El motor de combustión interna y su impacto ambiental

Indice
1.
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.