¿Cómo funciona un convertidor catalítico automotriz?

Durante el funcionamiento del motor de combustión interna, se emiten gases de escape a la atmósfera, que no solo son una de las principales causas de contaminación del aire, sino también una de las causas de muchas enfermedades.

Estos gases, que provienen de los sistemas de escape de los vehículos, están compuestos de elementos extremadamente dañinos, por lo que los automóviles modernos están equipados con un sistema de escape especial, en el que necesariamente está presente un catalizador.

El convertidor catalítico destruye las moléculas dañinas de los gases de escape y las hace lo más seguras posible para las personas y el medio ambiente.

¿Qué es un catalizador?

El convertidor catalítico es un tipo de dispositivo cuya tarea principal es reducir las emisiones nocivas de los gases de escape de los motores de los automóviles. El dispositivo catalizador es simple. Este es un tanque de metal que se instala en el sistema de escape de un automóvil.

Hay dos tuberías en el tanque. La "entrada" del convertidor está conectada al motor, y los gases de escape fluyen a través de él, y la "salida" está conectada al resonador del sistema de escape del automóvil.

Cuando el escape del motor ingresa al catalizador, se producen reacciones químicas en él. Destruyen gases nocivos y los convierten en gases seguros que pueden liberarse al medio ambiente.

¿En qué elementos consiste el convertidor catalítico?

Para que quede un poco más claro cómo funciona un convertidor catalítico de automóviles, consideremos cuáles son sus elementos principales. Sin entrar en detalles, enumeramos solo los elementos principales de los que está construido.

Sustrato

El sustrato es la estructura interna del catalizador sobre la cual se recubren el catalizador y los metales preciosos. Hay varios tipos de sustratos. Su principal diferencia es el material del que está hecho. La mayoría de las veces es una sustancia inerte que estabiliza las partículas activas en su superficie.

Покрытие

El material catalizador activo generalmente consiste en alúmina y compuestos como cerio, zirconio, níquel, bario, lantano y otros. El propósito del recubrimiento es expandir la superficie física del sustrato y servir como base sobre la cual se depositan los metales preciosos.

Metales preciosos

Los metales preciosos presentes en el convertidor catalítico sirven para llevar a cabo una reacción catalítica de suma importancia. Los metales preciosos más utilizados son el platino, el paladio y el rodio, pero en los últimos años un gran número de fabricantes han comenzado a utilizar el oro.

viviendas

La carcasa es la cubierta exterior del dispositivo y contiene el sustrato y otros elementos del catalizador. El material del que suele estar hecha la caja es el acero inoxidable.

Tubos

Las tuberías conectan el convertidor catalítico del vehículo al sistema de escape y al motor del vehículo. Están hechos de acero inoxidable.

¿Cómo funciona un convertidor catalítico automotriz?

Para el funcionamiento del motor de combustión interna, es importante que tenga lugar un proceso de combustión estable de la mezcla de aire y combustible en sus cilindros. Durante este proceso, se forman gases nocivos, como monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos y otros.

Si el automóvil no tiene un convertidor catalítico, todos estos gases extremadamente dañinos después de ser liberados en el colector de escape del motor pasarán a través del sistema de escape y entrarán directamente en el aire que respiramos.

Si el vehículo tiene un convertidor catalítico, los gases de escape pasarán del motor al silenciador a través del panal del sustrato y reaccionarán con metales preciosos. Como resultado de una reacción química, las sustancias nocivas se neutralizan y solo un escape inofensivo, que consiste principalmente en dióxido de carbono, ingresa al medio ambiente desde el sistema de escape.

Sabemos por las lecciones de química que un catalizador es una sustancia que provoca o acelera una reacción química sin afectarla. Los catalizadores participan en las reacciones pero no son reactivos ni productos de una reacción catalítica.

Hay dos etapas a través de las cuales pasan gases nocivos en el catalizador: reducción y oxidación. ¿Cómo funciona?

Cuando la temperatura de funcionamiento del catalizador alcanza de 500 a 1200 grados Fahrenheit o 250-300 grados Celsius, suceden dos cosas: reducción e inmediatamente después de la reacción de oxidación. Esto suena un poco complicado, pero en realidad significa que las moléculas de una sustancia simultáneamente pierden y reciben electrones, por lo que su estructura cambia.

La reducción (consumo de oxígeno) que ocurre en el catalizador tiene como objetivo convertir el óxido nítrico en un gas ecológico.

¿Cómo funciona el catalizador automotriz en la fase de recuperación?

Cuando el óxido nitroso del gas de escape del automóvil ingresa al catalizador, el platino y el rodio comienzan a afectar la descomposición de las moléculas de óxido nítrico, convirtiendo el gas nocivo en completamente inofensivo.

¿Qué sucede en la etapa de oxidación?

La segunda etapa, que tiene lugar en el catalizador, se llama reacción de oxidación en la que los hidrocarburos no quemados se convierten en dióxido de carbono y agua mediante la mezcla con oxígeno (oxidación).

Las reacciones que ocurren en el catalizador cambian la composición química de los gases de escape, cambiando la estructura del átomo del que están compuestos. Cuando las moléculas de gases nocivos pasan del motor al catalizador, las separa en átomos. Los átomos, a su vez, se recombinan en moléculas en sustancias relativamente inofensivas como dióxido de carbono, nitrógeno y agua, y se liberan al medio ambiente a través de un sistema de escape.

Los principales tipos de convertidores catalíticos utilizados en motores de gasolina son dos: de dos vías y de tres vías.

Doble cara

Un catalizador de doble pared (dos lados) realiza simultáneamente dos tareas: oxida el monóxido de carbono a dióxido de carbono y oxida los hidrocarburos (combustible no quemado o parcialmente quemado) a dióxido de carbono y agua.

Este tipo de catalizador automotriz se usó en motores diesel y de gasolina para reducir las emisiones nocivas de hidrocarburos y monóxido de carbono hasta 1981, pero como no podía convertir los óxidos de nitrógeno, después de 81 años fue reemplazado por catalizadores de tres vías.

Convertidor catalítico redox de tres vías

Resultó que este tipo de catalizador automotriz se introdujo en 1981 y hoy está instalado en todos los automóviles modernos. El catalizador de tres vías realiza tres tareas simultáneamente:

• restaura el óxido nítrico a nitrógeno y oxígeno;
• oxida monóxido de carbono a dióxido de carbono;
• oxida los hidrocarburos no quemados a dióxido de carbono y agua.

Debido a que este tipo de convertidor catalítico realiza los pasos de reducción y oxidación de la catálisis, realiza su tarea con una eficiencia de hasta el 98 %. Esto significa que si su automóvil está equipado con un convertidor catalítico de este tipo, no contaminará el medio ambiente con emisiones nocivas.

Tipos de catalizadores en motores diesel

Para los vehículos diesel, hasta hace poco, uno de los convertidores catalíticos más utilizados era el catalizador de oxidación diesel (DOC). Este catalizador utiliza oxígeno en la corriente de escape para convertir el monóxido de carbono en dióxido de carbono y los hidrocarburos en agua y dióxido de carbono. Desafortunadamente, este tipo de catalizador es solo 90% efectivo y logra eliminar el olor a diesel y reducir las partículas visibles, pero no es efectivo para reducir las emisiones de NO x.

Los motores diesel emiten gases que contienen un nivel relativamente alto de partículas (hollín), que consiste principalmente en carbono elemental, que los catalizadores DOC no pueden manejar, por lo que las partículas deben eliminarse utilizando los llamados filtros de partículas (DPF).

¿Cómo se reparan los catalizadores?

Para evitar problemas con el catalizador, es importante saber que:

• La vida media del catalizador es de aproximadamente 160000 km. Habiendo recorrido esta distancia, debe pensar en reemplazar el convertidor.
• Si el vehículo está equipado con un convertidor catalítico, no debe usar combustible con plomo, ya que reduce la eficacia del catalizador. El único combustible adecuado en este caso es el sin plomo.

Sin duda, los beneficios ambientales y de salud de estos dispositivos son enormes, pero además de sus ventajas, también tienen sus inconvenientes.

Uno de sus mayores inconvenientes es que solo funcionan a altas temperaturas. En otras palabras, cuando enciende el automóvil, el convertidor catalítico no hace casi nada para reducir las emisiones de escape.

Comienza a funcionar de manera eficiente solo después de que los gases de escape se calientan a 250-300 grados Celsius. Es por eso que algunos fabricantes de automóviles han tomado medidas para resolver este problema al acercar el catalizador al motor, lo que, por un lado, mejora el rendimiento del dispositivo, pero acorta su vida útil, ya que su proximidad al motor lo expone a temperaturas muy altas.

En los últimos años, se decidió colocar el convertidor catalítico debajo del asiento del pasajero a una distancia que le permita trabajar de manera más eficiente sin exponerse a altas temperaturas del motor.

Otras desventajas de los catalizadores son la frecuente obstrucción y la quema de tortas. El quemado generalmente ocurre debido a que el combustible no quemado ingresa al sistema de escape y se enciende en la alimentación del convertidor catalítico. La obstrucción ocurre con mayor frecuencia debido a gasolina deficiente o inadecuada, desgaste normal, estilo de conducción, etc.

Estos son defectos muy pequeños en medio de los enormes beneficios que obtenemos al usar catalizadores automotrices. Gracias a estos dispositivos, las emisiones nocivas de los automóviles son limitadas.

Algunos críticos argumentan que el dióxido de carbono también es una emisión dañina. Creen que no se necesita un catalizador en un automóvil, porque tales emisiones aumentan el efecto invernadero. De hecho, si un automóvil no tiene un convertidor catalítico y emite monóxido de carbono al aire, este óxido se convertirá en dióxido de carbono en la atmósfera.

¿Quién inventó el catalizador?

Aunque los catalizadores no aparecieron masivamente hasta finales de la década de 1970, su historia comenzó mucho antes.

Se considera que el padre del catalizador es el ingeniero químico francés Eugene Goudry, quien en 1954 patentó su invento con el nombre de "Convertidor catalítico de escape".

Antes de esta invención, Goodry inventó el craqueo catalítico en el que grandes productos químicos orgánicos complejos se separan en productos inofensivos. Luego experimentó con diferentes tipos de combustible, su objetivo era hacerlo más limpio.

El uso real de catalizadores en automóviles tuvo lugar a mediados de la década de 1970, cuando se introdujeron normas de control de emisiones más estrictas que requerían la eliminación del plomo del escape debido a la gasolina de baja calidad.

Preguntas y respuestas

¿Cómo comprobar la presencia de un catalizador en un coche? Para hacer esto, solo mire debajo del auto. Además del silenciador principal y el silenciador pequeño (el resonador que se encuentra frente al sistema de escape), el catalizador es otra bombilla.

¿Dónde está el catalizador en el automóvil? Dado que el catalizador debe operar en condiciones de alta temperatura, está ubicado lo más cerca posible del colector de escape. Está frente al resonador.

¿Qué es un catalizador en un automóvil? Este es un convertidor catalítico, una bombilla adicional en el sistema de escape. Está relleno de material cerámico, cuyo panal está cubierto de metal precioso.