Convertidor catalítico

Un convertidor catalítico es un dispositivo de control de emisiones de escape que convierte los gases tóxicos y contaminantes presentes en 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 alimentados 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 fue en el mercado automovilístico de los Estados Unidos. Para cumplir con la regulación más estricta de las emisiones de escape de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos , la mayoría de los vehículos a 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 bidireccionales en los motores de gasolina quedaron obsoletos en 1981 por los convertidores "tridireccionales" que también reducen los óxidos de nitrógeno ( NO _x ), ^[4] todavía se utilizan en motores de combustión pobre para oxidar las emisiones de partículas e hidrocarburos (incluidos los motores diésel, que suelen utilizar combustión pobre), ya que los convertidores de tres vías requieren una combustión rica en combustible o estequiométrica para reducir con éxito el NO _x .

Aunque los convertidores catalíticos se aplican más comúnmente en los sistemas de escape de los automóviles, también se utilizan en generadores eléctricos , carretillas elevadoras , 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 la regulación ambiental o de las regulaciones de salud y seguridad.

Los primeros prototipos de convertidores catalíticos se diseñaron en Francia a finales del siglo XIX, cuando solo circulaban unos pocos miles de "automóviles de petróleo"; estos prototipos tenían materiales inertes a base de arcilla recubiertos con platino , rodio y paladio y sellados en un cilindro metálico doble. ^{[6] Unas décadas más tarde,} Eugene Houdry , un ingeniero mecánico francés, patentó un convertidor catalítico . Houdry era un experto en el refinado catalítico del petróleo, habiendo inventado el proceso de craqueo catalítico en el que se basa todo el refinado moderno en la actualidad. ^[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 refinado catalítico. 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 "cats" para abreviar, y más tarde desarrolló convertidores catalíticos para carretillas elevadoras de almacén que usaban 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 de los Estados Unidos 2.742.437 por su trabajo. ^[9]

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, ^{[10] [11]} creando el primer convertidor catalítico de producción en 1973. ^{[12] [ ¿fuente poco confiable? ]}

La primera introducción generalizada de convertidores catalíticos fue en el mercado automovilístico de los Estados Unidos. Para cumplir con las nuevas regulaciones de emisiones de escape de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos , 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 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 las demás normas de emisiones de las regulaciones. ^[13] Para reducir las emisiones nocivas _de NOx , en la década de 1970 se desarrolló un sistema de doble catalizador: se agregó un catalizador separado (rodio/platino) que reducía _el NOx antes de la bomba de aire, después de lo cual un convertidor catalítico de dos vías (paladio/platino) eliminaba los HC y el CO. ^[14] Este sistema engorroso y costoso pronto se volvió redundante, después de que se observó que en ciertas condiciones el catalizador inicial también eliminaba los HC y el CO. Esto condujo al desarrollo del catalizador de tres vías, que fue posible gracias a los avances en la electrónica y la gestión del motor. ^[14]

A principios de los años 1970, William C. Pfefferle desarrolló un combustor catalítico para turbinas de gas , que permite 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 partículas de los gases de escape del motor; dado que la mayoría de estas partículas son hidrocarburos no quemados, se pueden quemar para convertirlos en dióxido de carbono. ^{[17] [18]}

La construcción del convertidor catalítico es la siguiente:

1. El soporte o sustrato del catalizador . En el caso de los convertidores catalíticos para automóviles, el núcleo suele ser un monolito cerámico que tiene una estructura de panal (normalmente cuadrada, no hexagonal). (Antes de mediados de los años 1980, el material del catalizador se depositaba sobre un lecho compacto de pellets de alúmina en las primeras aplicaciones de GM). Los monolitos de láminas metálicas fabricados con Kanthal (FeCrAl) ^[19] se utilizan en aplicaciones en las que se requiere una resistencia al calor especialmente 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 incluidos en el Salón de la Fama de los Inventores Nacionales en 2002. ^[4]
2. La capa de recubrimiento. Una capa de recubrimiento es un soporte para los materiales catalíticos y se utiliza para dispersar los materiales sobre una gran superficie. Se pueden 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 el área de superficie en comparación con la superficie lisa del sustrato desnudo. ^[20]
3. Ceria o ceria-circonia . Estos óxidos se añaden principalmente como promotores del almacenamiento de oxígeno. ^[21]
4. El catalizador en sí suele ser una mezcla de metales preciosos , principalmente del grupo del platino . El platino es el catalizador más activo y se utiliza ampliamente, pero no es adecuado para todas las aplicaciones debido a reacciones adicionales no deseadas y a su coste históricamente elevado. El paladio y el rodio son otros dos metales preciosos utilizados, aunque a febrero de 2023, el platino se ha convertido en el menos caro de los metales del grupo del platino. El rodio se utiliza como catalizador de reducción , el paladio se utiliza como catalizador de oxidación y el platino se utiliza tanto para la reducción como para la oxidación. También se utilizan cerio , hierro , manganeso y níquel , aunque cada uno tiene limitaciones. El níquel no es legal para su uso en la Unión Europea debido a su reacción con el monóxido de carbono en níquel tetracarbonilo tóxico . ^{[ cita requerida ]} El cobre se puede utilizar en la mayoría de los países, con una notable excepción en Japón . ^{[ aclaración necesaria ]}

En caso de avería, un convertidor catalítico puede reciclarse y convertirse en 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 de manera eficaz. Por lo tanto, se colocan lo más cerca posible del motor o se colocan uno o más convertidores catalíticos más pequeños (conocidos como "pre-cat") inmediatamente después del colector de escape.

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

1. Oxidación del monóxido de carbono a dióxido de carbono : 2CO + O ₂ → 2CO ₂
2. Oxidación de hidrocarburos (combustible no quemado 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 utilizaron en motores de gasolina en los mercados automovilísticos estadounidenses y canadienses 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 NOx delante de la bomba de aire, lo que llevó al desarrollo del convertidor catalítico de tres vías. ^[14] El convertidor catalítico de dos vías también siguió utilizándose en ciertos automóviles de menor costo en algunos mercados como Europa, donde las emisiones _de NOx no estaban reguladas universalmente hasta la introducción de la norma de emisiones Euro 3 en 2000. ^[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) ). Los NO _x son precursores de la lluvia ácida y el smog . ^[23]

Desde 1981, los convertidores catalíticos de tres vías (oxidación-reducción) se han utilizado en sistemas de control de emisiones de vehículos en Estados Unidos y Canadá; muchos otros países también han adoptado estrictas regulaciones de emisiones de vehículos que, en efecto, requieren convertidores de tres vías en vehículos propulsados ​​por 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 (N ₂ )

• ${\displaystyle {\text{C}}+2{\text{NO}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}+2{\text{NO}}}$
• ${\displaystyle {\text{CO}}+{\text{NO}}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}}$
• ${\displaystyle 2{\text{CO}}+{\text{NO}}_{2}\,\rightarrow \,2{\text{CO}}_{2}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}}$
• ${\displaystyle {\text{H}}_{2}+{\text{NO}}\,\rightarrow \,{\text{H}}_{2}{\text{O}}+{\frac {1}{2}}{\text{N}}_{2}}$

Oxidación de carbono, hidrocarburos y monóxido de carbono a dióxido de carbono.

• ${\displaystyle {\text{C}}+{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}}$
• ${\displaystyle {\text{CO}}+{\frac {1}{2}}{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,{\text{CO}}_{2}}$
• ${\displaystyle a\,{\text{C}}_{x}{\text{H}}_{y}+b\,{\text{O}}_{2}\,\rightarrow \,c\,{\text{CO}}_{2}+d\,{\text{H}}_{2}{\text{O}}\qquad a,\,b,\,c,\,d,\,x,\,y\in \mathbb {Z} }$

Estas tres reacciones se producen de forma más eficiente cuando el convertidor catalítico recibe los gases de escape de un motor que funciona ligeramente por encima del punto estequiométrico . Para la combustión de gasolina, esta relación es de entre 14,6 y 14,8 partes de aire por una parte de combustible, en peso. La relación para autogás (o gas licuado de petróleo GLP), gas natural y combustibles de etanol puede variar significativamente para cada uno, especialmente con combustibles oxigenados o a base de alcohol, ya que el E85 requiere aproximadamente un 34% más de combustible, lo que requiere un ajuste y componentes del sistema de combustible modificados cuando se utilizan esos combustibles. Los motores equipados con convertidores catalíticos de 3 vías regulados están equipados con un sistema de inyección de combustible de retroalimentación de circuito cerrado computarizado 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 de retroalimentación. Un convertidor de tres vías no regulado presenta los mismos procesos químicos pero sin el sensor de oxígeno, lo que significaba mayores emisiones _de NOx , particularmente con cargas parciales. Se trataba de soluciones de bajo coste, normalmente utilizadas para modernizar automóviles más antiguos o automóviles 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 pobre de estequiométrico, 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, oxidando a H ₂ O y CO ₂ . Ligeramente rico de estequiométrico, la producción de CO y HC no quemados 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 el oxígeno almacenado se agota. 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 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 una 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 los 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 que se vuelva 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 aire-combustible se lleva de nuevo a 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 circuito cerrado bajo carga ligera a moderada se logra utilizando 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 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 con el fin de 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 por 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 se gestionan los niveles de oxígeno almacenado y HC no quemado. ^[24]

El control de circuito cerrado no suele utilizarse durante operaciones de alta carga/máxima potencia, 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 supere los límites de diseño. Esto presenta un desafío para el sistema de control y el diseño del catalizador. Durante tales operaciones, el motor produce grandes cantidades de HC sin quemar, que superan con creces la capacidad del catalizador para liberar oxígeno. La superficie del catalizador se satura rápidamente de HC. Al volver a una menor potencia de salida 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, superando potencialmente el límite de temperatura de diseño del catalizador. Una temperatura excesiva del catalizador puede envejecer prematuramente el catalizador, reduciendo su eficiencia antes de alcanzar su vida útil de diseño. Una 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 dan como resultado la formación de sulfuro de hidrógeno y amoníaco , que envenenan los catalizadores. A veces se agrega níquel o manganeso a la capa de recubrimiento para limitar las emisiones de sulfuro de hidrógeno. ^{[ cita requerida ]} Los combustibles sin azufre o con bajo contenido de azufre eliminan o minimizan los problemas con el sulfuro de hidrógeno.

En los motores de encendido por compresión (es decir, diésel ), el convertidor catalítico más utilizado es el catalizador de oxidación diésel (DOC). Los DOC contienen paladio o platino soportado sobre alúmina . Este catalizador convierte la materia particulada (PM), los hidrocarburos y el monóxido de carbono en dióxido de carbono y agua. Estos convertidores suelen funcionar con una eficiencia del 90 por ciento, eliminando virtualmente el olor a diésel y ayudando 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 los gases de escape (EGR).

En 2010, la mayoría de los fabricantes de vehículos diésel ligeros de los EE. UU. añadieron sistemas catalíticos a sus vehículos para cumplir con los requisitos federales sobre emisiones. Se han desarrollado dos técnicas para la reducción catalítica de las emisiones _de NOx en condiciones de escape pobres: la reducción catalítica selectiva (SCR) y el adsorbedor _de NOx .

_{En lugar de absorbedores de} NOx que contienen metales preciosos , la mayoría de los fabricantes seleccionaron sistemas SCR de metal base que utilizan un reactivo como el amoníaco para reducir el _NOx en nitrógeno y agua. ^[27] El amoníaco se suministra al sistema catalizador mediante la inyección de urea en el escape, que luego sufre una descomposición térmica e hidrólisis en amoníaco. La solución de urea también se conoce como fluido de escape diésel (DEF).

Los gases de escape de los motores diésel contienen niveles relativamente altos de partículas en suspensión. Los convertidores catalíticos eliminan sólo entre el 20 y el 40 % de las partículas en suspensión, por lo que las partículas se limpian con un colector de hollín o un filtro de partículas diésel (DPF). En los EE. UU., todos los vehículos diésel ligeros, medianos y pesados ​​para carretera fabricados después del 1 de enero de 2007 están sujetos a límites de emisiones de partículas en suspensión, por lo que están equipados con un convertidor catalítico de dos vías y un filtro de partículas diésel. ^{[ cita requerida ]} Mientras el motor se haya fabricado antes del 1 de enero de 2007, el vehículo no está obligado a tener el sistema DPF. ^{[ cita requerida ]} Esto llevó a que los fabricantes de motores aumentaran sus inventarios a finales de 2006 para poder seguir vendiendo vehículos sin DPF hasta bien entrado 2007. ^[28]

En los motores de encendido por chispa con 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 con mezcla pobre son muy similares a las de un motor diésel de encendido por compresión.

Muchos vehículos tienen un convertidor catalítico acoplado 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 logra quemando el exceso de hidrocarburos que resultan 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 (O2 ₎ en el flujo 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 una inyección de aire secundaria , que inyectaba aire en el flujo de escape. Esto aumentaba el oxígeno disponible, lo que permitía que el catalizador funcionara como estaba previsto.

Algunos sistemas de convertidores catalíticos de tres vías tienen sistemas de inyección de aire, en los que el aire se inyecta entre la primera etapa ( reducción _de NOx ) y la segunda etapa (oxidación de HC y CO) del convertidor. Al igual que en los convertidores de dos vías, este aire inyectado proporciona oxígeno para las reacciones de oxidación. A veces también hay un punto de inyección de aire aguas arriba, por delante del convertidor catalítico, para proporcionar oxígeno adicional solo durante el período de calentamiento del motor. Esto hace que el combustible no quemado se encienda en el tracto 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 "encendido" o de funcionamiento .

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 cambia rápidamente y continuamente entre una 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 utiliza esta información para ajustar la inyección de combustible de modo de evitar que el primer catalizador ( reducción _de NOx ) se cargue de oxígeno, al mismo tiempo que garantiza que el segundo catalizador (oxidación de HC y CO) esté suficientemente saturado de oxígeno.

El envenenamiento del catalizador ocurre cuando el convertidor catalítico se expone a sustancias que contienen escape que recubren las superficies de trabajo, de modo que no pueden entrar en contacto y reaccionar con el escape. El contaminante más notable es el plomo , por lo que los vehículos equipados con convertidores catalíticos solo pueden funcionar con combustible sin plomo . Otros venenos comunes para catalizadores incluyen azufre , manganeso (que se origina principalmente del aditivo de gasolina MMT ) y silicio , que pueden ingresar al flujo 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, este (y el zinc , otro contaminante de bajo nivel del catalizador) se usaba 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 de tiempo. ^{[ cita requerida ]} La mayor temperatura del escape a veces puede vaporizar o sublimar el contaminante, eliminándolo de la superficie catalítica. ^{[ cita requerida ]} 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 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 fusión del sustrato y la desactivación catalítica resultante y una restricción grave del escape. Estas condiciones incluyen fallas de los componentes anteriores del sistema de escape (conjunto del colector o colector y abrazaderas asociadas susceptibles a la oxidación, corrosión o fatiga, como el astillamiento del colector de escape después de repetidos ciclos de calor), sistema de encendido (por ejemplo, paquetes de bobinas, componentes de encendido primario, tapa del distribuidor, cables, bobina de encendido y bujías) o componentes del sistema de combustible dañados (por ejemplo, inyectores de combustible, regulador de presión de combustible y sensores asociados). Las fugas de aceite y refrigerante, quizás causadas por una fuga en la junta de culata, también pueden causar altos niveles de hidrocarburos no quemados.

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Las normas sobre emisiones varían considerablemente de una jurisdicción a otra. La mayoría de los motores de encendido por chispa de los automóviles en Norteamérica están equipados con convertidores catalíticos desde 1975 ^{[4] [1] [2] [3]} y la tecnología utilizada en aplicaciones no automotrices generalmente se basa en tecnología automotriz. En muchas jurisdicciones, es ilegal quitar o inutilizar un convertidor catalítico por cualquier motivo que no sea su reemplazo directo e inmediato. Sin embargo, algunos propietarios de vehículos quitan o "destripan" el convertidor catalítico de su vehículo ^{[30] [31]} . En tales casos, el convertidor puede reemplazarse por una sección soldada de tubería común o una "tubería de prueba" con brida, aparentemente destinada 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 que sea ilegal que cualquier persona venda o instale cualquier pieza que pueda eludir, anular o dejar inoperante cualquier sistema, dispositivo o elemento de diseño de control de emisiones. Los vehículos sin convertidores catalíticos que funcionen 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 una capacidad mayor que la de fábrica. ^[34]

Los convertidores catalíticos son obligatorios en todos los automóviles 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]

Los convertidores catalíticos defectuosos, así como los primeros tipos de convertidores que no estaban dañados, pueden restringir el flujo de escape, lo que afecta negativamente el rendimiento del vehículo y el ahorro de combustible. ^[30] Los convertidores catalíticos modernos no restringen significativamente el flujo de escape. Una prueba de 2006 en un Honda Civic 1999, por ejemplo, mostró que quitar el convertidor catalítico de serie generó solo un aumento del 3% en la potencia máxima; un nuevo convertidor de núcleo metálico solo le costó al automóvil un 1% de potencia, en comparación con no tener convertidor. ^[32]

Los carburadores de los vehículos anteriores a 1981 sin control de retroalimentación de la mezcla de combustible y aire 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 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 B12 5,7 E-KAT de Alpina basado en el BMW 750i . ^[38] Las bobinas de calentamiento dentro de los conjuntos del convertidor catalítico se electrifican justo después de que se enciende el motor, lo que lleva al catalizador a la temperatura de funcionamiento muy rápidamente para calificar al 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 precatalizador, un pequeño convertidor catalítico antes 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 precatalizador es el más utilizado por los fabricantes de automóviles cuando intentan 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 presentan algunas deficiencias en su uso y 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 se consume más combustible que en un motor de combustión pobre . Esto significa aproximadamente un 10% más de emisiones de _CO2 del vehículo. ^{[ cita requerida ]}
• 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 hecho que Norilsk se agregue a la lista de la revista Time de los lugares más contaminados. ^[41]
• El calor extremo de los propios convertidores ^[42] puede provocar incendios forestales , especialmente en zonas secas. ^{[43] [44] [45]}

Debido a su ubicación externa y al uso de metales preciosos valiosos, como platino , paladio y rodio , los convertidores catalíticos son un objetivo para los ladrones. El problema es especialmente común entre las camionetas pickup de último modelo y los SUV basados ​​en camionetas , debido a su gran distancia al suelo y a los convertidores catalíticos atornillados que se quitan fácilmente. Los convertidores soldados también corren el riesgo de ser robados, ya que se pueden cortar fácilmente. Los convertidores catalíticos del Toyota Prius también son objetivos para los ladrones. Los convertidores catalíticos de los híbridos necesitan más metales preciosos para funcionar correctamente en comparación con los vehículos de combustión interna convencionales porque no se calientan tanto como los instalados en los vehículos convencionales, ya que los motores de combustión de los híbridos solo funcionan parte del tiempo. ^{[46] [47] [48]}

A menudo se utilizan cortadores de tubos para quitar silenciosamente el convertidor ^{[49] [50]} pero otras herramientas como una sierra alternativa portátil pueden dañar otros componentes del automóvil, como el alternador , el cableado o las líneas de combustible, con consecuencias potencialmente peligrosas.

En 2023, se presentó en el Senado de Estados Unidos una legislación bipartidista para combatir el robo de convertidores catalíticos . La Ley de Prevención del Robo de Reciclaje de Automóviles (Ley PART) obligaría a que los convertidores catalíticos de los vehículos nuevos vinieran con números de identificación rastreables. Además, la legislación convertiría el robo de convertidores catalíticos en un delito penal federal. ^[51]

El aumento de los precios de los metales en los EE. UU. durante el auge de las materias primas en la década de 2000 provocó un aumento significativo del robo de convertidores catalíticos. Reemplazar un convertidor catalítico puede costar más de 1000 dólares, y más si el vehículo sufre daños 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 de 2020, impulsados ​​presumiblemente por el aumento del 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 1.298 casos denunciados 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 durante el año. ^[57]

Entre 2019 y 2020, los ladrones en el Reino Unido tenían como objetivo los coches híbridos de modelos más antiguos (como los híbridos de Toyota ), que tienen más metales preciosos que los vehículos más nuevos (a veces valen más que el valor del coche), lo que genera escasez y largas demoras en su sustitución. ^[59]

En 2021 surgió una tendencia en la República Democrática del Congo , donde supuestamente se robaban convertidores catalíticos para usarlos en la producción ilegal de drogas callejeras. Se decía que la droga, un polvo conocido como "bombé", era una mezcla de píldoras/vitaminas en polvo y estructuras en forma de panal pulverizadas de convertidores catalíticos. ^[60] Sin embargo, en 2023, un estudio de varias muestras de la droga concluyó que su supuesto origen, a partir de los escapes catalíticos, no estaba comprobado. ^[61]

Varias jurisdicciones exigen ahora diagnósticos a bordo para supervisar 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 de una condición de falla de encendido mediante la iluminación de la luz de "revisar motor" en el tablero de instrumentos, o haciendo que parpadee si las condiciones de falla de encendido actuales 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 advertencia, típicamente en convertidores catalíticos de dos vías como los que se utilizan en las carretillas elevadoras de GLP. La función del sensor es advertir cuando la temperatura del convertidor catalítico supera el límite seguro de 750 °C (1380 °F). Los diseños de convertidores catalíticos modernos no son tan susceptibles a los daños por temperatura y pueden soportar temperaturas sostenidas de 900 °C (1650 °F). ^{[ cita requerida ]} 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 requerida ]}

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 diagnósticos. En los vehículos con OBD II, se instala un segundo sensor de oxígeno después del convertidor catalítico para controlar los niveles de O2 _. Los niveles de O2 _se controlan para ver la eficiencia del proceso de combustión. 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 O2 trasero _está "cambiando", la computadora reconoce que el convertidor catalítico no está funcionando o ha sido quitado, y activará una luz indicadora de mal funcionamiento y afectará el rendimiento del motor. Se han desarrollado "simuladores de sensor de oxígeno" simples para evitar este problema simulando el cambio a través del convertidor catalítico con planos y dispositivos preensamblados disponibles en Internet. Aunque estos no son legales para uso en carretera, se han utilizado con resultados mixtos. ^[63] Dispositivos similares aplican una compensación a las señales de los sensores, lo que permite que el motor funcione con una combustión pobre que ahorra más combustible, pero que puede dañar el motor o el convertidor catalítico. ^[64]

Los sensores _de NOx son extremadamente caros y, en general, se utilizan solo cuando un motor de encendido por compresión está equipado con un convertidor de reducción catalítica selectiva (SCR) o un _{absorbedor de} NOx en un sistema de retroalimentación. Cuando se instalan en un sistema SCR, puede haber uno o dos sensores. Cuando se instala un sensor, será precatalizador; cuando se instalan dos, el segundo será postcatalizador. Se utilizan por las mismas razones y de la misma manera que un sensor de oxígeno; la única diferencia es la sustancia que se está monitoreando. ^{[ cita requerida ]}

• Calentador catalítico
• Óxido de cerio (III)
• Lista de repuestos para autos
• Adsorbedor de NO _x
• Modelado de la dispersión del aire en las carreteras

• Keith, CD, et al. Patente estadounidense 3.441.381 : "Aparato para purificar los gases de escape de un motor de combustión interna". 29 de abril de 1969
• Lachman, IM et al. Patente estadounidense 3.885.977 : "Monolito de cordierita anisotrópica" (sustrato cerámico). 5 de noviembre de 1973
• Charles H. Bailey. Patente estadounidense 4.094.645 : "Silenciador y convertidor catalítico combinados con baja contrapresión". 13 de junio de 1978
• Charles H. Bailey. Patente estadounidense 4.250.146 : «Convertidor catalítico monolítico sin carcasa». 10 de febrero de 1981
• Srinivasan Gopalakrishnan. GB 2397782  : "Proceso y sintetizador para ingeniería molecular de materiales". 13 de marzo de 2002.