LABORATORIO N° 09
[TOXICIDAD DE LOS GASES DE ESCAPE DE MCI] MCI]
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
CURSO: ENSAYOS DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA TEMA: LABORATORIO NO 09: TOXICIDAD DE LOS GASES DE ESCAPE DE MCI DOCENTE: Ph. D. KAMYCHINIKOV OLEG INTEGRANTE: SANCJA ROJAS PAULINO
GRUPO: B
C.U.I: 20101860
LABORATORIO N° 09
[TOXICIDAD DE LOS GASES DE ESCAPE DE MCI]
TOXICIDAD DE LOS GASES DE ESCAPE DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA
I.
OBJETIVOS:
II.
Conocer los problemas que ocasionan los gases de escape de los motores de combustión interna Conocer los equipos de medición así como su principio de funcionamiento. Tener conocimiento de las normas (Nacionales) para regulación de los límites como rangos de tolerancia permitidos de los gases de escape de los MCI
FUNDAMENTO TEORICO
DEFINICIONES:
Opacidad: Fracción de la luz expresada en (%) , que al ser enviada desde una fuente se le impide llegar al receptor del instrumento observador y que se expresa en función de la transmitancia. Opacímetro: Medidor de humo diseñado para medir la opacidad de una muestra de humo mediante el principio de extinción de luz. Opacímetro de flujo parcial: Medidor de humo que toma continuamente una muestra de una porción de la totalidad de los gases de escape que fluyen y los dirige a una celda de medida. Humo diesel: Partículas suspendidas en la corriente gaseosa del escape de una fuente móvil que absorbe o refracta la luz. Transmitancia (T): Fracción de luz, expresada en (%), que al ser transmitida desde una fuente, a través de una trayectoria oscurecida por humo, llega al receptor del instrumento observador. T = 1- (Opacidad/100). Densidad de Humo (k): Capacidad del humo de muestra para oscurecer la luz (m-1). Longitud Efectiva (L): Longitud del haz de luz entre el emisor y el detector que es interceptado por la corriente de escape. Velocidad Gobernada: Velocidad máxima que puede alcanzar el motor antes de que se produzca la reducción o corte de combustible, evitando daños de sobre revoluciones. Gobernador de Velocidad: Sistema limitador de la velocidad del motor que impide que esta sobrepase la velocidad gobernada.
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III.
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COMBUSTIBLES CONVENCIONALES DE MCI 3.1. EL COMBUSTIBLE DIESEL
Los combustibles diesel tienen que ser propicios a la combustión como sea posible, para evitar el encendido retardado. La inflamabilidad se define por el número de cetano CaZ. Cuantos más hidrocarburos con moléculas de estructura en cadena contenga un combustible diesel tanto más propicio es al encendido. El número de cetanos de los combustibles para vehículos con motores diesel debe ser en lo posible superior a 45. El cetano es el componente del combustible que se toma como tipo o patrón para los combustibles de los motores diesel. a) Contenido de azufre: el contenido de azufre del combustible reacciona con el oxígeno y el hidrogeno (vapor de agua) durante la combustión y genera ácido sulfúrico. Esto ocasiona el deterioro del aceite del motor y el desgaste por corrosión en el sistema de combustible. De manera que es deseable un bajo contenido de azufre. El contenido de azufre puede variar considerablemente según el fabricante o la región de procedencia del crudo. Las normas medioambientales en la actualidad no permiten a los fabricantes de petróleo que su producto final tenga un elevado contenido de azufre. b) Contenido de carbón residual: El contenido de carbón residual básicamente no está contenido en el combustible Diesel (aparece en el aceite pesado). Como medida a la tendencia a depositar carbón por medio de la combustión, el combustible es evaporado y quemado bajo condiciones específicas para generar carbón. c) Contenido de cenizas: las cenizas del aceite de combustible generalmente está formada por tres tipos: partículas sólidas, solución de sales inorgánicas y compuestos orgánicos solubles en aceite. El contenido en el aceite diesel es muy pequeño. En el aceite pesado, el contenido de cenizas es mucho mayor que en el aceite diesel, pero aun así, el nivel promedio esta alrededor de 0.02-0.03%.
3.2. COMBUSTIBLE GASOLINA La gasolina es una mezcla de hidrocarburos obtenida del petróleo por destilación fraccionada, que se utiliza como combustible en motores de combustión interna con encendido por chispa convencional. 3.2.1
ÍNDICE DE OCTANO
El Índice de octano o, popularmente, octanaje, indica la presión y temperatura a la que puede ser sometido un combustible carburado mezclado con aire antes de auto-detonar al alcanzar su temperatura de ignición debido a la ley de los gases ideales. Hay distintos tipos de gasolinas comerciales, clasificadas en
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función de su número de octano. La gasolina más vendida en Europa (2004) tiene un MON mínimo de 85 y un RON mínimo de 90. A partir de los años 20 y como consecuencia de los mayores requerimientos de los motores de explosión, derivados del aumento de compresión para mejorar su rendimiento, se inicia el uso de compuestos para aumentar su octanaje a base de plomo (Pb) y manganeso (Mn) en las gasolinas.
3.2.2 EFECTOS NEGATIVOS DEL PLOMO EN LA GASOLINA Los metales pesados (plomo Pb, manganeso Mn, mercurio Hg, cadmio Cd, etc.) resultan perniciosos tanto para el medio ambiente como para la salud humana. En los años 70, ante los graves problemas de deterioro ambiental y su impacto sobre los seres humanos, los gobiernos de los países iniciaron una serie de acciones para detener y prevenir esta problemática ambiental. Se impusieron leyes a fin de reducir paulatinamente el uso de aditivos con plomo y manganeso de las gasolinas. Las empresas petroleras se vieron obligadas a desarrollar nuevas gasolinas de mayor octanaje sin plomo o manganeso. Por otro lado, los fabricantes de motores tuvieron que empezar a utilizar materiales más resistentes que no dependiesen de la lubricación del plomo para su mejor conservación (en concreto, la mejora de la resistencia de los asientos de las válvulas). Además, para reducir las emisiones de NOx y de CO a la atmósfera, se empezaron a utilizar catalizadores que se destruyen rápida e irremediablemente con el plomo, haciéndolos incompatibles con éste. La Unión Europea fijó como límite el 1 de enero de 2000 para la retirada de los combustibles con plomo del mercado; pero, ante la situación de algunos mercados, la Comisión Europea concedió una moratoria.
IV.
FUENTES DE EMISIONES TÓXICAS DE LOS MCI
El combustible líquido que se emplea en los motores de combustión interna contiene: Carbono Hidrógeno y, En cantidades mínimas, Oxígeno Nitrógeno Azufre
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Por eso, con relación ideal entre el combustible y el aire, los productos de la combustión deben contener N2, CO2, y H2O Sin embargo la composición de los gases de escape es mucho más compleja Los gases de escape de los motores representan una mezcla heterogénea de sustancias diferentes con diversas propiedades químicas y físicas, compuesta en 99% de los productos de combustión completa y del exceso de aire Cerca de 1% de los gases de escape contienen aproximadamente 300 sustancias, de las cuales la mayoría es tóxica De un modo general, en los MCI existen varias fuentes de emisiones tóxicas, de las cuales las principales son: los vapores del combustible, los gases del cárter y los gases de escape
a) El humo: Es la modalidad no transportable de los gases de escape debido a la presencia de hollín, de partículas sólidas suspendidas, de vapor, de gotas minúsculas de combustible, de aceite y de otros aerosoles; el humeado se percibe visualmente El humo puede tener diferentes graduaciones de color, dependiendo de la composición de los gases de escape Se distinguen humo blanco, azul y negro
b) Determinación de las emisiones tóxicas de los gases de escape: Para el análisis de la composición de los gases de escape y la determinación de los componentes tóxicos se emplean métodos físicos, químicos y físico químicos, en combinación con métodos electrónicos de medición
c) Evaluación del humeado de los gases de escape: Durante el funcionamiento del motor se emiten partículas, dispersas junto con los gases de escape, por lo cual estos pierden transparencia De acuerdo al color que presentan los gases de escape se puede evaluar cualitativamente el trabajo del motor Son inadmisibles tanto un alto grado de humeado, como el contenido elevado de emisiones tóxicas Por eso, actualmente se presta atención a la reglamentación del humeado y a los métodos de medición Tomando en cuenta que el humeado en los motores diesel se caracteriza por la presencia de partículas diminutas de hollín, se emplea fundamentalmente, dos métodos de determinación del humeado en los gases de escape: el de expos ición de la luz, para evaluar la densidad óptica de los g as es (opacidad) y el de filtración de las partíc ulas de hollín
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El primer método se basa en la determinación de la densidad óptica de los gases de escape, para ello se hace pasar rayos de luz por un tubo de medición lleno de gases y se mide la disminución de la luminosidad debido a la absorción de la luz por la partículas presentes en los gases
V.
EQUIPOS PARA EL CONTROL Y ANÁLISIS DE LOS GASES DE ESCAPE DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Empresas especializadas producen una gama de aparatos para el análisis de gases, en los cuales se pueden apreciar dispositivitos de toma de muestras y de análisis de gases, de medición de humo (fumimetros) y de hollín (hollimetros) y una serie de otros mecanismos.
4.1 Dispositivos para captación y preparación de muestras de gases A fin de asegurar un buen análisis de los gases de escape y un funcionamiento normal de los equipos de medición, estos tienen que contar con dispositivos para captación de las muestras de los gases de escape, para la preparación y depuración de las mismas, para el secado y suministro de los gases destinados al análisis. a. Los sistemas de captación de muestras Las muestras se captan de los tubos de escape, como también del cilindro del motor. Estos gases de escape tienen sustancias con elevado punto de ebullición, que pueden condensarse en las paredes interiores del sistema de captación de muestras, esto podría ocasionar que los datos que cuantifica el equipo sean incorrectos. Para evitarlo es recomendable el sistema de captación de muestras tipo “Hot FID” que cuenta con elementos de calentamiento, asegurando temperaturas de 180 …. 200ºC, y previene de
esta forma, la absorción de hidrocarburos de alta temperatura de ebullición, como es la solución de dióxido de nitrógeno en agua.
b. Sondas de toma de muestras Permiten la captación de las muestras de gases que servirán para el análisis, se instalan en el tubo de escape del motor (banco de ensayos) o en la salida de la tubería de escape del vehículo. 4.2 Analizadores de gases de escape Varían en cuanto a su estructura, dependiendo del modo de introducción de los gases a analizar y del tipo de detector que se emplea en el análisis. 4.2.1 El analizador Bosh ETT Se emplea para el análisis de los gases de escape de los motores de carburador, y permite determinar el contenido de los C xHy, CO, CO2, O2,
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conocer la velocidad de rotación del cigüeñal, la temperatura del aceite y la composición de la mezcla si se tiene un detector de oxígeno.
4.2.2 Los analizadores de la seria G.I.A.M. Determinan la concentración de monóxido de carbono (CO) y de hidrocarburos (CxHy) en los gases de escape de los motores de carburador y las revoluciones del cigüeñal. El analizador consta de una sonda para la captación de gases, del sistema de filtración, de la bomba de membrana y de la unidad óptica con el equipo electrónico. 4.3 Medidores de humos Estos equipos tienen un solo principio de funcionamiento: la determinación de la densidad óptica de los gases de escape y, por lo tanto, pueden ser de dos tipos: los fumimetros con tubo de medición y los de flujo libre.
4.3.1 El analizador de humo Hartridge Fue concebido para determinar la desasidad optica de los gases de escape, haciendo pasar una determinada onda de luz a través de la columna gaseosa; los resultados obtenidos con la ayuda de este dispositivo corresponden a las condiciones de la norma IS O 3173 y del reglamento 24 CE E de la ONU.
4.3.2 El analizador de humo Bosh RTT Este equipo también se basa en la determinación de la densidad óptica de los gases de escape. Los gases de escape del automóvil se dirigen hacia el fumímetro donde en el tubo de medición son atravesados por el rayo luminoso emitido por la lámpara siendo absorbidos por la fotocelda. El ventilador asegura el suministro de gases desde el sistema de escape del motor hasta la zona de trabajo. 4.3.3 El analizador de humo META De fabricación Rusa, es un equipo portátil para medir el humeado. El captador óptico no es otra cosa que un tubo, que sirve como cámara de trabajo, en la cual se instalan el emisor y el fotorreceptor. El termopar mide la temperatura de los gases de escape. El captador se instala en la sonda de toma de muestras, fijada al tubo de escape del automóvil por medio de la conexión. Los gases de escape del motor pasan por el tubo, y en la boca ingresan al captador óptico, saliendo por los orificios radiales. En la zona de trabajo del captador sucede la absorción del flujo luminoso, el que es proporcional. A la densidad de los gases de escape, La señal eléctrica, que viene del fotodiodo, se altera y, de acuerdo a esto, el indicador proporciona los resultados de la medición; la banda de indicador proporciona los resultados de la medición, la banda de medición del humeado es de 0 a 9.99 m -1.
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4.3.4 El analizador de humo KID Es analogo al META en su estructura y funcionamiento. La unica diferencia consiste en tener un indicador de aguja en vez de uno digital. 4.3.5 El analizador de humo INA-109 Sirve para medir el humeado de los gases de escape de los motores diesel. 4.4 Equipos auxiliares 4.4.1 Los filtros Son utilizados para limpiar los gases de escape del hollín, de las partículas metálicas, del aceite o de otras impurezas, antes de que ingresen al analizador. En el sistema de captación de muestras se instala un filtro de depuración basta y uno de depuración fina. Algunos dispositivos están dotados de un filtro, combinado con un separador de condensado. 4.4.2 Los intercambiadores de calor Sirven para mantener a una adecuada temperatura el volumen de gases a analizar. Se emplean como agentes refrigerantes: agua, freon y ciertos equipos, secadores electrónicos de gases. 4.4.3 Las válvulas Aseguran el suministro de un volumen de gases de escape desde el sistema de captación de muestras hacia los detectores del analizador de gases, asi mismo, permiten la limpieza del equipo y su calibración. Son válvulas electromagnéticas de dos, tres y cuatro vías que, como regla general, trabajan automáticamente. VI.
EQUIPAMIENTO DE LABORATORIO
Analizador de humos. Mangueras de conexión. Motor de combustión interna. Equipo electrónico para censar los humos
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Fig. 1: Analizador de gases de escape
VII.
D.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PARA UN MCI
1 Preparar los instrumentos necesarios para la realización del laboratorio; esto comprende:
El analizador de humos. Los cables de conexión.
2 Luego de esto hay que encender el motor y esperar que funcione por un tiempo aproximado de 10 minutos; esto asegurará que el motor alcance las temperaturas y presiones óptimas de funcionamiento. 3 Al dejar transcurrir este tiempo nos aseguramos de no tener lecturas erróneas en el analizador. 4 Conectar la sonda al tubo de escape del motor, y luego conectar esta al analizador de gases. 5 Calibrar y preparar los instrumentos a través de la pantalla electrónica, esto posteriormente nos dará los valores de humeado y emisiones totales. 6 Las mediciones se realizan con el acelerador a fondo 7 Para la experimentación usamos el analizador de gases AVL acondicionado a los parámetros de medición de la Normativa Nacional, puede mostrar las revoluciones de motor en RPM, la temperatura del aceite, la temperatura en la
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cámara óptica(necesita llegar a los 50 oC), así como los datos del vehículo, marca, modelo, número de registro, etc.
Fig. 2: Analizador de humo
8 para poder proseguir con las 6 medicines necesarias de la Norma Peruana. Si las ultimas 3 mediciones están en el margen establecido se puede determinar si el vehículo pasa la prueba.
VIII.
REGULACION DE LA NORMA PERUANA PARA MCI Tipo de Motor Diesel hasta 1995 Diesel 1996 adelante
Humeado para los k (m-1) regímenes, en Aceleración Libre Margen Opacidad 3 m -1 / 72% 0.25 m-1 (por cada 1000 msnm) -1 en Opacidad 2.5 m / 0.75 m-1 (por cada 65% 1000 msnm)
en Opacidad 2.1 m -1 / 60% HC 450 ppm y 8% CO + CO2 / CO 3% Gasolineros - hasta HC 400 ppm y 10% (después de los 1995CO + CO2 / CO 3% 1800msnm) Diesel 2003 adelante
Gasolineros - 1996 HC 300 ppm / 10% CO HC 350 ppm (después en adelante + CO2 de los 1800msnm) Gasolineros - 2003 en adelante HC 100ppm / 12% CO + CO2 / CO 0.5%
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IX.
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G.- CONCLUSIONES El correcto regulado y calibración de la bomba de inyección y del punto de inyección deben reducir en un mínimo la emisión de gases contaminantes Se debe lograr que en los gases de escape se tenga CO 2 y no CO, debido a que las emisiones de CO2 indican que la combustión es óptima. Son varias las causas posibles para explicar el excesivo humeado de un motor. Una causa es el estado del motor y la regulación de su bomba así como la de sus inyectores. La bomba debe suministrar más combustible para poder entregar la potencia requerida. Otra es que el motor está trabajando fuera de las condiciones normales de operación. Es decir a una altura de 2330 m.s.n.m y es sabido que la eficiencia de un diesel disminuye aproximadamente en un 12,5% cada 1000 m. esto quiere decir que la eficiencia de nuestro motor disminuye en un casi 30%, debiendo para entregar la misma potencia consumir más combustible. El medidor de humos META en caso de motores a compresion, mide la cantidad de hollin que sale de los gases de escape. En caso de motores de chispa se debe medir el monóxido de carbono e hidrocarburos.
X.
H.- BIBLIOGRAFIA
Jovaj M. S. “Motores de Automóvil”, editorial MIR, Moscú, 1982..
Apuntes de Clase.
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