GASES DE ESCAPE – ANALISIS Y EJEMPLO FIAT 1.3

En este articulo brindaremos algunas de las características mas importante para entender la constitución de los gases de escape de un MCI, además algunas aplicaciones de este análisis en la industria , como ejemplo real un análisis d gases realizado a un motor FIAT 1.3, tomado como parte de una tesis de Grado, Trabajo realizado en el  2003.

Conceptos base para el Análisis de Gases.

Combustible: Sustancia que reacciona con otra sustancia produciendo calor. Aporta toda la energía en la combustión. Gasolina o Diesel, formada por HC.

Comburente: Sustancia necesaria para que reaccione el combustible. Aire, O2

Energía de activación: Mínima cantidad de energía necesaria para que se produzca la reacción en cadena. Chispa

Los combustibles utilizados están principalmente compuestos de Carbono C e Hidrogeno H. Estos compuestos se unen formando cadenas largas llamadas de hidrocarburos. Según sea la cadena forma compuestos diferentes como el Gasoil, gasolina, GPL, etc. Estos compuestos por si mismos no pueden utilizarse en el motor ya que necesitan añadirles aditivos para evitar la detonación, la congelación, la lubricación, etc.

Al decir combustión nos referimos a una mezcla de Aire + Gasolina o Gasoil que han reaccionado al aplicarles una energía de activación. En este proceso el oxigeno necesario se encuentra en el aire.

Como resultado del funcionamiento del motor la reacción química anterior no se produce nunca tan perfecta resultando una serie de gases nocivos. Se dice que es una combustión completa. Casi siempre es incompleta.

Componentes de los gases de escape.

En una combustión real nos podemos encontrar varios compuestos:

Inofensivas: Nitrógeno, Oxigeno, CO2, hidrogeno y vapor de agua.

Nocivas: Monóxido de carbono CO, Hidrocarburos HC, Óxidos de Nitrógeno, Plomo y compuestos de plomo Pb, Dióxidos de azufre SO2, hollín, etc.,

Monóxido de carbono CO: Se produce cuando hay poco oxigeno disponible para la combustión y por tanto no llega para quemar todo el Carbono del combustible completamente quedando átomos de carbono unidos a solo un oxigeno formando el CO. Es letal para los seres vivos ya que por ejemplo en el hombre puede fijarse a la hemoglobina 5 veces mejor que el oxigeno. Se genera en el interior del motor. En concentraciones altas y tiempos largos de exposición puede provocar en la sangre la transformación irreversible de la Hemoglobina, molécula encargada

de transportar el oxígeno desde los pulmones a las células del organismo, en Carboxihemoglobina, incapaz de cumplir esa función. Por eso, concentraciones superiores de CO al 0,3 % en volumen resultan mortales.

Hidrocarburos HC: son los restos de hidrocarburos sin quemar que salen por el escape. Se producen por mezclas pobres en Oxigeno Es nocivo, cancerígeno e irritante. Dependiendo de su estructura molecular, presentan diferentes efectos nocivos. El Benceno, es venenoso por sí mismo, y la exposición a este gas provoca irritaciones de piel, ojos y conductos respiratorios; si el nivel es muy alto, provocará depresiones, mareos, dolores de cabeza y náuseas, también causa cáncer.

Óxidos de Nitrógeno: resulta al combinarse el oxigeno y el nitrógeno debido a las altas temperaturas que se alcanzan dentro del motor y a las altas presiones. En la cámara de combustión se forma el NO. Al abrirse la válvula de escape los gases pasan al conducto de escape donde se combinan con oxigeno para formar NO2. Por tanto en el escape se encuentran NO y NO2 de ahí que para aglutinarlos decimos que hay restos de NOx. Irrita el aparato respiratorio pudiendo dañarlo gravemente.

Compuestos de Plomo: Es el metal más peligroso contenido en los aditivos del combustible. El Plomo se usa en los motores para evitar la detonación y para lubricar las válvulas de admisión y escape. Es venenoso. Inhalado puede provocar la formación de coágulos o trombos en la sangre, de gravísimas consecuencias patológicas. Se encuentra presente en las gasolinas en forma de Tetraetilo de Plomo y se utiliza en su producción para elevar su índice de octano y, también, en motorizaciones antiguas como lubricante de los asientos de válvulas. En las gasolinas sin Plomo se ha sustituido este metal por otros componentes menos contaminantes que también proporcionan un alto índice de octano

Dióxido de Azufre: Se encuentra en los combustibles como impureza. La emisión de SO2 es pequeña en los motores de gasolina. En los Diesel es superior por el tipo de combustible utilizado. Al mezclarse con vapor de agua, es responsable de las lluvias acidas.

Comparto parte de un análisis realizado en una de mis Tesis de Ingeniería, en el cual convertimos un motor FIAT 1.3 a varios sistemas de Combustible Disponible en ese momento en Sur América.

En el proceso de combustión del motor Fiat, al igual que en cualquier proceso de combustión de un motor alternativo encendido por chispa, se produce una reacción química, la cual es excitada en un principio por un flujo de electrones que impulsados por una diferencia de potencial saltan a través del espacio entre los electrodos de la bujía, creando así una reacción en cadena auto sostenida en un medio turbulento, como lo es la cámara de combustión al final del tiempo de compresión, para el estudio de la reacción química se hace necesario plantear la ecuación equilibrada de la misma, por medio de ella se pueden cuantificar los porcentajes de los compuestos químicos que participan en el proceso, al igual que las diferentes relaciones AIRE/COMBUSTIBLE o COMBUSTIBLE/AIRE que se presentan en el momento de estudio, a partir del porcentaje molar de cada compuesto se plantea luego la respectiva ecuación de conservación de la energía necesaria para cuantificar la cantidad de calor que se esta empleando en cada condición de operación.

 La combustión en el motor encendido por chispa depende de que la llama formada en la bujía sea hábil para avanzar entre la mezcla que aun no se incendia. A pesar de que no es conocido el mecanismo exacto de la propagación de la llama, ella misma es la evidencia de una reacción química entre el combustible y el oxigeno, reacción que libera energía con la consiguiente elevación de la temperatura.

La reacción química de la mezcla aire y combustible en el cilindro forma los reactantes de combustión. Si nosotros asumimos que todo el combustible se consumirá durante la reacción, a las temperaturas menores de 1000 K, la reacción química puede escribirse como:

El radio de equivalencia.  

El radio de equivalencia se define como la relación combustible/aire_real y la relación combustible/aire_teórico (estequiométrico). La combustión estequiométrica ocurre cuando todo el oxígeno se consume en la reacción, y no hay oxigeno (O2 molecular) en los productos.

Si la proporción de la equivalencia es igual a uno, la combustión es estequiométrica. Si es <1, la combustión es pobre con el aire en exceso, y si tiene >1, la combustión es rica, lo que ocasiona una combustión incompleta.  

Los seis combustibles más comunes son:

La solución de los moles de CO y moles de aire, v5, esta dada por:

Basados en el radio de equivalencia la solución para el coeficiente molar de los productos es:

15. Tesis Motor Convertido a GNV Tilso Castro