Tópicos:
- Geral
- Operação de catalisador de oxidação/três vias
- Temperaturas de trabalho
- Operação do catalisador NOx
- Envelhecimento e suas causas
Geral:
O nome Catalyst vem originalmente da palavra grega Katalysis (que significa dissolução). Um catalisador tem sido necessário desde o final de 1992 para atender aos requisitos ambientais. Os gases de escape contêm substâncias nocivas: CO (monóxido de carbono), NOx (óxido de azoto) e CH (hidrocarboneto não queimado). Estas substâncias são (oxidadas) em substâncias não nocivas. Daí o nome Catalisador de Oxidação.
Em química, um catalisador é uma substância que provoca uma reação química e a acelera ou retarda sem sofrer qualquer alteração.
Operação de catalisador de três vias/oxidação:
Um catalisador não é um filtro, mas pode ser visto como um elemento de conversão ao qual foram adicionados metais preciosos como platina, ródio ou paladio. Se os gases de exaustão entrarem em contato com ele, ocorre uma reação química muito rápida. As moléculas dos gases nocivos são decompostas e ligadas a outras moléculas, resultando em um gás não nocivo. O catalisador é capaz de purificar os gases de escape em 90%. No entanto, isso ocorre às custas de maior consumo e menor consumo de energia. Isso ocorre porque cria uma certa resistência do ar no caminho de exaustão.
Substâncias nos gases de escape:
- CO2: Dióxido de carbono (Nocivo ao meio ambiente, humanos e animais em altas concentrações)
- CO: Monóxido de carbono (gás queimado de forma incompleta, também prejudicial à saúde)
- CH: Hidrocarbonetos (peças de gasolina não queimadas)
- O2: Partes de oxigênio (que não participaram da combustão)
- NOx: Composto de nitrogênio (que só se forma em temperaturas de combustão muito altas.
O catalisador converte os 3 componentes nocivos CO, HC e NOx em 3 componentes inofensivos: CO2, H2O e N2. O nome catalisador de três vias também vem daqui.
Para adicionar O2 e CO ao catalisador para que a conversão ocorra, o padrão de injeção do motor deve ser ajustado. Para formar O2 a mistura deve ser pobre (menos combustível, mais ar). Para formar CO, a mistura deve ser rica (mais combustível, menos ar). Este último não é o caso dos motores de mistura pobre; consulte o capítulo sobre catalisadores de NOx mais abaixo na página.
Ao sempre injetar um pouco demais e pouco combustível nos cilindros, sempre se cria uma mistura rica e pobre. Os excedentes de CO e O2 acabam assim no catalisador. No catalisador, a platina reage com o CO e o HC. O ródio garante a redução do NOx. Isto também explica por que uma tensão variável é medida ao medir no sensor Lambda. Lá a voltagem varia entre 0,2 e 0,8 Volts (de pobre a rico, etc.) O sistema de gerenciamento do motor do carro (a ECU) regula isso sozinho. Portanto, nada precisa ser ajustado.
| Substância prejudicial: | Adicionar de: | Resulta em: |
| CO+ | O2 = | CO2 |
| HC+ | O2 = | CO2 + H2O |
| NOx+ | CO = | N2 + CO2 |
Para adicionar O2 e CO ao catalisador para que a conversão ocorra, o padrão de injeção do motor deve ser ajustado. Para formar O2 a mistura deve ser pobre (menos combustível, mais ar). Para formar CO, a mistura deve ser rica (mais combustível, menos ar). Este último não é o caso dos motores de mistura pobre; consulte o capítulo sobre catalisadores de NOx mais abaixo na página.
Ao sempre injetar um pouco demais e pouco combustível nos cilindros, sempre se cria uma mistura rica e pobre. Os excedentes de CO e O2 acabam assim no catalisador. No catalisador, a platina reage com o CO e o HC. O ródio garante a redução do NOx. Isso também explica por que uma tensão variável é medida quando o sonda lambda está sendo medido. Lá a voltagem varia entre 0,2 e 0,8 Volts (de pobre a rico, etc.) O sistema de gerenciamento do motor do carro (a ECU) regula isso sozinho. Portanto, nada precisa ser ajustado.
O que se percebe na tabela acima é que as substâncias são todas convertidas em CO2, entre outras coisas. O CO2 é agora visto como uma substância perigosa para o ambiente e responsável pelo aquecimento global. No entanto, uma pessoa também exala CO2. Este é convertido novamente em O2 (oxigênio) pelas árvores e plantas. Muito CO2 tem um efeito prejudicial. As árvores e plantas são minoria e não conseguem converter tudo em O2. Para motores de combustão, o teor de CO2 deve ser o mais elevado possível. Isso parece loucura, porque você pensaria que isso seria mantido o mais baixo possível. A coisa é assim; quanto maior o teor de CO2, menos CO e HC são liberados. CO e HC são diretamente prejudiciais à saúde quando inalados. A única forma de reduzir os níveis de CO2 é mudar para combustíveis alternativos, motores de combustão mais pequenos (mais económicos) e uma condução mais silenciosa.
Temperaturas de trabalho:
O efeito útil do catalisador começa a partir de uma temperatura de 250 graus e é máximo a uma temperatura de 450 graus. Depois de ligar o motor, demora algum tempo até que o efeito purificador comece. O conversor catalítico é montado o mais próximo possível do coletor de escape, pois atinge mais rapidamente a temperatura de trabalho. As temperaturas dos gases de escape entre 800 e 1000 graus garantem um envelhecimento térmico mais rápido, o que encurta a vida útil e, portanto, reduz a área de superfície ativa.
Existem também conversores catalíticos com elemento de aquecimento que garantem que o catalisador atinja a temperatura ainda mais rapidamente após uma partida a frio. Isto pode então ser regulado ainda mais rapidamente depois de o motor ter sido ligado, resultando em gases de escape mais limpos
Para aquecer o catalisador o mais rápido possível após uma partida a frio, um bomba de ar secundária.
Operação do catalisador NOx:
Foi explicado anteriormente que o NOx pode ser reduzido pelo catalisador através da obtenção de CO extra nos gases de escape. Isso só é possível para enriquecer a mistura. Nos motores de mistura pobre da Volkswagen (FSI) e da BMW (Efficient Dynamics), entre outros, os motores sempre funcionam com uma mistura com excesso de ar em carga parcial e baixas velocidades (ou seja, pobre e nunca rico). Com um catalisador normal de três vias é, portanto, impossível converter NOx em N2 + CO2. Para remover o NOx dos gases de escape, é necessário um catalisador especial de NOx (armazenamento) com um componente especial de bário. Além do componente bário, este catalisador também contém metais preciosos como platina e ródio.
O catalisador de três vias converte os valores de CO e HC em CO2 e H2O conforme descrito anteriormente. O NOx é convertido pelo catalisador NOx. Sensores de temperatura adicionais e um sensor de NOx são necessários para monitorar constantemente os valores.
A imagem abaixo mostra um sistema de escapamento usado pela VW, BMW (e cada vez mais outras marcas).
Os gases NOx são armazenados a frio neste catalisador. Os outros gases de escape podem continuar seu caminho através do escapamento. Durante o período rico em oxigênio, os gases NOx são armazenados no componente bário. O NOx se acumula (assim como a fuligem é armazenada em um filtro de partículas). Com o tempo, o catalisador fica saturado. Esse é o momento em que está cheio de NOx. O catalisador deve então ser regenerado. O sensor NOx reconhece isso e envia um sinal para a ECU. Neste momento a mistura fica rica, especialmente para regenerar o catalisador NOx. Isso só acontece quando o catalisador NOx atinge a temperatura de 800 graus (isso é registrado pelo sensor de temperatura e também repassado para a unidade de controle do motor). O enriquecimento temporário libera CO extra. Com a ajuda deste CO, pode ocorrer uma conversão em N2 + CO2 através dos componentes platina e ródio. Após a regeneração, o motor funcionará novamente com uma mistura pobre até que o catalisador fique saturado novamente.
Falhas também podem ocorrer com este sistema. Se o carro for conduzido apenas por distâncias curtas (o que é ruim para todo o carro), o catalisador NOx não conseguirá atingir sua temperatura de trabalho. Assim que estiver saturado (cheio), deverá ser regenerado. Somente se o sensor de temperatura continuar a medir uma temperatura muito baixa, a ECU nunca enriquecerá a mistura. Se o catalisador não estiver à temperatura operacional, os componentes de platina e ródio ainda não poderão efetuar uma conversão. Neste momento a luz de falha do motor acenderá e a causa será revelada quando o carro for verificado. O catalisador será então regenerado com a ajuda do gabinete de teste ou de um test drive rápido. Portanto, é melhor conduzir ocasionalmente um trecho longo (por exemplo, 50 km ou mais na rodovia) e de preferência um trecho em maior velocidade. O catalisador atingirá então facilmente a sua temperatura de trabalho.
Hoje em dia, os motores diesel utilizam o Catalisador SCR (Redução Catalítica Seletiva) aplicado. Este catalisador SCR também armazena NOx, mas também existe um Sistema de dosagem de AdBlue Adicionado a.
Envelhecimento e suas causas:
- Gasolina: Um conversor catalítico de três vias só funciona com gasolina sem chumbo. Se a gasolina com chumbo for reabastecida, ela adere ao metal precioso em uma camada fina, o que reduz o contato com os gases de escape e depois de um tempo torna isso impossível. Uma reação química não poderá mais ocorrer. O catalisador está agora fora de serviço e deve ser substituído. Isso é um assunto caro. Gasolina com chumbo foi adicionada para atingir um certo limite de detonação. Como os sensores de detonação são usados hoje em dia, o chumbo foi removido do combustível.
- O petróleo também tem um efeito devastador no interior. Se houver muito vazamento de óleo ao longo, por exemplo, dos anéis do pistão, das guias das válvulas ou do turbo, muito óleo pode acabar no conversor catalítico. O óleo também faz com que uma camada adira ao metal precioso, que perde então a sua eficácia.
- Condução em distâncias curtas: Ao percorrer muitas distâncias curtas, o catalisador raramente ou nunca atinge a sua temperatura de trabalho. Os resíduos de HC (gasolina) não queimados aderem à superfície cerâmica. Se for conduzido por uma longa distância, esses resíduos de HC ainda serão queimados. Se você continuar a dirigi-lo por curtas distâncias, esses resíduos de HC também irão aderir ao interior, fazendo com que o catalisador perca sua eficácia com o tempo.
O segundo sensor lambda (o sensor de salto) mede frequentemente se o catalisador converteu os gases adequadamente. Se o catalisador envelhecer ou se o interior estiver com defeito, este segundo sensor lambda medirá isso. Uma luz de falha acenderá no painel. A substituição do catalisador é então necessária. Mais informações sobre o sensor lambda podem ser encontradas na página Sonda Lambda.
