DISPOSITIVO UNIVERSAL, NO INTRUSIVO, DE MEDIDA EN TIEMPO REAL DE EMISIONES CONTAMINANTES DE MOTORES, EMBARCABLE EN VEHÍCULOS.

La invención corresponde a un dispositivo de medida de emisiones másicas instantáneas de motores de combustión interna,

universal y embarcable en vehículos. Consta de:

- Tubo de Muestreo (I), incluye tomas de muestra para los analizadores (2, 8, 30), sondas de medida de NOX (3), y relación aire/combustible (4) y un caudalímetro para gases con alto contenido de humedad y partículas (5, 6 y 7).

- Conjunto de Analizadores de gases (II), incluye analizadores de CO, CO2, NO/NO2, HC, masa total de partículas (12, 13, 14, 15 y 26 respectivamente), unidades electrónicas de medida de relación aire/combustible (17), NOX (16) y caudal (28, 23 y 29).

- Sistema de Adquisición y Registro de señales (III).

- Sistema Autónomo de Alimentación eléctrica (IV).

- Sistema de Registro de Variables dinámicas del vehículo (V).

DISPOSITIVO UNIVERSAL, NO INTRUSIVO, DE MEDIDA EN TIEMPO REAL DE EMISIONES CONTAMINANTES DE MOTORES, EMBARCABLE EN VEHÍCULOS.

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

Instrumentación para la medida de emisiones contaminantes en tiempo real para vehículos de motor de combustión interna.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La mayoría de los medios de transporte y las máquinas de obras públicas y agrícolas utilizan en la actualidad motores de combustión interna para su funcionamiento y propulsión. Estos motores generan gases de escape durante su funcionamiento que son emitidos a la atmósfera y que contienen además del nitrógeno y parte del oxígeno del aire entrante, especies químicas como el dióxido de carbono (CO2) proveniente del carbono del combustible y el vapor de agua (H2O) del hidrógeno del combustible y otras especies químicas disueltas en el gas de escape, que pueden ser contaminantes, como el monóxido de carbono (CO) , compuestos orgánicos (HC) , óxidos de nitrógeno (NOX) , además de partículas micrométricas sólidas y líquidas en suspensión. Algunos de estos compuestos son perjudiciales para los seres vivos y tienen efectos medio ambientales por reacciones atmosféricas que los hacen ser catalogados como contaminantes. Actualmente, diversas normativas internacionales y regulaciones limitan la cantidad que cada motor puede emitir según ensayos normalizados para cada tipo y aplicación del motor.

Para desarrollar motores, vehículos y máquinas que puedan cumplir los límites impuestos por las diferentes normativas aplicables, existen dispositivos que proporcionan la información de la cantidad de especies contaminantes producidas por los motores, los vehículos o las máquinas. Estos dispositivos son sistemas más o menos complejos que tienen analizadores de concentración de especies y sensores de propiedades físico – químicas del gas de escape que permiten calcular la contaminación producida. Estos sistemas suelen estar compuestos por equipos estáticos, no portátiles, de la precisión adecuada que miden según ciclos y ensayos iguales para cada tipo de motor o vehículo. En el estado de la técnica actual, la mayoría de estos medidores de emisiones contaminantes de los motores que forman parte de algún medio de transporte o maquinaria móvil, se centran en dispositivos adaptados a un banco motor estático o a un banco de rodillos en el que se puede instalar el vehículo completo, que le proporcionan, al motor o al vehículo según el caso, unas resistencias adecuadas para simular el funcionamiento o la circulación real del mismo. Estos equipos de medida son estacionarios y se basan en principios de medida que exigen equipos de gran tamaño y peso que no son transportables en un vehículo y por lo tanto no pueden medir las emisiones en circulación real. Por ello el motor o el vehículo a ensayar deben ser transportados al lugar donde se sitúa el banco motor o el banco de rodillos.

Sin embargo, la necesidad de comprobar la validez de las soluciones anticontaminación de los motores, su durabilidad en la vida real y de conocer las emisiones de las fuentes móviles de contaminación, exige poder disponer de datos de especies contaminantes emitidas en tiempo real en condiciones operativas reales, fundamental para adoptar políticas y métodos para su reducción, obliga a disponer de sistemas de medida capaces de ser utilizados a bordo del vehículo o máquinas que contiene al motor, mientras éste realiza su función en el entorno real.

En el caso de esta invención, el sistema de medida de emisiones es un dispositivo mínimamente intrusivo, fácil de instalar y de poner a punto, en cualquier vehículo del parque automovilístico, independientemente de marca, tipo, combustible, sistema de diagnosis, etc. y ser utilizado mientras el vehículo realiza su función en condiciones reales, como puede ser el de circular por calles urbanas, carreteras interurbanas, caminos, autopistas o desempeñar otras funciones como en el caso de la maquinaria móvil. Adicionalmente, la operación del sistema no influye significativamente en los parámetros de funcionamiento del vehículo, como pueden ser la masa (el peso del equipo es similar al peso de un pasajero) o el volumen (el equipo cabe dentro del espacio trasero incluso de un turismo pequeño) , y no afecta a las condiciones de conducción del mismo, maniobrabilidad, visibilidad etc.

En el pasado ya se han realizado algunos equipos de este tipo, conocidos por las siglas PEMS (Portable Emissions Measurement System) , que se diferencian entre sí, según ciertas características como pueden ser la toma y acondicionamiento de la muestra, la medición del flujo, los analizadores, instrumentación y sistema de adquisición de datos.

Respecto a la toma y acondicionamiento de la muestra, existen en la actualidad dos maneras de llevarla a cabo, una es realizar una dilución de la muestra, tomando una muestra de los gases de escape y mezclándola con una cierta cantidad de aire limpio. Esta forma de toma de muestra, impide la condensación de parte del vapor de agua de los gases, el cual puede arrastrar parte de los hidrocarburos contenidos. Sin embargo tiene dos desventajas importantes, este sistema es muy voluminoso y difícil de implantar en un vehículo y produce una distorsión de las concentraciones de las distintas especies químicas existentes en los gases de escape. La otra vía de realizar la toma de muestra es hacerlo por medio de la muestra directa, que evita los problemas antes mencionados. Por lo que, en la actualidad la mayoría de los medidores de emisiones a bordo utilizan la toma directa de muestra.

Para realizar la medida de los caudales de escape, se utilizan mayoritariamente dos tipos de dispositivos o técnicas. Uno es el caudalímetro de presión diferencial, como es el caso del tubo de Pitot convencional o el caudalímetro de diferencia de temperatura, que tiene la desventaja de ser más voluminoso y menos preciso que el tubo de Pitot.

En cuanto a los analizadores de gas, se suele utilizar equipos de métodos espectroscópicos como el de absorción de infrarrojos no dispersivos (conocida por sus siglas en inglés NDIR) más usado para la medida de CO, CO2 y HC o el de absorción de rayos ultravioleta no dispersivos (en inglés NDUV) usado comúnmente para la medida de NO y NO2, también están los equipos de ionización de llama para la medida de HC, los equipos de quimioluminiscencia (CLD son sus siglas en inglés) y los sensores de estado sólido para la medida de los óxidos de nitrógeno. Donde cada una de estas tecnologías tiene sus ventajas e inconvenientes para su uso en aplicaciones on-board.

Algunos de los equipos de este tipo que se han desarrollado a nivel mundial, son:

− VPEMS. Prototipo desarrollado por la Imperial Collage y SIRA para medir emisiones en los vehículos diésel y gasolina. Utiliza un analizador de 5-gases comercial, un GPS para determinar la posición y velocidad del vehículo, y obtiene información de la actividad del vehículo a través de la ECU.

− MEMS. Diseñado por la Universidad de West Virginia para medir las emisiones de gases producidos por los camiones.

− TRL. Este sistema ha sido desarrollado por el “Transport Research Laborator y ”

inglés para medir las emisiones de gases producidas por el tráfico rodado en el

centro de Londres. Este sistema incluye un analizador de 5-gases marca Cr y pton, GPS situado en la parte delantera del vehiculo y conectado a un ordenador a través de un puerto USB, a través de la ECU del vehículo se obtienen la velocidad del vehiculo y datos del motor. Este sistema incorpora 2 ordenadores, un para analizar las emisiones y el otro para la lectura de la ECU y recibir información del GPS.

− RAVEM. El Ride-Along Vehicle Emissions Measurement puede medir emisiones de PM además de las emisiones convencionales NOx, CO y CO2 con la opción adicional de medir los THC, SO2, NH3, N2O, especies individuales de compuestos orgánicos volátiles (VOC) y carbonilos como el formaldehído, acetaldehído y acroleína. El sistema RAVEM está basado en el muestreo de flujo parcial proporcional de los gases de escape del vehículo.

A nivel comercial, existen algunos equipos similares como los siguientes:

− Horiba OBS-series 1000/2000. Sistema medidor y analítico de emisiones en tiempo real que guarda información sobre los gases de escape y sobre el ambiente de conducción. Es capaz de medir emisiones de vehículos gasolina diésel, y de combustibles alternativos, además de poder ser utilizado en vehículos off-road.

− Sensores SEMTECH. Sistema desarrollado por la firma Sensors Inc con dos variantes: SEMTECH QCM que utiliza la precipitación...

1. Un dispositivo universal, no intrusivo, de medida en tiempo real de emisiones contaminantes de motores, embarcable en vehículos caracterizado por que comprende:

-un tubo de muestreo (I) ,

-un conjunto de analizadores de gases (II) configurado para medir CO, CO2, NO/NO2/NOX, HC, relación aire/combustible y partículas,

-un sistema de registro de variables dinámicas (V) configurado para medir la temperatura ambiente, la velocidad del vehículo, el régimen de giro y la temperatura del motor,

-un sistema adquisición y registro de señales (III) .

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que el tubo de muestreo (I) es conectable al tubo de escape del motor y además comprende un laminador de flujo (1) a la entrada seguido de un tramo recto, dos tomas para muestreo de gases (5, 7) y un caudalímetro.

3. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado por que en el tubo de muestreo (I) , el laminador de flujo (1) comprende un tubo exterior y una serie de tubos capilares paralelos que cubre sustancialmente la totalidad del área transversal del tubo exterior.

4. Dispositivo según la reivindicación 2 o 3, caracterizado por que las tomas de muestreo de gases (2, 8) comprenden un tubo ciego en forma de “L” que penetra hasta el centro del tubo de muestreo (I) de forma perpendicular a la superficie y cuya boca sellada queda enfrentada al flujo.

5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado por que entre el extremo sellado y el codo del tubo en forma de “L” existen una pluralidad de orificios laterales.

6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado por que un conjunto de orificios están deformados de forma contraria al flujo.

7. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado por que, el caudalímetro es tipo tubo de pitot y comprende una toma

independiente de presión de remanso (7) , una toma múltiple de medida de presión sensible (5) , un sensor de presión diferencial (23) , un sensor de presión absoluta (29) y un sensor de temperatura (6) .

8. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado por que la toma múltiple de presión sensible (5) incluye al menos tres orificios sobre la superficie del tubo de muestreo, localizados de forma simétrica sobre un plano perpendicular al eje del tubo de muestreo (I) y alineado a la boca de la toma de presión de remanso (7) .

9. Dispositivo según la reivindicación 8, caracterizado por que el tubo de muestreo (I) comprende al menos una pieza alojada en cada orificio de forma que internamente queda enrasada con la superficie interior del tubo de muestreo (I) y externamente se apoya sobre su superficie exterior.

10. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado por que la pieza es acoplable a manguera que se unen entre sí por medio de piezas en forma de “T”, formando un collarín igualación de presión alrededor del tubo de muestreo (I) .

11. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado por que el collarín de igualación de presión, es acoplable al tramo de la manguera que lleva la señal de presión sensible al sensor de presión diferencial (23) y de presión absoluta (29) .

12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado por que la toma de presión de remanso (7) del caudalímetro está formada por un tubo en forma de “L” que penetra sustancialmente de manera perpendicular a la superficie del tubo de muestreo (I) , de tal forma que la boca quede enfrentada al flujo y en el plano coincidente con el de la toma múltiple de presión sensible (5) .

13. Dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado por que los dos tramos de tubo en “L” forman sustancialmente un ángulo de 100º.

14. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende además un sistema autónomo de alimentación eléctrica (IV) .

FIG. 1

FIG. 2

(1)

FIG. 3

FIG. 4

FIG. 5