INTRODUCCIÓN

El presente artículo se basa en el análisis de gases de un motor de combustión interna, del resultado del proceso de combustión del motor se obtienen diversos gases y productos, entre ellos los más importantes son el CO ( monóxido de carbono ), el CO2 ( dióxido de carbono ), el O2 ( Oxigeno ) , Hidrocarburos no quemados ( HC ), Nitrógeno , Agua y bajo ciertas condiciones, Nox ( óxidos de Nitrógeno).

El análisis de las proporciones de los gases puede diagnosticar en qué estado se encuentra el motor. Otro importante factor para realizar este análisis es el impacto ambiental que produce un motor en mal estado con estos gases contaminantes. Para nuestro análisis el motor (Renault 4) fue activado en un rango de 1500 a 3000 RPM y la temperatura del aceite osciló entre 43 y 60 grados Celsius.

ABSTRACT

This article is based on the analysis of gases of internal combustion engine, the result of the various engine combustion gases and products are obtained, including the most important are the CO (carbon monoxide), CO2 (carbon dioxide), O2 (oxygen), unburned

hydrocarbons (HC), nitrogen, water and under certain conditions, Nox (nitrogen oxides).

The analysis of the proportions of gases can diagnose what state the engine is. Another important factor for this analysis is the environmental impact caused by an engine messed with these polluting gases. For our analysis engine (Renault 4) was activated in a range of 1500 to 3000 RPM and the oil temperature ranged between 43 and 60 degrees Celsius.

OBJETIVOS

Realizar el análisis del funcionamiento de un motor en base a las proporciones de gases resultantes producto de la combustión.

Comparar los resultados arrojados por el equipo con los que se obtienen con el balance estequiometrico

Calcular la relación λ lambda, dada por la cantidad real de aire admitido durante la combustión y la cantidad teórica necesaria del mismo para dicho proceso.

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDASINFORME DE PRÁCTICA DE ANÁLISIS DE GASES

TERMODINÁMICA APLICADA MAGDA LORENA GARZON

Edison Andrés Marín Muñoz – 2012104027Jefferson Enrique Herrera Garzón – 20122074034Jhonatan Alejandro Suárez Peña – 20122074063Jhon Edison Londoño Rodríguez – 20112074123

Estiven Valderrama

Definir el procedimiento adecuado para hacer la medición de proporciones de gases del motor. MARCO TEÓRICOCOMBUSTIÓN

Pues bien, la combustión se refiere a las reacciones químicas que se establecen entre cualquier compuesto y el oxígeno. A esto también se le llama reacciones de oxidación.

En toda combustión existe un elemento que arde (combustible) y otro que produce la combustión (comburente), generalmente el oxígeno en forma de O2 gaseoso. Los explosivos tienen oxígeno ligado químicamente, por lo que no necesitan el oxígeno del aire para realizar la combustión.

Todos estos productos se obtienen a partir del aire y del combustible que ingresa al motor, el aire tiene un 80 % de Nitrógeno y un 20 % de Oxigeno (aproximadamente).

Podemos entonces escribir lo siguiente:

AIRE + COMBUSTIBLE ====== > CO + CO2 + O2 + HC + H2O + N2 + Nox (bajo carga)

CO (monóxido de carbono):

El Monóxido es resultado del proceso de combustión y se forma siempre que la combustión es incompleta, es un gas toxico, inodoro e incoloro. Valores altos del CO, indican una mezcla rica o una combustión incompleta. Normalmente el valor correcto está comprendido entre 0,5 y 2 %, siendo la unidad de medida el porcentaje en volumen.

CO2 (Dióxido de Carbono):

El dióxido de Carbono es también resultado del proceso de combustión, no es toxico a bajos niveles, es el gas de la soda, el anhídrido carbónico.

El motor funciona correctamente cuando el CO2 está a su nivel más alto, este valor porcentual se ubica entre el 12 al 15 %. Es un excelente indicador de la eficiencia de la combustión.

Como regla general, lecturas bajas son indicativas de un proceso de combustión malo, que representa una mala mezcla o un encendido defectuoso.

HC (Hidrocarburos no quemados): Este compuesto representa los hidrocarburos que salen del motor sin quemar. La unidad de medida es el ppm, partes por millón de partes, recordemos que el porcentaje representa partes por cien partes y el ppm, partes por millón de partes. La conversión seria 1%=10000 ppm. Se utiliza el ppm, porque la concentración de HC en el gas de escape es muy pequeña. Una indicación alta de HC indica: • Mezcla rica, el CO también da un valor alto. • Mala combustión de mezcla pobre. • Escape o aceite contaminado. El valor normal está comprendido entre 100 y 400 ppm.

O2 (Oxigeno): Este compuesto es el oxígeno del aire que sobro del proceso de combustión. Un valor alto de Oxigeno puede deberse a mezcla pobre, combustiones que no se producen o un escape roto.

Un valor de 0% significa que se ha agotado todo el oxígeno, si el Co es alto es indicativo de una mezcla rica. Normalmente el Oxigeno debe ubicarse debajo del 2 %.

Nox

(Óxidos de Nitrógeno): Los óxidos de Nitrógeno se simbolizan genéricamente como Nox, siendo la "x" el coeficiente correspondiente a la cantidad de átomos de Nitrógeno, puede ser 1, 2,3 etc. Estos óxidos son perjudiciales para los seres vivos y su emisión en muchos lugares del mundo se encuentra reglamentada. Los óxidos de Nitrógeno surgen de la combinación entre sí del oxígeno y el nitrógeno del aire, y se forman a altas temperaturas y bajo presión. Este fenómeno se lleva a cabo cuando el motor se encuentra bajo carga, y con el objetivo de disminuir dicha emisión de gases, los motores incorporan el sistema EGR (recirculación de gas de escape).El EGR está constituido por una válvula, de accionamiento neumático o eléctrico, que permite que partes de los gases de escape pasen a la admisión del motor, y de esta forma se encarezca la mezcla.

Relación Lambda: Se define a la relación Lambda como Rel. Lambda = R. Real / 14.7 Siendo R. Real la relación en peso aire- combustible real que tiene el motor en ese momento.

La relación ideal aire-combustible es de 14.7 gr. de aire y 1 gr. de nafta.

En resumen una relación lambda menor que 1, significa que la mezcla aire combustible se está produciendo en una condición de riqueza. Una relación lambda mayor que 1, significa que la relación aire combustible se está efectuando en una condición de pobreza. Tengamos presente algo muy importante: Una relación lambda= 1, significa que el aire y el combustible han sido mezclados en la proporción exacta, lo que no implica que el motor después queme bien esos productos. Esto puede interpretarse como que a pesar que la mezcla es correcta, el motor puede tener deficiencias y quemar mal esa mezcla.

Fig. 1: Emisión de gases en función de Lambda para un motor genérico

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

AGS-688 El equipo empleado en la práctica fue el analizador de gases para motores de gasolina de dos y cuatro tiempos, AGS-688, este a su vez fue empleado para el análisis de un motor R4.

Este instrumento se utiliza extrayendo el gas del tubo de escape del motor mediante una sonda, además de que también se le pueden ser conectados otros elementos como una sonda para la medición dela temperatura del aceite, cuenta con una serie de sensores que hacen posible la medición de porcentajes en el gas de combustión además de una serie de filtros que nos permiten hacer la prueba de estanqueidad y garantizar que la prueba sea realizada de manera correcta y no halla agentes contaminantes que puedan desencadenar en una incorrecta medición de los gases de combustión.

El AGS-688 está equipado con 6 unidades de display en los cuales se visualizan los valores relativos a la prueba en progreso.

Fig. 2: Equipo para análisis de gases AGS-688

MOTOR RENAULT 4

Este es un tipo de motor de cilindros en línea, y como su nombre lo indica son cuatro el total de cilindros que lo componen, el cilindraje de este es de un total de 747 cm³ y la relación de compresión es 8.5: 1 el motor estaba

conectado a su respectivo sistema de transmisión.

Fig. 3: Motor Renault 4 utilizado en la practica

Procedimiento

En la primera parte del laboratorio se realizó la puesta a punto del equipo analizador de gases AGS-688, para esto se realizó la prueba de estanqueidad, esta consiste en asegurar la ausencia de fugas en cualquier sistema en el que intervengan fluidos a presiones iguales o distintas a la atmosférica.

El software guía al operario en el desarrollo de la prueba y mediante el análisis de los gases en el interior del depósito del líquido refrigerador es capaz de detectar posibles filtraciones. El anterior proceso se lleva acabo para garantizar que las proporciones de gases medidas en la prueba son correctas y no se van a ver alteradas por impurezas, bien sea en el filtro o bien en el tubo de escape.

Posterior a esto viene la prueba como tal, para ello una sonda de extracción es conectada desde el filtro posterior del AGS-688 al exosto del motor, el motor debe estar a la temperatura normal de funcionamiento y debe ser accionado aún alto número de revoluciones.

Fig. 4: Sonda para análisis de gases equipo AGS-688

Durante el transcurso de la prueba se variaron las revoluciones a las que giraba el motor y se tomaron las respectivas mediciones de gases de escape.

El análisis de estos datos nos sirve para diagnosticar el estado del motor, puesto que dependiendo del tipo de motor y el número de revoluciones a las que el mismo este trabajando, la norma establece ciertas cantidades proporcionales de gases de escape que no deberían ser superadas, ya que esto indica el mal funcionamiento del motor.

Fig. 5: Contador de revoluciones del AGS-688.

De lo explicado anteriormente se deduce que la concentración de cada uno de los gases de escape, obedece a una causa principal, pero no única. Incluso, causas distintas pueden tener efectos muy parecidos en un mismo gas. Esta situación obliga a disponer de un analizador de gases que muestre de forma simultánea el valor de los cuatro gases más representativos, pues solo así es posible determinar con rapidez y seguridad la causa de la avería. Para ello solo hace falta comprender la interacción de las distintas causas sobre cada gas,

la cantidad de cada uno de ellos y el valor de lambda.

Fig. 6: Analizador de gases que muestra de forma simultanea proporciones de Co,Co2, HC y óxidos nitrosos.

Fig.7 Analizador de gases a 2000 rpm

Balance estequiometrico para calcular el % de aire necesario para la combustión

C8H 18+X (O2+3,76 N2 )→aC O2+bN 2+c H 2O

C :8=a

H :18=2C⇒C=9

O :2 X=2a+c⇒X=12,5

Se ingresan los datos del analizador de gases para hallar el exceso de aire en la quema

N :3,76∗12,5=c

C8H18+12,5e (O2+3,76N 2 )→Y (0,014CO2+7,4 x10−3CO+0,1805O2+1,4 x 10

−5C8H18+b N2)+aH 2O

e= Exceso de aire en la quema

C :

8=Y ¿

Y=371,9

H :

18=(371,9∗18∗1,4 x10−5 )+2a

a=8,953

O :

25e=371,9 (0,028+7,4 x 10−3+0,361 )+8,953

ⅇ=6,25

N :

(25∗6,25∗3,76 )=(371,9∗2b )

b=0,7905

λ=mamc

=12,5∗6,25∗4,76 kmol∗29kg

kmol

(8 kmol∗12kgkmol )+(9 kmol∗2kgkmol )λ=94,6kgaire /kgcombustible

Fig.8 Analizador de gases a 2500 rpm

Balance estequiometrico para calcular el % de aire necesario para la combustión

C8H 18+X (O2+3,76 N2 )→aC O2+bN 2+c H 2O

C :8=a

H :18=2C⇒C=9

O :2 X=2a+c⇒X=12,5

Se ingresan los datos del analizador de gases para hallar el exceso de aire en la quema

N :3,76∗12,5=c

C8H 18+12,5 e (O2+3,76N 2 )→Y (0,014CO2+7,2x 10−3CO+0,1806O2+1,5 x10

−5C8H 18+b N2)+aH 2O

e= Exceso de aire en la quema

C :

8=Y ¿

Y=375,23

H :

18=(375,23∗18∗1,5 x10−5 )+2a

a=8,95

O :

25e=375,23 (0,028+7,2 x10−3+0,3612 )+8,95

ⅇ=6,31

N :

(25∗6,31∗3,76 )=(375,23∗2b )

b=0,7903

λ=mamc

=12,5∗6,31∗4,76 kmol∗29kg

kmol

(8 kmol∗12kgkmol )+(9 kmol∗2kgkmol )

λ=95,5kgaire /kgcombustible

CONCLUSIONES

− Se aplicó de manera asertiva los conceptos adquiridos en clase de forma experimental mediante el análisis de gases de combustión de un motor de un Renault 4.

− Se presentó varías similitudes numéricas entre los datos producidos por el equipo y el balance estequiometrico.

− Se halló lambda como relación del aire admitido en el proceso y la cantidad teórica necesaria para que esto ocurra.

BIBLIOGRAFIA

http://es.slideshare.net/ToniGim/analisis-de-los-gases-de-escape-de-los-motores-de-combustion-interna

http://www.edu.xunta.es/centros/cifpsomeso/system/files/ANALISIS+DE+GASES.pdf

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Combustion.htm

http://www.cise.com/portal/notas-tecnicas/item/302-an%C3%A1lisis-de-los-gases-de-escape-de-los-motores-de-combusti%C3%B3n-interna.html