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Un convertidor catalítico de tres vías en una Dodge Ram de 1996 con motor de gasolina.
Simulación del flujo dentro de un convertidor catalítico

Un convertidor catalítico es un dispositivo de control de emisiones de escape que transforma los gases tóxicos y contaminantes de los gases de escape de un motor de combustión interna en contaminantes menos tóxicos mediante la catálisis de una reacción redox . Los convertidores catalíticos se utilizan habitualmente en motores de combustión interna que funcionan con gasolina o diésel , incluidos los motores de combustión pobre , y a veces en estufas y calentadores de queroseno .

La primera introducción generalizada de convertidores catalíticos se produjo en el mercado automovilístico de Estados Unidos. Para cumplir con la normativa más estricta de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. sobre emisiones de escape, la mayoría de los vehículos a gasolina a partir del año modelo 1975 están equipados con convertidores catalíticos. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Estos convertidores de oxidación de "dos vías" combinan oxígeno con monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos no quemados (HC) para producir dióxido de carbono (CO 2 ) y agua (H 2 O).

Los convertidores de "tres vías", que también reducen los óxidos de nitrógeno ( NO x ), fueron comercializados por primera vez por Volvo en los automóviles 240 de especificación californiana de 1977. [ 4 ] Cuando las regulaciones federales de control de emisiones de EE. UU. comenzaron a exigir un control estricto de NO x para el año modelo 1981, casi todos los fabricantes de automóviles cumplieron con los estándares más estrictos con convertidores catalíticos de tres vías y sistemas de control del motor asociados. [ 5 ] Los convertidores de dos vías solo de oxidación todavía se utilizan en motores de combustión pobre para oxidar materia particulada y emisiones de hidrocarburos (incluidos los motores diésel, que normalmente utilizan combustión pobre), ya que los convertidores de tres vías requieren combustión rica en combustible o estequiométrica para reducir con éxito el NO x .

Aunque los convertidores catalíticos se aplican con mayor frecuencia a los sistemas de escape de los automóviles, también se utilizan en generadores eléctricos , carretillas elevadoras , equipos de minería, camiones , autobuses , locomotoras , motocicletas y barcos. En raras ocasiones, se emplean dispositivos similares a los convertidores catalíticos en aparatos como estufas de leña para controlar las emisiones. [ 6 ]

Historia

Los primeros prototipos de convertidores catalíticos se diseñaron en Francia a finales del siglo XIX, cuando solo circulaban unos pocos miles de "coches de petróleo"; estos prototipos tenían materiales inertes a base de arcilla recubiertos de platino , rodio y paladio , y sellados en un cilindro metálico doble. [ 7 ] Unas décadas más tarde, Eugene Houdry , un ingeniero mecánico francés, patentó un convertidor catalítico . Houdry era un experto en refinación catalítica de petróleo, habiendo inventado el proceso de craqueo catalítico en el que se basa toda la refinación moderna actual. [ 8 ] Houdry se mudó a los Estados Unidos en 1930 para vivir cerca de las refinerías en Filadelfia y desarrollar su proceso de refinación catalítica.

Cuando se publicaron los resultados de los primeros estudios sobre el esmog en Los Ángeles, Houdry se preocupó por el papel de las emisiones de las chimeneas y los automóviles en la contaminación del aire y fundó una empresa llamada Oxy-Catalyst. Houdry desarrolló primero convertidores catalíticos para chimeneas y, posteriormente, convertidores catalíticos para carretillas elevadoras de almacén que funcionaban con gasolina sin plomo. [ 9 ] A mediados de la década de 1950, comenzó a investigar el desarrollo de convertidores catalíticos para motores de gasolina utilizados en automóviles y se le otorgó la patente estadounidense 2,742,437 por su trabajo. [ 10 ]

Los convertidores catalíticos fueron desarrollados aún más por una serie de ingenieros, entre ellos Carl D. Keith , John J. Mooney , Antonio Eleazar y Phillip Messina en Engelhard Corporation, [ 11 ] creando el primer convertidor catalítico de producción en 1973. [ 12 ]

La primera introducción generalizada de convertidores catalíticos se produjo en el mercado automovilístico de Estados Unidos. Para cumplir con las nuevas regulaciones de emisiones de escape de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. , la mayoría de los vehículos de gasolina fabricados a partir de 1975 están equipados con convertidores catalíticos. Los primeros convertidores catalíticos eran de "dos vías", combinando oxígeno con monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos no quemados (HC, compuestos químicos en el combustible de la forma C m H n ) para producir dióxido de carbono (CO 2 ) y agua (H 2 O). [ 5 ] [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Estas estrictas regulaciones de control de emisiones también dieron como resultado la eliminación del agente antidetonante tetraetil plomo de la gasolina para automóviles , para reducir el plomo en el aire. El plomo y sus compuestos son venenos para los catalizadores y ensucian los convertidores catalíticos al recubrir la superficie del catalizador. Exigir la eliminación del plomo permitió el uso de convertidores catalíticos para cumplir con los demás estándares de emisiones de las regulaciones. [ 13 ]

Para reducir las emisiones nocivas de NO x , en la década de 1970 se desarrolló un sistema de doble catalizador. Este sistema incorporaba un catalizador independiente ( rodio / platino ) que reducía el NO x antes de la bomba de aire, tras lo cual un convertidor catalítico bidireccional (paladio/platino) eliminaba el HC y el CO. [ 14 ] Este sistema, engorroso y costoso, pronto quedó obsoleto al observarse que, en ciertas condiciones, el catalizador inicial también eliminaba el HC y el CO. Esto condujo al desarrollo del catalizador tridireccional, posible gracias a los avances en electrónica y gestión del motor. [ 14 ]

William C. Pfefferle desarrolló un combustor catalítico para turbinas de gas a principios de la década de 1970, que permitía la combustión sin una formación significativa de óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono. [ 15 ] [ 16 ] También se han desarrollado convertidores catalíticos de cuatro vías que eliminan las partículas de los gases de escape del motor; dado que la mayoría de estas partículas son hidrocarburos no quemados, pueden quemarse para convertirlas en dióxido de carbono. [ 17 ] [ 18 ]

Construcción

Vista en sección de un convertidor con núcleo metálico
Convertidor de núcleo cerámico

La construcción del convertidor catalítico es la siguiente:

  1. El soporte o sustrato del catalizador . Para los convertidores catalíticos automotrices, el núcleo suele ser un monolito cerámico con una estructura de panal (generalmente cuadrada, no hexagonal). (Antes de mediados de la década de 1980, el material del catalizador se depositaba sobre un lecho compacto de gránulos de alúmina en las primeras aplicaciones de GM). Los monolitos de lámina metálica hechos de Kanthal (FeCrAl) [ 19 ] se utilizan en aplicaciones donde se requiere una resistencia al calor particularmente alta. [ 19 ] El sustrato está estructurado para producir una gran superficie . El sustrato cerámico de cordierita utilizado en la mayoría de los convertidores catalíticos fue inventado por Rodney Bagley , Irwin Lachman y Ronald Lewis en Corning Glass , por lo que fueron incorporados al Salón Nacional de la Fama de los Inventores en 2002. [ 5 ]
  2. La capa de recubrimiento. Una capa de recubrimiento es un soporte para los materiales catalíticos y se utiliza para dispersarlos sobre una gran superficie. Se puede utilizar óxido de aluminio , dióxido de titanio , dióxido de silicio , por ejemplo sílice coloidal o una mezcla de sílice y alúmina . Los materiales catalíticos se suspenden en la capa de recubrimiento antes de aplicarlos al núcleo. Los materiales de la capa de recubrimiento se seleccionan para formar una superficie rugosa e irregular, lo que aumenta la superficie en comparación con la superficie lisa del sustrato desnudo. [ 20 ]
  3. Ceria o ceria-zirconia . Estos óxidos se añaden principalmente como promotores del almacenamiento de oxígeno. [ 21 ]
  4. El catalizador en sí es, por lo general, una mezcla de metales preciosos , principalmente del grupo del platino . El platino es el catalizador más activo y se usa ampliamente, pero no es adecuado para todas las aplicaciones debido a reacciones adicionales no deseadas y su costo históricamente elevado. El paladio y el rodio son otros dos metales preciosos utilizados, aunque desde febrero de 2023, el platino se ha convertido en el menos costoso de los metales del grupo del platino. El rodio se usa como catalizador de reducción , el paladio como catalizador de oxidación y el platino tanto para reducción como para oxidación. También se utilizan cerio , hierro , manganeso y níquel , aunque cada uno tiene sus limitaciones . El cobre también se puede usar en la mayoría de los países. El níquel no es legal para su uso en la Unión Europea debido a su reacción con el monóxido de carbono en tetracarbonilo de níquel tóxico .

En caso de avería, un convertidor catalítico puede reciclarse en lugar de desecharse . Se extraen los metales preciosos que contiene: platino, paladio y rodio.

Ubicación de los convertidores catalíticos

Los convertidores catalíticos requieren una temperatura de 400 °C (750 °F) para funcionar eficazmente. Por lo tanto, se colocan lo más cerca posible del motor, o bien se instala uno o más convertidores catalíticos más pequeños (conocidos como "precatalizadores" ) inmediatamente después del colector de escape.  

Tipos

Bidireccional

Un convertidor catalítico de dos vías (o de "oxidación", a veces llamado "oxi-cat") tiene dos funciones simultáneas:

  1. Oxidación del monóxido de carbono a dióxido de carbono : 2CO + O₂ → 2CO₂
  2. Oxidación de hidrocarburos (combustible sin quemar y parcialmente quemado) a dióxido de carbono y agua : C x H 2 x +2 + [(3 x +1)/2]O 2 → x CO 2 + ( x +1)H 2 O (una reacción de combustión)

El convertidor catalítico de dos vías se utiliza ampliamente en motores diésel para reducir las emisiones de hidrocarburos y monóxido de carbono. También se utilizó en motores de gasolina en los mercados automovilísticos estadounidense y canadiense hasta 1981. Debido a su incapacidad para controlar los óxidos de nitrógeno , los fabricantes instalaron brevemente sistemas de doble catalizador, con un catalizador de rodio/platino reductor de NO x antes de la bomba de aire, lo que condujo al desarrollo del convertidor catalítico de tres vías. [ 14 ] El convertidor catalítico de dos vías también se siguió utilizando en ciertos automóviles de menor costo en algunos mercados, como Europa, donde las emisiones de NO x no estaban reguladas universalmente hasta la introducción de la norma de emisiones Euro 3 en 2000. [ 22 ]

Tres vías

Los convertidores catalíticos de tres vías tienen la ventaja adicional de controlar la emisión de óxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (NO₂ ) ( ambos abreviados conjuntamente como NOₓ y que no deben confundirse con el óxido nitroso (N₂O ) ) . Los NOₓ son precursores de la lluvia ácida y el esmog . [ 23 ]

Desde 1981, los convertidores catalíticos de tres vías (oxidación-reducción) se han utilizado en los sistemas de control de emisiones de vehículos en Estados Unidos y Canadá; muchos otros países también han adoptado regulaciones estrictas sobre emisiones vehiculares que, en efecto, requieren convertidores de tres vías en vehículos de gasolina. Los catalizadores de reducción y oxidación suelen estar contenidos en una carcasa común; sin embargo, en algunos casos, pueden estar alojados por separado. Un convertidor catalítico de tres vías realiza tres tareas simultáneas: [ 23 ]

Reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno ( N₂ )

  • do+2NO2→CO2+2NO{\displaystyle {\text{C}}+2{\text{NO}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}+2{\text{NO}}}
  • CO+NO→CO2+12norte2{\displaystyle {\text{CO}}+{\text{NO}}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}}
  • 2CO+NO2→2CO2+12norte2{\displaystyle 2{\text{CO}}+{\text{NO}}_{2}\,\rightarrow \,2{\text{CO}}_{2}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}}
  • H2+NO→H2O+12norte2{\displaystyle {\text{H}}_{2}+{\text{NO}}\,\rightarrow \,{\text{H}}_{2}{\text{O}}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}}

Oxidación del carbono, los hidrocarburos y el monóxido de carbono a dióxido de carbono.

  • do+O2→CO2{\displaystyle {\text{C}}+{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}}
  • CO+12O2→CO2{\displaystyle {\text{CO}}+{\frac {1}{2}}{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}}
  • adoincógnitaHy+bO2→doCO2+dH2Oa,b,do,d,incógnita,y∈Z{\displaystyle a\,{\text{C}}_{x}{\text{H}}_{y}+b\,{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,c\,{\text{CO}}_{2}+d\,{\text{H}}_{2}{\text{O}}\qquad a,\,b,\,c,\,d,\,x,\,y\in \mathbb {Z} }

Estas tres reacciones ocurren de manera más eficiente cuando el motor funciona dentro de una banda estrecha de relaciones aire-combustible cerca del punto estequiométrico. [ 24 ] La eficiencia de conversión total cae muy rápidamente cuando el motor funciona fuera de esta banda. Ligeramente pobre de la estequiométrica, los gases de escape del motor contienen exceso de oxígeno, la producción de NO x por el motor aumenta y la eficiencia del catalizador para reducir NO x cae rápidamente. Sin embargo, la conversión de HC y CO es muy eficiente debido al oxígeno disponible, oxidándose a H 2 O y CO 2 . Ligeramente rico de la estequiométrica, la producción de CO y HC no quemado por el motor comienza a aumentar drásticamente, el oxígeno disponible disminuye y la eficiencia del catalizador para oxidar CO y HC disminuye significativamente, especialmente a medida que se agota el oxígeno almacenado. Sin embargo, la eficiencia del catalizador para reducir NO x es buena y la producción de NO x por el motor disminuye.

Para mantener la eficiencia del catalizador, la relación aire - combustible debe mantenerse cerca de la estequiométrica y no permanecer demasiado tiempo en una mezcla rica o pobre. Por lo tanto, los motores equipados con convertidores catalíticos de tres vías regulados cuentan con un sistema de control de carburador o inyección de combustible de retroalimentación de circuito cerrado para gestionar el equilibrio continuo entre mezcla rica y pobre necesario para una reducción eficaz de NO x y la oxidación de HC+CO. El sistema de control permite que el catalizador libere oxígeno durante condiciones de funcionamiento ligeramente ricas, lo que oxida el CO y el HC en condiciones que también favorecen la reducción de NO x. Antes de que se agote el oxígeno almacenado, el sistema de control modifica la relación aire-combustible para que sea ligeramente pobre, mejorando la oxidación de HC y CO a la vez que almacena oxígeno adicional en el material del catalizador, con una pequeña penalización en la eficiencia de reducción de NO x . A continuación, la mezcla aire - combustible vuelve a ser ligeramente rica, con una pequeña penalización en la eficiencia de oxidación de CO y HC, y el ciclo se repite. La eficiencia mejora cuando esta oscilación alrededor del punto estequiométrico es pequeña y se controla cuidadosamente. [ 25 ]

El control de bucle cerrado bajo carga ligera a moderada se logra mediante el uso de uno o más sensores de oxígeno en el sistema de escape. Cuando el sensor detecta oxígeno, la relación aire-combustible es pobre en comparación con la estequiométrica, y cuando no lo detecta, es rica. El sistema de control ajusta la cantidad de combustible que se suministra al motor en función de esta señal para mantener la relación aire-combustible cerca del punto estequiométrico y así maximizar la eficiencia de conversión del catalizador. El algoritmo de control también se ve afectado por el retardo de tiempo entre el ajuste del caudal de combustible y la detección del cambio en la relación aire - combustible por parte del sensor, así como por la respuesta sigmoidal de los sensores de oxígeno. Los sistemas de control típicos están diseñados para variar rápidamente la relación aire - combustible de manera que oscile ligeramente alrededor del punto estequiométrico, manteniéndose cerca del punto de eficiencia óptima mientras se gestionan los niveles de oxígeno almacenado y HC no quemados. [ 24 ]

El control de bucle cerrado suele suspenderse durante el funcionamiento a alta carga/máxima potencia, cuando se permite un aumento de las emisiones y se ordena una mezcla rica para incrementar la potencia y evitar que la temperatura de los gases de escape supere los límites de diseño. Esto supone un reto para el diseño del sistema de control y del catalizador. Durante estas operaciones, el motor produce grandes cantidades de hidrocarburos no quemados, muy por encima de la capacidad del catalizador para liberar oxígeno. La superficie del catalizador se satura rápidamente de hidrocarburos. Al volver a una menor potencia y a relaciones aire-combustible más pobres, el sistema de control debe evitar que el oxígeno excesivo llegue al catalizador demasiado rápido, ya que esto quemaría rápidamente los hidrocarburos en el catalizador ya caliente, pudiendo superar el límite de temperatura de diseño del catalizador. Una temperatura excesiva del catalizador puede envejecerlo prematuramente, reduciendo su eficiencia antes de alcanzar su vida útil de diseño. Una temperatura excesiva del catalizador también puede deberse a fallos de encendido en los cilindros, que envían continuamente hidrocarburos no quemados combinados con oxígeno al catalizador caliente, quemándose en él y aumentando su temperatura. [ 26 ]

Reacciones no deseadas

Las reacciones no deseadas dan lugar a la formación de sulfuro de hidrógeno y amoníaco , que envenenan los catalizadores. En ocasiones, se añade níquel o manganeso al recubrimiento para limitar las emisiones de sulfuro de hidrógeno. Los combustibles sin azufre o con bajo contenido de azufre eliminan o minimizan los problemas relacionados con el sulfuro de hidrógeno.

Motores diésel

En los motores de encendido por compresión (es decir, diésel ), el catalizador más utilizado es el catalizador de oxidación diésel (DOC). Los DOC contienen paladio o platino soportados sobre alúmina . Este catalizador convierte las partículas (PM), los hidrocarburos y el monóxido de carbono en dióxido de carbono y agua. Estos catalizadores suelen operar con una eficiencia del 90 %, eliminando prácticamente el olor a diésel y contribuyendo a reducir las partículas visibles. Estos catalizadores son ineficaces para los NO x , por lo que las emisiones de NO x de los motores diésel se controlan mediante la recirculación de gases de escape (EGR).

En 2010, la mayoría de los fabricantes de vehículos diésel ligeros en EE. UU. añadieron sistemas catalíticos a sus vehículos para cumplir con los requisitos federales de emisiones. Se han desarrollado dos técnicas para la reducción catalítica de las emisiones de NO x en condiciones de escape pobres: la reducción catalítica selectiva (SCR) y el adsorbente de NO x .

En lugar de absorbentes de NO x que contienen metales preciosos , la mayoría de los fabricantes optaron por sistemas SCR de metales base que utilizan un reactivo como el amoníaco para reducir el NO x a nitrógeno y agua. [ 27 ] El amoníaco se suministra al sistema catalítico mediante la inyección de urea en los gases de escape, que luego sufre descomposición térmica e hidrólisis para convertirse en amoníaco. La solución de urea también se conoce como fluido de escape diésel (DEF).

Los gases de escape diésel contienen niveles relativamente altos de partículas. Los convertidores catalíticos eliminan solo entre el 20 % y el 40 % de las partículas, por lo que estas se limpian mediante un filtro de partículas diésel (DPF). En Estados Unidos, todos los vehículos diésel ligeros, medianos y pesados ​​fabricados después del 1 de enero de 2007 están sujetos a límites de emisiones de partículas diésel y, por lo tanto, están equipados con un convertidor catalítico de dos vías y un filtro de partículas diésel. Si el motor se fabricó antes del 1 de enero de 2007, el vehículo no está obligado a tener el sistema DPF. Esto provocó un aumento en el inventario por parte de los fabricantes de motores a finales de 2006 para poder seguir vendiendo vehículos anteriores a la implementación del DPF hasta bien entrado 2007. [ 28 ]

Motores de encendido por chispa de combustión pobre

En los motores de encendido por chispa de combustión pobre , se utiliza un catalizador de oxidación de la misma manera que en un motor diésel. Las emisiones de estos motores son muy similares a las de un motor diésel de encendido por compresión.

Instalación

Muchos vehículos cuentan con un convertidor catalítico de acoplamiento cercano, ubicado cerca del colector de escape del motor . Este convertidor se calienta rápidamente debido a su exposición a los gases de escape a alta temperatura, lo que le permite reducir las emisiones contaminantes durante el calentamiento del motor. Esto se logra mediante la combustión del exceso de hidrocarburos que resulta de la mezcla rica necesaria para el arranque en frío.

Cuando se introdujeron los convertidores catalíticos, la mayoría de los vehículos utilizaban carburadores que proporcionaban una mezcla aire-combustible relativamente rica . Por lo tanto, los niveles de oxígeno (O₂) en los gases de escape solían ser insuficientes para que la reacción catalítica se produjera de forma eficiente. En consecuencia, la mayoría de los diseños de la época incluían la inyección de aire secundario , que inyectaba aire en los gases de escape. Esto aumentaba el oxígeno disponible, permitiendo que el catalizador funcionara correctamente.

Algunos sistemas de convertidores catalíticos de tres vías cuentan con sistemas de inyección de aire que se inyectan entre la primera ( reducción de NO x ) y la segunda (oxidación de HC y CO) etapas del convertidor. Al igual que en los convertidores de dos vías, este aire inyectado proporciona oxígeno para las reacciones de oxidación. En ocasiones, también se incluye un punto de inyección de aire aguas arriba, antes del convertidor catalítico, para proporcionar oxígeno adicional únicamente durante el calentamiento del motor. Esto provoca la ignición del combustible no quemado en el conducto de escape, impidiendo así que llegue al convertidor catalítico. Esta técnica reduce el tiempo de funcionamiento del motor necesario para que el convertidor catalítico alcance su temperatura de activación o de funcionamiento .

La mayoría de los vehículos modernos cuentan con sistemas de inyección electrónica de combustible y no requieren sistemas de inyección de aire en el escape. En cambio, proporcionan una mezcla aire-combustible controlada con precisión que alterna de forma rápida y continua entre combustión pobre y rica. Los sensores de oxígeno monitorizan el contenido de oxígeno en los gases de escape antes y después del convertidor catalítico, y la unidad de control del motor utiliza esta información para ajustar la inyección de combustible y evitar que el primer catalizador ( reducción de NO x ) se sature de oxígeno, al tiempo que garantiza que el segundo catalizador (oxidación de HC y CO) esté suficientemente saturado de oxígeno.

Daño

La intoxicación del catalizador se produce cuando el convertidor catalítico se expone a gases de escape que contienen sustancias que recubren las superficies de trabajo, impidiendo así su contacto y reacción con los gases. El contaminante más importante es el plomo , por lo que los vehículos equipados con convertidores catalíticos solo pueden funcionar con gasolina sin plomo . Otros contaminantes comunes del catalizador incluyen azufre , manganeso (que proviene principalmente del aditivo de gasolina MMT ) y silicio , que puede entrar en el flujo de escape si el motor presenta una fuga que permite la entrada de refrigerante a la cámara de combustión. El fósforo es otro contaminante del catalizador. Aunque el fósforo ya no se utiliza en la gasolina, este (junto con el zinc , otro contaminante del catalizador en bajas concentraciones) se utilizaba ampliamente en aditivos antidesgaste para aceites de motor, como el ditiofosfato de zinc (ZDDP). A partir de 2004, se adoptó un límite de concentración de fósforo en los aceites de motor en las especificaciones API SM e ILSAC GF-4.

Dependiendo del contaminante, la intoxicación del catalizador a veces puede revertirse haciendo funcionar el motor bajo una carga muy pesada durante un período prolongado. El aumento de la temperatura de los gases de escape puede, en ocasiones, vaporizar o sublimar el contaminante, eliminándolo de la superficie catalítica. Sin embargo, la eliminación de depósitos de plomo de esta manera generalmente no es posible debido al alto punto de ebullición del plomo. [ 29 ]

Cualquier condición que provoque niveles anormalmente altos de hidrocarburos no quemados (combustible o aceites crudos o parcialmente quemados) que lleguen al convertidor tenderá a elevar significativamente su temperatura, lo que conlleva el riesgo de una fusión del sustrato y la consiguiente desactivación catalítica y una restricción severa del escape. Estas condiciones incluyen fallas en los componentes anteriores del sistema de escape (conjunto del colector o cabezal y abrazaderas asociadas susceptibles a la oxidación, corrosión o fatiga, como la astillación del colector de escape después de repetidos ciclos de calentamiento), el sistema de encendido (por ejemplo, bobinas de encendido, componentes primarios de encendido, tapa del distribuidor, cables, bobina de encendido y bujías) o componentes dañados del sistema de combustible (por ejemplo, inyectores de combustible, regulador de presión de combustible y sensores asociados). Las fugas de aceite y refrigerante, posiblemente causadas por una fuga en la junta de culata, también pueden causar altos niveles de hidrocarburos no quemados.

Reglamentos

Las regulaciones sobre emisiones varían considerablemente de una jurisdicción a otra. La mayoría de los motores de encendido por chispa de los automóviles en Norteamérica han estado equipados con convertidores catalíticos desde 1975, [ 5 ] [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] y la tecnología utilizada en aplicaciones no automotrices generalmente se basa en la tecnología automotriz. En muchas jurisdicciones, es ilegal quitar o inhabilitar un convertidor catalítico por cualquier razón que no sea su reemplazo directo e inmediato. Sin embargo, algunos propietarios de vehículos quitan o "vacían" el convertidor catalítico de su vehículo. [ 30 ] [ 31 ] En tales casos, el convertidor puede ser reemplazado por una sección soldada de tubería común o un "tubo de prueba" con brida, aparentemente destinado a verificar si el convertidor está obstruido comparando cómo funciona el motor con y sin el convertidor. Esto facilita la reinstalación temporal del convertidor para pasar una prueba de emisiones. [ 32 ]

En Estados Unidos, es una violación de la Sección 203(a)(3)(A) de la Ley de Aire Limpio enmendada de 1990 que un taller de reparación de vehículos retire un convertidor de un vehículo, o haga que se retire un convertidor de un vehículo, excepto para reemplazarlo por otro convertidor, [ 33 ] y la Sección 203(a)(3)(B) prohíbe a cualquier persona vender o instalar cualquier pieza que eluda, anule o deje inoperativo cualquier sistema, dispositivo o elemento de diseño de control de emisiones. Los vehículos sin convertidores catalíticos en funcionamiento generalmente no pasan las inspecciones de emisiones. El mercado de repuestos automotrices ofrece convertidores de alto flujo para vehículos con motores mejorados o cuyos propietarios prefieren un sistema de escape con mayor capacidad que el original. [ 34 ]

Los convertidores catalíticos son obligatorios en todos los coches de gasolina nuevos vendidos en la Unión Europea y el Reino Unido desde el 1 de enero de 1993 para cumplir con las normas de emisiones Euro 1. [ 35 ]

Efecto sobre el flujo de escape

Los convertidores catalíticos defectuosos, así como los convertidores antiguos que no presentan daños, pueden restringir el flujo de gases de escape, lo que afecta negativamente el rendimiento del vehículo y el consumo de combustible. [ 30 ] Los convertidores catalíticos modernos no restringen significativamente el flujo de gases de escape. Por ejemplo, una prueba realizada en 2006 en un Honda Civic de 1999 demostró que la eliminación del convertidor catalítico original solo produjo un aumento del 3 % en la potencia máxima; un nuevo convertidor con núcleo metálico solo redujo la potencia del vehículo en un 1 %, en comparación con la ausencia de convertidor. [ 32 ]

Peligros

Los carburadores de los vehículos anteriores a 1981 que no contaban con control de retroalimentación de la mezcla de combustible y aire podían suministrar fácilmente demasiado combustible al motor, lo que podría provocar el sobrecalentamiento del convertidor catalítico y, potencialmente, la ignición de materiales inflamables debajo del automóvil. [ 36 ]

Período de calentamiento

Los vehículos equipados con convertidores catalíticos emiten la mayor parte de su contaminación total durante los primeros cinco minutos de funcionamiento del motor; es decir, antes de que el convertidor catalítico se haya calentado lo suficiente para ser completamente efectivo. [ 37 ]

A principios de la década de 2000, se hizo común colocar el convertidor catalítico justo al lado del colector de escape, cerca del motor, para un calentamiento mucho más rápido. En 1995, Alpina introdujo un catalizador calentado eléctricamente. Llamado "E-KAT", se utilizó en el Alpina B12 5,7 E-KAT basado en el BMW 750i . [ 38 ] Las bobinas de calentamiento dentro de los conjuntos del convertidor catalítico se electrifican justo después de arrancar el motor, llevando el catalizador a la temperatura de funcionamiento muy rápidamente para que el vehículo cumpla con los requisitos para la designación de vehículo de bajas emisiones (LEV). [ 39 ] BMW introdujo más tarde el mismo catalizador calentado, desarrollado conjuntamente por Emitec, Alpina y BMW, [ 38 ] en su 750i en 1999. [ 39 ]

Algunos vehículos contienen un precatalizador, un pequeño convertidor catalítico ubicado antes del convertidor catalítico principal que se calienta más rápido al arrancar el vehículo, reduciendo así las emisiones asociadas con los arranques en frío. Los fabricantes de automóviles suelen utilizar un precatalizador para obtener la certificación de Vehículo de Emisiones Ultrabajas (ULEV), como en el Toyota MR2 Roadster. [ 40 ]

Efecto ambiental

Los convertidores catalíticos han demostrado ser fiables y eficaces para reducir las emisiones contaminantes del tubo de escape. Sin embargo, también presentan algunas limitaciones en su uso, así como efectos ambientales adversos en su producción:

  • Un motor equipado con un catalizador de tres vías debe funcionar en el punto estequiométrico , lo que significa que consume más combustible que un motor de combustión pobre . Esto se traduce en aproximadamente un 10 % más de emisiones de CO₂ del vehículo.
  • La producción de convertidores catalíticos requiere paladio o platino ; parte del suministro mundial de estos metales preciosos se produce cerca de Norilsk , Rusia, donde la industria (entre otras) ha provocado que Norilsk se añada a la lista de lugares más contaminados de la revista Time . [ 41 ]
  • El calor extremo de los convertidores [ 42 ] puede provocar incendios forestales , especialmente en zonas secas. [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]

Robo

Debido a su ubicación externa y al uso de metales preciosos valiosos como el platino , el paladio y el rodio , los convertidores catalíticos son un objetivo para los ladrones. El problema es especialmente común en camionetas pickup y SUV basadas en camionetas de modelos recientes , debido a su gran altura libre al suelo y a la facilidad con la que se pueden desmontar los convertidores catalíticos atornillados. Los convertidores soldados también corren riesgo de robo, ya que se pueden cortar fácilmente. Los vehículos híbridos (con mayor frecuencia el Toyota Prius ) se consideran objetivos de alto valor, ya que los convertidores catalíticos necesitan mayores cantidades de metales preciosos para funcionar correctamente en comparación con los vehículos convencionales de combustión interna, porque no se calientan tanto como los instalados en vehículos convencionales, dado que los motores de combustión funcionan con menos frecuencia. [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]

Los cortatubos se utilizan a menudo para quitar silenciosamente el convertidor [ 49 ] [ 50 ] pero otras herramientas como una sierra recíproca portátil pueden dañar otros componentes del automóvil, como el sensor de oxígeno , el cableado o las líneas de combustible, con consecuencias potencialmente peligrosas.

En 2023, se presentó en el Senado de los Estados Unidos una legislación bipartidista para combatir el robo de convertidores catalíticos . La Ley para la Prevención del Robo de Convertidores Catalíticos en Automóviles (Ley PART) exigiría que los convertidores catalíticos de los vehículos nuevos incluyeran números de identificación rastreables. Además, la legislación tipificaría el robo de convertidores catalíticos como delito federal. [ 51 ]

Estadística

El aumento de los precios de los metales en EE. UU. durante el auge de las materias primas en la década de 2000 provocó un incremento significativo en el robo de convertidores catalíticos. Reemplazar un convertidor catalítico puede costar más de $1000, e incluso más si el vehículo resulta dañado durante el robo. [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] Además de dañar otros sistemas del vehículo, el robo también puede causar la muerte y lesiones a los ladrones. [ 55 ]

Los robos de convertidores catalíticos aumentaron más de diez veces en los Estados Unidos desde finales de la década de 2010 hasta principios de la década de 2020, impulsados ​​presumiblemente por el aumento en el precio de los metales preciosos contenidos en los convertidores. [ 56 ] Los hallazgos del estudio revelan una elasticidad precio promedio de 1,98, lo que significa que un aumento del 10 por ciento en el precio del metal conduce a un aumento aproximado del 20 por ciento en los robos. [ 57 ] Según la Oficina Nacional de Delitos de Seguros , hubo 1298 casos reportados de robo de convertidores catalíticos en 2018, que aumentaron a 14 433 en 2020. [ 58 ] En 2022, se informó que el número de robos de convertidores catalíticos en los Estados Unidos aumentó drásticamente a 153 000 robos totales para el año. [ 57 ]

Entre 2019 y 2020, los ladrones en el Reino Unido se centraron en coches híbridos de modelos antiguos (como los híbridos de Toyota ) que contienen más metales preciosos que los vehículos más nuevos —a veces con un valor superior al del propio coche—, lo que provocó escasez y largas demoras en su reemplazo. [ 59 ]

En 2021, surgió en la República Democrática del Congo una tendencia en la que se alegaba el robo de convertidores catalíticos para su uso en la producción ilícita de drogas callejeras. Se decía que la droga, un polvo conocido como "bombé", era una mezcla de pastillas/vitaminas en polvo y estructuras de panal pulverizadas de convertidores catalíticos. [ 60 ] Sin embargo, en 2023, un estudio de varias muestras de la droga concluyó que su supuesto origen en los gases de escape de los convertidores catalíticos no estaba fundamentado. [ 61 ]

Diagnóstico

Actualmente, varias jurisdicciones exigen diagnósticos a bordo para monitorear el funcionamiento y el estado del sistema de control de emisiones, incluido el convertidor catalítico. Los vehículos equipados con sistemas de diagnóstico OBD-II están diseñados para alertar al conductor sobre una condición de falla de encendido mediante la iluminación de la luz de "revisar motor" en el tablero, o haciéndola parpadear si las condiciones actuales de falla de encendido son lo suficientemente graves como para dañar potencialmente el convertidor catalítico. [ 62 ] Los sistemas de diagnóstico a bordo adoptan varias formas.

Los sensores de temperatura se utilizan con dos propósitos. El primero es como sistema de alerta, generalmente en convertidores catalíticos bidireccionales como los que se usan en carretillas elevadoras de GLP. La función del sensor es alertar cuando la temperatura del convertidor catalítico supera el límite seguro de 750 °C (1380 °F) . Los diseños modernos de convertidores catalíticos son menos susceptibles a los daños por temperatura y pueden soportar temperaturas sostenidas de 900 °C (1650 °F) . Los sensores de temperatura también se utilizan para monitorear el funcionamiento del catalizador: normalmente se instalan dos sensores, uno antes del catalizador y otro después, para monitorear el aumento de temperatura en el núcleo del convertidor catalítico.    

El sensor de oxígeno es la base del sistema de control de circuito cerrado en un motor de combustión rica con encendido por chispa; sin embargo, también se utiliza para el diagnóstico. En vehículos con OBD II, se instala un segundo sensor de oxígeno después del convertidor catalítico para monitorear los niveles de O₂ . Estos niveles se monitorean para evaluar la eficiencia del proceso de combustión. La computadora de a bordo compara las lecturas de ambos sensores mediante mediciones de voltaje. Si ambos sensores muestran la misma salida o el sensor de O₂ trasero presenta fluctuaciones, la computadora detecta que el convertidor catalítico no funciona o ha sido retirado, activando así un indicador de mal funcionamiento y afectando el rendimiento del motor. Se han desarrollado simuladores de sensores de oxígeno para solucionar este problema, simulando el cambio a través del convertidor catalítico con planos y dispositivos preensamblados disponibles en internet. Si bien su uso en carretera no es legal, se han utilizado con resultados diversos. [ 63 ] Dispositivos similares aplican un desplazamiento a las señales del sensor, lo que permite que el motor funcione con una combustión pobre más económica en cuanto al consumo de combustible, lo que, sin embargo, puede dañar el motor o el convertidor catalítico. [ 64 ]

Los sensores de NO x son extremadamente caros y, por lo general, solo se utilizan cuando un motor de encendido por compresión está equipado con un convertidor de reducción catalítica selectiva (SCR) o un absorbedor de NO x en un sistema de retroalimentación. En un sistema SCR, puede haber uno o dos sensores. Si se instala un solo sensor, este se ubicará antes del catalizador; si se instalan dos, el segundo se ubicará después del catalizador. Se utilizan por las mismas razones y de la misma manera que un sensor de oxígeno; la única diferencia radica en la sustancia que se monitoriza.

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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