Asignaturas:
- General
- Operación del catalizador de oxidación/tres vías
- Temperaturas de trabajo
- Operación del catalizador de NOx
- El envejecimiento y sus causas
General:
El nombre Catalyst proviene originalmente de la palabra griega Katalysis (que significa disolución). Desde finales de 1992 es necesario un catalizador para cumplir los requisitos medioambientales. Los gases de escape contienen sustancias nocivas: CO (monóxido de carbono), NOx (óxido de nitrógeno) y CH (hidrocarburo no quemado). Estas sustancias se (oxidan) y se convierten en sustancias no nocivas. De ahí el nombre de catalizador de oxidación.
En química, un catalizador es una sustancia que provoca una reacción química y la acelera o ralentiza sin que ella misma sufra ningún cambio.
Funcionamiento del catalizador de oxidación/tres vías:
Un catalizador no es un filtro, sino que puede verse como un elemento de conversión al que se le han añadido metales preciosos como platino, rodio o paladio. Si los gases de escape entran en contacto con él, se produce una reacción química muy rápida. Las moléculas de los gases nocivos se descomponen y se unen con otras moléculas dando como resultado un gas no nocivo. El catalizador es capaz de purificar los gases de escape en un 90%. Sin embargo, esto se consigue a expensas de un mayor consumo y una menor potencia. Esto se debe a que crea una cierta resistencia del aire en el camino de escape.
Sustancias en los gases de escape:
- CO2: Dióxido de carbono (Nocivo para el medio ambiente, los seres humanos y los animales en altas concentraciones)
- CO: Monóxido de carbono (gas que no se quema completamente y que también es perjudicial para la salud)
- CH: Hidrocarburos (partes de gasolina no quemadas)
- O2: Partes de oxígeno (que no participaron en la combustión)
- NOx: Compuesto de nitrógeno (que sólo se forma a temperaturas de combustión muy altas).
El catalizador convierte los 3 componentes dañinos CO, HC y NOx en 3 componentes inofensivos: CO2, H2O y N2. De aquí también procede el nombre de catalizador de tres vías.
Para agregar O2 y CO al catalizador para que pueda realizarse la conversión, se debe ajustar el patrón de inyección del motor. Para formar O2 la mezcla debe ser pobre (menos combustible, más aire). Para formar CO, la mezcla debe ser rica (más combustible, menos aire). Este último no es el caso de los motores de mezcla pobre; consulte el capítulo sobre catalizadores de NOx más abajo en la página.
Al inyectar siempre un poco demasiado y un poco muy poco combustible en los cilindros, siempre se crea una mezcla rica y pobre. Los excedentes de CO y O2 acaban así en el catalizador. En el catalizador, el platino reacciona con el CO y el HC. El rodio asegura la reducción de NOx. Esto también explica por qué al medir con la sonda Lambda se mide una tensión diferente. Allí el voltaje varía entre 0,2 y 0,8 voltios (de pobre a rico, etc.) y el sistema de gestión del motor del vehículo (ECU) lo regula él mismo. Así que no es necesario ajustar nada.
| Sustancia nociva: | Agregar desde: | Resultados en: |
| CO+ | O2 = | CO2 |
| HC+ | O2 = | CO2 + H2O |
| NOx+ | CO = | N2 + CO2 |
Para agregar O2 y CO al catalizador para que pueda realizarse la conversión, se debe ajustar el patrón de inyección del motor. Para formar O2 la mezcla debe ser pobre (menos combustible, más aire). Para formar CO, la mezcla debe ser rica (más combustible, menos aire). Este último no es el caso de los motores de mezcla pobre; consulte el capítulo sobre catalizadores de NOx más abajo en la página.
Al inyectar siempre un poco demasiado y un poco muy poco combustible en los cilindros, siempre se crea una mezcla rica y pobre. Los excedentes de CO y O2 acaban así en el catalizador. En el catalizador, el platino reacciona con el CO y el HC. El rodio asegura la reducción de NOx. Esto también explica por qué se mide un voltaje variable cuando el sonda lambda se está midiendo. Allí el voltaje varía entre 0,2 y 0,8 voltios (de pobre a rico, etc.) y el sistema de gestión del motor del vehículo (ECU) lo regula él mismo. Así que no es necesario ajustar nada.
Lo que se puede ver en la tabla anterior es que todas las sustancias se convierten, entre otras cosas, en CO2. El CO2 ahora se considera una sustancia peligrosa para el medio ambiente y responsable del calentamiento global. Sin embargo, una persona también exhala CO2. Los árboles y las plantas lo convierten nuevamente en O2 (oxígeno). Demasiado CO2 tiene un efecto nocivo. Los árboles y las plantas son minoría y no son capaces de convertir todo en O2. En los motores de combustión, el contenido de CO2 debería ser lo más alto posible. Esto parece una locura, porque uno pensaría que se mantendría lo más bajo posible. La cosa es así; cuanto mayor es el contenido de CO2, menos CO y HC se liberan. El CO y el HC son directamente perjudiciales para la salud cuando se inhalan. La única manera de reducir los niveles de CO2 es cambiando a combustibles alternativos, motores de combustión más pequeños (más económicos) y una conducción más silenciosa.
Temperaturas de trabajo:
El efecto útil del catalizador comienza a una temperatura de 250 grados y es máximo a una temperatura de 450 grados. Después de arrancar el motor, pasa un tiempo antes de que comience el efecto purificador. El catalizador se monta lo más cerca posible del colector de escape, porque alcanza antes su temperatura de funcionamiento. Las temperaturas de los gases de escape entre 800 y 1000 grados garantizan un envejecimiento térmico más rápido, lo que acorta la vida útil y, por tanto, reduce la superficie activa.
También hay convertidores catalíticos con un elemento calefactor que garantiza que el catalizador alcance la temperatura aún más rápido después de un arranque en frío. Esto puede regularse aún más rápido después de encender el motor, lo que da como resultado gases de escape más limpios.
Para calentar el catalizador lo más rápido posible después de un arranque en frío, se bomba de aire secundaria.
Operación del catalizador de NOx:
Anteriormente se explicó que el catalizador puede reducir los NOx obteniendo CO adicional en los gases de escape. Esto sólo es posible para enriquecer la mezcla. En los motores de mezcla pobre de Volkswagen (FSI) y BMW (Efficient Dynamics), entre otros, los motores siempre funcionan con una mezcla con exceso de aire a carga parcial y a bajas revoluciones (es decir, pobre y nunca rica). Por tanto, con un catalizador normal de tres vías es imposible convertir NOx en N2 + CO2. Para eliminar los NOx de los gases de escape, se requiere un catalizador especial de NOx (almacenamiento) con un componente especial de bario. Además del componente de bario, este catalizador también contiene metales preciosos como platino y rodio.
El catalizador de tres vías convierte los valores de CO y HC en CO2 y H2O como se describió anteriormente. El NOx es convertido por el catalizador de NOx. Para controlar constantemente los valores se necesitan sensores de temperatura adicionales y un sensor de NOx.
La siguiente imagen muestra un sistema de escape utilizado por VW, BMW (y cada vez más marcas).
En este catalizador se almacenan los gases NOx en estado frío. Los demás gases de escape pueden continuar su camino a través del escape. Durante el período rico en oxígeno, los gases NOx se almacenan en el componente de bario. Los NOx se acumulan (al igual que el hollín se almacena en un filtro de partículas). Con el tiempo, el catalizador se satura. Ese es el momento en el que se llena de NOx. A continuación es necesario regenerar el catalizador. El sensor de NOx lo reconoce y envía una señal a la ECU. En este momento la mezcla se enriquece, especialmente para regenerar el catalizador de NOx. Esto solo sucede cuando el catalizador de NOx ha alcanzado una temperatura de 800 grados (esto lo registra el sensor de temperatura y también se transmite a la unidad de control del motor). El enriquecimiento temporal libera CO adicional. Con ayuda de este CO se puede realizar una conversión a N2 + CO2 a través de los componentes de platino y rodio. Después de la regeneración, el motor volverá a funcionar con una mezcla pobre hasta que el catalizador se sature nuevamente.
También pueden producirse fallos de funcionamiento con este sistema. Si el coche sólo se conduce distancias cortas (lo que es malo para todo el coche), el catalizador de NOx no podrá alcanzar su temperatura de trabajo. En cuanto esté saturado (lleno) habrá que regenerarlo. Sólo si el sensor de temperatura continúa midiendo una temperatura demasiado baja, la ECU nunca enriquecerá la mezcla. Si el catalizador no está a la temperatura de funcionamiento, los componentes de platino y rodio aún no pueden efectuar una conversión. En este momento, la luz de falla del motor se encenderá y la causa se revelará cuando se escanee el automóvil. A continuación, el catalizador se regenera con ayuda del gabinete de pruebas o con una conducción de prueba rápida. Por lo tanto, es mejor conducir de vez en cuando un tramo largo (por ejemplo, 50 km o más en autopista) y preferiblemente un tramo a mayor velocidad. Entonces el catalizador alcanzará fácilmente su temperatura de trabajo.
Actualmente los motores diésel utilizan el Catalizador SCR (Reducción Catalítica Selectiva) aplicado. Este catalizador SCR también almacena NOx, pero también hay uno Sistema de dosificación de AdBlue añadido a.
Envejecimiento y sus causas:
- Gasolina: Un convertidor catalítico de tres vías sólo puede funcionar con gasolina sin plomo. Al repostar gasolina con plomo, se adhiere una fina capa al metal precioso, lo que reduce el contacto con los gases de escape y, al cabo de un tiempo, incluso lo imposibilita. Entonces ya no puede producirse una reacción química. El catalizador ahora está averiado y debe ser reemplazado. Ésa es una cuestión costosa. Se añadió gasolina con plomo para alcanzar un cierto límite de detonación. Debido a que hoy en día se utilizan sensores de detonación, se ha eliminado el plomo del combustible.
- El petróleo también tiene un efecto devastador en el interior. Si hay muchas fugas de aceite, por ejemplo, en los aros del pistón, en las guías de las válvulas o en el turbo, puede acabar mucho aceite en el catalizador. El aceite también provoca que se adhiera una capa al metal precioso, que luego pierde su eficacia.
- Conducir distancias cortas: Al conducir muchas distancias cortas, el catalizador rara vez o nunca alcanza su temperatura de trabajo. Los residuos de HC (gasolina) no quemados se adhieren a la superficie cerámica. Si se conduce por una distancia larga, estos residuos de HC aún se queman. Si continúas conduciéndolo durante distancias cortas, estos residuos de HC también se adherirán al interior, haciendo que el catalizador pierda su eficacia con el tiempo.
La segunda sonda lambda (la sonda de salto) suele medir si el catalizador ha convertido los gases correctamente. Si el catalizador envejece o si el interior está defectuoso, esta segunda sonda lambda lo medirá. Luego se encenderá una luz de falla en el tablero. Entonces es necesario reemplazar el catalizador. Puede encontrar más información sobre la sonda lambda en la página Sonda Lambda.
