Combustibles, Combustión y Control de Emisiones en Motores de Vehículos

Introducción a los Combustibles y su Impacto en Motores

El combustible es una sustancia que, al reaccionar con el oxígeno del aire, arde rápidamente con gran producción de calor. Se compone principalmente de una mezcla de hidrocarburos, formados por carbono e hidrógeno.

Tipos de Combustible para Motores Térmicos

Los combustibles utilizados en motores térmicos pueden presentarse en diferentes estados:

• Sólido
• Gaseoso
• Líquido

Características de los Combustibles según el Tipo de Motor

Las propiedades ideales de un combustible varían según el motor en el que se utilice:

• Motor Otto (Gasolina): Requiere alta volatilidad y resistencia a la detonación.
• Motor Diésel (Gasoil): Necesita un encendido fácil y rápido.

Gasolina: Composición y Propiedades Clave

La gasolina es una mezcla de hidrocarburos líquidos, incoloros, volátiles e inflamables, con un punto de ebullición que oscila entre 60 °C y 200 °C.

Propiedades Fundamentales de la Gasolina

• Resistencia a la Detonación (Octanaje): Se refiere a la capacidad de la gasolina para resistir la detonación incontrolada. La detonación es una combustión anómala donde partículas no alcanzadas por la llama regular explotan simultáneamente, produciendo violentas oscilaciones y un característico golpeteo metálico. El poder antidetonante se mide por el número de octanos.
• Volatilidad: Es la capacidad de los líquidos para evaporarse. Una volatilidad adecuada es crucial para la formación de la mezcla aire-combustible.
• Poder Calorífico: Representa la cantidad de calorías que suministra un kilogramo de combustible al quemarse completamente.
• Aditivos: Son componentes añadidos a la gasolina para cumplir diversos objetivos, como proteger contra el envejecimiento del combustible, limpiar el sistema de admisión, y proteger contra la corrosión y la congelación.
• Densidad: Es la masa por unidad de volumen del combustible a una temperatura determinada.

Combustión en Motores Otto y Emisiones Contaminantes

En una combustión perfecta en un motor Otto, el carbono se une con el oxígeno para formar dióxido de carbono (CO2), y el hidrógeno con el oxígeno para formar agua (H2O). Estas sustancias no serían contaminantes si se cumpliera la relación estequiométrica ideal (aproximadamente 1 gramo de combustible por 14,7 gramos de aire).

Sin embargo, dado que esta relación no siempre se mantiene de forma ideal en la práctica, surgen otras sustancias contaminantes en los gases de escape, como:

• Monóxido de Carbono (CO)
• Dióxido de Carbono (CO2) en exceso
• Óxidos de Nitrógeno (NOx)
• Hidrocarburos no quemados (HC)

Gasoil: Composición y Propiedades

El Gasoil (o diésel) es una mezcla de hidrocarburos con características específicas para motores diésel.

Características del Gasoil

• Se inflama bajo fuerte presión (autoencendido).
• Contiene aditivos para evitar la congelación a bajas temperaturas.
• Presenta un bajo porcentaje de corrosión.
• Tiene un escaso contenido de azufre y sustancias pegajosas.

Propiedades Clave del Gasoil

Entre las propiedades más importantes del gasoil se encuentran:

• Número de Cetano
• Punto de Inflamabilidad
• Poder Calorífico
• Punto de Cristalización
• Contenido de Azufre
• Volatilidad
• Contenido de Agua
• Sedimentos
• Viscosidad

Gases de Escape: Componentes Tóxicos y No Tóxicos

Los gases expulsados por el escape de un motor contienen una mezcla de sustancias, algunas de las cuales son perjudiciales para el medio ambiente y la salud.

Gases Tóxicos

• Monóxido de Carbono (CO)
• Óxidos Nítricos (NOx)
• Hidrocarburos (HC)
• Partículas de Hollín
• Dióxido de Azufre (SO2)

Gases No Tóxicos

• Nitrógeno (N2)
• Oxígeno (O2)
• Vapor de Agua (H2O)
• Dióxido de Carbono (CO2) (considerado contaminante en grandes cantidades por su efecto invernadero, pero no directamente tóxico para la respiración inmediata como el CO)

Sistemas de Tratamiento de Gases de Escape

El tratamiento de gases de escape tiene como objetivo reducir el porcentaje de contaminantes después de su expulsión desde las cámaras de combustión y antes de su salida por el escape.

Tecnologías de Reducción de Emisiones

• Recirculación de Gases de Escape (EGR)

  El sistema EGR (Exhaust Gas Recirculation) reduce la producción de óxidos de nitrógeno (NOx) reenviando una parte de los gases de escape a la admisión. Esto disminuye la concentración de oxígeno en el aire de admisión y, consecuentemente, reduce la temperatura y presión de combustión. Su activación se basa en parámetros como el régimen del motor, el caudal de combustible inyectado, el aire aspirado, la temperatura del motor y la presión atmosférica, y se activa principalmente en condiciones de carga parcial.

• Inyección de Aire Secundario en el Escape

  Durante el arranque y cuando el motor está frío, se produce una mayor cantidad de hidrocarburos no quemados, ya que el catalizador aún no ha alcanzado su temperatura óptima de funcionamiento. Para mitigar esto, se introduce aire filtrado detrás de las válvulas de escape. Este aire, en contacto con los gases muy calientes, oxida los óxidos de carbono y los hidrocarburos no quemados. El aire se introduce mediante dos válvulas combinadas que impiden su retorno al filtro de aire.

• Regulación Automática de la Riqueza de la Mezcla (Sonda Lambda)

  La Sonda Lambda (o sensor de oxígeno) es un componente electroquímico fundamental que influye directamente en el consumo de combustible. Se encarga de la regulación precisa del suministro de aire y combustible al motor, detectando el contenido residual de oxígeno en los gases de escape. Su funcionamiento busca mantener la mezcla próxima a la relación estequiométrica ideal, permitiendo que la UCE (Unidad de Control Electrónico) varíe el tiempo de inyección para optimizar el rendimiento del catalizador. Generalmente, se instala una sonda antes del catalizador y otra después para un control más preciso.