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Formación Técnica de Servicio
AUTOTRÓNICA
Conceptos de Combustión y Tratamiento de Gases en los Motores de Pistón

En la era de la movilidad individual aumenta incesantemente la demanda de técnica, seguridad y confort cada vez avanzados. Por estos motivos resulta especialmente importante para los técnicos del Servicio de Atención al Cliente de Ford conocer a la perfección los componentes de los vehículos automotores y en particular los de asistencia y control asistidos electrónicamente.

Esta publicación correspondiente al primer curso de Autotrónica comprende los conceptos básicos sobre el proceso de combustión en los motores de cuatro tiempos y el tratamiento de los gases de escape.

Este curso comprende los siguientes módulos:

Información para Técnicos “ Conceptos Mecánicos Básicos”.
Información para Técnicos “ Conceptos generales sobre vehículos – Sistemas”.
Información para Técnicos “ Conceptos de combustión”.
Información para Técnicos “ Conceptos Generales sobre Motores Diesel y de Gasolina para Automotores”
Información para Técnicos “ Introducción a los Sistemas de Transmisión y a la Estructura del Vehículo”
Información para Técnicos “ Introducción a los Sistemas de Suspensión y Dirección,”

El objeto de esta información es que previo al estudio de otros módulos el técnico tenga una visión global de los conceptos físicos de base necesarios para la comprensión de los vehículos y todos sus sistemas.

Recuerde que la documentación sobre capacitación técnica postventa ha sido diseñada para CAPACITACION INTERNA DE FORD. Aproveche los cursos que ofrecen nuestros Centros de Capacitación de Ford para ampliar sus conocimientos tanto teóricos como prácticos.

PREFACIO 1
CONTENIDO 2
CONCEPTOS DE COMBUSTION 3
Introducción 4
Hidrocarburos 7
Hidrógeno 9
Oxígeno 9
Nitrógeno 9
Anhídrido Carbónico 11
Poder Calorífico 12
Mezcla Rica o Pobre 13
Combustión Eficiente 13
Factores que influyen sobre la eficiencia de una combustión 14
Subproductos de la combustión 17
LA COMBUSTION DENTRO DEL MOTOR 17
Motor de combustión interna 17
Motor alternativo 18
Detonación 18
COMO SE INICIA Y PROGRESA UNA COMBUSTION 20
Frente de llama 20
Ciclo Abierto 26
INICIO Y PROGRESO DE LA COMBUSTIÓN EN LOS MOTORES
DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN 27
LA COMPOSICIÓN DE LOS GASES DE ESCAPE - LOS CONTAMINANTES 30
CONTENIDO
Formación Técnica de Servicio 3
LOS SISTEMAS DE CONTROL DE LOS CONTAMINANTES 35
Relación de mezcla estequiométrica 36
Lambda 36
Catalizador 38
EL AJUSTE CONSTANTE DE LA CALIDAD DE
GASES EMITIDOS POR LOS MOTORES DE GASOLINA 46
EL CONTROL DE LOS ÓXIDOS DE NITRÓGENO EN LOS MOTORES DIESEL 48
Recirculación de los gases de escape - sistemas EGR 49
Electrónic Diesel Control (EDC) 49
Ventilación de los gases del carter 52
Efectos de la evaporación del combustible 52
NOTAS 56

INTRODUCCION
Sabemos que nuestro automóvil, camión, pickup, moto o tractor, está impulsado por un motor que la ingeniería designa como "motor de combustión interna" sea naftero, diesel o de dos tiempos. Sabemos que consume, "quema", un combustible, sea nafta, gasoil, gas o una mezcla de nafta y aceite. Aclaremos que se entiende por "Motor de combustión interna". Motor quiere decir que es un artilugio mecánico que se ocupa de transformar alguna forma de energía, en este caso calor, en movimiento, que es capaz de mover algo. De combustión interna significa que dentro de sí genera una transformación (combustión) en la que interviene de alguna manera el calor y su consecuencia que es la temperatura.

Misteriosamente (por ahora) usted carga en la estación de servicio un combustible, y su vehículo se ocupa de transformarlo en movimiento. Lo único que se percibe exteriormente de lo que sucede en las entrañas de su automóvil es un suave ruido (a veces no tan suave) que se emite por el caño de escape acompañado de gases calientes. Si usted toca el capó seguramente percibirá calor, y si pone en marcha el calefactor de su auto verá como sale aire a temperatura elevada. Es decir, que nuestro mágico automóvil a cambio de combustible nos lleva confortablemente a todas partes emitiendo, además, calor, algo de ruido y gases de escape. No cabe entonces ninguna duda que dicho calor representa un papel importantísimo en nuestro motor. En esta primera fase trataremos de entender como se transforma el combustible en calor, y posteriormente como se transforma en movimiento. Analizaremos como es esa transformación en el interior de su motor, sin tomar en cuenta por ahora como se relacionan o actúan mecánicamente las piezas que permiten pasar de la combustión al movimiento. Dejaremos para mas adelante cuáles son los elementos que hacen que esa mezcla se encienda, y como se gobierna la dosificación del combustible.

Sin ningún lugar a dudas el punto más importante en el diseño de un motor es el control más perfecto posible de la combustión, y obviamente como aprovechar de la mejor manera posible la misma. Allí comienza y termina todo. El resto es acompañamiento mecánico.

Para que su vehículo pueda funcionar todo comienza en la combustión, por lo tanto, si logramos entenderla, tendremos un excelente punto de partida para comprender lo demás. Piense usted que si la combustión es mala, por la causa que sea, el mejor motor del mundo funcionará mal. Es de fundamental importancia comprender este fenómeno, ya que una mala combustión, además de afectar nuestro bolsillo y el rendimiento de los motores, genera subproductos o residuos que atentan directamente contra nuestra salud y nuestra vida.

Comencemos por definir que es una combustión:
Entendemos por combustión a una reacción química entre un combustible y el oxígeno del aire, con un fuerte desprendimiento de energía en forma de calor y la formación de nuevos compuestos químicos productos de esa combustión.

Para que exista una combustión deben estar presentes siempre dos elementos: el combustible y el comburente, o dicho de otra manera el que se quema y el agente que facilita o permite que el otro se queme, en nuestro caso el oxígeno contenido en el aire.

Definimos también a una reacción química como la que se produce al poner en contacto diferentes sustancias, que tiene como resultado la formación de nuevas sustancias, y la absorción o la liberación de energía.

Hay reacciones químicas que generan calor (reacción exotérmica), y otras que lo necesitan para poder producirse (reacción endotérmica). Al quemarse un combustible se libera calor, como contrapartida cuando entramos en un edificio de hormigón recién hecho sentimos un descenso en la temperatura, dado que para poder fraguar el cemento necesita calor y lo toma del ambiente, por ello es que percibimos un descenso en la temperatura.

Combustible es la leña que Vd. usa para su asado, o el papel con que enciende esa leña o el carbón, o el querosén que agrega cuando la leña o el carbón se niegan a colaborar con su asado. También es combustible el diluyente que usa en la pintura sintética, la parafina de la vela o el pasto seco de su jardín. Sin embargo, a nadie se le ocurriría alimentar a su auto con pasto seco, leña o parafina.

Los combustibles que usamos en nuestros vehículos son exclusivamente derivados del petróleo o están asociados a él, por ejemplo el gas natural.

Los combustibles líquidos y gaseosos que habitualmente consumimos se originan en los hidrocarburos, los cuales provienen del petróleo, del gas natural o de compuestos derivados de ellos. Están conformados básicamente por moléculas de distintos tamaños compuestas de, carbono (C) y de hidrógeno (H2) que requieren oxígeno (O2) para poder quemarse.

Los hidrocarburos tienen como base al carbono y al hidrógeno, combinados de tal manera que forman complejas cadenas y estructuras moleculares. El hidrocarburo mas sencillo es el metano (CH4), que es un gas con una molécula compuesta por un átomo de carbono y cuatro de hidrógeno. Es un excelente combustible, tan bueno que es en constituye el principal componente del gas que tenemos en nuestras casas: el gas natural.

Dadas sus características de ser un combustible “limpio”, es decir que no deja residuos y se oxida o “quema” totalmente, el gas natural está siendo considerado cada vez con mayor peso como combustible alternativo para automotores. Todos los grandes fábricas de automóviles del mundo están desarrollando vehículos capaces de funcionar indistintamente con gas natural comprimido o GNC.

La necesidad de usarlo comprimido a altas presiones surge ante la imposibilidad de mantenerlo en estado líquido a temperatura ambiente, no importa cual sea la presión a que se lo quiera almacenar. Es necesario entonces almacenarlo como gas a muy alta presión, lo que limita su capacidad de almacenaje y la consecuente autonomía de los vehículos.

El carbono es un elemento que (junto con el silicio) tiene la propiedad de que sus átomos se unen en largas cadenas según muy diversas configuraciones, combinándose a su vez con otros elementos, y configurando la que conocemos como química orgánica.

Usted seguramente habrá oído hablar que existen dos grandes ramas de la química: la química inorgánica y la orgánica. La primera trata todos los elementos puros y los compuestos de origen mineral, mientras que la segunda se ocupa de los compuestos orgánicos, llamados originalmente orgánicos porque se los asociaba con distintas formas de vida, hoy día un plástico es un compuesto estudiado por la química orgánica y, sin embargo, no esta asociado a ninguna forma original de vida. En realidad la química orgánica se ocupa de los compuestos que tienen como base al carbono y al hidrógeno, combinados de tal manera que forman complejas cadenas y estructuras moleculares muchas veces conteniendo también otros elementos, pero básicamente constituidos por carbono e hidrógeno, y aquí radica la clave de un combustible.

El carbón de leña es básicamente madera, que sometida previamente a temperaturas moderadamente altas, eliminó prácticamente todos los compuestos que contenía como madera: Agua, alcoholes y diversos compuestos que incluyen el hidrógeno en su composición, lo que queda es casi todo carbono, o carbón como comúnmente se lo llama. Como habrá visto, el carbón es en realidad mucho más complejo de lo que Vd. Suponía, pero afortunadamente no es necesario saber de química orgánica para preparar un buen asado. El carbono tiene también otras formas que son el grafito (la mina de los lápices comunes) y el diamante.

El hidrógeno es un elemento que en la naturaleza difícilmente se encuentra libre, casi siempre esta combinado, principalmente con carbono (compuestos orgánicos) y con oxígeno (agua).

Es un gas sin color ni olor y tiene la propiedad de ser sumamente liviano, más liviano que ningún otro gas, la prueba de ello son los globos inflados con hidrógeno, que aparentan desafiar la ley de gravedad y se quieren escapar hacia el cielo ante el asombro o la desesperación de nuestros hijos pequeños. Es peligroso para su almacenamiento, ya que solo se lo puede acumular en forma líquida (a 253 grados bajo cero) o a muy altas presiones (300 Kg/cm2), y porque dada su alta velocidad de combustión tiene características explosivas, entrando en combustión a temperaturas relativamente bajas comparadas con otros combustibles.

No obstante esos problemas, es de sumo interés el desarrollo del hidrógeno como combustible alternativo, dado que puede obtenerse muy fácilmente por descomposición del agua, y porque al quemarse no genera productos contaminantes (genera agua).

El oxígeno, comprende buena parte del aire que respiramos (21%) y es uno de los elementos más abundantes y activos (que busca combinarse con otros elementos) en la naturaleza. En su forma normal no se percibe por el olfato, sin embargo ante descargas eléctricas o por acción solar y en presencia de otros compuestos forma una molécula llamada ozono, perjudicial al nivel de suelo por ser irritante para el sistema respiratorio, y necesaria en la alta atmósfera para detener el exceso de radiación ultravioleta proveniente del sol. El resto del aire lo configura principalmente el nitrógeno (N2) (78%) y una mezcla de otros gases (1%). De todos los gases componentes del aire, el oxígeno es el mas pesado, por lo que es el que más tendencia tiene a estar cerca de la tierra.

Conviene recordar que el aire que respiramos es una delgada capa de gases que rodea nuestro planeta, que tiene su máxima densidad en la superficie a nivel del mar, y se hace más débil a medida que nos alejamos de esa superficie.

Cuando ascendemos una montaña por ejemplo, no solamente disminuye la presión atmosférica, con lo cual el aire es menos denso, sino que también disminuye el porcentaje de oxígeno presente en ese aire. Recuerde este concepto para mas adelante cuando hablemos de los factores de corrección y de la altura en referencia a la potencia entregada por los motores. Si usted combina hidrógeno con oxígeno en las proporciones adecuadas y enciende esa mezcla, obtendrá una reacción química violenta acompañada de un importante desprendimiento de calor, que deja como residuo solamente agua (H2O).

En los motores que nos ocupan, el agua generada por la combustión del hidrógeno se manifiesta con las gotas que usted observa en los caños de escape cuando los vehículos están fríos, o también cuando hay baja temperatura ambiente en el vapor que también es visible en el escape.

Como dato ilustrativo sepa que por cada litro de nafta consumido, se genera aproximadamente un litro de agua. Si usted combina carbón con oxígeno, y según la forma en que lo haga, puede preparase un asado, alimentar una fragua, o demoler el lugar donde realizó el experimento. Todo dependerá de que forma como se lo combine. Si la combustión ha sido completa, el resultado será anhídrido carbónico (CO2). Este último (CO2) es un gas no tóxico que usted conoce, aunque quizás no su nombre: lo elimina habitualmente en su respiración, o lo disfruta en una gaseosa (es el gas que esta disuelto en el líquido y le da la sensación de frescura).

Cuando el carbono y el hidrógeno se mezclan con el oxígeno en presencia de alguna fuente de calor que inicie la reacción, se combinan químicamente generando un fuerte desprendimiento de calor, anhídrido carbónico (CO2) y agua (H2O).

Resumiendo: el combustible genera calor en su combustión, y como ya explicamos el calor es una forma de energía. Esta energía en forma de calor es transformada mediante una maquinaria adecuada en energía mecánica, que se manifiesta por medio de movimientos controlados que aprovechamos para distintas aplicaciones, en este caso en particular para impulsar un vehículo. Como resultado adicional de la combustión se obtienen productos que son desechados y transformados para reducir su toxicidad.

El CO2 generado tratará de ser reconvertido por el reino vegetal en oxígeno y carbono, y el agua pasará a formar parte de la humedad atmosférica. Las reacciones química elementales cuando los hidrocarburos se combinan con el oxígeno son:
C + O2 CO2
2H2 + O2 2H2O
Es decir que un átomo de carbono (C) se combina con dos de oxígeno (O2) para formar una molécula de anhídrido carbónico (CO2). Y cuatro átomos de hidrógeno (2H2) se combinan con dos de oxígeno (O2) para formar dos moléculas de agua (2H2O). Este sería el proceso más elemental de combustión perfecta de un hidrocarburo.

Si vamos a establecer analogías, eso de quemar un combustible y consumir aire para generar calor, movimiento y subproductos desechables no es exclusividad de los automóviles, usted también lo hace: ingiere alimentos que transforma en azúcares y respira aire cuyo oxígeno pasa de sus pulmones a los tejidos, donde sirve para oxidar ("quemar") los azúcares y generar energía que se transforma en calor y movimiento.

Como desechos quedan subproductos que eliminamos, anhídrido carbónico y agua, entre otros. Es el vapor de agua contenido en el aire que Vd. expira quién se ocupa de empañar el espejo o sus anteojos con pequeñas gotitas.

El vapor de agua contenido en la atmósfera veremos que afectará la performance de los motores. Dicho vapor varía en cantidad según el lugar y las condiciones ambientales. Si llamamos en forma generalizada al combustible CmHn, es decir un compuesto cuya molécula está formada por "m" átomos de carbono y "n" átomos de hidrógeno, podremos escribir lo siguiente:
a.CmHN + b.O2 c.CO2 + d.H2O + CALOR
Esta ecuación generalizada nos expresa que si combinamos "a" moléculas de combustible con "b" moléculas de oxígeno en las proporciones adecuadas, el resultado serán "c" moléculas de anhídrido carbónico mas "d" moléculas de agua, mas una determinada cantidad de calor. "a", "b", "c", "d" y la cantidad de calor generada dependerán del tipo de combustible contemplado en la reacción. Como se observa, en las reacciones químicas no se utiliza el signo " =", una flecha, debido a que dicha flecha indica el sentido de la reacción, que normalmente es irreversible.

De esta forma se indica el sentido en que ocurren las cosas, y la irreversibilidad del proceso. En la práctica para obtener combustiones completas deberemos trabajar con mezclas levemente pobres, es decir con exceso de oxígeno, mientras que para obtener la máxima potencia las mezclas deberán ser levemente ricas, por razones que más adelante explicaremos.

Según el tipo de combustible que se considere variará el llamado poder calorífico de ese compuesto. El poder calorífico de un combustible es una característica que indica, (para condiciones estandarizadas) la cantidad de energía o de calor que es capaz de liberar una determinada masa de combustible en un proceso de combustión completa.

El punto más importante en el diseño y funcionamiento de un motor es el control más perfecto posible de la combustión, y como aprovechar de la mejor manera la misma. Allí comienza y termina todo. Si la combustión es mala, por la causa que sea, el mejor motor del mundo funcionará mal. Vamos a repetir una vez más importantísimo concepto, que quizás sea el más importante en lo que hace al funcionamiento de un motor de combustión interna, en nuestro caso particular el de un motor de pistones: El punto más importante en el diseño y funcionamiento de un motor es el control más perfecto posible de la combustión, y como aprovechar de la mejor manera la misma.

Allí comienza y termina todo. Si la combustión es mala, por la causa que sea, el mejor motor del mundo funcionará mal. Entendemos por combustión eficiente, a aquella combustión en que la masa de combustible se ha oxidado completamente, dejando como subproductos de dicha combustión CO2 y H2O. Una mala combustión generará calor insuficiente y productos tóxicos, por lo cual además de afectar nuestro bolsillo y el rendimiento de los motores, atenta directamente contra nuestra salud y nuestra vida. Cuando una mezcla combustible entra en combustión, la eficiencia de dicha combustión (si no se consideran los factores de forma y condiciones del lugar donde se quema) estará condicionada por la calidad de dicha mezcla, y la energía liberada será función de la cantidad de mezcla. Dicha cantidad de mezcla vendrá dada por la masa de combustible que se quema y por la cantidad de aire de que disponemos para quemar ese combustible. ¿Cuáles son los factores que pueden influir en la eficiencia de la combustión?

Son muchos, pero tratemos de considerar los de mayor importancia es decir los que hacen a la calidad de la mezcla. En primer término consideremos el tamaño de las partículas (o gotas) de combustible a ser quemado. Las partículas de combustible deberán necesariamente encontrar oxígeno para efectuar su combustión, y debido a que ese oxígeno en realidad es bastante escaso en la masa de aire (21%) cuantas más partículas tengamos y más pequeñas sean, mejor. Dada una determinada cantidad de combustible, cuanto más pequeñas sean las partículas expuestas al aire, mas cantidad habrá, mas superficie total estarán exponiendo, y consecuentemente más fácil será quemarlas. La forma de obtener las partículas más pequeñas posibles de un combustible se logra vaporizándolo. En los motores de combustión interna el combustible, en el instante anterior a su combustión, debe estar totalmente vaporizado. Una muy fina pulverización del combustible primero, y su posterior transformación en vapor es imprescindible en los motores de combustión interna. Todos conocemos la fina pulverización que se trata de alcanzar en los inyectores de los motores diesel, cuanto más pequeñas sean las gotas proyectadas, mas fácilmente se transformarán en vapor, mayor será la exposición del combustible al aire y su oxígeno, y más eficiente será su combustión. Vaporizar el combustible no es suficiente. Es necesario movilizar tanto el aire como los vapores de combustible para mejorar las posibilidades de encuentro entre el combustible y el oxígeno y es por ello que tanto antes como durante la combustión es conveniente que el combustible y el aire se encuentren en movimiento.

Mas que conveniente diremos que la movilidad de la mezcla es imprescindible. Cuando Vd. quiere disolver algo en un líquido sabe que cuanto más pequeños sean los trozos que quiere disolver, más fácil será la operación, de una manera similar cuando pretendemos quemar algún combustible, cuanto más pequeñas sean las gotas o partículas de ese combustible más fácil y eficiente será la combustión. En el caso de la disolución de un sólido fragmentado en un líquido, cuanto más pequeñas sean las partes del sólido, mejor será el contacto con el líquido, lo que acelerará el proceso de disolución.

De igual manera al tratarse de pequeñas gotas en el caso de un combustible líquido se facilita su posibilidad de vaporización y contacto con el aire y su oxígeno, optimizando el proceso de combustión. Es de vital importancia recordar esto: los motores más eficientes requieren formación de mezclas de aire y combustible finamente emulsionadas, y para el caso de los motores de encendido por chispa mezcladas en las proporciones exactas. (Reiteremos el concepto de que el combustible debería estar completamente vaporizado al iniciarse la combustión). Será función de los sistemas de carburación (que dentro de muy poco pasarán a ser piezas de museo) y de los de inyección dosificar y emulsionar correctamente esas mezclas.

Por otra parte nos damos cuenta de que cuanto más pequeñas sean las partículas y mejor mezcladas estén menor tiempo demandará su combustión. Y aquí aparece la segunda variable de tremenda importancia:
El tiempo disponible para realizar la combustión.
Es tan importante el tiempo de combustión que puede llegar a limitar (y en los motores de competición es uno de los problemas de mayor importancia) las RPM a que gire el motor y condicionar el diámetro de los cilindros.
Pensemos entonces al proceso de combustión en un motor como una auténtica carrera, dentro de la cual las partículas de combustible tratarán de captar todo el escaso oxígeno disponible, y para hacerlo dispondrán de un tiempo muy breve. Retornando sobre la velocidad de combustión, tema sobre el que volveremos, digamos que dicha velocidad no puede ser cualquiera.

Si el combustible se quema demasiado rápido, la combustión adquiere características de una explosión, en la que se libera energía demasiado rápido, con la aparición de sobrecargas mecánicas debidas a picos de presión que los motores no están en condiciones de transformar en trabajo útil.

Buena parte de la energía no transformada se acumulará en las piezas en forma de calor y producirán peligrosos aumentos de temperatura. Por el otro extremo: una combustión excesivamente lenta tendrá como consecuencia que la combustión continuará mas allá del correspondiente ciclo del motor, con la perdida de calor correspondiente y el sobrecalentamiento de los elementos que hacen a la evacuación de gases de salida o de escape.

Ni mucho ni poco, no olvidemos que los motores que estamos tratando fueron desde siempre desarrollados para quemar combustibles del tipo de las naftas o del gasoil. Hasta aquí hemos hablado del agua y del anhídrido carbónico como subproductos generados por la combustión. Pero ocurre que estos dos subproductos están solos, sin la presencia de otro, exclusivamente cuando dicha combustión es perfecta, o sea cuando hemos logrado oxidar todo el carbono y el hidrógeno suministrado por el combustible.

Como todo lo perfecto es imposible y los motores no son una excepción, en la práctica nunca se logrará la total oxidación del combustible, por lo que aparecerán otros subproductos de la combustión además de los ya mencionados.

Los tres subproductos a que hacemos referencia son el monóxido de carbono (CO), los hidrocarburos no quemados o parcialmente quemados (HC) y los óxidos de nitrógeno (NOx). Sobre la formación, toxicidad, y modos de neutralizar estos compuestos volveremos mas adelante cuando nos ocupemos del tratamiento de los gases de escape y de los catalizadores.

Descarga las 4 partes de este curso:

http://www.ziddu.com/download/4965833/EstudiaMecanica.rar.html

http://www.ziddu.com/download/4876286/manualdelautomovil.zip.html

http://www.ziddu.com/download/4955947/QueesyComoFuncionaunconvertidordePar.pdf.html

http://www.ziddu.com/download/4955749/QueesyComoFuncionaunTurbo.pdf.html



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