apuntes de sistemas de contaminaciÓn

TALLER DE MANTENIMIENTO AUTOMOTRIZ CBTIS No. 44 ARTURO JUSTO BARRADAS JÁCOME

APUNTES DE LA ESPECIALIDAD DE MANTENIMIENTO AUTOMOTRIZ

SUBMODULO:

IV SEMESTRE

MANTIENE LAS EMISIONES CONTAMINANTES DENTRO DE LAS ESPECIFICACIONES DEL FABRICANTE.

La información contenida en los presentes apuntes es con el objeto de dar a conocer y que se familiaricen mis alumnos de los instrumentos que se utilizan en los automóviles para realizar el control de las emisiones contaminantes, explicar su funcionamiento y las partes elementales de que consta cada uno.

No todos los mecanismos pueden estar instalados en un automóvil, sino que pueden traer alguno de ellos y otros no, por no utilizarse por la marca de vehículo en cuestión o por ser aplicados a un tipo particular de vehículo.

Arturo Justo Barradas Jácome

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INTRODUCCIÓN A CONTROL DE EMISIONES VEHICULARES

CONTAMINACIÓN

La contaminación del ambiente la hemos tenido de una manera u otra; hay varios tipos y causa de las emisiones contaminantes del aire ambiente, pero se dividen en dos grupos generales: los naturales y los hechos por los seres humanos.

Los naturales provienen de erupción de volcanes, incendios de bosques, deterioro de árboles y bosques, y otras causas naturales que se pueden controlar.

Los tipos de contaminación que podemos controlar son las que nosotros causamos y una de ellas es la contaminación vehicular; dichas emisiones son responsables de aproximadamente el 50% de todos los hidrocarburos y óxidos de nitrógeno, y el 75 % del total del monóxido de carbono producido por la humanidad.

Los contaminantes de hidrocarburos y oxido de nitrógeno, junto con la atmosfera y el calor del sol, se combina para formar el “SMOG” (humo y niebla), que irrita los ojos y pulmones, y puede causar la muerte en las persona que sufre enfermedades respiratorias.

El monóxido de carbono es un residuo de la combustión, es un gas venenoso, que nos puede matar si es respirado en cantidades altas. Es por esto que un vehículo no debe estar encendido en un lugar cerrado o sin ventilación; en adición, un vehículo da unas pequeñas cantidades de partículas solidas o liquidas que contribuyan a la contaminación del ambiente.

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PROCESO DE COMBUSTIÓN

Cuando la gasolina es mezclada con oxigeno y es encendida, se quema; esta acción se le llama combustión ye s una manera de liberar la energía almacenada en la mezcla de aire/combustible. El proceso de combustión también es referido como una reacción de oxidación, se quiere decir con esto que el oxigeno es combinado con la gasolina para formar una mezcla química nueva, lo anterior una breve descripción de los elementos que se necesitan para la combustión que son combustible, comburente y temperatura.

AIRE

Es una mezcla de 21% de oxigeno, 78% de nitrógeno y 1% de otros gases; es el oxigeno en el aire que se quema con el combustible, el nitrógeno es convertido en oxido de nitrógeno, principalmente en acido nítrico. El peso del aire no permanece siempre lo mismo, cambia su peso y temperatura sobre el nivel del mar en que se encuentre. Por esta razón debemos tener un punto de referencia cuando se hable sobre el aire en términos de presión; La presión del aire es medida en libras por pulgada cuadrada (PSI) y a un promedio de 78º F , en unidades métricas, presión atmosférica al nivel del mar es medida en milímetros de mercurio (mm hg) a 20º C.

EFECTOS DE LA ALTITUD

El aire alrededor nuestro ejerce una presión de más o menos 14,7 libras por pulgada cuadrada (PSI) al nivel del mar. Esto es debido a la atmosfera y a esto se le llama presión atmosférica. Esta disminuye cuando subimos a elevaciones más altas por que la columna de aire sobre nosotros es más corta, la presión disminuye aproximadamente una libra por cada dos mil pies de elevación. A treinta mil pies, sobre el nivel del mar la presión atmosférica es más o menos de 5 PSI. Algunas millas sobre la tierra la atmosfera se acaba y es remplazada por el vacio, o la falta completa de presión. La presión del aire y su densidad son muy importantes para el proceso de carburación.

EFECTO DE LA TEMPERATURA

El aire se dilata y es menos pesado cundo su temperatura aumente, esto reduce la presión que esfuerza; cuando la temperatura se disminuye, el aire se contrae. Esto lo hace más pesado e incremente la presión. El calor directo del sol y el calor reflejado de la superficie de la tierra calientan el aire. Cuando la temperatura se incrementa, el aire es más liviano y asciende. Aire frío va hacia abajo y remplaza al aire caliente, resultando en un movimiento constante. Este movimiento crea el

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viento y los cambios de clima. Inversión térmica es una condición llevada a cabo por una capa de aire caliente situada encima de una de aire más frio que está a nivel de la tierra; el aire caliente impide que el aire más frio se eleve a la atmosfera superior y de esta manera va a retener los contaminantes foto químicos que forman en SMOG

COMPOSICIÓN DEL COMBUSTIBLE

La gasolina es un combustible claro sin color, es una mezcla compuesta a base de varios hidrocarburos (hidrógeno y carbono). Como combustible tiene una muy buena calidad de evaporación y tiene la aptitud de generar cantidades muy altas de potencia cuando es mezclada con el oxigeno y una chispa; sin embargo es imposible pronosticar con exactitud como un mezcla de combustible va a funcionar en un motor en particular, como dos motores no son idénticos, las refinadoras de combustible calculan y miden las particularidades más importantes de los motores para producir la gasolinas que hagan el trabajo deseado; son mezcladas para satisfacer temperaturas y condiciones de altitud; algunas de estas condiciones son: volatilidad, impureza química, clasificación de octano, aditivos.

RELACIONES AIRE-COMBUSTIBLE

El combustible liquido tiene que cambiar a vapor y se tiene que mezclar con el aire antes de que se pueda encender en el cilindro, para algunos motores esto se hace en el carburador y otros a través de inyectores en el múltiple; en cualquier caso hay una relación directa dentro del flujo de aire y el requerimiento de combustible.

La relación aire-combustible es la proporción por peso de aire y gasolina mezclada que es requerida para la combustión del motor. Esta relación es importante porque hay límites a que tan rico (con mas gasolina) o que tan pobre (con menos gasolina) se deben tener.

La mezcla por la cual un motor puede funcionar eficazmente tiene un rango dentro de 8:1 a 18:1. Estas relaciones son expuestas de la siguiente manera: ocho libras de aire mezcladas con 1 libra de gasolina (8:1) esta es la mezcla más rica que un motor puede tolerar y podría trabajar bien de seguido; dieciocho libras de aire mezcladas con una libra de gasolina es la más pobre. Mezclas de aire-combustible muy ricas o muy pobres causan que el motor no trabaje bien o simplemente no trabaja de ninguna manera.

Para obtener la mejor eficiencia y economía, más o menos 9000 galones de aire se necesitan para quemar un galón de gasolina, cuando se expone esto en términos de volumen encontramos que la relación es de 9000:1; son casi

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imposibles de entender estas relaciones, por eso el peso y volumen se usan para calcular las relaciones aire-combustible.

Por ejemplo para convertir una relación de volumen de 9000:1 a una relación de peso que podemos usar más fácilmente es:

1.- 100 galones de aire = 1 libra

2.- 9000 galones de aire = 9000/100 = 90 libras

3.- 1 galón de gasolina= 6 libras (aproximadamente)

Esto quiere decir que aproximadamente se necesitan 15 libras d aire para quemar una libra de gasolina, entonces nuestra relación de aire-combustible será de 15:1. Esta relación dentro del aire y flujo de combustible en un motor es llamado algunas veces la relación de combustible/aire; porque un motor usa bastante más aire que combustible, la relación de combustible/aire siempre será un número menos de uno, por ejemplo 0.0687. La relación combustible/aire es una manera diferente de expresar la relación de aire combustible.

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RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE ESTEQUIOMÉTRICA

La mezcla ideal o relación cuando todo el combustible se mezcla con todo el oxigeno en el aire y se puede quemar completamente es llamada relación estequiometrica. Una combinación química perfecta; en teoría, la relación es más o menos 14.7 a 1. Pero la relación exacta al punto cuando la mezcla perfecta y combustión completa ocurre depende de la estructura molecular de la gasolina y que puede variar un poco.

CHISPA

Después de que la mezcla aire-combustible sea arrastrada al cilindro y comprimida, se tiene que incendiar. El sistema de ignición va a crear un potencial alto de electricidad o voltaje, este voltaje salta una abertura dentro de los dos electrodos en la cámara de combustión. El arco eléctrico entre de los dos electrodos prenden la mezcla comprimida. Los dos electrodos son parte de la bujía que es una parte principal del sistema de ignición.

Aproximadamente 3 milisegundos (0.003 segundos) transcurren del instante que el aire combustible se incendia hasta el momento que la combustión acaba. El tiempo de chispa es crítico para una propia operación del motor. Debe ocurrir cerca del principio de la carrera de potencia, si la chispa ocurre demasiado temprano o demasiado tarde, la potencia máxima no se obtendrá de la combustión.

CARBURACIÓN VS INYECCIÓN

Carburación: El propósito del carburador es mezclar el combustible y regular la velocidad del vehículo, a través de una serie de pasajes fijos y variables llamadas espreas que componen el método de medición.

Al abrir la válvula de mariposa el aire fluye de alta presión, fuera del motor hacia adentro baja presión producida por el motor (vacio); mientras mayor cantidad de aire pase por el carburador mayor cantidad de gasolina entrara al motor.

Inyección: Los sistemas de inyección modernos son controlados electrónicamente los hay dos tipos generales:

INYECCIÓN DIRECTA AL ORIFICIO

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INYECCIÓN POR CUERPO DE MARIPOSA.

En la inyección directa hay inyectores individuales por cada cilindro, y únicamente entra por las gargantas y el múltiple de admisión aire hasta el punto donde se encuentra el inyector y este inyecta la cantidad precisa que se vaporiza inmediatamente mente antes de que por medio de la válvula entra al cilindro.

Con la inyección en el cuerpo de válvulas, uno o dos inyectores ubicados en el cuerpo y este a su vez se ubica en la entrada del múltiple de admisión es combustible es inyectado a presión a la corriente de aire que está pasando a través del cuerpo y su ventaja es que se puede controlar con exactitud la dosificación.

VACIO

Es un espacio donde la presión es menor que la presión atmosférica, esto se crea en el múltiple de admisión cuando el pistón baja en la carrera de admisión, podemos medir la fuerza de vacio con una columna de mercurio o un medidor de vacío.

EMISIONES DE CONTAMINACION VEHÍCULAR.

Toda le energía usada en la operación de un motor viene del combustible, en un motor de ignición por chispa, el combustible es usualmente gasolina y algunas veces es mesclada con alcohol, etanol o metanol. Todos estos combustibles son volátiles por que están compuestos de hidrocarburos.

La gasolina tiene propiedades química y físicas, se evaporan fácilmente, y se mezclan con otros compuesto para encontrar las características de la demanda para los diferentes motores, se queman rápidamente resultando en el motor diferentes tipos de gases y una cantidad alta de energía calorífica que se convierte en energía mecánica para mover los autos; estas emisiones del escape de los motores es la contaminación que producen.

Estas emisiones se dan en tres categorías; las del cárter, las evaporativas y las del escape.

SISTEMAS.

VENTILACIÓN POSITIVA DEL CARTER (PCV)

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El sistema para el control de emisiones del cárter consiste de la válvula PCV y las mangueras del sistema. Funciona cuando el motor está en marcha y previene que los gases del cárter contraminen la atmosfera. Cuando el motor está en marcha, la combustión fuerza gases a través de los anillos del pistón, estos incluyen HC; CO; y NOx y esta presión se tiene que aliviar del motor ya que si no los sellos y juntas tendrán fugas. La válvula PCV recircula los gases del cárter al múltiple de admisión y son jalados a los cilindros donde se vuelven a quemar; la válvula debe de estar limpia y sin obstrucciones la cantidad está determinada por la presión a que se encuentra los gases y si hay fugas, la mezcla del cilindro se verá afectada y va reducir el rendimiento del motor y producirá mas contaminación.

CONTROL DE LA EMISIONES EVAPORATIVAS.

Las tres emisiones que son más controladas son los hidrocarburos no quemados (HC), el monóxido de carbono (CO), y varias combinaciones del nitrógeno llamados Óxidos de nitrógeno (NOx). Los hidrocarburos no quemados pueden llegar de cualquiera de los tres puntos cárter, evaporativos o escape; el CO y los NOx son producidos por el proceso de la combustión únicamente.

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Los vapores del tanque de la gasolina son ventilados a un sistema evaporativos donde son mantenidos en suspensión hasta que el motor sea puesto en marcha luego son pasados al motor para ser quemados.

ADMISIÓN DE AIRE CALIENTE.

Todo el aire que entra al motor que este frío fluye por la entrada de aire calentado, aire caliente que está alrededor del múltiple de escape y es dirigido a la caja del filtro de aire; esto mejora la vaporización del combustible y ayuda a bajar la contaminación de HC.

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SISTEMA DE AIRE INYECTADO.

Este sistema introduce el aire del ambiente al sistema de escape para reducir las emisiones de HC y CO, se inyecta aire a la entrada del escape o al convertidor catalítico o a los dos, hay suficiente calor en el escape para quemar los vapores restantes de la combustión y este sistema provee el aire necesario que falta después del proceso de la combustión para quemar dichos vapores residuales; este proceso es el comienzo de la oxidación del convertidor catalítico que con este sistema mejora su rendimiento.

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RECIRCULACIÓN DE GAS DE ESCAPE (egr, rge)

Sus partes son, válvula egr, válvula de control de temperatura por el refrigerante, mangueras; este sistema no opera debajo de la temperatura especificada; mezcla directamente gases del escapa con la mezcla de combustión en el múltiple de admisión, el resultado algunas veces causa bajo rendimiento del motor, por lo tanto un defecto de esta válvula puede causar este efecto.

El sistema EGR diluye la mezcla de aire/combustible con los gases de escape; los gases de escape son básicamente aire inerte o inactivo o aire muerto, no van a reaccionar químicamente o a quemarse más pero absorben calor, con esto se empobrece la mezcla se puede reducir la potencia del motor pero con esto las temperaturas y la presión se reducen y se genera menos NOx.la válvula EGR; es del tipo de contrapresión, o un transductor que varia la intensidad del vacío aplicado y así da cantidades programadas de gas de escape en todas las condiciones del motor, si esta es digital es controlada por la computadora.

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OPERACIÓN DEL CONVERTIDOR CATALITICO

Algunos convertidores catalíticos trabajan con el sistema de aire inyectado; cuando una mezcla de oxidación de alta temperatura entra en el convertidor, los gases fluyen por medio de la entrada a un panal aumentando la reacción química y mucho HC y CO los convierte en agua y bióxido de carbono; en el convertidor de tres vías el catalítico de rodio también reacciona y remueve varias materias de oxido de nitrógeno.

El convertidor no puede regular la oxidación o reducción de contaminantes, el proceso depende en la cantidad de aire y combustible que estén presentes en ese momento, ayudado por los demás sistemas anticontaminantes mejor será la vida del convertidor, aunque el material de rodio que se considera radioactivo termina su función cuando esta deja de reaccionar. Si la mezcla aire combustible llega a variar de la estequiometrica los residuos del motor se alteran por tanto también el funcionamiento del catalizador, para controlar esto se adiciona un sensor de oxigeno que retroalimenta al control de la mezcla aire combustible.

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