universidad de chile facultad de ciencias físicas y matem ´aticas

UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
ANÁLISIS Y CUANTIFICACIÓN DE MATERIAL PARTICULADO DIESEL:
CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA DE PARTÍCULAS ULTRAFINAS Y
MODELACIÓN DE EMISIONES PRODUCIDAS POR VEHÍCULOS FUERA DE RUTA
TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAGÍSTER EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
MENCIÓN MECÁNICA EN MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO
CIVIL MECÁNICO
FELIPE ALEJANDRO SOTO BARRALES
PROFESOR GUÍA:
SR. MAURICIO OSSES ALVARADO
MIEMBROS DE LA COMISIÓN:
SR. ALEJANDRO ZÚÑIGA PÁEZ
SR. MARCELO FERNÁNDEZ GÓMEZ
SR. RAÚL O‘RYAN GALLARDO
SANTIAGO DE CHILE
MAYO 2008
RESUMEN DE TESIS PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL MECÁNICO Y MAGÍSTER EN
CIENCIAS DE INGENIERÍA, MENCIÓN MECÁNICA
POR: FELIPE ALEJANDRO SOTO BARRALES
FECHA: 30/05/2008
PROF. GUÍA: MAURICIO OSSES ALVARADO
“ANÁLISIS Y CUANTIFICACIÓN DE MATERIAL PARTICULADO DIESEL:
CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA DE PARTÍCULAS ULTRAFINAS Y MODELACIÓN
DE EMISIONES PRODUCIDAS POR VEHÍCULOS FUERA DE RUTA”
Las emisiones antropogénicas de contaminantes son producidas por fuentes móviles, fijas, residenciales
y areales. Esta tesis aborda las emisiones atmosféricas desde la perspectiva de las fuentes móviles, con un
especial énfasis en la cuantificación y modelación de MP diesel.
Este trabajo tiene dos objetivos principales vinculados entre sı́, el primero es evaluar la factibilidad
técnica de utilizar microscopı́a electrónica de transmisión como herramienta de análisis fisicoquı́mico para
partı́culas diesel ultrafinas. En segundo lugar, desarrollar un modelo de cálculo de emisiones para maquinaria
diesel fuera de ruta que opera en la Región Metropolitana.
En una primera fase, para la caracterización fisicoquı́mica de MP ultrafino, se diseñó una metodologı́a
de toma de muestras en camiones, utilizando un dinamómetro de chasis que simula el ciclo de conducción
tı́pico de Santiago. Para capturar las partı́culas se utilizaron tres tipos de grillas (pelı́cula de C, Lacey de
SiO y pelı́cula de C con orificios), las que fueron analizadas por medio de un microscopio electrónico de
transmisión. En una segunda fase, para el modelo de cálculo de emisiones en maquinaria diesel fuera de ruta,
se obtuvo información sobre el nivel de uso y número de máquinas presentes en la Región Metropolitana.
A partir del modelo de emisiones desarrollado, se realizó un análisis de sensibilidad para obtener rangos de
R
variabilidad de las emisiones aplicando el software Analytica.
Se determinó una metodologı́a para toma de muestras de partı́culas ultrafinas, que fue la base para una
eficaz caracterización fisicoquı́mica de nanopartı́culas que se realizó mediante el método de muestreo de una
grilla de carbono con orificios, la cual tuvo el mejor desempeño en captación y análisis de MP. Por otro lado,
en el caso de la modelación, se determinó que las emisiones de MP del sector se encuentran en un rango que
fluctúa entre 8 y 357 [t/año] con un promedio estimado de 55 [t/año], donde sólo cuatro de un total de quince
tipos de máquinas son responsables del 80 % de estas emisiones.
A partir de los resultados encontrados, fue posible obtener y caracterizar el MP diesel ultrafino, metodologı́a
que es factible de ser utilizada en otro tipo de vehı́culos. Además, la modelación de la maquinaria fuera de
ruta permitió determinar el grupo crı́tico con mayores emisiones de MP, ası́ como sus principales variables
asociadas.
Índice General
Índice de Figuras
I
Índice de Tablas
IV
1. Introducción
1.1. Motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
2
3
2. Caracterización fı́sico-quı́mica de material particulado diesel
2.1. Antecedentes teóricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Metodologı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Resultados y discusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
6
36
55
3. Modelación de emisiones para vehı́culos fuera de ruta
3.1. Antecedentes especı́ficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Metodologı́a para estimación de emisiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Resultados y discusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
70
80
97
4. Conclusiones
4.1. Conclusiones generales . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Caracterización de material particulado . . . . . .
4.3. Modelación de emisiones de vehı́culos fuera de ruta
4.4. Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bibliografı́a
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
106
106
107
107
108
110
A. Caracterización fı́sico-quı́mica de MP
A-1
A.1. Flota de camiones utilizada en análisis de material particulado . . . . . . . . . . . . . . . . A-1
A.2. Recomendaciones en el uso de grillas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3
B. Modelación de emisiones de vehı́culos fuera de ruta
B-1
B.1. Regulación ambiental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-1
B.2. Estados Unidos -EPA- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-5
B.3. Cálculo de emisiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-20
Índice de Figuras
2.1. Estructura de partı́culas de carbono primario [9]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
2.2. Distribución de tamaño, número, área de superficie y masa para emisiones [19]). . . . . . . .
22
2.3. Esquema de MP diesel [9]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
2.4. Esquema de principales partes de TEM. Elaboración propia . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
2.5. Señal generada cuando los electrones interactúan con la muestra. [21]). . . . . . . . . . . .
29
2.6. Diagrama de lentes/aperturas utilizados en combinaciones para producir los campos.[21]). .
31
2.7. Mecanismo de contraste por masa en imágenes de campo brillante . [21]). . . . . . . . . . .
32
2.8. Ciclo de conducción para camiones livianos [24]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
2.9. Ciclo de conducción para camiones medianos [24]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
2.10. Ciclo de conducción para camiones pesados [24]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
2.11. Figura grilla-fitro-porta-filtro. 3CV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
2.12. Pinzas para manejo de grillas de Carbono [25]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
2.13. Pantalla principal de interfaz de programa para análisis de imágenes por microscopia [21]. .
51
2.14. Imagen de pantalla GATAN [21]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
2.15. Capas de grilla. [25]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
2.16. Secciones de grilla de carbono [25]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
2.17. Configuración de grillas tipo-A (finas y ultrafinas) [25]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
2.18. Partı́cula diesel [grilla de C] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
2.19. Partı́cula diesel [grilla de C] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
2.20. Partı́cula diesel [grilla de SiO] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
2.21. Partı́cula diesel [grilla de SiO] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
2.22. Partı́cula diesel [grilla de SiO] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
I
2.23. Partı́cula diesel [grilla de SiO] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
2.24. Partı́cula diesel [grilla de SiO] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
2.25. Partı́cula diesel [grilla de SiO] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
2.26. Partı́cula diesel [grilla de SiO] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
2.27. Partı́cula diesel [grilla de SiO] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
2.28. Partı́cula diesel [grilla de pelı́cula de C] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
2.29. Partı́cula diesel [grilla de pelı́cula de C] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
2.30. Partı́cula diesel [grilla de pelı́cula de C] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
2.31. Partı́cula diesel [grilla de pelı́cula de C] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
2.32. Morfologı́a interna de material particulado.[29] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
2.33. Estructura interna multinúcleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
2.34. Estructura interna, mononúcleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
2.35. Partı́cula diesel, grilla SiO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
2.36. Caracterización quı́mica, figura 2.35 [grilla SiO] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
2.37. Partı́cula diesel, grilla SiO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
2.38. Caracterización quı́mica de partı́culas diesel, grilla SiO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
3.1. Normativa de emisiones para vehı́culos fuera de carretera de la EPA y EU. [35]). . . . . . .
73
3.2. Normativa de emisiones TIER I-IV. [35]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
3.3. Máquinas consideradas para el modelo de emisiones. [37]). . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
3.4. Máquinas consideradas para el modelo de emisiones. Elaboración propia . . . . . . . . . . .
82
3.5. Principales distribuciones de probabilidad. [38] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
92
3.6. Modelo de cálculo para emisiones de maquinaria. Elaboración propia . . . . . . . . . . . .
94
3.7. Pantalla de entrada a tabla de probabilidad. Elaboración propia . . . . . . . . . . . . . . . .
95
3.8. Pantalla de ingreso de parámetros de distribución a Analytica. Elaboración propia . . . . . .
95
3.9. Pantalla de cálculo final del programa Analytica. Elaboración propia . . . . . . . . . . . . .
96
3.10. Comparación porcentual de emisiones para cada maquinaria.Elaboración propia. . . . . . .
98
3.11. Gráfica comparativa emisiones inventario 2005 y Modelo. Elaboración propia. . . . . . . . . 100
3.12. Comparación de análisis para emisiones HC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
II
3.13. Comparación de análisis para emisiones CO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.14. Comparación de análisis para emisiones NOx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.15. Comparación de análisis para emisiones MP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
A.1. Valores de aceite lubricante comercial. Fuente: Wear Check. . . . . . . . . . . . . . . . . . A-2
B.1. Diferencia de emisiones de material particulado para dos combustibles con diferente contenidos de azufre. [32]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-20
B.2. Factor de ajuste transiente por tipo de equipo Nonroad (CI). Equipos de construcción [32]). . B-21
B.3. Factor de ajuste transiente por tipo de equipo Nonroad (CI). Equipos Agrı́colas [32]). . . . . B-22
B.4. Porcentaje de emisiones de Hidrocarburos para maquinaria fuera de ruta. Elaboración propia. B-35
B.5. Porcentaje de emisiones de Hidrocarburos para maquinaria fuera de ruta. Elaboración propia. B-36
B.6. Porcentaje de emisiones de Hidrocarburos para maquinaria fuera de ruta. Elaboración propia. B-36
B.7. Porcentaje de emisiones de Hidrocarburos para maquinaria fuera de ruta. Elaboración propia. B-37
III
Índice de Tablas
2.1. Relación área/superficie por tamaño partı́cula.[9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.2. Factores de emisión de dioxinas [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
2.3. Composición elemental para motores HFO y HA HFO [18]. . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.4. Composición elemental de aceites lubricantes [18] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
2.5. Lı́mites de desgaste motor diesel [ppm](Fuente: Lab. tribology) . . . . . . . . . . . . . . . .
20
2.6. Caracterı́sticas de gases, partı́culas de aerosol y partı́culas de hidrometeoros ( [20]). . . . . .
25
2.7. Categorı́as de vehı́culos de carga ( [24]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
2.8. Camiones seleccionados a laboratorio 3CV [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
2.9. Camiones medidos con utilización de grillas [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
2.10. Ventajas y desventajas en utilización de grillas.Elaboración propia. . . . . . . . . . . . . . .
58
3.1. Maquinaria utilizada con motores de compresión dividida por potencia [30]. . . . . . . . . .
72
3.2. Maquinaria con motores a gasolina [30]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
3.3. Normativas motores diesel fuera de ruta. [31] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
3.4. Caracterización de número de máquinas en la Región Metropolitana (Elaboración propia). .
77
3.5. Nivel de actividad maquinaria fuera de ruta ([37]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
3.6. Factores de emisión ([37]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
3.7. Resumen de emisiones de MP, CO, HC y NOx inventario 2005 ([11]). . . . . . . . . . . . .
79
3.8. Factor de deterioro (A) para motores diesel fuera de ruta. [32] . . . . . . . . . . . . . . . .
84
3.9. Valores utilizados para factor de carga y potencia, según tipo de maquinaria. [33] . . . . . .
84
3.10. Resumen de factores de ajuste transiente. [32] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
3.11. Resumen de ajuste MP10, dado el nivel de S de R.M.[32] . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
3.12. Máquinas utilizadas en análisis (Elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
IV
3.13. Nivel de actividad dividido por rubro y uso. B.3.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
3.14. Nivel de actividad dividido por rubro y por uso.(Elaboración propia) . . . . . . . . . . . . .
87
3.15. Nivel de actividad dividido por rubro y por uso.(Elaboración propia) . . . . . . . . . . . . .
88
3.16. Nivel de actividad dividido por rubro y por uso.B.3.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
3.17. Tipo de distribución para variables aleatorias. Elaboración propia . . . . . . . . . . . . . . .
94
3.18. Emisiones de HC, NOx, MP y CO para fuera de ruta (Elaboración propia) . . . . . . . . . .
97
3.19. Número de máquinas en R.M. (Elaboración propia) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
3.20. Comparación de emisiones modelo e inventario 2005(Elaboración propia) . . . . . . . . . .
99
3.21. Análisis de sensibilidad determinı́stico (Elaboración propia) . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.22. Cálculo de emisiones probabilı́sticas (Elaboración propia) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
A.1. CAMIONES SELECCIONADOS A LABORATORIO 3CV(Fuente: UNTEC) . . . . . . . . A-1
A.2. Clasificación de grillas por uso(Fuente: UNTEC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3
B.1. Estándar de emisiones Unión Europea (Fase I y Fase II)( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . B-2
B.2. Estándar de emisiones Unión Europea (Fase III y Fase IV) ( [31]). . . . . . . . . . . . . . . B-3
B.3. Fases III A, III B y IV para un motor C.I.( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-3
B.4. Estándar de emisiones ( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-4
B.5. Clase principal pequeños: Potencia ≤ 19kW( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-4
B.6. Estándar de emisiones ( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-5
B.7. Periodo de durabilidad de emisión y factor de deterioro ( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . B-5
B.8. Estándar de emisiones ( [39]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-6
B.9. Emisiones para cada potencia Serie de cielo azul( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-8
B.10. Estándar de emisiones ( [39]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-9
B.11. EPA 96- Tier 1 calendario inicial ( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-10
B.12. EPA 98. Reglas para Tier 1 -Tier 2 - Tier 3 ( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-10
B.13. Vida de uso del motor( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-11
B.14. Normativa asociada a Tier 4( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-11
B.15. EP < 19 [kW]( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-12
B.16. 19 ≤ EP < 37( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-12
V
B.17. 37 ≤ EP < 56( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-12
B.18. 56≤ EP < 130( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-12
B.19. 130 ≤ EP < 560( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-13
B.20. EP > 37( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-13
B.21. Clases de motor ( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-13
B.22. Fase I estándar( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-14
B.23. Fase II estándar( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-14
B.24. Fase II estándar(( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-14
B.25. Fase II estándar(( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-14
B.26. Normativa de grandes motores de ignición por chispa ( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . B-15
B.27. Motocicletas, vehı́culos todo terreno y utilitarios( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-16
B.28. Calendario de normativas( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-17
B.29. Requerimientos de la serie “cielo azul” ( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-17
B.30. Normativa grandes motores S.I.( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-18
B.31. Motocicletas( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-18
B.32. Requerimientos evaporativos( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-18
B.33. Estándar de emisión 2006( [31]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-19
B.34. Nivel de actividad maquinarı́a fuera de ruta( [37]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-23
B.35. continuación...( [37]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-24
B.36. Factores de emisión( [35]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-25
B.37. Factores de emisión( [37]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-26
B.38. continuación...( [37]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-27
B.39. Nivel de actividad cargador frontal-minicargadores(Elaboración propia). . . . . . . . . . . . B-28
B.40. Nivel de actividad Bulldozer-Tractor(Elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-28
B.41. Nivel de actividad Retroexcavadora-excavadora(Elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . B-29
B.42. Nivel de actividad Compactador-Asfaltadora-motoniveladoras(Elaboración propia). . . . . . B-29
B.43. Nivel de actividad Cargadores frontales-Minicargador(Elaboración propia). . . . . . . . . . B-30
B.44. Nivel de actividad Bulldozer-Tractor(Elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-30
B.45. Nivel de actividad Retroexcavadora-excavadora(Elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . B-31
VI
B.46. Nivel de actividad Compactador-Asfaltadora-motoniveladoras(Elaboración propia). . . . . . B-31
B.47. Nivel de actividad Cargadores frontales-Minicargador(Elaboración propia). . . . . . . . . . B-32
B.48. Nivel de actividad Bulldozer-Tractor(Elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-32
B.49. Nivel de actividad Retroexcavadora-excavadora(Elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . B-33
B.50. Nivel de actividad Compactador-Asfaltadora-motoniveladoras(Elaboración propia). . . . . . B-33
B.51. Valores aleatorias para emisiones de NOx y CO. Elaboración propia . . . . . . . . . . . . . B-34
B.52. Valores aleatorias para emisiones de MP y HC. Elaboración propia . . . . . . . . . . . . . . B-34
VII
Notación
Abreviatura
Descripción
3CV
CH4
CO
CPC
CV S
DPM
EPA
FEG
HC
HRT EM
NOx
NMHC
PAH
PPDA
R.M.
SiO
SO2
SOF
SOx
T EM
T MP
VOF
Centro de Control y Certificación Vehicular
Metano
Monóxido de carbono
Sistema de contador de partı́culas condensadas.
Equipo de muestreo a volumen constante
Material particulado diesel
Agencia de protección del medio ambiente de Estados Unidos
Campo de emisión del cañón
Hidrocarburos
Microscopio electrónico de transmisión de alta resolución
Óxidos de nitrogeno
Nometanos Hidrocarburos
Aromáticos polinucleares de hidrocarburo
Plan de prevención y descontaminación de la R. M.
Región Metropolitana
Óxido de silicio
Dióxido de azufre
Fracción orgánica soluble
Óxidos de azufre (Termino general)
Microscopio de transmisión electrónica
Material particulado total
Fracción orgánica volátil
Capı́tulo 1
Introducción
Cada semana la población de las áreas urbanas aumenta en un millón de personas. En los próximos
tres años la mitad de la población del mundo vivirá en este tipo de áreas. Para 2015, las Naciones Unidas
proyectan que existirán 21 “mega ciudades” de, por lo menos, 10 millones de personas.[1]
Nuestra realidad como paı́s, y en especial la Región Metropolitana, no está alejada de tales escenarios,
ya que se tiene una población estimada de 6.527.903 habitantes al año 2005 (Censo 2002), lo que representa
el 40 % de la población nacional concentrada en una región [2]. Tales niveles de sobrepoblación acarrean
diferentes problemas, principalmente en calidad de vida, salud y medio ambiente. Y es sobre este último
punto donde se ha trabajado con un programa de gestión ambiental desde 1997 denominado “Plan de Prevención y Descontaminación Atmosférica de la Región Metropolitana (PPDA)”, cuyo objetivo es lograr el
cumplimiento de normas de calidad del aire, y con ello, proteger la salud de los habitantes en la región
y, en forma indirecta, mejorar la calidad de vida de los capitalinos. Gran parte de estas medidas han ayudado a reducir, de manera gradual y sistemática, los altos niveles de contaminación durante la última década. [3]
Aunque se han observado ciertas disminuciones en la cantidad de episodios crı́ticos en la región, a la
fecha no se ha producido un comportamiento tendiente a la disminución. Es por esto, que se hace necesario abocar los esfuerzos en medidas que disminuyan las emisiones de aquellos contaminantes con mayor
repercusión en la salud de las personas, como es el caso de partı́culas finas y ultrafinas. En la actualidad se
ha determinado que las partı́culas de menor tamaño traspasan fácilmente todos los filtros que posee nuestro
cuerpo, ingresando directamente a los alveólos pulmonares o, en el peor caso, directamente a la sangre. Por
lo tanto, es imprescindible determinar las propiedades y caracterı́sticas de tales partı́culas en nuestra región.
1
1.1.
Motivación
Cada fenómeno que nos rodea se ve expuesto a particularidades, dependiendo de la zona en que se
produce, acentuándose sobre todo en los análisis cientı́ficos y, en particular, en el caso de las emisiones
vehiculares, ya que éstas varı́an tanto por las instrumentaciones como por las condiciones ambientales predominantes. Estas últimas constituyen un factor fundamental para el caso de la contaminación que se produce
en regiones con problemas de ventilación como es la Región Metropolitana. Se hace imprescindible contar
con información de las emisiones que se producen, permitiendo clarificar los flancos en que pueden atacarse
y que éstas disminuyan en forma significativa. Como el problema de las emisiones no es un problema puntual
y simple sino, por el contrario, de un alto grado de complejidad para abordarlo por una sola vı́a. Se Abordará desde una perspectiva particular referida al análisis de MP ultrafino y otra general, que estimará las
emisiones de la maquinaria fuera. Dos enfoques que permitirán tener una visión completa de la contaminación atmosférica que nos afecta.
Producto de lo anterior, se deberán abocar los esfuerzos a conocer los contaminantes de mayor relevancia, como son los denominados contaminantes criterio. Dentro de ellos el MP es uno de los más peligrosos,
dado sus conocidos efectos adversos en la salud -relacionado a un menor tamaño-, y que más se ve afectado
por las condiciones reinantes, como lo plantean los estudios que servirán como base para el presente trabajo. Tales estudios presentan escasa relación con nuestras condiciones, haciendose indispensable determinar
las caracterı́sticas propias de las partı́culas presentes en la Región Metropolitana, ya que caracterı́sticas como la forma y composición quı́mica de las partı́culas tienen importantes repercusiones en la salud humana.
Condiciones particulares que, a la vez, están ı́ntimamente ligadas a la composición de los combustibles y
lubricantes que se utilizan en nuestro paı́s.
Para realizar el análisis de las partı́culas ultrafinas, será necesario utilizar dos herramientas de gran potencialidad. La primera corresponde al dinamómetro de chasis utilizada junto a un sistema de dilución de gases
emplazado dentro del laboratorio de vehı́culos pesados del Ministerio de Transportes, el cual permite la toma
estándar de muestras de MP. Luego de la obtención de las partı́culas mediante la utilización del dinamómetro
se utilizará el microscopio de alta resolución (TEM), emplazado en la Universidad de Chile, para el análisis
de las partı́culas. El cual representa un importante desafı́o en sus usos y potencialidades asociadas.
Por otra parte, se espera visualizar desde otra perspectiva el problema de las emisiones, para lo cual,
se abordará el cada vez más importante problema de la maquinaria fuera de ruta. El sector de la maquinaria
fuera de ruta presenta escasa información, ya que, por ejemplo, sólo se contabilizan 759 tractores agrı́colas, siendo que se está en condiciones de determinar un número mucho mayor de máquinas, y de diferentes
tipos. Se hace imprescindible tener una estimación argumentada sobre las emisiones del sector, pretendiendo, en primer lugar, realizar una caracterización básica del parque; para luego realizar proyecciones tanto del
número de máquinas como de las emisiones asociadas, lo que podrı́a llegar a ser la base de una regulación o,
simplemente, la primera aproximación seria al problema.
2
1.2.
Objetivos
Las emisiones de contaminantes, especı́ficamente las de material particulado, pueden generar problemas
en la salud de las personas en particular en los grupos de población más sensible a la contaminación atmosférica como son los niños, ancianos, enfermos crónicos y mujeres embarazadas [4]. La contaminación
atmosférica es producida principalmente por fuentes móviles, fijas (industrias), residenciales (hogares) y
areales (quemas agrı́colas, aguas servidas, etc.).
En esta tesis se abordarán las emisiones atmosféricas desde la perspectiva de las fuentes móviles, a
través de (1) la caracterización del material particulado ultrafino (<5[nm]) producido por los motores diesel;
y (2) del desarrollo de un modelo general de emisiones para el sector de maquinaria fuera de ruta.
La importancia de este trabajo se base en que la fracción ultra-fina del material particulado no ha sido a la fecha estudiada en las mediciones. La importancia de caracterizar este tipo de partı́culas para los
motores diesel es que las partı́culas cuyo diámetro es inferior a 5 [µm] tienen mayor probabilidad de depositarse en los bronquiolos y alvéolos a medida que su tamaño disminuye. Una vez que las partı́culas se
han depositado en el sistema respiratorio, su acción irritante es producto de su composición quı́mica y su
toxicidad [5]. Por otro lado, el sector fuera de ruta no ha sido estudiado y, según estimaciones realizadas
a la fecha, es responsable de cerca del 12 % de emisiones de material particulado [3]. Los factores determinantes en la salud son el tamaño, la composición quı́mica y la cantidad de partı́culas emitidas, debido al
grado de penetración y permanencia que ellas tengan en el ambiente, ya que ingresan al sistema respiratorio
directamente [6]. Factores que son abordados en su conjunto por los siguientes temas.
1.2.1.
Caracterización fı́sico-quı́mica de MP diesel
Objetivo Principal
Evaluar la factibilidad técnica de la utilización de la microscopia electrónica de transmisión como
herramienta de análisis fı́sico-quı́mico para partı́culas diesel ultrafinas.
Objetivos secundarios
Identificar y utilizar el mejor procedimiento que permita la toma de muestras de material particulado.
Evaluar la factibilidad técnica de efectuar un análisis fı́sico de material particulado diesel ultrafino
utilizando microscopia electrónica de transmisión.
Evaluar la factibilidad técnica de efectuar un análisis quı́mico de material particulado diesel ultrafino
utilizando microscopia electrónica de transmisión.
Para lograr los objetivos recién planteados se requiere:
1. Recopilar antecedentes que permitan definir la forma y metodologı́a a utilizar.
3
2. Proponer una metodologı́a para la toma de muestras.
3. Validar la metodologı́a propuesta en el punto anterior.
4. Tomar muestras de material particulado ultrafino.
5. Realizar un análisis de las muestras obtenidas.
6. Análisis elemental y especı́fico de las muestras.
7. Comparar la caracterización del material particulado con los resultados obtenidos en estudios internacionales.
Alcances del Trabajo
Los alcances de este trabajo se circunscriben dentro de la implementación de una metodologı́a para la
obtención de material particulado ultrafino para una flota de camiones. Se obtiene además de la obtención de
conclusiones preliminares en cuanto a la morfologı́a y composición quı́mica de tales partı́culas.
1.2.2.
Modelación de emisiones para vehı́culos fuera de ruta
Objetivo Principal
Desarrollar un modelo de cálculo de emisiones para maquinaria diesel fuera de ruta que opera en la
Región Metropolitana.
Objetivos secundarios
Determinar los principales parámetros relevantes en las emisiones de los sectores construcción, agrı́cola y minero.
Definir un modelo de emisiones orientado a la regulación de las emisiones del sector.
Calcular las emisiones para escenario base asociado a parámetros probabilı́sticos.
Para lograr los objetivos recién planteados se requiere:
1. Recopilar información internacional referente a las regulaciones de maquinaria fuera de ruta.
2. Determinar los parámetros relevantes a considerar en forma internacional y que podrı́an ser utilizados
para la Región Metropolitana.
3. Definir la información disponible a nivel local, en cuanto a niveles de uso y número de maquinaria
existente.
4. Determinar la metodologı́a a utilizar para el cálculo de emisiones de la maquinaria.
4
5. Definir un modelo de emisiones adecuado a los requerimientos e información disponible.
6. Caracterizar y definir la maquinaria que es utilizada en la Región Metropolitana
7. Definir el nivel de actividad a la que está sometida la maquinaria en la Región Metropolitana.
8. Análisis de los resultados numéricos.
9. Análisis de factibilidad para el cálculo en la proyección de emisiones.
Alcances del Trabajo
Desarrollar un modelo preliminar de emisiones para vehı́culos fuera de ruta, tomando en cuenta la
maquinaria utilizada en la Región Metropolitana, principalmente en sectores como la agricultura, minerı́a
y construcción, ya que corresponden a los sectores más predominantes a nivel de utilización de la maquinaria y con una mayor tasa de comercialización. El modelo considera además, asociar un componente de incertidumbre e incerteza, referido al nivel de actividad de cada una de las maquinarias, debido a que es el
componente más sensible en el cálculo de las emisiones.
5
Capı́tulo 2
Caracterización fı́sico-quı́mica de material particulado diesel
A continuación se da a conocer la información relevante, que permitirá contextualizar el problema de
la contaminación desde su formación, tal información se dividirá en dos capı́tulos. El primero detallará las
generalidades del motor diesel y emisiones, enfocada principalmente al MP. Luego dentro del mismo, se
hará un detalle de las principales caracterı́sticas del microscopio electrónico de transmisión (TEM). El segundo capı́tulo abordará la modelación de emisiones para maquinaria fuera de ruta, basada principalmente
en normativas (EURO y TIER) y experiencia internacionales en el rubro.
2.1.
Antecedentes teóricos
La problemática moderna denominada contaminación atmosférica se encuentra presente en cada vez más
ciudades del mundo. Sus principales causas son: el incremento del consumo de combustibles, las elevadas
concentraciones demográficas e industriales y el rápido aumento del número de vehı́culos, provocando una
alta contaminación a nivel atmosférico. Esto se define como la alteración de la atmósfera terrestre por la adición de gases, partı́culas sólidas y/o lı́quidas en suspensión en proporciones distintas a las que se producen
en forma natural [1].
Se cuentan dentro de los principales mecanismos de contaminación atmosférica los procesos que implican combustión; en industrias, automóviles y calefacción residencial, generando dióxido y monóxido de
carbono, óxidos de nitrógeno y azufre, entre otros contaminantes. Además de emitir gases nocivos en sus
procesos productivos, como cloro o hidrocarburos no quemados [7].
La contaminación se cuantifica a partir de la concentración atmosférica de los diversos contaminantes
Si bien los contaminantes urbanos son múltiples; se han determinado los denominados “contaminantes
criterio”. Los que incluyen el MP total en suspensión (PT S), ozono (O3 ), dióxido de azufre (SO2 ), monóxido
de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx ) y plomo (Pb).
1.
De los contaminantes mencionados anteriormente, el MP (MP) es uno de los más estudiados debido
a sus dañinos efectos a la salud, esto porque no se encuentra en forma individual sino, por el contrario,
1 En
ppm (partes por millón) o mg/m3 (microgramos o millonésimas de gramo por metro cúbico)
6
como una mezcla de diferentes elementos que provocan, por ende, diferentes reacciones. Genéricamente
se conoce como partı́culas sólidas en suspensión, pero sus efectos dependen del tamaño de las partı́culas
suspendidas y del contenido de éstas. Respecto del tamaño, cabe distinguir entre el PM10 y el PM 2.5 [8],
que corresponden a los tamaños tomados como parámetros de referencia en las mediciones en calidad de aire.
Referido al comportamiento fı́sico del MP, destaca la alta tasa de depositación del MP10, debido a su
mayor tamaño y peso relativo. A esto debe agregarse que al disminuir el tamaño, las partı́culas se vuelven
más nocivas para la salud humana. Adicionalmente, un grano de particulado fino tiene mucho mayor capacidad de transporte que otros productos nocivos, alcanzando grandes distancias antes de depositarse. Además,
su alta relación área/volumen le confiere un largo tiempo de residencia en la atmósfera, y por estos motivos,
recientemente, varios paı́ses han iniciado el estricto control de PM2.5, pues se estima que su peligrosidad es
de varios órdenes de magnitud mayor que la del PM10.
En la tabla 2.1 se detalla la relación existente entre superficie y el número de partı́culas. Con respecto al diámetro de las partı́culas estudiadas, las de tamaño nanométrico presentan una importante área de
contacto, dado su alto número de partı́culas asociadas, a lo que debe agregarse que el MP en el aire está compuesto por partı́culas primarias emitidas directamente por las fuentes, y por partı́culas secundarias formadas
a partir de gases en la atmósfera.
Tabla 2.1: Relación área/superficie por tamaño partı́cula.[9]
Diámetro
Número [cm−3 ]
Superficie [cm−3 ]
20 [nm]
2.400.000
3.016 [µm]
500 [nm]
153
120 [µm]
2,5 [µm]
1
24 [µm]
La ciudad de Santiago desde la década de los sesenta se ha visto expuesta a la acción de distintos agentes
contaminantes. Efecto que en la década de los ochenta, debido al aumento de la actividad económica, acentuó tal problemática. Todo lo anterior incrementado por las condiciones geográficas especı́ficas en las que se
encuentra la Región Metropolitana, como son: ausencia de vientos (90 % del tiempo en calma), capa de inversión térmica; el aire de más abajo es más caliente y queda rodeado de masa frı́a, lo que impide la dispersión
de las emisiones y la baja en sus concentraciones; clima semi-árido (pocas lluvias), topografı́a complicada
(lo que mal se conoce como la causa de la contaminación)[10].
Existen muchas fuentes que aportan a la contaminación de Santiago y, en general, en el resto de las
principales urbes saturadas. Una de las principales fuentes corresponde al sector industrial con cerca de un
30 % de las emisiones de MP10. Las fuentes móviles (vehı́culos de pasajeros, carga y motocicletas) emiten
alrededor de un 49 % del MP10 primario con alrededor de 2468 [t/año], lo que aumenta al doble si son
tomadas en cuenta las emisiones debido a la producción de MP secundario, a partir de los gases precursores:
NO2 (47045 [t/año]), SO2 (2196 [t/año]), NH3 (934 [t/año]) y COV s (24728 [t/año])[11]. En particular, la
7
producción de MP emitida por vehı́culos tiene un mayor impacto a largo plazo, donde el hollı́n emitido por
el motor diesel se comporta como un gas y no precipita; lo que provoca el 70 % de la contaminación de
particulado de la Región Metropolitana [10], a lo que deben sumarse emisiones evaporativas por carga de
combustible, polvo resuspendido por el tráfico e incluso las emisiones de MP producidos por los neumáticos
de los vehı́culos al traccionar el pavimento. Debe tenerse en cuenta que las emisiones aún cuando sean de
menor magnitud comparativa; en conjunto, son una importante fuente de aumento de morbilidad debido a la
presencia constante de su emisión.
Los parámetros más relevantes a considerar de las partı́culas son: tamaño, superficie, número y composición, donde el último parámetro presenta la mayor variación, ya que se absorbe y se transforma junto
a los otros contaminantes presentes en la atmósfera. Los mayores componentes son metales, compuestos
orgánicos, gases reactivos y partı́culas de núcleo de carbono. Lo que evidencia que partı́culas finas y ultrafinas tienen una reacción más dañina al interactuar con tejido humano, que las partı́culas de mayor tamaño
(Núcleo de partı́culas), provocando una alta mortalidad, efectos cardiovasculares y respiratorios. Además,
se encuentra dentro de las partı́culas metálicas la presencia de PAHs y otros componentes orgánicos como
endotoxinas, que contribuyen en gran medida a la toxicidad del MP.
Las diferentes condiciones que forman la contaminación del aire, entre las que se cuentan: concentraciones, tiempo de exposición, y el hecho que los humanos usualmente se encuentran expuestos a la mezcla
de contaminantes y no a una sola sustancia, pueden provocar diversos impactos en la salud, lo que no puede
determinarse con anterioridad a la exposición [12].
Los efectos adversos de la contaminación han aumentado en forma considerable. Muchos estudios muestran que la contaminación del aire causa no sólo efectos respiratorios desfavorables en pacientes con asma,
enfermedades pulmonares obstructivas, sino que efectos cardiovasculares como el infarto al miocardio y
ataques cardı́acos. De los diferentes contaminantes del aire el MP, como se ha mencionado anteriormente
debido a su mayor tiempo de exposición, ha emergido como el componente más relacionado a los efectos
en salud, y la fracción de tamaño 2,5 [µm] como la más tóxica. En áreas urbanas, la fracción se encuentra
ligada a los procesos de combustión y al tráfico, que corresponderı́an a los principales contribuyentes.
Especı́ficamente, las emisiones de motores diesel contienen una gran cantidad de nanopartı́culas con
componentes de hidrocarburos orgánicos en la superficie. Las emisiones primarias, en las avenidas transitadas y/o en la vecindad de ellas, son principalmente vapores orgánicos y nanopartı́culas en modo de nucleación. Lo que conlleva a que un buen número de experimentos arroje como resultado un extensivo efecto
de inflamación en las paredes bronquiales con consecuencias funcionales adversas [13].
2.1.1.
Motores diesel y material particulado
El motor diesel es la personificación del motor de combustión interna, que fue inventado por el Dr. R.
Diesel y que tuvo como propósito principal la producción de eficiencia, producto del poder de la energı́a
8
mecánica almacenada en el combustible. El motor diesel usa los cilindros convencionales y arreglos de los
pistones comunes a otros motores de combustión interna como el motor a gasolina. En la mayorı́a de las
partes, hay un gran similitud entre componentes de motores diesel y gasolina.
Conceptualmente, los motores diesel logran altos desempeños y excelente economı́a en combustible
debido a la alta compresión del aire. La inyección en pequeñas cantidades de combustible es a una alta compresión de aire. Temperaturas creadas cuando el aire es comprimido causan, en una pequeña cantidad, una
alta atomización de inyección para la evaporación. La mezcla, con el calor que rodea el aire en la cámara de
combustión y la evaporación del combustible, permite una óptima temperatura de auto-encendido y quema,
liberando la energı́a que se encuentra almacenada en el combustible.
El proceso de combustión diesel
Existen muchas ventajas asociadas al uso de motores diesel, tales como mejor desempeño y economı́a
de combustible, junto a una mayor responsabilidad ambiental con respecto a sus emisiones. En el futuro,
las plantas productoras de energı́a podrı́an minimizar el consumo de energı́a y la contaminación por emisiones al utilizar motores diesel. Aunque es difı́cil asegurar una buena razón costo/beneficio de algunas de
estas mejoras, ya que existen fronteras en la aplicación de ciertas mejoras tecnológicas. De la misma forma,
los diseños futuros podrán tener emisiones regulatorias y lı́mites; de lo contrario, los productos no podrán
ser legalmente vendidos en el mercado formal. En productos futuros posiblemente podrán conocer ciertos
mandatos de economı́a de combustible, a menos, que el mercado fuerce a una dictación en los niveles de la
industria automotriz.
El proceso de combustión es usualmente descrito de la siguiente forma:
1. Retraso de ignición.
2. Premezcla de combustión.
3. Rango de control de la combustión.
Retraso de ignición
El retraso en la ignición en motores diesel es el tiempo requerido después de empezar la inyección
de un proceso de preignición para producir el núcleo de ignición y combustión detectable. La duración del
retraso de la ignición es uno de los más importantes aspectos que produce un gran efecto en el proceso de
combustión, ruido en el motor y posterior producción de gases de combustión. En contraste con los motores
gasolineros, donde la combustión empieza por una chispa eléctrica a una localización, la combustión en motores diesel comienza por núcleos de autoignición en numerosas partes de la cámara de combustión.
Existen procesos envueltos en el retraso de la ignición, los cuales poseen caracterı́sticas fı́sicas y quı́micas. Los procesos fı́sicos están relacionados con la preparación de mezcla. La preparación de la mezcla,
9
incluye, lo referente a los movimientos del aire a través de diseños especiales en la entrada, transferencia de
calor a flujos de aire a través del puerto de entrada y otros parámetros que pueden afectar la calidad de la
mezcla aire/combustible. Es difı́cil dibujar una lı́nea distintiva que permita una separación entre los procesos
fı́sicos y quı́micos. En el caso de los procesos quı́micos, éstos se comienzan a considerar después que el
vapor de combustible entra en contacto con el aire.
Combustión premezclada
El término combustión premezclada se refiere a la combustión de una porción de combustible inyectado
durante el perı́odo de retraso de la ignición. Esta porción del combustible podrı́a haber sufrido atomización,
evaporación y la reacción de preignición quı́mica. Es posible que sea muy difı́cil o muy rica la quema. El
ruido caracterı́stico del motor diesel está generalmente asociado con esta fase. Es generalmente aceptado
que los rangos de presión alcanzados son resultado de la premezcla de combustión, que es proporcional a la
intensidad de ruido en motores diesel.
Razón de control de la combustión
El balance del combustible que no participa en la combustión premezclada, representa el volumen del
combustible consumido durante el ciclo completo. En el rango de control de la fase de combustión, la cual
depende del rango de mezcla. Esta adquiere una condición que hace posible la quema. Esta fase se caracteriza
por un bajo calor que es alcanzado en la fase de premezcla.
Caracterización de emisiones para combustibles diesel
El diesel es una mezcla de hidrocarburos que teóricamente produce sólo dióxido de carbono (CO2 ) y
vapor de agua (H2 O) durante la combustión. De hecho, los gases de salida del diesel son primariamente
compuestos de CO2 , H2 O y una porción no usada de carga de aire. Vale destacar que las concentraciones
de los gases de salida del diesel varı́an dependiendo del motor, la carga a la que se encuentre sometida y la
velocidad, generalmente en los siguientes rangos:
CO2 : 2 % a 12 %.
H2 O: 2 % a 12 %.
O2 : 3 % a 17 %.
N2 : Balance.
Ninguno de los principales productos en la combustión, con excepción del CO2 , tienen propiedades de
efecto invernadero, todos ellos producen problemas a la salud o afectan al medio ambiente.
10
Los contaminantes diesel son un subproducto de la combustión diesel que origina muchos procesos
no ideales que ocurren durante la combustión real. Este proceso incluye una combustión incompleta de combustible, reacción entre las mezclas de componentes bajo altas temperaturas y presión, combustión de aceite
lubricante en el motor y aditivos del aceite.
Las regulaciones de emisiones incluidas tienen las siguientes componentes:
Material particulado diesel se refiere al MP o TPM (material particulado total), regulado por la masa
o partı́culas emitidas.
Óxido de nitrogeno (NOx ).
Hidrocarburo o sólo nometanos hidrocarburos.
Monóxido de carbono (CO).
Las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos en motores diesel son significativamente más
bajas que las de motores a gasolina. En cambio, para el caso de MP éstas aumentan en motores diesel, las
cuales se encuentran prácticamente ausentes de las emisiones de gasolina. Emisiones de MP y NOx se encuentran en el foco diario de tecnologı́as de control de emisiones diesel.
Incrementos en la cantidad de mezclas incompletas equivalen a un aumento en la razón de las partı́culas
carbonáceas emitidas. En otras palabras, las partı́culas carbonáceas resultantes de la quema difusa aumentan
su número, debido a que se forman a una razón cercana o igual a la estequeométrica. Los factores que se
relacionan a la quema difusiva son: el perı́odo de retraso en la ignición, alta ignición inicial que tiende a
aumentar la premezcla, y el aumento en el número de cetano.
Trabajar cerca de la razón estequeométrica permite una considerable economı́a de combustible y emisiones extremadamente bajas para concentración de hidrocarburos no quemados y emisiones de monóxido
de Carbono [14]. Las razones para emisiones extremadamente bajas de HC y CO se producen cuando la
operación del motor diesel es mejor que λ (relativo a razón aire/combustible) igual a 1.0. Otro tipo de gas de
escape, resultado de la combustión de combustible fósil, es el CO2 .
Mientras los motores diesel son conocidos por sus altas emisiones de NOx , los motores a gasolina tienen
una fracción pequeña de emisiones de HC y CO. Entre los contaminantes asociados a motores diesel existe
el MP, el cual aparece en forma de humo negro u hollı́n emitido del tubo de escape de muchos equipos diesel
en autos de pasajeros o vehı́culos pesados. Emisiones de hollı́n se encuentran acompañadas de otro material
suspendido en el escape como el aceite lubricante no quemado, combustible no quemado, trazas de metales
y sulfuros por productos. Emisiones de hollı́n en el MP resultan de la naturaleza heterogéneas del proceso de
combustión o tipos de combustión difusivos que prevalecen en motores diesel. Las mezclas de combustibles
y aire preparadas en modernos motores diesel han reducido este problema.
11
Emisiones no reguladas
Variados contaminantes no regulados se encuentran en el rango de sospechosos debido a que no es posible
clasificarlos, usualmente a niveles de concentración mucho más bajos que las emisiones reguladas. La lista
de emisiones diesel no regulada incluye los componentes siguientes:
1. PAH: Aromáticos polinucleares de hidrocarbono, los cuales son pesados con componentes orgánicos
encontrados, en su mayor parte, en los DPM. Algunos PAHs son algunas veces presentados en la fase
de gas.
2. SOF: Fracción orgánica soluble, las cuales constituyen partes de DPM.
3. Aldehı́dos: Derivados de los hidrocarburos.
4. Dióxido de sulfuro: SO2 presentados en el combustible.
5. Dioxinas: Aunque las pruebas no son concluyentes, por el momento, las emisiones diesel se encuentran
sospechosamente para fuentes potenciales de emisiones de dioxina.
6. Metal óxidos: Muchos lubricantes del motor incluyen aditivos como son: fósforo, zinc y calcio. A
lo que debe sumarse algunas trazas de acero, cobre, cerio y otros metales producto del desgaste del
motor.
Emisiones de material particulado diesel
Lo más controversial de todas las regulaciones de emisiones es lo referente al MP, ya que es definido
como cualquier material que es expelido en los gases de escape en motores de combustión interna. El MP es
originado a partir de sustancias orgánicas e inorgánicas inducidas dentro del motor junto con el combustible
y el aire. Uno de los mayores constituyentes de MP es el material carbonáceo resultante de los procesos de
combustión heterogénea en motores diesel. Pequeñas partı́culas o núcleos se forman producto de los procesos de difusión y flamas de premezclas, ésta última en condiciones de mezclas ricas y pobres.
Se cree que el modo de nucleación está compuesto primariamente de partı́culas volátiles, principalmente
hidrocarburos e hidratos de sulfuro, ası́ como de ácidos que están condensados y que forman precursores
gaseosos al producirse disminución de temperatura en los sistemas de gases de combustión y después de la
mezcla con aire frı́o.
Una de las principales caracterı́sticas de las partı́culas volátiles es que son muy inestables; además tienen
concentraciones que dependen fuertemente de las condiciones reinantes, como la razón de dilución y el tiempo de residencia. Una pequeña cantidad de partı́culas en el modo de nucleación puede ser consistente para
materiales sólidos, como son el carbono y la ceniza metálica de aditivos de aceite lubricante. Las partı́culas
de modo de nucleación constituyen la mayorı́a del número de partı́culas -en orden del 90 %-, pero sólo a un
pequeño porcentaje de la masa de MP.
12
Uno de los modos que se encuentra relacionado estrechamente con las emisiones, corresponde al del modo de nucleación, que se encuentra formado por aglomeraciones de partı́culas de carbono primario y otros
materiales sólidos, acompañado a su vez, por gases de absorción y condensados de vapor. Estos últimos
están compuestos principalmente por mezclas de carbono sólido e hidrocarburos pesados, que se encuentran
en forma de condensados. Los diámetros de las partı́culas de modo de acumulación se encuentran entre 0,04
y 1 [µm] con una concentración máxima entre 0,1 y 0,2 [µm].
A continuación se detallan las principales fuentes de MP en motores diesel. La lista se encuentra ordenada de manera aleatoria y no necesariamente en orden a la contribución total de MP. La lista se divide en:
pérdida de control de aceite, combustión de calidad, emisiones de partida en frı́o, combustible no quemado
y en general problemas de calidad de combustible, lo que corresponde a las principales causas de formación
de partı́culas. [15]
Resumen de potenciales fuentes de material particulado
1. Pérdida de control de aceite
2. Humo negro de riqueza excesiva: Pobreza de combustión, transiente, sobrellenar con gasolina.
3. Humo blanco: Partida en frı́o, falla de encendido.
4. Otros orı́genes de hidrocarbonos: Goteo de la boquilla, inyección secundaria, después de inyección.
5. Calidad del combustible: Contenido de sulfuro, contenido aromático, número de cetano.
Cuidados en la obtención de material particulado
Los procedimientos de la EPA que definen los estándares y regulaciones en todo el mundo, determinan
la forma en que deben tomarse las muestras del escape de los vehı́culos diesel. Estas muestras deben ser
filtradas y diluidas a temperaturas no mayores que 52o C, provocando un efecto de enfriamiento, que es
tı́picamente logrado con razones de dilución entre 3:1 y 20:1. Aparatos usados en el laboratorio producen
mezclas de aire con gases de salida diesel en los túneles de dilución.
Constituyentes y fuentes de material particulado
La definición de MP se extiende para cualquier material -sólidos y lı́quidos (condensados)- presentes
en la dilución y salidas del diesel enfriado. Las partı́culas diesel están compuestas de carbono elemental
que aglomeran y absorben otras especies para formar estructuras que tienen propiedades fı́sicas y quı́micas. Las partı́culas diesel poseen una distribución de tamaño bimodal, teniendo una mezcla de partı́culas en
modo de nucleación y modo de acumulación. Las partı́culas de modo de nucleación presentan un tamaño
muy pequeño, fluctuando el diámetro aproximadamente entre 0,007 y 0,04 [µ m]. Las partı́culas del modo
de nucleación se refieren a las nanopartı́culas, aunque los términos no son los mismos. Nanopartı́culas son
13
usualmente definidas como partı́culas bajo los 50 [nm] en diámetro, lo que corresponde a una definición arbitraria y no tiene relación a las propiedades fı́sicas de los gases de combustión diesel. Nanopartı́culas incluyen
prácticamente todas las partı́culas en modo de nucleación, pero estas pueden contener una cierta fracción del
modo acumulativo. También se relaciona al modo de nucleación, el cual se vincula principalmente con las
emisiones y se describe más adelante.
Polvo (en el aire) o material inorgánico (en el combustible o aditivos del combustible) puede aparecer como particulado en el escape (ceniza, óxidos, etc.). Trazas de metal de los componentes desgastados del
motor pueden ser llevados por el aceite lubricante y, eventualmente, migrará la salida donde ellas serán atrapadas en los filtros de partı́culas. La presencia de sulfuros en el combustible y aceite lubricante contribuyen
a la formación de partı́culas sulfatados.
Finalmente, hidrocarburos muy calientes y sus derivados se encuentran incluidos en el MP. Este material es referido como la fracción orgánica soluble (SOF), el cual es compuesto principalmente de aceite
lubricante derivado de hidrocarburos.
Formación de material particulado diesel
Partı́culas diesel se forman de un muy complejo sistema de aerosoles. A pesar de una considerable cantidad básica, ninguna de los formadores de MP en el cilindro del motor tienen algún tipo de propiedad fı́sica,
quı́micas o efectos a la salud humana completamente entendidas. Sin embargo, el MP es una de las emisiones
más perjudiciales producida por motores diesel.
Contrariamente a emisiones gaseosas diesel, el MP no se encuentra bien definido quı́micamente. La
definición de MP es determinado por los métodos de muestreo. La masa de las emisiones de particulado es
determinada por el peso de MP colectados en los muestreos de los filtros. Por lo que es obvio suponer que
cualquier modificación en los procedimientos puede provocar modificaciones a tales valores.
2.1.2.
Composición quı́mica de material particulado diesel
La principal composición del MP corresponde a carbón elemental, ceniza y componentes volátiles derivados de la no quema y/o quema parcial de combustible, aceite lubricante y sulfatos. Las partı́culas son formadas en la cámara de combustión, y es en ella donde los componentes volátiles se transforman de fase
gaseosa a partı́culas de fase diluida con el aire ambiente, siendo expulsadas en forma posterior por el tubo de
escape hacia la atmósfera.
Las partı́culas del motor tienen cadenas aglomeradas de 40-500 [nm] de diámetro. Otras partı́culas
pueden estar con cenizas metálicas, derivadas de aceites lubricantes o cenizas metálicas unidas a partı́culas de hollı́n. Como los gases de combustión, el proceso de dilución puede producir partı́culas de ácido
sulfúrico o combinación de ácido sulfúrico cubierto con capas de hidrocarburos. Ácido sulfúrico e hidrocarburos pueden ser absorbidos o condensados dentro de cadenas de cenizas, en vez de formar nuevas partı́culas
14
condensadas dentro de las cámaras en forma de hollı́n aglomerado.
El MP se encuentra dividido en tres principales fracciones. Acorde a tal clasificación, el total de material particulado (TMP), puede ser definido como sigue:
T PM = SOL + SOF + SO4
SOL: Componente sólido
SOF: Fracción orgánica soluble
SO4 : Sulfatos
Las partı́culas que dejan el motor se encuentran compuestas primariamente de fases sólidas de carbono. Tanto las partı́culas de carbono elemental como las aglomeradas se forman en la cámara de combustión. Los
sistemas de gases de combustión dependen de la temperatura, y las partı́culas sufren lı́mites de oxidación
en las aglomeraciones. Algunas partı́culas se depositan en la salida de las paredes del escape debido a las
fuerzas termoforéticas. Otros precursores de MP incluyen hidrocarburos, óxidos de sulfuro y agua, los cuales
se presentan en los gases de combustión calientes, en forma de gases o vapor.
Otras fuentes de materiales sólidos en los gases de combustión diesel son los compuestos por cenizas
metálicas que son derivados de aditivos de aceites lubricantes y del uso de motores.
El núcleo de ceniza puede aglomerar en una forma de partı́culas de modo acumulativo. Las proporciones relativas de la ceniza generalmente aumentan en nuevos motores, debido a la presencia de menos
partı́culas de carbono y baja masa TPM.
Las propiedades fı́sicas y quı́micas de MP cambian cuando los gases combustionados entran al túnel
de dilución, donde el aire es mezclado y enfriado a 52 o C. Hidrocarburos pesados, los cuales son derivados
de aceites lubricantes y combustible no quemado, condensan y se absorben dentro de la superficie de partı́culas de carbono, formando la porción orgánica de MP (SOF). Si la cantidad de partı́culas de carbono que se
absorben como una esponja es insuficiente, hidrocarburos podrán nuclear, aumentando la cantidad partı́culas
volátiles de modo de nucleación.
El ácido sulfúrico que se encuentra en las salidas de los gases es producto del azufre del combustible, el
cual se encuentran en la cámara primaria de combustión en la forma de dióxido de sulfuro (>95 %) y como
pequeñas proporciones de trióxido de sulfuro. Las partı́culas sulfatadas se forman en el túnel de dilución
a través de procesos heterogéneos de nucleación. Durante las mediciones de MP, las partı́culas sulfatadas
son depositadas en el filtro junto con el material carbonáceo, donde se explica la unión de ácido sulfúrico y
partı́culas de carbono.
15
La composición de MP varia según: las tecnologı́as del motor, condiciones de prueba y los contenidos
de sulfuro en el combustible.
Fracción sólida: Carbono
La fracción sólida de MP está compuesta primariamente de carbono elemental. Este tipo de carbono, no
tiene enlaces quı́micos con otros elementos, es finalmente dispersado como carbono negro u hollı́n, los que
son responsables de las emisiones de humo negro. La fracción carbonácea de MP resulta de los procesos de
combustión heterogénea en motores diesel, donde las partı́culas sólidas son precursoras. Arreglos hexagonales de átomos de carbono se encuentran formando estructuras de platelets. Los platelets son arreglos de
capas, tı́picamente de dos a cinco planos, que forman hojas de cristalita grafitisada. Las cristalitas se encuentran ordenadas al azar con los planos primarios paralelos, este tipo de estructura se puede apreciar en la
figura 2.1.
Figura 2.1: Estructura de partı́culas de carbono primario [9].
Fracción sólida: Ceniza
Otro componente importante de la fracción sólida de MP es la denominada ceniza metálica. En general,
las cenizas de gases de combustión de diesel consisten de una mezcla en los siguientes componentes:
Sulfatos, fosfatos u óxidos de calcio (Ca), zinc (Zn), magnesio (Mg) y otros metales que son formados
en la cámara de combustión del motor, producto de los aditivos quemados como aceites lubricantes del
motor. Estos se encuentran quı́micamente presentes en los aceites lubricantes como detergentes, dispersantes, ácidos neutralizantes, antioxidantes, inhibidores de corrosión y aditivos de extrema presión.
Impurezas de óxidos metálicos resultan del uso del motor, los cuales pueden llevarse dentro de la
cámara de combustión por el aceite lubricante. Esto incluye óxidos de fierro (Fe), cobre (Cu), cromo
(Cr) y aluminio (Al).
Óxidos de acero resultan de la corrosión de gases de combustión de los manifold del motor y otros
componentes del sistema.[16]
Fracción orgánica soluble: Composición
Corresponden a los hidrocarburos absorbidos en la superficie de las partı́culas de carbono y/o presentes
en forma de gotas en fracciones orgánicas solubles de partı́culas diesel. Algunas veces las fracciones se re16
fieren como las fracciones orgánicas volátiles (VOF 2 ), VOF son usualmente medidas por evaporaciones de
vacı́o y esta interpretación es muy cercana a los SOF. En algunos casos, incluye materiales solubles en agua.
La proporción de SOF en el total de MP podrı́a ser significativo entre motores. Partı́culas con bajo
contenido de SOF, son llamadas partı́culas secas. Cuando el MP tiene alto contenidos de SOF, éstos se llaman partı́culas húmedas. Los SOF se encuentran tı́picamente compuestos de aceites lubricantes derivados
de hidrocarburos, con una pequeña contribución de alta temperatura final del diesel e hidrocarburos del combustible.
Fracción orgánica soluble: Aromáticos polinucleares de hidrocarburo
La fracción de SOF se encuentra contenida en muchos de los hidrocarburos polinucleares aromáticos
(PAHs), que son emitidos principalmente en los gases de escape del motor diesel. PAHs son hidrocarburos
aromáticos con dos o más anillos de benceno unidos, y tienden a formar clústeres. Los PAHs tienen efectos
mutagénicos y, en algunos casos, caracterı́sticas cancerı́genas.
La EPA ha introducido el término de material orgánico policı́clico (POM), que se define como una
clase de compuesto tóxico en el aire con más de un anillo de benceno y un alto punto de ebullición (>100
o C). Los componentes más perjudiciales de cuatro o más anillos pueden encontrarse casi exclusivamente en
la fracción orgánica (SOF) del MP diesel.
PAHs se encuentran presentes en el combustible diesel. En concentraciones que varı́an entre 1,5 % y
2,5 % dependiendo del combustibles. La concentración de compuestos particulados de PAH varı́a entre 0 a
250 µ g /millas, con el total de emisiones de PAH que alcanzan de 1 a más de 10 mg/millas, dependiendo de
la tecnologı́a del motor.
Fracción orgánica soluble: dioxinas
Dioxinas es un término genérico para un grupo especial de compuestos hidrocarburos polinucleares clorados, caracterizados por su extremada toxicidad, sospechas cancerı́genas y resistencia a la descomposición
biológica. Sin embargo, el término dioxinas se refiere a un simple anillo heterocı́ciclo con dos átomos de
oxı́geno y átomo no clorados.
Varios compuestos de dioxinas tienen grandes diferencias cuando se refiere a la toxicidad. Una lista
de mezclas de las emisiones de dioxinas se encuentran en la tabla 2.2, donde son expresados los factores
tı́picos de toxicidad, en los cuales las concentraciones de cada componente se basan correctamente en los
efectos de toxicidad.
2 Volatile
organic fraction.
17
De acuerdo a los inventarios de la EPA, los motores diesel sólo tienen unas fuentes menores en las
emisiones de dioxinas en los Estados Unidos, lo que contribuye a un 1,1 % del total de contaminantes de la
atmósfera.
Tabla 2.2: Factores de emisión de dioxinas [16].
combustible/vehı́culo
Factor, pg/km
Camiones diesel 3
Gasolina sin plomo
Gasolina con plomo
Equivalencia tóxica
Factor, pg/L
Equivalencia tóxica
Factor, pg/L
Consumo de combustible
m/L
172
1,5
45
946
14,9
450
5,5
10
10
Fracción orgánica soluble: partı́culas sulfatadas
Las partı́culas sulfatadas están compuestas primariamente de ácidos sulfúricos hidratados y, en algunos
casos, de algunos lı́quidos. La formación de partı́culas sulfatadas requieren de una interacción entre moléculas de H2 SO4 y H2 O. De acuerdo a la teorı́a, tanto el ácido sulfúrico como el vapor de agua pueden sobre
saturarse y seguir produciendo partı́culas. El comienzo de la nucleación parte con pequeñas moléculas en
forma de clúster, los cuales pueden crecer como núcleos estables de las partı́culas.
La formación de partı́culas en el túnel de dilución depende de la presión de H2 SO4 y H2 O, las cuales
son una función de lo siguiente:
Niveles de azufre en el combustible
Conversión de azufre en el combustible a SO3
Razón aire/combustible
Temperatura en el túnel de dilución
Húmedad relativa en el túnel de dilución
En adición al ácido sulfúrico, las partı́culas sulfatadas pueden incluso contener sales sulfatadas. La sal más
común es el sulfato de calcio (CaSO4 ), la cual puede ser formada en la reacción entre H2 SO4 y componentes
de calcio originados de los aditivos de aceite lubricante. Varios sulfatos pueden producir una reacción entre
ácido sulfúrico y los componentes de gases de salida del sistema.
18
2.1.3.
Caracterización quı́mica de Material Particulado
Todas las partı́culas emitidas por motores diesel se encuentran en el rango de tamaño respirable. En especial las de tamaño ultrafino que contiene partı́culas de hasta 50 [nm] de diámetro, compuesta principalmente
de hollı́n y cierta proporción de volátiles. Las que se presentan en modo de nucleación y se producen tanto
por la dilución como por la refrigeración del sistema luego que las partı́culas abandonan el tubo de escape
que, por lo general, se encuentra a una alta temperatura. Por otro lado, la gran cantidad de masa de partı́culas
reside en el modo acumulativo con un diámetro entre 100-300 [nm]. Estas partı́culas forman preferentemente
cadenas de cenizas que son generadas por el proceso de combustión. El modo grueso tiene un largo aproximado de 2500 [nm] de diámetro y son generadas producto que se rompen las cenizas de las paredes internas
de la cámara de combustión y/o los sistemas de escape.
Los motores diesel que operan con combustibles no residuales, es decir, aquellos que no operen con
petróleos pesados, incluyen como composición quı́mica principal el carbón inorgánico, el cual es conocido
como Carbono negro, además de trazas de metales, sales inorgánicas, óxidos y fracciones orgánicas solubles
[15]. De acuerdo a otros estudios relacionados a la caracterización quı́mica del MP [17], se encuentran trazas
de: sulfuros, zinc, fósforo, calcio, acero, sı́lice y cromo en las partı́culas estudiadas, siendo relacionadas para
el caso de zinc, fósforo y calcio, a los aceites lubricantes. Para el caso de los otros elementos quı́micos presentes que no son propios del combustible, se cree que son producto de las piezas mecánicas del motor o
aparecen por la instrumentación de muestreo de las partı́culas.
Es fundamental determinar cuales son los elementos quı́micos presentes tanto, por el uso de aceite lubricantes como por el desgaste de las partes del motor, que están en contacto con las emisiones. Por tal razón,
se resumen algunos valores encontrados en la literatura internacional en las tablas 2.3 y 2.4. En la tabla 2.3
se presentan los porcentajes de componentes elementales para dos tipos de aceites, el HFO que corresponde
al aceite para combustible pesado, y el HA HFO el cual además de ser un aceite para combustibles pesado,
tiene un alto contenido de ceniza. Los valores de la tabla 2.4 representan al valor caracterı́stico presente en
los aceites para vehı́culos pesados, comúnmente distribuidos.
Tabla 2.3: Composición elemental para motores HFO y HA HFO [18].
Elementos
% de peso
ppm por peso
Motor
C
H
N
S
V
Na
Al
Si
Fe
Ni
Ca
Mg
Motor pequeño 1
HFO
Motor pequeño 1
Motor pequeño 2
Motor grande
87
11
0,4
1,2
44
45
7
7
-
18
-
-
84
86
86
11
11
11
0,4
0,3
0,3
2,7
2,4
2,4
450
390
390
52
60
60
7
14
14
8
26
26
21
22
22
53
53
53
70
20
20
15
4
4
19
Tabla 2.4: Composición elemental de aceites lubricantes [18]
Aceite lubricante
Na
Al
12
6
Si
25
Fe
Ni
Ca
Mg
Zn
P
9
104
42
600-700
300-400
18
En la tabla 2.5 se presentan los materiales que tienen un mayor desgaste mecánico, que corresponden
a valores lı́mites encontrados en motores diesel dividido para cada cuatro escenarios de desgaste. Según
información del fabricante, tales valores pueden variar según la carga a que es sometida y horas de uso.
Los porcentajes encontrados corresponden a los elementos encontrados en los aceites lubricantes que se
comercializan en nuestro paı́s para vehı́culos pesados, especı́ficamente camiones.
Tabla 2.5: Lı́mites de desgaste motor diesel [ppm](Fuente: Lab. tribology)
2.1.4.
Desgaste
Al
Cr
Cu
Fe
Pb
Sn
Si
Na
Normal
Precaución
Anormal
Severo
13
14-15
16
100
8
9-10
11
30
22
23-25
26
200
90
91-100
101
300
36
37-40
41
80
8
9-10
11
30
20
21-25
26-80
81
50
51-100
101
500
Composición fı́sica de Material Particulado diesel
Distribución de tamaño de partı́culas
Un incremento en el interés por la distribución de tamaño de las partı́culas diesel ha aumentado en la medida que se han asociado efectos nocivos a menores tamaños de partı́culas, producto que están compuestas
de materiales inertes toxicológicos principalmente.
La distribución de tamaño de las partı́culas producto de la combustión del diesel muestran un carácter
bimodal con dos picos que corresponden a los modos de nucleación y acumulativo de las partı́culas. El modo
de nucleación es usualmente insignificante (en un bajo porcentaje), si la distribución de masa es medida.
En la representación del número de partı́culas, sin embargo, el modo de nucleación frecuentemente cuenta
con más del 90 % del total de la cantidad de partı́culas, A diferencia de la masa del total de partı́culas cuantificadas, la distribución del tamaño de partı́culas se miden muy lejos de una estandarización, debido a las
diferencias en el muestreo de las partı́culas y en la variedad de los métodos de medición que son utilizados, los cuales permiten una cuantificación confiable del número de partı́culas emitidas y la distribución de
tamaño.
Muchas ideas han sido discutidas sobre la naturaleza de las partı́culas del modo de nucleación, indicando la relación entre la salud y las emisiones de nanopartı́culas desde motores diesel, las cuales, aunque
sean reales han sido exageradas. Por ejemplo, no se considera que las partı́culas de modo de nucleación para
las partı́culas de motores diesel se encuentren compuestas primariamente de lı́quido condensado, en forma
20
contraria a materiales sólidos, provocando daño a los pulmones humanos. Además, las partı́culas de tamaño
pequeño tienen un tiempo de vida en la atmósfera muy pequeño.
Distribución de tamaño de partı́culas diesel
Desde mediados de los años 90´, la distribución de tamaños de las partı́culas en motores de combustión
interna han recibido atención debido a los aumentos de posibles efectos adversos en la salud. Las estrategias
de control de emisiones diesel, basadas tanto en los diseños de motores y los postratamientos, son examinados y reevaluados por su efectividad en el control de la fracción fina de partı́culas diesel y el número de
partı́culas emitidas. Sin embargo, un desempeño considerable que evalúa varias tecnologı́as de control puede
hacerse posible, sólo si la comunidad investigativa alcanza un consenso en la definición y las técnicas de
medición para pequeñas fracciones de partı́culas diesel. La determinación de tamaño y número de partı́culas
es mucho más sensible para las técnicas de medición y de los parámetros, que para la cuantificación por las
emisiones de masa de las partı́culas. Los métodos de muestreo y dilución son las variables clave para asegurar
exactitud y repetitibilidad de los resultados. Por otra parte, los instrumentos de tamaño de partı́culas tienen
una mejor sensibilidad que el método gravimétrico, lo que presenta una atractiva alternativa de medición de
emisiones de MP diesel en nuevas tecnologı́as de motores.
El MP en el ambiente ha sido dividido por muchos autores dentro de las siguientes categorı́as, lo que
se basa en el diámetro aerodinámico 4 :
1. MP10 , partı́culas tienen un diámetro aerodinámico menor que 10 [µm].
2. Partı́culas finas que tienen un diámetro menor que 2,5 [µm].
3. Partı́culas ultrafinas que tengan un diámetro menor que 0,1 [µm] o 100 [nm].
4. Nanopartı́culas, las cuales son caracterizadas por diámetros menores que 50 [nm].
Una tı́pica distribución de tamaño de las partı́culas diesel como gases producto de la combustión, se
muestra en la figura 2.2 Casi todas las partı́culas diesel tienen un tamaño significativo menor que 1 [µm], las
cuales representan una mezcla de partı́culas finas, ultrafinas y nanopartı́culas. Dadas las actuales técnicas de
muestreo de MP, se incluyen tanto las partı́culas sólidas, carbono elemental, cenizas, y los lı́quidos; como
hidrocarburos condensados, agua y ácido sulfúrico. La formación de partı́culas comienza con la nucleación,
la cual es seguida por una aglomeración de partı́culas nucleadas. La nucleación ocurre en el cilindro del motor
(carbono, ceniza) y el túnel de dilución (hidrocarburos, ácido sulfúrico y agua), a través de los mecanismos
de nucleación homogénea y heterogénea.
4 Se
define como el diámetro de una densidad esférica 1 g/cm3 de la misma velocidad establecida en el aire como la medición de
las partı́culas.
21
Figura 2.2: Distribución de tamaño, número, área de superficie y masa para emisiones [19]).
La distribución de tamaño de las partı́culas diesel tiene un carácter bimodal que es producto de la nucleación de partı́culas y su posterior aglomeración, lo que corresponde a tipos de partı́culas referidas como
el modo de nucleación y acumulativo. La distribución de tamaño es usualmente presentado usando cualquier
masa de partı́cula o peso de número de partı́cula. En cada representación de distribución de curvas normallogarı́tmicas, como se presenta en la figura 2.2; la concentración máxima de partı́culas y los picos de posición en el modo de nucleación y acumulativo dependen de la representación escogida. Para la distribución de
masa, la mayorı́a de las partı́culas (i.e. la masa de las partı́culas) se encuentran en el modo de acumulación.
En la distribución de número, por otra parte, muchas partı́culas son encontradas en el modo de nucleación.
En otras palabras, el MP diesel se encuentra compuesto de numerosas partı́culas pequeñas sujetas a muy
poca masa, mezcladas con pocas partı́culas más grandes que contienen más de la masa total. Una pequeña
fracción de partı́culas diesel reside en un tercer estado, denominado modo grueso. Estos tres modos de las
partı́culas pueden ser caracterizados como sigue:
Modo de nucleación: El diámetro de los núcleos originales, tal como se forman durante la nucleación
del ácido sulfúrico, es cerca a 1 [nm]. En la actualidad, las técnicas de medición son capaces de
detectar un mı́nimo tamaño de partı́culas que tienen aproximadamente 3 [nm]. De acuerdo a varias
definiciones, el diámetro de las partı́culas del modo de nucleación son generalmente menores que 40
a 50 [nm]. Todos los rangos de tamaño listados en el modo de nucleación se encuentran enteramente
dentro del rango de nanopartı́culas. La concentración máxima de partı́culas en modo de nucleación
ocurre desde 10 a 20 [nm]. El modo de nucleación depende de las tecnologı́as del motor y las técnicas
de muestreo, las cuales tı́picamente contienen sólo 0,1 % a 10 % de la masa total de MP, pero es
frecuente que incluyan más que 90 % del número total de partı́culas. Algunas veces las partı́culas de
modo de nucleación se presentan como un 99 % del número total de partı́culas. Las partı́culas del modo
de nucleación se encuentran compuestas principalmente de condensados volátiles (hidrocarburos y
ácido sulfúrico) y pequeños contenidos de materiales sólidos (ver Figura 2.3).
22
Modo de acumulación: El modo de acumulación se encuentra formado por partı́culas de submicrones
de diámetro hasta los 50 a 500 [nm], con un máximo de concentración entre los 100 a 200 [nm]. Como
se muestra en la figura 2.2, el modo de acumulación se extiende a través de los rangos de partı́culas finas, ultrafinas y nanopartı́culas. Las partı́culas del modo de acumulación se encuentran conformadas de
particulado sólido (carbono y cenizas metálicas) mezcladas con condensados y materiales absorbidos
(hidrocarburos pesados).
Modo grueso: Las partı́culas con diámetro aerodinámico sobre 1 µm contienen 5 % a 20 % del total
de masa de MP y prácticamente no contribuye al número de partı́culas. El modo grueso no se genera
en el proceso de combustión del diesel. Preferentemente, son formadas por medio de la depositación y
el subsiguiente arrastre por convección que proviene de las paredes de los cilindros del motor, sistema
de salida de gases de escape u otro sistema de muestreo de partı́culas.
Figura 2.3: Esquema de MP diesel [9].
Nanopartı́culas: composición y formación
Generalmente las nanopartı́culas diesel están compuestas de la misma forma que el total de MP emitido,
incluyendo carbono elemental, ceniza, hidrocarburo, ácido sulfúrico y agua. Contrariamente a las emisiones
totales de MP, las nanopartı́culas diesel no pueden ser quı́micamente analizadas para determinar su composición. Como resultado, la formulación exacta de nanopartı́culas diesel se ha estudiado a través de experimentos indirectos, llegando a la conclusión que en su mayorı́a son volátiles. En muchos casos, hay compuestos
primarios de hidrocarburos y condensados de ácido sulfúrico, con una pequeña contribución de materiales
sólidos, tal como cenizas y carbono.
La composición de las nanopartı́culas puede ser drásticamente cambiada por el control de las mediciones en las emisiones de los gases de combustión, tal como los filtros de partı́culas diesel o aditivos del
combustible.
Los altos picos de partı́culas a 30 a 40 [nm] desaparecen en los gráficos cuando la muestra es calentada
a 120o C. Lo que es una indicación que las partı́culas incluyen materiales volátiles, presumiblemente hidrocarburos y ácidos sulfúricos hidratados. Como la temperatura se aumenta a 250o C, las altas emisiones de
nanopartı́culas desaparecen casi completamente. Esto se podrı́a concluir para altas emisiones de nanopartı́culas observadas aguas abajo de los filtros de partı́culas, los cuales se encuentran compuestos primariamente
23
de condensado.
Muchas partı́culas representan el tamaño del modo de acumulación (50 [nm]) y el modo de nucleación
(< 7 [nm]), según lo observado prácticamente. Llegando en muchas oportunidades al sobrelapamiento entre
los modos de nucleación y acumulativo, donde una mezcla de partı́culas sólidas y lı́quidas pueden ser encontradas. Para el sobrecalentamiento, las partı́culas sólidas se forman primariamente de carbono y partı́culas
volátiles, además de hidrocarburos. Las partı́culas volátiles podrı́an disminuirse hasta que desaparezcan totalmente. Partı́culas sólidas, por otra parte, podrán disminuir sólo un poco, porque cualquier material volátil
en la superficie podrı́a ser removido, y por el tamaño podrı́a ser estabilizado, aumentando la fracción volátil
en un 97 % o 98 % del volumen de la partı́cula, dejando sólo un 2 % a 3 % para posibles partı́culas no volátiles
que son núcleos sólidos en las partı́culas testeadas. Los resultados obtenidos sugieren hidrocarburos que podrı́an componerse de nanopartı́culas diesel derivadas frecuentemente de aceites lubricantes del motor.
Se cree que el aumento en el números de emisiones es una consecuencia simple de una alta concentración de nanopartı́culas precursoras (HC, SO4 ), combinada con una disminución de masa en los modos de
acumulación. Normalmente, la acumulación de partı́culas actúa como una esponja para las condensaciones
y/o absorciones de material volátil. En la ausencia de las esponjas, las especies de gas se convierten al estado
lı́quido (o sólido), lo que podrı́a nuclear a un gran número de pequeñas partı́culas. La fuerza de manejo de la
conversión gas-partı́cula es la razón de saturación, definida como la razón de la presión parcial de las muestras, esto es, presión de vapor saturado. Para los constituyentes de los SOF y los ácidos sulfúricos, las razones
de saturaciones máximas ocurren durante la dilución y enfriamiento de los gases de combustión y son tı́picamente logrados a razones de dilución entre 5 y 30. Las razones relativas de la condensación/absorción y la
nucleación son una función en la razón de saturación.
La proporción de absorción/condensación es una función lineal de la razón de saturación y la proporción de nucleación; ésta es muy baja a ciertas razones de saturación, pudiendo ser muy alta en la proximidad
de la saturación. Por lo tanto, las razones bajas de saturación favorecen la absorción/condensación, mientras
razones de alta saturación favorecen la nucleación. Las proporciones de absorción/condensación son proporcionales al área de la superficie de MP disponible, porque las mayores cantidades de hollı́n aglomerado
presente en las salidas de gases de escape para tecnologı́as antiguas en motores, proveen una amplia área de
superficie, donde los vapores pueden ser absorbidos y condensados. Esto es lo mismo que ocurre con la proporción de condensación/absorción, ya que la razón de saturación nunca alcanza lo suficiente para producir
nucleación. Una figura opuesta puede verse en los sistemas con pocos modos de acumulación, debido a la
baja disponibilidad de área de superficie del hollı́n, y baja ocurrencia de condensaciones. Esto último ocurre
especialmente para las emisiones de carbono elemental en donde se reduce más que las emisiones de SOF y
SO4 .
Las partı́culas de aerosoles e hidrometeoros son caracterizadas por la distribución de tamaño y com-
24
posición 5 . Después de un análisis comparativo, de cuánto es la variación en diámetro tı́pico, número y
concentración en masa, se desprenden diferentes relaciones, como se aprecia en la tabla 2.6. Se concluye
que el número y concentración en masa de las moléculas de gas son mucho mayor que las que tienen las
partı́culas. El número en concentración de partı́culas aerosoles disminuye con aumentos en el tamaño de las
partı́culas [20].
La distribución del tamaño de partı́culas puede ser dividido dentro de modos, los cuales dependerán
del tamaño del espectro (en espacio de diámetro), en los cuales distintos picos en concentración ocurren.
La distribución de partı́culas puede dividirse de uno, dos, tres o cuatro modos, que son llamados: unimodal, bimodal, trimodal o quadrimodal, respectivamente. Algunos modelos pueden incluir un modo de nucleación, dos modos de subacumulación, y un modo grueso. El modo de nucleación (diámetro medio menor
que 0,1 µm) contiene pequeñas partı́culas emitidas o recientemente nucleadas. Pequeñas nucleaciones a
partı́culas emitidas aumentan en tamaño por coagulación y crecimiento. Sólo algunos gases, como el ácido
sulfúrico, agua y algunos gases orgánicos pesados condensan dentro de las partı́culas. Oxı́geno y nitrógeno
molecular, los cuales se componen en un volumen de gas en el aire, o no.
Tabla 2.6: Caracterı́sticas de gases, partı́culas de aerosol y partı́culas de hidrometeoros ( [20]).
Diámetro
tı́pico(µ m)
Concentración de no
Moléculas o partı́culas (cm−3 )
Concentración en masa
(µgm−3 )
Molécula de gas
0,0005
2,45 ×1019
1, 2 × 1019
Part. de aerosol
Pequeñas
Medianas
Grandes
< 0, 2
0,2-2,0
>2,0
103 − 106
1-104
<1-10
<1
<250
<250
10-20
10-200
200-1000
1000-8000
1-500
1-1000
0,01-1
0,001-0,01
104 − 106
104 − 107
104 − 107
105 − 107
Part. hidrometeoros
Gota de niebla
Gota de nube
Llovizna
Gotas de lluvia
Para movimiento de crecimiento y coagulación, las partı́culas en el modo de nucleación pasan a estar
dentro del modo acumulativo, donde los diámetros son de 0,1 a 2 µm. Algunas de estas partı́culas son removidas por la lluvia, pero ellas son muy delgadas para caer del aire por sedimentación (caer por su propio
peso gracias a la fuerza de gravedad). El modo acumulativo consta de dos submodos con diámetro cercano a
0,2 µ m, 0,5 µ m y 0,7 µ m. El modo acumulativo es importante por dos razones. Primero, las partı́culas de
modo acumulativo afectan la salud, penetrando profundamente en los pulmones. Segundo, las partı́culas de
modo acumulativo se encuentran cerca en tamaño de los picos de longitud de onda de la luz visible y, como
5 Distribución
de tamaño: es la variación de concentración (es decir, número, área de superficie, volumen, o masa de partı́culas
por unidad de volumen de aire) con tamaño.
25
resultado, afectan la visibilidad. Partı́culas en los modos de nucleación y acumulación son juntas partı́culas
finas.
El modo grueso consiste de largas partı́culas con 2 µ m en diámetro. Estas partı́culas se originan como polvo transportado por el viento, volcanes, y otras fuentes. El modo grueso es suficientemente pesado
para sedimentar rápidamente. Partı́culas finas usualmente no crecen por condensación más grande que 1 µ
m. Indicándose que las partı́culas de modo grueso son originadas primordialmente de las emisiones.
En general, el modo de nucleación tiene un alto número de concentración; el modo de acumulación
tiene una gran área superficial, y el modo grueso tiene un alto volumen de concentración. Los tres modos
son notables en el número de distribución.
26
2.1.5.
Microscopio electrónico de transmisión (TEM)
Corresponde a una técnica microscópica a través de la cual un rayo de electrones cruza una muestra muy
delgada, interactuando con la muestra al traspasarla. La imagen se forma de los electrones transmitidos de
la muestra, magnificando o enfocándose gracias a lentes objetivos y apareciendo en la pantalla de imagen,
monitor o detectado por sensores como CCD (Dispositivo de cargas [eléctricas] interconectados, siendo los
últimos los más utilizados, ya que poseen diminutas células fotoeléctricas que registran la imagen. Desde
allı́ la imagen es procesada por la cámara y registrada en las tarjetas de memoria, permitiendo además, el
registro en conjunto con los otros aparatos [7].
Históricamente los microscopios electrónicos de transmisión fueron desarrollados debido al lı́mite de
resolución de las imágenes, el cual estaba impuesto por la longitud de onda de la luz visible. Actualmente,
ya no existe tal limitante debido al uso de electrones que son más pequeños que los átomos, los que permiten
“observar”detalles bajo los niveles atómicos. Transformando la intensidad de electrones en intensidad de luz,
lo cual permite observar las imágenes como si se tratara de una grabación fotográfica.
Muchos adelantos se produjeron a mediados de los años setenta, donde muchas TEMs comerciales fueron
capases de determinar columnas individuales de átomos en cristales, creando un campo de “microscopio de
electrones para alta resolución” o HRTEM.
Principales componentes del microscopio y su uso
Figura 2.4: Esquema de principales partes de TEM. Elaboración propia
27
1. La fuente generadora del haz de electrones es el FEG (Field Emission Gun) ubicado en el Cañón
(Gun).
2. Los lentes condensadores (C1 y C2) son los encargados de controlar el tamaño del haz que llega a la
muestra o “Spotsize” (C1) y de controlar el brillo o intensidad del haz sobre la muestra (C2). Estos
dos lentes son los responsables que el haz sea pequeño y coherente.
3. La apertura del condensador C2 nos permite limitar el tamaño del haz con distintas dimensiones de
diámetros.
4. El lente objetivo (Obj) está ubicado inmediatamente después de la muestra y su función es enfocar la
imagen transmitida, afinando la resolución.
5. La apertura del objetivo limita el haz nuevamente, bloqueando los electrones de ángulos altos difractados.
6. SAD (Selected Area Difraction) es la apertura que selecciona un área determinada de difracción.
7. Los lentes intermedios y proyector (I1, I2 y P) son los encargados de ampliar el haz para hacerlo visible
en la pantalla principal.
Interacción de electrones con el material
Los electrones son un tipo de radiación ionizante, término general dado por la radiación que es capaz
de remover uno de los ajustados enlaces del vı́nculo entre los campos interiores y exteriores de los campos
de núcleos atractivos.
Los electrones, como se observa en la figura 2.5, se comportan de diferentes formas al interactuar con la
muestra. Tales comportamientos pueden dividirse en dos grandes grupos, uno de ellos es la dispersión elástica, la cual permite la formación posterior de imágenes y patrones de difracción, siendo estos últimos de gran
importancia para determinar el grado de ordenamiento de los átomos. La segunda clasificación corresponde a
los electrones dispersados en forma inelástica formando Rayos X o efecto Auger, los cuales permiten obtener
información quı́mica de la muestra analizada.
Los TEM modernos son muy buenos en la generación de señales del tipo instrumental. Y al localizar
tales señales se necesita obtener formas de rayos de electrones muy finas, tı́picamente < 10 [nm] y de
diámetro < 1[nm]. Para conseguir la mejor combinación entre la tecnologı́a TEM y SEM se crea un microscopio de escaneo de transmisión electrónica (STEM). El STEM tiene ambas formas para AEMs y las
imágenes de escaneo del microscopio.
28
Figura 2.5: Señal generada cuando los electrones interactúan con la muestra. [21]).
Dispersión y difracción
La difracción de electrones es una parte indispensable del TEM, y es controlada por la estructura cristalina y orientación de la muestra. Ésta puede ser usada para crear contraste en las imágenes al utilizar dispersión
elástica coherente, siendo además una forma especial de contraste por amplitud producto de la dispersión que
ocurre para algunos ángulos especiales, siendo la ecuación 2.1 (de Bragg) la que rige el fenómeno, y que
permite estudiar las direcciones en las que la difracción de electrones en un cristal, produce interferencias
constructivas, dado que permite predecir los ángulos en los que los electrones son difractados por un material
con estructura atómica periódica (materiales cristalinos).
La interferencia es constructiva cuando la diferencia de fase entre la radiación emitida por diferentes
átomos es proporcional a 2π. Esta condición se expresa en la ley de Bragg:
nλ = 2d sin(θ )
(2.1)
donde:
1. n: Es un número entero.
2. λ : Es la longitud de onda del electrón.
3. d: Es la distancia entre los planos de la red cristalina.
4. θ : Es el ángulo entre los rayos incidentes y los planos de dispersión.
Existe además una relación entre los patrones e imágenes con el área seleccionada de la muestra. Por lo
que el microscopio de electrones puede producir imágenes de niveles atómicos, lo que puede generar una
variedad de señales entregando muestras quı́micas y cristalográficas.
29
Formación de patrones de difracción. Sistema de imágenes TEM
Los lentes objetivos toman los electrones emergentes de la superficie de salida de la muestra, creando
patrones de difracción para luego dispersarlos. La principal función al utilizar el TEM es ver los patrones de
difracción. Y en todas las imágenes subsecuentes se verán los patrones seleccionados de electrones, que han
sufrido modificaciones en sus ángulos particulares de dispersión y formarán las imágenes.
Imágenes de campo brillante (BF) y campo oscuro (DF)
Las imágenes formadas utilizando el microscopio se crean mediante un haz central de electrones, las
diferencias entre cada imagen radica en la manera de elegir los electrones. Se utilizan programas externos
para mover la apertura a fin de que cualquier electrón directo o algunos electrones dispersados vayan a través
de esto. Si los rayos directos son seleccionados como se muestra en la figura 2.6, puede resultar una imagen
de campo brillante (BF por sus siglas en inglés). En caso contrario, que todos los electrones sean dispersados de cualquier forma, se denominarán imágenes de campo oscuro (DF Ídem). Los rangos tı́picos serán de
25.000X - 100.000X.
Las imágenes BF y DF pueden ser vistas en cualquier sistema de magnificación simple. Las imágenes
se forman seleccionando electrones dispersados, los que son utilizados como patrones para desarrollar dos
tipos de imágenes filtradas operacionales en el TEM. La resolución de las imágenes TEM se ven afectadas
al reducir las pequeñas aperturas.
30
Figura 2.6: Diagrama de lentes/aperturas utilizados en combinaciones para producir los campos.[21]).
Imágenes en el TEM
Contraste
La palabra contraste, se puede definir cuantitativamente en términos de la diferencia de intensidad (∆I)
entre dos áreas adyacentes, de la forma siguiente:
C=
(I2 − I1 ) ∆I
=
I1
I1
(2.2)
El contraste se produce debido a que la muestra dispersa en forma in homogénea, por lo que se deben
colectar los electrones para formar los distintas intensidad de imagen. La intensidad se define como la suma
individual de la dispersión atómica y es responsable de formar el contraste, ya que es define por la densidad (número/unidad de área) de electrones que golpean el detector, y es causante de la emisión de luz
subsecuente.
Principios del contraste de la imagen
Contraste masa-espesor
31
El contraste grosor-masa surge de una incoherencia de electrones dispersados elásticamente, produciéndose
dos condiciones para la formación de la imagen a bajos ángulos (< 5o ) domina el contraste de la masa espesor, sin embargo, a un alto ángulo (>5o ) la dispersión coherente es insignificante, pudiéndose recoger una
baja intensidad con un rayo incoherentemente disperso.
Mecanismo de contraste de capa de masa
El mecanismo que tiene diferencia en masa o grosor causado por el contraste se muestra en la figura
2.7. Como los electrones van a través de la muestra hay una dispersión fuera del eje por una interacción
nuclear elástica, lo que se produce por dos factores:
Figura 2.7: Mecanismo de contraste por masa en imágenes de campo brillante . [21]).
La sección que cruza la dispersión elástica es una función de Z (Contraste por densidad de masa).
Al aumentar la capa de muestra, los electrones dispersarán más elásticamente ya que la media de las
direcciones se volverá a ajustar (Dispersión múltiple).
Similarmente, una región espesa dispersará más electrones que una región delgada del mismo promedio
Z, mientras que todos los otros factores se mantengan constantes. Usualmente, la imagen de contraste de la
capa másica es interpretada de manera cuantitativa, aunque se vea posteriormente que es posible cuantificar
una intensidad de dispersión. Para el caso de imágenes BF, que son gruesas y/o poseen grandes masas de
área, aparecerán imágenes oscuras.
Contraste de difracción TEM
La difracción de Bragg es controlada por la estructura cristalina y la orientación de la muestra, pudiendo
crear un contraste en las imágenes TEM. El contraste de difracción es simplemente una forma especial
32
del contraste de amplitud, porque la dispersión ocurre a un ángulo especial. En el caso que los electrones
incidentes sean paralelos se formará una difracción puntual y una fuerte difracción de contraste.
Imágenes de contraste por fase
Contrastes en las imágenes TEM pueden alcanzarse debido a las diferencias de fase de las ondas de
electrones dispersas a través de una muestra delgada. El mecanismo de contraste puede ser dificultoso de
interpretar debido a que es muy sensitivo por muchos factores: la apariencia de las imágenes varı́an con
pequeños cambios en el espesor, orientación, dispersión de factores en la muestra, y variaciones en el foco
o astigmatismo de los lentes objetivos. Sin embargo, esta sensibilidad es la razón del contraste de fase que
puede ser utilizado para imágenes de estructuras atómicas en muestras delgadas.
La distinción más obvia entre las imágenes de fases de contraste y otras formas de imágenes TEM
es el número de rayos recolectados, por la apertura objetivo o en el detector de electrones. Una imagen de
contraste por fase requiere la selección de más de un rayo, lo que permitirı́a aumentar la resolución de la
imagen. Una herramienta denominada TEM de alta resolución (HRTEM), transforma cada punto de una
muestra dentro de una región extensa en una imagen final y como cada uno de ellos es diferente se describe
la muestra como una función, f(x,y). Donde la amplitud toma mucha relevancia, ya que para altas frecuencias
espaciales se relacionan pequeñas distancias. Teniendo como resultado que los lentes objetivos magnifican
la imagen pero confunden los detalles finos, por lo que la resolución es limitada por la “confusión” de la
muestra. Cada punto en la muestra plana se transforma en una región extensa (o disco) en la imagen final y
cada punto de la imagen final tiene contribuciones de muchos puntos en la muestra. Todo lo cual, formarı́a
la visión final con mucho mayor detalle que una imagen normal de TEM.
Espectrometrı́a de rayos X
El XEDS produce un espectro el cual gráfica el conteo de Rayos X (imprecisamente llamado intensidad)
versus la energı́a de Rayos X, dado que los electrones generan dos tipos de Rayos X. Cuando el electrón
ioniza al átomo, la caracterı́stica emisión de Rayos X es única en la ionización del átomo. El XEDS es un
importante instrumento de avanzadas caracterı́sticas, el cual posee muchas de las más avanzadas caracterı́sticas tecnológicas de los semiconductores. Herramienta utilizada principalmente para obtener información
quı́mica de las muestras analizadas.
Principios de XEDS
Actúa por medio de la ionización, donde átomos o moléculas se cargan electricamente debido a la irradiación ionizante, lo que en el caso particular corresponde a rayos-X producidos por el bombardeo de la
muestra con partı́culas, generando de esa forma una partı́cula con carga positiva. Cuando los rayos X interactúan con un elemento, se puede ver fácilmente que cada muestra presenta un espectro diferente. Diferentes
espectros significan que la muestra está compuesta por diferentes composiciones elementales. Aunque toda
la energı́a de rayos X no es convertida a pares de electrones, se atrapan suficientes señales que permitirı́an
distinguir más elementos en la tabla periódica con una buena precisión.
33
Microanálisis cuantitativo de rayos X
Es una técnica de relativa simplicidad, ya que existen pocos problemas en la extracción de datos del
espectro. El microanálisis de los rayos X con rayo de electrones, comienzan con un estudio del volumen
de la muestra, en los cuales los rayos de electrones son totalmente absorbidos, lo que serı́a opuesto a una
muestra delgada, a través de la cual el rayo la penetra. Este tipo de análisis permite obtener información del
número de partı́culas a partir de un espectro EDS.
La técnica de razón de CLIFF-LORIMER
La base de la técnica es la utilización de dos elementos A y B en un sistema binario.
Para medir en forma simultánea la intensidad caracterı́stica del background, que corresponde a Ia e Ib .
Se hace trivialmente, con el XEDS y donde es necesario medir la intensidad estándar.
Se asume que las muestras no son suficientemente delgadas, ya que no pueden ignorar cualquier absorción o fluorescencia.
El porcentaje en peso de cada elemento CA y CB se relaciona con la medición de la intensidad por la llamada
ecuación de Cliff-Lorimer.2.3
CA
IA
= kAB
CB
IB
(2.3)
Donde el factor kAB es el término denominado de factor Cliff-Lorimer. El cual no es una constante, ya
que está relacionado al factor de corrección del número atómico (Z). No obteniéndose un valor absoluto
para CA y CB , siendo necesaria una segunda ecuación y un sistema binario que asume que A y B constituyen
100 % de la muestra, de la forma.
CA +CB = 100 %
(2.4)
Siendo fácilmente extendida a la ecuación y un sistema de altos órdenes, describiéndose en la siguiente
ecuación:
IB
CB
= kBC
CC
IC
(2.5)
CA +CB +CC = 100 %
(2.6)
y
Para el caso que el factor k tenga diferentes pares de elementos de la forma AB, BC, etc. La ecuación toma
la forma:
kAC
kAB =
(2.7)
kBC
34
Resolución espacial
Los mayores esfuerzos en el desarrollo de los microanálisis de rayos X en el AEM fueron orientados al
mejoramiento de la resolución espacial comparada con EPMA 6 . Estas mejoras surgieron por dos razones:
Se usan muestras delgadas que tuvieron como consecuencia, que menos electrones se dispersaron y
que el rayo atravesara la muestra.
La alta energı́a del electrón (>100-400 keV en el AEM comparada con 5-30 keV en el EPMA) tuvo
un mayor impacto al reducir su energı́a.
Los efectos subsecuentes que se producen son una disminución en el promedio libre de caminos para ambas
colisiones: elásticas e inelásticas, lo que aumentarı́a con la energı́a del electrón. Provocando que al aumentar
el voltaje de aceleración se debiera usar muestras más delgadas, lo que disminuirı́a el volumen total de
interacción rayo-muestra.
Definición de resolución espacial
Es posible definir la resolución espacial de microanálisis de rayos X como pequeñas distancias (R) entre
dos volúmenes, los cuales son independientes de los microanálisis de rayos X que pueden ser obtenidos.
Es posible reconocer que los análisis de volumen, y de ahı́ R, es gobernado por la interacción de volumen
producido en la interacción rayo-muestra. La interacción de volumen es una función del diámetro del rayo
incidente (d) y la propagación del rayo (b) causado por una dispersión elástica del rayo sin la muestra. Por
lo que, la medición de la resolución espacial es una función de la muestra, y esto ha hecho dificultoso definir
una medición generalmente aceptada de R.
6 Corresponde
a una sonda de electrones micro-analizador. El cual es un instrumento utilizado fundamentalmente para la conservación no destructivo in situ de análisis quı́mico de muestras sólidas. EPMA es informalmente llamado microsonda electrónica, o
simplemente sonda. La principal importancia de un EPMA es la de adquirir precisamente el análisis cuantitativo y elemental, gracias
a la longitud de onda de la espectroscopı́a dispersiva.
35
2.2.
Metodologı́a
En esta sección se detallará las etapas y procedimiento en la toma de muestras del laboratorio de vehı́culos pesados del centro de control y certificación vehicular (3CV), y el posterior análisis fı́sico-quı́mico de las
muestras obtenidas en el microscopio de transmisión electrónica (TEM).
2.2.1.
Métodos de muestreo de emisiones
Instrumentación y equipos de muestreo
Pruebas en dinamómetro de chasis
El dinamómetro de chasis reproduce la carga e inercia de los vehı́culos cuando se maneja en la ruta.
La energı́a mecánica es transmitida a los rodillos por el manejo de las ruedas, lo que es absorbido de las
siguientes maneras:
Por frenaje hidráulico: la inercia de los vehı́culos durante la aceleración y desaceleración es simulada
por una pareja de volantes de inercias a los rodillos.
Frenado electromagnético: Aquı́ la inercia es proveı́da por volantes de inercia, al igual que en el caso
anterior.
Frenado eléctrico: La máquina podrı́a manejar el vehı́culo durante la desaceleración. Se programa
ayuda para ajustar la carga aplicada como una función de la velocidad de acuerdo con la caracterización
actual de los vehı́culos obtenidos en un circuito.
Para camiones y buses, los cuales son probados en pruebas de bancos de motores, un control manual es
suficiente para los ciclos europeos y de los Estados Unidos. [22]
Método CVS y túnel de dilución
Desde 1982, a pesar del inconveniente de tener un analizador que diluye los gases, todos los paı́ses han
adoptado el procedimiento en que los gases generados durante la prueba, se recolectan y mezclan completamente con el aire ambiente filtrado circundante para mantener una razón constante del flujo bajo condiciones
de uso. Este procedimiento se conoce como Muestreo a Volumen Constante (Constant Volume Sample CVS-).
Los contaminantes regulados (CO, HC y NOx ) son analizados al final de cada secuencia, ambos contenidas en la bolsa de los gases de escape y en la dilución de aire.
Con motores diesel se producen riesgos de condensaciones de hidrocarburos pesados en las bolsas, por
lo que es necesario continuos análisis de los HC desde que las partı́culas son retenidas en un filtro para
gases de escape, los cuales no pueden ser totalmente filtrados, porque los resultados debido a la contrapresión podrı́an alterar la operación del motor y sus correspondientes emisiones. Por ello, un túnel de dilución
36
suficientemente largo es utilizado para homogeneizar la mezcla de aire (aerosol/dilución) del sistema CVS.
[22]
Precauciones
Muchas precauciones deben ser tomadas durante las pruebas con la finalidad de obtener mediciones que
sean válidas y reproducibles. Aparte de las posibles interferencias analı́ticas y de los artefactos que permiten
que se lleve a cabo el ciclo de conducción, se debe tener especial cuidado en las condiciones del vehı́culo a
probar, el cual deberá estar en óptimas condiciones.
En cuanto a los instrumentos de medición se debe tener cuidado en la ruta por donde van los gases
de emisión, como son los manifolds y las tuberı́as, ya que por ejemplo los hidrocarburos iniciales en la fase
de vapor son progresivamente condensados dentro del particulado, aumentando el peso y el contenido de
SOF [16]. Además es importante revisar la posible absorción selectiva y absorciones de ciertos productos en
las paredes de las cañerı́as de conexión y difusión de los gases en el analizador a través de los tubos plásticos
de transferencia como una fuente de error.
En el túnel de dilución que se emplea para la medición de material particulado, es necesario contar con
condiciones isocinéticas, por lo que debe ser más efectiva la imposición de estrictos estándares de materiales
en el túnel [22].
Métodos de medición de emisiones
Método gravimétrico
Una gran proporción de partı́culas diesel se encuentra en un rango de tamaño muy pequeño (nanopartı́culas). Las nanopartı́culas son compuestas de lı́quido condensado de material volátil como hidrocarburo, ácido
sulfúrico y agua, que une la fase lı́quida con partı́culas sólidas, aunque el potencial afecte el tamaño y número
de partı́culas. Vale destacar que la mayorı́a de los instrumentos que miden el tamaño de partı́culas son sensibles, tanto para partı́culas sólidas como lı́quidas.
La masa actual de material particulado presentado por un volumen de gas de escape es determinado
por el método gravimétrico, el cual en la mayorı́a de los casos, está asociado a un sistema de regulación
y cumplimientos de norma, que requiere que se tomen las muestras en conjunto con un sistema CVS y un
túnel de dilución, lo que permite una cantidad de aire suficientemente frı́a y una buena relación aire/gas. Las
partı́culas por este método son recogidas del túnel de dilución por un filtro de teflón cubierto con fibra de
vidrio. Los filtros son pesados en una balanza de alta precisión ubicada en un espacio controlado con temperatura y humedad. El resultado final es usualmente entregado en gramos por kilómetro (g/Km) o gramos
por kilowatt-hora (g/KWh).
Por definición el particulado es medido como cualquier material depositado sobre el filtro de teflón,
el cual se cubre con fibra de vidrio a una temperatura menor a 52◦ C, de tal definición el material particulado
37
diesel incluye no sólo sólidos, sino también algún material lı́quido que puede condensarse en la forma de
gotas o vapor, como ácido sulfúrico o hidrocarburos con alto punto de ebullición.
Influencias generales del muestreo de partı́culas
Las mediciones que muchos laboratorios muestrean presentan considerables variaciones, especialmente
referidos al peso del número de partı́culas, frecuencia desagregada para varios órdenes de magnitud, que
pueden ser difundidos por resultados experimentales, concernientes a los siguientes puntos:
Diferentes equipos de medición y errores en la medición.
La influencia del muestreo de los gases producto de la combustión y parámetros de dilución en las
propiedades y distribución de tamaño de partı́culas diesel.
Para el caso estudiado, en que solamente se obtuvieron muestras del método gravimétrico, el cual establece muy bien las rutinas de mediciones con una buena repetitibilidad para la obtención de material
particulado. Como progresivamente hay más experiencias que pueden seguir siendo recogidas, los métodos
analı́ticos y los instrumentos son cada vez más confiables y exactos. La precisión, repetitibilidad, rangos
de medición, respuestas a condiciones transigentes y, generalmente, la calidad de las mediciones han sido
mejoradas y continuaran siéndolo.
Los gases de salida en los puntos de muestreo y las influencias en las partı́culas son unas consideraciones muy serias, ya que existen ciertos acuerdos en cuanto a los parámetros de muestreo, tal como son la
razón y proporción de dilución, y el tiempo de residencia, el cual tiene un impacto crı́tico en las propiedades
y tamaños de las partı́culas. Esta influencia es especialmente intensa en la estimación del número de concentración y distribución, y opuesta a la concentración de masa/volumen de las partı́culas. Otro punto a
considerar es que la combustión diluida, la cual toma lugar en el túnel de dilución, no es bueno simulando las
diluciones atmosféricas. En efecto, las condiciones en el túnel de dilución pueden ser fácilmente producidas
en forma artificial, o partı́culas artificiales, las cuales no son normalmente encontradas cuando toma lugar la
dilución en la atmósfera.
Las partı́culas de los gases de salida en los escapes son tremendamente diferentes para el muestreo
en el túnel de dilución que cuando son presentados en la atmósfera. A una alta temperatura, las partı́culas se
encuentran compuestas primariamente de sólidos, incluyendo carbono elemental y ceniza. Cuando los gases
son descargados en la atmósfera y mezclados con el aire de la atmósfera, las fases de particulado aumentan
a través de la nucleación, absorción y condensación, lo que es manejado por disminución en la temperatura.
La nucleación permite la formación de nuevas partı́culas, tanto sólidas como componentes de fase gaseosa.
No obstante, la nucleación es usualmente no muy significante para la masa de la concentración, esto puede
acrecentar el número de concentración de las partı́culas por un orden de magnitud. Las partı́culas nucleadas
pueden crecer debido a la coagulación, lo que puede ocurrir por los gases de combustión caliente y durante
la dilución. De la misma forma, otros mecanismos de crecimiento del tamaño de las partı́culas incluyen
38
absorción de moléculas de gas y condensación de vapor en la superficie de la partı́cula. Por otro lado los
procesos que incluyen evaporaciones atmosféricas y la desabsorción de la fracción volátil, producen un cambio al tamaño de las partı́culas. Muchos estudios muestran que las nanopartı́culas desaparecen después de
un tiempo de exposición y las concentraciones en el ambiente pueden disminuir velozmente con el tiempo.
El tiempo de las partı́culas, τ90 , τ99 , se define como el tiempo necesario para reducir la concentración del
número total de valores iniciales por 90 % y 99 %, respectivamente.
Algunas investigaciones que se refieren al tiempo de vida de los aerosoles diesel, establecen que para
condiciones urbanas tı́picas τ90 es del orden de unos pocos minutos y τ99 es del orden de 20 a 30 [minutos].
(Durantes estos perı́odos de tiempo, las partı́culas pueden viajar con el viento sobre una distancia de 100 a
1000[m] y 0,5 a10 [Km], respectivamente).
A continuación se mencionarán los factores más relevantes que influyen en la conversión gas-partı́culas,
incluyendo nucleación, absorción/condensación y coagulación:
Razón de dilución
Enfriamiento
Tiempo de residencia
Temperatura
Humedad
Aerosoles ambientales
Los factores anteriormente mencionados permiten ejemplificar que el proceso de conversión gas-partı́cula es muy sensitivo para una correcta simulación de la dilución atmosférica. Los parámetros de dilución
incluyen la razón de saturación de componentes volátiles, la cual es influenciada por la nucleación de nuevas
partı́culas, tiempo de residencia y las razones tı́picas de dilución que van entre 500 a 1000 veces. La razón
de saturación en los túneles de dilución es considerablemente más colosal que las diluciones atmosféricas,
por lo que las proporciones de dilución son más bajas que los tiempos residuales más largos.
El parámetro importante a considerar es el tiempo de residencia del número de partı́culas, el cual se
mide como el tiempo entre la dilución primaria y secundaria, esto producto que los tiempos de residencia
son probablemente muy breves para permitir la condensación y nucleación de las partı́culas, por lo que cada
partı́cula se encontrarı́a compuesta de particulado sólido. Los picos del modo de nucleación bajo los 10 [nm]
de diámetro podrı́an incluir partı́culas derivadas de las cenizas de aceite. Como las razones de dilución son
aumentadas a 0,4 [s], el número de pequeñas partı́culas aumentan en un orden de magnitud, lo que en consecuencia fue el efecto de la formación de nuevas partı́culas a través de la nucleación en el túnel de dilución.
El que aumente el tiempo de residencia conduce a una coagulación y crecimiento de las partı́culas pequeñas,
39
tal como se indica en la disminución del número e incremento en el diámetro de las partı́culas.
Claramente, en el esquema de uso del muestreo de algunos estudios se podrı́a seleccionar parámetros
de muestreo que obtienen un ancho del rango del número de concentración de pequeñas partı́culas. La medición de la distribución de las partı́culas del túnel de dilución se halla fuertemente influenciada por dificultades
de muestreo producto de problemas en la interacción con las paredes. Estos inconvenientes incluyen: pérdidas en las muestras y adición a las muestras.
La pérdida en las muestras es debido a la depositación de partı́culas en las paredes del sistema de
muestreo por mecanismos como: difusión, depositación inercial y termoforesis. Por otro lado, la adición
de las muestras es causada por un re-ingreso y/o salida de gases con una depositación de material en las
paredes, determinando que muchas condiciones de condensación ocurren en las paredes. Razones que inciden en el aumento de la temperatura de las paredes, causando la condensación de lo evaporado y la adición de
muestras de material, ocasionando la condensación de evaporaciones y agregación de muestras en el material.
Las complicaciones en la medición podrı́an causar un almacenamiento y liberación de partı́culas en los
sistemas de gases de escape y, a su vez, mostrar que las partı́culas diesel podrı́an ser almacenadas en prácticamente todos los componentes de los sistemas de escape, incluyendo las paredes de los tubos, silenciadores
y convertidor catalı́tico.
Muestreo
En cualquier análisis se busca que las muestras sean uniformes y representativas del producto analizado. En el caso de obtener muestras de emisiones, se somete al motor a condiciones estándar en un ciclo de
manejo representativo del vehı́culo.
Para conocer estos ciclos, los vehı́culos son emplazados en un dinamómetro de chasis, lo que permite
tener algún control de las condiciones ambientales (temperatura y humedad relativa). Provocando que cada
muestreo se produzca sin disturbios por las condiciones propias en el uso del vehı́culo.
Protocolo de pruebas en laboratorio 3CV [23]
Las mediciones de emisiones de la flota experimental en estudio se realizaron en el Laboratorio de de
Vehı́culos Pesados del 3CV. El Laboratorio de Vehı́culos cuenta con el siguiente equipamiento:
1. Dinamómetro eléctrico de chasis: Marca AVL -Zöllner, con rodillo simple de 48 pulgadas. La capacidad de inercia máxima es de 30 [ton] y potencia máxima de 300 [kW].
2. Túnel de doble dilución: Marca AV -Pierburg, de acero inoxidable que incluye un sistema de muestreo
gravimétrico para material particulado. Esta configuración cumple con la Directiva Europea 1999/96
EC.
40
3. Sistema de muestreo de volumen constante: Control de flujo por venturi, con sistema de regulación
de temperatura de los gases de escape diluidos mediante un intercambiador de calor. El equipo cuenta
con dos pares de bolsas para la acumulación de muestra de gases de escape diluidos y de aire de
dilución.
4. Sistema analizador de gases: Marca AVL-Pierburg, con método FID (Flame Ionization Detector)
para hidrocarburos totales (HCT) y metano (CH4). Método NDIR (Non-Dispersive Infra-Red) para
monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2). Método CLD (Chemiluminescence Detector)
para óxidos de nitrógeno (NOx) y dióxidos de nitrógeno (NO2).
5. Termodilutor: Comprende un termodilutor de la muestra, regulable en rangos de dilución entre 18 y
1800 veces y de temperaturas de entre 0 y 400o C. El equipo CPC (Condensation Particle Counter),
admite medir las concentraciones de número de partı́culas sólidas en la muestra termoacondicionada,
en rango de tamaños desde 10 nm.
6. Medidor de partı́culas: Equipo marca Rupprecht & Patashnick Co. Inc., modelo Teom Serie 1105,
sirve para medir la concentración instantánea de la masa de partı́culas totales, en microgramos por
metro cúbico.
Los equipos del laboratorio, a excepción del Termodilutor-CPC y Teom, están integrados a través de un Sistema de Automatización que controla y sincroniza la operación de los equipos, registra los valores medidos
y calcula las emisiones de THC, NOx, CO, CO2 y MP durante la prueba en gramos por kilómetro.
Para la determinación de las sustancias contaminantes emitidas, los buses de la flota experimental fueron
sometidos a ciclos de conducción simulados sobre el dinamómetro de chasis. Dichos ciclos son una simulación de las condiciones de carga, velocidad y aceleración a las que es sometido el vehı́culo en la operación
real en la vı́a pública.
Durante el desarrollo del ciclo, la totalidad de los gases de escape son recolectados a través de una
sonda que los conduce al túnel de dilución, donde se mezclan con aire ambiente adecuadamente filtrado,
para generar una muestra diluida. Las condiciones constructivas del túnel permiten una homogenización
de la muestra, la que es posteriormente conducida a los distintos instrumentos de análisis, para la determinación de las concentraciones de cada sustancia en estudio. El flujo de los gases diluidos es conocido y
prácticamente constante, debido al uso del equipo CVS-CFV, que cuenta con Venturis cuyos coeficientes de
calibración conocidos permiten el cálculo de dicho flujo. Para mayor exactitud en la estimación de éste, el
equipo CVS-CFV posee un intercambiador de calor, que regula la temperatura de la muestra diluida.
A continuación se presenta el método de medición para la concentración de cada sustancia en estudio:
Monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2)
41
Para la determinación de estos contaminantes, una muestra diluida es extraı́da desde el túnel de dilución y es conducida hasta el banco analizador de gases IRD. De esta forma la concentración es determinada con una frecuencia de 2 [Hz] y posteriormente integrada para todo el ciclo de conducción,
calculándose la concentración media para ambos contaminantes. Simultáneamente, otra muestra es dirigida a la bolsa de muestreo del equipo CVS-CFV, para ser también acumulada durante todo el ciclo,
la bolsa es analizada al final de la prueba.
Hidrocarburos totales (HCT)
Para analizar este contaminante, se utiliza una sonda calefaccionada a 190 [o C], que conduce la muestra desde el túnel de dilución a un analizador FID. Para este caso, y para el anterior, los valores son
muestreados por el analizador a una frecuencia de 2 Hz y posteriormente integrado para la determinación de la concentración media obtenida para el ciclo.
Óxidos de nitrógeno (NOx)
Para la determinación de esta sustancia, una muestra es extraı́da desde el túnel y conducida a través de
una sonda calefaccionada a 190 [o C], a un analizador CLD, donde es muestreada con una frecuencia
de 2 [Hz], durante todo el ciclo, y posteriormente integrada para calcular el valor medio.
Material particulado
La masa total de MP es determinada a través del método gravimétrico. Para ello, una muestra de los
gases diluidos es conducida a través de filtros que acumulan el material particulado. Dichos filtros
son pesados en una cámara de pesaje a condiciones controladas. La masa es determinada por diferencia del peso del filtro con el MP, menos el peso del filtro medido antes del ensayo. Adicionalmente,
otra muestra es conducida al equipo TEOM, que calcula instantáneamente la concentración de material particulado, por variaciones en la frecuencia de oscilación y masa dispuesta en el filtro de partı́culas.
El protocolo a utilizar en el laboratorio 3CV está compuesto por los siguientes pasos, definidos para
garantizar la representatividad de las emisiones medidas en el dinamómetro del laboratorio:
1. Ajuste de sensores y equipos de recolección de datos
2. Corrida de calentamiento para que tanto el dinamómetro como el vehı́culo entren en régimen
normal de funcionamiento.
3. Ciclo FIGE en sus dos fases, con dos repeticiones por fase.
4. Corrida de calentamiento para que tanto el dinamómetro como el vehı́culo entren en régimen
normal de funcionamiento.
5. Ciclo representativo para la Región Metropolitana según categorı́a, dos fases, dos repeticiones.
42
2.2.2.
Especificación de mediciones
Vehı́culos pesados de carga
Para el caso de los vehı́culos pesados de carga, la principal clasificación corresponde a aquella que
distingue sus PBVs en tres subgrupos: Livianos, Medianos y Pesados. Asimismo, es de gran importancia la
norma de emisión que corresponde al vehı́culo en cuestión.
La Tabla 2.7 resume la clasificación para los vehı́culos pesados de carga, según los aspectos mencionados
anteriormente.
Tabla 2.7: Categorı́as de vehı́culos de carga ( [24]).
No
TIPO
1
Camiones livianos convencional
≤ 7.5
Sin norma de emisión
2
Camiones livianos Tipo 1
≤ 7.5
EPA 91 o EURO I
3
Camiones livianos Tipo 2
≤ 7.5
EPA 94 o EURO II
4
Camiones livianos Tipo 3
≤ 7.5
EPA 98 o EURO III
5
Camiones medianos convencional
> 7.5 y ≤ 16
Sin norma de emisión
6
Camiones medianos Tipo 1
> 7.5 y ≤ 16
EPA 91 o EURO I
7
Camiones medianos Tipo 2
> 7.5 y ≤ 16
EPA 94 o EURO II
8
Camiones medianos Tipo 3
> 7.5 y ≤ 16
EPA 98 o EURO III
Peso Bruto (Ton)
Tipo de norma de emisión
9
Camiones pesados convencional
> 16
Sin norma de emisión
10
Camiones pesados Tipo 1
> 16
EPA 91 o EURO I
11
Camiones pesados Tipo 2
> 16
EPA 94 o EURO II
12
Camiones pesados Tipo3
> 16
EPA 98 o EURO III
Ciclo de conducción
Para la determinación de las sustancias contaminantes emitidas, los camiones de la flota experimental
fueron sometidos a ciclos de conducción simulados sobre el dinamómetro de chasis. Dichos ciclos son una
representación de las condiciones de carga, velocidad y aceleración a las que es sometido el vehı́culo en
condición de operación normal.
En las figuras 2.8, 2.9 y 2.10 se representan los ciclos de conducción especı́ficos para camiones de carga
livianos, medianos y pesados, respectivamente.
43
Figura 2.8: Ciclo de conducción para camiones livianos [24]).
Figura 2.9: Ciclo de conducción para camiones medianos [24]).
44
Figura 2.10: Ciclo de conducción para camiones pesados [24]).
Como se aprecia en los gráficos, la representación de los ciclos de conducción no es de grandes variaciones para cada una de las categorı́as representadas. Resultado al observar la temporalidad a lo largo de los
1200 [seg.] que dura el ciclo. Dividiéndose en la primera parte del ciclo gran cantidad de aceleraciones y
desaceleraciones bajo los 50 [km/h] en los tres casos. Para la segunda parte del ciclo la velocidad se mantiene
en forma constante al llegar cerca de los 60 [km/h] en los ciclos para camiones medianos y livianos, mientras
que se mantiene en 80 [km/h] para camiones pesados.
Flota de camiones muestreados en laboratorio
A continuación en la tabla 2.8 se muestran la flota completa de camiones medida entre el 13 de agosto y
el 25 de septiembre del año 2007, en el laboratorio de vehı́culos pesados del 3CV. Del total de 10 camiones
que fueron considerados en las mediciones de material particulado llevadas a cabo, sólo a tres de ellos se
le midieron las emisiones de material particulado ultrafino a través de grillas de carbono con su posterior
análisis por medio del microscopio TEM, los cuales se detallan en la tabla 2.9.
45
Tabla 2.8: Camiones seleccionados a laboratorio 3CV [24].
Categorı́as
Fecha Medición
Marca
Modelo
Año
PPU
Liviano S/N
25-sep
TOYOTA
DYNA
1986
HV-9525
Mediano EURO I
29-ago
KIA
3600
1996
NU-8942
Liviano EURO I
11-sep
KIA
K2400
1994
LK-6448
Liviano EURO II
10-sep
CHEVROLET
NKR 69
2002
UV-5262
Liviano EURO III
21-ago
KIA
FROINTER II
2006
ZB-3620
Mediano EURO II
14-ago
FORD
CARGO 814
1998
RY-9845
Mediano EURO II
04-sep
HYUNDAI
MIGHTY
1997
RF-5695
Pesado S/N
29-ago
MBz
OM 2233
1987
LY-4221
Mediano EURO III
20-ago
Chevrolet
NQR
2006
WJ-7574
Liviano EURO III
03-sep
kia
Frointer
2005
YP-8855
Pesado EURO III
13-ago
MBz
OM 1728
2005
YZ-5929
Camiones muestreados con grillas de Carbono
La medición de material particulado ultrafino, se realizaron para camiones medianos y livianos, las cuales
se llevaron a cabo en forma aleatoria a la flota analizada. El principal resultado del análisis es que sólo tres
de ellos fueron analizados mediante microscopia electrónica de transmisión y se detallan en la tabla 2.9
Tabla 2.9: Camiones medidos con utilización de grillas [24].
Categorias
Fecha
Medición
Marca
Año
Grillas
Pelı́cula de Carbono
Mediano EURO I
29-ago
KIA
1996
Liviano EURO II
10-sep
CHEVROLET
2002
Óxido de Silicio
1997
Pelı́cula de Carbono
Pelı́cula de Carbono con orificio
Mediano EURO II
04-sep
HYUNDAI
46
2.2.3.
Determinación de procedimiento de toma de muestra en laboratorio 3CV
Para desarrollar la experiencia se eligieron las siguientes grillas:
Carbon Type-A: Pelı́cula de Carbono de grosor entre 15 a 25 [nm], con malla de soporte de 300 orifico.
Silicon Monoxide Type-A: Monóxido de Silicio en un fondo removible de formvar. Malla de cobre de
300 orificios.
”Holey”(Perforated) Carbon Film: Pelı́cula de 3 [mm] con orificios de Carbono.
La finalidad de utilizar grillas con distintas propiedades, radica principalmente en que no existen antecedentes comparables de la utilización de grillas en la toma de muestras diesel; partı́culas que tienen como
caracterı́sticas principal ser amorfas con un alto contenido de carbono elemental. Además de las consideraciones referentes al flujo a que serı́a sometida la muestra, lo que en principio podrı́a romper la pelı́cula que
atraparı́a las partı́culas.
Antes de la elección de las grillas, se determinó que la toma de muestras deberı́a ser en algunos de
los sistemas de medición de emisiones, ya que se necesitaba que las partı́culas estuvieran diluidas en una
buena proporción (alrededor de 1000 veces), por lo que las posibilidades de la toma de partı́culas serı́an los
sistemas de medición: NANOMET, TEOM y Sistema Gravimétrico. Y como los sistemas de medición de
NANOMET y TEOM son máquinas complejas y que no permiten la colocación directa de la grilla, a menos
que se intervenga con alguna salida extra por medio de un compresor, la colocación de la grilla se realizó finalmente en el Sistema Gravimétrico, sin antes comprobar, la no destrucción de la pelı́cula de carbono Lacey,
lo que sustentarı́a las partı́culas y permitirı́a el análisis posterior.
Especı́ficamente, las partı́culas se colocaron en el Sistema Gravimétrico de la forma siguiente:
1. Se debe colocar una grilla de carbono de 3,05 [mm] en la zona de captura de MP sección de análisis
gravimétrico, especı́ficamente en uno de los porta-filtros. En la Figura 2.11 se puede observar las
dimensiones aproximadas de las grillas de carbono, y su relación respecto al lugar donde se dispone;
filtro y porta-filtro respectivo.
47
Figura 2.11: Figura grilla-fitro-porta-filtro. 3CV.
2. Especı́ficamente la colocación de la grilla fue llevada a cabo en la sección de pesaje de filtros, puesto
que existen los instrumentos necesarios para la manipulación de las grillas.
3. Se debió tener especial cuidado en colocar la grilla aguas abajo del primer filtro según el sentido del
flujo, ya que el segundo de ellos presentaba una escasez de partı́culas para análisis.
4. El último punto a considerar es que debió colocar la grilla entre el filtro y el apoyo del mismo. Posición
pensada para que no exista una interferencia en la medición de pesaje de los filtros, dado que no se
desea interferir en las mediciones que debe realizar el laboratorio.
Los ciclos de conducción asociados a la toma de muestras fueron en principio, similares a los que se trabajan en el laboratorio 3CV (CTSA-ETC), pero para el caso de las primeras muestras, se varió el tiempo de
exposición de la grilla al flujo de particulado. En el caso que no sea posible obtener muestras bajo esas condiciones, se modificaron los ciclos de conducción de modo de tener condiciones apropiadas para la obtención
de partı́culas ultrafinas.
Las partı́culas obtenidas se asociaron a toda la información necesaria para una buena caracterización
posterior en el microscopio, como son: ciclo en que se obtienen las partı́culas, caracterı́sticas del vehı́culo,
ubicación de la grilla. Sobre el último punto, como se obtuvieron partı́culas en una grilla experimental, se
ha comprobado que las partı́culas son obtenibles en el segundo porta-filtros, según sentido del flujo. Aunque
la obtención fue exitosa, podrı́a conseguirse un mayor número de partı́culas, por lo que se determinó como
procedimiento, dada la alta cantidad de grillas que se tienen -alrededor de 75-, se intercalaran tanto en el
primer porta-filtros, como en el segundo porta-filtros, dependiendo de la dirección del flujo, indistintamente.
48
Recomendaciones y observaciones
Las grillas deben tratarse con pinzas especiales, las cuales presentan una menor área de contacto. Esto
favorece la manipulación de la grilla y la no alteración o rompimiento de la pelı́cula y membrana de la
grilla. Se recomienda una pinza como la presentada en la figura 2.12, la cual corresponde a una pinza
de acero al carbono y superficie de contacto de 0,08x0,04 [mm] que corresponde al anchoxgrosor de
la punta, respectivamente.
Figura 2.12: Pinzas para manejo de grillas de Carbono [25]).
Para el montaje de la grilla entre el porta-filtro y el filtro de papel, es necesario que se diseñe algún tipo
de fijación para la grilla, ya que ésta puede moverse dependiendo del flujo que circula al momento del
muestreo, añadiendo otra variable más a considerar, la cual serı́a innecesaria analizar. Por el momento,
la totalidad de las muestras se han obtenido sin consideración de tal variable.
R
En principio se recomendó la fijación con un trozo de cinta adhesiva (Scotch),
lo que provocó que
en la mayorı́a de los casos la cinta adhesiva se pegara al filtro de papel, quedando la cinta con parte
del filtro adherido a ella, lo que producı́a una disminución de masa que podrı́a ser considerablemente
influyente para el cálculo posterior.
Una de las principales consideraciones ha sido que las partı́culas deben ser recolectadas en el primer
filtro, según el sentido del flujo, debido a que es posible colectar mayor cantidad de partı́culas, lo que
permite un mejor análisis de las partı́culas recolectadas.
No es influyente en las mediciones, en cuanto a cantidad de partı́culas recolectadas y forma o agrupación de las partı́culas, si éstas son medidas en la primera parte del ciclo en el segundo perı́odo.
No es influyente para el muestreo que las partı́culas sean expuestas a la luz solar, temperaturas ambientales, humedad o presión, ya que cambiarı́an su estructura o composición interna, si es que se encontraran en condiciones similares a las del motor (140-150 o C, presión de combustión -58/60 kg/cm2 -),
por lo que no es necesario tener consideraciones especiales para el transporte o almacenaje de las
muestras.
49
2.2.4.
Método de muestreo por microscopia electrónica
Caracterı́sticas especı́ficas de herramienta TEM
Marca FEI, modelo TECNAI ST F20.
Voltaje aceleración: 200 (Kv).
Modo de operación: TEM (BF, DF), HRTEM, STEM, HR-STEM, SAD, CBED, XEDS.
Especificación analı́tica: Equipado con EDS para análisis quı́mico de una zona de hasta 0,24 nm,
cuantitativo con patrones.
Magnificación máxima 1.050.000X.
Aplicación y uso: Investigación en Ingenierı́a, Ciencia de Materiales y Geologı́a. Permite determinar distribuciones de fases e identificarlas; determinar la estructura (patrón de difracción), tamaño,
defectos cristalinos, todo ello en el volumen (bulk) a escala nanómetro.
Control del microscopio
La interfaz de usuario consiste de un número de elementos separados, las cuales pueden dividirse dentro
de diferentes categorı́as:
Programa principal: Éste consiste en tı́tulos de programas, barras de menú y herramientas. Es básicamente un esqueleto que permite definir dónde, cuándo y cómo son los elementos de interfaz de usuario.
La interfaz provee un número de ajustes de diseño.
Panel de control: Corresponde a un juego de controles que pertenecen entre sı́ y que son desplegados
en un ajuste de las ventanas. Los paneles de control son agrupados en paquetes de trabajo, los cuales
pueden ser seleccionados, a través de las pantallas en la esquina superior de las áreas con el panel de
control.
Panel de información: Consiste de un juego de ventanas desplegadas cerca de la parte inferior de
la pantalla. Además de contener vinculaciones, información de estado del microscopio y mensajes o
preguntas del microscopio al operador.
50
Figura 2.13: Pantalla principal de interfaz de programa para análisis de imágenes por microscopia [21].
Digital Micrograph 3.4 (GATAN)
Interfaz de trabajo microscopio
Digital Micrograph 3.4 (GATAN), el cual permite:
1. Controlar la cámara CCD adosada al microscopio y capturar imágenes digitales.
2. Medir en espacio real (imágenes).
3. Medir en espacio recı́proco (patrones de difracción).
4. Realizar FFT 7 de imágenes en el espacio real.
5. Filtrar imágenes (Bragg filtered image, etc.).
7 Fast
Fourier Transform.
51
6. Procesamiento convencional de imágenes (contraste, gamma, brillo, etc.)
7. Módulo de análisis de partı́culas: lo que determina la forma, radio, área, entre otras caracterı́sticas de
las partı́culas. Permitiendo a posteriori poder realizar análisis estadı́stico de las muestras.
Figura 2.14: Imagen de pantalla GATAN [21].
Grillas de carbono
Según lo expuesto en la metodologı́a, un elemento primordial para obtener las partı́culas de material
particulado son las grillas de cobre, las que permiten observaciones de las partı́culas en el microscopio TEM.
Las caracterı́sticas generales de las grillas son:
Están compuestas de carbono, formvar y la grilla de cobre.
Las dimensiones de la grilla son 3.05 [mm] de diámetro externo.
0.4x 2 [mm] de ranuras simples.
Las diferentes configuraciones de mallas se refieren a la cantidad de orificios que tiene la malla, las
cuales se dividen en: 75 malla de Cobre, 200 malla de Cobre o Nı́quel, 300 malla de Cobre u Oro y
malla de 400 de Cobre.
52
Los filmes de soporte en grillas de mallas finas pueden resistir considerables manipulaciones y son ideales
para muchas aplicaciones, para las cuales se requieren grandes áreas de observación sin barras de grillas de
interferencia. Las mallas de grillas de 200 y 300 que tienen una pelı́cula robusta que permite ver las muestras
sin interferencia que se localizan bajo la pelı́cula del soporte del material.
Figura 2.15: Capas de grilla. [25]).
División de espesores para las pelı́culas de soporte
Los espesores varı́an dependiendo en un número de factores durante el proceso de depositación de las
partı́culas.
Capa de formvar: Medido con un tencor alfa con 200 paso de profilómetro:
Todas las pelı́culas de formvar - 30 a 60 [nm]
Capa de carbono, medidos con una pelı́cula de espesor durante la evaporación:
- En formvar estabilizado con carbón - 5 a 10 [nm]
- En carbón tipo -A - 15 a 25 [nm]
- En carbón tipo -B - 15 a 25 [nm]
- En carbón tipo A ultrafino - 3 a 4 [nm]
- En pelı́culas de carbono ultrafino sobre las pelı́culas con hoyos de carbono- bajo 3 [nm]
Dentro de las pelı́culas de soporte se tienen seis tipos:
Formvar: Una pelı́cula de formvar puro, con cubierta no estabilizada. Estas pelı́culas son usadas con
materiales cubiertos estabilizados o para el soporte de secciones delgadas.
Formvar estabilizado con carbón: La pelı́cula de formvar se haya cubierta con una delgada capa de
carbón. Sus propiedades de conducción eléctrica y calórica ayudan a estabilizar la pelı́cula de formvar
cuando es expuesta al rayo de electrones.
Carbón tipo B: La pelı́cula de formvar es cubierta con una “pesada capa de carbono”. Esta es una
fuerte y versátil pelı́cula de soporte. La pelı́cula puede soportar vigorosas técnicas de preparaciones de
muestra. Si la superficie de carbón es hidrofóbica, la suspensión de la muestra puede ser aplicada a la
superficie del formvar.
53
Carbón tipo A: La pelı́cula de carbón con formvar es removible por el lado opuesto a la grilla. Cuando
el formvar es removido, bañado por el solvente, la pelı́cula de carbón puro se queda. Las pelı́culas de
carbón puro tienden a ser más delicadas que otras con formvar de apoyo y requiere un manejo más
delicado durante la preparación de la muestra que otras pelı́culas de soporte.
Monóxido de silicona: El monóxido de silicona produce un gran soporte resiliente, pudiendo soportar
vigorosas técnicas de preparación. Lo que produce un bajo trasfondo, es estable bajo los rayos de
electrones y es menos hidrofóbico que el carbón.
Pelı́cula de soporte de rede Lacey: Los orificios en la pelı́cula de soporte Lacey varı́an en tamaño de
menos de un cuarto de micrones a más de 10 micrones, haciéndolo ideal para todo tipo de muestras.
Las pelı́culas de soporte Lacey son extremadamente fuertes y resistentes. Los materiales de las muestras
son soportados por una pelı́cula de red, la cual se encuentra en los hoyos de la grilla. Esto permite una alta
definición de la imágen sin los efectos subyacentes del soporte del material. Las pelı́culas de Lacey son
ideales para difracción de electrones en áreas en las cuales se quiere obtener buena calidad en imágenes.
Grillas a utilizar
Pelı́cula de Carbono tipo A
Lacey de Óxido de Silicio (SiO)
Pelı́cula de Carbono con orificios
54
2.3.
2.3.1.
Resultados y discusión
Condiciones
Es de suma importancia tener claridad en los detalles de la metodologı́a, la cual ya es conocida, pero
son las particularidades las que permitirán llevar a un óptimo resultado la obtención de muestras de material
particulado ultrafino, por medio de la utilización de grillas de carbono.
En primer lugar se debió elegir el tipo de grilla a utilizar para la experiencia, donde se consulto sólo
a la empresa TEDPELLA, debido exclusivamente a que ya se habı́a trabajado con tal implementación y se
tenı́a conocimiento de la calidad de los accesorios para microscopia. La empresa distribuidora cuenta con
variados tipos de grillas, las cuales difieren en recubrimiento de sustrato y materiales que la componen, lo
que puede observarse claramente en la sección A.2. Los tipos de grillas seleccionados se basaron en aquellas
con excelente desempeño en microscopia de alta resolución y suspensión de particulado para muestras no
biológicas, según la propia clasificación de la empresa [25]. El principal inconveniente con el distribuidor
radicaba en los tiempos de entrega de los insumos, ya que debı́an importarse desde Estados Unidos, demorando desde la fecha de compra a su llegada alrededor de dos meses y medio. Actualmente se tiene conocimiento
que existe una empresa importadora de insumos para microscopio en nuestro paı́s, la que cuenta con un bajo
stock de grillas.
Al momento de recibir las grillas, se comenzó a coordinar la obtención de las primeras muestras de
material particulado con el laboratorio 3CV, procedimiento que no pudo realizarse en forma inmediata, ya
que se estaba terminando una campaña de emisión de buses para CONAMA R.M.; y una de las condiciones
primordiales de la experimentación, radicaba en contar sólo con muestras en un tipo de vehı́culo. Principal
razón para programar la toma de muestras para alguna fecha posterior, permitiendo de esa forma la entrega
de las grillas de carbono con orificios que se habı́an solicitado en forma posterior al primer grupo de grillas,
contando ası́ con tres tipos de grillas distintas para el muestreo definitivo.
Para la colocación de las grillas deben tomarse ciertas precauciones en la manera en que éstas son colocadas. En la mayorı́a de los casos, la forma de disponer la grilla es con su cara brillante en contra de la
dirección en que captan las partı́culas, ya que dependiendo de la cara que sea expuesta es la eficiencia que se
tendrá en la obtención de las muestras, lo que se detalla a continuación:
La totalidad de las grillas comercializadas por TEDPELLA tienen un lado brillante y un lado posterior
opaco, lo que puede ser distinguido a ojos descubiertos, generalmente los tipos de pelı́culas son especificados
en el nombre del producto y describen el lado brillante de la grilla. Las grillas poseen distintas nomenclaturas
dependiendo de la finalidad y el uso que se quiera dar, la configuración general se describe en la figura 2.16.
55
Figura 2.16: Secciones de grilla de carbono [25].
En forma especı́fica, la disposición de las capas cambia para el caso de grillas con pelı́cula de carbono
ultrafino y carbón tipo A , las cuales tienen la configuración presentada en la figura 2.17. La pelı́cula de
formvar es aplicado en el lado opaco de la grilla y el carbón (o SiO) es depositado dentro del lado brillante.
Los otros materiales pueden ser aplicados en cualquiera de los dos lados, y en cualquier caso permanecen
sobre el carbono (o en SiO).
Figura 2.17: Configuración de grillas tipo-A (finas y ultrafinas) [25].
La mayor preocupación de la gente a cargo del laboratorio, se producı́a debido a la posibilidad que existı́a
que las grillas insertada en el sistema de muestreo gravimétrico pudiera traspasar los orificios con que cuenta
el porta-filtro, obstruyendo en forma posterior algún ducto del sistema CVS o del analizador de gases. En
las primeras tomas de muestras se debió poner especial atención en la forma de ajustar las grillas, lo que
podrı́a producir variaciones al realizar el ciclo de conducción respectivo, pudiéndose provocar movimientos inesperados, que perjudiquen la distribución de partı́culas muestreadas. Para solucionar tal problemática,
R alrededor, provocando que al desmontarse del porta-filtro se
se fijaron las grillas con trozos de Scotch
removieran pequeños trozos del filtro de papel usado para el análisis gravimétrico, provocando diferencias
considerables a la hora de analizar los pesos del filtro, y por ende las mediciones de MP. Como solución a lo
anterior, se desestimó la importancia de utilizar fijaciones para la grilla, y por tal motivo no se fijo la grilla en
el porta-filtro y sólo se sobrepuso entre éste y el filtro de papel. La solución improvisada debe ser mejorada
56
en futuras mediciones, debido a que agrega más parámetros de incertidumbre a los análisis posteriores.
Al momento de contar con las primeras muestras, se estimó si era posible analizarlas mediante la utilización del microscopio, para lo cual debı́an privilegiarse tanto la distribución de partı́culas en la grilla, como
las caracterı́sticas fı́sicas generales que éstas presentaban. Como las muestras fueron consideradas factibles
de ser analizadas por las caracterı́sticas presentadas, se estandarizó el muestreo; dividiendo el procedimiento
en distintas etapas. En primer lugar se creo junto al personal del 3CV una planilla que permitiera identificar y
relacionar los camiones con sus caracterı́sticas especı́ficas y las grillas con que se obtuvieron las muestras, la
principal razón de lo anterior, radicaba en que las grillas al ser entregadas a los funcionarios del laboratorio,
que eran los encargados de tomar las muestras, sólo contaban con un porta-grilla que contenı́a 50 grillas de
pelı́cula de carbono, 25 de SiO y 50 de carbono con orificios. La forma en que cada una de las grillas era
identificada, se producı́a debido al número que determinada la fila en la que estaba contenida y una letra que
identificaba la columna, lo que permitı́a determinar el lugar exacto en que debı́a depositarse. En segundo
lugar, se debió identificar los tipos de grillas utilizadas, posición dentro del porta-grilla y caracterı́sticas del
camión muestreado. La posición dentro del porta-filtro podrá variar dependiendo si las grillas son colocadas
dentro del primer o segundo filtro, según flujo de mezcla aire/emisión. Una de las razones de diferenciar
entre cada porta-filtro, se debı́a a que el primer portafiltro (según sentido del flujo) capturaba mayor cantidad
de partı́culas que su sucesor, debido a que es la primera vez que se filtran tales partı́culas. Se privilegió la
obtención de un gran número de partı́culas, ya que se estaba muy lejos de saturar la grilla y tampoco se
encontraron partı́culas mayores a 5[nm], por lo que no fue necesario ocupar el segundo porta-filtro en el
muestreo.
Cuando se contó con las primeras muestras, no se tomaron consideraciones en el transporte de éstas
debido a que según los trabajos de caracterización de partı́culas [26] y [18] consultados, no era necesario
resguardar las grillas de la exposición al sol, humedad, temperatura o presión ambiente. Sólo se tomaron
precauciones en volver a guardar las grillas desde donde fueron sacadas y registrar los parámetros que permitirı́an saber en que condiciones fueron muestreadas.
Finalmente para el trabajo de las grillas en el microscopio no se hizo necesario ningún tipo de implementación, debido a que el muestreo es realizado exclusivamente por un experto en el tema. El único insumo
correspondı́a a una pinza de baja zona de contacto en su punta, utilizada para el traslado de las grillas de su
empaque (porta-grilla) a la zona de muestreo del microscopio, y viceversa. Al empacarse las grillas, luego
del análisis se mantuvo la precaución de mantenerlas a condiciones ambientales.
2.3.2.
Grillas
Para las tres grillas utilizadas en la experiencia, se presentaron diferentes caracterı́sticas tanto en el
muestreo como su posterior análisis del MP, esto permitió contrastar cualidades y defectos de ellos. Los
análisis de las grillas que se realizaron durante el muestreo no presentaban mayores variaciones, sino fue al
momento de caracterizarlas que se pudo determinar cuales presentaban mejor recolección y análisis HRTEM.
57
Tabla 2.10: Ventajas y desventajas en utilización de grillas.Elaboración propia.
Tipo
Grilla SiO
Ventaja
Desventaja
Más exactitud en espectro
quı́mico1)
Grilla de Carbono
Permite alta
resolución (HRTEM)
Holey Carbon
Permite alta resolución (HRTEM)
Permite análisis quı́mico sin interferencia
No permite alta resolución
(muestra comienza a vibrar)
baja exactitud en la obtención
del espectro quı́mico2)
1) Nula interferencia de carbono.
2) Alto contenido de carbono, proveniente de la grilla.
2.3.3.
Problemas de muestreo
Antes de tomar las muestras fue necesario realizar algunas pruebas para determinar la eficacia del sistema
de medición propuesto, ya que se esperaba encontrar una serie de dificultades propias de las experimentación
realizada por primera vez, siendo alguna de ellas:
Saturación de las grillas por exceso de material particulado.
Destrucción del lacey, debido a un exceso de flujo proveniente de túnel dilutor.
Exceso de partı́culas que superarán el tamaño de 1 [µm]. Esto hubiera provocado una interferencia
en la observación de las partı́culas ultrafinas, ya que la experiencia busca observar partı́culas bajo 50
[nm].
Ausencia de partı́culas alojadas tanto en las pelı́culas de Carbono y/o en el lacey de Óxido de Silicio
(SiO).
Obstrucción de ductos en sistema CVS o analizadores de gases producto de la presencia de grillas que
se hayan movido del porta-filtro.
De las dificultades esperadas, sólo existió una escasez relativa de partı́culas en aquellas grillas que se
instalaron en el segundo portafiltro; entiéndase como segundo portafiltro aquel que se ubica aguas abajo del
flujo. Vale destacar que la primera observación fue realizada en el microscopio de transmisión electrónica
de la facultad de Ciencias Quı́micas de la Universidad de Chile, el que no poseı́a tan alta resolución como
el utilizado en el análisis que se hizo posteriormente. Sin embargo permite, en primera instancia, determinar
la factibilidad de una correcta toma de muestras. La razón de llevar a cabo tal operación fue debido a que el
microscopio utilizado en forma posterior, y en el que se llevó a cabo la toma de muestras, se encontraba en
reparación y se debı́a validar la metodologı́a para comenzar la obtención de muestras definitivas.
Existen muchas condiciones que provocan la formación de MP en el motor, siendo particulares para
58
cada caso. Influyendo factores como la composición del combustible y el sistema de inyección; producto
que se utilizan aceites pesados o residuales con un alto porcentaje de aromáticos o ceniza. Produciendo, por
ende, un rol crı́tico la mezcla entre la carga de aire y el sistema de inyección de combustible en la formación
de partı́culas. [18]
Luego de la validación, se procedió a estandarizar el procedimiento de muestreo de partı́culas. La estandarización constaba, en primer lugar, de un registro que relacionaba grillas con los parámetros en el
muestreo y el tipo de camión que fue sometido al muestreo, además con el análisis preliminar se habı́a
determinado que la grilla de SiO con orificios permitı́a un mejor análisis quı́mico y aquella con pelı́cula
de carbono permitı́a el análisis HRTEM, lo que mediante la utilización de la grilla de carbono con orificio
fueron desestimadas debido a las mejoras comparativas de ésta última.
59
2.3.4.
Caracterización fı́sica
La caracterización fı́sica de las partı́culas tiene dos ámbitos a considerar, los cuales son: morfológicas y
estructura interna (nivel atómico). Estas caracterı́sticas son posibles de analizar gracias a la alta resolución
que se obtiene a través del microscopio (2Ȧ). A continuación se detallan las principales caracterı́sticas fı́sicas
obtenidas de las partı́culas muestreadas.
Morfologı́a
La morfologı́a es una de las principales caracterı́stica de las partı́culas,y en la cual es posible basarse
para una clasificación más generales de ellas. Se toma la combustión del motor como uno de los procesos
que determinan tales estructuras morfológicas; ya que, en algunos casos especı́ficos, es posible relacionar el
lugar y momento en que son producidas con la forma final que presentan. Una de las clasificaciones morfológicas que relacionan las partı́culas formadas con el momento, las separa en dos fases, la primera durante
el proceso de combustión; y la otra como partı́culas formadas posterior a ese proceso, las que se denominan
partı́culas primarias y secundarias, respectivamente. Por otro parte, se han determinado clasificación independientes más especı́ficas que apuntan al tipo de estructura que se forman como: nanocintas, nanotubos,[27]
nanopartı́culas esféricas y membranas [26]. A continuación se clasifican algunas partı́culas dependiendo de
su morfologı́a.
Dentro de la clasificación y caracterización fı́sica es importante destacar que no existe ninguna relación
entre la morfologı́a, estructura interna o composición de la muestra, y la grilla captadora de la muestra.
Nanocintas de carbono
Figura 2.18: Partı́cula diesel [grilla de C]
Figura 2.19: Partı́cula diesel [grilla de C]
60
Nanopartı́culas esféricas
Figura 2.20: Partı́cula diesel [grilla de SiO]
Figura 2.21: Partı́cula diesel [grilla de SiO]
Figura 2.22: Partı́cula diesel [grilla de SiO]
Figura 2.23: Partı́cula diesel [grilla de SiO]
61
Nanopartı́culas esféricas
Figura 2.24: Partı́cula diesel [grilla de SiO]
Figura 2.25: Partı́cula diesel [grilla de SiO]
Figura 2.26: Partı́cula diesel [grilla de SiO]
Figura 2.27: Partı́cula diesel [grilla de SiO]
62
Nanopartı́culas esféricas
Son partı́culas primarias debido a que, en general, tienden a la agrupación. Algunos estudios relacionan
la formación de partı́culas primarias de menor tamaño con los parámetros del motor, como el aumento de
cilindrada. Las partı́culas primarias se caracterizan además por ser generadas por la nucleación de aceites
lubricantes y gases, donde la volatilidad es tan alta como el número de partı́culas[18]. En este sentido, es
importante destacar la forma en que éstas se agrupan; ya que pueden formar una configuración en forma de
núcleos de partı́culas o formación similar a una cadena, y en algunos casos especiales las dos, simultáneamente. Estas formaciones se producen por distintos factores entre los que se cuentan: mayores tiempos de
residencia en la cámara de combustión, altas temperaturas y presión o, en su defecto, todas ellas[28], explicando de alguna forma, que ellas hayan alcanzado la forma más estable conocida. En general, este tipo de
formación se producen en el modo fino en diámetros que van de 0,04-0,1[µm], y son generadas en la mayorı́a
de los casos por la nucleación de aceite volatilizado.
En cuanto a la formación de las partı́culas, se observó que todas ellas se agrupan en forma de racimo, sobreponiéndose unas a otras [29]. Estas partı́culas son encontradas en el rango de 10-80 [nm], en forma
muy densa frambois 8 o más compleja [27].
Cuando las partı́culas se agrupan en formas menos densas, la forma final dependerá de factores aleatorio
relacionado al funcionamiento del motor y a distintos gradientes de presión y temperatura, por lo que no
se agruparán en forma conjunta con otras partı́culas del mismo tipo. Este tipo de partı́culas son formadas
principalmente por hidrocarburos y presentan una forma más liqüidificada a diferencia de las partı́culas de
las figuras 2.25, 2.26 y 2.27, que presentan una forma más redondeada y un mayor grado de aglomeración,
lo que indicarı́a que las partı́culas fueron formadas y aglomeradas sin una alta presencia de hidrocarburos y
presentan una forma más sólida.
Nanocintas de Carbono
Las nanocintas son partı́culas con cadenas de carbono más largas con respecto a las otras estructuras y
que, en la mayorı́a de los casos, se forman a menores temperaturas y condiciones de presión que las otras
formas, siendo una de sus caracterı́sticas principales no agruparse con otras partı́culas del mismo tipo[18].
Vale destacar, que en muchos de los casos las condiciones de formación de ciertas partı́culas se ven afectadas
por los parámetros particulares del motor, produciéndose en alguno de los casos, diferencias considerables
en distintas partes del motor. En ese sentido, es posible encontrarse con gradientes de presión o temperatura
en la cámara de combustión [28], lo que arrojarı́a como resultado que para distintas condiciones de operación
del motor se encuentren partı́culas formadas bajo ciertos parámetros especı́ficos.
8 Término
proveniente de la geologı́a, usado generalmente para describir la formación de minerales sedimentarios. Su nombre
proviene de la palabra francesa framboise, que significa frambuesa.
63
Nanotubos de Carbono
Al igual que las nanocintas la forma de nanotubos son considerados, en la mayorı́a de los casos, como
partı́culas de formación secundaria (sulfatos o nitratos) [26]. Lo que se deduce debido a que se encuentran
sobre la grilla en forma separada y no tienden a agruparse, como ocurre con las partı́culas esféricas; aunque
las formas de aglomeración indican una parcial fusión/coagulación, procesos que provocan una perdida de
ordenamiento de la microestructura[18]. Este tipo de formas es, en algunos casos, producto de gotas de aceite
residual del combustible y partı́culas derivadas de abrasión mecánica (superficies de contacto). Condiciones
que se producen durante la carrera de compresión del cilindro, la cual favorece la formación de emisiones.
A lo que se le suman los procesos de retraso y adelanto en la apertura de las válvulas, las cuales aportan una
gran porción de hollı́n presente en modo fino el cual se oxida y quema. Además se ha notado que nanotubos
y fulerenos 9 pueden componer o estar relacionado al hollı́n o materias carbonaceas [34].
Membrana
Este tipo de estructura corresponde al modo grueso (mode coarse), y donde partı́culas primarias (cerca
de 0,05 [µ m]) son adheridas y parcialmente sinterizadas, 10 constituyendo agrupaciones de partı́culas que
luego son quebradas desde la superficie [18]. Aglomeraciones posteriores indican fusiones parciales de las
partı́culas primarias, perdiendo ası́ la microestructura que se observa.
La diferencia entre la estructura tipo membrana y las otras formas estudiados, sugiere que las membranas se encuentran formadas por elementos pesados, los cuales pueden aparecer producto de partı́culas
residuales del combustible o aceite, luego de la volatilización y quemado de las gotas de combustible [34],
Siendo posible además, que el ácido sulfúrico presente en el sistema disuelva las estructuras “ ordenadas”
producidas en principio. Otra posibilidad es que las partı́culas formadas tengan algunas capas parecidas a
estructuras con cavidades. La parte inerte de las partı́culas consiste en especies de óxidos de metal nucleadas
(vaporizados en la combustión), siendo las siguientes capas formadas por condensación y otras especies de
tipos de ceniza, alquitrán, hollı́n, etc.[18]
9 Los
fulerenos son la tercera forma más estable del carbono, tras el diamante y el grafito, y se presentan en forma de esferas,
elipsoides o cilindros. Los fulerenos esféricos reciben el nombre de nanotubos.
10 La sinterización es un tratamiento térmico donde las partı́culas coalescen por difusión al estado sólido a muy altas temperaturas,
pero por debajo del punto de fusión del compuesto. En el proceso, la difusión atómica tiene lugar entre las superficies de contacto
de las partı́culas a fin de que resulten quı́micamente unidas.
64
Nanotubos de Carbono
Figura 2.28: Partı́cula diesel [grilla de pelı́cula de C]
Figura 2.29: Partı́cula diesel [grilla de pelı́cula de C]
Membranas
Figura 2.30: Partı́cula diesel [grilla de pelı́cula de C]
Figura 2.31: Partı́cula diesel [grilla de pelı́cula de C]
65
Estructura interna
Es importante destacar que el análisis de la estructura interna de las partı́culas, entrega una gran cantidad
de información. El tipo de información entregada supera incluso a los análisis quı́micos o morfológicos que
puedan realizarse a la partı́cula, ya que permite descifrar los distintos procesos de formación involucrado,
permitiendo hacer en algunos casos, secuencias temporales gracias a las formas finales encontradas, como
puede ser el grado de grafitización de las partı́culas.
La base del análisis de las formas encontradas se sustenta en otros estudios similares donde en estudios similares Todo lo cual, es posible gracias al apoyo de otros estudios como, por ejemplo, las estructuras
presentadas en la figura 2.32, la cual presenta de preferencia estructuras de la forma a y d, que son apreciables en las figuras 2.34 y 2.33, respectivamente. La figura a (mononúcleo), también se denomina estructura
de cebolla en alguna literatura [27]. Ésta, la mayorı́a de las veces, es encontrada en diferentes muestras, no
ası́ como la estructura amorfa con varias direcciones (letra b) que no es encontrada fácilmente en el análisis
de material particulado.
Se debe considerar todas las condiciones del motor y sus implicancias en la formación de estructuras, ya
que junto a la formación de estructuras de cebolla, tubo o poliedro; se forman anillos aromáticos de benzeno,
los cuales se asocian a moléculas de alto peso[27].
Figura 2.32: Morfologı́a interna de material particulado.[29]
66
Figura 2.33: Estructura interna multinúcleo
2.3.5.
Figura 2.34: Estructura interna, mononúcleo
Caracterización quı́mica
La caracterización quı́mica realizada mediante TEM es representada en forma espectral, donde se detalla
en forma elemental cada componente. El detalle de los elementos se realiza en forma de picos de intensidad
(ver figura 2.36); a un mayor pico se asocia una mayor presencia del elemento. Los elementos que se encuentran comúnmente en las muestras corresponden a: C, K, Ca, P, Si, Cu, O y Na, otros elementos que no
tienen una presencia constante corresponden a Al, Cl y S. Es importante destacar que la cantidad de carbono
es directamente proporcional al contenido de la grilla.
Como es posible apreciar en la figura 2.36 que corresponde al espectro obtenido de la figura 2.35, especı́ficamente del área encerrada por el cı́rculo. Con respecto al espectro, el elemento con el mayor pico
corresponde a Carbono, el cual es producido casi en forma exclusiva por el proceso de combustión. Con una
menor presencia relativa se encuentran elementos como Sodio, Calcio, Silicio, Cobre y Potasio. Los elementos encontrados en cada espectro se asocian a las emisiones propias de cada uno de los camiones analizados.
Siendo el cobre uno de los elementos con más presencia después del carbono, producto de la interferencia
de los electrones emitidos de la muestra con la grilla. Los otros elementos encontrados son presentados en
la figura 2.38, en la cual existe una diferencia importante con respecto a los otros análisis, ya que presenta
un mayor pico de cloro junto a algunos rastros de aluminio, fósforo y oxı́geno. Por otra parte en la figura
?? se tienen altos porcentajes de Cobre y Sodio, con picos importantes de Azufre y Potasio. La presencia de
algunos elementos como Zinc y Calcio, provenientes del uso de aceite lubricantes que en mucho de los casos
no necesariamente volatilizan, cuando se ven enfrentadas a temperaturas extremas [18].
67
Figura 2.35: Partı́cula diesel, grilla SiO
Figura 2.36: Caracterización quı́mica, figura 2.35 [grilla SiO]
Todo lo anterior denota una diferencia importante en cuanto a la caracterización de cada partı́cula, dependiendo del motor en la cual es producida. Debido principalmente a que en la totalidad de los casos los
motores analizados tienen, de por sı́, diferentes caracterı́sticas en potencia, mantenimiento y en los usos de
combustible o simplemente diferencias constructivas. A lo anterior, además, hay que agregarle el desgaste
68
propio de los componentes como son los anillos, pistones, válvulas, entre otros componentes mecánicos,
provocando la aparición de metales que deberı́an estar ausentes en los combustibles, lo que se aprecia en la
tabla 2.5 (ver capı́tulo 2.1.2, página 22).
Otro componente a considerar que puede influir en la aparición de elementos quı́micos que no son componentes del lubricante pueden ser los aceites utilizados para la lubricación de los componentes mecánicos
del motor[28]. Para tener un mejor juicio, respecto a los valores de metales y contaminantes presentes en los
aditivos, refiérase a la sección A.1. Vale destacar que cada rango contenido depende exclusivamente de las
caracterı́sticas propias del motor, como son: Horas de máquina y aceite, recambio de filtro y marca de aceite,
las cuales determinan las condiciones de formación de cada partı́cula emitida.
En un análisis realizado para el Departamento de Ingenierı́a Mecánica de la Universidad de Chile, por
parte de INGELUBE en los perı́odos de: 20/07/2006, 20/08/2006 y 06/10/2006, a los aceites lubricantes de
8 buses de transporte de pasajeros. Se determinó que existen importantes aportes de elementos quı́micos
de los aceite lubricante a las emisiones, de los cuales se pueden contar: Calcio (1900-2400 ppm), Fósforo
(1000-1200 ppm) y Zinc (1100-800 ppm). En menor medida, Aluminio (6 ppm) y Silicio (25 ppm). Distintos
aportes que podrı́an corresponder a una de las causas de aparición de esos elementos en el análisis quı́mico
como se aprecia en las figuras 2.38 y 2.36. Pero como tales análisis son dependientes de las caracterı́sticas
del vehı́culo a estudiar, en este caso buses de transporte, la relación no es directa, ya que en muchos de los
casos la relación existente dependerá de la concentración, relación combustible/aceite, tipo de inyección, entre otras. Razón por la cual se contactó a comercial Arauco (Empresa importadora y distribuidora de aceite),
a la cual se le solicitó análisis de los aceites que en la mayorı́a de los casos serı́an utilizados en camiones
similares, los cuales se encuentran detallados en la sección Anexos A.1, lo que permitirı́a un análisis directo
de los resultados y la convalidación del análisis llevado a cabo por INGELUBE.
Figura 2.38: Caracterización quı́mica de partı́culas diesel,
grilla SiO
Figura 2.37: Partı́cula diesel, grilla SiO
69
Capı́tulo 3
Modelación de emisiones para vehı́culos fuera de ruta
3.1.
Antecedentes especı́ficos
La maquinaria fuera de ruta se define como cualquier máquina móvil o equipo industrial portátil, no
definida para el transporte de pasajeros o mercancı́as. Destinada y apta para desplazarse sobre el suelo, sea o
no de carretera [30], y que funciona en base a motores de combustión interna.
La maquinaria será dividida según la normativa aplicable, la cual se detalla a continuación.
3.1.1.
Estados Unidos (EPA)
Para el caso de esta clasificación es necesario hacer una diferencia entre equipamiento y vehı́culos fuera
de carretera, ya que Equipamiento fuera de carretera es el término para nombrar a equipos propulsados
por motores fuera de ruta. Mientras que los Vehı́culos fuera de carretera corresponden a vehı́culos que son
propulsados por un motor fuera de carretera.
La clasificación que apunta a la maquinaria es definida por la utilización a que es sometida ésta, en
particular para el caso de la EPA, se relaciona directamente con el uso de los motores. Agregándosele la
forma de funcionamiento de motores, que puede ser: encendido por comprensión (diesel) o encendido por
chispa (gasolinero).
Motores de compresión
Equipos autopropulsados: Utilizados para propósitos duales y desarrollo de otras funciones (Ej.:
tractor de jardı́n, tractor o bulldozers).
Piezas de equipamiento: Las cuales deben mantenerse fijas cuando desempeñan sus funciones. (Ej.:
cortacésped).
Pieza portable y de equipamiento: Son llevadas otro lugar o movidas de su origen. Debiendo incluirse la forma de transporte (ruedas, patines, cargador frontal, carretilla, trailer o plataformas).
70
Motor de ignición por chispa
Motores que son usados para propulsar vehı́culos de competición.
Motores que permanecen en un mismo sitio por un perı́odo mayor a 12 meses consecutivos o cortos
perı́odos de tiempo por razones estacionales. Se entiende como trabajo estacional a aquellos trabajos
cuya operación es de aproximadamente tres meses (o más) por año. Esto no es aplicable a motores que
son removidos permanentemente del lugar.
Para aquellos motores de compresión-ignición fuera de ruta, además se incluye la siguiente clasificación:
1. Motores portátiles de compresión-ignición usados en buques.
2. Motores de compresión-ignición de no-propulsión usados en locomotoras.
3. Motores marinos de compresión-ignición, los cuales tienen un rango bajo los 37 [KW].
4. Motores de aviones.
5. Motores de minerı́a, no aplicable para motores usados bajo tierra en la minerı́a.
3.1.2.
Unión Europea
Este tipo de maquinaria es clasificable en forma general por el funcionamiento del motor, que al igual
que el caso anterior se divide en: encendido por comprensión o por chispa. Teniendo como subdivisión los
rangos de potencia, como se refiere a continuación:
Motor de encendido por compresión: Con un rango de potencia superior a 18 [kW] y menor que 560
[kW] y a una velocidad intermitente. El otro rango de potencia corresponde a los motores con rango
de potencia menor a 18 [kW] y superior a 560 [kW], los cuales son utilizados a velocidad constante.
Detallándose en la tabla3.1.
Motor de encendido por chispa (a gasolina) 1 con una potencia neta menor a 19 KW. Como se aprecia
en la tabla 3.1.
La maquinaria que se incluye para cada categorı́a se detalla a continuación:
1 Todo
motor que funcione por este principio de encendido.
71
Motor de compresión
Tabla 3.1: Maquinaria utilizada con motores de compresión dividida por potencia [30].
Motores de compresión
(18[Kw]< Pot.< 560[Kw]]
Construcción
Cargadores neumáticos
Bulldozer
Tractores orugas
Cargadores sobre orugas
Cargadores tipo camión
Camiones todo terreno
Excavadoras hidráulicas, etc.
Agrı́cola y cultivadores Forestal
Vehı́culos agrı́colas autopropulsados 2)
Manipulación de materiales.
Carretillas elevadoras.
Mantenimiento de carreteras 3)
Máquinas quitanieve.
Equipos auxiliares aeropuertos
Plataforma de trabajo aéreas
Grúas móviles.
Motor a gasolina
Tabla 3.2: Maquinaria con motores a gasolina [30].
Motor a gasolina 1) Pot.< 19 [KW]
Cortacéspedes.
Motosierras.
Generadores.
Bombas de agua.
Cortadores de maleza.
3.1.3.
Normativas
Como una de las principales metas del presente trabajo es poder realizar la primera aproximación a
una regulación de la maquinaria fuera de ruta, por medio de la creación de un modelo de emisiones, es
de suma importancia contar con las principales normativas internacionales sobre el tema. Siendo las de la
Unión Europea y Estados Unidos las que han sido más ampliamente desarrolladas, razón por la cual serán
abordadas a continuación. En la figura 3.1, se presentan en forma resumida los valores por potencia de la
maquinaria en un rango entre los años 2001 al 2015.
72
Figura 3.1: Normativa de emisiones para vehı́culos fuera de carretera de la EPA y EU. [35]).
73
Figura 3.2: Normativa de emisiones TIER I-IV. [35]).
Unión Europea
Los valores anteriormente presentados en la figura 3.1 son producto de la directiva 97/68/CE, realizada
el 16 de diciembre de 1997, la que corresponde a la normativa base para vehı́culos fuera de ruta de los
estados miembros de la Comunidad Europea. La cual tiene como principio fundamental: “Que todas las
personas deben estar protegidas contra los riesgos reconocidos que la contaminación tiene contra la salud;
enfocándose principalmente en controlar las emisiones de Dióxido de Nitrógeno (NO2 ), partı́culas (PT),
Monóxido de Carbono (CO), Ozono troposférico (O3 ) y sus consiguientes repercusiones sobre la salud y el
medio ambiente. Reduciendo, a su vez, las emisiones de los precursores de ozono, como son el óxido de
nitrógeno (NOx ) e hidrocarburos (HC). Con el fin de evitar los daños causados al medio ambiente producto
de la acidificación del medio. Además la comunidad firmó el año 1992 el Protocolo de la CEPE sobre
reducción de los compuestos orgánicos volátiles (COV) y se adhirió el Protocolo sobre la reducción de NOx ,
en diciembre de 1993.”[30]. Para más detalle del análisis de los gases, toma de muestras y/o determinación
del contenido de partı́culas, refiérase a las secciones B.1.1 y B.1.
Modelo NONROAD2005
La EPA ha desarrollado un inventario de emisiones para fuentes móviles (fuera de ruta), lo cual cubre
todos los equipos, exceptuando: locomotoras, aviones y buques comerciales. Obteniéndose como resultado
del inventario, gracias al manejo de información un modelo de emisiones para este tipo de vehı́culos. El cual
permite comparar y calcular las emisiones de los gases de escape para: HC, CO, NOx , MP y SOx ; junto al
consumo de combustible, para motores diesel y de encendido por chispa. El nivel de detalle del modelo incluye distintos tipos de combustible (diesel, gasolina, LPG y CNG), categorización de fuentes individuales,
rango de potencia, áreas geográficas (a lo largo del paı́s, estados o condados) y temporadas (anual, estacional
o mensual) para un rango temporal entre 1970 y 2050. Para tener un mayor detalle del parque caracterizado
y el cálculo de las emisiones, es necesario referirse a la sección B.2.2.
74
Regulación ambiental
Las regulaciones ambientales tienden a restringir ostensiblemente las distintas emisiones tanto de fuentes
fijas como móviles a través del tiempo. Para el caso especı́fico de la maquinaria fuera de ruta, los vehı́culos
se rigen por las normativas denominadas TIER; las que se dividen en 5 categorı́as (Fase 1, 2, 3A, 3B y 4)
como se aprecia en la figura 3.2 y con un mayor grado de detalle en la sección B.2.5, ya que cada regulación,
por ejemplo, tiene asociada especificaciones para el motor.
Ajuste de Azufre en el combustible
Las emisiones de MP se encuentran estrechamente ligadas al contenido de Azufre del combustible que es
quemado, ya que en muchos de los casos el combustible, aceite y/o componentes sulfúricos son parcialmente
quemados o simplemente no se queman, produciendo Dióxido de Azufre o Trióxido de azufre.
Dado que el contenido de azufre en el diesel puede variar considerablemente, es importante establecer
los factores de emisión para MP. Razón por la cual se debe determinar un factor de ajuste para emisiones de
MP, que para el caso del modelo NONROAD2005 corresponderı́a a 0,33 % de peso. Factor que fue obtenido
gracias a pruebas realizadas a nueve motores diesel con dos niveles de azufre en el combustible. Para el
primer grupo se utilizó un combustible de carretera con un nivel de azufre de 0,035 % en peso, mientras
que para el segundo caso se midió el tı́pico combustible diesel utilizado para vehı́culos fuera de ruta con un
nivel de azufre de 0,28 %. Análisis que entregó como resultado un valor superior a los dos casos estudiados,
obteniéndose el valor de 0,33 % de peso.
3.1.4.
Modelo California (CARB)
La Junta Directiva de Recursos de Aire de California o CARB 2 es una de las principales fuentes que
provee datos de emisiones tanto para vehı́culos fuera de carretera como para vehı́culos que las utilizan, lo que
corresponde a información base para futuras regulaciones. Al igual que el inventario de emisiones realizado
por EPA la información recopilada por CARB permitió el desarrollo de su propio modelo para estimar las
emisiones tanto para vehı́culos en carretera o fuera de ésta, para el primer caso se ha desarrollado el modelo
EMFAC2002. En cambio, para el caso de los vehı́culos fuera de ruta, aunque han existido varios modelos de
entrada como parte del análisis de la información obtenida, los modelos nunca se han publicado.
Regulación ambiental
Al igual que en el caso de EPA, la regulación se detalla para diferentes tipos de motores, siendo en el
caso de la normativa de California más especı́fica. Partiendo de la generalidad de la división de motores de
ignición por chispa y diesel, para luego subdividirla por tamaño del motor y las fechas en que entran en
vigencia, todo lo que puede verse en detalle en la sección B.2.12.
2 California
Air Resources Board.
75
3.1.5.
Normativas alrededor del mundo
En general, otros paı́ses adecuan sus normativas a lo que solicita Estados Unidos y la Unión Europea,
ya que en principio éstas son más exigentes, lo que puede observarse en forma más especı́fica en la sección
B.2.17. A continuación se hace un extracto de las normativas a motores diesel fuera de ruta en el mundo.
Tabla 3.3: Normativas motores diesel fuera de ruta. [31]
Paı́s
Normativa
Canadá
Propuesto: Alineamiento en US EPA Tier 2 y Tier 3
Croacia
Directiva 77/537/EEC y Directiva 97/68/EC-ECE R24.
India
Tractores agrı́colas y forestales: Las normativas se
denominan TREM II y III. TREM III: Abril del 2005:
HC+NOx : 9,5 [g/kWh]; CO:5,5 [g/kWh]; MP: 0,8 [g/kWh]
PR de China
EU Fase 1 97/68/EC: 01 Ene 06
EU Fase 2 97/68/EC: 01 Ene 09
Rusia
Singapur
Directiva 77/537/EC y Directiva 97/68/EC
La normativa para motores fuera de ruta diesel podrı́a cumplirse
en Agosto del 2000; cumpliendo los estándares de Japón, USA o Europa.
Korea del Sur
La construcción de motores y equipamiento industrial:
Korea tendrá las normativas equivalentes a Tier 3: 01 Ene 2008
Combustible diesel: densidad 815-855 [kg/m2 ]; azufre <30 [ppm](07 Ene 2006)
Suiza
Directiva 77/537/EC. Los motores diesel estacionarios y motores a gas:
Máximo MP ≤ 50 [mg/Nm3 ]. Los equipos que son utilizados bajo
tierra deben usar filtros DPF (< 50[kW ]) < 2[hr/cambios].
Para la construcción general es necesario que se utilicen filtros
DPF. Para motores > 37 [kW]; por 01 Sep 2003. 18-37 [kW]: por 01 Sep 2005.
Turquia
3.1.6.
Directiva 77/537/EC y Directiva 97/68/EC.
Número de máquinas
En la tabla 3.4 se detalla la cantidad estimada de máquinas existentes a la fecha dentro de la Región
Metropolitana. La información fue recopilada a través de los principales distribuidores de maquinaria, mediante sus ventas históricas.
76
Tabla 3.4: Caracterización de número de máquinas en la Región Metropolitana (Elaboración propia).
3.1.7.
Tipo de maquinaria
Número de máquinas
Eexcavadoras
808
Grúas horquilla
274
Motoniveladoras
522
Tractores fuera de ruta agrı́colas
422
camiones fuera de ruta
75
Pavimentadores
52
Rodillos o compactadores
80
Cargadores frontales con ruedas
1236
Retroexcavadoras
898
Camión articulado
19
Bulldozer
36
Manipulador telescópico
53
Minicargador
536
Miniexcavadora
12
Total
5023
Nivel de Actividad y Factores de emisión
La información base recopilada para comenzar el trabajo, luego de tener una buena aproximación del
número de máquinas, es referida al nivel de actividad que presenta la maquinaria, la cual se detalla en extenso en la tabla B.34, en la cual se hace referencia a la maquinaria de mayor utilización por rubro. Detallando
el funcionamiento promedio, vida útil, antigüedad del parque y el rango de potencia que poseen. Para un
mayor detalle de lo anterior refierase a la sección B.3.2.
Además en la tabla B.37 se resumen los principales factores de emisión, para una potencia promedio
de la maquinaria, para los contaminantes: ROG, CO, NOX, SOX, MP y CO2 . Para un mayor detalle de los
factores asociados a otro tipo de maquinaria y asociado a otras potencias véase la sección B.3.3.
77
Tabla 3.5: Nivel de actividad maquinaria fuera de ruta ([37]).
Equipo
Maq.
Func.
X̄
Func.
Semanal
Vida
Útil
Data
Parque
Rango Pot.
HP
(hr/dı́a)
Excavators
(excavadoras)
Minerı́a
Construcción
20
20
Lunes a Sábado
Lunes a Viernes
5 años
5 años
5 años
5 años
25-750
Industrias
Industrias
12
12
Lunes a Viernes
Lunes a Viernes
7 años
7 años
10 años
10 años
50-500
Graders
(motoniveladoras)
Minerı́a
Construcción
18
12
Lunes a Sábado
Lunes a Viernes
5 años
5 años
5 años
7 años
50-750
Tractors
Tractor agrı́colas
Agrı́cola
8
Lunes a Sábado
7 años
10 años
120-100
Pavers
(pavimentadores)
Construcción
8
Lunes a Viernes
7 años
7 años
25-500
Rollers
(rodillos o
compactadores)
Minerı́a
Construcción
Rellenos Sanit.
16
12
12
Lunes a Sábado
Lunes a Viernes
Lunes a Domingo
3 años
5 años
5 años
3 años
7 años
10 años
15-500
Rubber
Tired Loaders
(cargadores
frontales
con ruedas)
Minerı́a
Construcción
Forestal
Agrı́cola
Rellenos Sanit.
20
20
10
10
12
Lunes a Sábado
Lunes a Viernes
Lunes a Sábado
Lunes a Sábado
Lunes a Domingo
3
5
5
5
5
años
años
años
años
años
5 años
7 años
7 años
10 años
10 años
25-1000
Backhoes
(retroexcavadoras)
Minerı́a
Construcción
Forestal
Agrı́cola
18
20
12
10
Lunes
Lunes
Lunes
Lunes
3
5
5
5
años
años
años
años
5 años
7 años
10 años
10 años
25-750
Bulldozer
Minerı́a
Construcción
20
12
Lunes a Sábado
Lunes a Viernes
3 años
5 años
5 años
7 años
120-1000
Manipulador
telescópico
Industrias
Construcción
Minerı́a
12
12
18
Lunes a Viernes
Lunes a Viernes
Lunes a Sábado
5 años
5 años
3 años
10 años
10 años
7 años
120-250
Minicargador
Industrias
Construcción
Minerı́a
16
20
18
Lunes a Viernes
Lunes a Viernes
Lunes a Sábado
7 años
7 años
5 años
10 años
10 años
7 años
50-175
Forklifts
(grúas horquilla)
78
a
a
a
a
Sábado
Viernes
Viernes
Sábado
Tabla 3.6: Factores de emisión ([37]).
3.1.8.
Equipment
Max.
ROG
CO
NOX
SOX
MP
CO2
HP
(gr/hr)
(gr/hr)
(gr/hr)
(gr/hr)
(gr/hr)
(gr/hr)
(excavadoras)
175
81.30
306.53
630.36
0.57
36.02
50903.37
(grúas horquilla)
175
42.37
151.62
318.62
0.29
18.88
25426.09
(motoniveladoras)
175
94.03
342.02
737.44
0.63
41.13
56210.42
(tractores
agrı́colas)
175
119.78
400.97
916.66
0.67
51.46
59156.91
Pavers
(pavimentadores)
120
87.13
246.28
506.76
0.37
43.47
31387.28
(rodillos o
compactadores)
175
79.31
290.23
643.86
0.55
33.91
49054.73
(cargadores
frontales)
175
79.81
291.44
628.20
0.54
34.87
48224.26
(retroexcavadoras)
120
53.48
170.01
316.58
0.28
28.79
23463.68
Bulldozer
175
119.78
400.97
916.66
0.67
51.46
59156.91
Minicargador
175
42.37
151.62
318.62
0.29
18.88
25426.09
Miniexcavadora
25
10.01
32.12
65.32
0.10
4.16
7679.02
Inventario de emisiones 2005
Tabla 3.7: Resumen de emisiones de MP, CO, HC y NOx inventario 2005 ([11]).
Maquinaria
MP10
MP2.5
CO
NOx
HC
Aeropuerto
2,84
2,54
1944,36
546,66
270,47
Agrı́cola)
Áridos)
Camiones (áridos)
Construcción
Sanitarios
Camiones (sanitarios)
Subtotal
39,08
96,4
0,48
14,34
0,83
0,49
151,63
35,96
88,69
0,44
13,19
0,77
0,45
139,5
203,78
NE
1,78
59,92
3,58
1,83
270,89
216,18
NE
8,03
182,21
12,1
8,08
426,6
35,05
NE
1,03
12,75
0,72
0,28
49,83
TOTAL
154,47
142,03
2215,25
973,25
320,29
79
3.2.
3.2.1.
Metodologı́a para estimación de emisiones
Metodologı́a determinı́stico
General
Para el cálculo de emisiones de fuentes móviles fuera de ruta se utiliza la metodologı́a EPA descrita en el
documento “EPA420-P-04-009, April 2004, NR-009c, Exhaust and Crankcase Emission Factors for Nonroad
Engine Modeling–Compression-Ignition”. Estas fuentes serán consideradas como fuentes de zonales y no de
arco. Lo anterior, debido a la dificultad de localizar geográficamente el lugar de emisión. Tal metodologı́a
es ampliamente utilizada debido a que es conocida en su totalidad y con el detalle de todos los factores a
considerar.
Particular
La metodologı́a que se utilizará para estimar las emisiones en el presente trabajo, será la que detalla en el
documento EPA420-P-04-009, April 2004, NR-009c [36], ya que la totalidad de sus factores y metodologı́a
es completamente aplicable a la maquinaria circunscrita dentro de nuestra realidad local. Referente a tal
metodologı́a se variará el nivel de actividad de la maquinaria, el cual será más preciso que los valores promedios aportados por tal método de modelación. No obstante, se analizara sólo la maquinaria más comercializada, según información aportada por los importadores de este tipo de vehı́culos. Especı́ficamente, los tipos de
maquinaria terrestre consideradas dentro del estudio son aquellas asociadas a los sectores: agrı́cola, minerı́a
y construcción, ya que son los principales sectores de utilización de la Región Metropolitana.
80
Caracterización del parque a utilizar
Dentro de la amplia gama de maquinaria que existe en el mercado, en la figura 3.3 se detalla la maquinaria
que se considerará para realizar la modelación de emisiones para vehı́culos fuera de ruta, las cuales representan cerca del 80 % de las máquinas que son importadas por las principales empresas. éstas a su vez,
representan el 70 % de las importaciones de maquinaria del paı́s.
Figura 3.3: Máquinas consideradas para el modelo de emisiones. [37]).
81
Diagrama para modelación de emisiones para vehı́culos fuera de ruta
En la figura 3.4 se detallan los principales parámetros involucrados en la modelación de emisiones para
vehı́culos fuera de ruta.
Figura 3.4: Máquinas consideradas para el modelo de emisiones. Elaboración propia
La modelación de emisiones toma como base una metodologı́a que se basa en la aplicación de distintos
factores, los cuales permiten determinar las caracterı́sticas de la flota a considerar. Ya que se toma en cuenta
el deterioro de los vehı́culos, la carga a los que son utilizados y el contenido de Azufre, entre otros.
82
Factores de cálculo
Para el cálculo de emisiones de fuentes móviles fuera de ruta se utiliza la metodologı́a EPA descrita en
el documento [32].
Esta metodologı́a se basa fundamentalmente en la ecuación 3.1:
Ei,k = EFi · Tk ·Ck ·W
(3.1)
Donde:
Ei,k : Emisiones del contaminante i producidas por un vehı́culo tipo k [gr].
EFik : Factor de emisión del contaminante i para los vehı́culos tipo k [gr/h].
Tk : Tiempo de operación promedio de los vehı́culos del tipo k[h].
Ck : Porcentaje de carga (respecto a la potencia nominal) durante la operación normal de los vehı́culos tipo
k.
W: Potencia nominal [HP]
Ajuste del Factor de Emisión
El factor de emisión debe ser ajustado según:
EFad j (HC,CO, NOX ) = EFSS · DF · TAF
(3.2)
Donde:
EFad j : Factor de emisión ajustado (g/hp-hr).
EFSS : Factor de emisión en caliente (g/hp-hr).
TAF: Factor de ajuste transiente.
DF: Factor de deterioro.
Factor de deterioro
DF = 1 + A(FE)b ParaFE ≤ 1
(3.3)
DF = 1 + AFE > 1
(3.4)
FE: Factor de edad A: Constante según tipo de contaminante/tecnologı́a.
b: Constante, para vehı́culos diesel se considera b=1 para un factor de deterioro lineal.
Factordeedad =
horasacumuladas · f actordecarga
vidamediaacargacompleta
83
(3.5)
Tabla 3.8: Factor de deterioro (A) para motores diesel fuera de ruta. [32]
Contaminante
Factor de Deterioro (A) ( % aumento/ % vida útil)
Base/Tier 0
Tier 1
Tier 2
Tier 3+
HC
0,047
0,036
0,034
0,027
CO
0,185
0,101
0,101
0,151
NOX
0,024
0,024
0,009
0,008
MP
0,473
0,473
0,473
0,473
Factor de carga
Se utilizan valores de factor de carga de 78 % obtenido del documento AP42 y una utilización promedio
anual de 800 horas [33]. Se consideró un factor de edad > 1 debido a que no se cuenta con información
exacta de la antigüedad de la maquinaria.
En la tabla 3.9 se detallan los factores de carga y potencia utilizados en el cálculo para cada tipo de máquina.
Vale destacar que para algunas máquinas a considerar en el modelo, no se encontró información, por lo que
se completó gracias a la utilización de proyecciones para la obtención de tales valores, dependiendo de las
cilindrada de la máquina y su funcionamiento.
Los valores utilizados fueron los siguientes:
Tabla 3.9: Valores utilizados para factor de carga y potencia, según tipo de maquinaria. [33]
Maquinaria
Ck
W (Hp)
Retroexcavadora Chica
0,5
80
Retroexcavadora
0,53
228
Cargador Frontal
0,5
80
Compactador
0,8
40
Vibrador de Hormigón Chico
0,8
10
Grúa
0,3
5
Factor de Ajuste transiente
El detalle de la maquinaria y sus valores especı́ficos pueden ser encontrados en la sección de Anexos.
B.3. A continuación en la tabla 3.10 es posible encontrar los principales factores de ajuste transiente, que se
utilizarán para la modelación.
84
Tabla 3.10: Resumen de factores de ajuste transiente. [32]
Tipo de equipo
HC
CO
NOx
MP
Cargador frontal
2,29
Bulldozer
1,05
2,57
1,1
1,97
1,53
0,95
Retroexcavadora
1,23
2,29
2,57
1,1
1,97
Excavadora
1,05
1,53
0,95
1,23
Minicargador
1,05
1,53
0,95
1,23
Rodillo compactador
1,05
1,53
0,95
1,23
Asfaltadora
1,05
1,53
0,95
1,23
Motoniveladora
1,05
1,53
0,95
1,23
Tractor Agrı́cola
1,05
1,53
0,95
1,23
Factor de ajuste MP10
Existen importantes diferencias en la emisiones de Material Particulado, dependiendo del contenido de
azufre que tenga el combustible. Y para poder cuantificar tales variaciones EPA ha calculado,según mediciones propias, el efecto marginal promedio de estas diferencias, resultados que en forma detallada se presentan en la sección B.3.
Luego de haber realizado tales cálculos, se obtuvo como valor promedio 0,15, el cual corresponderı́a al cambio promedio en emisiones de Material Particulado por gramos de azufre consumido. Dando como resultado
un cambio en las emisiones de producto del Azufre contenido en el combustible, pudiendo ser expresado en
gramos de azufre consumido en el combustible. Y donde se deduce que el MP sulfatado posee 7 gramos de
sulfato por gramo de azufre. Por lo que se obtiene la siguiente relación: 0,175/7= 0,022; que corresponden a
los gramos de azufre de MP por gramo de combustible consumido, el cual es una fracción de azufre convertido a MP [32].
La emisión de MP depende del contenido de sulfuro en el combustible, por tanto el factor de emisión para
MP se calcula usando las fórmulas 3.6 y 3.7
EFad j (MP) = EFSS · TAF · DF − SPMad j
(3.6)
SPMad j = BSFC · 453, 6 · 7, 0 · soxcnv · 0, 01 · (soxbas − soxdsl)
(3.7)
BSFC : Uso de combustible (lb/hp-hr).
453,6 : conversión de libras a gramos.
7,0 : gramos de MP sulfato / gramos MP sulfuro.
SPMad j : Factor de ajuste de emisión por variación de contenido de sulfuro en el combustible.
soxcnv : gramos MP sulfuro por gramos de sulfuro combustible consumido.
0,01 : conversión de porcentaje a fracción.
soxbas : porcentaje de peso por defecto de sulfuro en el combustible.
soxdsl : porcentaje de peso de sulfuro en combustible.
85
Existe un valor base para soxcnv = 0,022 y para soxbas el valor por defecto es de 0,33.
Tabla 3.11: Resumen de ajuste MP10, dado el nivel de S de R.M.[32]
BSFC
Factor ajuste MP10
Cargador frontal
0,367
0,07
Bulldozer
0,367
0,07
Retroexcavadora
0,367
0,07
Excavadora
0,367
0,07
Minicargador
0,48
0,09
Rodillo compactador
0,367
0,07
Asfaltadora
0,48
0,09
Motoniveladora
0,367
0,07
Tractor Agrı́cola
0,367
0,07
Caracterización del número de máquinas en la Región Metropolitana
Del total de máquinas que se obtuvo información, sólo se tomarán aquellas más relevantes, en cuanto a
mayores potencias y/o mayor número de ventas. Lo cual se detalla en la tabla 3.12.
Tabla 3.12: Máquinas utilizadas en análisis (Elaboración propia).
Maquinaria
No de máquinas
Excavadoras
808
Motoniveladoras
522
Tractores fuera de ruta agrı́colas
422
Pavimentadores
52
Rodillos o compactadores
80
Cargadores frontales con ruedas
Retroexcavadoras
1.236
898
Bulldozer
36
Minicargador
536
Total
4.590
De la tabla anterior, se desprende que del total de máquinas caracterizadas se está considerando sólo
un 91 % del total de máquinas para efectos del cálculo de las emisiones. Esto debido a que el cálculo se
complicarı́a innecesariamente si se trabaja con las 5.023 máquinas ya que se deberı́an agregar cinco tipos de
máquinas más.
Nivel de actividad
En las tablas B.34 y B.35 de la sección de Anexos, se presentan los valores sobre nivel de actividad,
dividida por las potencias para cada una de ellas.[37]
86
Los niveles de actividad y la flota de maquinarias estimada se obtuvieron de encuestas realizadas a los
principales distribuidores de éstas en la Región Metropolitana y personas que utilizan este tipo de máquinas.
Las tablas 3.13 y 3.14 resumen la información recopilada.
Por otro lado, se recopiló información del Ministerio de Transportes y Telecomunicaciones (MTT) sobre
el número de máquinas que pasan por las Plantas de Revisión Técnica de la R.M., lo cual permitió validar
la información recopilada de los distribuidores, pero sólo en cuanto a proporciones de maquinaria utilizada,
ya que del universo de maquinaria contabilizada -5.023 equipos-, sólo se identificaron a 1.163 equipos en la
región.
Nivel de actividad especı́fico
La información fue recopilada ı́ntegramente gracias a entrevistas; tanto en arriendo, venta y uso de la
maquinaria. El detalle de la información se muestra en la sección B.3.5, pero el resumen de tal información se presenta en las tablas: 3.13, 3.13, 3.14 y 3.15 siguientes.
Tabla 3.13: Nivel de actividad dividido por rubro y uso. B.3.5
Maquinaria
Utilización promedio [ %]
Construcción Agrı́cola Minerı́a
Cargadores frontales
Minicargador
60,00
20,00
20,00
Bulldozer-Tractor
38,33
56,67
5,00
Retroexcavadora-excavadora
58,33
11,67
30,00
Rodillo compactador-Asfaltadora-motoniveladoras
88,33
3,33
8,33
Tabla 3.14: Nivel de actividad dividido por rubro y por uso.(Elaboración propia)
Maquinaria
Nivel de uso promedio
Construcción [ %]
Agrı́cola [ %]
Alta
Media
Baja
Alta
Media
Baja
Cargadores frontales
Minicargador
21,67
51,67
26,67
7,50
47,50
45,00
Bulldozer-Tractor
23,33
58,33
18,33
25,00
43,33
31,67
Retroexcavadora-excavadora
26,67
40,00
23,33
5,00
41,67
53,33
Asfaltadora-motoniveladoras
Rodillo compactador
26,67
51,67
21,67
5,00
40,00
55,00
87
Tabla 3.15: Nivel de actividad dividido por rubro y por uso.(Elaboración propia)
Maquinaria
Nivel de uso promedio
Minerı́a [ %]
Alta
Media
Baja
Cargadores frontales
Minicargador
73,33
15,00
11,67
Bulldozer-Tractor
36,66
36,67
26,67
Retroexcavadora-excavadora
35,00
33,33
31,67
Asfaltadora-motoniveladoras
Rodillo compactador
20,00
40,00
40,00
Tabla 3.16: Nivel de actividad dividido por rubro y por uso.B.3.5
Maquinaria
Rangos en intensidad de utilización
Alta [Hr]
Máxima
Media [Hr]
Mı́nimo
Baja [Hr]
Máxima
Mı́nimo
Máxima
Mı́nimo
Cargadores frontales-Minicargador
Construcción
Agrı́cola
Minerı́a
10,7
9,5
15,7
7,3
6,0
10,0
6,3
5,0
9,7
3,7
2,5
5,0
2,7
1,5
4,0
0,7
0,5
1,0
14,0
15,7
11,5
9,7
10,7
7,5
8,7
9,7
6,5
5,7
5,7
4,5
4,7
4,7
3,5
0,7
0,7
0,5
13,3
8,7
15,7
12,3
7,7
14,7
7,3
4,3
8,3
6,3
3,3
7,3
0,7
1,0
1,3
Bulldozer-Tractor
Construcción
Agrı́cola
Minerı́a
Retroexcavadora-excavadora
Construcción
Agrı́cola
Minerı́a
18,3
13,0
22,7
Rodillo compactador-Asfaltadora-motoniveladora
Construcción
11,3
7,7
6,7
4,0
3,0
0,7
Agrı́cola
8,5
6,5
5,5
3,5
3,0
1,0
Minerı́a
15,0
10,0
9,0
4,0
3,0
1,0
88
Ecuación para cálculo de emisiones
Emision = Σi (FC · FAT · FAMP10 · FD · FE · FP · SU · FA · HD · DA · NM · FC)(i = 10)
1. FC= Factor de carga.
2. FAT= Factor de ajuste transiente.
3. FAMP10= Factor de ajuste MP10
4. FD = Factor de deterioro.
5. FE = Factor de emisión.
6. FP = Factor de propiedad.
7. SU = Sector de utilización.
8. FA = Factor de actividad.
9. HD = Horas diarias.
10. DA = Dı́as al año de uso.
11. NM = Número de máquinas
12. FC = Factor de conversión.
89
(3.8)
Fuentes de información
La información de caracterización del parque y, especı́ficamente, el número de máquinas por categorı́a,
se obtuvo gracias a que se envió la carta No 2468/ Agosto 2007 a los principales distribuidores de
maquinaria.
El nivel de actividad de la maquinaria se obtuvo a través de información obtenida mediante entrevistas
telefónicas a tres expertos en el uso de maquinaria fuera de ruta.
Supuestos de modelo determinı́stico
Los distintos factores: carga, ajuste, deterioro, entre otros, son tomados del documento EPA420-P-04009, APRIL 2004.
La cantidad de Azufre del combustible utilizado en el cálculo de emisiones (caso para Estados Unidos)
posee dos clasificaciones: rango bajo 500 ppm y un valor fijo de 50 ppm. Valores que implican grandes
variaciones de emisiones, principalmente para Material Particulado. Razón por la cual, se trabajará con
el porcentaje fijo de emisiones de Azufre de 50 ppm. Además la utilización de la metodologı́a referida a
documentos EPA (NONROAD2005) tiene como consecuencia que se produzcan variaciones en el nivel
de azufre muy altas (3300ppm - 350ppm), se ha tomado un valor de 0,33 % en peso, que corresponderı́a
a un valor promedio. Las principales variaciones se presentan en el nivel de Material Particulado que
se forma, el cual se reduce de forma importante con un 90 % de nivel de confiabilidad [32]. Destacando
que las cifras actuales de nivel de Azufre en Estados Unidos son mayores que las que presenta nuestro
paı́s, que bordea las 50 ppm; por lo que se aplicará sólo un factor de reducción al MP proporcional a
la realidad local.
3.2.2.
Metodologı́a probabilı́stica
Incertidumbre
La incerteza rodea una multiplicidad de conceptos. Existiendo incluso cuando se tiene completa información, debido a que se realizan simplificaciones y aproximaciones que permitan un análisis de la información
cognitiva o computacionalmente más manejable. Por lo que es muy posible que no se tenga la certeza sobre
el grado de incertidumbre, y donde las probabilidades son usadas como una medición de la confianza de la
incerteza. En particular, es posible discutir que las probabilidades son una vı́a para expresar algunos tipos
de incerteza, pero no otras. Lo que darı́a una guı́a, para clarificar la distinción entre los diferentes tipos de
incerteza, dependiendo de la información con la cual se cuente.
Fuentes de incerteza de cantidades empı́ricas
Existen varios intentos para disminuir los diferentes tipos de incerteza. Estando muchos de ellos concentrados en cantidades empı́ricas. La incerteza tiene asociada cantidades empı́ricas que pueden alcanzarse por
90
diferentes tipos de fuentes. El método apropiado para caracterizar la incerteza depende del particular tipo
de fuente que lo produce. De ahı́, se ha encontrado una ayuda para clasificar la incerteza para cantidades
empı́ricas, en término de su tipo de fuente. Las que incluyen lo siguiente: Variación estática, juicio subjetivo,
imprecisión lingüı́stica, variabilidad, aleatoriedad inherente, desacuerdo y aproximación.
Los errores que se pueden producir son de forma aleatoria (variación estática) y error sistemático (juicio
subjetivo). El primero se produce principalmente por el uso de simplificaciones del problema. El error sistemático o aleatorio, se produce por la diferencia entre el valor real obtenido y el promedio de una medición
convergente. En algunos casos, la incerteza es estimada directamente como un promedio y un error aleatorio
medido, que en alguno de los casos se encuentra estandarizado. Lo que podrı́a ser razonable para una primera
aproximación en la ausencia de información.
Imprecisión lingüı́stica
En las conversaciones diarias las personas se refieren a sucesos o cuantificaciones con un lenguaje impreciso. Para muchos propósitos es útil tener en cuenta la representación imprecisa de la lingüı́stica, ya que
al conocerla es posible inferir ciertos parámetros, puesto que existen gran cantidad de estudios que relacionan las probabilidades numéricas y las probabilidades expresadas en forma de frases verbales. Existiendo
una considerable variación en la formas que diferentes personas interpretan las frases, ya que dependen del
contexto en que sean dichas.
Distribución de probabilidades y estimación estadı́stica
Hay una gran variedad de formas que permiten representar el comportamiento de variables aleatorias.
Las formas más comunes corresponden a las llamadas distribución acumulativa, función de densidad de
probabilidad o la simple selección de parámetros, como fractiles o momentos.
Las funciones de distribución de probabilidades frecuentemente poseen distintos comportamientos dependiendo de la cantidad de intentos que son representados. Pero no sólo es el número de intentos lo que
gobierna tales representaciones, sino por sobre todo el conocimiento de las variables a representar. El caso
más común corresponde a la distribución normal, ya que representa un comportamiento aleatorio sin mayor
cantidad de información, el cual se gráfica mediante una curva de forma Gaussiana. En cambio, las distribuciones utilizadas, en caso que se tenga información referente al comportamiento de las variables, son las
correspondientes a distribuciones triangulares, que son utilizadas en el caso que se tenga una idea acerca del
rango de valores que podı́an ser tomados por las variables y el valor más representativo de la muestra. En ese
sentido, además se incluye la distribución uniforme, la cual sólo hace una aproximación referente al intervalo
en el cual deberı́an estar las variables. Para los eventos que ocurren aleatoriamente en el tiempo se utilizan
distribuciones exponenciales y de Poisson, indistintamente. Las principales distribuciones se presentan en la
figura 3.5.
91
Figura 3.5: Principales distribuciones de probabilidad. [38]
Incertidumbre humana
Cuando es evaluada la cantidad de incerteza que es aceptada para cada tipo de análisis, el uso de técnicas
estadı́sticas convencionales producen estimaciones probabilı́sticas acerca de las opciones que son preguntadas a expertos por su mejor juicio profesional.
La probabilidad depende de la personalidad o subjetivismo del sujeto, y es medido dependiendo del
sujeto al cual se consulte. La probabilidad no es una propiedad inherente a los eventos sino una declaración
de juicios de las observaciones que podrı́an ocurrir, si es que, el grado de subjetividad o grado de creencia
92
no se encuentra disponible para ser evaluado por otros.
En las formulaciones de una probabilidad puede ser legı́tima la variación de un asesor a otro dependiendo con qué tipo de información cuentan. Distinguiéndose dos tipos de acierto: Expertiz sustantiva, la
cual se refiere al conocimiento que el asesor tiene acerca de la cantidad en la valoración; y la expertiz normativa referida a la habilidad del asesor en expresar lo que él o ella creen probabilı́sticamente. La expertiz
sustantiva puede ser medida por medio de un juego de valoraciones predictivas de los resultados; mientras
que la expertiz normativa puede ser un promedio de señales asociadas a una alta probabilidad de eventos que
podrı́an ocurrir.
R
Analytica
R es un paquete de programas visuales desarrollados por la compañı́a Lumina Decision SysAnalytica
tems, Inc. con la finalidad de crear modelos de decisión y análisis que puedan cuantificar y analizar cada
componente. Analytica incluye diagramas de influencia jerárquica para la creación y vista de las imágenes.
Este tipo de diseño es permitido para crear modelos que sean transparentes y flexibles. El diseño de Analytica
utiliza el análisis de decisión.
Análisis de incerteza
Cada modelo puede especificar el rango de incerteza en las entradas, usando una función de distribución.
Las distribuciones son muestreadas usando los métodos de muestreo Latin hypercube o Monte Carlo, determinando si se ha representado correctamente. La distribución de los resultados pueden verse directamente
desde las perspectivas estadı́sticas como son: promedio, bandas de fractiles o valores de estadı́stica estándar.
Éstas proveen diferentes formas de visualización para cada rango de incerteza en los resultados de salida.
R
Cálculo de incertidumbre mediante software Analytica
El programa Analytica permite agregar variables determinı́sticas y aleatorias indistintamente, principal
razón por la cual se utilizó el programa. Ya que, en definitiva, es posible trabajar con gran cantidad de
parámetros y con muchas definiciones distintas asociadas a éstos.
En cuanto al análisis, se comenzó con la determinación y cálculo de las variables que se utilizarı́an para el
cálculo de emisiones, variando algunos parámetros, cuando fuera necesario, para poder ası́ construir los distintos escenarios de sensibilidad. Luego de tener todos los parámetros definidos se dividieron en dos grupos:
uno correspondiente a variables fijas y otras variables asociadas a incertidumbre. En cuanto a las variables
fijas se tienen: Factores de emisión y deterioro, dı́as año, horas diarias y número de máquinas. Para el caso
de se agrega un factor de ajuste al nivel de azufre del combustible. Para el caso de las variables aleatorias
se procedió a asociarle distribuciones de probabilidades que en su mayorı́a corresponden a distribuciones
de forma triangulares y uniformes [38]. Debido a que en muchos de los casos se conocen sólo los rangos
máximos y mı́nimos (caso distribución uniforme), y para otros casos los máximos, mı́nimos y valor medio
(caso distribución triangular). Y en casos particulares se utilizaron tablas de probabilidades las cuales son
93
usadas cuando se tiene conocimiento sobre las probabilidades asociadas a cierto fenómeno. Tales valores se
detallan en forma especı́fica en la sección B.3.8, y en la tabla 3.17 se detalla la distribución que se asocia a
cada variable.
Tabla 3.17: Tipo de distribución para variables aleatorias. Elaboración propia
Parámetros
Distribución
Rubro utilización
Uso
Factor carga
Factor ajuste
Horas diarias
Uniforme
Triangular
Triangular
Triangular
Triangular
Dado que se conocen las variables que determinan el modelo y sus clasificaciones, es más fácil entender el modelo que permite determinar las distintas emisiones. Tal modelo se presenta esquemáticamente,
mediante una opción del programa Analytica en la figura 3.6.
Figura 3.6: Modelo de cálculo para emisiones de maquinaria. Elaboración propia
Como se aprecia en la figura, se utilizó un esquema de manera secuencial, es decir, se fueron agregando
cada uno de los términos de manera de formar el total de emisiones para cada uno de los contaminantes
analizados. La manera en que se realizó el cálculo se detalla especı́ficamente a continuación:
1. El primer módulo denominado Nombre máquinas corresponde a un nodo para valores contantes, en
el cual pueden introducirse datos en forma de caracteres que no tienen variación. Se utilizó tal nodo,
de manera de poder ingresar la lista de diez máquinas, para su posterior cálculo.
2. En forma paralela al módulo anterior, se creó un módulo de tabla de probabilidad, lo cual se detalla
en la figura 3.8. En la tabla correspondiente se utiliza la función de tabla determinante, la cual permite
la multiplicación de dos matrices, entregando sólo una matriz; que para el caso particular corresponde a
una matriz de una columna y diez filas con los valores correspondientes a la proporción de maquinaria
que es destinada a la venta y arriendo. La asociación se refiere, para el caso en estudio, de la función de
tabla determinante (detertable) que permite la multiplicación de dos arreglos y devuelve otro arreglo
con las mismas dimensiones que para el caso particular del ejercicio serı́a de una columna y diez filas.
94
Figura 3.7: Pantalla de entrada a tabla de probabilidad. Elaboración propia
3. La introducción de los datos al programa Analytica es muy simple. Se define en primer lugar el tı́tulo
y se hace una pequeña descripción de la función que se desea modelar. Luego debe definirse qué tipo
de dato corresponde si es: una tabla de probabilidad, lista, matriz o, para el caso en estudio, algún
tipo de distribución a la cual se debe definir e ingresar los parámetros necesarios para la completa
caracterización. Por ejemplo, para el caso del rubro de utilización (figura 3.8) corresponde a una del
tipo Uniforme, y con parámetros de mı́nimo y máximo de 0,0333 y 0,08833, respectivamente.
Figura 3.8: Pantalla de ingreso de parámetros de distribución a Analytica. Elaboración propia
4. Al igual que en los casos anteriores los parámetros de uso y horas, correspondientes a caracterizar la
maquinaria, corresponden a nodos variables, los cuales son caracterizados por medio de forma ovalada
en la representación propia del programa Analytica, y denotan aquellos parámetros que tienen una alta
componente aleatoria. Variables, que a su vez, se asocian con distribuciones de probabilidades.
5. Al haber determinado especı́ficamente el tipo de variable, se procedió en forma secuencial a obtener
subtotales de los cálculos realizados, que al final corresponderı́an a cuatro. Lo que permitió en primera
instancia secuenciar los cálculos para su posterior simplificación en la obtención de resultados. Permitiendo el cálculo final de las emisiones, como se muestra en la figura 3.9. Vale destacar que se utiliza el
95
nodo de forma hexagonal, el cual permite representar las posibles salidas deseables, que para el caso
particular corresponden a emisiones.
Figura 3.9: Pantalla de cálculo final del programa Analytica. Elaboración propia
La figura anterior corresponde a la pantalla final de Analytica, que entrega los resultados estadı́sticos
correspondientes a los cálculos realizados, que para el caso de estudio corresponden a las emisiones
totales de un grupo de máquinas seleccionadas. El mismo proceso tuvo que realizarse para cada uno
de los cuatro contaminantes: CO, HC, NOx y MP en forma independiente.
Es importante destacar la potencialidad del programa en la entrega de resultados, ya que al realizar
los cálculos correspondientes por intermedio del programa los resultados pueden ser presentados en
forma de tablas o gráficos, permitiendo inmediatamente obtener valores estadı́sticos como son:
Valor medio
Valor promedio
Parámetros estadı́sticos
Bandas de probabilidades
Probabilidad acumulativa
Muestras
96
3.3.
3.3.1.
Resultados y discusión
Resultados determinı́stica
Como ya son conocidos la totalidad de los parámetros que componen la ecuación 3.8, es posible conocer el nivel de emisiones de los distintos contaminantes. Cálculo basado en la multiplicación de cada una
de los parámetros presente en la ecuación. El cálculo de todos los parámetros, en el caso determinı́stico se
realiza independiente para cada tipo de máquina. Realizando en forma posterior la sumatoria de las nueves
máquinas, lo que conformarı́an el total de emisiones que predominan en la Región Metropolitana [35].
Junto con lo anterior, es necesario determinar aquellas variables que producen aumentos significativos en
el nivel de emisión, ya que en muchos de los casos pequeñas variaciones conllevan importantes diferencias
en el nivel de emisiones. De tal análisis, se pudo concluir que los parámetros más relevantes son: Nivel de
uso, rubro y número de máquinas. Éstas tienen directa incidencia en el aumento de emisión, lo que serı́a
analizado en detalle más adelante. Referido al cálculo de emisión en la tabla 3.18 se presenta el detalle de
emisiones para cada tipo de máquina.
Tabla 3.18: Emisiones de HC, NOx, MP y CO para fuera de ruta (Elaboración propia)
CO
HC
NOX
PM
[t/año]
[t/año]
[t/año]
[t/año]
Cargador frontal
56,17
10,00
80,78
10,10
Bulldozer
1,73
0,22
3,08
0,49
Retroexcavadora
91,23
12,30
67,93
13,65
Excavadora
30,94
4,45
43,35
6,90
Minicargador
6,83
1,66
7,14
2,26
Rodillo compactador
5,00
1,06
3,88
0,81
Asfaltadora
4,17
0,84
3,30
0,93
Motoniveladora
38,42
7,71
29,03
8,35
Tractor Agrı́cola
58,23
5,23
65,02
11,20
Total
292,73
43,47
303,51
54,70
El detalle de la información obtenida para cada máquina se detalla en la sección B.3.9, para cada uno de
los contaminantes. En general, se observó que las emisiones están muy relacionadas al nivel de actividad y
al número de máquinas por cada tipo.
Vale destacar que muchas de las emisiones están relacionadas a un grupo de máquinas especı́ficas y
donde un grupo de ellas se lleva, en la mayorı́a de los casos, gran parte de la carga de las emisiones tal como
se aprecia en la figura 3.10.
97
Aporte emisión por maquinaria
100%
90%
Tractor Agrícola
Motoniveladora
Asfaltadora
Rodillo compactador
Minicargador
Excavadora
Retroexcavadora
Bulldozer
Cargador frontal
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
CO
HC
NOX
PM
Figura 3.10: Comparación porcentual de emisiones para cada maquinaria.Elaboración propia.
Luego de analizar la figura 3.10, es posible determinar que el grupo crı́tico conformado por: Tractores
agrı́colas, motoniveladoras, retroexcavadoras y cargador frontal son los responsables de casi el 80 % de las
emisiones de NO, CO y MP, y del 65 % de las emisiones de HC. Para el caso de HC se produce una disminución de emisiones por parte del grupo crı́tico debido a que toman relevancia, en cuanto al nivel de emisiones
los minicargadores y las asfaltadoras. Si se quisiera ser más especı́fico en cuanto al nivel de emisión es fácilmente detectable que entre los tractores agrı́colas y cargadores frontales se llevan el 50 % de las emisiones,
exceptuando el caso de HC.
3.3.2.
Comparación resultados previos
Al obtener el número de emisiones globales para cada contaminante es necesario que exista algún
parámetro que confirme los valores obtenidos. Razón por la cual se ha tomado como base de consideración
la única fuente conocida que se encuentra disponible y actualizada, corresponde al inventario de emisiones
2005, que aunque considera un parque distinto de maquinaria (especı́ficamente número de máquinas dentro
de la R.M.), hace una buena aproximación sobre el nivel de actividad del sector.
Las principales diferencias que se observan en cuanto a la modelación de emisiones, son los siguientes:
El inventario de emisiones sólo toma en cuenta 759 tractores en la Región. Mientras que el modelo
realizado contempla alrededor de nueve tipo de máquinas, detalle que es presentado en la tabla 3.19,
98
la cual entrega un total de 4.927 máquinas, lo que corresponderı́a casi al 95 % del total de máquinas
que se encuentran dentro de la R.M., total que alcanza las 5.023 máquinas.
Tabla 3.19: Número de máquinas en R.M. (Elaboración propia)
Máquina
No
Cargador frontal
1236
Bulldozer
36
Retroexcavadora
898
Excavadora
808
Minicargador
536
Rodillo compactador
80
Asfaltadora
52
Motoniveladora
522
Tractor Agrı́cola
759
El nivel de actividad del inventario se presenta de una manera más resumida que el modelo desarrollado. Ya que en el caso de la utilización de la maquinaria de construcción se hicieron los cálculos en
forma especı́fica, basándose principalmente en información obtenida de la construcción de caminos
y edificios; especı́ficamente, se llevaron a cabo relaciones entre la utilización y horas de uso de la
maquinaria por piso construido. Mientras que para el desarrollo del modelo se entrevistaron a expertos
de las áreas de venta, arriendo y utilización de maquinaria fuera de ruta, de lo cual se extrajo la información especı́fica requerida. Pudiéndose relacionar en forma posterior la utilización de maquinaria, el
rubro (construcción, minerı́a y agricultura) y la utilización de ésta, la cual está directamente relacionada a la forma en que se utiliza la maquinaria.
Referente a uno de los puntos mencionados anteriormente, se debe aclarar que el inventario no cuenta
con información del sector minero que se utiliza dentro de la R.M., no ası́ el modelo desarrollado.
Al desarrollar el modelo se produjeron importantes diferencias con la forma de cálculo del inventario,
principalmente en la información base. Principal causa, a priori, de obtener una subestimación de emisiones
por parte del modelo desarrollado en comparación al inventario 2005, superando este último 7 veces las
emisiones de CO y tres veces las de NOx y MP. Lo que es posible apreciar en la tabla 3.20 y, en forma
comparativa, en el gráfico 3.11.
Tabla 3.20: Comparación de emisiones modelo e inventario 2005(Elaboración propia)
Unidades
CO
HC
NOx
PM
[t/año]
[t/año]
[t/año]
[t/año]
Modelo
293
44
304
55
Inventario 2005
2215
NE
973
155
NE= No especı́fica.
99
Gráfico emisiones Modelo v/s
Inventario2005
Variación
8
6
4
2
0
CO
HC
NOx
Emisiones
PM
Modelo
Inventario 2005
Figura 3.11: Gráfica comparativa emisiones inventario 2005 y Modelo. Elaboración propia.
Análisis de sensibilidad sobre modelo determinı́stico
Los modelos determinı́sticos son, en términos de cálculo, más simples en su desarrollo, pero carecen de
robustez en análisis posteriores. Ya que no es posible la variación de parámetros, no pudiendo en definitiva
conocer su comportamiento, y obtener una incidencia directa en el resultado. Modelo que es presentado en la
primera fila de la tabla 3.20. El cual representa el caso base, que tiene como función primordial contextualizar
el problema y entregar el impacto de las emisiones. Procediendo en forma posterior a la variación de los
parámetros que presenta un mayor grado de incertidumbre, es decir, se dirige a aquellos parámetros de
mayor variación relativa con respecto a las otras variables del modelo, los que, a su vez, desencadenaban
mayores repercusiones en la cantidad de emisiones del parque vehicular. Siendo las más importantes las que
se detallan a continuación:
1. Utilización por rubro: Representa el porcentaje de utilización para los tres rubros: Construcción,
minerı́a y agrı́cola (0 % para una nula utilización de la maquinaria, y 100 % para el uso exclusivo de
un rubro).
2. Uso: Corresponde al nivel de utilización de un determinado tipo de maquinaria, el cual se divide en
los rangos: alto, medio y bajo.
3. Horas diarias: Representa las horas en que se utiliza la maquinaria durante el dı́a.
100
4. Número de máquinas: Corresponde al número de máquinas informado por los principales distribuidores
de la R.M.
Los parámetros referentes a la forma de utilización y horas de uso diaria de la maquinaria fueron
obtenidos gracias a juicios de expertos, a los cuales se les encuesto en forma telefónica sobre la maquinaria,
información que se encuentra detallada en la sección B.3.5. La cual permitió hacer el análisis referente a tres
casos de probabilidad: caso base, diferencia en el aumento del 20 % en algunas de las principales variables y
peor caso. Para este último, se sensibilizaron tres factores correspondientes al número de máquinas, horas y
nivel de uso, aumentándose en un 50 % los dos primeros, debido a que para el caso del número de máquinas
existen diferencias que pueden llegar a bordear cerca de un 20 % a 30 %. Diferencia asociada a la cantidad de
información entregada por parte de los distribuidores, lo que se explica debido a que muchos de los encargados de la entrega de información, filtran gran parte de los datos. Agregándose a eso la falta de información
en algunos perı́odos de tiempo, debido a que las empresas cambiaban de representante o existen marcas con
menor tiempo de presencia en el paı́s. Siendo importante destacar la no contabilización de maquinaria por
importaciones directas (nueva y usada), que aporta un desacierto a la información de un 20 % [38]. Entregando una variación total no muy exagerada, y a la vez razonable de un 50 % en total. Lo que denota que
existen una gran cantidad de factores preponderantes que tienen en muchos de los casos una alta variabilidad
y determinan el comportamiento de los parámetros de la ecuación que calcula el nivel de emisión.
Para el caso de las horas de uso, según las tres encuestas realizadas se recomienda utilizar variaciones
del 50 %. Mientras que para la variable referida al nivel de uso se duplicó el valor; ya que según la experiencia de las empresas encuestadas muchas máquinas son utilizadas en turnos de 24 [horas]. Y para el caso de
análisis sólo se toma máximo doce horas de uso diario, lo que corresponderı́a a labores de construcción o a
uso intensivo en minerı́a.
Los resultados presentados en la tabla 3.21 muestran que para variaciones de un 20 % de los cuatro
factores con mayor incertidumbre, duplican las emisiones según comparaciones al caso base, no existiendo variaciones porcentuales considerables por tipo de contaminantes. El importante aumento de emisiones
denota que los términos seleccionados presentan una alta variabilidad, ya que al llevarse a cabo pequeñas
variaciones se aumenta sustancialmente las emisiones, por lo que podrı́a afirmarse que éstas se encuentran
ı́ntimamente ligadas al número de máquinas y el nivel de actividad con que se utilicen.
Tabla 3.21: Análisis de sensibilidad determinı́stico (Elaboración propia)
Análisis de sensibilidad
Caso base
No
de variables
Aumento de 20 %
No de variables
Peor caso
629
3
1366
304
4
HC
43
4
90
3
196
CO
293
4
607
3
1317
MP
55
4
113
3
245
NOx
101
Al analizar el caso más desfavorable en que se aumentó en un 50 % el número de máquinas y horas de
uso. Junto a un aumento doble de los valores del uso de la maquinaria, se triplicaron las emisiones referente al
caso base para NOx y HC, mientras que para el caso de CO y MP los valores se cuatriplican. Concluyéndose
que al tomar un máximo valor probable, existe una diferencia abismante entre caso base y las variaciones de
las emisiones asociadas. Por lo que es de suma importancia tomar medidas lo antes posible con respecto al
parque de maquinarias fuera de ruta y sus emisiones asociadas.
3.3.3.
Modelación de emisiones probabilı́stico
Como se observó anteriormente existe un amplio rango de variabilidad entre los parámetros del modelo,
siendo necesario controlar esas variaciones para conocer el comportamiento de cada uno de los parámetros.
Por tal motivo, se buscó la forma de representar tales variaciones de forma conocida llegando a la utilización
de distribuciones de probabilidad. En este caso, se les asociaron distribuciones de probabilidad a los factores de mayor incidencia en el nivel de emisiones, los cuales se relacionan principalmente a la información
obtenida del juicio de expertos como son: nivel de actividad, horas de utilización y el uso que se le da a la
máquina.
Los parámetros con un mayor grado de incertidumbre se encuentran ı́ntimamente ligados con aquellos valores obtenidos por intermedio de entrevistas. En ésta los expertos emiten opiniones y juicios sobre el
uso de la maquinaria, lo que está sujeto a situaciones particulares por parte del experto entrevistado, pues
existen muchos factores que pueden variar la opinión fundada de ellos, como son: los últimos sucesos relacionados sobre el tema, donde la mayor parte de los casos se generaliza el último valor en el tiempo. Además
debe considerarse que cada persona le asocia un valor particular a las palabras, e incluso a escalas numéricas que corresponden a juicios personales, no pudiendo existir relación entre cada juicio. Información que,
además, no permite su extrapolación a otros sectores del estudio, como puede ser otro tipo de maquinaria
o su proyección en el tiempo, ya que la emisión de juicio, en la mayor parte de los casos, corresponde a la
descripción de una situación y momento en particular, no pudiendo trabajar con tal información.
Luego de haber analizado las posibles fuentes de la incertidumbre de los parámetros, se hace necesario
detallar la forma en que se obtuvieron los parámetros y la relación que existe con sus respectivos percentiles.
En primer lugar, los parámetros fueron divididos en términos de parámetros fijos y asociados a incertidumbre. Tomando primero los parámetros fijos y multiplicándolos, entre sı́, para toda la maquinaria, valores que
fueron tomados como valor de entrada fijo al modelo, en vez de ingresar uno a uno cada valor. Por lo que,
en principio, se tendrı́a el nombre de las máquinas ingresadas como lista, a la cual se le asocian valores
numéricos, y a su vez, se le fueron multiplicando otros parámetros entregando siempre un subtotal asociado
a un tipo de máquina, para finalmente obtener la emisión para cada contaminante, ya que se realizó el cálculo
por separado en la modelación Analytica.
La utilización de Analytica en modelación permite mediante el nodo objetivo (con forma hexagonal)
obtener diferentes resultados como son: la probabilidad acumulativa, densidad de probabilidad, parámetros
102
estadı́sticos, los cuales son entregados en forma indistinta en forma de tablas o gráficas. Para los alcances
del trabajo sólo se utilizará la probabilidad acumulativa, siendo relevantes en el presente trabajo los rangos
de emisiones para cada uno de los contaminantes. Ya que en términos regulatorios es fundamental trabajar
con bandas de valores, los cuales, pueden relacionarse en forma posterior a variables económica y ası́ poder
tomar la mejor decisión posible, manejando ası́ todas las variables de importancia, como son las variables
ambientales y económicas, en forma conjunta.
Los valores obtenidos para cada contaminante se detallan en la tabla 3.22, en la cual se destaca la probabilidad acumulativa para: 5, 25, 50, 75, 95 y 99 %.
Tabla 3.22: Cálculo de emisiones probabilı́sticas (Elaboración propia)
Percentil
NOx
(t/año)
CO
(t/año)
MP
(t/año)
HC
(t/año)
5%
87
44
8
7
25 %
196
130
21
18
50 %
311
289
42
37
75 %
504
496
82
71
95 %
1065
953
184
159
99 %
1951
1672
357
308
Los valores obtenidos son similares a los obtenidos en el caso determinı́stico, ya que para el caso de
un 50 %, es decir el rango medio, los valores se encuentran en el rango de a lo más un 10 % de diferencia.
Siendo que ambos valores analizan los niveles de emisiones desde dos perspectivas y metodologı́as distintas,
lo cual permite una validación mutua para cada tipo de modelación. Una de ellas desde el punto de vista
puntual y un manejo más rápido de la información, y otro con más elementos como es el caso del trabajo con
el programa Analytica, ya que permite un mejor empleo de los datos.
Análisis de incerteza de las variables
Luego de obtener los valores totales de emisiones asociado a las probabilidades correspondientes, es
necesario conocer el impacto que tienen por sı́ solas las variables incluidas en el cálculo de emisiones. Lo
que permite al ente regulador tener la claridad hacia dónde deben ser dirigidos los recursos; ya sea para un
mejoramiento en la calidad de la información o en la aplicación de medidas directas, dependiendo del caso.
Por tal motivo se utilizará el método de Coeficiente de regresión estandarizado, una herramienta disponible
en la modelación de Analytica.
Las variables que implican una mayor variación en las emisiones de contaminantes, son las que revisten
más importancia relativa. Al utilizar los coeficientes de regresión estandarizado, es posible valorar la importancia relativa de cada variable en forma independiente dentro de la ecuación, ya que se estandarizan para
que su importancia sea medida por la misma escala. El coeficiente de regresión varı́a entre 0 y 1, tomando el
valor máximo para una variable de mucha importancia. Dado que se utilizó una forma de modelación para
103
cada uno de los cuatro contaminantes estudiados, la importancia de cada variable es la misma en los cuatro
tipos de contaminantes. Siendo ası́ la de más importancia relativa la variable correspondiente a las horas de
utilización con un valor de 0,8; el uso de la maquinaria, referida a la forma en que es utilizada la maquinaria
(principalmente a la carga que es sometida) tiene un valor de 0,7 y, finalmente, el rubro de utilización se
queda con un factor de 0,3, que serı́a la variable de menor importancia con respecto a las otras variables
estudiadas con casi la mitad del valor de ambas.
Del análisis anterior se puede inferir fácilmente que la principal fuente de incertidumbre corresponde
a las horas de utilización, siguiendo en importancia el uso dado a la maquinaria. Por lo que si fuera necesario
hacer algún tipo de estudio posterior o mejorar la información, se deberı́a colocar especial cuidado en esos
dos parámetros. Teniendo como resultado un modelo con un menor rango de variaciones porcentuales como
el obtenido en el presente trabajo. Para el caso de realizar mejoras tendientes al fortalecimiento del modelo
se podrı́a categorizar los rubros involucrados. Y, en último caso, ampliar las normativas a nivel nacional,
incorporándose por ejemplo, el rubro forestal, marı́timo y de la maquinaria utilizada en los aeropuertos. Ya
que aunque en sı́ no son aportes importantes, al sumarse podrı́an tener importantes influencias en ciertas
zonas de la Región Metropolitana.
Los resultados obtenidos en la modelación sugieren que se deben crear modelos con una mayor especificación y sofisticación, asociados, por ejemplo, a un mayor número de parámetros o ampliando el número de
maquinaria analizada. Lo que permitirı́a realizar cálculos generales sobre el nivel de emisión, con una visión
macro y realizar, a la vez, análisis o variaciones particulares para cada una de las máquinas, según lo amerite
el estudio.
Relaciones entre resultados simulados
Luego haber realizado los tres análisis con distintas metodologı́as que apuntaban a estimar las emisiones
del sector fuera de ruta. Se ha determinado, que existen interrelaciones entre ellas debido principalmente a
que se utilizaron los mismos datos base para cada una de ellas. Por tal razón, es necesario poner en evidencia
tales resultados haciendo un paralelo entre ellas y ası́, poder dilucidar si existen diferencias o similitudes
considerables. Para lograr lo anterior, se compararon los resultados por medio de los gráficos de emisiones
para HC (gráfico 3.12), CO (gráfico 3.13), NOx (gráfico 3.14) y MP (gráfico 3.15), permitiendo de esa forma
notar que existe un común denominador referido a las emisiones calculadas por las tres metodologı́as. La
primera consideración hace relación entre las emisiones determinı́sticas y las emisiones asociadas a un 50 %
del análisis probabilı́sticos para los cuatro contaminantes, ya que no se superan de más del 10 %, permitiendo
una validación mutua de los procedimientos. En segundo lugar, es posible notar que las emisiones asociadas
a altas probabilidades (99 %) no son superadas por las calculadas por medio del análisis de sensibilidad en
su caso más crı́tico. Finalmente, se destaca la obtención de rangos de emisiones del sector, permitiendo tener
una claridad del escenario actual de emisiones y sus lı́mites asociados.
104
Comparación de análisis para emisiones HC
Comparación de análisis para emisiones CO
1800
350
1600
300
1400
1200
200
[t/año]
[t/año]
250
150
1000
800
600
100
400
50
200
0
0
Casos
Deterministico
20%
Casos
Peor caso
95%
99%
Deterministico
Figura 3.12: Comparación de análisis para emisiones HC
20%
Peor caso
95%
99%
Figura 3.13: Comparación de análisis para emisiones CO
Comparación de análisis para emisiones NOx
Comparación de análisis para emisiones MP
2500
400
350
300
250
1500
[t/año]
[t/año]
2000
1000
200
150
100
500
50
0
0
Casos
Deterministico
20%
Peor caso
Casos
95%
99%
Deterministico
Figura 3.14: Comparación de análisis para emisiones NOx
20%
Peor caso
95%
99%
Figura 3.15: Comparación de análisis para emisiones MP
105
Capı́tulo 4
Conclusiones
4.1.
Conclusiones generales
A lo largo de la experiencia se han determinado distintas relaciones entre las emisiones y los sectores
relacionados, por lo que un problema complejo como la contaminación atmosférica no puede ser atacada desde una sola perspectiva, ya que no se tendrı́a un entendimiento cabal de ésta. Esta es la razón
principal para abordarla desde dos perspectivas, ya que las emisiones no son aisladas, sino muy por el
contrario, se encuentran como una mezcla constante en la atmósfera. En este sentido, es fundamental
seguir avanzando tanto en temas especı́ficos de cada contaminante, como ocurre con el material particulado y su análisis ultrafino, y en los análisis directos de la emisiones globales estimadas mediante
un modelo de un sector sin ningún tipo de regulación.
En esta tesis se abordaran dos temas especı́ficos que son la caracterización fisicoquı́mica de material
particulado diesel ultrafino, y la modelación de emisiones de cuatro contaminantes (HC, NOx, CO y
MP) en maquinaria móvil fuera de ruta. Ambos temas se encuentran vinculados entre sı́ a través del
proceso de combustión interna, principal responsable de las emisiones que se producen en camiones
y maquinaria fuera de ruta. A lo anterior, hay que añadir la gran cilindrada y alta carga de utilización
que tienen ambos tipos de maquinarias, lo que significarı́a que la metodologı́a utilizada para camiones
pesados podrı́a ser extrapolada a la maquinaria fuera de ruta, pudiendo ası́ obtener resultados empı́ricos
de emisión de MP.
Se hace necesario revisar las lı́neas base de las normativas sobre emisiones que se han tomado y se
esperan tomar en el futuro para hacerlas cada vez más efectivas. Lo anterior, debido principalmente a
que en algunos casos estos valores se basan en parámetros medidos en otros paı́ses y que no necesariamente tienen relación con la realidad local. Por tal motivo, toma relevancia las dos fases del trabajo,
ya que en la primera se determinó un protocolo de medición de MP ultrafino que permitió determinar
las caracterı́sticas generales de ellas, y en segundo lugar determinar si un grupo emisor no regulado
como la maquinaria fuera de ruta puede ser tan peligrosos como se cree. El trabajo permitió identificar partı́culas cuyas caracterı́sticas corroboran su peligrosidad y, a la vez, establecer que el sector
de fuentes móviles fuera de ruta representa un aporte significativo sobre las emisiones de MP10 en la
R.M.
106
4.2.
Caracterización de material particulado
Se ha determinado y estandarizado un procedimiento que permite colectar partı́culas diesel ultrafinas
desde vehı́culos pesados.
Se han caracterizado las partı́culas diesel ultrafinas, recolectadas mediante el procedimiento diseñado,
en forma fı́sica y quı́mica mediante microscopı́a electrónica de transmisión.
La grilla de Carbono con orificios (o Lacey Carbon) tiene un mejor desempeño en captación, baja
interferencia en análisis quı́mico y nula vibración al realizar alta resolución, razones por las cuales, se
recomendó su utilización.
Se observaron diferentes estructuras y morfologı́as en todas las muestras analizadas, esta gran variedad
de formas es producto de la presencia de gradientes de presión y temperatura en distintas zonas de la
cámara de combustión. En este sentido, se considera que al mantener parámetros fijos y controlados,
se tenderı́a a encontrar mayor presencia de ciertas formas de material particulado que de otras.
La mayorı́a de las partı́culas muestreadas presentan en sus análisis quı́micos, trazas de C, K, Ca, P,
Si, Cu, O y Na. Las diferencias entre cada muestra se producen en las proporciones en que éstas son
encontradas, puesto que elementos predominantes en una partı́cula son imperceptible en otra similar.
Además a lo anterior, se agregan otros elementos quı́micos encontrados en forma aisladas en algunas
partı́culas, como ocurre con la aparición de Al, Cl y S, por ejemplo. Por lo que se concluye que existen
diferencias a nivel quı́mico entre cada una de las partı́culas analizadas.
No se encontró ningun tipo de relación entre las partı́culas caracterizadas y la grilla utilizada para su
captación.
4.3.
Modelación de emisiones de vehı́culos fuera de ruta
1. Según la información recopilada dentro de la R.M. los tractores agrı́colas, motoniveladoras, retroexcavadoras y cargadores frontales son los responsables del 80 % de las emisiones de CO, NOX y MP, y
del 62 % de las emisiones de HC. Siendo los tractores agrı́colas y cargadores frontales el grupo crı́tico
que aporta el 50 % de las emisiones de los cuatro contaminantes analizados.
2. Los valores obtenidos por el modelo se consideran subestimados al comparalos con los obtenidos en
el inventario 2005 1 , lo que se explica principalmente por la diferencias de información base con la
que se construyeron los modelos y su alta variabilidad asociada con respecto a ella. Tales diferencias
fueron la base de los análisis de sensibilidad y probabilı́sticos, realizados posteriormente.
3. Mediante el análisis de sensibilidad se duplicaron las emisiones al aumentar los parámetros con mayor incertidumbre en un 20 %. Mientras que al variar los parámetros a valores máximos posibles las
emisiones aumentaron en 4,5 respecto al caso base.
1 Desarrollado
por CONAMA R.M.- DICTUC
107
4. Aunque los parámetros en el cálculo de emisiones fueron definidos mediante distribuciones y tablas
R se obtuvieron valores similares a los obtenidos en
de probabilidad utilizando el programa Analytica,
el cálculo determinı́stico, especı́ficamente en el caso del percentil de 50 %, que corresponde al valor
medio esperado, las diferencias no alcanzaron a superar el 10 %.
R llamado Coeficiente de regresión estandarizado,
5. Mediante la utilización del parámetro de Analytica
se determinó que las variables de horas y el uso de la maquinaria, son las variables que presentan un
mayor grado de incertidumbre, llegando al 0,8 y 0,7 respectivamente. Parámetros que tienen como
valor máximo posible el de 1.0, señal clara para futuros estudios relacionados.
6. Los niveles de emisión calculados por diferentes metodologı́as y con diferentes definiciones de las
variables, presentan valores similares, hecho que las valida. La gran ventaja del trabajo es obtener
rangos de variación de las emisiones con una asociación directa con probabilidades, es decir, es posible determinar distintos escenarios y sus emisiones máximas y mı́nimas, información muy útil para
comenzar a plantear una regulación al sector.
4.4.
4.4.1.
Recomendaciones
Caracterización de material particulado
Para obtener caracterizaciones consistentes es necesario variar un solo factor que pueda influir en las
emisiones (carga, lubricante, potencia, entre otros), a la vez.
La muestra se ve afectada por el tiempo de exposición e intensidad del haz (grilla y partı́cula). Se
produce un proceso de evaporación y daño por dosis de electrones, por lo que se debe utilizar partı́culas
de sacrificio para el análisis de partı́culas a mayor resolución
Las formas de partı́culas como nanotubos y nanocintas corresponden a partı́culas primarias, ya que
ellas son de forma grafitizada, lo que corresponderı́a a la forma más estable de análisis. Se piensa que
ellas se forman debido a altas condiciones de presión y temperatura, por que condiciones posteriores
no afectarı́an su forma. En este sentido, las partı́culas esféricas amorfas corresponden a las condiciones
más inestables de las partı́culas, pudiendo variar su estructura en procesos posteriores a su formación.
Las partı́culas que se encuentran dentro de las grillas no tienen estructuras exclusivas debido principalmente que dentro de la cámara de combustión no existen condiciones homogéneas, produciéndose
en muchos de los casos gradientes de presión y temperatura. En este sentido se ha podido observar que, para diferentes condiciones de motor, existirı́a una tendencia de encontrar diferentes número
de partı́culas. Condiciones que pueden producir diferentes estructuras, pero que al mantener ciertos
parámetros como la carga del vehı́culo por ejemplo, se puede tender a ciertas estructuras.
Las grillas de carbono deben ser ajustadas en el sistema gravimétrico, por lo que debe diseñarse un
sistema que permita su fijación.
108
Es importante notar que si se desea privilegiar el número de partı́culas a obtener en la grilla, estas
deben ser captadas mediante la utilización del primer filtro, según sentido del flujo, no ası́ comoe
ocurre en el segundo filtro.
4.4.2.
Modelación de emisiones de vehı́culos fuera de ruta
Las variables con un mayor Coeficiente de Regresión Estandarizado deben ser profundizadas, en cuanto a la cantidad de información recopilada y su posterior análisis para poder mejorar la modelación.
Esto permitirá disminuir los rangos de variabilidad presentados en el modelo.
Se debe mejorar la información base referente al número de máquinas presentes en la Región Metropolitana, para lo cual debe crearse un sistema de registro nacional para la maquinaria fuera de ruta.
Junto con el registro de la maquinaria existente, debe exigirse la implementación de horómetros en las
máquinas comercializadas. Esta medida permitirá contar con una idea más precisa sobre el nivel de
actividad del sector.
Finalmente se debe diseñar un sistema de revisión técnica que permita controlar los parámetros mecánicos
(básicos) relacionados al aumento de emisiones de la maquinaria. Esto se debe agregar la prohibición
de ingresar maquinaria usada al paı́s sin norma de emisión.
109
Bibliografı́a
[1] Hinrichsen Don, Salem Ruwaida y Blackburn Richard. El gran reto Urbano http://www.
infoforhealth.org/pr/prs/sm16/, NFO Project, Center for Communication Programs, E.E.U.U,
2002.
[2] Gobierno Regional. Antecedentes demográficos de la región metropolitana, http://www.
gobiernosantiago.cl/link.cgi/Estadisticas/, Gobierno de Santiago, Chile, 2006).
[3] DICTUC S.A. Evaluación de Nuevas Medidas de Control de Emisiones para el Sector Transporte en la
Región Metropolitana, Estudio realizado para la Comisión Nacional del Medio Ambiente de la Región
Metropolitana, Chile, 2007.
[4] Chin-Sheng Tang, Li-Te Chang, Hsien-Chi Lee and Chang-Chuan Chan. Effects of personal particulate
matter on peak expiratory flow rate of asthmatic children Science of The Total Environment, Volume
382, Issue 1, 15 2007, Pages 43-51 .
[5] CONAMA. Plan de Prevención y Descontaminación Atmosférica para la Región Metropolitana, Chile
, 2004.
[6] Abderrahim Nemmar and Ibrahim M. Inuwa. Diesel exhaust particles in blood trigger systemic and
pulmonary morphological alterations,Toxicology Letters, Volume 176, Issue 1, 4, 2008, Pages 20-30 .
[7] $http://es.wikipedia.org/wiki/Contaminaci%C3%B3n_atmosf%C3%A9rica$.
[8] O‘Ryan Raúl, Larraguibel Luis. Contaminación del aire en Santiago: Estado actual y soluciones,
Economı́a y Gestión, vol. 4, No 1.
[9] W. Addy Majewsji and Magdi K. Khair. Diesel Emissions and Their Control. Air Pollution Emissions
Inventory, ISBN-1-853125172, pp. 1−49., E.E.U.U., 2006.
[10] Katz, Ricardo. Contaminación atmosférica de Santiago http://www.google.com/, Santiago, Chile,
Marzo 1992.
[11] CENMA-CONAMA, Estudio: “Inventario de emisiones para la Región Metropolitana”, 2001.
[12] Kampa Marilena, Castanas Elias, Human health effects of air pollution, Enviromental Pollution, 2007,
1-6.
110
[13] Boccardo Francesco and Rubagotti Alessandra. Traffic-related pollution and lung development in children, http://www.thelancet.com, vol 369 February 17, 2007.
[14] Iwazaki Kouji , Amagai Kenji, Arai Masataka. emphImprovement of fuel economy of an indirect injection (IDI) diesel engine with two-stage injection, 0360 − 5442/ Elsevier Ltd., Japón, 2004.
[15] Burtscher, H.,Measurement and characteristics of combustion aerosols with special consideration of
photoelectric charging by flame ions, J. Aerosols Sci. 29, 1992.
[16] Huggins F.E.,Guidelines and formulation of an upgrade source emission model for atmospheric pollutants. Air Pollution Emissions Inventory, ISBN-1-853125172, pp. 1−49. Computational Mechanics
Publications, Southampton, UK. (1998).
[17] Amann C.A. and Siegla, D.C.Diesel particulates - what they are and why, Aerosols Sci. Technol. 1,
1982.
[18] Lyyränem, Jussi et Al. Aerosol characterization in medium-speed diesel engines operating with heavy
fuel oils, 1999 Elsevier Science Publicador, Finland (1998).
[19] Kittelson, David. Sampling and Dilution Issues http://www.healtheffects.org/ACES/
Kittleson.pdf, ACES Workshop, Denver, E.E.U.U, November 2003.
[20] Kris Darneaulli, Aerosol particles in smog and the global environment.pp. 116−118., E.E.U.U. (2006).
[21] Williams, David B. and Carter C. Barry. Transmission Electron Microscopy http://www.google.
com/, Plenum Press, New York, E.E.U.U., 1996.
[22] Degobert Paul, Automobiles and pollution, Society of Automotive Engineers, USA, 1995. EPA, EEUU
(2007).
[23] UNTEC. Estudio de factores de emisión, 2006.
[24] UNTEC, Generación de factores de emisión para vehı́culos livianos, medianos y pesados de la Región
Metropolitana, Chile, Octubre 2007.
[25] Tedpella company. Grilla de carbono, disponible en http://www.tedpella.com/supflm_html/
suptfilm.htm#anchor495751, EEUU (2007).
[26] Shi Zongbo et. Al, Characterization of airborne individual particles collected in an urban area, a
satellite city and a clean air area in Beijing, 2001, Atmospheric environment 37, 4100-4102 .
[27] Murr L.E., Soto K.F.,a TEM study of soot, carbon nanotubes, and related fullerene nanopolyhedra in
common fuel-gas combustion sources, materials characterization 55, 53-57.
[28] Mathis, U., Kaegi, R., Mohr, M., Zenobi, R. TEM analysis of volatile nanoparticles from particle
trap equipped diesel and direct-injection spark-ignition vehicles, Atmospheric Environment 38 (2004)
4347-4355.
111
[29] Lapuerta Magı́n et. Al. Effect of engine operating conditions on the size of primary particles composing
diesel soot agglomerates, Science Direct, Aerosol Science 38, 2006, 455 - 466.
[30] DIRECTIVA 97/68/CE DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO, DO L 59 de 27.2.1998,
p.1. 16 de diciembre de 1997).
[31] DELPHI,Worldwide Emissions Standars, Heavy Duty and Off-Road Vehicles. (2007).
[32] ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, Exhaust and Crankcase Emission Factors for
Nonroad Engine Modeling-Compression-Ignition http://www.epa.gov/otaq/models/nonrdmdl/
nonrdmdl2004/420p04009.pdf, EPA420-P-04-009, E.E.U.U.(2004).
[33] Benedetti y Gallegos, Panel de Expertos, Departamento de Mecanización y Energı́a, Universidad de
Concepción, Chile (1996).
[34] Murr, L.E., Bang, J.J. Electron microscope comparisons of fine and ultra-fine carbonaceous and noncarbonaceous, airbone particulates, Atmospheric Enviromental 37 (2003) 4795-4806.
Entrevistas
[35] Jose Victor Amenabar, Nivel de uso promedio, Gerente de ventas, Distribuidor de maquinaria John
Deere, Santiago (Octubre 2007).
[36] ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, Median Life, Annual Activity, and Load Factor Values for Nonroad Engine Emissions Modeling, http://www.epa.gov/otaq/models/nonrdmdl/
nonrdmdl2004/420p04005.pdf, EPA 420-P-04-005, E.E.U.U.(2004).
[37] AMBIOSIS S.A., Diseño y Evaluación de Nuevas Medidas para Otras Fuentes en el Marco de la
Actualización del Plan de Prevención y Descontaminación para la Región Metropolitana de Santiago.
, Santiago, Chile (Septiembre 2007).
[38] Morgan M. Granger and Henrion Max Uncertainty, Cambridge University Press, U.K.
[39] ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, SOURCE: 59 FR 31335, JUNE 17, 1994 ROL 02/065).
[40] Harvey Craig, Penny Carey, and James Warila, EPA‘s Newest Draft Nonroad Emission Inventory Model.
Emission inventories-Applying New Technologies San Diego, California(April 28-May 1, 2003).
[41] ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, scab fleet average, OFF ROAD EMISSION, E.E.U.U.
(2005).
112
Anexo A
Caracterización fı́sico-quı́mica de MP
A.1.
Flota de camiones utilizada en análisis de material particulado
Las caracterı́sticas especı́ficos de los camiones, en los cuales se permitió tomar las muestras de material
particulado ultrafino, se detallan en la tabla A.1. Vale destacar que tales camiones estaban enmarcados en un
proyecto SECTRA, tendiente a determinar factores de emisión.
Tabla A.1: CAMIONES SELECCIONADOS A LABORATORIO 3CV(Fuente: UNTEC)
Categoria
Fecha
medición
Marca
Modelo
Año
Liviano S/N
25/09/2007
TOYOTA
DYNA
1986
Mediano EURO I
29/08/2007
KIA
3600
1996
Liviano EURO I
11/09/2007
KIA
K2400
1994
Liviano EURO II
10/09/2007
CHEVROLET
NKR 69
2002
Liviano EURO III
21/08/2007
KIA
FROINTER II
2006
Mediano EURO II
14/08/2007
FORD
CARGO 814
1998
Mediano EURO II
04/09/2007
HYUNDAI
MIGHTY
1997
Pesado S/N
29/08/2007
MBz
OM 2233
1987
Mediano EURO III
20/08/2007
Chevrolet
NQR
2006
Liviano EURO III
03/09/2007
kia
Frointer
2005
Pesado EURO III
13/08/2007
MBz
OM 1728
2005
A-1
Figura A.1: Valores de aceite lubricante comercial. Fuente: Wear Check.
A-2
A.2.
Recomendaciones en el uso de grillas
Tabla A.2: Clasificación de grillas por uso(Fuente: UNTEC)
Aplicación de sustrato
Formvar
Sólo
Formvar
Stab. con
Carbon
Silicon
Monoxido
on Formvar
silicon
Monoxido
on Type-A
carbon
Type-A
carbon
Type-B
Pelı́cula Lacey
adecuada para
aplicación?
Aplicaciones requieren Formvar puro
Suspensión bacterial
Suspensión fragmentos de célula
Estudios de difracción
Espectrometrı́a de energı́a dispersa
Microscopia de alta resolución
Alta temperatura/fase calentado
Microscopio de baja magnificación
Suspensión de particulado, biologica
Suspensión de particulado, no biologica
Polvos secos
Baja temperatura
(Typo-A)
Secciones delgadas
Suspensión viral
E
B
B
B
E
B
E
B
B
B
E
E
E
B
B
E
E
E
E
-
E
E
B
E
B
B
E
E
B
-
E
E
E
E
E
E
B
E
E
B
B
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
No
Si
Si
Si
Si
Si
Si
No
Si
Si
No
Si
B
-
E
-
B
B
E
E
B
E
E
E
Si
Si
E= Excelente; B= Buena alternativa; - = No recomendada.
A-3
Anexo B
Modelación de emisiones de vehı́culos fuera de ruta
B.1.
B.1.1.
Regulación ambiental
Directa 97/68/CE. Unión Europea
En términos generales la directiva plantea en forma clara y precisa los procedimientos de homologación
para la maquinaria fuera de ruta; diferenciándose para motores de encendido por chispa y por compresión.
Para lo cual, se precisan la totalidad de condiciones que deben asegurarse para tener un buen procedimiento
de medición de las emisiones, y ası́ poder caracterizar completamente el motor.
En referencia a los gases de escape que se analizan, se puede notar lo siguiente para los principios de
medición:
B.1.2.
Análisis de monóxido de carbono (CO)
se utiliza un analizador de monóxido de carbono que es del tipo de absorción de infrarrojo no dispersivo
(NDIR)
B.1.3.
Análisis de dióxido de carbono (CO2 )
se utiliza un analizador de dióxido de carbono que es del tipo de absorción de infrarrojo no dispersivo
(NDIR)
B.1.4.
Análisis de hidrocarburo (HC)
El analizador de hidrocarburo será del tipo de detector de ionización de llama de caldeado (HFID), con
el detector, válvulas, tuberı́as, etc. El caldeado tiene la finalidad de mantener los gases a una temperatura de
463o K (190o C)± 10o K
B.1.5.
Análisis de óxido de nitrógeno (NOx )
El analizador de óxido de nitrógeno será del tipo de detector de quimioluminiscente (CLD) o detector de
quimioluminiscente caldeado (HCLD) con un convertidor NO2 /NO si la medición se realiza en seco. Si la
medición se efectúa en húmedo, se utilizará un HCLD con convertidor a una temperatura de 60o C.
B-1
B.1.6.
Toma de muestras de emisiones gaseosas
La sonda de toma de muestras tendrá la mayor longitud entre; tres veces el diámetro del tubo o 0,5 [m],
y lo bastante cerca del motor para asegurarse que la temperatura de los gases de escape en la sonda será de
70o C como mı́nimo. Para el caso de motores pluricilı́ndricos, la entrada de la sonda se situará suficientemente alejada corriente abajo para garantizar que la muestra sea representativa de las emisiones de escape.
Para el cálculo de las emisiones de escape se utilizará el gasto másico de escape total del motor.
B.1.7.
Determinación del contenido de partı́culas
Para la determinación del contenido de partı́culas se requiere un sistema de dilución. La capacidad de
flujo del sistema del sistema de dilución deberá ser suficiente para eliminar por completo la condensación
de agua en los sistemas de dilución, y mantener la temperatura de los gases de escape a menos de 52o C
inmediatamente antes de los portafiltros.. Si la temperatura ambiente es inferior a 20o C, se recomienda
precalentar el aire de dilución por encima de los 30o C.
B.1.8.
Unión Europea: Motores de compresión interna
Euro Fase I y Fase II, producto de la directiva 97/68/EC.
Tabla B.1: Estándar de emisiones Unión Europea (Fase I y Fase II)( [31]).
Categorı́a
Rango Pot.
Fase I
A
B
C
CO
HC
NOx
PM
TA
NR
01 de ene 99
01 de ene 992
01 de Abr 99 2
[g/KWh]
[g/KWh]
[g/KWh]
[g/KWh]
130-560
75-130
37-75
5,0
5,0
6,5
1,3
1,.3
1,3
9,2
9,2
9,2
0,54
0,70
0,85
01 de Jul 98
01 de Jul 981
01 de Jul 98 1
130-560
75-130
37-75
18-37
3,5
5,0
5,0
5,5
1,0
1,0
1,3
1,5
6,0
6,0
7,0
8,0
0,2
0,3
0,4
0,8
01 Ene 01
01 Ene 02
01 Ene 03
01 de Ene 01
Fase II4
E
F
G
D
3
01 Jul 02
01 Jul 03
01 Ene 04
01 Ene 02 3
1) 01 de Ene 01 para tractores agrı́colas y forestales.
2) 01 de Jul ‘01 para tractores agrı́colas y forestales
3) Un año después para aplicaciones de tractores agrı́colas y forestales
4) Velocidad constante del motor, implementada en: 01 de Ene del 07
Euro Fase III y Fase IV, producto de la directiva 97/68/EC. NRSC: Velocidad variable del motor: Fase
III A, Fase III B y Fase IV (Polución gaseosa)
NRTC: Velocidad variable del motor: Fase III B y Fase IV: Emisiones de particulado.
B-2
Tabla B.2: Estándar de emisiones Unión Europea (Fase III y Fase IV) ( [31]).
Categorı́a
Fase III
A1
H
I
J
K
Rango
CO
HC
NOx
PM
[g/KWh]
[g/KWh]
de Potencia
[g/KWh]
[g/KWh]
130≤ P < 560
75≤ P < 130
37≤ P < 75
19≤ P < 37
3,5
5,0
5,0
5,5
NOx +HC:4,0
NOx +HC:4,0
NOx +HC:4,7
NOx +HC:7,5
130≤ P <560
75≤ P <130
56≤ P <75
37≤ P <56
3,5
5,0
5,0
0,19
0,19
0,19
NOx +HC:4,7
2,0
3,3
3,3
130≤ P <560
56≤ P <130
3,5
5,0
0,19
0,19
0,4
0,4
TA
NR
30 Jun 05
31 Dic 05
31 Dic 06
31 Dic 05
31
31
31
31
Dic
Dic
Dic
Dic
05
06
07
06
0,025
0,025
0,025
0,025
31
31
31
31
31
31
31
31
Dic
Dic
Dic
Dic
10
11
11
12
0,025
0,025
31 Dic 12
30 Sep 13
0,2
0,3
Fase III B
L
M
N
P
Dic
Dic
Dic
Dic
09
10
10
11
Fase IV B
Q
R
31 Dic 13
30 Sep 14
1) Otro para velocidad constante del motor.
B.1.9.
Factor de deterioro y periodo de durabilidad de emisiones
Los factores de deterioro para cada uno de los contaminantes, en motores de ignición por compresión,
no utilizan ningún aparato de postratamiento. Se aplican factores de deterioro ponderados para cada contaminante, para motores de ignición por compresión, usando aparatos de postratamiento.
Los factores de deterioro son determinados por la manufactura de acuerdo con los procedimientos de prueba
especı́ficos, las cuales pueden ser representativos por el uso.
Tabla B.3: Fases III A, III B y IV para un motor C.I.( [31]).
B.1.10.
Categorı́a
EDP (Horas)
≤ 37 kW (Velocidad constante del motor)
3000
≤37 kW (Velocidad no constante del motor)
5000
>37 kW
8000
Unión Europea: Tractores forestales y agrı́colas
Producto de la Directiva 74/150/EC y Directiva 2005/13/EC.
Datos de implementación
B-3
Tabla B.4: Estándar de emisiones ( [31]).
Fase
Categorı́a
Potencia del motor (kW)
TA
NR
Fase I
Fase I
C
B
130≤ P < 560
≤P<
01 Jul. 98
01 Jan. 01
01 Jul. 01
01 Jul. 01
Fase
Fase
Fase
Fase
D
G
F
E
18 ≤ P < 37
37≤ P <75
75≤ P <130
130≤ P <560
01
01
01
01
01 Jan. 02
01 Jan. 04
01 Jul. 03
01 Jul. 02
Fase III A
Fase III A
Fase III A
H,I
yK
yK
75≤ P <560
19≤ P <37
37≤ P <75
31 Dec. 05
31 Dec. 05
31 Dec. 06
H: 31 Dec. 05
I, K: 31 Dec. 06
31 Dic 07
Fase III B
Fase III B
Fase III B
L
MyN
P
130≤ P <560
56≤ P <130
37≤ P <56
31 Dic. 09
31 Dic. 10
31 Dic. 11
31 Dic. 10
31 Dic. 11
31 Dic. 12
Fase III B
Fase III B
Q
R
130≤ P <560
56≤ P <130
31 Dic. 12
31 Dic. 13
31 Dic. 13
30 Sep. 14
II
II
II
II
Jan.
Jan.
Jan.
Jan.
01
03
02
01
NB: Para motores de categorı́a H a R, las fechas NR pueden ser pospuestas por dos años para motores
con fechas prioritarias para dichas fechas.
B.1.11.
Unión Europea: Motores de ignición por chispa
Producto de la Directiva 2002/88/EC que fue extendida en el alcance de pequeños motores de ignición
por chispa (≤19 kW).
Tabla B.5: Clase principal pequeños: Potencia ≤ 19kW( [31]).
SH
Categorı́a
Motores de maquinaria
desplazamiento (cc)
SN
Motores de maquinaria
Categorı́a
SH:1
<20
SN:1
SH:2
20≤ P < 50
SN:2
66≤ P <100
SH:3
≥ 50
SN:3
100≤ P <225
SN:4
≥ 225
B-4
desplazamiento (cc)
<66
B.1.12.
Unión Europea: Lı́mites de emisión
Tabla B.6: Estándar de emisiones ( [31]).
Clase
Motor
CO
(g/kWh)
HC
NOx
TA
(g/kWh)
SH:1
SH:2
SH:3
SH:1
SH:2
SH:3
SH:4
805
805
603
519
519
519
519
295
241
161
HC + NOx = 50
HC + NOx = 40
HC + NOx = 16,1
HC + NOx = 13,4
5,36
5,36
5,36
11
11
11
11
11
11
11
Ago.
Ago.
Ago.
Ago.
Ago.
Ago.
Ago.
04
04
04
04
04
04
04
CO
HC+NOx
805
805
603
610
610
610
610
50
50
72
50
40
16,1
16,1
TA
01
01
01
01
01
01
01
Ago.
Ago.
Ago.
Ago.
Ago.
Ago.
Ago.
07
07
08
04
04
07
06
Lı́mtes máximos de NOx (Fase II) para todos los motores: 10 [g/KWh].
Fases III y IV, se debe ver la tabla B.2
B.1.13.
Periodo de durabilidad de emisión y factor de deterioro
Tabla B.7: Periodo de durabilidad de emisión y factor de deterioro ( [31]).
B.2.
Clase de motor
1
2
3
SH: 1
50
125
300
SH: 2
50
125
300
SH: 3
50
125
300
SH: 1
50
125
300
SH: 2
125
250
500
SH: 3
125
250
500
SH: 4
250
500
1000
Estados Unidos -EPA-
Las emisiones de los gases de escape de material particulado es medida usando la regulación Californiana
de 1996. Lo que provee aplicaciones para todos los motores con tecnologı́a Tier 2 y modelos posteriores.
También se definieron los requerimientos para bajas emisiones de motores de la serie Blue Sky.
Estándar voluntario: Motores pueden ser diseñados en la serie Blue Sky a través de los modelos del año 2004
por conocer los estándares voluntarios listados en la tabla B.8, en la cual se aplica todas las certificaciones y
las pruebas de uso, como sigue:
B-5
Tabla B.8: Estándar de emisiones ( [39]).
Rango de potencia al freno (KW)
kW < 8
8 ≤kW <19
19≤kW < 37
37≤kW <
75≤kW <130
130≤kW <560
kW > 560
B.2.1.
NMHC+NOx
PM
4,6
4,5
4,5
4,7
4,0
4,0
3,8
0,48
0,48
0,36
0,24
0,18
0,12
0,12
Estándar adicional Blue Sky
La normativa de Estados Unidos presentan estándares adicionales, referentes al nivel de emisiones que
se deben presentar, según procedimientos estandarizados, en las pruebas motores en cuanto a emisiones
de: NOx , NMHC, CO y Material particulado. Los motores de la serie Blue Sky se encuentra sujeto a todas
las provisiones que de lo contrario se aplicarı́an bajo estas partes. Test de procedimiento. NOx , NMHC, y
emisiones de PM son medidas usando los paquetes de procedimientos en 40 CFR parte 86 en subparte E.
Las emisiones de CO podrán ser medidos usando el procedimiento 40 CFR parte 86, subparte N o subparte
E. Los motores que requieren de una calificación de serie Blue Sky deben ser capaz de mantener un nivel de
control de emisiones comparables cuando las pruebas en uso de procedimiento de esta sección y subparte
E. Las emisiones numéricas usados en el procedimiento de la subparte E de esta parte puede alcanzar al
20 % más que las mediciones usadas en el procedimiento de 40 CFR parte 86, subparte N y siguen siendo
comparables.
En la normativa de emisiones de vehı́culos fuera de carretera, se detallan al igual que en la normativa de
Unión Europea, en forma precisa las condiciones que deben tener los ciclos de conducción, la calibración en
la medición de los gases y las distintas certificaciones de la instrumentación.
B.2.2.
Modelo Nonroad2005
El equipamiento de móviles fuera de ruta engloba una amplia variedad de tipos de equipamiento que
pueden moverse bajo su propia potencia o son movidas de sitio en sitio. Vehı́culos fuera de ruta son definidos
como aquellos tal que se mueven dentro de periodos de 12 meses. El modelo NONROAD2005 incluye
básicamente 80 tipos básicos y 260 tipos especı́ficos de equipamiento fuera de ruta y más tipos de equipamiento estratificado por rangos de potencia y tipos de combustible, en las siguientes categorı́as:
Soporte terrestre en los aeropuertos, como los tractores de terminales.
Equipamiento de agricultura (tractores).
Equipamiento de construcción (niveladoras y retroexcavadoras).
Equipamiento industrial y comercial (montacargas y barredoras).
B-6
Vehı́culos recreacionales (todo terrenos y motocicletas fuera de ruta)
Equipamiento residencial y comercial para el jardı́n y el césped (recoge nieve y hojas).
Equipamiento forestal ( trituradoras y cierras de cadena).
Buques recreacionales, (botes a motor).
Equipamiento de la minerı́a bajo tierra.
El modelo NONROAD utilizado incorpora los efectos de las siguientes regulaciones para equipamiento
federal fuera de ruta:
1. Estándar de emisiones para nuevos motores fuera de ruta de ignición por chispa bajo los 25 [HP].
2. Estándar de emisión de dos fases para nuevos motores portátiles de ignición por chispa bajo los 25
[HP].
3. Estándar de emisiones de 2 fases para nuevos motores no-portátiles de ignición por chispa bajo los 25
[HP].
4. Estándar de emisiones para nuevos motores de gasolina de ignición por chispa para motores marinos.
5. Estándar de emisión Tier 1 para nuevos motores de compresión-ignición sobre los 50 [HP].
6. Estándar de emisión Tier 1 y Tier 2 para nuevos motores de compresión-ignición fuera de ruta bajo los
50 [HP], incluyendo motores marinos recreacionales.
7. Estándar Tier 1 y Tier 2 para nuevos motores fuera de ruta de compresión-ignición de 50 [HP] y
mayores que no incluyan motores marinos recreacionales que sean mayores que 50 [HP]
8. Estándar de emisiones Tier 4 para nuevos motores fuera de carretera de compresión-ignición sobre 50
[HP] y reducción de niveles de combustible sulfurado diesel de los vehı́culos fuera de ruta.
B.2.3.
Modelo Nonroad2005
El modelo NONROAD provee estimaciones de emisiones para niveles nacionales, estatales y los condados. La ecuación básica para estimación de emisiones en el modelo es la siguiente:
Emision = (Pop) · (Potencia) · (LF) · (A) · (EF)
Donde:
Pop= Población de motores.
Potencia= Promedio de potencia [HP]
LF = Factor de carga (fracción de potencia disponible)
A = Actividad
B-7
(B.1)
EF = Factor de emisión (g/hp-hr)
La población nacional o estatal es estimada y multiplicada por el promedio de potencia, actividad y factor
de emisión. La población de equipos por condado es estimado en el modelo por localización nacionales
geográficas, a través del uso de indicadores econométricos, como es el nivel de construcción. De esta manera
la asignación es desarrollada de la siguiente manera:
(Poblaciondelcondado)i · (Poblacionnacional)I = (Indicadordelcondado)i (Indicadornacional)i (B.2)
Donde: i es una aplicación de equipamiento como la construcción o agricultura
La temporalidad en la actividad es destinada a través del uso mensual y en dias que son fracciones de
semana y años.
Tabla B.9: Emisiones para cada potencia Serie de cielo azul( [31]).
Potencia del motor
B.2.4.
NMHC + NOx
PM
hp
kW
g/kWh
g/kWh
< 11
11 - 25
25 - 50
50 - 100
100 - 175
175 - 750
≥750
<8
8 - 19
19 - 37
37 - 75
75 - 130
130 - 560
≥560
4,6
4,6
4,6
4,7
4
4
3,8
0,48
0,48
0,36
0,24
0,24
0,12
0,12
Estándar de emisiones
Los estándares de emisión de los motores de compresión-ignición para los vehı́culos fuera de ruta. se
detallan en la tabla B.10:
B-8
Tabla B.10: Estándar de emisiones ( [39]).
Índice de potencia (KW)
Tier
año del modelo
NOx
HC
NMHC + NOx
CO
PM
KW < 8
KW < 8
Tier 1
tIER 2
2000
2005
-
-
10,5
7,5
8
8
1
0,80
8≤ KW < 19
8≤ KW < 19
Tier 1
Tier 2
2000
2005
-
-
9,5
7,5
6,6
6,6
0,80
0,80
19≤ KW < 37
19≤ KW < 37
Tier 1
Tier 2
1999
2004
-
-
9,5
7,5
5,5
5,5
0,80
0,60
37≤ KW < 75
37≤ KW < 75
37≤ KW < 75
Tier 1
Tier 2
Tier 3
1998
2004
2008
9,2
-
-
7,5
4,7
5,0
5,0
0,40
0,40
75≤ KW < 130
75≤ KW < 130
75≤ KW < 130
Tier 1
Tier 2
Tier 3
1997
2003
2007
9,2
-
-
6,6
4
5,0
5
0,30
0,30
130≤ KW < 225
130≤ KW < 225
130≤ KW < 225
Tier 1
Tier 2
Tier 3
1996
2003
2006
9,2
-
1,3
-
6,6
4
11,4
3,5
3,5
0,54
0,20
0,20
225≤ KW < 450
225≤ KW < 450
225≤ KW < 450
Tier 1
Tier 2
Tier 3
1996
2001
2006
9,2
-
1,3
-
6,4
4
11,4
3,5
3,5
0,54
0,20
0,20
450≤ KW < 560
450≤ KW < 560
450≤ KW < 560
Tier 1
Tier 2
Tier 3
1996
2002
2006
9,2
-
1,3
-
6,4
4
11,4
3,5
3,5
0,54
0,20
0,20
KW > 560
KW > 560
Tier 1
Tier 2
2000
2006
9,2
-
1,3
-
6,4
11,4
3,5
0,54
0,20
B.2.5.
Regulación ambiental
B.2.6.
Regulación Federal E.E.U.U.: Motores fuera de ruta de ignición por compresión
Cubre motores móviles diesel fuera de ruta, usados para la construcción, agricultura y aplicaciones industriales. Regulaciones Norteamericanas son un sistema de unidades, todas expresadas en forma estándar
en g/bhp.h (equivalencia métrica son mostradas entre paréntesis).
B.2.7.
Regulación Federal E.E.U.U.: EPA 96- Calendario inicial Tier 1
Aplicado para motores entre 130 [KW] y 560 [kW]. Otras categorı́as de motores han sido agregados
después.
B-9
Tabla B.11: EPA 96- Tier 1 calendario inicial ( [31]).
Potencia del motor
B.2.8.
Modelo
NOx
HC
CO
PM
hp
kW
Year
175 ≤ hp < 750
130 ≤ P < 560
1996
9,2
1,3
g/kWh
11,4
0,54
100 ≤ hp < 175
75 ≤P < 130
1997
9,2
-
-
-
50 ≤ hp < 100
37 ≤ P < 75
1998
9,2
-
-
-
hp≥ 750
P≥ 560
2000
9,2
1,3
11,4
0,54
Regulación Federal E.E.U.U.: EPA 98. Reglas finales para Tier 1 -Tier 2 - Tier 3
Tabla B.12: EPA 98. Reglas para Tier 1 -Tier 2 - Tier 3 ( [31]).
1
2
1
2
1
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
hp
kW
Year
g/kWh
g/kWh
g/kWh
< 11
< 11
11 - 25
11 - 25
25 - 50
25 - 50
50 - 100
50 - 100
100 - 175
100 - 175
175 - 300
175 - 300
300 - 600
300 - 600
600 - 750
600 - 750
≥750
<8
<8
8 - 19
8 - 19
19 - 37
19 - 37
37 - 75
37 - 75
75 - 130
75 - 130
130 - 225
130 - 225
225 - 450
225 - 450
450 - 560
450 - 560
≥560
2000
2005
2000
2005
1999
2004
2004
2008
2003
2007
2003
2006
2001
2006
2002
2006
2006
10,5
7,5
9,5
7,5
9,5
7,5
7,5
4,7
6,6
4,0
6,6
4,0
6,4
4,0
6,4
4,0
6,4
8,0
8,0
6,6
6,6
5,5
5,5
5,0
5,0
5,0
5,0
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
1
0,80
0,80
0,80
0,80
0,60
0,40
0,40
0,30
0,30
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
EPA 98 no establece emisiones de material particulado para Tier 3 y los lı́mites de la norma Tier 2 han
sido aplazados. Incluyendo: Promedios, los créditos de emisión para el sector bancario y el comercio y los
lı́mites de familia de emisión para emisiones promedio.
El estándar de emisiones podrı́a ser conocido sobre la vida y uso del motor. Factores de deterioro son aplicados para todos los motores.
B-10
Tabla B.13: Vida de uso del motor( [31]).
Rango de
Potencia
Rango de
velocidad motor
Tiempo de vida
Horas
Años
Periodo de prueba
Horas
Años
< 25 hp (< 19 kW)
all
3000
5
2250
4
25 - 50 hp
(19-37 kW)
Velocidad constante del motor
3000 rpm
todos los otros
3000
5
2250
4
5000
7
3750
5
> 50 hp (> 37 kW)
all
8000
10
6000
7
Los fabricantes pueden utilizar en forma voluntaria, estrictos estándares de emisión para ganar una designación de “ Serie de cielo azul”. Lo que es aplicado a la certificación TIER 1-3 de mayo del 2004. El
programa de cielo azul es eliminado en la regulación Tier 4.
B.2.9.
Regulación Federal E.E.U.U.: Tier 4 Parte 1039
Después que la mayorı́a de las aplicaciones y que todas las transiciones expiren -después de mayo del
2014-. Algunos de estos estándares serán aplicados para después del 2014.
Tabla B.14: Normativa asociada a Tier 4( [31]).
Potencia máxima
del motor
PM
NOx
NMHC
NOx
+NMHC
CO
(kW)
(g/kWh)
(g/kWh)
(g/kWh)
(g/kWh)
(g/kWh)
< 19
19 - 56
56 - 130
130 - 560
> 560 (JG)4
> 560 (EJG)5
0, 401)
0,03
0,02
0,02
0,03
0,04
0,4
0,4
0,67
3,5
0,19
0,19
0,19
0,19
7,5
4,7
-
6, 62)
5, 03)
5
3,5
3,5
3,5
1) Estándares opcionales de material particulado EP < 8kW: Aire enfriado y motores de inyección diesel:
0,60 [g/kWh ] en 2010, antes de los lı́mites requeridos para Tier 2.
2) EP < 8 [kW]: CO: 8 [g/kWh]
3) EP < 37[kW]: CO: 5,5 [g/kWh]
4) JG: Juego de generadores.
5) EJG: Excepto juego de generadores
Vida útil: No cambia por Tier 3.
B.2.10.
Regulación Federal E.E.U.U.:Precaución de fases en transición
i.- EP < 19 [kW]
B-11
Tabla B.15: EP < 19 [kW]( [31]).
Potencia máxima del motor
MY
PM
NOx +NMHC
CO
g/kWh
g/kWh
g/kWh
g/kWh
EP < 8kW
8 ≤ EP < 19
2008-2014
2008-2014
0, 401)
0,4
7,5
7,5
8
6,6
1) Para ajusta el enfriamiento del aire y la inyección directa en motores: Posiblemente se retrasará hasta
2010 (0,60 [g/kWh]). Para mayo del 2009 o más tempranamente: Los estándares de Tier 2, serán aplicables.
ii.- 19 ≤ EP < 37
Tabla B.16: 19 ≤ EP < 37( [31]).
MY
PM
NOx +NMHC
CO
g/kWh
g/kWh
g/kWh
2008-2012
0,3
7,5
5,5
2013-2014
0,03
4,7
5,5
iii.- 37 ≤ EP < 56
Tabla B.17: 37 ≤ EP < 56( [31]).
Opción
MY
PM
g/kWh
NOx +NMHC
g/kWh
CO
g/kWh
#1
#2
All
2008-2012
2012
2013-2014
0,30
0,03
0,03
4,7
4,7
4,7
5
5
5
1) Todos los motores ≥ 37 [kW] y ¡56 [kW], <Mayo del 2013, que puede conocerse con #1. Bajo la
opción #2, todos los motores ≥ 37 [kW] y < 56, podrı́a tenerse para Tier 4.
iv.-56≤ EP < 130
Tabla B.18: 56≤ EP < 130( [31]).
MY 1)
introducción
(paulatina)
PM
g/kWh
NOx
g/kWh
NMHC
g/kWh
NOx +NMHC
g/kWh
CO
g/kWh
2012
Phase in (#1)
0,02
2,3
2013
Phase in (#2)
0,02
3,4
0,19
-
5,0
0,19
4, 02)
2014
All engines
0,02
0,4
5,0
0,19
-
5,0
1) PM/CO:Conforme a 2010
2) NOx + NMHC para 56 ≤ EP < los lı́mites de 75 es 4,7 [g/kWh]
B-12
NOx /HC:
Opción 1 (Si los créditos son usados para Tier 2): 50 % de los motores puede ser cumplido en 2012-2013.
Opción 2 (Si no son reclamado los créditos en Tier 2): 25 % de los motores podrı́an ser incluidos en 20122014.
Todo deberá estar incluido para el 31 de Diciembre del 2014.
v.- 130 ≤ EP < 560
Tabla B.19: 130 ≤ EP < 560( [31]).
MY
Opciones de introducción
PM
NOx
NMHC
NOx +NMHC
CO
g/kWh
g/kWh
g/kWh
g/kWh
g/kWh
2
0,19
-
3,5
2011-2013
En fase
0,02
Fuera de fase
0,02
-
-
4
3,5
2014
Todos los motores
0,02
0,4
0,19
-
3,5
1) PM/CO: todo deberá ser incluido por 2011; NOx /HC: 50 % los motores deberán cumplirse en 20112013.
vi.- EP > 37
Tabla B.20: EP > 37( [31]).
MY
Opción de introducción
2011
-2014
560 < kW 900
kW ¿ 900
kW ¿ 900
All
Generators sets
All except generator sets
PM
NOx
NMHC
CO
g/kWh
g/kWh
g/kWh
g/kWh
0,1
0,1
0,1
3,5
0,67
3,5
0,4
0,4
0,4
3,5
3,5
3,5
Pruebas de humo: No cambian para Tier 3.
Pruebas de no humo son requeridas para motores certificados de PM ≤ 0,07 [g/kWh].
B.2.11.
Regulación Federal E.E.U.U.: Motores de ignición por chispa
Tabla B.21: Clases de motor ( [31]).
Clase
Categorı́a
Desplazamiento del motor
I
No portátiles
100 to < 225 cc
I-A
No portátiles
< 66 cc
I-B
No portátiles
66 to < 100 cc
II
No portátiles
≥225 cc
III
portátiles
< 20 cc
IV
portátiles
20 to < 50 cc
V
portátiles
≥ 50 cc
B-13
Tabla B.22: Fase I estándar( [31]).
Clase
Desplazamiento del motor(CC)
HC+ NOx
HC
CO
NOx
g/kWh
g/kWh
g/kWh
g/kWh
I
NH
< 225
16,1
-
519
-
II
NH
≥ 225
13,4
-
519
-
III
H
< 20
-
295
805
5,36
IV
H
≥ 20, < 50
-
241
805
5,36
V
H
≥ 50
-
161
603
5,36
Tabla B.23: Fase II estándar( [31]).
Clase de motor
I
I-A
I-B
HC+NOx
NMHC+NOx (NG motores)
CO
Fecha efectiva
14,8
N/A
37
610
610
610
01 Aug, 07 1 )
MY 2001
MY 2001
16,1
50
40
1) Puede incluir cualquier clase de familia I de motores producido ≥ al 1 de agosto del 03: Introducidos
al comercio.
Tabla B.24: Fase II estándar(( [31]).
Clase II
Emisiones
2001
2002
2003
2004
2005, +
HC+NOx
NMHC+NOx
CO
18
16,7
610
16,6
15,3
610
15
14
610
13,6
12,7
610
12,1
11,3
610
Tabla B.25: Fase II estándar(( [31]).
B.2.12.
Clase de
Emisión
motor
(g/kWh)
2002
2003
2004
III
2005
2006
2007
HC + NOx
238
175
113
50
50
50
CO
805
805
805
805
805
805
IV
HC +NOx
196
148
99
50
50
50
CO
805
805
805
805
805
805
V
HC +NOx
-
-
143
119
96
72
CO
-
-
603
603
603
603
Grandes motores de ignición por chispa (Similar a CARB)
Incluye: Equipamiento fuera de ruta como son los elevadores, barredoras, bombas y generadores.
B-14
Tabla B.26: Normativa de grandes motores de ignición por chispa ( [31]).
Estándar
MY
Tier 1
2004
ciclo pesado
2006
Pruebas de campo
2007
ciclo pesado
2)
Pruebas de campo
Tier 2
tipos
de prueba
Emisión 1)
Estándar
Servicio alternativo
para motores pesados
HC+NOx
CO
4
50
4
130
5,4
50
5,4
130
2,7
4,4
2,7
130
3,8
6,5
3,8
200
2)
HC+NOx
CO
1) Alternativas acordes a la siguiente fórmula: (HC+NOx ) x (CO)0,784 ≤ 8,57
Pruebas de campo limitada al uso: (HC + NOx ) x (CO)0,791 ≤ 16,78
2) Tier 1: Ciclo de estado fijo. Tier 2: Estado fijo + ciclo transiente.
Periodo de vida útil: 7 años ó 5000 horas de operación, durante 7 años/1500 [hr]
Estándar de emisiones de la serie “ Cielo azul”
Mayo 2003, Cuando se tengan los requerimientos del 2004.
Mayo 2003-2006, Cuando se conozcan los requerimientos del 2007
Emisiones evaporativas: De mayo del 2007
1. 0,2[g/galon] de la capacidad del tanque de combustible para motores 4> 1L.
2. Certificación posible de diseño base.
Fabricantes requieren el desempeño en pruebas de uso
1. Pruebas mı́nimas de 4 motores a 25 % de la familia de motores.
2. Familia de pequeños motores (< 500 motores) requiere un mı́nimo de 2 motores probados.
3. En la fabricación total de productos <2000, mı́nimas pruebas son dos motores.
B-15
B.2.13.
Motores de vehı́culos recreacionales
Tabla B.27: Motocicletas, vehı́culos todo terreno y utilitarios( [31]).
MY
Estándar de
emisiones (g/km)
Máximo permitido
para las familias
Lı́mites de emisiones (g/km)
VTT1
2006
2
25
50 %
20
50
2007, +
2
25
100 %
20
50
HC+NOx
CO
HC+NOx
CO
2006
1,5
35
50 %
20
-
2007, +
1,5
35
100 %
20
-
VTT y VU2
1) VTT: Vehı́culos todo terreno (Vida útil: 10000 [km] o 5 años).
2) VTT y VU: Vehı́culo todo terreno y utlitario (vida útil: 10000 [km], 100 hrs de opreación o 5 años).
B.2.14.
Estándares California: Motores diesel C.I.
Es similar a las regulaciones EPA. Además las regulaciones son aplicadas para todos los ciclos diesel
que entregan una categorı́a de potencia usada para aplicaciones en agricultura, construcción, forestales e
industriales.
B.2.15.
Estándares California: Pequeños motores S.I.
Los estándares se basan en desplazamientos del motor (categorı́as portátiles y no portátiles) para emisiones del tubo de escape categorizado para 65 [cc]
Con cigüeñal en posición vertical y horizontal
B-16
Tabla B.28: Calendario de normativas( [31]).
MY
Clase de motor
2000
2001
65 cc
> 65 cc, < 225 cc
225 cc
2002
65 cc
HC+NOx
CO
PM
Durabilidad
g/kWh
g/kWh
g/kWh
periodo (hrs)
72
16,1
13,4
536
467
467
2,0 1)
-
50/125/300
-
72
536
2,0
-
> 65 cc, < 225 cc h
16,1
549
-
2004
¿ 65 cc, < 225 cc v
1)
50/125/300
125/250/500
16,1
467
-
-
225 cc
12
549
-
125/250/500
2005
< 50 cc
50
536
2,0
1)
+
50, 80 cc
72
536
2,0
1)
> 80, < 225 cc h
16,1
549
-
> 80, < 225 cc v
16,1
467
-
-
225 cc
12,1
549
-
125/250/500
> 80, < 225 cc
16,1
549
-
125/250/500
225 cc
12,1
549
-
125/250/500
10
549
-
125/250/500
125/250/500
2005
2006
50/125/300
50/125/300
125/250/500
2007
> 80, < 225 cc
12,1
549
-
2008
> 80, < 225 cc
10
549
-
125/250/500
225 cc
8
549
-
125/250/500/1000
225 cc
1) Aplicable para los dos golpes del motor.
Bajas emisiones para los requerimientos de motores de la serie “cielo azul”: Estándares de emisiones
voluntarias (g/kWh)
Tabla B.29: Requerimientos de la serie “cielo azul” ( [31]).
B.2.16.
MY
Desplazamiento del motor
HC+Nox
CO
PM
2005, +
< 50 cc
25
536
2
50, 80 cc
36
536
2
2007, +
> 80, < 225 cc
5
549
-
2008, +
> 225 cc
4
549
Estándares California: Grandes motores S.I.
Aplicada a motores S.I. ≥ 19kW, excepto para equipamiento de motores de construcción y granjas <
175 [hp], motocicletas fuera de ruta, vehı́culos todo terreno, movedoras de nieve. Proponiéndose exigentes
requerimientos en el año 2007 para motores mayores a 1 [lt]
B-17
Tabla B.30: Normativa grandes motores S.I.( [31]).
Motor
MY
Desplazamiento
≤ 1,0 l
> 1,0 l
HC+NOx
CO
Durabilidad
[g/kWh]
Periodo
2002, +
12
549
1000 hrs o 2 años
2001-2003 1)
2004-2006 2)
2007-2009
2010, +
4
4
4
4
49,6
49,6
49,6
49,6
3500 hrs o 5 años
5000 hrs o 7 años
5000 hrs or 7 años
1) 2001: Mı́nimo 25 % de descuento; 2002 mı́nimo 50 % de descuento; 2003; mı́nimo 75 % de descuento.
2) Estándar de Opción de introducción en conformidad a la familia de motores: HC +NOx : 4,0 g/bhph; CO:
50 g/bhph con un uso de 5000 [hrs] o 7 años.
Estándares futuros
1. Reducción de HC + NOx y CO en 2007-2009 & 2010
2. Opcionalmente bajas categorı́as en las series de emisiones que son parte del programa.
Tabla B.31: Motocicletas( [31]).
Engine category
Implementation date
CO (g/km)
HC 1) (g/km)
> 90 cc
1997
15
1,2
< 90 cc
1998
15
1,2
Engine Category
Certification Method
CO (g/km)
HC+NOx (G/km)
< 1L
motor
400
12
Buggy
motor
400
13,4
Chasis
15
1,2
2)
1) Promedio estándar corporativo
2) Sólo HC (g/Km)
Tabla B.32: Requerimientos evaporativos( [31]).
B.2.17.
Categorı́a del motor
HC (g/m2/day)
Temperatura
Tanque
1,5
28◦ C
Tuberı́as
15
23◦ C
Normativa Japonesa: Vehı́culos especiales Diesel
Equipamiento de construcción (Ministro de infraestructura, tierra y transporte)
primera fase (1996-1998) similar a fases Euro I, US Tier 1
B-18
segunda fase (Octubre 2003) similar a la fase Euro I, US tier 2, procedimiento del ministro de medio ambiente.
Requerimientos adicionales:
8 [kW] ≤ P < 19 [kW]: NOx : 9 [g/kWh]; 1,5 [g/kWh]; CO: 5,0 [g/kWh]; PM: 0,80 [g/kWh]; Humo: [40 %]
Ministro del medio ambiente Las pruebas se han realizado de acuerdo a la norma ISO 8178.
Aplicaciones: Vehı́culos diesel fuera de ruta con motores y con rangos de salida entre 19 [kW] y 560 [kW].
Los estándares 2006 son similarmente estrisctos, como los presentados en la norma US Tier 3 y fases III EU.
Las cuales tienen caracterı́sticas similares a las regulaciones EU y US.
Tabla B.33: Estándar de emisión 2006( [31]).
Rango de Pot.
(kW)
Diesel
NOx
(g/kWh)
HC
CO
PM
(g/kWh)
(g/kWh)
(g/kWh)
(g/kWh)
19 - 37
6
1
5
0,4
01/10/07
37- 56
4
0,7
5
0,3
01/10/08
75 - 130
3,6
0,4
5
0,2
01/10/07
130 - 560
3,6
0,4
3,5
0,17
01/10/06
19 - 560
0,6
0,6
20
-
2007
56 - 75
Gasoline
B.2.18.
Comienzo
0,25
Normativa Japonesa: Motores pequeños utilitarios a gasolina (≤ 19 [kW])
Estándares voluntarios de LEMA
LEMA estándar Tier 1 son alineados en EU Fase I y US EPA Tier 1
LEMA estándar Tier 2 son alineados en EU Fase II y US EPA Tier 2
Datos de implementación: Tier 1: SN y SH: 2003
Tier 2: SN:2008; SH:2011
Durabilidad: Diesel: P≤37 [kW]: 5000[hr] Gasolina:5000[hr]
p>37 [kW]: 8000[hr]
B.2.19.
Inventario de emisiones 2005
Los factores a utilizar y las ecuaciones que utiliza la actualización del inventario de emisiones 2005 son
idénticas a las que se utilizarán en el presente trabajo. Por tal motivo no se detallarán en el siguiente cálculo,
pero se hará hincapié en las factores referentes al nivel de actividad.
B-19
B.3.
Cálculo de emisiones
B.3.1.
Cálculo de emisiones
Figura B.1: Diferencia de emisiones de material particulado para dos combustibles con diferente contenidos de azufre. [32]).
B-20
Factor de ajuste
Figura B.2: Factor de ajuste transiente por tipo de equipo Nonroad (CI). Equipos de construcción [32]).
B-21
Figura B.3: Factor de ajuste transiente por tipo de equipo Nonroad (CI). Equipos Agrı́colas [32]).
B.3.2.
Nivel de actividad
B-22
Tabla B.34: Nivel de actividad maquinarı́a fuera de ruta( [37]).
Equipment
Maq.
Func.
X̄
Func.
Semanal
Vida
Útil
Antigüedad
Parque
Max.
HP
(hr/dı́a)
Excavators
(excavadoras)
Minerı́a
Construcción
20
20
Lunes a Sábado
Lunes a Viernes
5 años
5 años
5 años
5 años
25
50
120
175
250
500
750
Industrias
Industrias
12
12
Lunes a Viernes
Lunes a Viernes
7 años
7 años
10 años
10 años
50
120
175
250
500
Minerı́a
Construcción
18
12
Lunes a Sábado
Lunes a Viernes
5 años
5 años
5 años
7 años
50
120
175
250
500
750
Off-Highway
Tractors
(tractores
fuera de
ruta agrı́colas)
Agrı́cola
8
Lunes a Sábado
7 años
10 años
120
175
250
750
1000
Off-Highway
Trucks
(camiones fuera
de ruta)
Minerı́a
20
Lunes a Sábado
3 años
5 años
175
250
500
750
1000
Forklifts
(grúas horquilla)
Graders
(motoniveladoras)
Other
Construction
Equipment
(otros
equipos de
construcción)
Pavers
(pavimentadores)
15
25
50
120
175
500
Construcción
8
Lunes a Viernes
B-23
7 años
7 años
25
50
120
175
Tabla B.35: continuación...( [37]).
Equipment
Maq.
Func.
X̄
Func.
Semanal
Vida
Útil
Antigüedad
Parque
Max.
HP
(hr/dı́a)
Pavers
Construcción
8
Lunes a Viernes
7 años
7 años
250
500
Rollers
(rodillos o
compactadores)
Minerı́a
Construcción
Rellenos Sanit.
16
12
12
Lunes a Sábado
Lunes a Viernes
Lunes a Domingo
3 años
5 años
5 años
3 años
7 años
10 años
15
25
50
120
175
250
500
Rubber
Tired Loaders
(cargadores
frontales
con ruedas)
Minerı́a
Construcción
Forestal
Agrı́cola
Rellenos Sanit.
20
20
10
10
12
Lunes a Sábado
Lunes a Viernes
Lunes a Sábado
Lunes a Sábado
Lunes a Domingo
3
5
5
5
5
años
años
años
años
años
5 años
7 años
7 años
10 años
10 años
25
50
120
175
250
500
750
1000
Backhoes
(retroexcavadoras)
Minerı́a
Construcción
Forestal
Agrı́cola
18
20
12
10
Lunes
Lunes
Lunes
Lunes
3
5
5
5
años
años
años
años
5 años
7 años
10 años
10 años
25
50
120
175
250
500
750
Camión
articulado
Minerı́a
Construcción
20
16
Lunes a Sábado
Lunes a Viernes
3 años
5 años
5 años
7 años
250
500
750
Bulldozer
Minerı́a
Construcción
20
12
Lunes a Sábado
Lunes a Viernes
3 años
5 años
5 años
7 años
120
175
250
750
1000
Manipulador
telescópico
Industrias
Construcción
Minerı́a
12
12
18
Lunes a Viernes
Lunes a Viernes
Lunes a Sábado
5 años
5 años
3 años
10 años
10 años
7 años
120
175
250
Minicargador
Industrias
Construcción
Minerı́a
16
20
18
Lunes a Viernes
Lunes a Viernes
Lunes a Sábado
7 años
7 años
5 años
10 años
10 años
7 años
50
120
175
Miniexcavadora
Construcción
18
Lunes a Viernes
5 años
5 años
25
B-24
a
a
a
a
Sábado
Viernes
Viernes
Sábado
B.3.3.
Factores de emisión
Tabla B.36: Factores de emisión( [35]).
Maquinaria
Grande
Mediano
Pequeño
Excavadora
Retroexcavadora
Cargador Frontal
Motoniveladora
Bulldozer
Minicargador
Camión Articulado
4.000
2.500
4.000
3.500
2.500
2.000
4.000
2.500
2.000
2.500
2.500
2.500
2.000
2.500
2.000
1.500
2.000
2.000
——–
2.000
——-
B-25
Tabla B.37: Factores de emisión( [37]).
Equipment
Max.
ROG
CO
NOX
SOX
PM
HP
(gr/hr)
(gr/hr)
(gr/hr)
(gr/hr)
(gr/hr)
(gr/hr)
25
50
120
175
250
500
750
9.33
68.51
81.02
81.30
78.28
104.08
174.22
30.71
159.93
249.67
306.53
210.56
347.13
573.58
61.37
126.02
467.45
630.36
841.83
1079.99
1848.79
0.09
0.15
0.39
0.57
0.81
1.04
1.77
3.99
15.48
43.69
36.02
29.09
38.90
65.51
7457.18
11347.89
33395.20
50903.37
71978.02
106021.67
175730.13
50
120
175
250
500
42.27
35.66
42.37
34.58
44.81
96.14
106.02
151.62
87.08
125.97
74.52
197.71
318.62
405.07
507.58
0.09
0.17
0.29
0.39
0.49
9.36
19.43
18.88
12.38
16.49
6655.15
14163.53
25426.09
34982.21
50340.26
50
120
175
250
500
750
78.60
86.29
94.03
94.73
112.82
241.30
178.20
256.61
342.02
263.44
438.74
924.17
140.65
500.07
737.44
974.43
1152.78
2501.49
0.16
0.40
0.63
0.88
1.02
2.22
17.29
45.17
41.13
36.41
43.56
93.11
12491.21
34003.84
56210.42
78070.04
104093.37
220330.89
Off-Highway
Tractors
(tractores
fuera de
ruta agrı́colas)
120
175
250
750
1000
128.36
119.78
97.46
378.37
579.29
350.32
400.97
277.82
1975.50
3055.51
732.19
916.66
885.20
3548.19
5703.25
0.50
0.67
0.67
2.59
3.71
63.60
51.46
38.66
148.10
206.44
42519.02
59156.91
59156.89
257702.20
369360.89
Off-Highway
Trucks
(camiones fuera
de ruta)
175
250
500
750
1000
94.96
87.68
130.17
212.67
341.45
349.16
231.17
428.69
693.06
1181.98
720.34
906.89
1294.11
2164.87
3777.73
0.64
0.85
1.21
2.01
2.85
41.72
32.18
47.68
78.49
116.53
56739.45
75544.50
123529.86
200371.23
283372.99
15
25
50
120
175
500
5.48
8.31
61.50
77.59
66.41
95.02
27.99
25.84
147.94
254.34
270.13
348.91
34.94
52.37
133.44
479.87
558.35
1110.07
0.07
0.08
0.16
0.43
0.54
1.13
2.52
3.34
14.68
40.63
29.05
37.44
4584.66
5995.32
12695.98
36677.29
48315.26
115321.81
25
50
120
175
250
500
16.69
85.31
87.13
107.19
128.98
137.35
45.23
187.37
246.28
372.57
371.33
677.81
80.29
146.70
506.76
841.82
1226.98
1333.42
0.11
0.16
0.37
0.65
0.99
1.04
5.68
18.17
43.47
46.05
51.16
54.16
8463.99
12695.98
31387.28
58189.90
88166.53
105799.82
Excavators
(excavadoras)
(grúas horquilla)
Forklifts
Graders
(motoniveladoras)
Other
Construction
Equipment
(otros equipos
de construcción)
Pavers
(pavimentadores)
B-26
CO2
Tabla B.38: continuación...( [37]).
15
25
50
120
175
250
500
3.43
8.39
68.96
65.78
79.31
84.70
107.71
17.50
26.09
155.86
196.24
290.23
244.54
454.34
21.85
52.86
130.84
392.35
643.86
870.63
1122.60
0.04
0.08
0.15
0.31
0.55
0.78
0.98
1.58
3.37
15.31
33.31
33.91
33.09
42.32
2866.83
6052.20
11785.87
26757.13
49054.73
69441.08
99383.58
25
50
120
175
250
500
750
1000
10.01
87.89
67.14
79.81
80.78
114.68
237.67
331.89
32.12
199.54
200.44
291.44
224.96
440.24
897.81
1283.44
65.32
158.51
390.13
628.20
836.99
1181.13
2481.68
3632.09
0.10
0.18
0.31
0.54
0.76
1.06
2.21
2.71
4.16
19.39
35.16
34.87
31.01
44.31
91.70
112.82
7679.02
14129.39
26722.99
48224.26
67575.38
107506.30
220234.37
269380.16
25
50
120
175
250
500
750
11.51
76.39
53.48
68.63
77.73
139.42
212.68
33.63
180.74
170.01
268.44
213.89
466.20
697.19
65.44
149.03
316.58
548.18
875.90
1531.87
2375.61
0.09
0.18
0.28
0.52
0.88
1.76
2.64
4.30
17.63
28.79
30.49
29.16
53.37
81.35
7195.53
13765.36
23463.68
45988.80
77899.41
156424.51
234636.79
250
500
750
87.68
130.17
212.67
231.17
428.69
693.06
906.89
1294.11
2164.87
0.85
1.21
2.01
32.18
47.68
78.49
75544.50
123529.86
200371.23
120
175
250
750
1000
128.36
119.78
97.46
378.37
579.29
350.32
400.97
277.82
1975.50
3055.51
732.19
916.66
885.20
3548.19
5703.25
0.50
0.67
0.67
2.59
3.71
63.60
51.46
38.66
148.10
206.44
42519.02
59156.91
59156.89
257702.20
369360.89
120
175
250
53.48
68.63
77.73
170.01
268.44
213.89
316.58
548.18
875.90
0.28
0.52
0.88
28.79
30.49
29.16
23463.68
45988.80
77899.41
Minicargador
50
120
175
42.27
35.66
42.37
96.14
106.02
151.62
74.52
197.71
318.62
0.09
0.17
0.29
9.36
19.43
18.88
6655.15
14163.53
25426.09
Miniexcavadora
25
10.01
32.12
65.32
0.10
4.16
7679.02
Rollers
(rodillos o
compactadores)
Rubber
Tired
Loaders
(cargadores
frontales
con ruedas)
Backhoes
(retroexcavadoras)
Camión
articulado
Bulldozer
Manipulador
telescópico
B-27
B.3.4.
Metodologı́a
B.3.5.
DERCOMAQ
Tabla B.39: Nivel de actividad cargador frontal-minicargadores(Elaboración propia).
Cargadores frontales-Minicargador
Sectores de utilización
Construcción
Agricultura
Mineria
Utilización de máquinas ( %)
70
15
15
nivel de uso1)
Construcción
Agrı́cola
Minerı́a
Alta [ %]
30
5
60
Media [ %]
50
40
20
Baja [ %]
20
55
20
Intensidad de utilización
Alta [Hr]
Media [Hr]
Baja [Hr]
Construcción
Máxima
12
Mı́nimo
8
Máximo
7
Mı́nimo
4
Máximo
3
Mı́nimo
1
Agrı́cola
8
6
5
3
2
1
Mineria
18
11
12
5
4
1
1) Información para arriendo y/o venta, según corresponda
Tabla B.40: Nivel de actividad Bulldozer-Tractor(Elaboración propia).
Bulldozer-Tractor
Sectores de utilización
Construcción
Agricultura
Utilización de máquinas ( %)
20
75
5
Nivel de uso1)
Construcción
Agrı́cola
Mineria
Alta [ %]
5
15
0
Media [ %]
70
40
50
Baja [ %]
25
45
50
Intensidad de utilización
Alta [Hr]
Media [Hr]
Mineria
Baja [Hr]
Construcción
Máxima
12
Mı́nimo
8
Máximo
7
Mı́nimo
4
Máximo
3
Mı́nimo
0
Agrı́cola
18
12
11
5
4
0
Mineria
11
7
6
4
3
0
1) Información para arriendo y/o venta, según corresponda
B-28
Tabla B.41: Nivel de actividad Retroexcavadora-excavadora(Elaboración propia).
Retroexcavadora-excavadora
Sectores de utilización
Construcción
Agricultura
Utilización de máquinas ( %)
60
15
25
Nivel de uso1)
Construcción
Agrı́cola
Mineria
Alta [ %]
30
5
10
Media [ %]
40
55
60
Baja [ %]
30
40
30
Intensidad de utilización
Alta [Hr]
Media [Hr]
Mı́nimo
15
Mineria
Baja [Hr]
Construcción
Máxima
20
Máximo
14
Mı́nimo
9
Máximo
8
Mı́nimo
1
Agrı́cola
14
9
8
4
3
1
Mineria
24
16
15
8
7
1
1) Información para arriendo y/o venta, según corresponda
Tabla B.42: Nivel de actividad Compactador-Asfaltadora-motoniveladoras(Elaboración propia).
Rodillo compactador-Asfaltadora-motoniveladoras
Sectores de utilización
Construcción
Agricultura
Minerı́a
Utilización de máquinas ( %)
85
5
10
Nivel de uso
Construcción
Agrı́cola
Mineria
Alta [ %]
20
0
10
Media [ %]
60
40
30
Baja [ %]
20
60
60
Intensidad de utilización
Alta [Hr]
Media [Hr]
Baja [Hr]
Construcción
Máxima
10
Mı́nimo
8
Máximo
7
Mı́nimo
4
Máximo
3
Mı́nimo
1
Agrı́cola
5
4
3
2
2
1
Mineria
16
10
9
4
3
1
B-29
B.3.6.
REMAR
Tabla B.43: Nivel de actividad Cargadores frontales-Minicargador(Elaboración propia).
Cargadores frontales-Minicargador
Sectores de utilización
Construcción
Agricultura
Minerı́a
Utilización de máquinas ( %)
80
0
20
Nivel de uso
Construcción
Agrı́cola
Minerı́a
Alta [ %]
10
80
Media [ %]
60
15
Baja [ %]
30
5
Intensidad de utilización
Alta [Hr]
Media [Hr]
Baja [Hr]
Construcción
Máxima
10
Mı́nimo
8
Máximo
7
Mı́nimo
4
Máximo
3
Mı́nimo
1
Agrı́cola
-
-
-
-
-
-
Minerı́a
14
9
8
5
4
1
Tabla B.44: Nivel de actividad Bulldozer-Tractor(Elaboración propia).
Bulldozer-Tractor
Sectores de utilización
Construcción
Agricultura
Minerı́a
Utilización de máquinas ( %)
60
30
10
Nivel de uso
Construcción
Agrı́cola
Minerı́a
Alta [ %]
35
40
10
Media [ %]
55
30
60
Baja [ %]
10
30
30
Intensidad de utilización
Alta [Hr]
Media [Hr]
Baja [Hr]
Máxima
Mı́nimo
Máximo
Mı́nimo
Máximo
Mı́nimo
Construcción
20
14
13
9
8
1
Agrı́cola
15
10
9
6
5
1
Minerı́a
12
8
7
5
4
1
B-30
Tabla B.45: Nivel de actividad Retroexcavadora-excavadora(Elaboración propia).
Retroexcavadora-excavadora
Sectores de utilización
Construcción
Agricultura
Utilización de máquinas ( %)
45
10
45
Nivel de uso
Construcción
Agrı́cola
Minerı́a
Alta [ %]
20
0
35
Media [ %]
60
20
40
Baja [ %]
20
80
35
Intensidad de utilización
Construcción
Alta [Hr]
Máxima
21
Media [Hr]
Mı́nimo
16
Minerı́a
Baja [Hr]
Máximo
15
Mı́nimo
9
Máximo
8
Mı́nimo
1
Agrı́cola
9
7
6
4
3
1
Minerı́a
20
14
13
7
6
1
Tabla B.46: Nivel de actividad Compactador-Asfaltadora-motoniveladoras(Elaboración propia).
Rodillo compactador-Asfaltadora-motoniveladoras
Sectores de utilización
Construcción
Agricultura
Utilización de máquinas ( %)
100
0
0
Nivel de uso
Construcción
Agrı́cola
Minerı́a
Alta [ %]
25
-
Media [ %]
55
-
Baja [ %]
20
-
Intensidad de utilización
Alta [Hr]
Media [Hr]
Minerı́a
Baja [Hr]
Construcción
Máxima
15
Mı́nimo
9
Máximo
8
Mı́nimo
5
Máximo
4
Mı́nimo
1
Agrı́cola
-
-
-
-
-
-
Minerı́a
-
-
-
-
-
-
B-31
B.3.7.
Agrónomos-CCHC-SEIA
Tabla B.47: Nivel de actividad Cargadores frontales-Minicargador(Elaboración propia).
Cargadores frontales-Minicargador
Sectores de utilización
Construcción
Agricultura
Minerı́a
Utilización de máquinas ( %)
60
30
10
Nivel de uso
Construcción
Agrı́cola
Minerı́a
Alta [ %]
25
10
80
Media [ %]
45
55
10
Baja [ %]
30
35
10
Intensidad de utilización
Alta [Hr]
Media [Hr]
Baja [Hr]
Construcción
Máxima
10
Mı́nimo
6
Máximo
5
Mı́nimo
3
Máximo
2
Mı́nimo
0
Agrı́cola
11
6
5
2
1
0
Minerı́a
15
10
9
5
4
1
Tabla B.48: Nivel de actividad Bulldozer-Tractor(Elaboración propia).
Bulldozer-Tractor
Sectores de utilización
Construcción
Agricultura
Minerı́a
Utilización de máquinas ( %)
20
75
5
Nivel de uso
Construcción
Agrı́cola
Minerı́a
Alta [ %]
5
15
0
Media [ %]
70
40
50
Baja [ %]
25
45
50
Intensidad de utilización
Alta [Hr]
Media [Hr]
Baja [Hr]
Construcción
Máxima
12
Mı́nimo
8
Máximo
7
Mı́nimo
4
Máximo
3
Mı́nimo
0
Agrı́cola
18
12
11
5
4
0
Minerı́a
11
7
6
4
3
0
B-32
Tabla B.49: Nivel de actividad Retroexcavadora-excavadora(Elaboración propia).
Retroexcavadora-excavadora
Sectores de utilización
Construcción
Agricultura
Utilización de máquinas ( %)
70
10
20
Nivel de uso
Construcción
Agrı́cola
Minerı́a
Alta [ %]
30
10
40
Media [ %]
50
50
30
Baja [ %]
20
40
30
Intensidad de utilización
Alta [Hr]
Media [Hr]
Construcción
Máxima
14
Mı́nimo
9
Agrı́cola
16
10
Minerı́a
24
17
Máximo
8
Minerı́a
Baja [Hr]
Mı́nimo
4
Máximo
3
Mı́nimo
0
9
5
4
1
16
10
9
2
Tabla B.50: Nivel de actividad Compactador-Asfaltadora-motoniveladoras(Elaboración propia).
Rodillo compactador-Asfaltadora-motoniveladoras
Sectores de utilización
Construcción
Agricultura
Utilización de máquinas ( %)
80
5
15
Nivel de uso
Construcción
Agrı́cola
Minerı́a
Alta [ %]
35
10
30
Media [ %]
40
40
50
Baja [ %]
25
50
20
Intensidad de utilización
Alta [Hr]
Media [Hr]
Minerı́a
Baja [Hr]
Construcción
Máxima
9
Mı́nimo
6
Máximo
5
Mı́nimo
3
Máximo
2
Mı́nimo
0
Agrı́cola
12
9
8
5
4
1
Minerı́a
14
10
9
4
3
1
B-33
B.3.8.
Valores de parámetros variables
Tabla B.51: Valores aleatorias para emisiones de NOx y CO. Elaboración propia
Variables aleatorias
Parámetros
Rubro utilización
Mı́n
NOx
Máx
Promedio
Mı́n
CO
Máx
0,033
0,883
0,033
0,883
Distribución
Uso
0,030
Distribución
Factor carga
0,500
0,321
0,800
0,030
1,100
1,000
19,167
0,767
0,500
0,983
1,530
0,321
0,800
2,570
6,757
1,000
19,167
0,637
Triangular
Triangular
Distribución
0,733
Triangular
Triangular
0,950
Distribución
Horas diarias
0,733
N/A
Uniforme
Triangular
Distribución
Factor ajuste
N/A
Uniforme
Promedio
1,761
Triangular
Triangular
6,757
Triangular
Tabla B.52: Valores aleatorias para emisiones de MP y HC. Elaboración propia
Variables aleatorias
Parámetros
Rubro utilización
Mı́n
MP
Máx
0,033
0,883
Distribución
Uso
0,030
Distribución
N/A
0,050
0,883
0,733
0,800
1,230
1,970
0,321
0,030
0,637
0,500
0,733
0,321
0,800
0,637
Triangular
1,394
19,167
N/A
Triangular
1,050
Triangular
1,000
Promedio
Uniforme
Triangular
Distribución
Horas diarias
HC
Máx
Triangular
0,500
Distribución
Factor ajuste
Mı́n
Uniforme
Distribución
Factor carga
Promedio
2,290
1,326
Triangular
6,757
Triangular
B-34
1,000
19,167
Triangular
6,757
B.3.9.
Resultados
Figura B.4: Porcentaje de emisiones de Hidrocarburos para maquinaria fuera de ruta. Elaboración propia.
B-35
Figura B.5: Porcentaje de emisiones de Hidrocarburos para maquinaria fuera de ruta. Elaboración propia.
Figura B.6: Porcentaje de emisiones de Hidrocarburos para maquinaria fuera de ruta. Elaboración propia.
B-36
Figura B.7: Porcentaje de emisiones de Hidrocarburos para maquinaria fuera de ruta. Elaboración propia.
B-37