El motor de combustión interna y su impacto ambiental

Indice1. Introducción. 2. Desarrollo. 3. Conclusiones. 4. Referencias

1. Introducción.

La energía mecánica, indispensable para poner en acción diferentes máquinas se puede obtener utilizando energía térmica, hidráulica, solar y eólica. La que más se utiliza es la energía térmica obtenida de los combustibles de naturaleza orgánica. Los equipos energéticos que más aceptación han tenido son los motores de combustión interna (MCI), a ellos corresponde más de un 80 % de la totalidad de la energía producida en el mundo [5,6]. En la Unión Europea aunque los medios de locomoción son responsables únicamente de un 5 % de las emisiones de dióxido de azufre (SO2), son responsables del 25 % de las emisiones de dióxido de carbono (CO2), del 87 % de las de monóxido de carbono (CO) y del 66 % de las de óxidos de nitrógeno (NOx) [7].

El impacto ambiental del MCI está estrechamente relacionado con un problema social surgido por la utilización creciente del mismo: la reducción de los niveles de emisión de sustancias tóxicas y de los llamados "gases de invernadero", y la reducción de los niveles de ruido.

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 [10].

En el presente trabajo se analizan los factores que influyen sobre los niveles de toxicidad y ruido de los MCI más usados en la agricultura y se ofrecen algunas medidas que pueden tomarse para disminuir los mismos.

2. Desarrollo.

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:

1. 1.      Agotamiento de materias primas no renovables consumidas durante el funcionamiento de los MCI.
1. 2.      Consumo de oxígeno que contiene el aire atmosférico.
1. 3.      Emisión y contaminación de la atmósfera con gases tóxicos que perjudican al hombre, la flora y la fauna.
1. 4.      Emisión de sustancias que provocan el llamado efecto invernadero contribuyendo a la elevación de la temperatura de nuestro planeta.
1. 5.      Consumo de agua potable.
1. 6.      Emisión de altos niveles de ruido a la atmósfera que disminuye el rendimiento de los trabajadores y ocasiona molestias en sentido general.

Toxicidad de los gases de escape de los motores de combustión interna y formas para reducirla. Se llaman sustancias tóxicas a las que ejercen influencia nociva sobre el organismo humano y el medio ambiente. Durante el trabajo de los MCI de émbolo se desprenden las siguientes sustancias tóxicas principales: óxidos de nitrógeno, hollín, monóxido de carbono, hidrocarburos, aldehídos, sustancias cancerígenas (bencipireno), compuestos de azufre y plomo. Además de los gases de escape de los MCI, otras fuentes de toxicidad son también los gases del cárter y la evaporación del combustible a la atmósfera. Incluso en un motor bien regulado la cantidad de componentes tóxicos que se expulsan durante su funcionamiento puede alcanzar los siguientes valores [9]:

Tabla 1. Compuestos emitidos al medio ambiente durante la combustión

De este modo, la toxicidad de los motores Diesel depende en lo principal del contenido de los óxidos de nitrógeno y el hollín. La toxicidad de los motores de encendido por chispa y carburador depende en gran medida de la concentración del monóxido de carbono y de los óxidos de nitrógeno.

¿Contaminan o no contaminan los motores diesel? Convertidos en la "bestia negra de los ecologistas" (muchos de ellos con más entusiasmo que preparación técnica), los motores Diesel tienen mucha menos responsabilidad en la contaminación ambiental de la que se les imputa normalmente lo que se puede observar al remitirnos a la tabla ofrecida anteriormente; aunque su contaminación se ve más por la típica emisión de humo negro formado por partículas microscópicas que no son tóxicas pero si molestas. Además, estudios realizados demuestran que los niveles de emisión de dióxido de carbono en motor Diesel son claramente más bajos que un motor de gasolina de igual potencia [11].

Los motores de combustión interna tienen gran responsabilidad en los niveles de emisión de sustancias que provocan el "efecto invernadero", fundamentalmente del dióxido de carbono y los óxidos nitrosos. De acuerdo con estimaciones del Panel Intergubernamental sobre Cambios Climáticos; de mantenerse las actuales tendencias en las emisiones de "gases del efecto invernadero", la temperatura media global aumentaría a un ritmo de 0.3 °C por década. Consecuentemente, se producirán incrementos en el nivel del mar que pudiera ser entre 20 y 50 cm. para el año 2005 y de alrededor de 1 m. para el año 2100 [10].

Los métodos de reducción de la toxicidad y el humeado de los MCI pueden ser divididos en dos grupos: los constructivos y los explotativos. Entre los métodos constructivos podemos citar: la recirculación de los gases de escape y la neutralización de los mismos. Dentro los métodos explotativos se encuentran: el estado técnico del MCI y su correcta regulación, perfeccionamiento de los procesos de formación de la mezcla y de combustión, la correcta selección de los combustibles y sus aditivos, y la utilización de los biocombustibles.

Para la neutralización de los gases de escape desde hace años se habla de catalizadores de tres vías, de catalizadores de oxidación, de sondas Lambda o de válvulas ERG (exhaust gas recirculation) [11].

El sensor que proporciona al sistema la capacidad de mantener la estequiometría es el sensor o sonda "Lambda". Se coloca atornillada en el colector de escape, suministra a la computadora información sobre el contenido de oxígeno de los gases residuales que se escapan de los cilindros. Esencialmente es una pila seca, ya que produce voltaje del potencial eléctrico entre dos sustancias, en este caso, el aire ambiental y el escape; cuanto más oxígeno hay en el escape (lo cual corresponde a una condición de mezcla pobre) menor será el potencial y el voltaje producido, pero cuando hay menos oxígeno (como en una mezcla rica) mayor será el potencial y el voltaje creado [3].

El índice de aire y combustible "estequiométrico" (o sea, una relación aire a combustible por peso de 14.6:1) en los motores de encendido por chispa asegura que todo el combustible que entra en la cámara de combustión tenga la cantidad adecuada de oxígeno para combinarse logrando un quemado completo, reduciendo de esta manera las emisiones de HC (hidrocarburos) y de CO (monóxido de carbono). El convertidor catalítico de oxidación de doble vía puede limpiar una gran cantidad de HC y CO después de dejar los cilindros; un contaminante más difícil de eliminar son los NOx (óxidos de nitrógeno, un ingrediente del esmog fotoquímico). Si bien la EGR realiza una tarea razonablemente buena en mantener baja la formación de NOx reduciendo las temperaturas máximas de combustión, no puede hacer lo suficiente para satisfacer los requisitos de algunos países. El convertidor catalítico de tres vías tiene una sección de oxidación que utiliza platino y paladio, más una sección de reducción que utiliza rodio para reducir los NOx a nitrógeno y oxígeno inocuos, sin embargo esta reacción de reducción sólo se puede mantener si hay una relación estequiométrica de aire y combustible [3].

El catalizador de tres vías se instala en la mayoría de los coches modernos acompañado de la sonda Lambda, mientras que en los motores Diesel para tractores y autos pesados el más empleado es el catalizador de oxidación [11].

Los biocombustibles son uno de los combustibles alternativos que disfrutan de unas ventajas más claras y que se obtienen a partir de productos agrícolas, no contienen azufre y por lo tanto no forman el anhídrico sulfuroso, uno de los principales causantes de la lluvia ácida, ni incrementan la cantidad de CO2 emitida a la atmósfera. Los análisis realizados, tanto en bancos de pruebas como en experiencias piloto, dejan bien claro que la utilización de los biocombustibles ofrece ventajas medioambientales en comparación con los combustibles convencionales como el gasoil.

En la siguiente gráfica mostramos una comparación entre los niveles de emisión de un motor que funciona con gasoil y otro que trabaje con éster metílico de colza como biocombustible. En cuanto a los gases de invernadero la cadena gasoil emite cinco veces más cantidad de ellos que la cadena del éster metílico del aceite de colza, solo para el CO2 la cadena gasoil emite 7,6 veces más [7]. Para ilustrar la importancia que se le otorga en la actualidad a la reducción de la toxicidad de los gases de escape mostramos un paralelo entre la legislación de emisión de humos en Europa y el estado alcanzado por la firma alemana Fendt [2].

 Tabla 2.

En nuestro país por el momento no se realiza ningún control de los niveles de emisión de sustancias tóxicas y de los "gases de invernadero". Es muy común ver en nuestras carreteras como circulan vehículos con MCI diesel arrojando una gran cantidad de humo negro y MCI de encendido por chispa que al pasar no sólo humean sino que también dejan un fuerte olor a gasolina que incluso es irritante para nuestros ojos, evidencias estas no solo de una elevada cantidad de gases tóxicos sino también de mala regulación del sistema de alimentación de estos vehículos. Por lo que se deduce que de elevar las exigencias al personal técnico responsabilizado por la explotación de estos equipos y a los propios conductores se puede disminuir no solo la contaminación ambiental sino también dar mejor uso al combustible disponible, pues un sistema de alimentación en mal estado trae aparejado también un consumo de combustible elevado.

Ruidos de los MCI y formas para reducirlos. Se entiende por ruido del MCI la emisión acústica que éste produce durante el trabajo. Los principales componentes del ruido del motor son: el ruido de admisión; el ruido por la deformación de las paredes de la cámara de combustión durante la compresión, combustión y expansión; el ruido durante la combustión; el ruido provocado por las oscilaciones del motor sobre la suspensión; el ruido por golpes durante el trabajo de los mecanismos; el ruido por el funcionamiento de agregados del motor y el ruido durante el escape de los gases. Procedimientos para disminuir el ruido de los MCI: ejerciendo influencia sobre las fuentes perturbadoras (colocando silenciadores); debilitando la transmisión de las vibraciones acústicas desde la fuente de perturbación hacia la superficie que emiten ruido (colocando en el camino de propagación materiales que absorben la energía de las oscilaciones); encapsulando el motor y reduciendo la eficiencia de la emisión mediante elementos aislados exteriores de la estructura del MCI (empleando pantallas, cambiando la configuración de las piezas) [9].

Una escala objetiva para determinar la intensidad sonora son los dB(A). La medición sonora con la variación (A) se asimila a la receptibilidad del oído humano en la gama auditiva de 20 Hz a 20 < Hz. Las emisiones sonoras de los automóviles y los tractores se miden durante el paso acelerado a una distancia de 7.5 m desde el centro del vehículo con la marcha más rápida [9].

A continuación ofrecemos una comparación en cuanto a emisiones de ruidos entre diferentes fuentes para observar el desarrollo alcanzado por la firma de tractores alemana Fendt en la disminución de los niveles de ruido de sus tractores [2].

Tabla 3.

La firma productora de tractores Massey Ferguson ha logrado niveles sonoros de los más bajos: 74 dB(A) en carga y 70 dB(A) sin carga, según ensayo OCDE No. 7760, en la serie 3000-3100 y en la serie 6100 y 8100 alrededor de 72 dB(A).

Como se conoce la principal fuente de ruido de los vehículos en sentido general es el producido por el motor de combustión interna durante su funcionamiento. Para proporcionarle al conductor un máximo de comodidad en la cabina es necesario tener en cuenta varios factores: el andar en la cabina, los niveles de ruido y la temperatura en la misma. Se considera que el nivel de ruido estándar actual en la cabina es de 90 dB medidos a 200 mm. desde el oído derecho del conductor; Persiguiéndose como objetivo final para el nivel de ruido dentro de la cabina el valor de 74 dB. [1].

En nuestro país no se realizan controles de los niveles de ruido de los MCI. Con mucha frecuencia percibimos el acercamiento de un vehículo determinado debido a los altos niveles de ruido que emiten sus MCI durante su funcionamiento, esto es provocado por la eliminación de los silenciadores con que están provistos dichos motores: así por ejemplo la gran mayoría de las motocicletas de 50 cc no están provistas del mismo.

3. Conclusiones.

1. 1.      Los motores de combustión interna que mayor contaminación del medio ambiente provocan son los motores a gasolina a pesar de ser menos visible sus emisiones a la atmósfera.

2. 2.      En nuestro país no se controla los niveles de emisión de sustancias tóxicas por los MCI existiendo reservas de tipo explotativas para la disminución de los mismos.

3. 3.      En Cuba no se realizan controles de los niveles de ruido que emiten los MCI durante su funcionamiento, existiendo un gran número de vehículos que circulan por nuestras vías con altos niveles de ruido.

Recomendaciones. 1.      Elevar las exigencias del personal responsabilizado con la asistencia técnica para lograr la elevación de la calidad en la realización de los mantenimientos técnicos y reparaciones como fuente de disminución de las emisiones de sustancias tóxicas y de ruido a la atmósfera. 2.      Tomar conciencia de los problemas que se le están causando a nuestro planeta por la emisión indiscriminada de sustancias tóxicas y provocantes del llamado efecto invernadero. 3.      Aplicar con rigor las disposiciones sobre el cuidado y conservación del medio ambiente en nuestro país.

4. Referencias.

1. 1.    Bald, Jim. Adelantos ergonómicos de la cabina del camión. Revista "Auto y Camión Internacional en Español. Volumen 75. Número 1. Enero-Febrero, 1998.
1. 2.    Fendt. Nuevas tecnologías para el medio ambiente. Noviembre. 1989.
1. 3.    Freudenberger, Bob. Entendiendo los sistemas de control electrónico del motor. Revista "Auto y Camión Internacional en Español. Volumen 75. Número 1. Enero-Febrero, 1998.
1. 4.    García, Roberto y Espinosa, Helio. El impacto del transporte automotor en el medio ambiente. Revista Ingeniería del Transporte. Volumen X, Número 1, 1989. ISPJAE. Ciudad Habana.
1. 5.    Jovaj, M.S. y Maslov, G.S. Motores de automóvil. Editorial Pueblo y Educación. La Habana. 1978.
1. 6.    Jovaj, M.S. y otros. Motores de automóvil. Editorial Mir. Moscú.1982.
1. 7.    Las flotas de camiones y el desafío de los combustibles alternativos. Revista Auto & Truck International en Español. Volumen 71. No. 4. Julio-Agosto, 1994.
1. 8.    Los biocarburantes: estado actual y experiencias en Catalunya. Estudios monográficos No. 1. Instituto Catalán de Energía. Diciembre de 1994.
1. 9.    Lukanin, V.N. y otros. Motores de combustión interna. Editorial Mir. Moscú. 1988.
1. 10.Pichs, Ramón. Efecto Invernadero y mercado verde. Revista Prisma de Cuba y las Américas. Año 20, No 263-264. Septiembre – Octubre, 1994.
1. 11.Revista Top-Auto. No. II. Noviembre. 1995.

Resumen. En el presente trabajo se valora el impacto ambiental del motor de combustión interna (MCI) como principal fuente energética de los agregados agrícolas, dado por los niveles de emisión de sustancias tóxicas, de los "gases de invernadero" y de ruido durante su funcionamiento. Se ofrecen los métodos de reducción de la toxicidad y el ruido en los motores de encendido por chispa y por compresión, se ofrecen los valores de los niveles de emisión de sustancias tóxicas en los dos principales tipos de MCI, así como los niveles de ruidos alcanzados en firmas de tractores de reconocido prestigio a escala mundial y se valora la situación existente en nuestro país en cuanto a estos dos factores con gran influencia ambiental. Palabras claves: motor de combustión interna, toxicidad, ruidos, medio ambiente.

Autor:

Ing. Raúl Gutiérrez Torres.(*) Ing. Juan Carlos Cruz Rodríguez.(*) Ing. José Carlos Gálvez Pardo.(*) Dr.C. Elme Carballo Ramos.(**)

(*)Profesor Asistente. Dpto. Mecánica Aplicada. Ftad. Mecanización Agropecuaria. Universidad de Ciego de Avila Carretera a Morón km 9 C.P. 69450 Ciego de Avila. Cuba (**)Delegado del CITMA. Ciego de Avila. Cuba.