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Sistemas Anticontaminación


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Catalizadores

El catalizador o convertidor catalítico se ha convertido en un elemento primordial a la hora de tratar los gases perjudiciales que salen por el tubo de escape de los automóviles. El catalizador tiene como misión disminuir los elementos contaminantes contenidos en los gases de escape de un vehículo mediante la técnica de la catálisis.
El catalizador es un dispositivo, que se monta en el tubo de escape, inmediatamente después del colector de escape, ya que en este punto los gases se mantienen una temperatura elevada. Esta energía calorífica pasa al catalizador y eleva su propia temperatura, circunstancia indispensable para que este dispositivo tenga un optimo rendimiento, que se alcanza entre los 400 y 700º C.

 


Catalizador (motor de gasolina)

La depuración actual de los gases de escape de los motores de gasolina se realiza por medio de catalizadores. La regulación del ciclo de depuración catalítica corre a cargo de la unidad de control del motor:
La sonda lambda transmite a la unidad de control del motor las señales correspondientes al contenido de oxígeno en los gases de escape. La unidad de control del motor se encarga de mantener ajustada la mezcla de combustible/aire a una proporción "lambda = 1".
El catalizador despliega su efecto de depuración a partir de una temperatura de aprox. 300 °C y requiere un cierto tiempo para alcanzar su temperatura de servicio después del arranque en frío. En los sistemas de escape actuales se implantan precatalizadores para abreviar la fase de calentamiento y poder depurar los gases de escape después de un tiempo mínimo. Estos precatalizadores se instalan cerca del colector de escape, tienen generalmente unas dimensiones más pequeñas y alcanzan por ello más pronto su temperatura de servicio.

El catalizador esta constituido por una carcasa de acero inoxidable que contiene en su interior las sustancias catalizadoras. Sustancias químicamente activas, soportadas por un monolito (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 campos de fútbol. La capa soporte del catalizador 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.

La depuración catalítica se basa en dos reacciones químicas:

  1. Reducción: extracción de oxígeno de los componentes de los gases de escape.
  2. Oxidación: adición de oxígeno a los componentes de los gases de escape (recombustión).

Tipos de catalizadores

Según el sistema de funcionamiento, los catalizadores pueden ser de tres tipos:

Catalizador oxidante: En muchos libros se le denomina tambien catalizador de "dos vías" por que trata dos gases. Es el catalizador mas sencillo y barato,. Dispone de un solo soporte cerámico que permite la oxidación del monóxido de carbono (CO) y de los hidrocarburos (HC).
En la figura se ve un catalizador oxidante utilizado en un motor turbodiesel con gestión electrónica. El oxido de nitrógeno (Nox) no se ve afectado por este tipo de catalizadores de ello se encarga el sistema EGR.

Las prestaciones de estos tipos de catalizadores sobre los gases de escape son difícilmente controlables. Se utilizan principalmente en motores Diesel. Las temperaturas máximas de los gases de escape en los motores diesel no permiten que se funda el monolito cerámico (1) (contrariamente a los motores de gasolina).

Estos catalizadores están constituidos:


Catalizador de dos vías: Llamado tambien catalizador de tres vías de "bucle abierto". Solamente existe en vehículos de fabricación americana. También llamados de "doble efecto", o de "doble cuerpo", son en realidad un doble catalizador con toma intermedia de aire. El primer cuerpo actúa sobre los gases ricos de escape, reduciendo el oxido de nitrógeno (Nox), mientras el segundo lo hace sobre los gases empobrecidos gracias a la toma intermedia de aire, reduciendo el monóxido de carbono (CO) y los hidrocarburos (HC). Precisa una mezcla rica o estequiómetrica para funcionar.

El catalizador con toma intermedia de aire, tiene dos modos de funcionamiento.

 

El catalizador de toma intermedia recibe el aire que proporciona la bomba, en el espacio comprendido entre el catalizador de tres vías (TWC) y el catalizador de dos vías o de oxidación convencional (COC). El convertidor anterior está revestido con los metales rodio y platino. La combinación actúa sobre los NOx, y parcialmente sobre el HC y el CO. Los gases de escape parcialmente tratados entran después en el convertidor posterior. Entonces se mezclan con el aire que es inyectado por la bomba de aire a través de la toma intermedia. De esta manera se añade mas oxigeno a los gases de escape para que el catalizador de oxidación actúe sobre los HC y CO.
Hay que tener en cuenta que solo se alimenta con aire el catalizador cuando el motor trabaja a temperatura normal de funcionamiento. Cuando el motor esta frío, el aire se desvía al colector de escape antes del catalizador.

 

Catalizador de tres vías: Tambien llamado de "bucle cerrado". Son los mas complejos, sofisticados y caros (siendo en la actualidad los mas usados), y su evolución tecnológica a desbancado a los catalizadores llamados de doble cuerpo en los que la oxidación de los gases contaminantes era incompleta. Los catalizadores de este tipo se llaman de "tres vías", porque en ellos se reducen simultáneamente los tres elementos nocivos mas importantes: monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC) y oxido de nitrógeno (Nox).
Su mayor eficacia depende de la mezcla de los gases de admisión. Para que funcione perfectamente los catalizadores de tres vias, es preciso que la mezcla aire-gasolina tenga la adecuada composición que se acerque lo mas posible a la relación estequeometrica (un kilo de gasolina por 14,7 Kg de aire).
Es, por tanto. necesario un dispositivo que controle la composición de la mezcla. Este dispositivo es la "sonda lambda", que efectúa correcciones constantes sobre la mezcla inicial de aire y combustible, según el valor de cantidad de oxigeno que hay en los gases de escape antes de pasar por el catalizador.



Exteriormente los tres tipos de catalizadores son iguales, excepto el de dos vías con toma de aire, que dispone de un tubo para la entrada de aire entre los dos monolitos. La diferencia realmente estriba en el washcoat y en el tipo de materiales preciosos que utilizan.

 

Constitución de los catalizadores de tres vías
Los catalizadores de tres vias como el que se ve en la figura inferior, son los utilizados en motores de gasolina alimentados mediante inyección electrónica. El catalizador se compone de un recipiente de chapa como cuerpo (6), un soporte (5) y el recubrimiento catalítico activo de metal precioso (4).

Soporte
Como soporte se han impuesto dos sistemas:

Recubrimiento
los monolitos cerámicos y metálicos requieren una capa de soporte de oxido de aluminio (AL2 O3) de la capa soporte (4). Esta capa aumenta la superficie activa del catalizador por el factor 7000. La capa catalítica activa aplicada en catalizadores de oxidación contiene los metales preciosos de platino y/o paladio; en catalizadores de tres vías, adicionalmente contiene rodio. El platino y el paladio aceleran la oxidación de los hidrocarburos y monóxido de carbono; el rodio, la reducción de los óxidos de nitrógeno.
El contenido de metales preciosos en un catalizador es de aprox. 1... 3 g. Este valor depende de la cilindrada del motor.

Condiciones de servicio
Temperatura de servicio
La temperatura del catalizador tiene muchísima importancia en la depuración de los gases de escape. En el catalizador de tres vías no se inicia una conversión de los contaminantes digna de mención hasta alcanzarse una temperatura de servicio de más de 300°C. Para altas cuotas de conversión y una larga duración reinan condiciones de servicio ideales en el margen de temperaturas de 400...800 °C. El envejecimiento térmico aumenta notablemente en el margen de 800...1000°C por sinterización de los metales preciosos y de la capa de soporte (Al2 O3) lo que ocasiona una reducción de la superficie activa. El tiempo de servicio también tiene gran influencia en este margen de temperatura. Por encima de 1000°C el envejecimiento térmico aumenta enormemente y ocasiona la casi completa ineficacia del catalizador.
Por funcionamiento incorrecto del motor (p.ej. fallos del encendido), puede subir la temperatura en el catalizador hasta 1400°C. Tales temperaturas causan la destrucción total del catalizador por fusión del material de soporte. Para impedirlo, particularmente el sistema de encendido ha de trabajar de modo muy fiable y exento de mantenimiento, los modernos mandos del motor pueden identificar fallos del encendido y de la combustión. Estos mandos impiden en caso dado la inyección para el correspondiente cilindro, no llegando asi mezcla alguna sin quemar al sistema de escape

Combustible sin plomo
Otra condición para un servicio fiable de larga duracción es el funcionamiento del motor con combustible sin plomo. Los compuestos de plomo se posan en los poros de la superficie activa o se depósitan directamente sobre ellos y reducen su cantidad. Pero tambien residuos del aceite motor pueden "envenenar" el catalizador, es decir, destruirlo hasta inutilizarlo.

Lugar de montaje
Las severas prescripciones sobre gases de escape exigen conceptos especiales para el calentamiento del catalizador al arrancar el motor. Esos conceptos (p.ej. insuflación de aire secundario, variación del ángulo de encendido en dirección hacia "retardo") determinan el lugar de montaje del catalizador. Las propiedades del catalizador de tres vías respecto a la temperatura de servicio limitan la posibilidad de montaje. Partiendo de las condiciones térmicas necesarias para una alta transformación, es indispensable montar el catalizador de tres vías cerca del motor.
Para el catalizador de tres vías se ha impuesto en lo esencial su disposición dividida con un catalizador previo cerca del motor y un catalizador debajo del piso, los catalizadores dispuestos cerca del motor requieren una optimización del recubrimiento en el sentido de estabilidad respecto a altas temperaturas; los catalizadores bajo el piso, en el sentido de "low light off" (baja "temperatura de arranque'), así como una buena transformación de NOx.

Efectividad
El tratamiento ulterior de los gases de escape con ayuda del catalizador de tres vías en la actualidad es el procedimiento de depuración de gases de escape mas eficaz para el motor de gasolina con distribución homogénea de la mezcla Lambda = 1. Una parte integrante es la regulación lambda, que vigila la composición de la mezcla de aire y combustible. Con el catalizador de tres vías se puede impedir casi por completo la expulsión de monóxido de carbono, hidrocarburos y óxidos de nitrógeno, con una distribución homogenea de la mezcla y una composición estequiométrica de ésta. Estas condiciones ideales de servicio, sin embargo, no se pueden mantener siempre. Ello no obstante, se puede partir por término medio de una reducción de los contaminantes del mas del 98%.

 

Catalizadores para sistemas inyección directa de gasolina
El sistema de escape ha sido adaptado a las exigencias de un motor con inyección directa de gasolina. Hasta ahora era un gran problema el tratamiento de los gases de escape en motores con inyección
directa de gasolina. Esto se debe a que con un catalizador convencional de tres vías no se pueden alcanzar los límites legales de emisiones de óxidos nítricos en los modos estratificado, pobre y homogéneo-pobre. Por ello se incorpora para estos motores un catalizador-acumulador de NOx, que almacena los óxidos nítricos (NOx) en estos modos operativos. Al estar lleno el acumulador se pone en vigor un modo de regeneración, con el cual se desprenden los óxidos nítricos del catalizador-acumulador y se transforman en nitrógeno.

Nota: con la recirculación de gases de escape y el reglaje de distribución variable ya se reducen las emisiones de óxidos nítricos desde la propia combustión, antes de llegar al sistema de escape.

 

Catalizador acumulador de NOx
En la inyección directa de gasolina, el oxígeno necesario para el proceso de oxidación de HC y CO no se disocia del NOx, sino que se toma de las elevadas proporciones de oxígeno residual presentes en los gases de escape. Por este motivo no es suficiente únicamente un catalizador de tres vías.
El catalizador acumulador de NOx, contiene en las capas catalíticas materiales adicionales que pueden almacenar el NOx (p.ej. el óxido bárico). Todas los recubrimientos corrientes del acumulador de NOx contienen al mismo tiempo las propiedades de un catalizador de tres vías, de forma que el catalizador acumulador de NOx trabaja para lambda=1 como un catalizador de tres vías.
La conversión de NOx en funcionamiento por mezcla estratificada pobre se lleva a cabo en tres etapas. Para el almacenamiento de NOx se oxida primero formando NO2 que luego reacciona con los aditivos que hay en el recubrimiento en forma de nitratos (p.ej. nitrato de bario).
Una cantidad cada vez mayor de NOx almacenado (carga) reduce la capacidad de seguir ligando NOx. Con un estado de carga predeterminado debe regenerarse el acumulador de NOx, es decir, los óxidos de nitrógeno almacenados deben eliminarse (desacumulación) y ser convertidos. Para ello se cambia brevemente al funcionamiento por mezcla homogénea rica (lambda<0,8), para reducir el NO a N. sin emitir CO y HC. El final de la fase de acumulación y de desacumulación se calcula con un procedimiento modelo reforzado o se mide con un sensor NOx, o sonda lambda detrás del catalizador.

Desulfatación
El azufre que contiene el combustible reacciona también con el material de acumulación en las capas del catalizador. Se forman sulfatos (p.ej. sulfato de bario), que son muy resistentes a la temperatura. Mediante unas medidas apropiadas (p.ej. ajustar el modo de funcionamiento del calentamiento estratificado del catalizador u otros métodos de calentamiento químico), el catalizador debe calentarse a > 650ºC y entonces admitir alternativamente durante unos minutos gases de escape ricos (lambda = 0,95) y pobres (lambda =1,05). De esta forma se reducen de nuevo los sulfatos.
Una condición límite importante para los métodos de calentamiento es que el precatalizador no se caliente debido a la aportación del calor necesario para calentar el catalizador acumulador de NOx, en una posición por debajo del nivel.

 


 

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