Ensayo De Emision De Gases

Esta es una pequeña guia sobre las emisiones, las tecnologías de BMW para su control, algunas recomendaciones para verificentros y lo que podemos esperar en el futuro.

En este artículo hablaremos de motores a gasolina

1. ¿Que es lo que sale por el tubo de escape?

En el momento en el que se enciende la bujía, se consume una mezcla de aire y gasolina. El aire esta compuesto de por:

- 78.08% de nitrógeno (N2)

- 20.94% de oxígeno (O2)

- 0.035% de dióxido de carbono (CO2)

- 0.93% de gases inertes como el argón y el neón.

La gasolina por otra parte esta compuesta por una mezcla compleja de hidrocarburos, que son moleculas formadas por cadenas de átomos de hidrógeno rodeados de átomos de carbón. (para más detalles ver: http://es.wikipedia.org/wiki/Gasolina)

Al quemarse la gasolina y el aire ocurre un proceso de oxidación (en las reaciones químicas de oxidación se agrega oxígeno a los componentes de la reacción), idealmente de esta reacción se debería obtener solamente: vapor de agua, nitrógeno y dióxido de carbono, sin embargo la combustión nunca es perfecta y siempre quedan pequeños porcentajes de gases contaminantes.

Lo que se obtiene en la mezcla de gases de escape es:

- Vapor de agua

- nitrógeno

- dióxido de carbono

- hidrocarburos (componentes no quemados de la gasolina)

- monóxido de carbono

- oxidos de nitrógeno

- otros gases en cantidades menores, por ejemplo dióxido de azufre

- partículas suspendidas (carbón solido u hollín)

De los anteriores componentes, solamente el vapor de agua y el nitrógeno no son toxicos ni tienen impacto ambiental a nivel global o local. El dióxido de carbono, si bien no es tóxico directamente, es un gas de efecto invernadero y en grandes concentraciones es un factor importante en el calentamiento global por lo que su impacto ambiental es global más que local.

El monóxido de carbono es un gas venenoso, en grandes concentraciones desplaza al oxigeno en la hemoglobina de la sangre y resulta mortal. (Un detalle macabramente curioso es que cada ves es más díficil suicidarse con un coche ya que los sistemas de control de emisiones han mejorado tanto que no es fácil lograr que las concentración de monóxido de carbono llegue a niveles mortales en un garage cerrado.) En menores concetraciones el mónóxido de carbono no es venenoso pero si es tóxico. En general es importante evitar encender un motor en espacios cerrados y también tener cuidado con los recorridos largos en tráfico ya que con el aire acondicionado activo y las ventanas cerradas las concentraciones de monóxido de carbono suelen ser mayores en la cabina de un coche que en la calle, una buena idea es abrir las ventanas de vez en cuando o el quemacocos (techo corredizo).

Los hidrocarburos y los óxidos de nitrogeno no son venenosos pero si son tóxicos, provocan irritación de las vias repiratorias y son cancerigenos (carcinogenos).

2. ¿Como se le da tratamiento a los gases de escape?

Es importante en primer lugar tener una mezcla adeuada de aire combustible (14.7 partes de aire por una de gaslina) lo que se conoce como mezcla estequeométrica y se representa por medio de la letra griga lambda λ, cuando λ = 1 la mezcla es estequeometrica. La mezcla es pobre λ>1 cuando hay más aire que gasolina y el límite para el encendido es de λ = 1.6 que son 23.7 partes de aire por una de gasolina (en motores hechos para mezcla pobre) y λ=1.6 en motores normales. A medida que la mezcla se vuelve más pobre pasa lo siguiente:

- disminuye el consumo de gasolina

- disminuye la potencia y el par motor

- aumenta la temperatura de la cámara de combustión (el motor también se calienta por lo tanto)

- aumenta la tendencia a la detonación o cascabeleo

- aumenta la emisión de óxidos de nitrógeno

- disminuye la emisión de hidrocarburos y monóxido de carbono.

En cambio, con una mezcla rica λ<1 se obtiene la máxima potencia del motor en λ=0.9 (que son 13.3 partes de aire por una de gasolina) y el límite para el encendido es de λ=0.5 que son 7.4 partes de aire por una de gasolina. a medida que se enriquece la mezcla ocurre lo siguiente:

- aumenta el consumo

- aumenta la potencia y el par motor (solo hasta λ=0.9 y después baja de nuevo)

- aumenta la emisión de monóxido de carbono e hidrocarburos

- disminuye la temperatura de la cámara de combustión

- disimuye la emisión de óxidos de nitrógeno

- cuando la mezcla es muy rica el humo de escape se torna negro y hay presencia de carbón u hollín.

Por lo anterior, incluso en un coche sin convertidor catalítico es conveniente operar cerca de la mezcla estequeométrica. No obstante la mezcla se enriquece de forma intencional durante los arranques en frío (para facilitar el arranque, esto se hacía antes manualmente con el choke o estrangulador) o en aceleración a fondo para obtener máxima potencia y para que el convertidor catalítico no exceda su temperatura de operación.

De todas formas, es necesario dar un tratamiento posterior a los gases de escape y esto se hace por medio de un convertidor catalítico de 3 vías. La definición química de un catalizador es que con la presencia del mismo se desencadena una reacción química, sin embargo el elemento catalizador no participa directamente en la reacción.

En la imagen que sigue se ve el interior de un convertidor catalítico:

El convertidor catalítico parece un filtro, sin embaro, la razón por la cual tiene esta forma parecida a un panal es para maximizar el área de contacto entre los gases de escape y el catalizador. Los elementos químicos que actúan como catalizadores son:

- platino y paladio para las reacciones de reducción que implican quitarle átomos de oxígeno a los oxídos de nitrógeno obteniendo como resultado nitrógeno y oxígeno

- rodio para las reacciones de oxidación que implica agregarle átomos de oxígeno a los hidrocarburos y al monóxido de carbono.

Ahora, para que el convertidor catalítico funcione correctamente, la mezcla de aire combustible debe estar lo más cerca posible de la mezcla estequeométrica y además el convertidor catalítico debe haber alcanzado su temperatura de operación (poco más de 900º C).

La computadora que controla el motor se encarga de regular la mezcla de aire combustible inyectando más o menos gasolina en la corriente de aire de admisión y al mismo tiempo mide la cantidad de oxigeno presente en los gases de escape por medio de los sensores de oxigeno o sondas lambda. Cuando la mezcla de los gases de escape es pobre (según lo que miden los sensores de oxigeno)

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