Gases De Combustión: Cómo Se Producen Y Su Impacto Ambiental

Los gases de combustión son un efecto totalmente directo del uso de los vehículos tal y como los conocemos. El proceso de la obtención de la energía por parte del automóvil deja residuos en nuestro ambiente en forma de gases de combustión.

A continuación, dedicaremos este post para explicar el origen y los tipos de gases de combustión que son liberados al ambiente como respuesta de diferentes procesos en la transformación desde el combustible hasta la puesta a punto de nuestros vehículos, así como sus implicaciones en el ambiente.

Origen de los gases de combustión

La energía química que se obtiene del combustible tiene una particularidad, que es que cuando es quemada ésta (la energía) es liberada en forma de calor y dentro de un motor producto la transformación de la energía se transforma en energía mecánica.

Por otro lado, hay que saber que para que el combustible sea quemado es necesaria la existencia del oxígeno a lo que también llamamos aire, obviamente la cantidad de aire debe ser admitida solo hasta un límite y ese límite dependerá de las necesidades del motor y del tipo de combustible.

Dentro del proceso de la quema de combustible, cuando esta es completa, los componentes del carbono presentes en las cadenas de hidrocarburos (combustible) reaccionan con el oxígeno y se forma así el dióxido de carbono, también conocido por su nomenclatura química como CO2.

Por otro lado, el hidrogeno también reacciona con el oxígeno presente y se forma vapor de agua, es decir, H2O los otros componentes de la mezcla de aire, como el H2 no reaccionan en la mezcla y, por ende, son expedidas a través del sistema de escape del auto.

Origen y efectos de los gases  de combstión contaminantes

ContaminanteOrigenEfectos
COCombustión incompleta.Reduce la absorción del oxígeno mediante células rojas, actúa en contra de la percepción y la capacidad de pensar, reduce la capacidad de los reflejos y puede causar inconsciencia. Afecta negativamene el crecimiento fetal en mujeres con estado de gravidez.
HCCombustión incompleta o evaporación.Afecta al ser humano mediante la irritación de los ojos, el cansancio y tendencia a toser. Puede ocasionar efecto carcinógeno. Percusiones de smog foto químico.
HollínCombustión incompleta.Se le acude la capacidad de iniciar enfermedades del tipo respiratorias (afectando a niños y ancianos) y hasta provocar cáncer en los pulmones.
NOxAltas temperaturas.Causa Irritación en los ojos, nariz, garganta y pulmones y además de poder causar dolores de cabeza.
SO2Contenido de azufre en la gasolina.Causa Irritación de las membranas del sistema respiratorio asi como produce daños a la vegetación.

 

Gases producto de la combustión

Dentro de un motor de combustión interna de gasolina varios son los gases expedidos, sin embargo, podemos clasificarlos básicamente en dos tipos: Gases inofensivos y gases contaminantes. Dentro de los gases inofensivos están involucrados el nitrógeno, el oxígeno, el dióxido de carbono, el vapor de agua y el hidrógeno mientras que los gases contaminantes están formados por el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno, los hidrocarburos y el plomo.

Inofensivos:

Como ya habíamos comentado el oxígeno es indispensable dentro del proceso de la combustión y se encuentra dentro del aire en una concentración del 21%. Es importante destacar que, si la mezcla es demasiado rica o demasiada pobre el oxígeno no será capaz de poder oxidar todos los enlaces presentes en la cadena de hidrocarburos del combustible y, por ende, se generarán residuos no quemados expedidos por el sistema de escape.

Por otro lado, hay que hablar del vapor de agua el cual se produce como consecuencia de la combustión, este proceso sucede por la oxidación del hidrógeno y es liberado mediante los gases de escape.

Contaminantes:

Dentro de los gases contaminante lo más destacados son los correspondientes al monóxido de carbono, los hidrocarburos no quemados dentro de la combustión y bajo algunas condiciones los óxidos de nitrógeno. Los gases contaminantes más destacados serán ampliados para un mejor entendimientos de ellos. A continuación, es anexada una tabla resumen de los gases producidos en la combustión:

Gases producidos en la combustión

H2OVapor de agua.
CO2Dióxido de carbono.
N2Nitrógeno.
COMonóxido de carbono.
HxCyHidrocarburos.
NOxÓxido de nitrógeno, dióxido de… etc.
H2Hidrógeno.
CH4Metano.
SOxÓxido de azufre, dióxido… etc.
O2Oxígeno.

gases de combustiónHidrocarburos:

Hay que recordar que cuando hablamos de hidrocarburos hablamos de una gama extensa de componentes, por eso hay que destacar que el gas de este tipo dentro de los gases de combustión que poluciona la atmosfera es el metano, el cual representa alrededor del 85%. Después del metano se pueden identificar otros componentes como el etano, el n-butano, el etileno, el tolueno, el propano, el iso-pentano, el acetileno, el n-pentano y el benceno, por otro lado, elementos como el propadieno, el cis-2-buteno, el cis-2-penteno, el trans-2-buteno y el metilacetileno, se encuentran en concentraciones mucha más bajas.

gases de combustión

De manera general los hidrocarburos presentan una toxicidad baja, el real problema que se presenta es la reactividad fotoquímica que se da en presencia de la luz del sol. Esta clase de partículas está hecha de aquellas que no fueron parte del proceso de combustión o lo fueron de manera parcial.

Es en definitivas cuentas el responsable de los que en las ciudades se evidencia como smog el cual es altamente tóxico para la salud humana donde unos de los problemas asociados inmediatos son el olor desagradable y la irritación que provoca en la zona de los ojos. Hay que tomar en cuenta que la principal molestia de estas reacciones es que para las plantas resulta nocivo.

Por otro lado, dando algunas características de los hidrocarburos, éste es un gas pobre en oxígeno y por eso, cuanto mayor es la relación de aire-combustible en esa misma medida menor será la cantidad de gases expedidos.

gases de combustión

Óxidos de nitrógeno:

Cuando se habla del NOx dentro de los gases de combustión hay que comentar que, un factor clave para el aumento de este compuesto es la temperatura del proceso de combustión, ya que, mientras mayor sea esta temperatura también mayor será el NOx que no se observará en la descarga, ya que, reaccionará en mayor medida, en otras palabras, se quemará.

Como aspecto adicional, hay que comentar que la temperatura de la cámara varia con el coeficiente de aire y también con el ángulo de encendido, es decir, que podemos afirmar que dentro de la formación de NOx la relación aire-combustible y el ángulo de encendido son factores que influyen directamente.

Por otro lado, los óxidos de nitrógeno incluyen los siguientes compuestos: el óxido nitroso, el óxido nítrico, el trióxido de nitrógeno, el sesquióxido de nitrógeno, el tetra-óxido de nitrógeno y el penta-óxido de nitrógeno, también dentro del aire pueden ser encontrados ácidos como el nitríco y el nitroso (HNO3 y HNO2). Hay que acotar que sólo los tres primeros compuestos pueden encontrarse en cantidades apreciables.

En adición, el NO2 hay que aclarar que es incoloro y no-tóxico, donde la mayor fuente de éste es debida a la actividad del tipo biológica en el suelo y los océanos mientras que el NO se produce mediante la acción biológica y en los procesos de combustión. Es oxidado por la acción del ozono (O3) para producir NO2 y el tiempo de residencia, es decir, de permanencia en el ambiente es de tan sólo 5 días.

Por otro lado, el NO2 es uno de los contaminantes más peligrosos debido a su carácter irritante y corrosivo como y a la reacción que se produce por medio de la descomposición en presencia de la luz solar.

NO2 + hv = NO

De esto hay que señalar que la formación de oxígeno atómico convierte al oxígeno en ozono debido a su alta reactividad.

gases de combustión

El efecto de la luz solar también afecta a los óxidos de nitrógeno, ya que, éste puede reaccionar con los rayos ultravioletas formándose así el ácido nítrico el cual origina el llamado “smog-fotoquímico”, fenómeno que produce irritaciones y lagrimeo en la zona de los ojos.

Monóxidos de carbono:

Este componente dentro de los gases de combustión es altamente tóxico, el monóxido de carbono o CO debido a su gran compatibilidad con la hemoglobina presente en la sangre puede reducir la capacidad de oxigenación de los tejidos celulares, hay una medida que señala que, si la concentración de carboxihemoglobina dentro de la sangre alcanzará un 50% o más, el cuerpo humano llega a un punto de sobresaturación lo que le impide asimilar más oxígeno y por ende se ocasiona la asfixia y posterior muerte.

gases de combustión

Por otro parte, el monóxido de carbono se elimina de la atmosfera mediante la oxidación de los radicales OH que se encuentra en ella, estos se transforman en dióxido de carbono al reaccionar entre sí.

Es de interés señalar que gracias a ese proceso los niveles de CO se mantienen constantes. Los niveles que son permitidos en la atmosfera de monóxido de carbono están en consonancia con los índices de calidad del aire. Como dato importante hay que comentar que la mayor fuente de contaminación de monóxido de carbono para el planeta es la industria automotriz.

Índice de calidad del aire

Indice de calidad del aire (AQI)Descripción de la calidad del aireProblemas que causa a la salud
0 – 50BuenaNinguno
51 – 100ModeradaNinguno
101 – 150Insalubre para grupos sensiblesPersonas con enfermedades cardiovasculares como angina. Deben limitar esforzarse.
151 – 200InsalubrePersonas con enfermedades cardiovasculares como angina. Deben limitar esforzarse fuertemente y evitar las fuentes de CO.
201 – 300Muy insalubrePersonas con enfermedades
cardiovasculares como angina. Evitar las fuentes de CO como el
tráfico pesado de automóviles.
301 – 500PeligrosoPersonas con enfermedades
cardiovasculares. Evitar las fuentes de CO como el tráfico pesado de automóviles.

 

Fuentes que producen el CO

  • Objetos con motores: Vehículos, autobuses, trenes, podadoras de césped, automóviles para la nieve.
  • Plantas del tipo eléctricas que utilizan como materia prima elementos como petróleo, gas o carbón, incineradores de basura.
  • Incendios forestales.

El monóxido de carbono es un gas pobre en oxígeno, por lo que, a medida que mayor sea la cantidad de oxígeno en la mezcla aire-combustible, menor será el porcentaje de CO que saldrá a través del sistema de escape del automóvil.

Por otro lado, para la disminución del porcentaje de CO expedido como residuo dentro de los gases de combustión, un factor que contribuye es la homogeneidad de la mezcla, cuanto más homogénea sea la mezcla aire-combustible menor será la cantidad de CO eliminado.

Dióxidos de carbono (CO2):

Es un gas incoloro y no combustible, producidos al quemarse los combustibles compuestos de carbono. El dióxido de carbono es el responsable de reducir la capa de ozono la cual funciona como protección contra los rayos ultravioleta (U.V). Dentro del tema del calentamiento global, el dióxido de carbono es un tema de cada vez mayor preocupación debido a que, es un gas que produce el efecto invernadero, y es cada vez más común.

gases de combustión

Reacciones químicas en los gases de combustión

Todos los gases de combustión productos de la combustión se obtienen a partir de la reacción química del aire y del combustible que ingresa al motor, el aire tiene un 80 % de Nitrógeno y un 20 % de Oxígeno (aproximadamente). Se puede señalar que, la ecuación original es la siguiente:

Aire + Combustible → CO + CO2 + O2 + HC + H2 + NOx

C8H18 + 12,5O2 + 47N2 → 8 CO2 + 9H2O + 47N2

CO (Monóxido de carbono)

El CO en los gases de combustión se da como resultado de la combustión en la recamara del motor, y se forma siempre que la combustión no es completa. El monóxido de carbono posee las siguientes características, es inoloro e incoloro. Normalmente, el valor correcto de la concentración de CO está comprendido entre 0,5 y 2 %, siendo la unidad de medida el porcentaje en volumen. Por otro lado, el monóxido de carbono en combinación con el oxígeno da como resultado la siguiente expresión:

CO + O → CO2 (dióxido de carbono)

Dióxido de Carbono (CO2):

El CO2 también es resultado de la combustión, este gas no es tóxico a bajos niveles. Hay que señalar que, dentro del funcionamiento del motor, éste lo hace correctamente cuando el dióxido de carbono está más alto, el cuál es cuando está entre 12% a 15%.

Generalmente, el dióxido de carbono es un muy buen indicador de que tan eficiente es la combustión, como regla lecturas bajas de CO2 son indicativas de que el proceso de combustión es deficiente, que presenta una mezcla mala o que hay un encendido defectuoso.

HC ( Hidrocarburos no quemados):

Para medir la cantidad de hidrocarburos no quemados está la unidad ppm, que quieres decir partes por millón, es decir, que, si hablamos de 1 ppm, estamos hablando de 1 parte del compuesto dentro de un millón del solvente.

Se utiliza la unidad ppm porque las cantidades presentes de hidrocarburos en el gas son muy pequeñas, los valores normales de la concentración de hidrocarburos son de 100 a 400 ppm. Si la concentración de hidrocarburos es alta se puede decir que:

  • Hay una mezcla rica, el CO también puede tener un valor alto.
  • Hay una mala combustión.
  • Hay contaminación en el escape o el aceite.

O2 (Oxigeno):

Valores alto de oxigeno pueden deberse a características de mezcla pobre, combustiones que no se producen completamente o escapes dentro del sistema de escape. Por ejemplo, un valor de cero por ciento significa que todo el oxígeno se ha agotado, por otro lado, si el CO es alto indica una mezcla rica. Como regla genera el oxígeno debería ubicarse por debajo del 2%.

Compuestos de nitrógeno.

Como fue comentado en anteriores segmentos de este artículo, el NO es producido por la acción de procesos biológicos y por la combustión. Cuando es oxidado por la acción del ozono (O3) se produce el NO2 y el tiempo de permanencia es de alrededor de 5 días. La reacción que se produce es dispuesta a continuación.

N2  (g) + O2 (g) = 2NO

Hay que señalar de esa reacción que el NO2 es uno de los contaminantes más peligrosos, ya que produce irritación y corrosión y se descomponen por medio de la acción de la luz solar mediante la reacción:

NO2 + hv = NO + O

2NO + O2 (g) + 2NO2 (g)

Óxidos de azufre.

Hay que señalar que de los posibles óxidos de azufre que existen, sólo el dióxido azufre y el trióxido de azufre son importantes contaminantes del aire.

S (s) + O2 (g) →SO2 (g)

ZnS(s) + 2O2 (g) → 2SO2 (g) + 2ZnO (s)

SO2 (g) + O3 (g) → 2SO3 (g) + O2 (g)

2SO2 (g)+ O2 (g) → 2SO3 (g)

SO3 (g)+ H2O (l) → H2SO4 (aq)

De estos procesos el SO3 se emite conjuntamente con el SO2 en una proporción de 1/5, pero se combina rápidamente con el vapor de agua para formar ácido sulfúrico, como lo señala la siguiente reacción:

CaCO3 (s) + H2SO4 (aq) → CaCO4 (s) + H2O (l) + CO2 (g)

Por otro lado, SO2 es un gas incoloro y de olor irritante, éste proviene principalmente de la combustión de petróleo y carbón, y de una manera poco usual de las calderas de calefacción y de instalaciones industriales.

Efectos en la salud debido a la exposición al SO2

Concentración en 24 horas μg/m³Efecto observado
400 a 900Posibles incrementos en síntomas respiratorios como la tos, la irritación en la garganta, así como posibles silbidos en el pecho en personas con asma.
500 a 1700Posible agravamiento en las personas con enfermedades pulmonares y cardiacas. Se produce incrementos en los síntomas respiratorios de personas con asma.
1700 a 2300Agravamiento de las personas con enfermedades pulmonares y cardiacas. Se incrementa significativamente los síntomas respiratorios en personas con asma .
2300 a 2900Se producen síntomas respiratorios severos en personas con asma y se activan riesgos serios en las personas con enfermedades pulmonares y cardiacas.
> 2900Puede suscitarse cambios en la función pulmonar y síntomas respiratorios en individuos sanos.

Conclusiones

Como hemos visto, en nuestra creación y avance en el mundo automotor, hemos contribuido de una gran manera a la contaminación de nuestro ambiente, nuestro planeta y por ende, a nosotros mismos. Los gases de combustión son esos elementos que salen de las bocas de nuestros autos una vez han destrozado los caminos. Tal como un niño pequeño que no sabe mucho acerca de nada, los gases de combustión son el papel que el niño bota al suelo, pero el primero va directo al aire que respiramos. En pocas palabras nos hemos comportado como niños pequeños, pero aún podemos cambiar la historia.

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Ingeniero de la Universidad Central de Venezuela.

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