Las cuatro principales emisiones de salida de gases de escape que deben ser controladas son: NOx óxidos de nitrógeno Emisiones a ser controladas
HC Hidrocarburos CO Monóxido de carbono Hollín Partículas sólidas
Dos métodos son usados para medir la cantidad de estos gases contaminantes, que son las emisiones específicas (SE)( ⁄ − )y los índices de emisión (EI) tiene unidades de emisión de flujo por flujo de combustible.
( ) = / ( ) = / ( ) = / ( ) = / Donde = !" #$%&' !" "( (')" ") *⁄ℎ,. = -'.")/( $ #,")'. Índices de emisión. ( 1) = [*⁄ "/]/4 [5*⁄ "/] ( 1) = [*⁄ "/]/4 [5*⁄ "/] ( 1) = [*⁄ "/]/4 [5*⁄ "/] ( 1) = [*⁄ "/]/4 [5*⁄ "/]
Polución en el aire. Antes del siglo XX el número de motores de combustión interna era suficientemente pequeño, por lo tanto la emisión que tenían era tolerable y el medio ambiente, con la ayuda del sol, permanecía limpia. La población mundial creció, las fábricas, plantas y el mayor incremento de automóviles, contaminó el aire a la extensión no hacerlo largamente aceptable. En 1940 la contaminación empezó a ser un problema en Los Ángeles, California. Factores que llevan a la contaminación son la gran cantidad de densidad de población y las condiciones naturales climáticas, la gran población crea muchas fábricas y plantas, que las lleva a tener los mayores índices de densidad automotriz en el mundo. Creando humos,
nieblas y el smog resultante. En los años 50´s el problema del smog incrementó con el aumento de la población siendo el automóvil uno de los mayores causantes del problema. En los años 60´s los standard de emisión fueron obligados en california, en las siguientes décadas los estándar de emisión fueron adoptados en el resto de Estados Unidos, Europa y Japón, haciendo motores con mayor eficiencia en el combustible y el uso de tratamiento a la salida de los gases de escape.
Las emisiones de HC, CO y NOx fueron reducidas alrededor del 95% durante las décadas de 1970 y 1980, El plomo uno de los mayores contaminantes del aire fue dejado de ser un aditivo de combustible durante los años 1980, Más eficiencia en motores con el uso de combustible fueron desarrollados. Y en los años 1990 el consumo promedio bajó hasta la mitad del uso de combustible de los años de 1970, por lo tanto, durante este tiempo el número de automóviles se incrementó, resultando no en general el decrecimiento del uso de combustible.
Adicional la reducción fue difícil y costosa, la población mundial creció, los estándar de emisión se convirtieron más estrictos fuera de lo necesario. Las leyes estrictas se iniciaron en california, con el resto de los Estados Unidos y el mundo siguiendo. Además la polución de aire es un problema global, algunas regiones en el mundo no tienen estándar de emisiones o leyes.
HC hidrocarburos. Los gases de escape salen de la cámara de combustión de un motor SI con un contenido de 6000 ppm de componentes de hidrocarburo, el equivalente de 1 - 1,5% del combustible. Cerca del 40% de este no es quemado de los combustibles componentes de la gasolina. El otro 60% consiste en la reacción parcial de componentes, que no estuvieron presentes en el combustible original. Estos consisten en pequeñas moléculas sin equilibrio que son formadas cuando largas moléculas de combustible rompen (estallido térmico) durante la reacción de combustión, Es frecuentemente conveniente tratar estas moléculas, como si ellas tuvieran un átomo de carbono como es CHI.
El maquillaje de las emisiones de HC, la geometría de la cámara de combustión será diferente para cada mezcla de gasolina, dependiendo de los componentes originales del combustible. La geometría de la cámara de combustión y los parámetros de operación del motor influencia además el espectro del componente de hidrocarburo. Cuando las emisiones de hidrocarburo están dentro de la atmósfera, su actuar es de forma irritante y odorante, algunas son cancerosas. Todos los componentes, excepto el CH4 reaccionan con gases atmosféricos en la forma de smog fotoquímico.
Causas de emisiones de hidrocarburos HC. Proporción de aire- combustible no estequiométrica. La figura muestra los niveles de emisiones de HC son una fuerte función de AF. Con una mezcla rica no hay suficiente oxígeno que reaccione con todo el carbono (C) resultando en altos niveles de HC y CO en los productos de salida. Esto es principalmente cierto en la encendida del motor, cuando la mezcla de aire y combustible es deliberadamente hecha muy rica, es además verdad con un menor alcance durante una rápida aceleración bajo carga. Si AF es muy baja una pobre combustión ocurre de nuevo, resultando en emisiones de HC. El extremo de la pobre combustión para un ciclo es el total fallo. Esto ocurre más frecuentemente cuando la mezcla de aire y combustible es hecha más pobre. Un fallo fuera de 1000 ciclos lleva emisiones de salida de 1 gmlkg de combustible usado.
Las emisiones de un motor SI es función de la proporción de la equivalencia. Una mezcla rica de combustible-aire no tiene suficiente oxígeno para reacciónar con todo el carbono y el hidrógeno, ambos HC y emisiones de CO se incrementan, las emisiones de HC además se incrementan a mezclas pobres por la pobre combustión y fallas. La generación emisiones de oxido de nitrógeno es función de la temperatura de combustión, convirtiendose en la mejor cercana condición estequiométrica cuando las temperaturas son altas. El pico de emisiones de NOx ocurre a significativamente condiciones pobres, donde la temperatura de la combustión es alta y hay un exeso de oxígeno que reacciona con el hidrógeno.
Combustion Incompleta Cada vez que el combustible y el aire ingresan al motor estan en una mezcla estequiométrica ideal, la combustión perfecta no ocurre y algunos hidrocarburos HC salen por el exosto. Existen varias causas de esto, la incompleta mezcla de aire y combustible, resulta en algunas partículas de combustible sin encontrar oxígeno con quien reacciónar , el aplacamiento de la llama en los muros, deja un pequeño volumen sin reaccionar de la mezcla de aire y combustible, el espesor de esta capa sin quemar es en el orden de décimas de mm. Algunas de estas mezclas, cerca a la pared que no hace originalmente que se incendie es la flama frontal que pasa , será quemada despues en el proceso de combustion en una adición de mexcla que ocurre con la rotación y la turbulencia. Otra causa de aplacamiento de llama es la expanción que ocurre durante la combustión y la carrera de poder. Hace que el pistón se mueva fuera del punto muerto superior, la expanción de los gases baja con la temperatura y la presión con el cilindro.
Combustión Incompleta. Altos residuos en la salida del escape causa pobre combustión y alta probabilidad de apagar la expansión, esto se evidencia en la experiencia de baja carga y tendencias de ralentí, altos niveles de EGR (recirculación de gases de escape) causa esto. Se ha encontrado que las emisiones de HC pueden ser reducidas si una segunda bujìa es adherida a la cámara de combustión del motor. Por el comienzo de la combustión en dos puntos, la travesía de la llama en la distancia y el tiempo total de reacción es reducido, y la menor expansión extinguida que resulta. Volúmenes de grieta. La cantidad de partículas HC sin reaccionar (quemar) se aloja en los anillos del hueco de las bujías en una devolución del soplo que ocurre, esto se da por que más combustible será forzado dentro del hueco antes que el frente de llama pase. Los volúmenes de grieta alrededor del pistón son mejores cuando el motor está frio, con las diferencias en la expansión térmica de varios materiales. Arriba del 80% de todas las emisiones de HC provienen por este medio.
Escape basado en la válvula de escape Con el incremento de la presión en la carrera de compresión y combustión una parte del aire con combustible es llevada a volumen de quiebre alrededor de los ojos se la válvula de escape y entre la válvula y el asiento de válvula. Una pequeña cantidad plana escapa, pasando la válvula dentro del colector de escape. Cuando la válvula de escape abre el airecombustible que està en este volumen de quiebre consigue llevar dentro del multiple de escape, siendo este un pico momentáneo de la concentración de HC en el comienzo de la purga Traslape valvular. En este tiermpo las válvulas de admisión y escape están abiertas creando un camino donde la admisíon de aire y combustible pueden fluir directamente en eel exosto, un buen diseño de motor minimiza este tipo de flujo, pero una pequeña cantidad puede ocurrir. La peor condición para esto es el ralenti y la baja velocidad, cuando el tiempo real de traslape es el mas loargo (greatest).
Depósitos en la cámara de combustión. Partículas de gas, vapores de combustible son abdorbidad por los depósitos de los muros de la cámara de combustión, la cantidad de adsorción es función de la presión del gas , la máxima ocurre durante la compresión y la combustión. Después en el ciclo cuando la válvula de escape abre y la presión en el cilindro es reducida, la capacidad de adsorción en el depósito de material es bajada y las partículas de gas son desorbed ( adsorvidas) de vuelta al cilindro. Mayor problema en motores de altos rangos de compresión, por su alta presión que estos motores generan. Hay mas absorción de gas cuando la presión aumenta, limpiar las paredes de las camaras de combustión , con cantidad mínima de depósitos reduce las emisiones de hidrocarburo HC en la salida, la mezcla de gasolina incluyen aditivos que reducen los depósitos en los motores
Older engines will typically have a greater amount of wall deposit buildup and '-a corresponding increase of HC emissions. This is due both to age and to less swirl that was generally found in earlier engine design. High swirl helps to keep wall deposits to a minimum. When lead was eliminated as a gasoline additive, HC emis- sions from wall deposits became more severe. When leaded gasoline is burned the lead treats the metal wall surfaces, making them harder and less porous to gas absorption. Cuando la gasolina con plomo es eliminada como aditrivo de la gasolina, las emisiones de HC de los depósitos de la pared se convierten más severos, cuando la gasolina con plomo es quemada, el plomo trata de las superficies de la pared, haciendo estas más duras con menos poros para la absorción de gas.
Oil on Combustion Chamber Walls. A very thin layer of oil is deposited on the cylinder walls of an engine to provide lubrication between them and the moving piston. During the intake and compression strokes, the incoming air and fuel comes in contact with this oil film. In much the same way as wall deposits, this oil film absorbs and desorbs gas particles, depending on gas pressure. During compres- sion and combustion, when cylinder pressure is high, gas particles, including fuel vapor, are absorbed into the oil film. When pressure is later reduced during expansion and blowdown, the absorption capability of the oil is reduced and fuel particles are desorbed back into the cylinder. Some of this fuel ends up in the exhaust.
Propane is not soluble in oil, so in propane-fueled engines the absorption-de- sorption mechanism adds very little to HC emissions As an engine ages, the clearance between piston rings and cylinder walls becomes greater, and a thicker film of oil is left on the walls. Some of this oil film is scraped off the walls during the compression stroke and ends up being burned during combustion. Oil is a highmolecular-weight hydrocarbon compound that does not burn as readily as gasoline. Some of it ends up as HC emissions. This hap-pens at a very slow rate with a new engine but increases with engine age and wear.
La figura muestra las emisiones de hidrocarburo a la salida, es función del consumo de aceite de motor, con los años de uso, el espacio entre la pared del cilindro y los anillos de los pistónes incrementa las emisiones de hidrocarburo por tres caminos: Volumen de quiebre Absorción desorción del combustible en la más densa película de aceite en las paredes del cilindro.
Más aceite quemado en el proceso de combustión. In older engines, oil being burned in the combustion chamber is a major source of HC emissions.
In addition to oil consumption going up as piston rings wear, blowby and reverse blowby also increase. The increase in HC emissions is therefore both from combustion of oil and from the added crevice volume flow.
CI Engines. Because they operate with an overall fuel-lean equivalence ratio, CI engines have only about one-fifth the HC emissions of an SI engine. The components in diesel fuel have higher molecular weights on average than those in a gasoline blend, and this results in higher boiling and condensing tempera- tures. This allows some HC particles to condense onto the surface of the solid carbon soot that is generated during combustion. Most of this is burned as mixing continues and the combustion process proceeds. Only a small percent of the original carbon soot that is formed is exhausted out of the cylinder. The HC components condensed on the surface of the carbon particles, in addition to the solid carbon particles themselves, contribute to the HC emissions of the engine.
La eficiencia en la combustion es función de la proporción de equivalencia, La eficiencia para motores con mezcla pobre es generalmente en el orden del 98%. Cuando un motor opera con mezcla rica, no tiene suficiente oxígeno para reaccionar con todo el combustible, y la eficiencia de la combustión decrece. Los motores CI operan con mezcla pobre y típicamente tienen alta eficiencia en la combustión.
the homogeneous air-fuel mixture of an SI engine that essentially has one flame front, the air-fuel mixture in a CI engine is very much nonhomogeneous, with fuel still being added during com- bustion. Local spots range from very rich to very lean, and many flame fronts exist at the same time. It is important that injectors be constructed such that when injection stops there isno dribble from the nozzle. A small amount of liquid fuel willbe trapped on the tip of the nozzle, however. This very small volume of fuel is called sac volume, its size depending on the nozzle design. This sac volume of liquid fuel evaporates very slowly because it is surrounded by a fuel-rich environment and, once the injector nozzle closes, there isno pressure pushing it into the cylinder. Some of this fuel does not evaporate until combustion has stopped, and this results in added HC particles in the exhaust.
MONÓXIDO DE CARBONO. No tiene color ni olor, es un gas venenoso, se genera cuando el motor es operado en una mezcla rica de proporción de equivalencia, cuando no hay suficiente oxígeno para convertir todo el carbonop en CO2 , el combustible no es quemado y el carbón finaliza como CO. Los valores típicos están alrededor de 0,2% al 5% de monóxido de carbón. El CO representa la pérdida de energía química cuando no es totalmente utilizado en el motor. El CO es el combustible que puede hacer combustión para suplir energía térmica adicional. 1 67 + 7; → 67; + 6 $', 2 Máximo CO es generado cuando el motor está con mezcla rica, como cuando empieza marcha , o acelera bajo carga. Cada vez que la admisión de aire-combustible es estequiométrica o menor, algo de CO será generado en en el motor. Mezcla pobre, regiones locales ricas dentro de la camara y la incompleta combustión creará algo de CO. Un buen diseño de motor SI opera bajo condiciones ideales, puede tener moles de fracción de CO debajo de 10>? .
Óxidos de nitrógeno. Exhaust gases of an engine can have up to 2000 ppm of oxides of nitrogen. Most of this will be nitrogen oxide (NO), with a small amount of nitrogen dioxide (NO2), and traces of other nitrogen-oxygen combinations. These are all grouped together as NOx (or NOx), with x representing some suitable number. NOx is a very unde- sirable emission. Released NOx reacts in the atmosphere to form ozone and is one of the major causes of photochemical smog. NOx is created mostly from nitrogen in the air. Nitrogen can also be found in~ fuel blends, which may contain trace amounts ofNH3, NC, and HCN, There are a number of possible reactions that form NO, all of which are probably occurring during the combustion process and immediately after.
7 + @; → @7 + @ @ + 7; → @7 + 7 @ + 7A → @7 + A Reacciones con NO @7 + A; 7 → @7; + A; @7 + 7; → @7; + 7 @; = 2@ In addition to temperature, the formation of NOx depends on pressure, air-fuel ratio, and combustion time within the cylinder, chemical reactions not being instantaneous. Figure 9-3 shows the NOx-versus-time relationship and supports the fact that NOx is reduced in modern engines with fast-burn combustion chambers. The amount of NOx generated also depends on the location within the combustion chamber. The highest concentration is formed around the spark plug, where the highest temperatures occur. Because they generally have higher compression ratios and higher temperatures and pressure, CI engines with divided combustion chambers and indirect injection (IDI) tend to generate higher levels of NOx.
shows how NOx can be correlated with ignition timing. If ignition spark is advanced, the cylinder temperature will be increased and more NOx will be created.
La genración de @7B en el motor es función del tiempo de combustión. Muchos motoeres modernos producen bajas emisiones de @7B con el rápido quemado en la combustión, según la cámara de diseño.
La generación de NOx de un motor SI es función del tiempo de bujía, una temprana ignición de bujía, crea una alta temperatura de combustión, que genera altos niveles de NOx.
PARTICULATES The exhaust of CI engines contains solid carbon soot particles that are generated in the fuelrich zones within the cylinder during combustion. These are seen as exhaust smoke and are an undesirable odorous pollution. Maximum density of particulate emissions occurs when the engine is under load at WOT. At this condition maximum fuel is injected to supply maximum power, resulting in a rich mixture and poor fuel economy. Se puede ver en pesadas salidas de humo, emitidas cuando un camión o locomotora sobre rieles acelera para subir una colina desde una parada.
Otros contaminantes son: Aldeidos y Sulfuros.
Convertidores catalíticos. The most effective aftertreatment system for reducing engine emissions is the cat- alytic converter found on most automobiles and other modern engines of medium or large size. HC and CO can be oxidized to Hz0 and COz in exhaust systems and thermal converters if the temperature is held at 600°-700°C. If certain catalysts are present, the temperature needed to sustain these oxidation processes is reduced to 250°-300°C, accelerates a chemical reaction, by lowering the energy needed for it to proceed, These chambers contain catalytic material, which promotes the oxidation of the emissions contained in the exhaust flow. Generally, catalytic converters are called three-way converters because they promote the reduction of CO, HC, and NOx, Contains stainless steel Inside the container is a porous ceramic structure through which the gas flows. In most converters, the ceramic is a single honeycomb structure with many flow passages.
The surface of the ceramic passages contains small embedded particles of catalytic material that promote the oxidation reactions in the exhaust gas as it passes. Aluminum oxide (alumina) is the base ceramic material used for most catalytic converters. Alumina can (resiste) withstand the high temperatures, it remains chemically neutral, it has very low thermal expansion, and it does not thermally degrade with age. The catalyst materials most commonly used are platinum, palladium, and rhodium.
