Combustión y Emisiones en Motores: Propiedades y Control

Reactivos y Proceso de Combustión

Los reactivos principales en un proceso de combustión son:

• Aire: Compuesto por aproximadamente 78% Nitrógeno (N2), 21% Oxígeno (O2) y 1% otros gases.
• Hidrocarburos (CxHy): Combustibles como la gasolina y el gasoil.

El proceso puede ser una combustión o una explosión, generando como residuos principales CO2 (dióxido de carbono) y H2O (agua).

Combustibles y Aditivos

Los combustibles pueden presentarse en estado sólido, gaseoso o líquido. La gasolina y el gasoil son ejemplos comunes.

Los aditivos cumplen diversas funciones:

• Protección contra el envejecimiento.
• Limpieza del sistema de admisión.
• Protección contra la corrosión.
• Protección contra la congelación.

Propiedades de los Combustibles

Densidad

La densidad se define como masa dividida por el volumen (Densidad = masa/volumen).

• Gasolina: 0.71 - 0.76 kg/l
• Agua: 1 kg/l

Gases de Escape

Otros gases que se producen durante la combustión incluyen:

• CO: Monóxido de carbono.
• CO2: Dióxido de carbono.
• HC: Hidrocarburos sin quemar.
• NOx: Óxidos de nitrógeno.

Relación Aire-Combustible (λ)

La relación estequiométrica para la gasolina es aproximadamente 1g de gasolina por cada 14.7g de aire.

El parámetro lambda (λ) se calcula como:

λ = (Peso real de aire / kg de gasolina) / (Peso teórico de aire / kg de gasolina)

• λ = 1: Mezcla estequiométrica.
• λ < 1: Mezcla rica (más combustible que aire).
• λ > 1: Mezcla pobre (menos combustible que aire).

Catalizador y Control de Emisiones

El catalizador es un dispositivo fundamental para depurar los gases de escape. Los catalizadores actuales utilizan tres vías para tratar el CO, NOx y HC.

Propiedades del Gasoil

El gasoil se caracteriza por:

• Inflamarse bajo alta presión.
• Necesidad de aditivos para evitar la congelación y mejorar la fluidez a bajas temperaturas.
• Baja acidez y bajo porcentaje de corrosión.
• Escaso contenido de azufre y sustancias enganchosas.

Tipos de Motores

• MEP (Motores de Encendido Provocado): También conocidos como motores de explosión u Otto.
• MEC (Motores de Encendido por Compresión): Conocidos como motores de combustión o Diesel.

Conversión de Unidades

Es importante notar que 1% de un gas equivale a 10000 ppm (partes por millón).

Características de la Mezcla Aire-Combustible

Las características clave de la mezcla son:

• Dosificación: Estequiométrica, rica o pobre.
• Homogeneidad: La mezcla debe ser uniforme.
• Pulverización/Vaporización: El combustible debe estar finamente disperso o vaporizado.

Dispositivos para el Control de Emisiones de Escape

El control de emisiones se logra mediante dos enfoques principales:

A) Modificaciones en el Motor

• Diseño de cámaras de combustión.
• Calentamiento del colector de escape.
• Sistemas de distribución variable.
• Sistemas de admisión variable.

B) Tratamiento de los Gases de Escape

• Recirculación de gases de escape (EGR).
• Introducción de aire secundario en el escape.
• Uso de catalizadores.
• Uso de sondas lambda para monitorizar la mezcla.

Distribución Mecánica

La distribución mecánica es el conjunto de elementos que controlan la apertura y cierre de las válvulas. Las levas, que activan las válvulas, tienen un movimiento fijo y no dependen directamente del movimiento del motor. Cuando el motor opera a bajas revoluciones, hay más tiempo disponible para la expulsión de gases quemados y la admisión de mezcla fresca.

Índices de Calidad del Combustible

• Octanaje: Mide la resistencia de un combustible a la detonación (autoignición prematura) en motores de encendido provocado (Otto).
• Cetano: Mide la capacidad de un combustible para encenderse por compresión en motores de encendido por compresión (Diesel). Un índice de cetano más alto indica un mejor encendido.