Un convertidor catalítico es un dispositivo de control de emisiones de escape que convierte gases tóxicos y contaminantes en los gases de escape de un motor de combustión interna en contaminantes menos tóxicos al catalizar una reacción redox . Los convertidores catalíticos se utilizan generalmente con motores de combustión interna alimentados con gasolina o diésel , incluidos los motores de mezcla pobre y, a veces, en calentadores y estufas de queroseno .
La primera introducción generalizada de convertidores catalíticos se produjo en el mercado del automóvil de Estados Unidos . Para cumplir con la regulación más estricta de emisiones de escape de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. , la mayoría de los vehículos propulsados por gasolina a partir del año modelo 1975 están equipados con convertidores catalíticos. [1] [2] [3] Estos convertidores "bidireccionales" combinan oxígeno con monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos no quemados (HC) para producir dióxido de carbono (CO 2 ) y agua (H 2 O). Aunque los convertidores de dos vías en motores de gasolina quedaron obsoletos en 1981 debido a los convertidores de "tres vías" que también reducen los óxidos de nitrógeno ( NO x ), [4] todavía se usan en motores de mezcla pobre para oxidar partículas y emisiones de hidrocarburos. (incluidos los motores diésel, que normalmente utilizan combustión pobre), ya que los convertidores de tres vías requieren una combustión rica en combustible o estequiométrica para reducir con éxito los NOx .
Aunque los convertidores catalíticos se aplican más comúnmente a los sistemas de escape de los automóviles, también se utilizan en generadores eléctricos , montacargas , equipos de minería, camiones , autobuses , locomotoras , motocicletas y barcos. Incluso se utilizan en algunas estufas de leña para controlar las emisiones. [5] Esto suele ser en respuesta a la regulación gubernamental , ya sea a través de regulaciones ambientales o de salud y seguridad.
Los prototipos de convertidores catalíticos se diseñaron por primera vez en Francia a finales del siglo XIX, cuando sólo circulaban por las carreteras unos pocos miles de "coches petrolíferos"; Estos prototipos tenían materiales inertes a base de arcilla recubiertos con platino , rodio y paladio y sellados en un doble cilindro metálico. [6] Unas décadas más tarde, Eugene Houdry , un ingeniero mecánico francés, patentó un convertidor catalítico . Houdry era un experto en el refinado catalítico de petróleo, habiendo inventado el proceso de craqueo catalítico en el que se basa hoy en día todo el refinado moderno. [7] Houdry se mudó a los Estados Unidos en 1930 para vivir cerca de las refinerías en el área de Filadelfia y desarrollar su proceso de refinación catalítica. Cuando se publicaron los resultados de los primeros estudios sobre el smog en Los Ángeles, Houdry se preocupó por el papel de los gases de escape de las chimeneas y de los automóviles en la contaminación del aire y fundó una empresa llamada Oxy-Catalyst. Houdry desarrolló por primera vez convertidores catalíticos para chimeneas , llamados "gatos" para abreviar, y más tarde desarrolló convertidores catalíticos para carretillas elevadoras de almacén que utilizaban gasolina sin plomo de baja calidad. [8] A mediados de la década de 1950, comenzó a investigar para desarrollar convertidores catalíticos para motores de gasolina utilizados en automóviles y recibió la patente estadounidense 2.742.437 por su trabajo. [9]
Los convertidores catalíticos fueron desarrollados aún más por una serie de ingenieros, incluidos Carl D. Keith , John J. Mooney , Antonio Eleazar y Phillip Messina en Engelhard Corporation, [10] [11] creando el primer convertidor catalítico de producción en 1973. [12] [ fuente poco confiable? ]
La primera introducción generalizada de convertidores catalíticos se produjo en el mercado del automóvil de Estados Unidos. Para cumplir con las nuevas regulaciones sobre emisiones de escape de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. , la mayoría de los vehículos a gasolina fabricados a partir de 1975 están equipados con convertidores catalíticos. Los primeros convertidores catalíticos eran "bidireccionales", 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) . ). [4] [1] [2] [3] Estas estrictas regulaciones de control de emisiones también dieron como resultado la eliminación del agente antidetonante tetraetilo de plomo de la gasolina automotriz, para reducir el plomo en el aire. El plomo y sus compuestos son venenos para los catalizadores y contaminan 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: a este se le añadió un catalizador separado (rodio/platino) que reducía los NO x delante de la bomba de aire, seguido de un convertidor catalítico de dos vías ( paladio/platino) eliminó HC y CO. [14] Este sistema engorroso y costoso pronto se volvió redundante, después de que se observó que bajo algunas condiciones el catalizador inicial también eliminaba HC y CO. Esto llevó al desarrollo del catalizador de tres vías. , posible gracias a los avances en la electrónica y la gestión del motor. [14]
William C. Pfefferle desarrolló una cámara de combustión catalítica 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 también eliminan las partículas del escape del motor; Dado que la mayoría de estas partículas son hidrocarburos no quemados, pueden quemarse para convertirlos en dióxido de carbono. [17] [18]
La construcción del convertidor catalítico es la siguiente:
En caso de falla, un convertidor catalítico puede reciclarse como chatarra . Se extraen los metales preciosos del interior del convertidor, incluidos el platino, el paladio y el rodio.
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 se colocan uno o más convertidores catalíticos más pequeños (conocidos como "pre-gatos") inmediatamente después del colector de escape.
Un convertidor catalítico de 2 vías (u "oxidación", a veces llamado "oxi-cat") tiene dos tareas simultáneas:
Este tipo de convertidor catalítico se utiliza ampliamente en motores diésel para reducir las emisiones de hidrocarburos y monóxido de carbono. También se utilizaron en motores de gasolina en automóviles de los mercados estadounidense y canadiense hasta 1981. Debido a su incapacidad para controlar los óxidos de nitrógeno , los fabricantes instalaron brevemente sistemas de catalizadores gemelos, con un catalizador reductor de NOx de rodio/platino delante de la bomba de aire. lo que llevó al desarrollo del convertidor de tres vías. [14] El oxi-cat también continuó utilizándose en ciertos automóviles de menor costo en algunos mercados como Europa, donde las emisiones de NO x no estaban reguladas universalmente hasta la introducción en 2000 de la norma de emisiones Euro 3. [22]
Los convertidores catalíticos de tres vías tienen la ventaja adicional de controlar la emisión de óxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (NO 2 ) (ambos juntos abreviados como NO x y no deben confundirse con óxido nitroso (N 2 O) ). Las especies de NOx son precursoras de la lluvia ácida y el smog . [23]
Desde 1981, se han utilizado convertidores catalíticos de "tres vías" (oxidación-reducción) en los sistemas de control de emisiones de vehículos en los Estados Unidos y Canadá; Muchos otros países también han adoptado estrictas regulaciones sobre emisiones de vehículos que, de hecho, requieren convertidores de tres vías en los vehículos propulsados por gasolina. Los catalizadores de reducción y oxidación normalmente están contenidos en una carcasa común; sin embargo, en algunos casos, pueden alojarse por separado. Un convertidor catalítico de tres vías tiene tres tareas simultáneas: [23]
Reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno (N 2 )
Oxidación de carbono, hidrocarburos y monóxido de carbono a dióxido de carbono.
Estas tres reacciones ocurren de manera más eficiente cuando el convertidor catalítico recibe el escape de un motor que funciona ligeramente por encima del punto estequiométrico . Para la combustión de gasolina, esta proporción es de entre 14,6 y 14,8 partes de aire por una parte de combustible, en peso. La proporción para los combustibles de autogás (o gas licuado de petróleo GLP), gas natural y etanol puede variar significativamente para cada uno, en particular con los combustibles oxigenados o a base de alcohol; el e85 requiere aproximadamente un 34% más de combustible, lo que requiere ajustes y componentes modificados del sistema de combustible cuando utilizando esos combustibles. Los motores equipados con convertidores catalíticos regulados de 3 vías están equipados con un sistema computarizado de inyección de combustible con retroalimentación de circuito cerrado que utiliza uno o más sensores de oxígeno (también conocidos como sondas Lambda o sensores). Se utilizaron otras variantes que combinaban convertidores de tres vías con carburadores equipados con control de mezcla por retroalimentación. Un convertidor de tres vías no regulado presenta los mismos procesos químicos pero sin el sensor de oxígeno, lo que implica mayores emisiones de NOx , especialmente bajo cargas parciales. Se trataba de soluciones de bajo coste, que normalmente se utilizaban para modernizar coches más antiguos o para coches más pequeños y baratos.
Los convertidores de tres vías son eficaces 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 pobres en estequiometría, los gases de escape del motor contienen exceso de oxígeno, la producción de NOx por el motor aumenta y la eficiencia del catalizador para reducir NOx disminuye 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 en estequiométrico, la producción de CO y HC no quemados por el motor comienza a aumentar dramáticamente, 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 eficacia del catalizador para reducir los NOx es buena y la producción de NOx por el motor disminuye. Para mantener la eficiencia del catalizador, la relación aire-combustible debe permanecer cerca de la estequiométrica y no permanecer rica o pobre por mucho tiempo.
Los sistemas de control de motor de circuito cerrado se utilizan para el funcionamiento eficaz de los convertidores catalíticos de tres vías debido a este equilibrio continuo rico-pobre necesario para una reducción eficaz de NOx y oxidación de HC+CO. El sistema de control permite que el catalizador libere oxígeno durante condiciones de operación ligeramente ricas, lo que oxida CO y HC en condiciones que también favorecen la reducción de NOx. Antes de que se agote el oxígeno almacenado, el sistema de control cambia la relación aire-combustible para volverla ligeramente pobre, mejorando la oxidación de HC y CO mientras almacena oxígeno adicional en el material del catalizador, con una pequeña penalización en la eficiencia de reducción de NOx . Luego, la mezcla de aire y 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 cuidadosamente controlada. [25]
El control de circuito cerrado bajo cargas ligeras a moderadas 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 o estequiométrica, y cuando no se detecta oxígeno, es rica. El sistema de control ajusta la tasa de combustible que se inyecta en el motor en función de esta señal para mantener la relación aire-combustible cerca del punto estequiométrico para maximizar la eficiencia de conversión del catalizador. El algoritmo de control también se ve afectado por el retraso de tiempo entre el ajuste del caudal de combustible y la detección de la relación aire-combustible modificada por el sensor, así como la respuesta sigmoidea de los sensores de oxígeno. Los sistemas de control típicos están diseñados para barrer rápidamente la relación aire-combustible de modo que oscile ligeramente alrededor del punto estequiométrico, manteniéndose cerca del punto de eficiencia óptima mientras gestiona los niveles de oxígeno almacenado y HC no quemados. [24]
El control de circuito cerrado a menudo no se utiliza durante el funcionamiento con carga alta/potencia máxima, cuando se permite un aumento de las emisiones y se ordena una mezcla rica para aumentar la potencia y evitar que la temperatura de los gases de escape exceda los límites de diseño. Esto presenta un desafío para el diseño del sistema de control y del catalizador. Durante tales operaciones, el motor produce grandes cantidades de HC sin quemar, mucho más allá de la capacidad del catalizador para liberar oxígeno. La superficie del catalizador se satura rápidamente con HC. Al volver a una producción de potencia más baja y a relaciones aire-combustible más pobres, el sistema de control debe evitar que un exceso de oxígeno llegue al catalizador demasiado rápido, ya que esto quemará rápidamente el HC en el catalizador ya caliente, excediendo potencialmente 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 prevista. La temperatura excesiva del catalizador también puede ser causada por un fallo de encendido del cilindro, que hace fluir continuamente HC sin quemar combinado con oxígeno al catalizador caliente, quemándose en el catalizador y aumentando su temperatura. [26]
Las reacciones no deseadas provocan la formación de sulfuro de hidrógeno y amoníaco , que envenenan los catalizadores. A veces se añade níquel o manganeso a la capa de lavado para limitar las emisiones de sulfuro de hidrógeno. [ cita necesaria ] Los combustibles sin azufre o bajos en azufre eliminan o minimizan los problemas con el sulfuro de hidrógeno.
Para los motores de encendido por compresión (es decir, diésel ), el convertidor catalítico más comúnmente utilizado es el catalizador de oxidación diésel (DOC). Los DOC contienen paladio y/o platino soportados sobre alúmina . Este catalizador convierte partículas (PM), hidrocarburos y monóxido de carbono en dióxido de carbono y agua. Estos convertidores suelen funcionar con una eficiencia del 90 por ciento, lo que prácticamente elimina el olor a diésel y ayuda a reducir las partículas visibles. Estos catalizadores son ineficaces para los NOx , por lo que las emisiones de NOx 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 de EE. UU. agregaron sistemas catalíticos a sus vehículos para cumplir con los requisitos federales de emisiones. Se han desarrollado dos técnicas para la reducción catalítica de emisiones de NOx en condiciones de escape pobre, la reducción catalítica selectiva (SCR) y el adsorbedor de NOx .
En lugar de absorbentes de NO x que contienen metales preciosos , la mayoría de los fabricantes seleccionaron sistemas SCR de metales básicos que utilizan un reactivo como el amoníaco para reducir los NO x en nitrógeno y agua. [27] El amoníaco se suministra al sistema catalizador mediante la inyección de urea en el escape, que luego sufre descomposición térmica e hidrólisis en amoníaco. La solución de urea también se conoce como líquido 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 las partículas se limpian mediante una trampa de hollín o un filtro de partículas diésel (DPF). En EE. UU., todos los vehículos diésel de carretera 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 2 vías y un filtro de partículas diésel. . [ cita necesaria ] Siempre que el motor haya sido fabricado antes del 1 de enero de 2007, no es necesario que el vehículo tenga el sistema DPF. [ cita necesaria ] Esto llevó a un aumento del inventario por parte de los fabricantes de motores a finales de 2006 para poder continuar vendiendo vehículos anteriores al DPF hasta bien entrado 2007. [28]
Para los motores de encendido por chispa de mezcla pobre , se utiliza un catalizador de oxidación de la misma manera que en un motor diésel. Las emisiones de los motores de encendido por chispa de combustión pobre son muy similares a las emisiones de un motor diésel de encendido por compresión.
Muchos vehículos tienen un convertidor catalítico de acoplamiento corto ubicado cerca del colector de escape del motor . El convertidor se calienta rápidamente debido a su exposición a los gases de escape muy calientes, lo que le permite reducir las emisiones no deseadas durante el período de calentamiento del motor. Esto se consigue quemando el exceso de hidrocarburos resultantes de la mezcla extra rica necesaria para un arranque en frío.
Cuando se introdujeron por primera vez los convertidores catalíticos, la mayoría de los vehículos utilizaban carburadores que proporcionaban una relación aire-combustible relativamente rica . Por lo tanto, los niveles de oxígeno (O 2 ) en la corriente de escape eran generalmente insuficientes para que la reacción catalítica se produjera de manera eficiente. Por lo tanto, la mayoría de los diseños de la época incluían inyección de aire secundaria , que inyectaba aire en la corriente de escape. Esto aumentó el oxígeno disponible, permitiendo que el catalizador funcionara según lo previsto.
Algunos sistemas de convertidor catalítico de tres vías tienen sistemas de inyección de aire con el aire inyectado entre la primera ( reducción de NO x ) y la segunda (oxidación de HC y CO) del convertidor. Como en los convertidores de dos vías, este aire inyectado proporciona oxígeno para las reacciones de oxidación. A veces también está presente un punto de inyección de aire aguas arriba, delante del convertidor catalítico, para proporcionar oxígeno adicional sólo durante el período de calentamiento del motor. Esto provoca que el combustible no quemado se encienda en el tubo de escape, impidiendo así que llegue al catalizador. Esta técnica reduce el tiempo de funcionamiento del motor necesario para que el convertidor catalítico alcance su temperatura de funcionamiento o "encendido" .
La mayoría de los vehículos más nuevos tienen sistemas electrónicos de inyección de combustible y no requieren sistemas de inyección de aire en sus escapes. En cambio, proporcionan una mezcla de aire y combustible controlada con precisión que alterna rápida y continuamente entre combustión pobre y rica. Los sensores de oxígeno monitorean el contenido de oxígeno del escape antes y después del convertidor catalítico, y la unidad de control del motor usa esta información para ajustar la inyección de combustible para evitar que el primer catalizador ( reducción de NO x ) se cargue de oxígeno, al mismo tiempo que garantiza que el segundo. (oxidación de HC y CO) está suficientemente saturado de oxígeno.
El envenenamiento del catalizador ocurre cuando el convertidor catalítico se expone a sustancias que contienen gases de escape que recubren las superficies de trabajo, de modo que no pueden entrar en contacto ni reaccionar con los gases de escape. El contaminante más notable es el plomo , por lo que los vehículos equipados con convertidores catalíticos sólo pueden funcionar con combustible sin plomo . Otros venenos catalizadores comunes incluyen azufre , manganeso (que se origina principalmente del aditivo de gasolina MMT ) y silicio , que pueden ingresar a la corriente de escape si el motor tiene una fuga que permite que el refrigerante ingrese a la cámara de combustión. El fósforo es otro contaminante del catalizador. Aunque el fósforo ya no se usa en la gasolina, él (y el zinc , otro contaminante catalizador de bajo nivel) se usó ampliamente en aditivos antidesgaste de aceite 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, el envenenamiento del catalizador a veces se puede revertir haciendo funcionar el motor bajo una carga muy pesada durante un período prolongado. [ cita necesaria ] El aumento de la temperatura del escape a veces puede vaporizar o sublimar el contaminante, eliminándolo de la superficie catalítica. [ cita necesaria ] Sin embargo, la eliminación de los depósitos de plomo de esta manera generalmente no es posible debido al alto punto de ebullición del plomo. [29]
Cualquier condición que cause que niveles anormalmente altos de hidrocarburos no quemados (combustible o aceites crudos o parcialmente quemados) lleguen al convertidor tenderá a elevar significativamente su temperatura, lo que conlleva el riesgo de una fusión del sustrato y la desactivación catalítica resultante y una restricción severa del escape. Estas condiciones incluyen fallas de los componentes aguas arriba del sistema de escape (conjunto de colector/colector y abrazaderas asociadas susceptibles a oxidación/corrosión y/o fatiga, por ejemplo, el colector de escape se astilla después de repetidos ciclos de calor), sistema de encendido, por ejemplo, paquetes de bobinas y/o encendido primario. componentes (por ejemplo, tapa del distribuidor, cables, bobina de encendido y bujías) y/o componentes del sistema de combustible dañados (inyectores de combustible, regulador de presión de combustible y sensores asociados). Las fugas de aceite y/o refrigerante, quizás causadas por una fuga en la junta de la culata, también pueden provocar un alto nivel de hidrocarburos no quemados.
Las regulaciones sobre emisiones varían considerablemente de una jurisdicción a otra. La mayoría de los motores de encendido por chispa de los automóviles en América del Norte han estado equipados con convertidores catalíticos desde 1975, [4] [1] [2] [3] y la tecnología utilizada en aplicaciones no automotrices generalmente se basa en la tecnología automotriz. En muchas jurisdicciones, es ilegal retirar o desactivar un convertidor catalítico por cualquier motivo que no sea su reemplazo directo e inmediato. Sin embargo, algunos propietarios de vehículos retiran o "destripan" el catalizador de su vehículo. [30] [31] En tales casos, el convertidor puede ser reemplazado por una sección soldada de tubería ordinaria o un "tubo de prueba" con bridas, 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 los 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 con otro convertidor, [33] y la Sección 203(a)(3)(B) hace ilegal que cualquier persona venda o instale cualquier pieza que pueda evitar, anular o dejar inoperativo cualquier sistema, dispositivo o elemento de diseño de control de emisiones. Los vehículos sin convertidores catalíticos que funcionan generalmente no pasan las inspecciones de emisiones. El mercado de repuestos para automóviles suministra convertidores de alto flujo para vehículos con motores mejorados o cuyos propietarios prefieren un sistema de escape con una capacidad mayor que la existente. [34]
Los convertidores catalíticos son obligatorios en todos los coches nuevos de gasolina 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]
Los convertidores catalíticos defectuosos, así como los primeros tipos de convertidores que no están dañados, pueden restringir el flujo de escape, lo que afecta negativamente el rendimiento del vehículo y la economía de combustible. [30] Los convertidores catalíticos modernos no restringen significativamente el flujo de escape. Una prueba realizada en 2006 en un Honda Civic 1999, por ejemplo, mostró que quitar el convertidor catalítico original generaba sólo un aumento del 3% en la potencia máxima; un nuevo convertidor de núcleo metálico solo le costó al automóvil un 1% de caballos de fuerza, en comparación con ningún convertidor. [32]
Los carburadores de vehículos anteriores a 1981 sin control de retroalimentación de la mezcla de aire y combustible podrían fácilmente proporcionar demasiado combustible al motor, lo que podría causar que el convertidor catalítico se sobrecaliente y potencialmente encienda materiales inflamables debajo del automóvil. [36]
Los vehículos equipados con convertidores catalíticos emiten la mayor parte de su contaminación total durante los primeros cinco minutos de funcionamiento del motor; por ejemplo, antes de que el convertidor catalítico se haya calentado lo suficiente como 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. Denominado "E-KAT", se utilizó en el B12 5,7 E-KAT de Alpina basado en el BMW 750i . [38] Las bobinas de calentamiento dentro de los conjuntos de convertidor catalítico se electrifican justo después de arrancar el motor, lo que hace que el catalizador alcance la temperatura de funcionamiento muy rápidamente para calificar el vehículo 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 precat, un pequeño convertidor catalítico aguas arriba del convertidor catalítico principal que se calienta más rápido al arrancar el vehículo, lo que reduce las emisiones asociadas con los arranques en frío. Un fabricante de automóviles utiliza con mayor frecuencia un precat cuando intenta alcanzar la clasificación de vehículo de emisiones ultrabajas (ULEV), como en el Toyota MR2 Roadster. [40]
Los convertidores catalíticos han demostrado ser fiables y eficaces para reducir las emisiones nocivas del tubo de escape. Sin embargo, también tienen algunas desventajas en su uso y también efectos ambientales adversos en la producción:
Because of the external location and the use of valuable precious metals including platinum, palladium and rhodium, catalytic converters are a target for thieves. The problem is especially common among late-model pickup trucks and truck-based SUVs, because of their high ground clearance and easily removed bolt-on catalytic converters. Welded-on converters are also at risk of theft, as they can be easily cut off. The Toyota Prius catalytic converters are also targets for thieves. The catalytic converters of hybrids need more of the precious metals to work properly compared to conventional internal combustion vehicles because they do not get as hot as those installed on conventional vehicles, since the combustion engines of hybrids only run part of the time.[46][47][48]
Pipecutters are often used to quietly remove the converter[49][50] but other tools such as a portable reciprocating saw can damage other components of the car, such as the alternator, wiring or fuel lines, with potentially dangerous consequences.
In 2023, bipartisan legislation to combat catalytic converter theft was introduced in the U.S. Senate. The Preventing Auto Recycling Thefts Act (PART Act) would mandate catalytic converters in new vehicles to come with traceable identification numbers. Additionally, the legislation would make catalytic converter theft a federal criminal offense.[51]
Rising metal prices in the U.S. during the 2000s commodities boom led to a significant increase in converter theft. A catalytic converter can cost more than $1,000 to replace, more if the vehicle is damaged during the theft.[52][53][54] Apart from damaging other systems of the vehicle, theft can also cause death and injury to thieves.[55]
Thefts of catalytic converters rose over tenfold in the United States from the late 2010s to early 2020s, driven presumably by the rise in the price of precious metals contained within the converters.[56] According to the National Insurance Crime Bureau, there were 1,298 reported cases of catalytic converter theft in 2018, which increased to 14,433 in 2020.[57]
From 2019 to 2020, thieves in the United Kingdom were targeting older-model hybrid cars (such as Toyota's hybrids) which have more precious metals than newer vehicles—sometimes worth more than the value of the car—leading to scarcity and long delays in replacing them.[58]
En 2021 surgió una tendencia en la República Democrática del Congo en la que supuestamente se robaban 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. [59] En 2023, sin embargo, un estudio de varias muestras de la droga concluyó que su supuesto origen a partir de escapes catalíticos no estaba demostrado. [60]
Varias jurisdicciones ahora exigen diagnósticos a bordo para monitorear el funcionamiento y la condición 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 encendiendo la luz "revisar motor" en el tablero o encendiéndola si las condiciones actuales de falla de encendido son lo suficientemente graves como para dañar potencialmente el convertidor catalítico. [61]
Los sistemas de diagnóstico a bordo adoptan varias formas.
Los sensores de temperatura se utilizan para dos propósitos. El primero es como sistema de advertencia, normalmente en convertidores catalíticos de dos vías, como los que todavía se utilizan a veces en las carretillas elevadoras de GLP. La función del sensor es advertir sobre la temperatura del convertidor catalítico por encima del límite seguro de 750 °C (1380 °F). Los diseños modernos de convertidores catalíticos no son tan susceptibles a los daños causados por la temperatura y pueden soportar temperaturas sostenidas de 900 °C (1650 °F). [ cita necesaria ] Los sensores de temperatura también se utilizan para monitorear el funcionamiento del catalizador: generalmente se instalarán dos sensores, uno antes del catalizador y otro después para monitorear el aumento de temperatura sobre el núcleo del convertidor catalítico. [ cita necesaria ]
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 diagnóstico. En vehículos con OBD II , se instala un segundo sensor de oxígeno después del convertidor catalítico para controlar los niveles de O 2 . Los niveles de O 2 se controlan para ver la eficiencia del proceso de quemado. La computadora de a bordo realiza comparaciones entre las lecturas de los dos sensores. Las lecturas se toman mediante mediciones de voltaje. Si ambos sensores muestran la misma salida o el O 2 trasero está "cambiando", la computadora reconoce que el convertidor catalítico no está funcionando o se ha quitado, y activará una lámpara indicadora de mal funcionamiento y afectará el rendimiento del motor. Para solucionar este problema se han desarrollado sencillos "simuladores de sensores de oxígeno" simulando el cambio a través del catalizador con planos y dispositivos premontados disponibles en Internet. Aunque no son legales para uso en carretera, se han utilizado con resultados mixtos. [62] Dispositivos similares aplican una compensación a las señales del sensor, lo que permite que el motor funcione con una combustión pobre más económica en combustible que, sin embargo, puede dañar el motor o el convertidor catalítico. [63]
Los sensores de NOx son extremadamente caros y, en general, se utilizan sólo cuando un motor de encendido por compresión está equipado con un convertidor de reducción catalítica selectiva (SCR) o un absorbente de NOx en un sistema de retroalimentación. Cuando se instala en un sistema SCR, puede haber uno o dos sensores. Cuando se instale un sensor, será precatalizador; cuando se instalen dos, el segundo será post-catalizador. Se utilizan por las mismas razones y de la misma manera que un sensor de oxígeno; la única diferencia es la sustancia que se controla. [ cita necesaria ]
Durante años, el sistema de escape... permaneció prácticamente sin cambios hasta 1975, cuando se añadió un nuevo componente extraño. Se llama convertidor catalítico...
{{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )¡El modelo actual BMW 750iL tiene una carga eléctrica máxima de 428 amperios (5,9 kW)! En este vehículo, más de la mitad de la carga máxima se debe al calentamiento eléctrico breve de los catalizadores.
{{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )