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Apunte de Tecnología: Análisis de los gases de escape de los motores de combustión interna. Conjeturas a partir del resultado del analizador. Monóxido de carbono. Dióxido de carbono. Hidrocarburos no quemados en los gases de combustión. Oxígeno. Óxidos de nitrógeno.

Analizador de Gases

Los analizadores de gases son instrumentos que se utilizan para la medición de los gases, por ejemplo en el escape de motores a combustión, chimeneas industriales, aire atmosférico, corrientes de gases en procesos, etc.

Los hay para aplicaciones en las que se requiere una protección contra un gas específico, inflamable o tóxico. Pueden ser portátiles, para uso para uso personal, montado en línea, con alarma sonora, lectura y almacenamiento de datos.

Los detectores portátiles de gases son una de las mejores herramientas para evitar riesgos innecesarios al realizar trabajos con sustancias peligrosas, especialmente en las plantas que procesan combustibles, en el manejo de residuos, vertederos, plantas tratamiento de aguas residuales, substancias peligrosas en el lugar de trabajo, transporte y almacenamiento de productos peligrosos y otros servicios. Estos equipos identifican, miden y controlan las concentraciones peligrosas de distintos gases.

Estos instrumentos se instalan de forma permanente para la determinación de las ubicaciones peligrosas y para activar las medidas automáticas relacionadas con la seguridad en caso de alarma: avisos visuales o acústicos, desconexión y despresurización de equipos, activación de la ventilación, etc.

Análisis de los gases de escape de los motores de combustión interna

Del resultado del proceso de combustión del motor se obtienen diversos gases y productos, entre ellos los mas importantes son el monóxido de carbono (CO), el dióxido de carbono (CO₂), el oxigeno (O₂), los hidrocarburos no quemados (HC), el nitrógeno, agua y bajo ciertas condiciones óxidos de nitrógeno (NO_x).

Para motores usados en ciertos procesos y que funcionan con combustibles “sucios” puede considerarse el azufre.

Un correcto análisis de las proporciones de los gases puede dar lugar a diagnósticos muy importantes del funcionamiento del motor.

El analizador de gases de escape determina la concentración de estos gases en el total de la mezcla gaseosa.

Todos estos productos se obtienen a partir del aire y del combustible que ingresa al motor, el aire tiene un 79 % de nitrógeno, un 21 % de oxigeno y pequeñas cantidades de otros gases.

La reacción química para la quema de un combustible cualquiera es:

Aire + combustible ® CO + CO₂ + O₂ + HC + H₂O + N₂ + NO_x

Una combustión ideal sería:

Oxígeno + combustible ® CO₂ + H₂O

Este proceso de combustión completa y en la práctica se puede ver en los motores de los cohetes espaciales que queman oxígeno e hidrógeno. En los motores de combustión interna se emplean otros combustibles, como es el caso también de las estufas hogareñas, las calderas, cocinas, etc. Entonces entre los gases de escape surgen el monóxido de carbono, el oxigeno, los hidrocarburos y el nitrógeno. Tengamos en cuenta que la aparición de los mismos es porque al no completarse la combustión "siempre queda algo sin quemar".

Por ejemplo los valores normales que se obtienen a partir de la lectura en un analizador de gases conectado a un motor de un vehiculo de inyección electrónica son los siguientes:

CO  < 2 %

O₂ < 2%

CO₂ > 12%

HC < 400 ppm.

El nitrógeno normalmente así como entra en el motor, sale del mismo y en la medida que el motor no este bajo una carga importante no forma óxidos de nitrógeno.

Conjeturas a partir del resultado del analizador

Monóxido de carbono (CO):

El monóxido de carbono es el resultado del proceso de combustión y se forma siempre que la combustión es incompleta (insuficiente cantidad de oxígeno). Es un gas toxico, inodoro e incoloro. Valores altos de monóxido de carbono en los gases de combustión indican una mezcla rica o una combustión incompleta. Normalmente el valor correcto esta comprendido entre 0,5 % y 2 %, siendo la unidad de medida el porcentaje en volumen.

Dióxido de carbono (CO₂):

El dióxido de carbono es también el resultado del proceso de combustión, no es toxico pero puede causar la muerte por desplazamiento del oxígeno (asfixia), es incoloro e inodoro. También se lo conoce como anhídrido carbónico.

El motor funciona correctamente cuando la concentración de CO₂ en los gases de combustión está a su nivel mas 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.

Hidrocarburos no quemados en los gases de combustión (HC):

Se trata del combustible que sale del motor sin quemar, puede ser cualquier hidrocarburo, depende del combustible usado para quemar.

La unidad de medida es ppm (partes por millón) de hidrocarburos en gases, recordemos que el porcentaje representa partes por cien partes y el ppm, partes por millón de partes.

La conversión es 1% = 10000 ppm.

Se utiliza el ppm porque la concentración de hidrocarburos en el gas de escape es muy pequeña.

Una indicación alta de hidrocarburos indica:

Mezcla rica (exceso de combustible), en este caso el monóxido de carbono también da un valor alto.

Mala combustión de mezcla pobre, por alguna razón no alcanza a quemarse todo el combustible.

Fuga de aceite hacia la cámara de combustión.

El valor normal esta comprendido entre 100 y 400 ppm.

Oxígeno (O₂):

Es el oxigeno del aire que sobro del proceso de combustión.

Un valor alto de oxigeno puede deberse a mezcla pobre (exceso de oxígeno), combustiones que no se producen o un escape roto.

Un valor de 0% significa que se ha agotado todo el oxigeno, se debe verificar la concentración de monóxido de carbono. Normalmente el oxigeno debe ubicarse debajo del 2 %.

Óxidos de nitrógeno (NO_x):

Los óxidos de nitrógeno se simbolizan genéricamente como NO_x, siendo la "x" el coeficiente correspondiente a la cantidad de átomos de oxígeno, 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 el oxigeno 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.