Motores de combustión Interna

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Motores de combustión Interna

Emisiones

Pedro Curto-Risso, Alvaro Fernandez, Lidio Braga

INSTITUTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Y PRODUCCIÓN INDUSTRIAL FACULTAD DE INGENIERÍA

UNIVERSIDAD DE LA REPÚBLICA

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Emisiones

Los motores de combustión interna tanto diésel como Otto, son una de las principales fuentes de polución urbana.

Los gases de escape de SI generalmente contienen: NO - óxido de nitrógeno

NO2- dióxido de nitrógeno

CO - monóxido de carbono HC - hidrocarburos no quemados.

Las cantidades relativas dependen del diseño del motor y de las condiciones de operación. Sin embargo, generalmente los valores son del orden siguiente:

NOx→ 500 a 1000 ppm ó 20 g/kgfuel

CO → 1 a 2 % ó 200 g/kgfuel

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Emisiones

Características de las emisiones:

Otra fuente de producción de HC son los efectos de evaporación de combustible y de blow-by.

En motores Diésel los valores de NOx son comparables a los valores de ciclo Otto.

Las emisiones de hidrocarburos no quemados son 5 veces menores que en los ciclos Otto.

Los hidrocarburos en el escape pueden condensar en un humo blanco durante el arranque, mientras el motor está en proceso de calentamiento.

Los motores diésel son una fuente importante de emisiones de material

particulado: MP - 0,2 a 0,5 % en masa de partículas pequeñas (0,1 µm diámetro) que consiste principalmente en hollín.

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Emisiones

Debido a las condiciones de operación, los motores diésel no presentan emisiones significativas de CO.

Cuando se usan alcoholes como aditivo, en ambos motores, se favorece la producción de aldehídos -CHO. ej. alcohol deshidrogenado que es un potencial contaminante.

Otro elemento que compone los combustibles actuales es el azufre (S): Nafta ≤ 600ppm

Diésel ≤ 0, 5%

El azufre se quema y produce dióxido de azufre SO2en donde una fracción se

puede combinar con oxígeno y producir trióxido de azufre SO3que combinado

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Emisiones

Cuando se analizan estas cantidades se observa que difieren del cálculo teórico proveniente del análisis del equilibrio químico.

La producción y destrucción de algunas especies de poluentes como los compuestos orgánicos, monóxido de carbono y material particulado, están relacionados con el proceso primario de combustión.

La producción y destrucción de NO, NO2y SO2, no son parte del proceso de

combustión ya que son procesos cinéticamente más lentos. Sin embargo estas reacciones se producen en un ambiente creado por las reacciones de

combustión, por lo tanto, el proceso de combustión y formación y destrucción de NO, NO2y SO2están íntimamente ligados.

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Mecanismos de formación en el ciclo del sistema Otto

Compresión:

Mezcla sin quemar y aceite se depositan en las rendijas del pistón

Combustión:

Comienza el proceso de formación de NO debido a las altas temperaturas. Formación de CO a altas temperaturas y/o si la combustión es rica.

Las altas presiones continúan favoreciendo los depósitos de HC en las rendijas.

Expansión:

Se enfrían los gases y se congelan las reacciones, primero de NO y después de CO.

Los HC que estaban en las rendijas se liberan, algo se quema pero la mayoría no.

Escape

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Mecanismos de formación en el ciclo del sistema Otto

Uno de las variables más importantes en SI es φ

Pobre Estequimétrica Rica

1 1.3 0.7 CO HC NO Φ 7 / 16

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Mecanismos de formación en el ciclo Diesel

En motores diesel la formación de poluentes es bien diferente al ciclo Otto. Su formación y destrucción es fuertemente dependiente a la distribución de combustible y como esta cambia en el tiempo.

Como la concentración cambia, la zona cercana a φ = 1 tendrá más temperatura favoreciendo la formación de NO.

Cuando los hidrocarburos alcanzan la pared, debido a la alta concentración de aire, la mezcla se enfría y enlentece favoreciendo la producción de HC. El hollín se forma donde hay alta concentración de combustible, migra hacia zonas de alta concentración de aire y se oxida produciendo un color amarillo.

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Mecanismos de reacciones elementales

Reacciones elementales: son aquellas que ocurren a través de colisiones entre

moléculas

Mecanismo de reacción de CO:

CO +1

2O2→ CO2

Este proceso se da mediante una competencia entre dos reacciones elementales: CO + O2→ CO2+O

CO + O + M → CO2+M

Adicionalmente puede ocurrir la disociación del O2

O2+M → O + O + M

Donde M es un tercer cuerpo como N2o el propio O2

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Mecanismos de reacciones elementales

Los mecanismos se componen por tres tipos de reacciones elementales:

1 Permutación AB + C → BC + A 2 Recombinación A + B + M → AB + M 3 Descomposición AB + M → A + B + M

En la descomposición el tercer cuerpo cumple el papel de suplir energía para romper los ligamentos (cinética o calentamiento)

La tasa de desarrollo de una reacción elemental es proporcional a la frecuencia de las colisiones, siendo proporcional a la concentración de los compuestos.

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Mecanismos de reacciones elementales

Por lo tanto para la reacción AB + C → BC + A:

−d [AB] dt = − d [C] dt = d [BC] dt = d [A] dt =k1[AB] [C] Para la reacción A + B + M → AB + M: −d [A] dt = − d [B] dt = d [AB] dt =k2[A] [B] [M] Las constantes cumplen la forma de Arrhenius:

k = koe − Ea

R T

Donde koes el factor pre-exponencial y Eaes la energía de activación.

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Mecanismos de reacciones elementales

Reacciones reversibles A + B → C + D d [A] dt = −kf[A] [B] C + D → A + B d [A] dt =kr[C] [D] La tasa global de formación de A es:

d [A]

dt =kr[C] [D] − kf[A] [B] Cuando hay equilibrio:

d [A] dt =0 → kr[C] [D] = kf[A] [B] kr kf = [A] [B] [C] [D] =kc

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Mecanismo de formación del NO

Formación de NO O + N2→ NO + N ⇒ d [NO]1 dt =k1f[O] [N2] −k1r[NO] [N] N + O2→ NO + O ⇒ d [NO]2 dt =k2f[N] [O2] −k2r[NO] [O] d [NO] dt = d [NO]1 dt + d [NO]2

dt =k1f[O] [N2] −k1r[NO] [N] + k2f[N] [O2] −k2r[NO] [O] Formación de N:

d [N]

dt =k1f[O] [N2] −k1r[NO] [N] + k2r[NO] [O] − k2f[N] [O2]

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Mecanismo de formación del NO

Si asumimos que el sistema está en régimen permanente para [N], que las reacciones reversas son mucho más lentas que las directas (kr<<kf) y aproximando [O], [O2] y

[N2] por los valores de equilibrio.

d [N]

dt =0 ⇒ k1f[O] [N2] −k2f[N] [O2] =0 ⇒ [N] =

k1f[O] [N2]

k2f[O2]

Sustituyendo en la ecuación de formación de NO:

d [NO]

dt =k1f[O] [N2] +k2f[N] [O2] =k1f[O] [N2] +k1f[O] [N2] d [NO]

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Mecanismo de formación del NO - Ejemplo

Determinar el tiempo para formar 50 ppm de NO con:

T=2100 K ρ =0.167kg m3 PM=28,778 molg equilibrio YO=7, 6x 10−5 YO2 =3, 025x 10 −3 YN2=0, 726 k1f =1, 82x 1014e −38370 T [mol scm3 ] =1, 82x 1011e− 38370 T [kmol sm3 ] 15 / 16

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Mecanismos de Zeldovich

O + N2→ NO + N (1) N + O2→ NO + O (2) N + OH → NO + H (3) d [NO] dt = 2R1 1 − [NO] [NO]eq !2 1 + [NO] [NO]eq R1 R2+R3 R1=k1f[O]eq[N2]eq R2=k2f[N]eq[O2]eq R3=k3f[N]eq[OH]eq

Cuando comienza la reacción, en las primeras etapas, se cumple que [NO] << [NO]eq d [NO]

Figure

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