¿Qué son los NOx, el CO y las Partículas y por qué nos dañan?

El NOx, el CO y el material particulado son los tres principales grupos de gases y sustancias contaminantes que salen por el escape de los vehículos con motor de combustión interna: los óxidos de nitrógeno se originan de la reacción del oxígeno con el nitrógeno del aire a altas temperaturas de combustión, el monóxido de carbono es producto de una combustión incompleta por falta de oxígeno, y el material particulado está formado por finas partículas de hollín que se observan especialmente en los motores diésel. Las tres dañan los sistemas respiratorio y circulatorio, por lo que son el objetivo principal de las normas de emisiones.

¿Qué es el NOx y cómo lo produce el motor?

El NOx es el nombre colectivo de los óxidos de nitrógeno. Sus dos componentes más comunes son el óxido nítrico (NO, un átomo de nitrógeno y uno de oxígeno) y el dióxido de nitrógeno (NO2, un átomo de nitrógeno y dos de oxígeno). El NO puede transformarse en NO2 mediante reacciones en la atmósfera; en los informes de calidad del aire se utiliza el NO2 como indicador de todo el grupo de NOx. Aclaremos aquí una confusión frecuente: el óxido nitroso (N2O), que es un gas de efecto invernadero y afecta al clima, es un contaminante distinto del NOx.

El mecanismo de formación es una cuestión química sencilla. La temperatura dentro del cilindro del motor es suficiente para que las moléculas de nitrógeno (N2) y oxígeno (O2) del aire reaccionen entre sí. Esto no es un objetivo deseado de la combustión, sino un subproducto inevitable de la alta temperatura. Cuanto mayor es la temperatura y la presión, más NOx se produce.

Por eso los motores diésel destacan en este aspecto. Los diésel funcionan con aire adicional, es decir, con una combustión "lean" rica en oxígeno; el oxígeno por unidad de combustible y los valores de temperatura y presión del cilindro hacen que la producción de NOx sea más abundante y potente que en un motor de gasolina. Por esta razón, el control del NOx siempre se ha centrado en el lado diésel; además, las emisiones de NOx procedentes de los vehículos se regulan desde los años sesenta.

Monóxido de carbono: inodoro, incoloro y venenoso

El monóxido de carbono es un gas venenoso, inodoro e incoloro que se forma cuando el carbono no se quema por completo. La fisiología detrás de su peligro es clara: cuando el CO entra en la sangre, altera el transporte de oxígeno. El resultado es fatiga, dolor de cabeza, mareos y falta de concentración causados por la llegada insuficiente de oxígeno al cerebro. Entre los primeros síntomas se cuentan el dolor de cabeza, la somnolencia y las náuseas; una exposición avanzada puede llegar al vómito y la pérdida de conciencia. Por ser inodoro, una exposición grave puede alcanzar niveles mortales sin ser advertida.

La tabla de exposición a largo plazo tampoco debe tomarse a la ligera; la exposición crónica al CO se asocia con mayor frecuencia a déficits de memoria, atención y concentración, así como a trastornos del movimiento de tipo Parkinson. También se sabe que la exposición regular a los gases de escape prepara el terreno para problemas respiratorios como bronquitis, asma y cáncer de pulmón.

La buena noticia desde el punto de vista técnico es la siguiente: el CO es un contaminante que puede convertirse en dióxido de carbono inocuo en el catalizador. El riesgo permanece en el gas que no llega al convertidor; si hay una fuga en la línea de escape, el CO puede escaparse sin ser tratado. Por eso, la integridad de la línea de escape no es solo un problema de ruido, sino una cuestión de seguridad.

¿Por qué las partículas son tan peligrosas como el PM2.5?

Las partículas son una mezcla de pequeñas partículas sólidas y líquidas presentes en el aire; en el lenguaje cotidiano es lo que llamamos "hollín". La escala del peligro está directamente relacionada con el tamaño de la partícula. Las partículas PM2.5, con un diámetro inferior a 2,5 micras, penetran profundamente en los sistemas respiratorio y circulatorio gracias a su pequeño tamaño. Las partículas ultrafinas que constituyen el 80–95% de la contaminación por hollín diésel son tan pequeñas que pueden entrar en las células pulmonares.

Se considera que las PM son el principal impulsor de los efectos negativos para la salud asociados a la exposición al escape diésel. Los efectos que señalan las autoridades sanitarias son los siguientes:

• Muerte prematura en personas con enfermedades cardíacas o pulmonares
• Infartos de miocardio no mortales y latidos cardíacos irregulares
• Aggravación del asma, inflamación respiratoria y dificultad para respirar
• Ante un aumento de la exposición a corto plazo, elevación del riesgo de muerte aguda en personas con enfermedad cardiovascular o trastornos respiratorios existentes

El impacto no se limita a la salud. La contaminación por partículas reduce la visibilidad, afecta negativamente al clima y a los ecosistemas y provoca el deterioro de los materiales. Es decir, el hollín que sale del escape es tanto un problema respiratorio como un problema de ingeniería ambiental.

Hidrocarburos no quemados (HC): ¿De dónde proceden?

Hay otro contaminante que no aparece tan a menudo como el NOx en la tabla de emisiones pero que figura en la misma tabla: los hidrocarburos no quemados. Sus fuentes resultan familiares. Los gases de blow-by que se filtran desde la carcasa del cárter y regresan a la cámara de combustión, la mezcla de combustible y aire atrapada en los huecos de los anillos segmentados, el combustible líquido en el colector de admisión y la película de aceite en la pared del cilindro son los principales. En funcionamiento con carga elevada, los huecos de los anillos segmentados son la principal fuente de emisiones de HC.

También existe una fuente fuera de la cámara de combustión: la evaporación del combustible. A las emisiones que salen por el escape se suman las pérdidas generadas por la evaporación del combustible desde el depósito y las conducciones. Por ejemplo, las mezclas de etanol en bajas proporciones pueden hacer que la gasolina se evapore más fácilmente, aumentando las emisiones por evaporación. La combustión incompleta, la falta de oxígeno o unas malas condiciones de combustión son factores del lado de la combustión que aumentan directamente el HC.

¿Qué norma de emisiones se dirige a qué gas y por qué?

Las normas de emisión Euro son un conjunto de reglas que determinan la cantidad máxima de contaminantes que un vehículo puede emitir legalmente; se introdujeron en 1992 junto con la obligatoriedad del convertidor catalítico. La lógica es sencilla: como el mecanismo de daño de cada contaminante es diferente, se establece un límite separado para cada uno. El CO ataca el transporte de oxígeno, el NO2 las vías respiratorias y las PM el corazón y los pulmones, por lo que las normas miden los tres por separado.

La historia de las normas también muestra la lógica de la distinción: desde la fase Euro 2, Europa establece límites diferentes para vehículos diésel y de gasolina. Los diésel están sujetos a límites de CO más estrictos, pero se les permite un NOx más alto; los vehículos de gasolina, por su parte, estaban exentos de la norma de partículas hasta el Euro 4. Euro 6, en septiembre de 2014, entró en vigor y endureció considerablemente los límites de NOx y PM de los vehículos diésel, e introdujo una obligación que limita no solo la masa sino también el número de partículas finas tanto en motores diésel como en los de gasolina de inyección directa (GDI). En el lado diésel, esta obligación exigió la adopción generalizada del filtro de partículas diésel (DPF).

La diferencia entre el laboratorio y la vía real quedó en el centro del debate tras el Dieselgate. A partir de septiembre de 2017, los vehículos fueron sometidos a las pruebas RDE, que realizan mediciones en condiciones de conducción reales. El resultado es medible: durante el período cubierto por las normas Euro, las emisiones de NOx cayeron un %84 entre 2001 y 2017. Los límites estrictos también obligaron a que los sistemas SCR se generalizaran en los diésel.

¿Cómo se limpian estos gases antes de salir por el escape?

La cadena moderna de postratamiento del escape diseña una solución separada para cada contaminante. El SCR (Reducción Catalítica Selectiva) inyecta en el flujo de escape el líquido de escape diésel a base de urea, conocido popularmente como AdBlue; en el catalizador, el NOx se reduce a nitrógeno y agua inocuos. La reducción de NOx puede alcanzar el %90; en el mismo proceso, los HC y el CO se reducen entre un 50 y un 90%, y las PM entre un 30 y un 50%. El DPF, por su parte, atrapa físicamente el hollín; la combinación de DPF + SCR + DEF retiene tanto el hollín como reduce el NOx, mientras que el SDPF, que combina la función SCR con el filtro, hace el mismo trabajo en una sola unidad. También existe una medida dentro del cilindro: la EGR (recirculación de gases de escape) devuelve parte de los gases de escape al cilindro, reduciendo la cantidad de oxígeno y la temperatura de combustión; al bajar la temperatura, se forma menos NOx.

El perfil de emisiones de los vehículos nuevos ha cambiado notablemente gracias a esto. Aunque los modelos nuevos producen algo más de CO2, reducen considerablemente la producción de CO y NOx en comparación con las generaciones anteriores. Desde el punto de vista de la ingeniería, es un compromiso aceptable: el efecto climático y el efecto contaminante son escalas diferentes, y antes de 2015 la definición de "vehículo de bajas emisiones" se centraba únicamente en el bajo CO2; tras el Dieselgate, contaminantes como el NOx pasaron a primer plano.

¿Cuál es el contexto del debate sobre el NOx en Europa?

En 2015 se reveló que Volkswagen había manipulado los sistemas de control de emisiones de sus vehículos diésel para aprobar las pruebas de laboratorio; en la carretera real, los vehículos producían hasta 40 veces más óxidos de nitrógeno de lo declarado. Este único suceso no se quedó como el problema de un solo fabricante: en los años siguientes aparecieron pruebas de que casi todos los fabricantes de diésel en Europa utilizaban estrategias legales o probablemente ilegales para quedar por debajo de los límites de las pruebas. Que las pruebas de laboratorio no reflejen la conducción real explica también la persistencia del debate como un problema de fiabilidad de las normas.

Las cifras del lado de la salud muestran la gravedad del debate. Se ha calculado que las emisiones excesivas de los vehículos Volkswagen vendidos en Alemania probablemente causarán 1.200 muertes prematuras; las emisiones excesivas de NOx diésel de 2015 se han vinculado a unas 38.000 muertes prematuras en todo el mundo, y la mayor parte de esta carga se encuentra en Europa. En Europa, cada año unas 10.000 personas mueren prematuramente debido a las emisiones de vehículos diésel que superan los límites legales; se estima que la exposición al NO2 en las ciudades contribuyó en 2012 a unas 75.000 muertes prematuras en el continente europeo. Se estima que el costo sanitario de la contaminación del aire procedente del transporte por carretera en la UE es de 67-80.000 millones de euros anuales.

Los estudios sobre la exposición prolongada al NO2 informan de asociaciones con la mortalidad por todas las causas, respiratoria y cardiovascular, así como con síntomas respiratorios y la función pulmonar en los niños.

El panorama no avanza en una sola dirección. Entre 2005 y 2023, las muertes atribuidas al PM2.5 en la UE se redujeron un 57% y en 2023 se cumplió el objetivo de reducción del 55%. Es decir, cuando la regulación, la tecnología y la supervisión trabajan juntas, es posible una mejora medible. Las opiniones también divergen sobre dónde buscar la solución: un enfoque se centra en las tecnologías de control de emisiones y en la aplicación de las normas, mientras que otra postura sostiene que la reducción más rápida del NOx pasa por hacer transitar a los usuarios de los vehículos que más combustible consumen hacia los vehículos eléctricos.

Preguntas frecuentes sobre NOx, CO y material particulado

¿Por qué el PM2.5 es más peligroso que el PM10?

Respuesta oculta en el tamaño. Las partículas PM2.5, gracias a sus diámetros inferiores a 2,5 micras, pueden penetrar en las profundidades del sistema respiratorio y circulatorio; partículas más grandes como las PM10 no alcanzan esa profundidad. A medida que aumenta la profundidad de penetración, se eleva el efecto a nivel celular y el riesgo de transporte hacia el sistema cardiovascular.

¿Cuál produce más NOx, el diésel o la gasolina?

El diésel. Los motores diésel trabajan a mayor temperatura y presión, con una combustión rica en oxígeno, por lo que producen un mayor volumen de NOx. Esto también responde a por qué el control de NOx en los diésel requiere sistemas adicionales como SCR y EGR.

¿Cuáles son los síntomas de la intoxicación por monóxido de carbono?

Los primeros síntomas son dolor de cabeza, mareo, somnolencia y náuseas; en fases avanzadas aparecen vómitos y pérdida de conciencia. Como el CO es inodoro e incoloro, la exposición no se percibe hasta que aparecen los síntomas.

¿Es posible que el aire dentro del vehículo esté realmente más contaminado?

Sí, en un tráfico denso el aire respirado dentro del vehículo puede ser peor que el que respira una persona que camina por la misma vía; los gases de escape pueden entrar directamente al habitáculo. Esto es una indicación práctica de por qué es importante la configuración de ventanas cerradas y la recirculación del aire.

En resumen: cada contaminante que sale del escape tiene su mecanismo de formación, su vía de daño y una solución diseñada contra él. El NOx es la firma de la alta temperatura, el CO de la combustión incompleta, las PM del hollín y los HC del combustible sin quemar; como las normativas miden los cuatro por separado, resulta más fácil entender por qué existe cada tecnología.

Fuentes

• Vehicle NOx emissions: The basics
• Nitrogen Oxides (NOx)
• Basic Information about NO2 | US EPA
• What is nitrogen oxide and how do cars create it?
• Nitrogen Oxides | ToxFAQs™ | ATSDR
• Health and Environmental Effects of Particulate Matter (PM)
• Carbon Monoxide & Health | California Air Resources Board
• Border Agents Exposure to Carbon Monoxide (CO)
• Inhalable Particulate Matter and Health (PM2.5 and PM10)
• A systematic review of the health effects associated with diesel exhaust
• European emission standards
• Facts About SCR
• Impact of excess NOx emissions from diesel cars on air quality
• VW's excess emissions and premature deaths
• New study quantifies impact of NOx emissions from diesel vehicles
• Air pollution | European Environment Agency
• Unburned hydrocarbon emission mechanisms in small engines
• In-car air pollution