Gas de escape
Gases emitidos como resultado de las reacciones del combustible en los motores de combustión.

Este camión propulsado por diésel emite un gas de escape lleno de partículas negras al arrancar el motor.
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Los gases de escape o gases de combustión se emiten como resultado de la combustión de combustibles como gas natural , gasolina , combustible diésel , fueloil , mezclas de biodiésel [1] o carbón . Según el tipo de motor, se descargan a la atmósfera a través de un tubo de escape , una chimenea de gases de combustión o una tobera de propulsión . A menudo se dispersan a sotavento en un patrón llamado penacho de escape .

Es un componente importante de las emisiones de los vehículos motorizados (y de los motores de combustión interna estacionarios ), que también pueden incluir el escape del cárter y la evaporación de la gasolina no utilizada.

Las emisiones de los vehículos de motor son una fuente común de contaminación del aire y un ingrediente importante en la creación de smog en algunas grandes ciudades. Un estudio de 2013 del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) indica que solo en Estados Unidos se producen 53.000 muertes prematuras al año debido a las emisiones de los vehículos. [2] Según otro estudio de la misma universidad, los gases de los vehículos por sí solos causan la muerte de 5.000 personas cada año solo en el Reino Unido. [3]

Composición

La mayor parte de la mayoría de los gases de combustión es nitrógeno (N 2 ), vapor de agua (H 2 O) (excepto en el caso de los combustibles con carbono puro) y dióxido de carbono (CO 2 ) (excepto en el caso de los combustibles sin carbono); estos no son tóxicos ni nocivos (aunque el vapor de agua y el dióxido de carbono son gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático ). Una parte relativamente pequeña de los gases de combustión son sustancias indeseables, nocivas o tóxicas, como el monóxido de carbono (CO) de la combustión incompleta, los hidrocarburos (indicados correctamente como C x H y , pero que normalmente se muestran simplemente como "HC" en los comprobantes de las pruebas de emisiones) del combustible no quemado, los óxidos de nitrógeno (NO x ) de las temperaturas de combustión excesivas y las partículas (principalmente hollín ) de la combustión incompleta.

Temperatura de los gases de escape

La temperatura de los gases de escape (EGT) es importante para el funcionamiento del convertidor catalítico de un motor de combustión interna . Se puede medir con un medidor de temperatura de los gases de escape . La EGT también es una medida del estado del motor en los motores de turbina de gas (ver a continuación).

Motores fríos

Vapor que sale del tubo de escape de un coche frío

Durante los dos primeros minutos después de poner en marcha el motor de un coche que no ha circulado durante varias horas, la cantidad de emisiones puede ser muy elevada. Esto ocurre por dos motivos principales:

  • Requisito de una relación aire-combustible rica en motores fríos : cuando se arranca un motor frío, el combustible no se vaporiza completamente, lo que genera mayores emisiones de hidrocarburos y monóxido de carbono , que disminuyen solo cuando el motor alcanza la temperatura de funcionamiento. La duración de esta fase de arranque se ha reducido gracias a los avances en materiales y tecnología, incluida la inyección de combustible controlada por computadora , longitudes de admisión más cortas y precalentamiento del combustible y/o aire inducido.
  • Convertidor catalítico ineficiente en condiciones de frío : los convertidores catalíticos son muy ineficientes hasta que se calientan hasta su temperatura de funcionamiento . Este tiempo se ha reducido mucho moviendo el convertidor más cerca del colector de escape y, más aún, colocando un convertidor pequeño pero de rápido calentamiento directamente en el colector de escape. El convertidor pequeño maneja las emisiones de arranque, lo que permite tiempo suficiente para que el convertidor principal más grande se caliente. Se pueden lograr mejoras adicionales de muchas maneras, [4] incluyendo calefacción eléctrica, batería térmica, precalentamiento por reacción química, calentamiento por llama y superaislamiento.

Resumen de emisiones de turismos

Estimaciones de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos sobre las emisiones promedio de los automóviles de pasajeros en los Estados Unidos para abril de 2000 [5]
ComponenteTasa de emisiónContaminación anual emitida
Hidrocarburos2,80 gramos/milla (1,75 g/km)77,1 libras (35,0 kg)
Monóxido de carbono20,9 gramos/milla (13,06 g/km)575 libras (261 kg)
NO x1,39 gramos/milla (0,87 g/km)38,2 libras (17,3 kg)
Dióxido de carbono: gas de efecto invernadero415 gramos/milla (258 g/km)11.450 libras (5.190 kg)

Comparable con las normas de emisiones europeas EURO III tal como se aplicaron en octubre de 2000

En el año 2000, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos comenzó a implementar normas de emisiones más estrictas para los vehículos livianos. Los requisitos se implementaron gradualmente a partir de los vehículos del año 2004 y todos los automóviles y camionetas nuevos debían cumplir con las normas actualizadas para fines de 2007.

Normas de emisiones de escape de nivel 2 para vehículos ligeros, camiones ligeros y vehículos de pasajeros de servicio mediano de los Estados Unidos (para el contenedor 5) [6]
ComponenteTasa de emisiónContaminación anual emitida
NMOG ( compuestos orgánicos volátiles )0,075 gramos/milla (0,046 g/km)2,1 libras (0,95 kg)
Monóxido de carbono3,4 gramos/milla (2,1 g/km)94 libras (43 kg)
NO X0,05 gramos/milla (0,0305 g/km)1,4 libras (0,64 kg)
Formaldehído0,015 gramos/milla (0,0092 g/km)0,41 libras (0,19 kg)

Tipos

Motores de combustión interna

Escape de automóviles

Motores de encendido por chispa y diésel

En los motores de encendido por chispa, los gases resultantes de la combustión de la mezcla de combustible y aire se denominan gases de escape. La composición varía de un motor de gasolina a un motor diésel, pero se encuentra en niveles similares a los siguientes:

Gases de escape de motores de combustión [7]
Todas las cifras son aproximadas
Compuesto% del total
GasolinaDiesel
Nitrógeno7167
Dióxido de carbono1412
Vapor de agua1311
Oxígeno10
Oligoelementos [ cita requerida ]< 0,6~ 0,3
Óxidos de nitrógeno< 0,25< 0,15
Monóxido de carbono1 - 2< 0,045
Materia particulada< 0,045
Hidrocarburos< 0,25< 0,03
Dióxido de azufrePosibles
rastros		< 0,03

El 10% de oxígeno para el "diésel" es probable si el motor estaba en ralentí, por ejemplo, en un banco de pruebas. Es mucho menor si el motor está funcionando bajo carga, aunque los motores diésel siempre funcionan con un exceso de aire sobre el combustible. [ cita requerida ] El contenido de CO para los motores de gasolina varía de ≈15 ppm para un motor bien ajustado con inyección de combustible y un convertidor catalítico hasta 100.000 ppm (10%) para un motor de carburador muy bien ajustado, como el que se encuentra típicamente en pequeños generadores y equipos de jardinería. [8]

Aditivo de nitrometano

Los gases de escape de un motor de combustión interna cuyo combustible incluye nitrometano contienen vapor de ácido nítrico , que es corrosivo y, al inhalarse, provoca una reacción muscular que imposibilita la respiración. Las personas que puedan estar expuestas a él deben usar una máscara de gas . [9]

Motores diésel

El escape diésel es el gas de escape producido por un motor diésel , más las partículas que contenga . Su composición puede variar según el tipo de combustible, la tasa de consumo o la velocidad de funcionamiento del motor (por ejemplo, en ralentí, a toda velocidad o bajo carga) y si el motor se encuentra en un vehículo de carretera, un vehículo agrícola, una locomotora, una embarcación marina o un generador estacionario u otra aplicación. [10]

Los gases de escape de los motores diésel son un carcinógeno del grupo 1 , que causa cáncer de pulmón y tiene una asociación positiva con el cáncer de vejiga . [11] [12] [13] [14] [15] Contiene varias sustancias que también están incluidas individualmente como carcinógenos humanos por el IARC . [16]

Existen métodos para reducir los óxidos de nitrógeno (NOx ) y las partículas en suspensión (PM) en los gases de escape. Si bien el combustible diésel contiene un poco más de carbono (2,68 kg de CO2 / litro) que la gasolina (2,31 kg de CO2 / litro), en general, las emisiones de CO2 de un automóvil diésel tienden a ser menores debido a su mayor eficiencia. En uso, en promedio, esto equivale a alrededor de 200 g de CO2 / km para la gasolina y 120 g de CO2 / km para el diésel.

Motores de turbina de gas

En los motores de turbina de gas de los aviones, la "temperatura de los gases de escape" (EGT) es una medida primaria del estado del motor. Normalmente, la EGT se compara con una indicación primaria de potencia del motor denominada "relación de presión del motor" (EPR). Por ejemplo: a plena potencia EPR habrá un límite máximo permitido de EGT. Una vez que un motor llega a una etapa de su vida en la que alcanza este límite de EGT, el motor requerirá un mantenimiento específico para corregir el problema. La cantidad de EGT por debajo del límite de EGT se denomina margen de EGT. El margen de EGT de un motor será mayor cuando el motor sea nuevo o haya sido revisado. Para la mayoría de las aerolíneas, esta información también es monitoreada de forma remota por el departamento de mantenimiento de la aerolínea mediante ACARS .

Motores a reacción y motores de cohetes

Lo que parecen ser gases de escape de motores a reacción son en realidad estelas de condensación .

En los motores a reacción y los motores de cohetes , los gases de escape de las toberas de propulsión que en algunas aplicaciones muestran diamantes de choque . [ cita requerida ]

Otros tipos

De la quema de carbón

Los gases de combustión son los que emiten los hornos, calderas y hornos.

Máquinas de vapor

En la terminología de la máquina de vapor, el escape es vapor que ahora tiene tan baja presión que ya no puede realizar trabajo útil.

Principales emisiones de vehículos de motor

NOincógnita

Smog en la ciudad de Nueva York visto desde el World Trade Center en 1988

Los óxidos de nitrógeno mononucleares NO y NO 2 ( NOx ) (ya sea producidos de esta manera o de forma natural por un rayo ) reaccionan con el amoníaco , la humedad y otros compuestos para formar vapor de ácido nítrico y partículas relacionadas. Las partículas pequeñas pueden penetrar profundamente en el tejido pulmonar sensible y dañarlo, causando muerte prematura en casos extremos. La inhalación de especies de NO aumenta el riesgo de cáncer de pulmón [17] y cáncer colorrectal [18] y la inhalación de dichas partículas puede causar o empeorar enfermedades respiratorias como enfisema y bronquitis y enfermedades cardíacas [19] [20] [21]

En un estudio de la EPA de Estados Unidos de 2005 , las mayores emisiones de NOx provinieron de vehículos de motor en carretera, y el segundo mayor contribuyente fue el equipo no vial , que en su mayoría son estaciones de servicio de gasolina y diésel. [21]

El ácido nítrico resultante puede ser arrastrado al suelo, donde se convierte en nitrato , que es útil para el crecimiento de las plantas.

Compuestos orgánicos volátiles

Los equipos no destinados a la carretera son en su mayoría estaciones de servicio de gasolina y diésel. [22]

Cuando los óxidos de nitrógeno (NOx) y los compuestos orgánicos volátiles (VOC) reaccionan en presencia de la luz solar, se forma ozono a nivel del suelo, un ingrediente principal del smog . Un informe de la EPA de EE. UU. de 2005 señala a los vehículos de carretera como la segunda fuente más importante de VOC en los EE. UU. con un 26% y el 19% proviene de equipos no destinados a la carretera, que son principalmente estaciones de servicio de gasolina y diésel. [22] El 27% de las emisiones de VOC provienen de disolventes que se utilizan en la fabricación de pinturas y diluyentes de pintura y otros usos. [23]

Ozono

El ozono es beneficioso en la atmósfera superior, [24] pero a nivel del suelo el ozono irrita el sistema respiratorio , causando tos, asfixia y reducción de la capacidad pulmonar. [25] También tiene muchos efectos negativos en todo el ecosistema. [26]

Monóxido de carbono (CO)

Imagen satelital de monóxido de carbono obtenida por computadora MOPITT , marzo de 2010

La intoxicación por monóxido de carbono es el tipo más común de intoxicación atmosférica mortal en muchos países. [27] El monóxido de carbono es incoloro, inodoro e insípido, pero altamente tóxico. Se combina con la hemoglobina para producir carboxihemoglobina , que bloquea el transporte de oxígeno. En concentraciones superiores a 1000 ppm se considera inmediatamente peligroso y es el riesgo para la salud más inmediato de hacer funcionar los motores en un espacio mal ventilado. En 2011, el 52% de las emisiones de monóxido de carbono fueron creadas por vehículos móviles en los EE. UU. [28]

Contaminantes atmosféricos peligrosos (tóxicos)

La exposición crónica (a largo plazo) al benceno ( C 6 H 6 ) daña la médula ósea . También puede causar sangrado excesivo y deprimir el sistema inmunológico , lo que aumenta la posibilidad de infección . El benceno causa leucemia y está asociado con otros cánceres de la sangre y precánceres de la sangre. [29] [30]

Materia particulada (PM10y el primer ministro2.5)

Los efectos sobre la salud de la inhalación de partículas suspendidas en el aire se han estudiado ampliamente en humanos y animales e incluyen asma , cáncer de pulmón , problemas cardiovasculares y muerte prematura . [31] [32] [33] Debido al tamaño de las partículas, pueden penetrar la parte más profunda de los pulmones. [34] Un estudio de 2011 del Reino Unido estima 90 muertes al año debido a PM de vehículos de pasajeros. [35] En una publicación de 2006, la Administración Federal de Carreteras de EE. UU. (FHWA) afirma que en 2002 aproximadamente el 1 por ciento de todas las emisiones de PM 10 y el 2 por ciento de todas las emisiones de PM 2,5 provenían del escape de los vehículos de motor en carretera (principalmente de motores diésel ). [36] En los mercados chino, europeo e indio, se requiere que los vehículos diésel y de gasolina tengan instalado un filtro de tubo de escape , mientras que Estados Unidos lo ha exigido solo para diésel. En 2022, el especialista británico en pruebas Emissions Analytics estimó que los aproximadamente 300 millones de vehículos de gasolina que circularán por Estados Unidos durante la próxima década emitirían alrededor de 1,6 septillones de partículas nocivas. [37]

Dióxido de carbono (CO2)

El dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero . Las emisiones de CO2 de los vehículos de motor forman parte de la contribución antropogénica al aumento de las concentraciones de CO2 en la atmósfera, que según la gran mayoría de la comunidad científica está causando el cambio climático . [38] Se calcula que los vehículos de motor generan alrededor del 20% de las emisiones de CO2 de origen humano de la Unión Europea , y los turismos contribuyen con alrededor del 12%. [39] Las normas europeas sobre emisiones limitan las emisiones de CO2 de los turismos y vehículos ligeros nuevos. La cifra media de emisiones de CO2 de los turismos nuevos de la Unión Europea descendió un 5,4% en el año hasta el primer trimestre de 2010, hasta los 145,6 g/km . [40]

Vapor de agua

Los gases de escape de los vehículos contienen mucho vapor de agua .

Recuperación de agua

Se han realizado investigaciones sobre las formas en que las tropas en los desiertos pueden recuperar agua potable de los gases de escape de sus vehículos. [41]

Reducción de la contaminación

Las normas de emisión se centran en reducir los contaminantes contenidos en los gases de escape de los vehículos, así como de las chimeneas de gases de combustión industriales y otras fuentes de contaminación del aire en varias instalaciones industriales a gran escala, como refinerías de petróleo , plantas de procesamiento de gas natural , plantas petroquímicas y plantas de producción química . [42] [43] Sin embargo, a menudo se los denomina gases de combustión . Los convertidores catalíticos de los automóviles tienen como objetivo descomponer la contaminación de los gases de escape utilizando un catalizador. Los depuradores de los barcos tienen como objetivo eliminar el dióxido de azufre (SO 2 ) de los gases de escape marinos. Las regulaciones sobre las emisiones de dióxido de azufre marino se están endureciendo, sin embargo, solo un pequeño número de áreas especiales en todo el mundo han sido designadas solo para el uso de combustible diésel con bajo contenido de azufre.

Una de las ventajas que se atribuyen a los motores de tecnología avanzada de vapor es que producen menores cantidades de contaminantes tóxicos (por ejemplo, óxidos de nitrógeno) que los motores de gasolina y diésel de la misma potencia. [ cita requerida ] Producen mayores cantidades de dióxido de carbono, pero menos monóxido de carbono debido a una combustión más eficiente.

Estudios de salud

Investigadores de la Escuela de Salud Pública de la Universidad de California en Los Ángeles afirman que los resultados preliminares de su estudio estadístico de niños incluidos en el Registro de Cáncer de California nacidos entre 1998 y 2007 encontraron que la contaminación del tráfico puede estar asociada con un aumento del 5% al ​​15% en la probabilidad de algunos tipos de cáncer. [44] Un estudio de la Organización Mundial de la Salud encontró que los humos diésel causan un aumento en el cáncer de pulmón. [45]

Efectos localizados

La Junta de Recursos del Aire de California ha descubierto en estudios que el 50% o más de la contaminación del aire ( smog ) en el sur de California se debe a las emisiones de los automóviles. [ cita requerida ] Las concentraciones de contaminantes emitidos por los motores de combustión pueden ser especialmente altas alrededor de las intersecciones señalizadas debido al ralentí y las aceleraciones. Los modelos informáticos a menudo pasan por alto este tipo de detalles. [ 46 ]

Véase también

Referencias

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  • "Automóviles, camiones y contaminación del aire". Clean Vehicles . Unión de Científicos Preocupados. 3 de septiembre de 2013.
  • Acerca del escape diésel:
    • Departamento de Trabajo de EE. UU. Administración de Seguridad y Salud Ocupacional: Temas de seguridad y salud: Escape de diésel
    • Lista parcial de sustancias químicas asociadas con los gases de escape del motor diésel
    • Partículas de escape diésel: se prevé razonablemente que sean cancerígenas para los seres humanos
    • Estudio científico de los efectos nocivos de los gases de escape de los motores diésel: respuestas inflamatorias agudas en las vías respiratorias y la sangre periférica tras una exposición breve a los gases de escape de los motores diésel en voluntarios humanos sanos
    • Escape de diésel: lo que necesitas saber
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