Ensayo sobre motores y su impacto en el medio ambiente, acciones para no contaminar con nuestro automovil

1. Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
DHTIC
MOTORES Y MEDIO AMBIENTE
MENDOZA RODRÍGUEZ ESDRAS
201319255
OTOÑO 2013
Motores y medio ambiente. Esdras Mendoza R. |
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2. Motores y medio ambiente
Introducción:
Desde que el hombre logró el funcionamiento del motor de combustión interna que representó un
gran adelanto tecnológico que dio lugar a diversas transformaciones tanto industriales como
económicas, hasta el perfeccionamiento de sus componentes y procesos con los que el ser
humano ha obtenido diversas opciones de motorización; éste, también ha visto como el entorno
que le rodea se ha visto alterado y en ocasiones amenazado y destruido por las acciones mismas
que buscan mejorar la eficacia en desplazamiento y comodidad.
Las generaciones pasadas no se caracterizaron por tener una conciencia ecológica marcada y
traducida en acciones concretas, explotaron los recursos desmedidamente y ahora nosotros en el
presente padecemos las consecuencias; sin embargo, esta generación ha tomado conciencia de
la situación y ha unido fuerzas para rescatar su hogar, nuestro hogar: “La Tierra.”
Desarrollo:
Para comenzar daremos a conocer brevemente conceptos fundamentales sobre un motor, sus
procesos internos, y componentes.
Un motor en su definición más sencilla es una maquina que tiene por objeto, transformar la
energía química producida por un material combustible en energía mecánica o trabajo útil, en este
caso para desplazar un vehículo.
Dentro de un motor se llevan a cabo procesos específicos para lograr la transformación de esta
energía química, a este conjunto de procesos se les llama “ciclos operativos” y en los motores se
conocen tres tipos de ciclos operativos: ciclo operativo de 2,4y 6 tiempos.
El ciclo operativo es la sucesión de operaciones que el fluido activo ejecuta en el cilindro del motor
con ley periódica. Su duración es medida por el número de carreras efectuadas por el pistón para
realizarlo.
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3. El ciclo operativo de 2 tiempos los cuales son:
1° Combustión y Escape,
2° Aspiración y Compresión.
El ciclo operativo de 4 tiempos los cuales son: 1° Admisión de la carga o combustible en el
cilindro, 2° Compresión de la carga, 3° Combustión y expansión, 4° Expulsión o escape de los
productos de la combustión.
En los motores de encendido por chispa,
que generalmente utilizan gasolina, el
combustible y el aire son introducidos al
mismo tiempo dentro de la cámara de
combustión,
conectados
a
la
que
electrodos
se
que
hallan
son
los
encargados de producir una chispa con la
que se inicie el proceso de combustión.
Mientras
que
en
los
motores
de
encendido por compresión. Mientras que en los motores de encendido por compresión, el aire es
introducido a la cámara de combustión mediante la válvula de aspiración y en segundo lugar es
introducido el combustible (en estos motores normalmente es diesel) mediante un inyector
especial.
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4. Termodinámica (definiciones)
Energía: en Física entendemos por energía la capacidad para realizar un trabajo.
Podemos observar dos tipos principales de energía:
Energía potencial que es aquella contenida en un cuerpo en reposo identificada como
la capacidad para desplazarse o realizar un trabajo.
Energía cinética que es aquella contenida en un objeto en movimiento o que está
realizando un trabajo, también se le llama energía mecánica.
Trabajo: el trabajo es energía mecánica de transición o de movimiento.
Calor: el calor es la energía térmica de transición a través de las superficies de dos objetos
cercanos entre sí.
Combustibles
Según el libro “Motores endotérmicos de Dante Giacosa”, los combustibles para los motores
pueden clasificarse en sólidos, gaseosos y líquidos.
“Los combustibles sólidos no tienen aplicación práctica porque las tentativas hechas para
introducirlos pulverizados en los motores han puesto en evidencia graves inconvenientes
funcionales tales como la corrosión y desgaste de los cilindros y el agotamiento de las válvulas a
causa de las cenizas que no pueden ser totalmente eliminadas.
Los combustibles gaseosos pueden ser naturales o bien obtenidos de la gasificación de los
combustibles sólidos. Todos ellos tienen bajo poder calorífico. Presentan el inconveniente de
requerir de fuertes depósitos para contenerlos, así como de gasógenos para producirlos.
Los combustibles líquidos son la fuente de energía principal para los motores endotérmicos. Entre
los más empleados se llevan la palma los derivados del petróleo como la gasolina, el diesel, el
gasoil, el benzol, el keroseno y los alcoholes.” *
* Dante Giacosa. Luis Montalbetti trad. Motore endotermici. Barcelona, Científico,2000,.Combustibles.p.85.
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5. En ocasiones es difícil la producción de algunos combustibles líquidos y por ello se recurre al
carbón mineral para su producción, siendo esta la segunda opción después del petróleo para la
producción de energía aunque su utilización produce gran cantidad de emisiones contaminantes
que es lo que debe preocuparnos pues en un intento por generar energía para nuestro
aprovechamiento diario, estamos poniendo en riesgo la sustentabilidad del medio ambiente, cuyas
consecuencias pueden ser peores que quedarnos sin el recurso mineral.
De la conciencia que el ser humano adopte en puntos tan esenciales como este, dependerá el
futuro y la calidad de vida de las próximas generaciones y de no haberla, el ser humano podría
verse inclusive amenazado.
Carburación
De este proceso se encarga el carburador que tiene la función primordial de mezclar en las
cantidades apropiadas el combustible y el aire de manera que estas cantidades satisfagan las
especificaciones
para
el
buen
funcionamiento del motor.
Cuando el pistón se halla en la
parte inferior del cilindro, la presión
disminuye, aspirando aire desde el
purificador y fluye hacia el cilindro.
Cuando este aire pasa a través del
estrechamiento
del
carburador
(venturi), la velocidad se eleva, y
por el efecto Venturi aspira la
gasolina desde la tobera principal.
Esta gasolina aspirada es soplada y esparcida por el flujo de aire y es mezclada con el aire.
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6. Distribución
Se llama distribución al conjunto de piezas
que regulan la entrada y salida de los gases
en el cilindro. Los elementos que forman el
sistema de distribución son:
Engranaje de mando
Árbol de levas, taqués y válvulas.
Encendido
Un sistema de encendido consta principalmente de la batería, cables de baja tensión, la bobina de
encendido, el distribuidor, bobina, cable de alta tensión, cables de las bujías y bujías.
El sistema de encendido provee chispas de alta intensidad a las bujías para encender las cargas
de
combustible
combustión.
Las
en
las
chispas
cámaras
de
deben
ser
suministradas a un tiempo apropiado, y
deben tener suficiente energía, sobre un
rango de condiciones para encender las
cargas.
La energía viene de la batería y alternador,
y el voltaje es aumentado por la bobina de
encendido.
El sistema primario o de baja tensión inicia la chispa, el circuito secundario o de alta tensión
produce el alto voltaje y lo distribuye a las bujías.
Hay tres tipos generales de sistemas de encendido:
Encendido del ruptor usa puntos de contacto del ruptor en el distribuido para inicia la chispa.
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7. Encendido electrónico no necesita platino. Cuando una señal es recibida, el disparo ocurre a
través de transistores en un modulo de encendido.
Encendido directo, no tiene distribuidor y usa bobinas para suministrar alto voltaje directo a las
bujías.
Las primeras realizaciones han puesto de manifiesto la conveniencia de obtener el encendido por
medio de una chispa eléctrica en lugar de recurrir a sistemas puramente térmicos, como llama de
gas, rejillas de platino o tubos de porcelana incandescentes, procedimientos complicados y poco
eficientes.
Podemos ver como los sistemas de encendido han sido diversificados de acuerdo con las ventajas
de los materiales y componentes.
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8. Fichas técnicas
Motor de gasolina
Un motor de gasolina o de
explosión es un tipo de motor de
combustión interna que utiliza la
explosión
de
un
combustible,
provocada mediante una chispa,
para expandir un gas empujando
así un pistón. El combustible se
inyecta pulverizado y mezclado
con el gas (aire u oxigeno) dentro
de un cilindro. Una vez dentro del
cilindro, la mezcla es comprimida
por el pistón que se eleva hasta
el punto muerto superior del cilindro y una vez alcanzada la máxima compresión se produce una
chispa por una bujía que genera la explosión del combustible. Los gases producto de la
combustión empujan el pistón de regreso al punto muerto inferior sucesivamente produciendo un
movimiento lineal en el cilindro. Ya que el pistón se halla conectado a una biela y aun cigüeñal, el
movimiento lineal sucesivo en convertido en movimiento giratorio.
Motor a diesel
Inventado en 1893 por el francés Rudolf Diesel.
El motor diesel es un motor térmico que tiene combustión interno alternativa que se produce por el
auto encendido del combustible debido a altas temperaturas derivadas de la compresión del aire
en el interior del cilindro.
Un motor diesel funciona mediante la ignición (encendido) del combustible al ser inyectado muy
pulverizado y con alta presión en una cámara (o pre cámara) de combustión que contiene aire a
una temperatura superior a la temperatura de auto combustión, sin necesidad de chispa como en
los motores de gasolina (una de las principales diferencias). Esta es la llamada auto inflamación.
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9. El
combustible
es
introducido
mediante un inyector especial a
gran
presión
atomizado
y
mezclado con el aire a alta
temperatura (entre 700 y 900°C).
Como resultado la mezcla se
inflama muy rápidamente.
Si bien la gasolina fue el primer
combustible utilizado para los
motores,
han
surgido
nuevas
alternativas de combustibles que además de tener mayor eficiencia y menor coste de producción,
son menso contaminantes y permiten un mayor control de las emisiones, con lo que el ambiente
resulta menos perjudicado.
Motor eléctrico
El motor eléctrico es aquel motor que
transforma
la
energía
eléctrica
en
Caja de interconexión
energía mecánica, por medio de la
repulsión
que
presenta
un
objeto
metálico cargado eléctricamente ante
Cargado
r
un imán permanente. Son maquinas
Unidad eléctrica de poder
eléctricas rotatorias.
Uno
o
más
motores
eléctricos
proporcionan la tracción a las ruedas
Motor/Reductor
de un automóvil.
La
utilización
del
motor
eléctrico
obedece a la necesidad de reducir prontamente la contaminación provocada por el constante uso
de la quema de combustibles petróleos y que ha puesto en riesgo la sustentabilidad de la vida en
el planeta.
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10. El motor eléctrico del E-UP de Volkswagen
“El automóvil con sistema de asientos 3+1 equipa un motor eléctrico con una potencia de 60 kW
(potencia constante: 40 kW) y alcanza una velocidad máxima de 135 km/h. El motor frontal del
automóvil de tracción delantera desarrolla un par máximo de 210 newtonmetros desde cero
revoluciones. El conductor activa la marcha hacia adelante y hacia atrás pulsando un botón
giratorio situado en la consola central. El E-Up! proporcionará indudablemente un gran placer de
conducir, prueba de ello es el excelente valor de aceleración de 0 a 100 km/h en tan sólo 11,3
segundos. Pero el EUp! es capaz de aumentar aún más su agilidad acelerando en ciudad de 0 a
50 km/h en 3,5 segundos. Esta excelente dinámica se debe, por un lado, al genial par de giro del
motor eléctrico y, por otro lado, al ligero peso total del E-Up! de sólo 1.085 kilos.
Batería de ión-litio: el reducido peso del estudio es aún más sorprendente si se tiene en cuenta
que sólo la batería de ión-litio pesa 240 kilos. Dependiendo del modo de conducción, la capacidad
de la batería de 18 kilovatios/hora (kWh) puede ofrecer una autonomía de hasta 130 kilómetros –
distancia suficiente para desplazarse a la mayoría de los trabajos y circular por la ciudad. El E-Up!
podrá ser “repostado” en el garaje de casa, en el aparcamiento o en uno de los surtidores de
recarga mediante una tarjeta chip. Dependiendo de la infraestructura de surtidores de recarga y
del estado de carga actual, la batería puede recargar en poco más de una hora hasta un 80 % de
su capacidad total.
Si se recarga la batería en casa, por ejemplo, en el enchufe del garaje de 230 voltios, la carga
durará como máximo cinco horas. En general, las baterías se recargarán en su mayoría al término
de la jornada aprovechando así la económica tarifa eléctrica nocturna. Los gastos del E-Up! cada
100 kilómetros son de tan sólo 2 euros (aprox. 14 céntimos / kWh).”
Unidad Editorial. Motor. Coches. E-uP Volkswagen El mundo motor. 2013.Madrid,España
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11. Turbo inyección
Turbo inyección directa es un tipo de motor con cámara de combustión en la cabeza del pistón
dotado de turbo. El concepto de inyección directa se remonta al mismo origen del motor diésel. Su
mayor ventaja es que existe menor pérdida de energía al ser la cámara de combustión más
reducida, lo que minimiza la perdida de calor hacia las paredes del cilindro o hacia las de la
cámara de combustión como sucede en los modelos con precámara. Esto se traduce en un mayor
y mejor rendimiento (el calor que se pierde es energía perdida), lo que repercute en el consumo, y
en un mejor arranque en frío.
Turbo denomina el sistema de sobrealimentación que monta una turbina en el escape, la cual gira
al incidir sobre ella los gases de escape, y en la admisión un compresor unidos por un eje, el cual
que se encarga de forzar la entrada de aire en los cilindros.
En estos momentos diversas marcas están usando inyectores piezo-eléctricos que son unas 10
veces más rápidos de respuesta que los actuales, lo que hace que dentro de cada ciclo de
explosión se produzcan varias inyecciones de pequeñas cantidades de combustible aumentando
la suavidad de funcionamiento y reduce aun más el consumo. El número de inyecciones por ciclo
con este tipo de inyectores puede alcanzar el número de cinco, aunque la mayoría de los
fabricantes solo realizan tres de momento.
Motor de reacción
Un motor de reacción, es un tipo de motor que descarga un chorro de fluido a gran velocidad para
generar un empuje. El aire es aprovechado para producir una combustión que genera un chorro
de gases para propósitos de propulsión.
Las partes principales de un motor de
reacción son:
Entrada o toma de aire.
Compresor o ventilador.
Eje:
Cámara de combustión
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12. Turbina.
Tobera o salida.
Tobera supersónica.
Sin embargo, este tipo de motores son muy ruidosos aunque generalmente son utilizados por
aviones comerciales y de combate. Pero existe un nivel de contaminación acústica.
Turbina
Es una máquina de fluido, a través de la cual pasa un fluido en forma continua y éste le entrega su
energía a través de un rodete con paletas o álabes.
Es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua,
vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas,
hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en
movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía
mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un
compresor, un generador eléctrico o una hélice.
Una turbina consta de una o dos ruedas con paletas, denominadas rotor y estator, siendo la
primera la que, impulsada por el fluido, arrastra el eje en el que se obtiene el movimiento de
rotación.
Turbofán
Es un motor a reacción caracterizado por disponer
de un ventilador o fan en la parte frontal del motor,
el aire entrante se divide en dos caminos: flujo de
aire primario y flujo secundario o flujo derivado. El
flujo
primario
penetra
al
núcleo
del
motor
(compresores y turbinas) y el flujo secundario se
deriva a un conducto anular exterior y concéntrico con el núcleo.
Las partes principales son:
Ventilador, Compresor, Cámara de combustión, Turbina, Escape y Conducto del flujo secundario.
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13. Los turbofanes tienen varias ventajas respecto a los turborreactores: consumen menos
combustible, lo que los hace más económicos, producen menor contaminación y reducen el ruido
ambiental.
Suele interesar mantener índices de derivación altos ya que disminuyen el ruido, la contaminación,
el consumo específico de combustible y aumentan el rendimiento. Asi el ambiente no se ve
perjudicado.
Motor a gas
Cuando un motor de ciclo Otto va a utilizar gas natural, no precisa ninguna transformación
mecánica sustancial. Tan solo debe equiparse del sistema de almacenamiento, carburación y
avance del encendido, electroválvulas, así como añadirle un convertidor catalítico, si así se desea.
Existe también una tercera posibilidad, consistente en no transformar los motores Diesel a Otto. El
sistema se fundamenta en continuar alimentando el motor con gasóleo, pero interrumpiéndola
durante un cierto tiempo, durante el cual se inyecta gas natural al motor. Este sistema tiene
muchas dificultades en su aplicación práctica y no es utilizado masivamente.
Una de sus principales dificultades está en el almacenaje, ya que estamos hablando de un líquido
altamente inflamable; pero con el paso de los años, la seguridad de este sistema ha alcanzado tal
nivel, que es tan seguro como un motor de gasolina. Es por ello, que se utiliza al GLP como una
opción de apoyo al motor gasolinero, con lo que muchos motores tienen ambos sistemas. Con
esto, los fabricantes recomiendan usar la versión GLP para encender el motor y a bajas
revoluciones para luego cambiar automáticamente a la opción gasolina. A la larga representa un
menor consumo y una mejor conservación del medio ambiente sin mayor pérdida de performance.
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14. Medio ambiente
La energía mecánica necesaria para lograr el funcionamiento de las diversas maquinas se obtiene
utilizando energía térmica, hidráulica, solar y eólica. Sin embargo la mas utilizada ha sido la
energía térmica producida por la combustión de los derivados del petróleo, utilizados en los
equipos de propulsión mas aceptados que son los Motores de Combustion Interna (MCI). La
creciente utilización de estos sistema ha generado un impacto en el ambiente lo que ha originado
una gran cantidad de sustancias toxicas en el aire, los llamados “gases de invernadero” y
contaminación acústica.
Las discusiones internacionales acerca de las causas e implicaciones para la humanidad del
llamado "efecto invernadero", provocado por las crecientes emisiones a la atmósfera de gases
tales como: CO2, metano, óxido nitroso y los cloro-flurocarbonatos, reflejan la necesidad de un
enfoque integral en el tratamiento de los problemas ambientales y del desarrollo, así como la
necesidad de una acción concertada de la comunidad internacional para mitigar los efectos del
calentamiento global.
Formas de acción del motor de combustión interna sobre el medio ambiente.
Las formas más importantes de acción del motor sobre el medio ambiente son:
Agotamiento
de
materias primas no
renovables
consumidas durante
el funcionamiento de
los MCI.
Consumo
de
oxígeno
contiene
que
el
aire
atmosférico.
Emisión y contaminación de la atmósfera con gases tóxicos que perjudican al hombre, la
flora y la fauna.
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15. Emisión de sustancias que provocan el llamado efecto invernadero contribuyendo a la
elevación de la temperatura de nuestro planeta.
Consumo de agua potable.
Emisión de altos niveles de ruido a la atmósfera que disminuye el rendimiento de los
trabajadores y ocasiona molestias en sentido general.
Toda la ingeniería aplicada al perfeccionamiento de los procesos y componentes de los motores,
también debe ser utilizada para cuidar al medio ambiente que se ha visto amenazado, en el
esfuerzo por brindarnos eficiencia y comodidad.
Es por ello que en los últimos años han una serie de acciones con vistas a contribuir al cuidado
del medio ambiente tales como :
Realizar una verificación periódica a nuestro automóvil
instalar tubos de escape y filtros especiales al motor para filtrado de los gases de la
combustión.
El uso de automóviles eléctricos.
Uso de combustibles alternativos menos contamiantes y mas eficientes tales como:
Etanol
Diesel
A lo largo del tiempo se han escrito muchos discursos sobre la necesidad de cuidar nuestro medio
ambiente, pero la verdad es que si no observamos nuestra realidad inmediata como (el retraso de
las lluvias en nuestro estado, las temperaturas cálidas y frías cada vez más extremas; los
huracanes cada vez más destructivos); sin estar esperando las estadísticas futuras, entonces
llegara el momento en el que no podremos hacer nada y todo el progreso logrado con las
transformaciones tecnológicas nos cobrará un precio aun mayor y que no podremos pagar, mismo
que pondrá en riesgo nuestra propia supervivencia.
“No dejemos para mañana lo que podamos hacer hoy”.
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