Convertidores Catalíticos

Durante los últimos 20 años. Los avances tecnológicos, han permitido una reducción de las emisiones de los automotores del orden del 95 % de Monóxido de Carbono e Hidrocarburos libres y 75 % de Oxidos de Nitrógeno.

Para ver otros graficos haga clic aquiEsto representa un claro ejemplo de la evolución conjunta de las industrias automotrices y refinadoras, el primero y quizás el más significativo: la eliminación de plomo de las naftas y por lo tanto la posibilidad de equipar a los vehículos nuevos con Convertidores Catalíticos para el tratamiento de los gases de emisión con la consecuente reducción en la toxicidad de los mismos. Este diseño se completa con el agregado de la Sonda Lambda, que permite controlar y regular permanentemente la cantidad ideal de aire para la combustión.

En este informe se detallo claramente como contamina un motor. Entre las soluciones estudiadas a nivel mundial para minimizar la toxicidad de las emisiones generadas en la combustión de los motores nafteros, se han desarrollado: mejoras en los diseños de cámara de combustión y difundido el empleo del sistema de Convertidor catalítico de las fases de escape y Sonda Lambda.

El término “Convertidor Catalítico” designa genéricamente a un reactor instalado luego del múltiple de escape. Tiene una carcaza de acero inoxidable que contiene en su interior al “catalizador”. Sustancias químicamente activas, soportadas por una colmena cerámica recubierta por una capa amortiguadora que la protege de golpes.

Esta colmena está formada por millares de minúsculos canales (celdas) por donde pasan los gases de escape. Las paredes de estos canales generan una superficie de contacto equivalente a tres canchas de fútbol. La formulación incluye una serie de sustancias activas como óxidos de aluminio, metales nobles (catalíticamente activos): Platino, Rodio, Paladio, y promotores o retardadores específicos, que aumentan o retardan la acción catalítica de los anteriores, sobre determinadas reacciones.

Recordemos que en los gases de escape tenemos como productos contaminantes, principalmente a tres clases de compuestos: Monóxido de Carbono, Oxidos de Nitrógeno e Hidrocarburos sin quemar. El mecanismo de acción del Convertidor Catalítico de tres vías, llamado así porque actúa eliminando principalmente estos tres tipos de contaminantes en el mismo compartimento, mediante reacciones de oxidación y reducción, transforma a los mismos en compuestos no tóxicos: Nitrógeno y Agua y Dióxido de Carbono.

Para ello es necesario que la proporción entre la cantidad de aire y combustible que se introduce en la cámara de combustión se ajuste a límites establecidos, cuando la relación de la mezcla aire/carburante es 14,7/1 (Coeficiente Lambda), el catalizador alcanza su máxima efectividad en la eliminación de los gases contaminantes.

En los gráficos anteriores muestra como se cumple lo anteriormente descripto y además muestra la diferencia que existe cuando se usa catalizador “curvas b” o sin catalizador “curvas a”.

El coeficiente lambda l = Relación de aire-combustible Real/Relación aire-combustible teórica

Los motores que trabajan con mezclas pobres (Lambda mayor a 1)son muy económicos pero en contrapartida tienen el inconveniente de ver aumentada la concentración de Oxidos de Nitrógeno emitida. En cambio una disminución del coeficiente Lambda a valores inferiores a 1, mezcla rica, influye en la mayor emisión de Monóxido de Carbono e Hidrocarburos sin quemar.

Los catalizadores de tres vías imponen otra condición para que su funcionamiento sea óptimo: la catálisis sólo se produce con temperaturas superiores a los 250 ºC, motivo por el cual el lugar físico que ocupará el convertidor será próximo al múltiple de escape.

Los diseños de motores, en lo que hace a la ubicación del catalizador y/o calentamiento auxiliar del mismo, han ido evolucionando de manera de garantizar que dicha temperatura sea alcanzada en períodos de sesenta a noventa segundos.

Reacciones químicas: Estas son altamente exotérmicas (liberan calor). Un esquema simple de las mismas es:

2CO  +  O    =   2CO2

2CO  +  2NO  =  N2  + 2CO2

2H  +  2NO  =  N2  + 2H2O

CmHn  +  O2  =  CO2  +  H2O

CmHn  +  NO   =   N2  +  H2O  +  CO2

Estas reacciones son la que tienen lugar en los catalizadores de oxidación, y mediante ellas se obtienen grandes reducciones de HC y CO. Si el catalizador es de tres vías también se eliminan los óxidos de nitrógeno.

El siguiente esquema muestra la típica cama doble del sensor de control de un convertidor catalítico de tres vías (se pueden observar otros esquemas haciendo clic en la imagen).

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Venenos del Catalizador: Existen una serie de elementos, propios del combustible o incorporados en carácter de aditivos, tanto de las naftas como de los aceites lubricantes, que actúan como venenos del catalizador y por lo tanto reducen la vida útil del mismo.

Plomo: empleado como aditivo antidetonante de las naftas es considerado el veneno más importante del convertidor catalítico. Todo vehículo equipado con catalizador deberá operar exclusivamente con combustibles libres de agregado de plomo.

Una sola carga de combustible con plomo es suficiente para generar la desactivación total del convertidor, inhibiendo la capacidad del mismo para completar las reacciones de combustión, estimada en aproximadamente 80.000 Km de uso, anulando su eficiencia en la preservación del Medio Ambiente.

Azufre: el azufre es un compuesto natural de los combustibles y tiene un efecto doble desde la óptica de las emisiones:

Según los niveles de concentración actúa como un inhibidor temporario del convertidor catalítico. reduciendo su eficiencia.

Por otro lado y con algunos diseños de convertidores catalíticos de tres vías, se genera formación de Acido Sulfúrico, responsable del mal olor de las emisiones y fácilmente detestable por el usuario. Se forma mediante la remoción del azufre depositado sobre el catalizador, bajo condiciones especiales de regulación del motor: mezcla rica y temperaturas superiores a los 500 º C. Este problema denominado “contaminación secundaria”. El nivel de emisión de ácido sulfhídrico puede ser acotado a través de los siguientes factores:

-         Control de la relación Aire/Combustible, lo que permite eliminar las operaciones del motor en condición de mezcla rica.

-         Formulación de los metales empleados en el diseño del convertidor, incorporando retardadores de la reacción de formación del ácido sulfhidrico.

Como se ha detallado precedentemente la mayor eficiencia del convertidor catalítico se obtiene luego de los 250 ºC de temperatura y con una relación: Aire/Combustible cercana a la estequiométrica (Coeficiente Lambda=1).

 

 

Los gráficos anteriores nos muestran las reducciones de contaminantes utilizando catalizador y sonda lambda. La figura de mas arriba corresponde a las medidas efectuadas antes del catalizador y la de abajo, a mediciones efectuadas luego del catalizador.

Con respecto a los motores diesel este es menos contaminante que al Otto y a su vez sus soluciones resultan mucho más sencillas y requieren un análisis menos exhaustivo.

Los fabricantes han trabajado en el diseño del motor para optimizar el proceso de combustión y obtener de esta forma motores con emisiones contaminantes sensiblemente inferiores a los existentes hasta el momento. A saber: el rediseño de cámaras de combustión como las precámaras, cámara de turbulencia producen menos óxidos de nitrógeno.

El punto de ignición de la inyección del combustible, se consigue reducciones sustanciales del NOx. También como en el ciclo otto, la recirculación de los gases de escape pueden reducir la temperatura de combustión bajando las emisiones de NOx.

Para ver mejor el esquema hacer clic aquiEl tratamiento de los gases de escape aquí se puede realizar de dos formas. Filtro de partículas y catalizadores. Los primeros recogen las sustancias sólidas emitidas por el motor, los gases están obligados a pasar por canales y pasar a través de las paredes reteniendo en ellas partículas sólidas. Estas luego hay que quemarlas utilizando procedimientos especiales siendo este el principal problema del sistema.

Con respecto a los catalizadores se aplican los de dos vías los que eliminan los CO y HC, para la reducción de NOx se hace por recirculación de gases explicada anteriormente (los gases tienen una temperatura muy baja de allí de no poder el catalizador tratar los NOx como en el otto).

En general, como vemos en el siguiente gráfico los motores diesel contaminan memos que un motor a nafta, a un este con catalizador, con excepción en partículas y óxidos de Nitrógeno (nivel de referencia 100 para el Diesel).

El azufre en exceso que posee el gasoil es difícil de tratar ya que este forma oxido de azufre que combinados con vapor de agua genera ácido sulfúrico que es corrosivo por lo tanto el catalizador diesel debe ser capaz de no reaccionar con el SO2 (dióxido de azufre) para no formar sulfatos.