Gases de Escape y Sistemas Anticontaminación

La energía mecánica, indispensable para poner en acción diferentes máquinas se puede obtener utilizando energía térmica, hidráulica, solar y eólica. La que más se utiliza es la energía térmica obtenida de los combustibles de naturaleza orgánica. Los equipos energéticos que más aceptación han tenido son los motores de combustión interna, a ellos corresponde más de un 80 % de la totalidad de la energía producida en el mundo.

En la Unión Europea aunque los medios de locomoción son responsables únicamente de un 5 % de las emisiones de dióxido de azufre (SO2), son responsables del 25 % de las emisiones de dióxido de carbono (CO2), del 87 % de las de monóxido de carbono (CO) y del 66 % de las de óxidos de nitrógeno (NOx).

Por todas estas razones se esta intentado por todos los medios posibles la reducción de los gases de escape y sus emisiones contaminantes.

Componentes de los gases de escape

El aire está compuesto básicamente por dos gases: nitrógeno (N2) y oxígeno (02). En un volumen determinado de aire se encuentra una proporción de nitrógeno (N2) del 79 % mientras que el contenido de oxígeno es aproximadamente de un 21 %..

El nitrógeno durante la combustión, en principio, no se combina con nada y tal como entra en el cilindro es expulsado al exterior sin modificación alguna, excepto en pequeñas cantidades, para formar óxidos de nitrógeno (NOx). El oxígeno es el elemento indispensable para producir la combustión de la mezcla.

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. Decir que estas sustancias representan una fracción muy pequeña del total de los gases de escape. Debido a ello, antes de describir las diferentes sustancias que integran los gases de escape, le mostramos a continuación la composición aproximada de los gases que despiden los motores diesel y de gasolina.

Descripción de las sustancias que integran los gases de escape

El motor de combustión interna, por su forma de funcionar, no es capaz de quemar de forma total el combustible en los cilindros. Pero si esta combustión incompleta no es regulada, mayor será la cantidad de sustancias nocivas expulsadas en los gases de escape hacia la atmósfera. Dentro de los gases generados en la combustión, hay unos que son nocivos para la salud y otros no.

Nitrógeno (N2)

El nitrógeno es un un gas no combustible, incoloro e inodoro, se trata de un componente esencial del aire que respiramos (78 % nitrógeno, 21 % oxígeno, 1 % otros gases) y alimenta el 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 O2 (óxidos nítricos NOx).

Oxígeno (O2)

Es un gas incoloro, inodoro e insípido. Es el componente más importante del aire que respiramos (21 %). Es imprescindible para el proceso de combustión, con una mezcla ideal el consumo de combustible debería ser total, pero en el caso de la combustión incompleta, el oxigeno restante es expulsado por el sistema de escape.

Agua (H2O)

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 subproducto de la combustión y es expulsado por el sistema de escape del vehículo, se lo puede visualizar sobre todo en los días mas fríos, como un humo blanco que sale por el escape, o en el caso de condensarse a lo largo del tubo, se produce un goteo. Es un componente inofensivo de los gases de escape.

Dióxido de carbono (CO2)

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. Es un gas incoloro, no combustible.

 

El dióxido de carbono CO2

a pesar de ser un gas no tóxico, reduce el estrato de la atmósfera terrestre que suele servir de protección contra la penetración de los rayos UV (la tierra se calienta). 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.

Monóxido de carbono (CO)

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 que respiramos. En una concentración normal en el aire ambiental se oxida al corto tiempo, formando dióxido de carbono CO2.

Óxidos nítricos (NOx)

Son combinaciones de nitrógeno N2 y oxígeno O2 (p. ej. NO, NO2, N2O, ...). Los óxidos de nitrógeno se producen al existir una alta presión, alta temperatura y exceso de oxígeno durante la combustión en el motor. El monóxido de nitrógeno (NO), es un gas incoloro, inodoro e insípido. Al combinarse con el oxigeno del aire, es transformado en dióxido de nitrógeno (NO2), de color pardo rojizo y de olor muy penetrante, provoca una fuerte irritación de los órganos respiratorios.

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.

Dióxido de azufre (SO2)

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. Es un gas incoloro, de olor penetrante, no combustible. Si se reduce el contenido de azufre en el combustible es posible disminuir las emisiones de dióxido de azufre.

Plomo (Pb)

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.

HC – Hidrocarburos

Son restos no quemados del combustible, que surgen en los gases de escape después de una combustión incompleta. La mala combustión puede ser debido a la falta de oxigeno durante la combustión (mezcla rica) o también por una baja velocidad de inflamación (mezcla pobre), por lo que es conveniente ajustar la riqueza de la mezcla.

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 cancerígenos (p. ej. el benceno).

Las partículas de hollín MP (masa de partículas; inglés: paticulate matter)

Son generadas en su mayor parte por los motores diesel, se presentan en forma de hollín o cenizas. Los efectos que ejercen sobre el organismo humano todavía no están aclarados por completo.

tomado de:http://www.aficionadosalamecanica.net/emision-gases-escape.htm

motor diésel

El motor diésel es un motor térmico que tiene combustión interna alternativa que se produce por el auto encendido del combustible debido a altas temperaturas derivadas de la compresión del aire en el interior del cilindro, según el principio del ciclo del diésel. Se diferencia del motor de gasolina en usar gasóleo como combustible. Ha sido uno de los más utilizados desde su creación.

El motor diésel fue inventado en el año 1893, por el ingeniero alemán Rudolf Diesel, empleado de la firma MAN, que por aquellos años ya estaba en la producción de motores y vehículos de carga rango pesado.

Rudolf Diesel estudiaba los motores de alto rendimiento térmico, con el uso de combustibles alternativos en los motores de combustión interna. Su invento le costó muy caro, por culpa de un accidente que le provocó lesiones a él y a sus colaboradores y que casi le costó la vida porque uno de sus motores experimentales explotó.

Durante años Diesel trabajó para poder utilizar otros combustibles diferentes a la gasolina, basados en principios de los motores de compresión sin ignición por chispa, cuyos orígenes se remontan a la máquina de vapor y que poseen una mayor prestación. Así fue como a finales del siglo XIX, en el año 1897, MAN produjo el primer motor conforme a los estudios de Rudolf Diesel, encontrando para su funcionamiento, un combustible poco volátil, que por aquellos años era muy utilizado, el llamado aceite liviano, más conocido comofuel oil que se utilizaba para alumbrar las lámparas de la calle.

Un motor diésel funciona mediante la ignición (encendido) del combustible al ser inyectado muy pulverizado y con alta presión en una cámara (o precámara, en el caso de inyección indirecta) de combustión que contiene aire a una temperatura superior a la temperatura de autocombustión, sin necesidad de chispa como en los motores de gasolina. Este proceso es lo que se llama la autoinflamación .

La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la presión que se produce en el segundo tiempo del motor, la compresión. El combustible se inyecta en la parte superior de la cámara de combustión a gran presión desde unos orificios muy pequeños que presenta el inyector de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y presión (entre 700 y 900 °C). Como resultado, la mezcla se inflama muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia fuera.

motores térmicos

Un motor térmico es una máquina térmica que transforma calor en trabajo mecánico por medio del aprovechamiento del gradiente detemperatura entre una fuente de calor (foco caliente) y un sumidero de calor (foco frío). El calor se transfiere de la fuente al sumidero y, durante este proceso, algo del calor se convierte en trabajo por medio del aprovechamiento de las propiedades de un fluido de trabajo, usualmente un gas o el vapor de un líquido.

Un motor térmico usa típicamente energía proporcionada en forma de calor para hacer trabajo, y luego expulsa el calor que no se pudo usar. La termodinámica es el estudio de las relaciones entre calor y trabajo. La primera ley y la segunda ley de la termodinámica, restringen la operación de un motor térmico. La primera ley es la aplicación de la conservación de la energía al sistema y la segunda establece los límites de la posible eficiencia de la máquina y determina la dirección del flujo de la energía.

Los motores térmicos se ilustran típicamente sobre undiagrama PV  Los motores térmicos, tales como los motores de automóviles operan de una manera cíclica, añadiendo energía en forma de calor en una parte del ciclo, y usando esa energía para realizar trabajo útil en otra parte del ciclo.

motores de combustión interna y externa

motores de combustion interna:

Un motor de combustión interna, motor a explosión o motor a pistón, es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de la cámara de combustión. Su nombre se debe a que dicha combustión se produce dentro de la propia máquina, a diferencia de, por ejemplo, la máquina de vapor.

Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. Se emplean motores de combustión interna de cuatro tipos:

El motor cíclico Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automoción y aeronáutica.

El motor diesel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo

El motor rotatorio.

La turbina de combustión.

Casi todos los automóviles de hoy utilizan lo que es llamado un ciclo de combustión de cuatro tiempos para convertir gasolina a movimiento. El ciclo de cuatro tiempos también es conocido como ciclo de OTTO, en honor a Nikolaus Otto.

Los motores de combustión interna se experimentaron hacia el último ter­cio del siglo XIX. Reciben este nombre porque la combustión se produce den­tro del motor, en la llamada cámara de combustión. Teniendo en cuenta el proceso de entrada de la mezcla dentro de esta cámara, su combustión y la evacuación de los gases quemados, estos motores pueden ser de dos o de cuatro tiempos. Los elementos básicos que constituyen el motor de com­bustión interna son: 

· El cilindro y el pistón: El pistón se mueve dentro del cilindro gracias a la expansión de gases producida por la combustión violenta de una combi­nación de combustible líquido atomizado y mezclado con aire en la cámara de combustión. 

· la biela y el cigüeñal: La biela recibe el movimiento alternativo directa­mente del pistón y lo convierte en movimiento rotativo por medio del ci­güeñal. 

· El carburador o el inyector: El carburador o el inyector son los mecanis­mos que mezclan el combustible y el aire en las proporciones adecuadas y facilitan su entrada a la cámara de combustión. 

motores de combustion externa:

Un motor de combustión externa es una máquina que realiza una conversión de energía calorifíca en energía mecánica mediante un proceso de combustión que se realiza fuera de la máquina, generalmente para calentar agua que, en forma de vapor, será la que realice el trabajo, en oposición a los motores de combustión interna, en los que la propia combustión, realizada dentro del motor, es la que lleva a cabo el trabajo.

Los motores de combustión externa también pueden utilizar gas como fluido de trabajo como en el ciclo termodinámico Stirling

Un motor de combustión externa es una máquina que realiza una conversión de energía calorífica en energía mecánica mediante un proceso de combustión que se realiza fuera de la máquina, generalmente para calentar agua que, en forma de vapor, será la que realice el trabajo, en oposición a los motores de combustión interna, en los que la propia combustión, realizada dentro del motor, es la que lleva a cabo el trabajo.

Los motores de combustión externa también pueden utilizar gas como fluido de trabajo (aire, H2 y He los más comunes) como en el ciclo termodinámico Stirling. Un ejemplo de motor de combustión externa es una máquina de vapor.

La turbina hidráulica

La turbina proviene de la evolución de la rueda hidráulica. Esta rueda de pa­letas, llamada también rodete, fue desarrollada por los griegos y por los ro­manos, especialmente para moler el grano. La fuerza del agua que bajaba por un canal impulsaba las paletas, las cuales proporcionaban un movimiento ro­tativo al rodete que hacía de motor y transmitía el giro a un gran disco de pie­dra. Cuando este disco giraba, rozaba a otro que estaba fijo y molía los granos de trigo u otros cereales hasta convertirlos en harina. 

Durante la Edad Media, por medio de ruedas hidráulicas como las mencio­nadas, se hacían funcionar batanes para la lana, se fabricaba papel, se obtenían polvos, se serraba madera y se hacían machos para forjar el hierro, entre otras aplicaciones. La rueda hidráulica se desarrolló mucho, hasta el punto de que una sola rueda muy grande podía hacer funcionar todas las máquinas de una fábrica. 

A mediados del siglo XIX apareció la turbina. A diferencia de la rueda hi­dráulica, la turbina era cerrada y el agua que entraba en ella se deslizaba por las paletas, llamadas álabes, que tenían una forma curvada muy adecuada para aprovechar al máximo la fuerza del agua. Así, el rendimiento energéti­co de la turbina era muy superior al de la rueda hidráulica tradicional. Exis­ten muchos tipos de turbinas, que se usan según la cantidad de agua disponible, su caudal y el desnivel. En algunas se puede ajustar la inclinación de los álabes para regular la potencia o para compensar las posibles oscila­ciones del caudal. 

Actualmente las turbinas se emplean principalmente en las grandes centra­les hidroeléctricas.

Una turbina hidráulica es una turbo máquina motora hidráulica, que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía mecánica en eléctrica, así son el órgano fundamental de una central hidroeléctrica.

Por ser turbomáquinas siguen la misma clasificación de estas, y pertenecen, obviamente, al subgrupo de las turbomáquinas hidráulicas y al subgrupo de las turbomáquinas motoras. En el lenguaje común de las turbinas hidráulicas se suele hablar en función de las siguientes clasificaciones:

Turbinas de acción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo no sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

Turbinas de reacción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo si sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

maquina de vapor

poco a poco estas maquinas se fueron haciendo mas compactas hasta que pudieron utilizarse para impulsar un vehículo capaz de soportarlas. así nació la locomotora de vapor que daría lugar a la expansión del ferrocarril.

poco a poco las maquinas de vapor de pequeñas dimensiones construidas de hierro casi por entero gracias a la mejora de las técnicas de fabricación se introdujeron en una industria naciente, fundamentalmente textil, para arrastrar los nuevos telares mecánicos que también incorporaban numerosas piezas metálicas. una de las mas importantes fue el diseño y la construcción de las maquinas herramienta o maquinas de hacer maquinas.

la evolución de la maquina de vapor de los motores térmicos que realizan la combustión fuera del cilindro que genera el movimiento(llamados por ello de combustión externa) condujo a las turbinas de vapor.

El motor o máquina de vapor se utilizó extensamente durante la revolución industrial, en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante para mover máquinas y aparatos tan diversos como bombas, locomotoras, motores marinos, etc. Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son ya de embolo o desplazamiento positivo como las descritas, sino que son turbo maquinas; es decir, son atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor. En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto desplazado especialmente por el motor eléctrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustión interna  en el transporte.

motores

¿Que es un motor?

un motor es la parte sistemática de una maquina capaz de hacer funcionar el sistema transformando algún tipo de energía en energiza mecánica capaz de realizar un trabajo, en los automóviles es un efecto que produce movimiento al sistema

Un motor es una máquina que transforma la energía química presente en los combustibles, en energía mecánica disponible en su eje de salida. En un diagrama de bloques de entradas y salidas, tendríamos como entrada: aire y combustible y el aporte de sistemas auxiliares necesarios para el funcionamiento como son los sistemas de lubricación, refrigeración y energía eléctrica; y en el interior del motor, sistema de distribución, mecanismos pistón-biela-manivela y como producto de salida final tendríamos la energía mecánica utilizable, además tendríamos como residuos o productos de la ineficiencia los gases de la combustión y calor cedido al medio.

historia del motor 

Desde tiempos remotos, los humanos han buscado la manera de sustituir la fuerza muscular por aparatos que puedan mover las herramientas y demás utensilios, e inventaron de esa manera los motores. Los motores han evolucionado mucho a lo largo de la historia y en la actualidad han llegado a alcanzar una gran perfección y eficacia.

Hoy en día, los motores son la base de muchos aparatos que se utilizan en la vida cotidiana en los países desarrollados. Funcionan con motores los sis­temas de transporte, las máquinas, los aparatos electrodomésticos, las atracciones de los parques, etc. Sin embargo, sabemos que no siempre ha sido así.

los primeros motores 

Los primeros motores aprovechaban la fuerza muscular, primero la humana y después la animal; posteriormente se empleó la fuerza del viento y la del agua. Los animales servían para transportar cosas, labrar la tierra y sacar agua de los pozos en las norias. El viento se utilizaba para moler el grano, y el agua, gracias a la rueda hidráulica, para hacer funcionar los molinos, las fraguas, etcétera.

la primera fuente de energia de que dispuso el ser humano fue su propio cuerpo

uno de los primeros avanses tecnicos de a humanidad fue el desarrollo a finales del S.XIII del arnes de collera ovalada, en torno al cuello.con ello se pudo multilicar por cuatro la potencia desarrollada por un animal.

en 1826 el entonces joven ingeniero  frances benoit fourneyron gano un concurso  de diseño dotado con 6000 francos con la que seria la primera turbina.

desde entonces el fuerte desarollo tecnologico ha permitido aumentar enormemente el rendimiento y la capacidad de control sobre sus movimientos.

a partir de los trabajo de galileo y posteriormente de newton empezaron a buscarse explicaciones, en las incipientes ciencias, a los hechos que se bervaban durante su contruccion y funcionamiento.nace entonces la tecnologia como estudio y tutela de la accion tecnica desde la ciencia.