Conversor catalítico

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Dispositivo de control de emisiones de escape

Un convertidor catalítico de tres vías en un Dodge Ram

Simulación de flujo dentro de un convertidor catalítico

Un convertidor catalítico es un dispositivo de control de emisiones de gases de escape que convierte los gases tóxicos y los contaminantes de los gases de escape de un motor de combustión interna en contaminantes menos tóxicos al catalizar una reacción redox. Los convertidores catalíticos generalmente se usan con motores de combustión interna que funcionan con gasolina o diesel, incluidos los motores de mezcla pobre y, a veces, con calentadores y estufas 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 emisiones de escape de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., la mayoría de los vehículos a gasolina a partir del año modelo 1975 están equipados con convertidores catalíticos. Estos "bidireccionales" Los convertidores combinan oxígeno con monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos no quemados (HC) para producir dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O). Aunque los convertidores de dos vías en los motores de gasolina quedaron obsoletos en 1981 por los convertidores de "tres vías" convertidores que también reducen los óxidos de nitrógeno (NO_x); todavía se usan en motores de mezcla pobre para oxidar partículas y emisiones de hidrocarburos (incluidos los motores diésel, que suelen usar combustión pobre), ya que los convertidores de tres vías requieren una combustión rica en combustible o estequiométrica para reducir con éxito NO_x.

Aunque los convertidores catalíticos se aplican más comúnmente a los sistemas de escape de los automóviles, también se usan 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. Esto suele ser en respuesta a la regulación gubernamental, ya sea a través de la regulación ambiental o de la salud y la seguridad.

Historia

Los prototipos de convertidores catalíticos se diseñaron por primera vez en Francia a fines del siglo XIX, cuando solo unos pocos miles de "coches de petróleo" estaban en los caminos; estos prototipos tenían materiales inertes a base de arcilla recubiertos con platino, rodio y paladio y sellados en un cilindro metálico doble. Unas décadas más tarde, Eugene Houdry, un ingeniero mecánico francés, patentó un convertidor catalítico. Houdry era un experto en refinación catalítica de petróleo, habiendo inventado el proceso de craqueo catalítico en el que se basa toda la refinación moderna en la actualidad. 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 "cats" para abreviar, y más tarde desarrolló convertidores catalíticos para carretillas elevadoras de almacén que usaban gasolina sin plomo de bajo grado. A mediados de la década de 1950, comenzó a investigar para desarrollar convertidores catalíticos para motores de gasolina utilizados en automóviles y obtuvo la patente estadounidense 2.742.437 por su trabajo.

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, creando el primer convertidor catalítico de producción en 1973.

La primera introducción generalizada de convertidores catalíticos fue en el mercado automovilístico de los Estados Unidos. Para cumplir con la nueva regulación de emisiones de escape de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., la mayoría de los vehículos a gasolina a partir del año modelo 1975 están equipados con convertidores catalíticos. Estos "bidireccionales" Los convertidores combinaron oxígeno con monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos no quemados (HC, compuestos químicos en el combustible de la forma C_mH_n) para producir dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O). Estas estrictas normas de control de emisiones obligaron a eliminar el tetraetilo de plomo, un agente antidetonante, de la gasolina para automóviles, a fin de reducir el contenido de plomo en el aire. El plomo es un veneno para el catalizador y destruiría efectivamente un convertidor catalítico al cubrir la superficie del catalizador. Requerir la remoción de plomo permitió el uso de convertidores catalíticos para cumplir con los otros estándares de emisión en las regulaciones.

William C. Pfefferle desarrolló una cámara de combustión catalítica para turbinas de gas a principios de la década de 1970, lo que permite la combustión sin una formación significativa de óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono.

Construcción

La construcción del convertidor catalítico es la siguiente:

El soporte o sustrato catalizador. Para los convertidores catalíticos automotrices, el núcleo es generalmente un monolito cerámico que tiene una estructura de panal (comúnmente cuadrado, no hexagonal). (Prior hasta mediados del decenio de 1980, el material catalizador fue depositado en una cama llena de pellets de alumina en aplicaciones tempranas del MM.) Los monolitos metálicos hechos de Kanthal (FeCrAl) se utilizan en aplicaciones donde se requiere una resistencia al calor particularmente alta. El sustrato está estructurado para producir una gran superficie. El sustrato de cerámica corderita utilizado en la mayoría de los convertidores catalíticos fue inventado por Rodney Bagley, Irwin Lachman, y Ronald Lewis en Corning Glass, para lo cual fueron inducidos en el Salón Nacional de Inventores de la Fama en 2002.
El lavabo. Un lavabo es un portador para los materiales catalíticos y se utiliza para dispersar los materiales sobre una superficie grande. El óxido de aluminio, dióxido de titanio, dióxido de silicio, por ejemplo, sílice colloidal o una mezcla de sílice y alumina se pueden utilizar. Los materiales catalíticos se suspenden en el lavabo antes de aplicar al núcleo. Los materiales de lavado se seleccionan para formar una superficie rugosa e irregular, lo que aumenta la superficie en comparación con la superficie lisa del sustrato desnudo.
Ceria o ceria-zirconia. Estos óxidos se añaden principalmente como promotores de almacenamiento de oxígeno.
El catalizador en sí es más a menudo una mezcla de metales preciosos, principalmente del grupo platino. El platino es el catalizador más activo y es ampliamente utilizado, pero no es adecuado para todas las aplicaciones debido a reacciones adicionales no deseadas y costos históricamente altos. Palladium y rhodium son otros dos metales preciosos usados, aunque a partir de febrero de 2023 el platino se ha convertido en el más caro de los metales del grupo platino. El Rhodium se utiliza como catalizador de reducción, el palladio se utiliza como catalizador de oxidación, y el platino se utiliza tanto para la reducción como para la oxidación. Cerio, hierro, manganeso y níquel también se utilizan, aunque cada uno tiene limitaciones. Nickel no es legal para su uso en la Unión Europea debido a su reacción con monóxido de carbono en tetracarbonilo de níquel tóxico. El cobre se puede utilizar en todas partes excepto Japón.

Si falla, un convertidor catalítico se puede reciclar como chatarra. Se extraen los metales preciosos dentro del convertidor, incluidos el platino, el paladio y el rodio.

Colocación de convertidores catalíticos

Los convertidores catalíticos requieren una temperatura de 400 °C (752 °F) para funcionar de manera efectiva. Por lo tanto, se colocan lo más cerca posible del motor, o se colocan uno o más convertidores catalíticos más pequeños (conocidos como "pre-cats") inmediatamente después del colector de escape.

Tipos

Bidireccional

Un convertidor catalítico de 2 vías (u "oxidación", a veces llamado "oxi-cat") tiene dos tareas simultáneas:

Oxidación del monóxido de carbono al dióxido de carbono: 2 CO + O₂ → 2 CO₂
oxidación de hidrocarburos (combustible no quemado y parcialmente quemado) a dióxido de carbono y agua: C_xH_2x+2 + [(3x+1)/2] O₂ → x CO₂ + (x+1) H₂O (una reacción de combustión)

Este tipo de convertidor catalítico se usa mucho en los motores diésel para reducir las emisiones de hidrocarburos y monóxido de carbono. También se usaron en motores de gasolina en automóviles del mercado estadounidense y canadiense hasta 1981. Debido a su incapacidad para controlar los óxidos de nitrógeno, fueron reemplazados por convertidores de tres vías.

Trío

Los convertidores catalíticos de tres vías tienen la ventaja adicional de controlar la emisión de óxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2) (ambos juntos abreviados como NOx y no deben confundirse con óxido nitroso (N2O)). Las especies de NOx son precursoras de la lluvia ácida y el smog.

Desde 1981, "tríos" Los convertidores catalíticos (de oxidación-reducción) se han utilizado en sistemas de control de emisiones de vehículos en los Estados Unidos y Canadá; muchos otros países también han adoptado normas estrictas sobre las emisiones de los vehículos que, de hecho, exigen convertidores de tres vías en los vehículos que funcionan con gasolina. Los catalizadores de reducción y oxidación suelen estar contenidos en una carcasa común; sin embargo, en algunos casos, pueden alojarse por separado. Un convertidor catalítico de tres vías tiene tres tareas simultáneas:

Reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno (N₂)

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

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

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

Estas tres reacciones ocurren de manera más eficiente cuando el convertidor catalítico recibe gases de escape de un motor que funciona ligeramente por encima del punto estequiométrico. Para la combustión de gasolina, esta relación está entre 14,6 y 14,8 partes de aire por una parte de combustible, en peso. La proporción de 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, con e85 que requiere aproximadamente un 34% más de combustible, lo que requiere un ajuste del sistema de combustible y componentes modificados cuando utilizando esos combustibles. En general, los motores equipados con convertidores catalíticos de 3 vías están equipados con un sistema de inyección de combustible con retroalimentación de circuito cerrado computarizado que utiliza uno o más sensores de oxígeno, aunque al principio del despliegue de convertidores de tres vías, se utilizaron carburadores equipados con control de mezcla de retroalimentación.

Los convertidores de tres vías son efectivos cuando el motor funciona dentro de una banda estrecha de relaciones aire-combustible cerca del punto estequiométrico. La eficiencia de conversión total cae muy rápidamente cuando el motor funciona fuera de esta banda. Ligeramente pobre en estequiometría, los gases de escape del motor contienen un exceso de oxígeno, la producción de NO_x por el motor aumenta, y la eficiencia del catalizador en la reducción de NO_x se cae rápidamente. Sin embargo, la conversión de HC y CO es muy eficiente debido al oxígeno disponible, oxidándose a H₂O y CO₂. Ligeramente rica en estequiometría, la producción de CO y HC no quemados por parte del motor comienza a aumentar drásticamente, el oxígeno disponible disminuye y la eficiencia del catalizador para oxidar CO y HC disminuye significativamente, especialmente a medida que se agota el oxígeno almacenado. Sin embargo, la eficiencia del catalizador para reducir NO_x es buena, y la producción de NO_x por parte del 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 bucle cerrado se utilizan para el funcionamiento eficaz de los convertidores catalíticos de tres vías debido a este equilibrio rico-pobre continuo necesario para un NO_x y oxidación HC+CO. El sistema de control permite que el catalizador libere oxígeno en 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 que se vuelva ligeramente pobre, lo que mejora la oxidación de HC y CO mientras almacena oxígeno adicional en el material del catalizador, con una pequeña penalización en NO _x eficiencia de reducción. 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.

El control de circuito cerrado bajo carga ligera a moderada se logra mediante el uso de uno o más sensores de oxígeno en el sistema de escape. Cuando el sensor detecta oxígeno, la relación aire-combustible es más pobre que 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 la demora de tiempo entre el ajuste de la tasa de flujo de combustible y la detección de la relación aire-combustible modificada por el sensor, así como la respuesta sigmoidal 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 óptimo mientras administra los niveles de oxígeno almacenado y HC no quemado.

El control de circuito cerrado a menudo no se usa durante la operación de carga alta/potencia máxima, cuando se permite un aumento en 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 sistema de control y el diseño 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 potencia de salida más baja y relaciones aire-combustible más pobres, el sistema de control debe evitar que el exceso de oxígeno llegue al catalizador demasiado rápido, ya que esto quemará rápidamente el HC en el catalizador ya caliente, lo que podría exceder el límite de temperatura de diseño del catalizador. La temperatura excesiva del catalizador puede envejecer prematuramente el catalizador, reduciendo su eficiencia antes de alcanzar su vida útil de diseño. La temperatura excesiva del catalizador también puede ser causada por un fallo de encendido del cilindro, que fluye continuamente HC sin quemar combinado con oxígeno al catalizador caliente, quemándose en el catalizador y aumentando su temperatura.

Reacciones no deseadas

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 lavado para limitar las emisiones de sulfuro de hidrógeno. Los combustibles sin azufre o con bajo contenido de azufre eliminan o minimizan los problemas con el sulfuro de hidrógeno.

Motores diésel

Para 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 y/o platino sobre soporte de alúmina. Este catalizador convierte la materia particulada (PM), los hidrocarburos y el monóxido de carbono en dióxido de carbono y agua. Estos convertidores a menudo funcionan con una eficiencia del 90 por ciento, eliminando virtualmente el olor a diesel y ayudando a reducir las partículas visibles. Estos catalizadores son ineficaces para NO_x, por lo que NO_x Las emisiones de los motores diésel se controlan mediante la recirculación de gases de escape (EGR).

En 2010, la mayoría de los fabricantes de diésel de servicio liviano en los 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 las emisiones de NO_x bajo condiciones de escape pobre, reducción catalítica selectiva (SCR) y el adsorbedor de NOx.

En lugar de absorbentes NO_x que contienen metales preciosos, la mayoría los fabricantes seleccionaron sistemas SCR de metal base que utilizan un reactivo como el amoníaco para reducir el NO_x en nitrógeno y agua. El amoníaco se suministra al sistema catalítico 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 del 20 al 40 % de las partículas, por lo que las partículas se limpian con una trampa de hollín o un filtro de partículas diésel (DPF). En los EE. UU., todos los vehículos diésel de servicio ligero, mediano y pesado para carretera construidos después del 1 de enero de 2007 están sujetos a límites de emisión de partículas diésel y, por lo tanto, están equipados con un convertidor catalítico de 2 vías y un filtro de partículas diésel.. Siempre que el motor se haya fabricado antes del 1 de enero de 2007, no se requiere que el vehículo tenga el sistema DPF. Esto condujo a un aumento del inventario por parte de los fabricantes de motores a fines de 2006 para que pudieran continuar vendiendo vehículos anteriores al DPF hasta bien entrado 2007.

Motores de encendido por chispa de mezcla pobre

Para los motores de encendido por chispa de mezcla pobre, se usa un catalizador de oxidación de la misma manera que en un motor diésel. Las emisiones de los motores de encendido por chispa de mezcla pobre son muy similares a las emisiones de un motor diesel de encendido por compresión.

Instalación

Muchos vehículos tienen un convertidor catalítico de acoplamiento compacto ubicado cerca del múltiple 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 resulta de la mezcla extra rica requerida para un arranque en frío.

Cuando se introdujeron por primera vez los convertidores catalíticos, la mayoría de los vehículos usaban carburadores que proporcionaban una relación aire-combustible relativamente rica. Por lo tanto, los niveles de oxígeno (O₂) 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 secundario, que inyectaba aire en la corriente de escape. Esto aumentó el oxígeno disponible, lo que permitió que el catalizador funcionara según lo previsto.

Algunos sistemas de convertidores catalíticos de tres vías tienen sistemas de inyección de aire con el aire inyectado entre los primeros (NO_x reducción) y 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. Un punto de inyección de aire aguas arriba, delante del convertidor catalítico, a veces también está presente 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 posición de "apagado" o temperatura 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 su lugar, proporcionan una mezcla de aire y combustible controlada con precisión que alterna rápida 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 usa esta información para ajustar la inyección de combustible para evitar el primer (NO_x reducción) el catalizador se cargue de oxígeno, al mismo tiempo que garantiza que el segundo catalizador (oxidación de HC y CO) esté suficientemente saturado de oxígeno.

Daño

La intoxicación por catalizador se produce cuando el convertidor catalítico se expone a gases de escape que contienen sustancias que recubren las superficies de trabajo, de modo que no pueden entrar en contacto con los gases de escape ni reaccionar con ellos. 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 entrar en el flujo de escape si el motor tiene una fuga que permite que el refrigerante entre en 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 del catalizador de bajo nivel) se usó ampliamente en los aditivos antidesgaste del aceite del 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 de tiempo prolongado. El aumento de la temperatura de escape a veces puede vaporizar o sublimar el contaminante, eliminándolo de la superficie catalítica. Sin embargo, la eliminación de los depósitos de plomo de esta manera generalmente no es posible debido al alto punto de ebullición del plomo.

Cualquier condición que haga que niveles anormalmente altos de hidrocarburos no quemados (combustibles o aceites crudos o parcialmente quemados) lleguen al convertidor tenderá a elevar significativamente su temperatura, lo que generará el riesgo de una fusión del sustrato y la desactivación catalítica resultante y un escape severo. restricción. Estas condiciones incluyen la falla de los componentes aguas arriba del sistema de escape (conjunto de colector/colector y abrazaderas asociadas susceptibles a la oxidación/corrosión y/o fatiga, por ejemplo, el múltiple de escape se astilla después de ciclos de calor repetidos), el sistema de encendido, p. paquetes de bobinas y/o componentes de encendido primario (p. ej., 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 cabeza, también pueden causar una gran cantidad de hidrocarburos sin quemar.

Reglamentos

Las regulaciones sobre emisiones varían considerablemente de una jurisdicción a otra. La mayoría de los motores de encendido por chispa de automóviles en América del Norte han sido equipados con convertidores catalíticos desde 1975, y la tecnología utilizada en aplicaciones no automotrices generalmente se basa en la tecnología automotriz. En muchas jurisdicciones, es ilegal quitar o desactivar un convertidor catalítico por cualquier motivo que no sea su reemplazo directo e inmediato. Sin embargo, algunos propietarios de vehículos eliminan o "destripan" el convertidor catalítico de su vehículo. En tales casos, el convertidor se puede reemplazar por una sección soldada de tubería ordinaria 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.

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 un convertidor sea retirado de un vehículo, excepto para reemplazarlo con otro convertidor, y la Sección 203(a)(3)(B) establece que es ilegal que cualquier persona venda o instale cualquier parte que eluda, anule o deje inoperante cualquier sistema, dispositivo o elemento de diseño de control de emisiones. Los vehículos sin convertidores catalíticos en funcionamiento generalmente no pasan las inspecciones de emisiones. El mercado de repuestos automotrices suministra convertidores de alto flujo para vehículos con motores mejorados, o cuyos propietarios prefieren un sistema de escape con una capacidad mayor que la del inventario.

Los convertidores catalíticos son obligatorios en todos los automóviles nuevos de gasolina vendidos en la Unión Europea y el Reino Unido desde el 1 de enero de 1993 para cumplir con los estándares de emisiones Euro 1.

Efecto sobre el flujo de escape

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 el ahorro de combustible. Los convertidores catalíticos modernos no restringen significativamente el flujo de escape. Una prueba de 2006 en un Honda Civic de 1999, por ejemplo, mostró que al quitar el convertidor catalítico de serie se obtuvo solo un aumento del 3 % en la potencia máxima; un nuevo convertidor de núcleo metálico solo le cuesta al automóvil un 1% de caballos de fuerza, en comparación con ningún convertidor.

Peligros

Los carburadores de los vehículos anteriores a 1981 sin control de la mezcla de combustible y aire con retroalimentación podrían proporcionar fácilmente demasiado combustible al motor, lo que podría causar que el convertidor catalítico se sobrecaliente y potencialmente incendie los materiales inflamables debajo del automóvil.

Período de calentamiento

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

A principios de la década de 2000, se volvió común colocar el convertidor catalítico justo al lado del múltiple de escape, cerca del motor, para un calentamiento mucho más rápido. En 1995, Alpina introdujo un catalizador calentado eléctricamente. Llamado "E-KAT", se usó en el B12 5,7 E-KAT de Alpina basado en el BMW 750i. Las bobinas de calentamiento dentro de los conjuntos del convertidor catalítico se electrifican justo después de que se arranca 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). Posteriormente, BMW introdujo el mismo catalizador calentado, desarrollado conjuntamente por Emitec, Alpina y BMW, en su 750i en 1999.

Algunos vehículos contienen un catalizador previo, 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 pre-cat es el más comúnmente utilizado por un fabricante de automóviles cuando intenta alcanzar la calificación de Vehículo de Emisiones Ultra Bajas (ULEV), como en el Toyota MR2 Roadster.

Efecto ambiental

Los convertidores catalíticos han demostrado ser confiables y efectivos para reducir las emisiones nocivas del tubo de escape. Sin embargo, también tienen algunas deficiencias en el uso y también efectos ambientales adversos en la producción:

Un motor equipado con un catalizador de tres vías debe funcionar en el punto estoichiométrico, lo que significa que se consume más combustible que en un motor de quemaduras magras. Esto significa aproximadamente 10% más CO₂ emisiones del vehículo.
La producción catalítica de convertidores requiere palladio o platino; parte del suministro mundial de estos metales preciosos se produce cerca de Norilsk, Rusia, donde la industria (entre otros) ha causado que Norilsk se añada a Hora lista de lugares más contaminados de la revista.
El calor extremo de los convertidores pueden causar incendios forestales, especialmente en zonas secas.

Robo

Debido a la ubicación externa y al uso de valiosos metales preciosos, 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 empernables que se quitan fácilmente. Los convertidores soldados también corren el riesgo de robo, ya que pueden cortarse fácilmente. Los convertidores catalíticos del Toyota Prius también son objetivo de 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 una parte del tiempo.

Los cortatubos se utilizan a menudo para quitar el convertidor de forma silenciosa, pero otras herramientas, como una sierra recíproca 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 los Estados Unidos una legislación bipartidista para combatir el robo de convertidores catalíticos. La Ley de prevención de robos en el reciclaje de automóviles (Ley PART) exigiría que los convertidores catalíticos en los vehículos nuevos vengan con números de identificación rastreables. Además, la legislación tipificaría como delito el robo de convertidores catalíticos.

Estadísticas

El aumento de los precios de los metales en los EE. UU. durante el auge de las materias primas de la década de 2000 provocó un aumento significativo en el robo de convertidores. Reemplazar un convertidor catalítico puede costar más de $1,000, más si el vehículo se daña durante el robo. Además de dañar otros sistemas del vehículo, el robo también puede causar la muerte y lesiones a los ladrones.

Los robos de convertidores catalíticos se multiplicaron por diez en los Estados Unidos desde finales de la década de 2010 hasta principios de la de 2020, presumiblemente impulsados por el aumento del precio de los metales preciosos contenidos en los convertidores. 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.

De 2019 a 2020, los ladrones en el Reino Unido se dirigieron a los modelos híbridos 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 automóvil), lo que lleva a la escasez y a los largos retrasos en su sustitución.

En 2021, surgió una tendencia en la República Democrática del Congo donde se robaron convertidores catalíticos para usarlos en la producción de drogas.

Diagnóstico

Varias jurisdicciones ahora requieren diagnósticos a bordo para monitorear la función y 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 mediante la iluminación del indicador "verificar motor" en el tablero, o destellando si las condiciones actuales de fallo de encendido son lo suficientemente severas como para dañar potencialmente el convertidor catalítico.

Los sistemas de diagnóstico a bordo toman varias formas.

Los sensores de temperatura se utilizan con dos propósitos. El primero es como un sistema de advertencia, generalmente en convertidores catalíticos de dos vías, como los que todavía se usan 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 al daño por temperatura y pueden soportar temperaturas sostenidas de 900 °C (1650 °F). Los sensores de temperatura también se utilizan para monitorear el funcionamiento del catalizador: por lo general, se instalarán dos sensores, uno antes del catalizador y otro después para monitorear el aumento de temperatura sobre el núcleo del convertidor catalítico.

El sensor de oxígeno es la base del sistema de control de circuito cerrado en un motor de combustión rica encendido por chispa; sin embargo, también se utiliza para diagnósticos. En vehículos con OBD II, se instala un segundo sensor de oxígeno después del catalizador para controlar los niveles de O₂. Los niveles de O₂ se monitorean para ver la eficiencia del proceso de quemado. La computadora de a bordo hace comparaciones entre las lecturas de los dos sensores. Las lecturas se toman mediante medidas de tensión. Si ambos sensores muestran la misma salida o el O₂ trasero está "cambiando", la computadora reconoce que el convertidor catalítico no está funcionando o se ha quitado, y operará un mal funcionamiento luz indicadora y afectar el rendimiento del motor. "Simuladores de sensores de oxígeno" simples se han desarrollado para sortear 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. Dispositivos similares aplican una compensación a las señales del sensor, lo que permite que el motor funcione con una combustión pobre más económica que, sin embargo, puede dañar el motor o el convertidor catalítico.

Los sensores

NO_x son extremadamente caros y generalmente se usan solo cuando un motor de encendido por compresión está equipado con un convertidor de reducción catalítica selectiva (SCR), o un NO_x absorbedor en un sistema de retroalimentación. Cuando se instala en un sistema SCR, puede haber uno o dos sensores. Cuando se instala un sensor, será el precatalizador; cuando se montan 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 está monitoreando.

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