Com funciona un convertidor catalític per a automoció?

Durant el funcionament d’un motor de combustió interna, els gasos d’escapament s’alliberen a l’atmosfera, que no només són una de les principals causes de contaminació atmosfèrica, sinó també una de les causes de moltes malalties.

Aquests gasos, que surten dels sistemes d’escapament dels vehicles, consisteixen en elements extremadament nocius, per tant, els cotxes moderns estan equipats amb un sistema d’escapament especial, on sempre hi ha un catalitzador.

El convertidor catalític destrueix les molècules nocives dels gasos d’escapament i les fa tan segures com sigui possible per a les persones i el medi ambient.

Què és un catalitzador?

Un convertidor catalític és un tipus de dispositiu que té com a tasca principal reduir les emissions nocives dels gasos d’escapament dels motors d’automòbils. L’estructura del catalitzador és senzilla. Es tracta d’un contenidor metàl·lic que s’instal·la al sistema d’escapament d’un cotxe.

Al tanc hi ha dues canonades. La "entrada" del convertidor està connectada al motor i hi entren gasos d'escapament i la "sortida" es connecta al ressonador del sistema d'escapament del vehicle.

Quan els gasos d’escapament del motor entren al catalitzador, es produeixen reaccions químiques. Destrueixen gasos nocius i els converteixen en gasos inofensius que es poden alliberar al medi ambient.

Quins són els elements del convertidor catalític?

Per deixar una mica més clar el funcionament d’un convertidor catalític d’automòbil, considerem quins són els seus elements principals. Sense entrar en detalls, només enumerarem els elements principals a partir dels quals està construït.

Substrat

El substrat és l'estructura interna del catalitzador sobre la qual estan recoberts el catalitzador i els metalls preciosos. Hi ha diversos tipus de substrats. La seva principal diferència és el material del qual està fet. Molt sovint és una substància inert que estabilitza les partícules actives a la seva superfície.

Cobertura

El material catalitzador actiu normalment consisteix en alúmina i compostos com el ceri, el zirconi, el níquel, el bari, el lantà i altres. L'objectiu del recobriment és ampliar la superfície física del substrat i servir de base sobre la qual es dipositen els metalls preciosos.

Els metalls preciosos

Els metalls preciosos presents al convertidor catalític serveixen per dur a terme una reacció catalítica extremadament important. Els metalls preciosos més utilitzats són el platí, el pal·ladi i el rodi, però en els últims anys un gran nombre de fabricants han començat a utilitzar or.

Habitatge

La carcassa és la carcassa exterior del dispositiu i conté el substrat i altres elements del catalitzador. El material amb què es fa habitualment la caixa és l'acer inoxidable.

Tubs

Les canonades connecten el convertidor catalític del vehicle al sistema d’escapament i al motor del vehicle. Estan fabricats en acer inoxidable.

Com funciona un convertidor catalític per a automoció?

Per al funcionament d'un motor de combustió interna, és important que es produeixi un procés estable de combustió de la mescla aire-combustible als seus cilindres. Durant aquest procés es generen gasos nocius, com ara monòxid de carboni, òxids de nitrogen, hidrocarburs i altres.

Si el cotxe no disposa d’un convertidor catalític, tots aquests gasos extremadament nocius, després d’haver estat descarregats al col·lector d’escapament del motor, passaran pel sistema d’escapament i aniran directament a l’aire que respirem.

Si el vehicle té un convertidor catalític, els gasos d’escapament fluiran del motor al silenciador a través del panal del substrat i reaccionaran amb els metalls preciosos. Com a resultat d’una reacció química, les substàncies nocives es neutralitzen i només l’escapament inofensiu, que és principalment diòxid de carboni, entra al medi ambient des del sistema d’escapament.

Per les lliçons de química sabem que un catalitzador és una substància que provoca o accelera una reacció química sense afectar-la. Els catalitzadors participen en les reaccions però no són ni reactius ni productes d'una reacció catalítica.

Hi ha dues etapes per les quals passen els gasos nocius d’un catalitzador: la reducció i l’oxidació. Com funciona?

Quan la temperatura de funcionament del catalitzador arriba a 500 a 1200 graus Fahrenheit o 250-300 graus centígrads, passen dues coses: la reducció i immediatament després la reacció d’oxidació. Sembla una mica complicat, però en realitat significa que les molècules de la substància perden i guanyen electrons al mateix temps, cosa que canvia la seva estructura.

La reducció (absorció d’oxigen) que es produeix al catalitzador té com a objectiu convertir l’òxid nítric en un gas ecològic.

Com funciona un catalitzador automotriu en la fase de recuperació?

Quan l’òxid nitrós dels gasos d’escapament d’un automòbil entra al catalitzador, el platí i el rodi que comencen a actuar sobre la descomposició de les molècules d’òxid de nitrogen converteixen el gas nociu en un gas completament inofensiu.

Què passa durant l'etapa d'oxidació?

La segona etapa que té lloc al catalitzador s’anomena reacció d’oxidació, en la qual els hidrocarburs no cremats es converteixen en diòxid de carboni i aigua barrejant-se amb oxigen (oxidació).

Les reaccions que tenen lloc al catalitzador canvien la composició química dels gasos d’escapament, alterant l’estructura de l’àtom del qual estan formats. Quan molècules de gasos nocius passen del motor al catalitzador, les descomponen en àtoms. Els àtoms, al seu torn, es recombinen en molècules per formar substàncies relativament inofensives com diòxid de carboni, nitrogen i aigua, i s’alliberen al medi ambient a través del sistema d’escapament.

Els principals tipus de convertidors catalítics que s’utilitzen en motors de gasolina són dos: de dues vies i de tres vies.

Bilateral

Un catalitzador de doble paret (de doble cara) realitza simultàniament dues tasques: oxida el monòxid de carboni en diòxid de carboni i oxida els hidrocarburs (combustible no cremat o parcialment cremat) en diòxid de carboni i aigua.

Aquest tipus de catalitzador automotriu es va utilitzar en motors dièsel i gasolina per reduir les emissions nocives d’hidrocarburs i monòxid de carboni fins al 1981, però com que no va poder convertir òxids de nitrogen, després del 81 es va substituir per catalitzadors de tres vies.

Convertidor catalític redox de tres vies

Aquest tipus de catalitzador per a automoció, segons va resultar, es va introduir el 1981 i actualment s’instal·la a tots els cotxes moderns. El catalitzador de tres vies realitza tres tasques simultàniament:

• redueix l’òxid nítric a nitrogen i oxigen;
• oxida el monòxid de carboni en diòxid de carboni;
• oxida els hidrocarburs no cremats a diòxid de carboni i aigua.

Com que aquest tipus de convertidor catalític realitza tant les etapes de reducció com d'oxidació de la catàlisi, realitza la seva tasca amb una eficiència de fins al 98%. Això vol dir que si el vostre cotxe està equipat amb aquest convertidor catalític, no contaminarà el medi ambient amb emissions nocives.

Tipus de catalitzadors en motors dièsel

Per als vehicles dièsel, fins fa poc, un dels convertidors catalítics més utilitzats era el catalitzador d’oxidació dièsel (DOC). Aquest catalitzador utilitza oxigen en el flux d’escapament per convertir el monòxid de carboni en diòxid de carboni i els hidrocarburs en aigua i diòxid de carboni. Malauradament, aquest tipus de catalitzador és només un 90% eficient i aconsegueix eliminar les olors a gasoil i reduir les partícules visibles, però no és eficaç per reduir les emissions de NO x.

Els motors dièsel emeten gasos que contenen nivells relativament alts de partícules (sutge), que consisteix principalment en carboni elemental, als quals els catalitzadors DOC no poden fer front, de manera que les partícules s’han d’eliminar mitjançant els anomenats filtres de partícules (DPF).

Com es mantenen els catalitzadors?

Per evitar problemes amb el catalitzador, és important saber que:

• La vida mitjana del catalitzador és d’uns 160000 km. Després de recórrer aquesta distància, haureu de considerar la possibilitat de substituir el transductor.
• Si el vehicle està equipat amb un catalitzador, no s'ha d'utilitzar combustible amb plom, ja que redueix l'eficàcia del catalitzador. L'únic combustible adequat en aquest cas és el sense plom.

Sens dubte, els beneficis d’aquests dispositius per al medi ambient i la nostra salut són enormes, però, a més dels seus beneficis, també tenen els seus inconvenients.

Un dels seus majors desavantatges és que només treballen a altes temperatures. Dit d’una altra manera, quan engegueu el cotxe, el convertidor catalític no fa pràcticament res per reduir les emissions d’escapament.

Només comença a funcionar de manera eficient després que els gasos d’escapament s’escalfin a 250-300 graus centígrads. És per això que alguns fabricants d’automòbils han pres mesures per solucionar aquest problema acostant el catalitzador al motor, cosa que, d’una banda, millora el rendiment del dispositiu però n’escurça la vida útil perquè la seva proximitat al motor l’exposa a temperatures molt altes.

En els darrers anys, s’ha decidit col·locar el convertidor catalític sota el seient del passatger a una distància que li permeti operar de manera més eficient sense exposar-se a altes temperatures del motor.

Altres desavantatges dels catalitzadors són l'obstrucció freqüent i la crema de pastissos. L'esgotament sol produir-se a causa del combustible no cremat que entra al sistema d'escapament que s'encén a l'alimentació del convertidor catalític. L'obstrucció es produeix amb més freqüència per gasolina deficient o inadequada, desgast normal, estil de conducció, etc.

Aquests són desavantatges molt petits en el context dels enormes beneficis que obtenim de l’ús de catalitzadors per a automoció. Gràcies a aquests dispositius, les emissions nocives dels cotxes són limitades.

Alguns crítics argumenten que el diòxid de carboni també és una emissió nociva. Creuen que no cal un catalitzador en un cotxe, perquè aquestes emissions augmenten l'efecte hivernacle. De fet, si un cotxe no té un convertidor catalític i emet monòxid de carboni a l'aire, aquest òxid es convertirà en diòxid de carboni a l'atmosfera.

Qui va inventar el catalitzador?

Tot i que els catalitzadors no van aparèixer massivament fins a finals dels anys setanta, la seva història va començar molt abans.

Es considera que el pare del catalitzador és l'enginyer químic francès Eugene Goudry, que el 1954 va patentar el seu invent amb el nom de "Convertidor Catalític d'Escape".

Abans d'aquesta invenció, Goodry va inventar el craqueig catalític, en el qual grans productes químics orgànics complexos es separen en productes inofensius. Després va experimentar amb diferents tipus de combustible, el seu objectiu era fer-lo més net.

L’ús real de catalitzadors en automòbils es va produir a mitjans dels anys setanta, quan es van introduir normes de control d’emissions més estrictes que obligaven a eliminar el plom de l’escapament de la gasolina de baixa qualitat.

Preguntes i respostes:

Com comprovar la presència d'un catalitzador en un cotxe? Per fer-ho, només cal mirar sota el cotxe. A més del silenciador principal i el silenciador petit (el ressonador que es troba a la part davantera del sistema d'escapament), el catalitzador és una altra bombeta.

On és el catalitzador del cotxe? Com que el catalitzador ha de funcionar en condicions d'alta temperatura, es troba el més a prop possible del col·lector d'escapament. Està davant del ressonador.

Què és un catalitzador en un cotxe? Aquest és un convertidor catalític: una bombeta addicional al sistema d'escapament. Està farcit de material ceràmic, el bresca del qual està cobert de metall preciós.