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Mar 17, 2023

Calentamiento de convertidores catalíticos en el Día de la Tierra

Dan Carney | 22 de abril de 2020 Niebla con humo de Los Ángeles, 1973. Fuente de la imagen: EPA EE. UU.

Dan Carney | 22 de abril de 2020

Smog de Los Ángeles, 1973. Fuente de la imagen: EPA

La Ley de Aire Limpio de EE. UU. de 1970 impuso amplias restricciones a las fuentes de contaminación apenas unos meses después del primer Día de la Tierra, el 22 de abril de ese año, hace medio siglo.

Resultó que los autos eran contribuyentes sustanciales a la contaminación del aire y el smog no solo asfixiaba lugares obvios como Los Ángeles, sino también ciudades como Louisville, Ky., Phoenix, Ariz. y Tacoma, Washington, que normalmente no son considerados puntos problemáticos de contaminación en la actualidad. Esto se ve en fotos del programa Documerica de la Agencia de Protección Ambiental que fotografió el impacto de la contaminación en 1970.

En respuesta a la Ley de Aire Limpio y al endurecimiento de las reglas en una actualización de la ley en 1990, se exigió a los fabricantes de automóviles que eliminaran virtualmente la mayor parte de la llamada contaminación "criterio" producida por los automóviles. Las principales emisiones criterio son monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos no quemados y material particulado, junto con amoníaco y azufre. El azufre es principalmente una preocupación para los vehículos diésel debido a la presencia de ese elemento en el combustible diésel.

Los fabricantes respondieron desarrollando convertidores catalíticos, una tecnología inventada por el ingeniero francés Eugene Houdry en 1950 tras la publicación de los primeros estudios sobre el smog en Los Ángeles. Según el sitio web respaldado por la industria, catalyticconverters.com, Engelhard Corporation creó la primera conversión catalítica de producción del mundo en 1973.

Prueba de emisiones de vehículos en un dinamómetro. Fuente de la imagen: EPA

Los convertidores catalíticos emplean metales preciosos como el platino y el paladio en capas sobre un panal de cerámica que, cuando se calienta, facilita la descomposición de los contaminantes en elementos constituyentes benignos, agua y CO2. Algunos convertidores también han utilizado perlas de cerámica recubiertas con metales preciosos, pero los panales se han convertido en el estándar de la industria, ya que los fabricantes han aumentado la eficiencia y reducido la cantidad de metales preciosos necesarios.

"Los estándares de emisiones de vehículos de la EPA provocaron directamente el desarrollo y la implementación de una gama de tecnologías", dijo un portavoz de la EPA en un comunicado proporcionado a Design News. "El convertidor catalítico automotriz, en particular, se considera uno de los grandes inventos ambientales de todos los tiempos. En comparación con los modelos de vehículos de 1970, los automóviles nuevos, los SUV y las camionetas son aproximadamente un 99 % más limpios de contaminantes comunes (hidrocarburos (HC), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx) y emisiones de partículas). Los nuevos camiones y autobuses pesados ​​son aproximadamente un 99 por ciento más limpios que los modelos de 1970".

De hecho, una reducción del 99 por ciento en la contaminación es sin duda uno de los grandes inventos ambientales de todos los tiempos. Esas mejoras no fueron fáciles, ya que los primeros autos con carburador no funcionaban bien en términos de contaminación, entrega de potencia o capacidad de conducción.

1975 Ford Mustang II Ghia. Fuente de la imagen: Ford Motor Co.

Ford introdujo catalizadores en la mayoría de sus autos para el año modelo 1975, en respuesta a estándares federales más estrictos y requisitos mucho más restrictivos en California. California ordenó reducciones del 94 por ciento para HC, 90 por ciento para CO y 67 por ciento para NOx en comparación con los autos completamente no regulados de una década antes, según el comunicado de prensa de Ford para sus autos de 1975.

Para cumplir con estas reglas, todos los autos de 1975 con destino a California estaban equipados con catalizadores, y la mayoría de los llamados autos de 49 estados que fueron al resto del país también lo tenían, con aquellos propulsados ​​por el motor más pequeño de la compañía en ese momento, el árbol de levas de 2,3 litros y cuatro cilindros, como única excepción.

Todos los Ford de 1975 cambiaron del clásico encendido por puntos a un encendido electrónico más potente y de carburadores con chorros de combustible tradicionales a otros que usaban varillas dosificadoras más precisas. Además, el cambio a combustible sin plomo que era necesario para proteger el funcionamiento del convertidor catalítico requería un cambio a válvulas de escape endurecidas, que previamente estaban lubricadas con el aditivo de plomo en el combustible.

El resultado de estos cambios fue menos potencia de los motores en todos los ámbitos. El deportivo Mustang II Mach I, equipado con el V8 de bloque pequeño 302, tenía una potencia mínima de 140 caballos de fuerza, en comparación con los 220 hp del motor Mustang equivalente en 1969 y los 290 hp del Boss 302 mejorado. Fue aún peor para el modelo de California. , que producía solo 122 hp de su bloque pequeño 302, una vez musculoso.

Pero la misma Ley de Moore que ha hecho que nuestras PC y teléfonos sean tan poderosos también ha proporcionado sistemas inteligentes de gestión del motor para coordinar los sistemas de inyección de combustible con los dispositivos de postratamiento de gases de escape para eliminar virtualmente la contaminación una vez que el motor del automóvil y su convertidor catalítico se han calentado a la temperatura de funcionamiento.

Para 1995, ese mismo Ford 302 V8 en el Mustang había sido restaurado a 215 hp en configuración regular y 240 hp en configuración de alto rendimiento, mientras producía aún menos contaminación para cumplir con los límites de contaminación más estrictos de dos décadas después. Naturalmente, el progreso ha continuado durante el cuarto de siglo transcurrido desde entonces.

"Los catalizadores y filtros de hoy en día tienen una eficiencia muy alta de más del 95 al 98 por ciento de tasa de reducción de contaminantes como hidrocarburos, monóxido de carbono, óxido de nitrógeno y partículas", señaló. Rolf Brück, Jefe de Catalizadores y Filtros, Vitesco Technologies, que es una división de Continental.

El desafío es hacer que el catalizador alcance la temperatura de funcionamiento lo más rápido posible en el arranque, porque ese es el período en el que los automóviles limpios de hoy generan la mayor parte de la contaminación. De hecho, del 70 al 80 por ciento de las emisiones se escapan durante los primeros segundos después del arranque, según Brück. Este es un desafío particular para los viajes de corta distancia, agregó.

Peor aún, las tecnologías destinadas a ayudar a mejorar la eficiencia y reducir la emisión de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono (que, como gas inerte, nunca se consideró un contaminante en los albores de la era del control de emisiones) pueden exacerbar el problema de mantener el catalizador en caliente. Rango de temperatura de funcionamiento.

Los motores diésel tienen temperaturas de escape más frías, especialmente en la conducción urbana, señaló. Los motores diésel en ciudad con poca carga son un desafío porque las temperaturas son tan bajas que los catalizadores no funcionan de manera eficiente", dijo Brück.

De manera similar, los vehículos de gasolina modernos equipados con sistemas automáticos de parada/arranque del motor, y especialmente los vehículos híbridos, cuyos motores de combustión pueden estar apagados por períodos prolongados, dificultan que el catalizador funcione correctamente.

"Los futuros sistemas de escape tienen, por ejemplo, mediante la gestión térmica a través del calentamiento activo del catalizador, la tarea de limpiar las emisiones de manera robusta, independientemente del comportamiento del conductor o del entorno", explicó. "Lo mismo es cierto para los vehículos eléctricos como los híbridos. Aquí el desafío es hacer que el catalizador funcione a la temperatura adecuada para mantenerlo a la temperatura de trabajo cuando el automóvil se conduce eléctricamente".

La solución, como ha sido durante la vida útil de los convertidores catalíticos, será la aplicación continua de tecnología para controlar las circunstancias con la mayor precisión posible. "La combinación correcta de electrificación y gestión térmica del catalizador puede reducir aún más las emisiones al mismo tiempo que reduce el consumo de combustible y, por lo tanto, el CO2", concluyó Brück.

El resultado es un escape de automóviles más limpio y cielos más despejados que los pronósticos más optimistas podrían haber previsto en el Día de la Tierra de 1970.

Este catalizador de Continental utiliza combustible diesel inyectado para calentar el catalizador. Fuente de la imagen: Continental

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Dan Carney es editor sénior de Design News y cubre tecnología automotriz, ingeniería y diseño, especialmente vehículos eléctricos emergentes y tecnologías autónomas.

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