Emisiones contaminantes en motores de encendido por chispa

Los resultados de la combustión teórica de un hidrocarburo son el vapor de agua, H₂O, y el anhídrido carbónico,CO₂, también llamado dióxido de carbono. Sin embargo, en las combustiones reales, junto con aquellos, aparecen otras moléculas, tales como óxidos de nitrógeno,NO_x, monóxido de carbono, CO, e hidrocarburos sin quemar y parcialmente oxidados, HC. Los primeros son gases de efecto invernadero, es decir, son capaces de retener la radiación infrarroja emitida por el planeta y colaboran grandemente al cambio climático, sobre todo el anhídrido carbónico. Los segundos son venenosos con efectos importantes sobre la salud humana, la flora y la fauna.

Adicionalmente, la gasolina AVGAS 100LL, tiene otros problemas. LL significa “Low Lead”, bajo contenido en plomo, pero no exento del mismo. AVGAS 100LL puede contener hasta 0,8 gr de tetraetilo de plomo por Kg de combustible. Este aditivo se añade a las gasolinas para conseguir octanajes de 100/130. Se ha utilizado durante décadas para mejorar la relación peso/potencia de los motores incrementando la relación de compresión. Tal octanaje es necesario para evitar el autoencendido y la detonación (knocking). También tiene otros aditivos, como el bromo, para eliminar los depósitos de plomo, colorantes, antoxidantes, etc.

Aquí nos vamos a referir solamente al monóxido de carbono, a los óxidos de nitrógeno y a los hidrocarburos sin quemar. En la figura siguiente se muestra la dependencia de sus concentraciones con respecto a la relación aire/combustible.

Vamos a hablar algo de cada uno de ellos:

• Monoxido de carbono. La concentración en peso y volumen es función de la razón aire/combustible, pero también de la relación de compresión, mayor relación de compresión, menor concentración de CO. No depende del avance al encendido. Para limitar sus emisiones es necesario adoptar disposiciones adecuadas para permitir el empleo de mezclas pobres.
• Óxidos de Nitrógeno. Se forman durante la combustión y su disociación es detenida por la disminución de temperatura debida a la expansión. La concentración depende del contenido de oxígeno disponible para la reacción con el nitrógeno y de la temperatura, por tanto, varía con la relación aire/combustible y con el avance al encendido, también con la relación de compresión.
• Hidrocarburos no quemados (HC). Están presentes en los gases de escape en todas las condiciones de funcionamiento del motor. Su concentración alcanza valores especialmente elevados cuando el motor funciona con fuertes depresiones en el colector de admisión (deceleración). En estas condiciones la mezcla demasiado rica se mezcla y se diluye en la cámara de combustión con los gases residuales y, con éstos, una parte de la gasolina sale del cilindro sin haberse quemado. En las demás condiciones de funcionamiento, la presencia de HC en los gases de escape se debe a una combustión incompleta en el estrato en contacto con las paredes de la cámara, que están a una temperatura inferior a aquella a la que pueden tener lugar las reacciones de oxidación.

Básicamente, existen cuatro mecanismos responsables de la emisión de HC:
• Apagado de la llama en las paredes de la cc, dejando una película de mezcla aire/combustible sin quemar.
• Llenado de los huecos pistón/cilindro con mezcla que no se quema porque escapa del proceso primario de combustión.
• Absorción del vapor de combustible por parte de la película de aceite situada en las paredes del cilindro, durante las carreras de admisión y compresión. Desabsorción durante las carrera se expansión y escape.
• Combustión incompleta en una fracción de ciclos de motor, cuando la calidad de la mezcla es deficiente. Aparece en regímenes de tránsito, aceleraciones, deceleraciones, etc.

[/list_style_cube]
En este gráfico se resumen los mecanismos que influyen sobre la emisión de estos contaminantes:

La aviación civil suiza ha estado haciendo estudios de emisiones de estos gases. En este enlace están los resultados de estos estudios en aviones dotados con motores Continental, Lycoming, Rotax.