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Programa autodidáctico 230
Emisiones de gases de escape de vehículos Composición, reducción, normas, ...
Fundamentos
Es cada vez más frecuente, que en la documentación de formación se mencionen y analicen las emisiones de escape de los más variados motores, sistemas y vehículos. Sobre todo, el Lupo 3L TDI ha reflejado la actualidad de este tema, demostrando demostrando que los avances en los desarrollos no sólo se deben a la legislación, sino también a la industria del automóvil, y especialmente a Volkswagen AG. También la discusión político-ecológica en torno al automóvil del nuevo milenio se centra en tres temas: ● ● ●
Por ello queremos informarle de un modo muy completo, con este Programa Programa autodidáctico, acerca del tema de las emisiones de gases de escape en vehículos. El contenido no sólo se limita a la técnica de los vehículos, sino que también ofrece información más pormenorizada, p. ej. ej . sobre los métodos de medición y las normas que rigen al respecto. Las normas y leyes emitidas por la legislación están sujetas a una continua evolución. Por ese motivo le informaremos acerca de los desarrollos más recientes por medio de documentación de formación complementaria.
Emisiones de escape Consumo de combustible Emisiones sonoras
230_002
Los datos indicados en este Programa autodidáctico autodidáctico acerca del aumento en el tráfico de personas y mercancías, así como acerca de los consumos de combustible en la República Federal Federal de Alemania, son comparables en sus tendencias con los diferentes países de Europa. NUEVO
El Programa autodidáctico representa el diseño y funcionamiento de nuevos desarrollos.
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Las instrucciones de actualidad para comprobación, ajuste y reparación se consultarán en la documentación prevista para esos efectos.
Atención Nota
Referencia rápida Evolución del tráfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Móvil y adaptable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Tráfico de personas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Tráfico de mercancías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Composición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Componentes de los gases de escape . . . . . . . . . . . . . 6 Evolución de la composición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Reducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Reducción del consumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Depuración de gases de escape . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Control de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Métodos de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Ejecución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Ciclos de conducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Normas e impuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Normas sobre emisiones de escape . . . . . . . . . . . . . 20 Promoción fiscal en Alemania . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Pruebe sus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
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Evolución del tráfico Móvil y adaptable El automóvil ha obtenido una importancia creciente. Por una parte, representa una contribución a la “calidad de vida“, que proporciona una movilidad personal incomparable y expresa en parte la posición social del propietario. Por otra, también ha llegado a ser un elemento utilitario, que contribuye al cumplimiento de ciertas actividades cotidianas. Otorga al ser humano unos altos niveles de adaptabilidad e independencia de un lugar específico.
Consumo de combustible del tráfico de personas y mercancías (Alemania) Miles de millones de ltr.
47,5
230_013 48,7
47,7
47,7
47,6
40 30 20 15,5
16,6
18,7
19,5
20,6
1995
1997
1998
10
0
1991
1993
Vehículos matriculados (Alemania)
230_016
Millones
41,7
Turismos 36,8
Camiones, buses, ...
2,6
1,9
1991
1998
Unos planteamientos similares también producen el crecimiento en el tráfico de mercancías por calles y carreteras. Hay mercancías que tienen que ser transportadas y suministradas “just in time“, y, a pesar de la alta densidad del tráfico, la carretera sigue siendo la que ofrece la infraestructura más flexible. Pero también las acciones recíprocas entre el vehículo y el medio ambiente han venido a ser cada vez más importantes. Por ese motivo, la industria del automóvil tiene que responder a la creciente densidad del tráfico, mediante nuevos desarrollos, que se suceden cada vez más rápidamente. Y es que las emisiones de componentes críticos para el medio ambiente deben seguirse reduciendo a nivel mundial en el futuro.
Tráfico de personas Tráfico de mercancías
La comparación entre las matriculaciones y el consumo de combustible en el tráfico de personas demuestra, que el consumo sólo ha aumentado de forma mínima en comparación con el aumento de las cifras de matriculaciones.
Tráfico de mercancías
1991-1998
1991-1998
+30% +20% +10% 0%
4
Tráfico de personas
Matriculaciones
Consumo
+13,3%
Matriculaciones
Consumo
+36,8%
+32,9%
+0.2%
230_029
Tráfico de personas Según se ha mencionado, el parque de vehículos aumenta continuamente. En 1996 ya poseía cada segunda persona en Alemania un coche de turismo. Esta evolución ha hecho surgir la necesidad, de que la legislación emitiera normativas y leyes fiscales más severas, con objeto de crear incentivos para que la industria del automóvil y el consumidor tendieran a una actitud de desarrollo y compra más adecuada para el medio ambiente.
Kilómetros recorridos por turismos (República Federal de Alemania) Miles de millones de km
528,0 496,4
230_014 1991
1998
Tráfico de mercancías También el tráfico de mercancías por calles y carreteras viene aumentando continuamente y conquistando segmentos de otras áreas atendidas en el tráfico. Los medios de transporte competidores (ferrocarril y navegación) ya sólo tenían en 1998 una penetración en el mercado de un 29 %, mientras que el tráfico de mercancías por carretera representaba un 67 %. También aquí se necesitan desarrollos adecuados para el medio ambiente.
Kilómetros recorridos con el tráfico de mercancías por carretera (camiones, buses, ...) (República Federal de Alemania) Miles de millones de km
73,2
55,7
230_015 1991
1998
En el tráfico de personas, el consumo ha aumentado únicamente un 0,2 %, a pesar de que los kilómetros recorridos han aumentado un 6 %.
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Composición Componentes de los gases de escape Panorámica inicial
Cuando se habla de la composición de los gases de escape de un vehículo se utilizan siempre los mismos términos: monóxido de carbono, óxido nítrico, partículas de hollín o hidrocarburos. En este contexto, sólo pocas veces se menciona que estas sustancias integrantes sólo representan una fracción de la total cantidad de gases de escape. Debido a ello, antes de describir las diferentes sustancias que integran los gases de escape, le mostramos aquí la composición aproximada de los gases que despiden los motores diesel y de gasolina.
aprox. 14%
HC
CO2
aprox. 13%
H2O
aprox. 1-2%
NOX CO
También los motores de gasolina pueden emitir dióxidos de azufre (anhídrido sulfuroso) SO2 en pequeñas cantidades.
N2 230_005
aprox. 71%
Composición de los gases de escape en motores de gasolina
aprox. 12%
SO2 CO2
aprox. 11%
H2O N2 aprox. 67%
O2
aprox. 0,3% aprox. 10%
230_030
Composición de los gases de escape en motores diesel
6
PM HC
NOX CO
N2 Nitrógeno O2 Oxígeno H2O Agua CO2 Dióxido de carbono CO Monóxido de carbono NOX Óxidos nítricos SO2 Dióxido de azufre Pb Plomo HC Hidrocarburos Partículas de hollín MP
Componentes de entrada y salida para la combustión
La siguiente representación gráfica se propone proporcionarle una idea general resumida sobre los componentes iniciales y finales de la combustión en el motor.
HC S
Hidrocarburos Azufre (impureza) Depósito
O2 N2 H2O
Filtro aire
Oxígeno Nitrógeno Agua (humedad del aire)
Nitrógeno Oxígeno O2 H2O Agua CO2 Dióxido de carbono Monóxido de carbono CO NOX Óxidos nítricos SO2 Dióxido de azufre HC Hidrocarburos Partículas de hollín diesel (MP) N2
Motor Catalizador 230_055
Descripción de los componentes que integran los gases de escape
N2 – Nitrógeno Es un gas no combustible, incoloro e inodoro. El nitrógeno es un componente elemental de nuestro aire respiratorio (78 % nitrógeno, 21 % oxígeno, 1 % otros gases) y se alimenta al proceso de la combustión conjuntamente con el aire de admisión. La mayor parte del nitrógeno aspirado vuelve a salir puro en los gases de escape; sólo una pequeña parte se combina con el oxígeno O 2 (óxidos nítricos NO X). ●
230_006
O2 – Oxígeno Es un gas incoloro, inodoro e insípido. Es el componente más importante de nuestro aire respiratorio (21 %). Se aspira a través del filtro de aire, igual que el nitrógeno. ●
230_031
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Composición
H2O – Agua Es aspirada en parte por el motor (humedad del aire) o se produce con motivo de la combustión “fría“ (fase de calentamiento del motor). Es un componente inofensivo de los gases de escape. ●
230_007
CO2 – Dióxido de carbono Es un gas incoloro, no combustible. Se produce al ser quemados los combustibles que contienen carbono (p. ej. gasolina, gasoil). El carbono se combina durante esa operación con el oxígeno aspirado. Las discusiones generales en torno a las alteraciones climatológicas (efecto “invernadero“), el tema de las emisiones de CO2 se ha hecho consciente en la opinión pública. El dióxido de carbono CO2 reduce el estrato de la atmósfera terrestre que suele servir de protección contra la penetración de los rayos UV (la tierra se calienta). ●
230_004
CO – Monóxido de carbono Se produce con motivo de la combustión incompleta de combustibles que contienen carbono. Es un gas incoloro, inodoro, explosivo y altamente tóxico. Bloquea el transporte de oxígeno por parte de los glóbulos rojos. Es mortal, incluso en una baja concentración en el aire respiratorio. En una concentración normal en el aire ambiental se oxida al corto tiempo, formando dióxido de carbono CO 2. ●
230_008
NOX – Óxidos nítricos Son combinaciones de nitrógeno N 2 y oxígeno O 2 (p. ej. NO, NO 2, N2O, ...). Los óxidos de nitrógeno se producen al existir una alta presión, alta temperatura y exceso de oxígeno durante la combustión en el motor. Ciertos óxidos nítricos son nocivos para la salud. Las medidas destinadas a reducir el consumo de combustible suelen conducir lamentablemente a un ascenso de las concentraciones de óxidos nítricos en los gases de escape, porque una combustión más eficaz produce temperaturas más altas. Estas altas temperaturas generan a su vez una mayor emisión de óxidos nítricos. ●
230_009
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SO2 – Dióxido de azufre Es un gas incoloro, de olor penetrante, no combustible. El dióxido de azufre o anhídrido sulfuroso propicia las enfermedades de las vías respiratorias, pero interviene sólo en una medida muy reducida en los gases de escape. Si se reduce el contenido de azufre en el combustible es posible disminuir las emisiones de dióxido de azufre. ●
230_011
Pb – Plomo Ha desaparecido por completo en los gases de escape de los vehículos. En 1985 se emitían todavía a la atmósfera 3.000 t, debidas a la combustión de combustibles con plomo. El plomo en el combustible impedía la combustión detonante debida a la autoignición y actuaba como una sustancia amortiguadora en los asientos de las válvulas. Con el empleo de aditivos ecológicos en el combustible sin plomo se han podido mantener casi idénticas las características antidetonantes. ●
230_012
HC – Hidrocarburos Son componentes inquemados del combustible, que surgen en los gases de escape después de una combustión incompleta. Los hidrocarburos HC se manifiestan en diferentes combinaciones (p. ej. C6H6, C8H18) y actúan de diverso modo en el organismo. Algunos de ellos irritan los órganos sensoriales, mientras que otros son cancerógenos (p. ej. el benceno). ●
230_010
Las partículas de hollín MP (masa de partículas; inglés: paticulate matter) son generadas en su mayor parte por los motores diesel. Los efectos que ejercen sobre el organismo humano todavía no están aclarados por completo. ●
230_033
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Composición Evolución de la composición Evolución general
En los años pasados, en la República Federal de Alemania, así como en Europa y a nivel mundial, se han emitido decretos y disposiciones legales con miras a la reducción de las emisiones contaminantes para el aire. Como es natural, a este respecto se tenía que dedicar una especial atención al tráfico rodado en carretera. A raíz de ello, y motivada por las normativas más estrictas sobre las emisiones contaminantes en los EE.UU. y Europa, la industria del automóvil desarrolló tecnologías nuevas y mejoradas para reducir y evitar sustancias contaminantes en los gases de escape.
Cantidades emitidas de los componentes más importantes de los gases de escape en el tráfico en calles y carreteras 1990 - 1998 (República Federal de Alemania)
230_017
100 %
151
171
millones t millones t
1,3
0,9
millones t
millones t
+13%
1990
1998
CO2
6,7
3,0
millones t millones t
1998
NOX
0,4
millones t
millones t
-55%
-31%
1990
1,5
1990
1998
CO
0,041
1998
HC
100 %
millones t millones t
-73%
1990
0,036
-12%
1990
1998
MP
La evolución de las cantidades emitidas de gases de escape demuestra, que las cargas ecológicas causadas al aire por el tráfico en las vías públicas, entre los años 1990 y 1998, se han limitado claramente. Los objetivos establecidos por la legislación han sido superados incluso en parte, y las reducciones seguirán continuando en los próximos años. Sin embargo, existe una excepción en esta evolución: el dióxido de carbono CO 2. Las emisiones de dióxido de carbono CO 2 se hallan en una relación directa con el consumo de combustible del vehículo. Si bien, nuevas tecnologías han logrado reducir el consumo, el incremento de las matriculaciones y la tendencia a adquirir vehículos cada vez más potentes y pesados, sin embargo, han actuado en contra de la evolución positiva en el pasado más reciente. Mientras tanto, el incremento de las emisiones de CO 2 está experimentando una reducción, y para el futuro se conseguirá incluso una disminución neta de las emisiones.
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Comparación entre automóvil y camión
Para el desarrollo de futuros vehículos es, entre otras cosas, importante saber qué grupo de vehículos produce qué componentes en los gases de escape. A pesar de que al tráfico de mercancías le falta mucho para alcanzar las cifras de matriculación y kilometraje de los vehículos destinados al tráfico de personas, los camiones son los principales causantes de determinados componentes en los gases de escape. El tráfico de mercancías, debido al empleo de grupos diesel pesados, produce un elevado porcentaje de los óxidos nítricos NO X y de las partículas de hollín MP.
Partes correspondientes a cantidad de los componentes más importantes en los gases de escape del tráfico por calles y carreteras 1998 (República Federal de Alemania)
65 %
35 %
Dióxido de carbono CO 2
42 %
58 %
Óxidos nítricos NO X
85 %
76 %
15 %
Monóxido de carbono CO
24 %
Hidrocarburos HC
74 %
Partículas de hollín MP
26 %
230_018
Tráfico de personas Tráfico de mercancías
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Reducción Hoy en día ya no basta con desarrollar tecnologías específicas para vehículos, destinadas a reducir determinados componentes en los gases de escape y el consumo. Por ese motivo se procede a contemplar al vehículo entero y a ajustar entre sí todos sus componentes. En virtud de este desarrollo integral de los vehículos se pueden describir tres estrategias básicas para la reducción de los gases de escape: - Reducción del consumo - Depuración de los gases de escape - Control de funcionamiento Las medidas específicas que están relacionadas con estos conceptos se presentan en los siguientes apartados.
Reducción del consumo Aerodinámica 230_019
Las formas aerodinámicas del vehículo ofrecen una baja resistencia al aire. Esto se traduce en un menor consumo de combustible. En las últimas décadas, Volkswagen ha reducido el valor Cx de más de 0,45 a menos de 0,30. Esto representa un gran avance, si se considera que a una velocidad de 100 km/h se consume aproximadamente un 70 % de la energía de la propulsión para superar la resistencia del viento.
Reducciones de peso 230_056
Audi Space Frame
Lupo 3L TDI
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230_020
Los altos niveles de seguridad y los crecientes niveles de confort son factores opuestos a las reducciones de peso. Sin embargo, es necesario reducir el peso para poder disminuir el consumo. Ejemplos de esta particularidad son los Audi A8/ A2 (Space Frame) y el Lupo 3L TDI. En estos vehículos se emplean por ejemplo materiales ligeros para la carrocería (aluminio, magnesio).
Sistemas de gestión de motores Circuito de regulación de la gestión del motor
Señales de los sensores
Valor de regulación 230_022 Señales a los actuadores
Los sistemas de gestión de motores de actualidad influyen sobre todos los componentes regulables (actuadores) de un motor. Eso significa, que todas las señales de los sensores (por ejemplo: régimen del motor, masa de aire, presión de sobrealimentación) se analizan en la unidad de control del motor y se transforman en señales de regulación para los componentes regulables (por ejemplo: cantidad y momento de la inyección, ángulo de encendido). De ese modo es posible gestionar el motor en función de la carga y optimizar la combustión.
Optimización de motores y transmisiones
El diseño de motores y transmisiones ejerce una gran influencia sobre el consumo de un vehículo. En el caso de los motores, por ejemplo, los sistemas de inyección de vanguardia son factores importantes para establecer una combustión con consumos mínimos: - Sistema de inyector-bomba en la versión diesel (TDI) - Inyección directa en la versión de gasolina (FSI) En el caso de los cambios es preciso adaptar las relaciones de las marchas al tamaño y peso del vehículo. Aparte de ello se implantan mientras tanto también transmisiones de 6 marchas. De esa forma se puede utilizar el motor predominantemente en el régimen de revoluciones que representa el consumo más adecuado.
Recirculación de gases de escape
230_021
Unidad motor/ transmisión del Lupo 3L TDI
Desaireación del depósito
Para evitar que los vapores de gasolina (hidrocarburos HC) contaminen el ambiente, la gasolina evaporada del depósito de combustible se almacena en un depósito de carbón activo y se alimenta de forma específicamente dosificada para la combustión.
Gas de escape recirculado
En los motores de vanguardia se implanta la recirculación de gases de escape, para reducir, por una parte, la potencia necesaria para la admisión del motor y, por otra, para aprovechar el efecto positivo de los gases de escape sobre el fenómeno de la combustión en determinadas situaciones de la marcha.
Aire atmosférico aspirado
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Reducción Depuración de gases de escape Catalizador (motor de gasolina) Circuito de regulación lambda
La depuración actual de los gases de escape de los motores de gasolina se realiza por medio de catalizadores. La regulación del ciclo de depuración catalítica corre a cargo de la unidad de control del motor: La sonda lambda transmite a la unidad de control del motor las señales correspondientes al contenido de oxígeno en los gases de escape. La unidad de control del motor se encarga de mantener ajustada la mezcla de combustible/ aire a una proporción lambda = 1.
Señales de la sonda lambda (sensor)
Gas de escape modificado hacia la sonda lambda
Señales al sistema de inyección, la válvula de mariposa, etc. (actuadores)
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El catalizador despliega su efecto de depuración a partir de una temperatura de aprox. 300 °C y requiere un cierto tiempo para alcanzar su temperatura de servicio después del arranque en frío. En los sistemas de escape de vanguardia se implantan precatalizadores para abreviar la fase de calentamiento y poder depurar los gases de escape después de un tiempo mínimo. Estos precatalizadores se instalan cerca del colector de escape, tienen generalmente unas dimensiones más pequeñas y alcanzan por ello más pronto su temperatura de servicio. La depuración catalítica se basa en dos reacciones químicas: 1. Reducción – extracción de oxígeno de los componentes de los gases de escape. 2. Oxidación – adición de oxígeno a los componentes de los gases de escape (recombustión).
Reducción
Oxidación
230_026
Los óxidos nítricos NO X se reducen formando dióxido de carbono CO 2 y nitrógeno N2.
230_027
El monóxido de carbono CO se oxida a dióxido de carbono CO 2. Oxidación
230_028
Los hidrocarburos HC se oxidan a dióxido de carbono CO 2 y agua H2O.
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Catalizador (motor diesel)
El motor diesel trabaja con un excedente de oxígeno en la mezcla de combustible y aire. Por ese motivo no es necesario regular el contenido de oxígeno a través de la función de las sondas lambda, y un catalizador de oxidación se encarga de la depuración catalítica de los gases de escape con ayuda del alto contenido residual de oxígeno en éstos. Eso significa, que en el caso del motor diesel no se procede a regular la depuración catalítica de los gases de escape, y que el catalizador de oxidación sólo puede convertir los componentes oxidables. De esa forma se reducen claramente los hidrocarburos HC y el monóxido de carbono CO. Sin embargo, los contenidos de óxidos nítricos en los gases de escape sólo pueden ser reducidos mediante mejoras en el diseño (por ejemplo cámaras de combustión y sistemas de inyección).
Componentes principales de las partículas de hollín (MP)
Carbono Azufre y combinaciones azufrosas
Las partículas de hollín, características en los gases de escape de un motor diesel, constan de un núcleo y varios componentes adicionados, de los cuales únicamente los hidrocarburos HC se oxidan en el catalizador de oxidación. Los residuos de las partículas de hollín sólo pueden ser captados mediante filtros especiales.
230_033 Agua Hidrocarburos
Control de funcionamiento El control de funcionamiento de todos los componentes y sistemas de relevancia para la composición de los gases de escape en un vehículo ya lo conoce Vd. bajo el nombre de “diagnóstico de a bordo (on board diagnosis)“. Fue implantado por primera vez en 1988 en California. La versión variante europea de este sistema de diagnóstico se denomina “Euro on board diagnosis (EOB D)“ y desde principios del año 2000 lo exige la legislación para la homologación de nuevos vehículos lanzados por la industria del automóvil. Los fallos y averías que declinan el comportamiento de los gases de escape de un vehículo se visualizan por medio del testigo de aviso para gases de escape K83. Con ayuda de un visor de datos OBD, no supeditado a marcas específicas, o con ayuda del sistema para diagnósticos, medición e información de vehículos VAS 5051, es posible consultar las averías en cuestión y diversas otras informaciones a través del interfaz para diagnósticos.
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Métodos de medición Ejecución Las emisiones de escape de un vehículo se miden para su homologación en un banco de pruebas de rodillos dotado de un sistema de medición legalmente exigido. En el banco de pruebas se realiza un ciclo de conducción definido y el sistema de medición detecta las cantidades de los componentes que integran los gases de escape. La prueba de homologación la tiene que hacer la industria del automóvil antes de lanzar al mercado un nuevo modelo. Instrumentos de medición adicionalmente para motor diesel MP
Filtro para el aire exterior
CO2
CO
Turbina de aire para la extracción de probetas
HC
NOX
Bolsa colectora
Turbina de aire principal
Radiador
Temperatura del gas Vigilancia de presión
Banco de pruebas de rodillos
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Sistema de medición
Funcionamiento
- El ciclo de conducción se realiza sobre el banco de pruebas de rodillos. - Durante esa prueba, los gases de escape son aspirados por la turbina de aire principal, conjuntamente con el aire exterior filtrado, constituyendo un caudal de masa de aire uniforme. Eso significa, que se aspira continuamente la misma cantidad de mezcla de aire con gases de escape. Si el vehículo produce una mayor cantidad de gases de escape (p. ej. en una fase de aceleración) el sistema aspira una menor cantidad de aire exterior y, si el vehículo produce menos gases de escape, el sistema aspira una mayor cantidad de aire exterior. - De esta mezcla de aire con gases de escape se extrae continuamente una cantidad constante, haciéndola pasar hacia una o varias bolsas colectoras. - Los componentes captados de los gases de escape se someten a medición y se expresan en gramos por kilómetro, referidos al “recorrido total“.
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