Cómo funcionan los convertidores catalíticos

Una gran pila de convertidores catalíticos revestidos de platino. Vea más imágenes de vida ecológica. James L.Amos / National Geographic / Getty Images

Hay millones de automóviles en las carreteras de los Estados Unidos y cada uno es una fuente de contaminación del aire. Especialmente en las grandes ciudades, la cantidad de contaminación que producen todos los coches juntos puede crear grandes problemas..

Para resolver esos problemas, las ciudades, los estados y el gobierno federal crean leyes de aire limpio que restringen la cantidad de contaminación que pueden producir los automóviles. A lo largo de los años, los fabricantes de automóviles han realizado muchas mejoras en los motores y sistemas de combustible de los automóviles para cumplir con estas leyes. Uno de estos cambios se produjo en 1975 con un dispositivo interesante llamado conversor catalítico. El trabajo del convertidor catalítico es convertir los contaminantes nocivos en emisiones menos nocivas antes de que salgan del sistema de escape del automóvil..

Los convertidores catalíticos son dispositivos increíblemente simples, por lo que es increíble ver el gran impacto que tienen. En este artículo, aprenderá qué contaminantes produce un motor y cómo un convertidor catalítico se ocupa de cada uno de estos contaminantes para ayudar a reducir las emisiones de los vehículos..

Contenido

1. Contaminantes producidos por el motor de un automóvil
2. Cómo los convertidores catalíticos reducen la contaminación
3. Controlar la contaminación y mejorar el rendimiento

La ubicación de un convertidor catalítico en un automóvil..

Para reducir las emisiones, los motores de los automóviles modernos controlan cuidadosamente la cantidad de combustible que queman. Intentan mantener la relación aire-combustible muy cerca de la estequiométrico punto, que es la proporción ideal de aire a combustible. En teoría, en esta proporción, todo el combustible se quemará utilizando todo el oxígeno del aire. Para la gasolina, la relación estequiométrica es de aproximadamente 14,7: 1, lo que significa que por cada libra de gasolina, se quemarán 14,7 libras de aire. La mezcla de combustible en realidad varía bastante de la relación ideal durante la conducción. A veces la mezcla puede ser apoyarse (una relación aire-combustible superior a 14,7), y otras veces la mezcla se puede Rico (una relación aire-combustible inferior a 14,7).

Las principales emisiones de un motor de automóvil son:

• Gas nitrógeno (N2) - El aire es un 78 por ciento de gas nitrógeno, y la mayor parte pasa directamente a través del motor del automóvil..
• Dióxido de carbono (CO2) - Este es un producto de la combustión. El carbono del combustible se une al oxígeno del aire..
• Vapor de agua (H2O) - Este es otro producto de la combustión. El hidrógeno del combustible se une al oxígeno del aire..

Estas emisiones son en su mayoría benignas, aunque se cree que las emisiones de dióxido de carbono contribuyen al calentamiento global. Debido a que el proceso de combustión nunca es perfecto, también se producen pequeñas cantidades de emisiones más nocivas en los motores de los automóviles. Los convertidores catalíticos están diseñados para reducir los tres:

• Monóxido de carbono (CO) es un gas venenoso que es incoloro e inodoro.
• Hidrocarburos o compuestos orgánicos volátiles (VOC) son un componente importante del smog producido principalmente a partir de combustible evaporado sin quemar..
• Oxido de nitrógeno (NO y NO2, llamados juntos NOx) contribuyen al smog y la lluvia ácida, que también causa irritación en las membranas mucosas humanas.

En la siguiente sección, veremos exactamente lo que sucede dentro del convertidor catalítico..

¿Son las cortadoras de césped las siguientes??

Galón por galón, los nuevos motores de las cortadoras de césped contribuyen con 93 veces más emisiones de smog que los automóviles nuevos. No es de extrañar que la EPA y los reguladores estatales de California estén esforzándose por conseguir convertidores catalíticos del tamaño de una pelota de golf en cortadoras de césped y otros motores pequeños. Sin embargo, al igual que en la década de 1970, los legisladores se encuentran con un poderoso lobby. Briggs & Stratton, el fabricante líder de motores pequeños, dice que estas regulaciones serían un producto inseguro que emite demasiado calor. Cuatro fabricantes de motores de cortacésped más pequeños han refutado esta acusación. Briggs & Stratton también sostiene que el sobrecalentamiento podría provocar incendios de matorrales si las cortadoras de césped se dejan en funcionamiento y quietas. Los demócratas de California y la EPA creen que tiene más que ver con el resultado final. Las regulaciones pendientes propuestas en California podrían reducir las emisiones en el equivalente a 800,000 automóviles por día [fuente: Barringer].

En química, un Catalizador es una sustancia que provoca o acelera una reacción química sin que ella misma se vea afectada. Los catalizadores participan en las reacciones, pero no son reactivos ni productos de la reacción que catalizan. En el cuerpo humano, las enzimas son catalizadores naturales responsables de muchas reacciones bioquímicas esenciales [fuente: Chemicool].

En el convertidor catalítico, hay dos tipos diferentes de catalizador en funcionamiento, un catalizador de reducción y un catalizador de oxidación. Ambos tipos consisten en una estructura cerámica recubierta con un catalizador metálico, generalmente platino, rodio y / o paladio. La idea es crear una estructura que exponga el área superficial máxima del catalizador a la corriente de escape, minimizando al mismo tiempo la cantidad de catalizador requerida, ya que los materiales son extremadamente caros. Algunos de los convertidores más nuevos incluso han comenzado a usar oro mezclado con los catalizadores más tradicionales. El oro es más barato que los otros materiales y podría aumentar la oxidación, la reacción química que reduce los contaminantes, hasta en un 40 por ciento [fuente: Kanellos].

La mayoría de los coches modernos están equipados con convertidores catalíticos de tres vías. Se refiere a las tres emisiones reguladas que ayuda a reducir.

-los catalizador de reducción es la primera etapa del convertidor catalítico. Utiliza platino y rodio para ayudar a reducir las emisiones de NOx. Cuando una molécula de NO o NO2 entra en contacto con el catalizador, el catalizador arranca el átomo de nitrógeno de la molécula y lo retiene, liberando el oxígeno en forma de O2. Los átomos de nitrógeno se unen con otros átomos de nitrógeno que también están adheridos al catalizador, formando N2. Por ejemplo:

2NO => N2 + O2 o 2NO2 => N2 + 2O2

2NO => N₂ + O₂ o 2NO₂ => N₂ + 2O₂

Estructura de catalizador de panal de cerámica.

los catalizador de oxidación es la segunda etapa del convertidor catalítico. Reduce los hidrocarburos no quemados y el monóxido de carbono al quemarlos (oxidarlos) sobre un catalizador de platino y paladio. Este catalizador ayuda a la reacción del CO y los hidrocarburos con el oxígeno restante en el gas de escape. Por ejemplo:

2CO + O₂ => 2CO₂

Hay dos tipos principales de estructuras que se utilizan en los convertidores catalíticos. -- panal y cuentas de cerámica. La mayoría de los coches de hoy utilizan una estructura de panal..

En la siguiente sección, veremos la tercera etapa del proceso de conversión y cómo puede aprovechar al máximo su convertidor catalítico..

La tercera etapa de conversión es un sistema de control que monitorea el flujo de escape y usa esta información para controlar el sistema de inyección de combustible. Hay un sensor de oxígeno montado aguas arriba del convertidor catalítico, lo que significa que está más cerca del motor que del convertidor. Este sensor le dice a la computadora del motor cuánto oxígeno hay en el escape. La computadora del motor puede aumentar o disminuir la cantidad de oxígeno en el escape ajustando la relación aire-combustible. Este esquema de control permite a la computadora del motor asegurarse de que el motor esté funcionando cerca del punto estequiométrico, y también asegurarse de que haya suficiente oxígeno en el escape para permitir que el catalizador de oxidación queme los hidrocarburos no quemados y el CO.

El convertidor catalítico hace un gran trabajo para reducir la contaminación, pero aún puede mejorarse sustancialmente. Una de sus mayores deficiencias es que solo funciona a una temperatura bastante alta. Cuando enciende su automóvil en frío, el convertidor catalítico no hace casi nada para reducir la contaminación en su escape.

Una solución simple a este problema es acercar el convertidor catalítico al motor. Esto significa que los gases de escape más calientes llegan al convertidor y se calienta más rápido, pero esto también puede reducir la vida útil del convertidor al exponerlo a temperaturas extremadamente altas. La mayoría de los fabricantes de automóviles colocan el convertidor debajo del asiento del pasajero delantero, lo suficientemente lejos del motor para mantener la temperatura a niveles que no lo dañarán..

Precalentamiento el convertidor catalítico es una buena forma de reducir las emisiones. La forma más sencilla de precalentar el convertidor es utilizar calentadores de resistencia eléctrica. Desafortunadamente, los sistemas eléctricos de 12 voltios de la mayoría de los automóviles no proporcionan suficiente energía o potencia para calentar el convertidor catalítico lo suficientemente rápido. La mayoría de la gente no esperaría varios minutos hasta que el convertidor catalítico se calentara antes de arrancar su automóvil. Los automóviles híbridos que tienen paquetes de baterías grandes de alto voltaje pueden proporcionar suficiente energía para calentar el convertidor catalítico muy rápidamente.

Convertidores catalíticos en motores diesel no funcionan tan bien en la reducción de NOx. Una razón es que los motores diésel funcionan más fríos que los motores estándar y los convertidores funcionan mejor a medida que se calientan. Algunos de los principales expertos en automóviles ambientales han ideado un nuevo sistema que ayuda a combatir esto. Ellos inyectan un urea solución en el tubo de escape, antes de que llegue al convertidor, para evaporarse y mezclarse con el escape y crear una reacción química que reducirá los NOx. Urea, también conocida como carbamida, es un compuesto orgánico hecho de carbono, nitrógeno, oxígeno e hidrógeno. Se encuentra en la orina de mamíferos y anfibios. La urea reacciona con NOx para producir nitrógeno y vapor de agua, eliminando más del 90 por ciento de los óxidos de nitrógeno en los gases de escape [fuente: Informe de Innovaciones].

Robo del convertidor catalítico

-En todo el país, los SUV y las camionetas se están convirtiendo en el objetivo de los oportunistas que buscan sacar provecho de los valiosos metales preciosos que se utilizan dentro de los convertidores catalíticos. Un convertidor catalítico estándar contiene varios cientos de dólares en platino, paladio y rodio. La distancia al suelo en camiones y SUV facilita el acceso a los convertidores, por lo que todo lo que un ladrón necesita es una sierra recíproca y unos 60 segundos. Esta tendencia tiene a la policía al acecho en muchas partes del país donde este tipo de robo ha sido un problema. La policía advierte a los conductores de camionetas y SUV que se estacionen en áreas concurridas y bien iluminadas.

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Fuentes

• Barringer, Felicity; Una forma más ecológica de cortar el césped se complica en un lobby poderoso. New York Times
• Kanellos, Michael; Oro para los motores diesel. CNET News.com
• www.chemicool.com
• www.innovations-report.com