FTP momentáneo y en un 15% a 99% sobre los tests fuera de ciclo. Los principales problemas que rodean el uso de SCR son controlar la proporción de úrea introducida para maximizar las reducciones de NOx, sin ninguna "filtración de amoníaco" a través del catalizador, y asegurarse de que la úrea es apropiadamente reabastecida a través de la vida del vehículo para asegurar reducciones de emisiones.

Un dispositivo de post-tratamiento que se ha demostrado funcionar con alta eficiencia para la reducción del MPdiesel es el filtro de particulado diesel (DPF). En los últimos años, programas de testeo se han centrado en la eficiencia de reducción de emisiones y durabilidad de dos tipos de DPFs, el DPF catalizador y el DPFde regeneración contínua. En un programa, usando combustible con 54 partes por millón de azufre, el DPF redujo el MP en 87%, a un nivel de 0,008 g/bhp-hr, suficiente para cumplir con los estándares de MP US 2007 de camiones en ruta y ARB 2002 para buses de transporte público. Otro programa demostró que los camiones pesados modificados con DPFs y usando combustible con 7 partes por millón azufre, emitían menos MP en un 91% a 99%, comparados a los camiones que usan combustible diesel con azufre de 121 partes por millón y sin dispositivos de post- tratamiento de escapes.

En años recientes ha habido preocupación no sólo por la reducción de emisiones de masa de MP, sino que también por el número de partículas, especialmente aquellas de tamaño pequeño. Varios estudios ya han demostrado que los DPFs reducen el número de partículas en 1 ó 2 órdenes de magnitud, al igual que sustancialmente reducen las emisiones de masa.

Los estándares US 2004 de Carga Pesada bajan el NOx respecto de los niveles actuales, pero mantienen los estándares MP actuales. En consecuencia, los enfoques de los fabricantes para cumplir con los estándares 2004 se focalizan en inyección de combustible mejorada incluyendo configuración de la tasa de inyeccción, optimización de combustión, y, en algunos casos, recirculación de gases de escapes (EGR) - posiblemente con turboalimentación de tasa variable ( w1 ). Según EPA, "los fabricantes de motores podrían cumplir los estándares de emisiones 2004 con estrategias de control de motores" ( w3 ). Mientras hay otras tecnologías posibles que podrían emplearse en el 2007 - 10, las dos que aparecen con más posibilidades son los adsorbedores de NOx y los sistemas de filtro de particulado catalizado. Algunos fabricantes con base en Europa han señalado que se proponen usar la tecnología SCR.

Según el Clean Diesel Independent Review Panel, en estas tecnologías se están haciendo significativos progresos hacia la implementación exitosa del calendario 2007 - 2010. El Panel encontró que los filtros de particulado de diesel catalizado (CDPFs) están más maduros que los adsorbedores de NOx. De acuerdo al panel, los autobuses de transporte público, los buses de escuela y otros vehículos diesel se están modificando con CDPFs y otros filtros de particulados en los EE UU, y los CDPFs están siendo usados en Europa y otros lugares. Además, International Truck and Engine Company ya ha certificado un motor de carga semi-pesada equipado con CDPF al estándar de MP 2002, además del estándar de hidrocarburo 2002. Debiera observarse, sin embargo, que estos motores se limitan a aplicaciones de vehículos que se ajusten al adecuado perfil de temperatura de escape y usen sólo combustible de azufre 15-ppm . ( Ver Independent Review Panel )

En Europa, por otro lado, muchos fabricantes esperan cumplir los estándares EURO IV con los catalizadores de oxidación y sin el uso de filtros de particulados. Adicionales reducciones de NOx sólo se requerirán en Europa en el 2008. Para cumplir los estándares Euro V, los fabricantes europeos se están focalizando en el uso de SCR en vez de adsorbedores de NOx y mucho se espera que usen filtros de particulados, también. Una estrategia que se persigue intentaría minimizar emisiones de MP al exterior del motor y maximizar la economía de combustible, pero con altas emisiones de NOx fuera del motor. Los SCR muy eficientes necesitarían entonces cumplir los estándares NOx. Un camino alternativo sería minimizar las emisiones de NOx fuera del motor y confiar en filtros de particulados muy eficientes para reducir MP. Finalmente, es posible que se necesite una combinación de estas estrategias .

Los buses diesel en general pueden considerarse muy confiables. En 1996, el National Renewable Energy Laboratory (NREL) llevó a cabo un "Programa de Evaluación de Vehículos" para el Departamento de Energía de EE UU (DOE), usando un número de llamados de ruta para evaluar la confiabilidad como buses de varios vehículos a combustible alternativo ( 1 ). En este estudio los vehículos diesel en casi todas las pruebas en sitios tuvieron un promedio de menos de 0,2 llamados de ruta relacionados con sistemas de combustibles/motor por cada 1.000 vehículos, los que en todos los casos fueron menos que o (en un caso) igual a los vehículos de combustible alternativo.

Experiencias con la durabilidad de varios dispositivos de tratamiento pueden encontrarse en la sección de buses modificados. Debido a que los sistemas de motores avanzados sólo están entrando al mercado ahora (ver ( w4 )), su confiabilidad en el uso diario a largo plazo queda por evaluar.

En aplicaciones de modificación, los DPFs han demostrado un control de MP altamente eficiente y promesa de durabilidad en Europa, usando combustible ultra bajo en azufre.

Una estimación aproximada de los costos que aumentan al cumplir con los diferentes estándares de motores se puede ver en la tabla inferior. Debiera observarse que la experiencia típica ha sido que una y otra vez estos costos tienden a bajar a medida que los fabricantes se hacen más expertos al diseñar sus motores y las economías de escalas surten efectos.

Costos adicionales que deben considerarse incluyen inspección y mantención, penalización (o ganancia) de economía de combustible y combustible bajo en azufre. Los costos emergentes reales serán una operación de las aplicaciones y situaciones individuales. La US EPA estimó que costo adicional para el combustible de bajo azufre (15 ppm máximo comparado a 500 ppm máximo) en 4 - 5 centavos por galón. ( Para más estimaciones de costos de combustible de bajo azufre, ver Combustibles más Limpios.)

Los buses diesel avanzados, esto es, buses cuyos motores cumplen al menos los estándares US 2004/ EU 2005 o equivalentes, actualmente están entrando al mercado - ver ( w2 ). Respecto de experiencias con tecnologías individuales de post- tratamiento, por favor visite la sección bus modificado.

Aparte de los costos extras involucrados, el obstáculo principal para el uso efectivo de buses diesel avanzado es probable que sea la disponibilidad de diesel de azufre bajo, requerido para la operación adecuada de muchos dispositivos de control de emisiones.