UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

Informe de Laboratorio: Análisis de Gases

Juan Pablo Rincón Duarte 234379

Juan Sebastián Castro Ramírez 233979

Objetivos:

- Determinar la concentración de los diferentes contaminantes en los gases de escape de un motor a gasolina (Renault 12 modelo 1980), en condiciones de marcha mínima o ralentí y aceleración sin carga.

- Determinar las características técnicas mínimas de los equipos necesarios para realizar dichas mediciones.

- Obtener las curvas de % en volumen de: Bióxido de carbono, Monóxido de carbono, Oxígeno y HC (ppm) vs Relación aire - combustible (Kg de combustible por Kg de aire) para el motor en marcha mínima o ralentí y aceleración sin carga

- Reconocimiento del scanner para motores electrónicos, en este caso se realiza con un vehículo modelo Clío 2002.

Marco teórico:

- La Norma técnica Colombiana que da los parámetros para la prueba es la NTC 4983. Calidad del Aire. Evaluación de gases de escape de fuentes móviles a gasolina. Método de ensayo en marcha mínima (ralentí) y velocidad crucero y especificaciones para los equipos empleados para esta evaluación.En la norma se establece el procedimiento de cómo hacer el análisis de gases, así como instrucciones de seguridad, parámetros para los equipos de medición, etc. La prueba que se realizó en el laboratorio de la Universidad cuenta con lo impuesto por la norma, lo único que no se tuvo en cuenta fue la medición de la temperatura del aceite en el cárter. Además según la norma, las mediciones sólo se realizan para las velocidades de crucero y ralentí, en la prueba hecha, se tomaron estas dos velocidades más algunas intermedias para poder construir gráficas y obtener conclusiones.En la tabla 1. Se muestra una comparación entre la prueba exigida por la NTC 4983, y la prueba que se realizó en el laboratorio.

Norma NTC 4983 Prueba realizada en el laboratorio

Análisis de CO, CO 2, HC y O2 en %

O.K

Identificación del modelo del vehículo

O.K

Repetitividad del Equipo

O.K

Sonda de muestreo O.KSonda de Temperatura

(cárter)Sonda de rpm del

motorPistola estroboscópica

Velocidad crucero O.KTabla 1. Comparación parámetros prueba norma y prueba realizada

- Valores Permitidos en Bogotá: Según la resolución 910 de 2008 del Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, en la que se reglamentan los niveles permisibles de emisión de contaminantes de fuentes móviles, los valores máximos de emisión permitidos para vehículos accionados con gasolina en velocidad de crucero y en condición de marcha mínima, ralentí o prueba estática son:

Tabla 2. Valores máximos de emisiones permisibles

Gráfica 1. % de emisiones de escape vs Relación aire combustible Ø.

Procedimiento:

La práctica se dividió en 2 partes. En la primera se hizo un reconocimiento del equipo ‘scanner’, para detectar y analizar las fallas de motores electrónicos. En la segunda parte se realizó una prueba de análisis de gases para un motor a gasolina. A continuación se explica detalladamente cada procedimiento:

a) Uso y reconocimiento del scanner:Para esta parte de la práctica se contó con un vehículo marca Renault Clío modelo 2002 (colaboración del ingeniero Mauricio). Primero que todo se hizo un reconocimiento del scanner, de su funcionamiento y de las diferentes sondas y conexiones que se tienen de acuerdo al tipo de vehículo a analizar. Una vez realizado esto se conectó el scanner al vehículo (el puerto se encontraba en la parte interior de este) y se encendió el scanner. Se accedió por el comando ‘BO2’ para observar las fallas y se encontró la falla ‘TPC’ que tiene que ver con el sensor de posición de mariposa. Posteriormente se intentaron borrar las fallas, pero no fue posible, ya que este sensor se encontraba defectuoso y la única solución era su cambio. Al no poder borrar las fallas, el motor seguirá trabajando sólo con un ‘mapa’ por así decirlo, hasta que el sensor defectuoso sea cambiado.

b) Análisis de Gases:El análisis de gases fue realizado a un vehículo marca Renault 12 modelo 1980 (prestado por un compañero del curso de motores). La prueba se realizó con el analizador de gases SUN 1400, también se utilizó la pistola altex para medir el ángulo de avance.Primero que todo se variaron las rpm con el tornillo de regulación de combustible del carburador para estar bajo las condiciones de la norma. Con la pistola estroboscópica se identificó la muesca en el volante para poder medir el ángulo de avance.Una vez realizado lo anterior, se dio inicio a la prueba, en donde se hizo una variación de las rpm del motor (sin carga), y se tomaron los datos de ángulo de avance, análisis de gases y relación aire-combustible para 7 valores de velocidad.

En la última prueba se ajustó el motor, buscando la relación aire-combustible óptima (14,7) para dejar trabajando bien el motor. El valor final de la relación aire-combustible fue de 14,91 (ver tabla de datos) y los niveles de emisiones del vehículo quedaron en un buen rango, lo que se detalla en el análisis de resultados.

Resultados y análisis de resultados:

Los datos obtenidos para el análisis de gases se muestran a continuación:

Prueba Velocidad [rpm]

Ángulo de Avance [°] %CO %CO2 PPM HC %O2 Relación

(aire/combustible)

1 790 5 0,74 11,39 490 4,2 17,592 1000 14,8 1,65 12 428 2,5 15,433 1200 26,8 4,15 11,14 543 1,5 13,564 1500 28,9 8,6 8,49 624 1,2 11,575 1600 30 9,62 7,82 667 1,2 11,166 2000 31,4 N.R.D 6,3 1160 1,4 N.R.D

Final 930 8,5 2,92 11,22 468 2,5 14,91Tabla 3. Resultados Obtenidos Analizador

N.R.D No se Registraron Datos

- Cálculo de la relación aire combustible:

Considerando que la gasolina actual cuenta con 10% Etanol, la ecuación de combustión es:

A (O2+3.762N 2 )+0.9∗B∗C8H 18+0.1∗B∗C6H 6O→ [k∗CO2+L∗CO+M∗O2+O∗HC+N∗N2 ]+Q∗H 2O

Para obtener la relación aire/combustible, se deben obtener los valores de A y B. Los valores de K, L, M y O son conocidos del análisis de gases. Para ese cálculo se debe hacer un balance de masa así:

- Carbono C:

0.9∗8∗B+0.1∗2∗B=K+L+O

B= K+L+O0.9∗8+0.1∗2

- Hidrógeno H:

0.9∗18∗B+0.1∗6∗B=O+2∗Q

Q=B∗(0.9∗18+0.1∗6 )−O

2

- Oxígeno:

2∗A+0.1∗B=2∗K+L+2∗M+Q

A=2∗K+L+2∗M+Q−0.1∗B2

- Relación Aire/Combustible:

AirFuel

=( A∗32 )+(A∗3,762∗28)

(0,9∗B∗114 )+(0,1∗B∗56)

A continuación se muestra el cálculo para los datos del primer análisis de gases:

B=11,39+0,74+0,000490.9∗8+0.1∗2

=1,639

Q=1,639∗(0.9∗18+0.1∗6 )−0,00049

2=15,982

A=2∗11,39+0,74+2∗4,2+15,982−0.1∗1,6392

=23,869

AirFuel

=(23,869∗32 )+(23,869∗3,762∗28)

(0,9∗1,639∗114 )+(0,1∗1,639∗56)=18,482

Los demás cálculos se realizaron en Excel y se muestran en la tabla 4:

Relación (aire/combustible)

Calculadak L M O B Q A N

18,4820 11,39 0,74 4,2 0,00049 1,639 15,982 23,869 83,66916,6691 12 1,65 2,5 0,000428 1,844 17,985 24,225 83,84915,1633 11,14 4,15 1,5 0,000543 2,066 20,14 24,684 83,20913,8128 8,49 8,6 1,2 0,000624 2,309 22,517 25,133 81,70913,5723 7,82 9,62 1,2 0,000667 2,356 22,978 25,201 81,359

Tabla 4. Cálculos del balance en Excel.

- El comportamiento del porcentaje del CO, CO2 y O2 en función de la relación aire combustible se muestra en la figura 1. Se graficaron los datos para las primeras 5 pruebas, ya que en la sexta no se obtuvo datos ni de la relación aire combustible ni del % de CO. La prueba 7 se realizó para calibrar el motor.

18,4820 16,6691 15,1633 13,8128 13,572317,59 15,43 13,56 11,57 11,16

0

2

4

6

8

10

12

14% Contaminantes vs. A/F cálculado y medido

%CO%CO2%O2PPM HC/100

A/F balanceA/F analizador

Figura 1. % CO CO2 O2 y PPM vs A/F por balance y analizador.

Como se puede evidenciar en la figura 1, el porcentaje de HC y CO emitidos por el motor disminuyo en los intervalos mas cercanos a la relación de aire combustible óptima, que es de 14.7 en el analizador. A su vez el porcentaje de O2 aumento, claramente debido a un incremento de aire en la mezcla, pero la salida de este nos indica que no reacciono con el HC en la cámara, esto se debe a que la mezcla ahora contiene una gran cantidad de oxigeno pero este no alcanza a mezclarse por completo con el combustible. El CO2 tiene también un pico máximo en los alrededores de 14.7 del analizador, esta razón también aumenta con la relación A/F.

17,59 15,43 13,56 11,57 11,165 14,8 26,8 28,9 30

0

2

4

6

8

10

12

14% Contaminantes vs. A/F medido y avance de chispa

%CO%CO2%O2PPM HC/100

A/F analizadorAvance de chispa

Figura 2. % Contaminantes vs avance inicial de chispa y A/F analizador

El avance de chispa mayor se presenta en donde la relación A/F es menor, de manera que evidencia una mayor cantidad de combustible que de aire en la cámara. Claramente el avance de chispa garantiza que la gran cantidad de masa de combustible presente en la cámara se consuma completamente, ya que sin el avance se presentaría desajuste en la onda de choque y el pistón en movimiento. Causando esfuerzos no deseados en las partes del motor.

Los gases contaminantes, aumentan con el avance de chispa, es decir con altas rpm del motor. Es evidente que a mayor cantidad de combustible admitido en la cámara, HC, se producirá una mayor cantidad de estos gases en la atmosfera.

En los gases contaminantes también se cuenta el O2, ya que como este es expulsado a una mayor temperatura, la reacción para la creación de estos gases es endotérmica, así que la temperatura alta de un motor y el escape de gases propicia la creación de estos gases, que son también prejudiciales para el ambiente.

790 1000 1200 1500 16000

5

10

15

20

25

30

35% Contaminantes, avance de chispa, A/F analizador vs. rpm

%CO%CO2%O2PPM HC/100Ángulo de Avance [°]A/F analizador

rpm

Figura 3. Mediciones en función de rotación del motor

En la figura 3 podemos ver como el avance de chispa aumenta a medida que las rpm del motor se incrementan. El avance de chispa es relativo al avance de pistón en la cámara y se encuentra sujeta a la velocidad de rpm del motor. Este sistema permite que la chispa de encendido ocurra mas tempranamente en la cámara a medida que aumentan las rpm. Gracias a este sistema la chispa ocurre momentos antes de que el pistón se encuentre en el PMS, y garantiza que la onda expansiva impulse el pistón en el momento en el que alcanza el PMS.

La relación A/F disminuye en altas rpm, ya que hay mayor cantidad de combustible que de aire en la cámara. Actualmente La relación A/F y el avance de chispa es controlada por la ECU, unidad de control electrónica, garantizando ahorro de combustible y a su vez de emisiones a la atmosfera.

- Al finalizar la práctica, se ajustó la relación aire/combustible del motor del Renault 12 al valor de la relación recomendada. Como se puede observar en la tabla 3. Los parámetros del vehículo quedaron muy bien de acuerdo a lo que exige la norma.

Velocidad [rpm]

Ángulo de Avance [°] %CO PPM HC

Relación (aire/combustible)

Ajuste Final 930 8,5 2,92 468 14,91

Valores máximos

permitidos4 650

Valoración PASA PASATabla 3. Valoración para el análisis realizado

Conclusiones

- El analizador de gases permite mejorar las condiciones de funcionamiento de los motores de combustión interna. Los diferentes valores tomados en el desarrollo del análisis permiten dar a conocer el rendimiento del motor y, a su vez ajustar la maquina para que entregue una mejor eficiencia, ya que se conoce la relación optima de combustible que se aproxima a 14.7 en 800 rpm.

- Sincronizando el motor, y poniéndolo apunto en el valor de RAF garantiza una menor cantidad de gases de escape liberados a la atmosfera, traduciendo esto a una menor contaminación producida por el motor, y a una disminución de consumo de combustible.

- El avance de chispa disminuye esfuerzos indeseados en el motor, ya que regula la onda de choque producida y el movimiento del pistón, haciendo el empuje del pistón en el momento necesario.

- El ‘scanner’ es un instrumento de gran ayuda en lo que concierne a los motores electrónicos; se pueden identificar las fallas en los lugares exactos donde estas ocurren. El uso del ‘scanner’ no es algo complejo, sólo se debe tener conocimiento si la tarjeta del equipo cuenta con la información del vehículo a analizar, y saber qué sonda o conexión es la adecuada para determinado vehículo.

Bibliografía

[1] NTC 4983, ICONTEC.

[2] Resolución 910 de 2008, ALCALDÍA DE BOGOTA, http://www.alcaldiabogota.gov.co/sisjur/normas/Norma1.jsp?i=31146

[3] Pulkrabek Willard, Engineering Fundamentals of the ICE, University of Wisconsin, Platteville.

[4] Óxidos de nitrógeno, contaminantes en la atmosfera.

http://www.navarra.es/home_es/Temas/Medio+Ambiente/Calidad+del+aire/Informacion/Contaminantes/Oxidos+de+nitrogeno.htm