NOX EMISSIONS FROM EURO IV/V VEHICLES IN BOGOTA S URBAN TRANSPORT SYSTEM 11

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1 EMISIONES DE ÓXIDOS DE NITRÓGENO EN VEHÍCULOS DIESEL EURO IV/V DE LA CIUDAD DE BOGOTÁ NOX EMISSIONS FROM EURO IV/V VEHICLES IN BOGOTA S URBAN TRANSPORT SYSTEM 11

2 Acevedo, Helmer1; Rojas, Nestor2; Belalcázar, Luis C. 2 1 Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá 2 Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá Autor de correspondencia: hracevedog@ unal.edu.co 12 RESUMEN La generación de material particulado secundario en la atmósfera por la presencia de óxidos de nitrógeno, en combinación con la radiación solar, constituye una fuente importante de emisión en ciudades de altura. La normatividad internacional restringió la emisión de óxidos de nitrógeno (NOx) en casi un 70% en los últimos años. Sin embargo, estudios recientes han mostrado que las emisiones de óxidos de nitrógeno de los vehículos en ruta, Euro IV o Euro V, pueden incluso llegar a ser mayores que sus predecesores. La Secretaría Distrital de Ambiente en conjunto con la Universidad Nacional de Colombia (Sede Bogotá) ha determinado los factores de emisión (FE) de varias tipologías de vehículos diesel con diferentes niveles de emisión (Euro IV y Euro V). ABSTRACT The generation of secondary aerosol in the atmosphere from nitrogen oxides, promoted by solar radiation, is a significant source of particulate matter in high altitude cities. International regulations have reduced NOx emissions from new vehicles by almost 70% in recent years. However, recent studies have shown that nitrogen oxide emissions from vehicles equipped with Euro IV or Euro V technologies can even become greater than their predecesors. The Secretaria Distrital de Ambiente and the Universidad Nacional de Colombia (Bogota) have determined the emission factors (EF) of various types of diesel vehicles with different emission levels (Euro IV and Euro V). PALABRAS CLAVES Óxidos De Nitrógeno, Euro IV/V, Emisiones De Motores Diesel. KEY WORDS Nitrogen Oxides, Euro IV/V, Diesel Engine Emissions.

3 1.INTRODUCCIÓN El 26% de las partículas de carbono de origen antropogénico provienen de las emisiones vehiculares, siendo el material particulado de los motores diesel, el más discutido (EMEP, 2006). Diversos autores han coincidido en la necesidad de determinar los factores de emisión (FE) de varias tipologías vehiculares basados en las concentraciones de la normativa Europea (Tzamkiozis, et al., 2010). Las emisiones sólidas de material particulado como las emisiones gaseosas generadas por los motores de combustión interna, incluidos los óxidos de nitrógeno (NOx), son de interés para las autoridades ambientales a nivel mundial. La Alcaldía de Bogotá, por medio de la Secretaria Distrital de Ambiente (SDA), promueve iniciativas orientadas en cuantificar la eficiencia energética y las emisiones actuales de las fuentes móviles de la ciudad, entre ellas los buses pertenecientes al Sistema Integrado de Transporte Público, SITP del servicio zonal y los vehículos articulados y biarticulados del servicio troncal. En la actualidad se acude a técnicas de control de emisión de NOx durante los procesos de combustión. Sin embargo la mayoría de estas técnicas reducen la temperatura de combustión aumentando las emisiones de hidrocarburos y de material particulado. Por esta razón, la tecnología para el post-tratamiento catalítico del NOX se sigue desarrollando. Los gases de escape del diesel poseen un exceso de oxígeno y son relativamente fríos, por lo que la oxidación catalítica del NOx es restringida. Las dos tecnologías más eficientes (EGR y SCR) usan aditivos en los gases de escape para actuar como agentes reductores. La reducción catalítica selectiva (SCR) usa amonio o urea inyectada en un metal precioso de catálisis (Stone, 1996). Lowell & Kamakaté (2012) asegura que las altas emisiones de NOx se deben a limitaciones en los procesos de homologación. Los inconvenientes actuales de los vehículos Euro IV y Euro V radican en los procedimientos de prueba de emisiones empleados para la homologación y en los requisitos de conformidad de los entes reguladores. Se espera entonces que la implementación de la norma de emisiones Euro VI permita desarrollar procedimientos de ensayo encaminados a la homologación del motor para abordar la conducción urbana de baja carga y las emisiones fuera del ciclo. Los cambios normativos mencionados obligarán a los fabricantes a mejorar el rendimiento de los sistemas SCR controlando la reducción de la temperatura garantizando así que los motores Euro VI homologados reduzcan las emisiones de NOx durante tráfico urbano. 2.MATERIALES Y METODOS PRUEBAS EN VEHÍCULOS La muestra de vehículos seleccionada para el presente estudio piloto, comprende cinco buses tipo padrón, cuatro articulados y dos biarticulados. Los prototipos se ilustran en la Figura 1. Los vehículos usados para las pruebas cumplen un rango de tecnologías disponibles en Colombia y pertenecen al Sistema de Transporte Público de la capital. A B Figura 1. Prototipos de los vehículos evaluados. (a) Vehículo articulado Euro IV, (b) Vehículo padrón Euro IV. En la campaña de medición con buses tipo padrón se consideraron vehículos híbridos en paralelo con motores diesel, con recuperación de energía durante el frenado y durante la marcha estable. Estos dos vehículos cumplen con la normatividad ambiental Euro IV y V y están equipados con un sistema de tratamiento de gases por reducción catalítica selectiva (SCR). De manera adicional, se realizaron mediciones en tres vehículos con motor diesel convencional. De éstos, dos más cumplen la norma ambiental Euro IV con motor diesel y sistema de tratamiento de gases de escape (SCR) y uno cumple con la norma ambiental Euro IV y un diseño de motor que incluye turbo cargador de geometría variable y recirculación de gases de escape (EGR). Finalmente, fue evaluado un vehículo con motor dedicado a gas natural que cumple con la norma ambiental Euro V EEV. 13

4 Cuatro vehículos articulados y dos biarticulados fueron sometidos a pruebas en ruta. Los buses articulados sencillos tienen una capacidad máxima de 160 pasajeros, 40 sentados y 120 parados, los buses biarticulados tienen una capacidad máxima de 240 pasajeros, 60 sentados y 180 parados. Las principales diferencias en la configuración mecánica de los vehículos residen en la posición del conjunto propulsor, en los buses Volvo el conjunto motor-transmisión está ubicado en el primer cuerpo del bus, en las marcas Scania y Mercedes Benz el motor, la transmisión está ubicada en el último cuerpo. Las características técnicas de los vehículos evaluados se muestran en la Tabla 1. Tabla 1. Tecnologías evaluadas en ruta Tipo de operación Encendido por compresión Híbrido Tipología Padrón Capacidad (pasajeros) Norma de Emision Sistema de control de emisiones Odómetro (km) Euro IV SCR 2420 Encendido por compresión Diesel Encendido por compresión Diesel Encendido por compresión Diesel Encendido por chispa Gas Natural Scania Padron Euro IV SCR 2998 Padron 80 Euro IV SCR 3076 Padron Euro IV Catalizador EGR Padron Euro V Catalizador 3560 Articulado Euro IV Catalizador 4300 Volvo Articulado Euro IV Catalizador Mercedes Benz Articulado Euro V Catalizador Volvo Articulado Euro V Catalizador Volvo Bi-Articulado Euro IV Catalizador Volvo Bi-Articulado Euro V Catalizador

5 COMBUSTIBLES Y LUBRICANTES Durante las pruebas en ruta se recolectaron muestras de combustible diesel para su posterior análisis fisicoquímico (Universidad Nacional de Colombia, 2012). Los resultados del análisis del combustible diesel utilizado para las pruebas se muestran en la Tabla 2. A pesar de que el contenido nominal de azufre del diesel distribuido en Bogotá está reportado por Ecopetrol como inferior a 50 ppm (Ecopetrol, 2012), todas las muestras analizadas tuvieron un contenido de azufre superior a este valor. Este resultado fue inesperado y genera preocupación si se considera que el contenido de azufre es uno de los parámetros de referencia más relevantes al introducir tecnología automotriz de alto desempeño y baja emisión al mercado nacional. Tabla 2. Contenido de azufre del Diesel analizado Tipo de Vehículo Muestra Método Resultado (mg/kg) Especificaciones* Padrón 001 ASTM D < ASTM D < ASTM D < ASTM D < ASTM D < ASTM D < ASTM D <50 Articulado 008 ASTM D ASTM D ASTM D ASTM D Biarticulado 012 ASTM D Biarticulado 013 ASTM D * Ley 1205 de CONDICIONES DE LAS PRUEBAS Los vehículos fueron evaluados bajo condiciones reales de tráfico, circulando durante varios días por la ruta definida y realizando detenciones de acuerdo con información publicada por la entidad encargada de la movilidad de la ciudad (Secretaría Distrital de Movilidad, 2012). Con las rutas ya seleccionadas se programaron los recorridos en los horarios establecidos. En cada recorrido se recolectaron datos de tiempo, velocidad, y posición en la ruta por medio de Sistema de Posicionamiento Global (GPS). La extracción de los datos se construyó a partir de los datos suministrados por GPS. Para la construcción de los ciclos de la cuidad, tanto para buses tipo padrón como para articulados y biarticulados, se empleó el método y el software desarrollado por la empresa Sistemas Sustentables (Rojas & Osses, 2003). Este método considera la dinámica de conducción mediante las variables: porcentaje del tiempo detenido, porcentaje del tiempo en operación, velocidad media, aceleración media y desaceleración media. A partir de los datos depurados, se construyó una matriz de frecuencias con todos los datos para cada categoría de vehículos (curva experimental o curva de operación) y se caracterizaron los microciclos de la curva experimental. En la Tabla 3, se presentan los parámetros más importantes de los ciclos de conducción estudiados y se comparan con ciclos internacionales normalizados (Hung, et al., 2007). El sistema para empleado consta de dos medidores de material particulado (Dekati ELPI PLUS, Dekati DMM-230), dos sistemas de dilución de gases (Dekati FPS4000 y ISSRC), un computador, un flujómetro, una bomba de vacío y conectores, principalmente. El sistema de medición de gases consta de un analizador de gases (Semtech-D y Semtech-G), un flujómetro, un GPS, un medidor de temperatura ambiente y humedad relativa, una fuente de poder, una batería de 12V, un computador, un compresor de nueve (9) CFM, sistemas de conexión y manta térmica. El sistema de suministro eléctrico consta de la unidad electrógena (5 KW) y cableado (Sensors, Inc., 2012). 15

6 Tabla 3. Tecnologías evaluadas durante las pruebas Parámetros Padrón Articulado- Biarticualdo FTP- 75 EURO- PEO ECE 15 Duración ciclo (s) Velocidad media de conducción (km/h) Aceleración media (m/s 2 ) Desaceleración media (m/s 2 ) Proporciones de tiempo en ralentí (%) Proporciones de tiempo de aceleración (%) Proporciones de tiempo de desaceleración (%) Proporciones de tiempo crucero (%) Coeficiente de correlación (R) 68% 78% - - Una vez terminadas las campanas de medición en cada uno de los vehículos, se efectuó el procesamiento de la información obtenida por test. La primera etapa del procesamiento consistió en unificar los datos obtenidos y revisar exhaustivamente los archivos, para procesarlos mediante el uso de una planilla Excel estandarizada (Sistemas Sustentables, 2012). Debido a retrasos entre los equipos, se efectuó un proceso de ajuste, que consiste en encontrar el offset adecuado entre cada una de las curvas utilizando un método de inspección visual. La interfaz permite visualizar los resultados globales obtenidos para un vehículo en particular, en este caso NOX. 3.RESULTADOS La Figura 2 ilustra la tendencia de los factores de emisión de NOx y MP obtenidos en ruta durante las pruebas experimentales efectuadas a los buses tipo padrón, articulados y biarticulados seleccionados previamente para el estudio piloto. Figura 2. Factores de emisión óxidos de nitrógeno (NOx) y material particulado (MP) obtenidos en ruta. (a) FE (g/km) en los cinco buses tipo padrón. (b) FE (g/km) en los seis buses entre articulados y biarticulados 16

7 BUSES TIPO PADRÓN Los factores de emisión estimados permiten comparar dos tecnologías de control de emisiones de NOx: la tecnología EGR y la tecnología SCR. Los factores de emisión del vehículo equipado con EGR fueron cerca de tres veces superiores a las de los vehículos equipados con sistema SCR, lo cual indica mayor efectividad del sistema SCR sobre el sistema EGR, con el beneficio adicional de evitar un aumento en las emisiones de hidrocarburos totales y monóxido de carbono, CO. El vehículo híbrido, también equipado con sistema SCR, presentó factores de emisión de NOx, 15% menores que los de los vehículos diesel con SCR, gracias a la acción del motor eléctrico. El vehículo a gas natural presentó los factores de emisión más bajos de óxidos de nitrógeno, apenas un 8% de las emisiones de un motor diesel convencional con SCR. Los niveles de NOx emitidos por los vehículos son superiores a los estipulados por la norma Euro V, excepto para el vehículo accionado con gas natural Esta condición es propia de los motores diesel, los cuales presentan niveles más elevados en emisión de este contaminante, respecto a motores encendidos por chispa. Al ser una condición propia de la tecnología, no sorprende que los niveles sean altos. No obstante, al comparar estas emisiones, respecto a la normatividad anterior, Euro IV, tampoco se cumple el estándar, luego en ningún vehículo diesel se logra alcanzar la normatividad que asegura el fabricante, efecto atribuible a las características ambientales propias de la ciudad de Bogotá. La Tabla 4 resume los resultados de esta tipología. Tabla 4. Factores de emisión (g/km) en buses padrón Emisión Euro IV Euro IV Euro IV Euro IV Euro V NOx Material Particulado ,09 0,02 Norma Euro NOx 0, , Material Particulado BUSES ARTICULADOS Y BIARTICULADOS Los factores de emisión de NOx en los buses articulados y biarticulados son uniformes, con excepción del vehículo Euro IV biarticulado, el cual presenta una emisión sensiblemente mayor. Tabla 5. Factores de emisión (g/km) en buses articulados y biarticulados Emisión Volvo Euro V Volvo Euro IV Volvo Euro V Mercedes Benz Euro V Volvo Euro IV Scania Euro IV NOx Material Particulado Norma Euro En referencia a los óxidos de nitrógeno, la norma Europea exige niveles máximos permisibles de 0.18 y 0.25 para Euro IV y Euro V respectivamente. Los factores de emisión específicos de ruta evaluados sobrepasan los valores permisibles contemplados como se explica en la Tabla 5. 17

8 4.CONCLUSIONES Se obtuvo de manera experimental factores de emisión de material particulado y emisiones gaseosas que incluían los óxidos de nitrógeno. Las campañas de medición fueron realizadas bajo condiciones de tráfico propias de la ciudad de Bogotá. Los resultados indican que las emisiones específicas a la ruta (g/ km) de la mayoría de los vehículos articulados y biarticulados evaluados (excepto Volvo Euro V) exceden los valores máximos permi- 6.REFERENCIAS Ecopetrol, (2012). Available at: Hung, W. y otros, (2007). Development of a practical driving cycle construction methodology: A case study in Hong Kong.. Transportation Research Part D: Transport and Environment, Volumen 12. Lowell, D. & Kamakaté, F., (2012). Urban off-cycle NOx emissions from Euro IV/V trucks and buses. Washington DC: ICCT. Rojas, D. & Osses, M., (2003). Determinación experimental de ciclos de conducción., s.l.: Universidad de Chile. Secretaría Distrital de Movilidad, (2012). Estudio de Movilidad del SITP, Bogotá: Imprenta Distrital. Sensors, Inc., (2012). Sensors Emissions Measurement Solutions.. [En línea] Available at: Sistemas Sustentables, (2012). Plantilla Excel, s.l.: Sistemas Sustentables. Stone, R., (1996). Introduction to internal combustion engines. s.l.:s.n. The European Monitoring and Evaluation Programme, (2006). Convention on Long-Range Transboundary Atmospheric Pollution, s.l.: UNECE/EMEP. Tzamkiozis, T., Ntziachristos, L. & Samaras, Z., (2010). Diesel passenger car PM emissions: From Euro 1 to Euro 4 with particle filter. Atmospheric Environment, Issue 44, pp Universidad Nacional de Colom- 18 bia, (2012). Informe de ensayo. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia. 5.AGRADECIMIENTOS Los autores del presente resumen agradecen la expresa participación de la Secretaría Distrital de Ambiente de Bogotá SDA, para llevar a buen término este proyecto.