Conversor catalítico

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Um conversor catalítico de três vias em um Dodge Ram 1996 movido a gasolina
Simulação de fluxo dentro de um conversor catalítico

Um conversor catalítico é um dispositivo de controle de emissão de gases de escape que converte gases tóxicos e poluentes nos gases de escape de um motor de combustão interna em poluentes menos tóxicos, catalisando uma reação redox . Os conversores catalíticos são geralmente usados ​​com motores de combustão interna a gasolina ou diesel , incluindo motores de queima pobre e, às vezes, em aquecedores e fogões a querosene .

A primeira introdução generalizada de conversores catalíticos foi no mercado automobilístico dos Estados Unidos . Para cumprir com a regulamentação mais rígida da Agência de Proteção Ambiental dos EUA sobre emissões de gases de escape, a maioria dos veículos movidos a gasolina a partir do ano modelo 1975 são equipados com conversores catalíticos. [1] [2] [3] [4] Esses conversores "de duas vias" combinam oxigênio com monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos não queimados (HC) para produzir dióxido de carbono (CO 2 ) e água (H 2O). Em 1981, os conversores catalíticos de duas vias tornaram-se obsoletos por conversores de "três vias" que também reduzem os óxidos de nitrogênio ( NO x ); [1] no entanto, conversores bidirecionais ainda são usados ​​para motores lean-burn. Isso ocorre porque os conversores de três vias requerem combustão rica ou estequiométrica para reduzir com sucesso o NO x .

Embora os conversores catalíticos sejam mais comumente aplicados a sistemas de exaustão em automóveis, eles também são usados ​​em geradores elétricos , empilhadeiras , equipamentos de mineração, caminhões , ônibus , locomotivas , motocicletas e navios. Eles são usados ​​até em alguns fogões a lenha para controlar as emissões. [5] Isso geralmente ocorre em resposta à regulamentação governamental , seja por meio de regulamentação ambiental direta ou por meio de regulamentações de saúde e segurança.

História

Protótipos de conversores catalíticos foram projetados pela primeira vez na França no final do século 19, quando apenas alguns milhares de "carros a óleo" estavam nas estradas; esses protótipos tinham um material inerte revestido com platina, irídio e paládio, selado em um cilindro metálico duplo. [6]

Algumas décadas depois, um conversor catalítico foi patenteado por Eugene Houdry , um engenheiro mecânico francês e especialista em refino catalítico de petróleo, [7] que se mudou para os Estados Unidos em 1930. Quando os resultados dos primeiros estudos de poluição atmosférica em Los Angeles foram publicados , Houdry ficou preocupado com o papel da exaustão da chaminé e da exaustão de automóveis na poluição do ar e fundou uma empresa chamada Oxy-Catalyst. Houdry primeiro desenvolveu conversores catalíticos para chaminés chamados "gatos" para abreviar, e mais tarde desenvolveu conversores catalíticos para empilhadeiras de armazém que usavam gasolina sem chumbo de baixo grau. [8] Em meados da década de 1950, ele começou a pesquisar para desenvolver conversores catalíticos para motores a gasolinausado em carros. Ele foi premiado com a Patente 2.742.437 dos Estados Unidos por seu trabalho. [9]

Os conversores catalíticos foram desenvolvidos por uma série de engenheiros, incluindo Carl D. Keith , John J. Mooney , Antonio Eleazar e Phillip Messina na Engelhard Corporation, [10] [11] criando o primeiro conversor catalítico de produção em 1973. [12] [ fonte não confiável? ]

A primeira introdução generalizada de conversores catalíticos foi no mercado automobilístico dos Estados Unidos. Para cumprir com a nova regulamentação de emissões de escape da Agência de Proteção Ambiental dos EUA , a maioria dos veículos movidos a gasolina a partir do ano modelo 1975 está equipada com conversores catalíticos. Esses conversores "de duas vias" combinavam oxigênio com monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos não queimados (HC, compostos químicos em combustível na forma C n H n ) para produzir dióxido de carbono (CO 2 ) e água (H 2 O). [1] [2] [3] [4]Esses rigorosos regulamentos de controle de emissões forçaram a remoção do agente antidetonante tetraetila chumbo da gasolina automotiva, para reduzir o chumbo no ar. O chumbo é um veneno de catalisador e destruiria efetivamente um conversor catalítico ao revestir a superfície do catalisador. Exigir a remoção do chumbo permitiu o uso de conversores catalíticos para atender aos demais padrões de emissão da regulamentação. [13]

William C. Pfefferle desenvolveu um combustor catalítico para turbinas a gás no início da década de 1970, permitindo a combustão sem formação significativa de óxidos de nitrogênio e monóxido de carbono. [14] [15]

Construção

Corte de um conversor de núcleo de metal
Conversor de núcleo cerâmico

A construção do catalisador é a seguinte:

  1. O suporte ou substrato do catalisador . Para conversores catalíticos automotivos, o núcleo geralmente é um monólito cerâmico que possui uma estrutura de favo de mel (geralmente quadrada, não hexagonal). (Antes de meados da década de 1980, o material catalisador era depositado em um leito empacotado de pellets de alumina nas primeiras aplicações GM.) Monólitos de folha metálica feitos de Kanthal (FeCrAl) [16] são usados ​​em aplicações onde é necessária uma resistência particularmente alta ao calor. [16] O substrato é estruturado para produzir uma grande área de superfície . A cordierita O substrato cerâmico usado na maioria dos conversores catalíticos foi inventado por Rodney Bagley , Irwin Lachman e Ronald Lewis na Corning Glass , pelo qual foram introduzidos no National Inventors Hall of Fame em 2002. [1]
  2. A bata. Um washcoat é um transportador para os materiais catalíticos e é usado para dispersar os materiais em uma grande área de superfície. Óxido de alumínio , dióxido de titânio, dióxido de silício ou uma mistura de sílica e alumina podem ser usados. Os materiais catalíticos são suspensos no washcoat antes de serem aplicados no núcleo. Os materiais de washcoat são selecionados para formar uma superfície áspera e irregular, o que aumenta a área da superfície em comparação com a superfície lisa do substrato nu. [17]
  3. Ceria ou ceria-zircônia . Esses óxidos são adicionados principalmente como promotores de armazenamento de oxigênio. [18]
  4. O próprio catalisador é na maioria das vezes uma mistura de metais preciosos , principalmente do grupo da platina . A platina é o catalisador mais ativo e é amplamente utilizado, mas não é adequado para todas as aplicações devido a reações adicionais indesejadas e alto custo. Paládio e ródio são dois outros metais preciosos usados. O ródio é usado como catalisador de redução , o paládio é usado como catalisador de oxidação e a platina é usada tanto para redução quanto para oxidação. Cério , ferro , manganês e níqueltambém são usados, embora cada um tenha limitações. O níquel não é legal para uso na União Européia por causa de sua reação com o monóxido de carbono em tetracarbonil de níquel tóxico . [ carece de fontes ] O cobre pode ser usado em todos os lugares, exceto no Japão . [ esclarecimentos necessários ]

Em caso de falha, um conversor catalítico pode ser reciclado em sucata . Os metais preciosos dentro do conversor, incluindo platina, paládio e ródio, são extraídos.

Colocação de conversores catalíticos

Os conversores catalíticos requerem uma temperatura de 400 °C (752 °F) para operar de forma eficaz. Portanto, eles são colocados o mais próximo possível do motor, ou um ou mais conversores catalíticos menores (conhecidos como "pré-cats") são colocados imediatamente após o coletor de escape.

Tipos

Bidirecional

Um conversor catalítico de 2 vias (ou "oxidação", às vezes chamado de "oxi-cat") tem duas tarefas simultâneas:

  1. Oxidação de monóxido de carbono em dióxido de carbono : 2 CO + O 2 → 2 CO 2
  2. Oxidação de hidrocarbonetos (combustível não queimado e parcialmente queimado) em dióxido de carbono e água : C x H 2x+2 + [(3x+1)/2] O 2 → x CO 2 + (x+1) H 2 O (uma combustão reação)

Este tipo de conversor catalítico é amplamente utilizado em motores a diesel para reduzir as emissões de hidrocarbonetos e monóxido de carbono. Eles também foram usados ​​em motores a gasolina em automóveis do mercado americano e canadense até 1981. Por causa de sua incapacidade de controlar óxidos de nitrogênio , eles foram substituídos por conversores de três vias.

Três vias

Os conversores catalíticos de três vias têm a vantagem adicional de controlar a emissão de óxido nítrico (NO) e dióxido de nitrogênio (NO 2 ) (ambos abreviados como NO x e não devem ser confundidos com óxido nitroso (N 2 O) ), que são precursores da chuva ácida e do smog . [19]

Desde 1981, conversores catalíticos de "três vias" (oxidação-redução) têm sido usados ​​em sistemas de controle de emissões de veículos nos Estados Unidos e Canadá; muitos outros países também adotaram regulamentos rigorosos de emissões de veículos que, na verdade, exigem conversores de três vias em veículos movidos a gasolina. Os catalisadores de redução e oxidação estão normalmente contidos em um invólucro comum; no entanto, em alguns casos, eles podem ser alojados separadamente. Um conversor catalítico de três vias tem três tarefas simultâneas: [19]

Redução de óxidos de nitrogênio a nitrogênio (N 2 )

Oxidação de carbono, hidrocarbonetos e monóxido de carbono em dióxido de carbono

Essas três reações ocorrem de forma mais eficiente quando o conversor catalítico recebe a exaustão de um motor funcionando ligeiramente acima do ponto estequiométrico . Para a combustão de gasolina, esta proporção está entre 14,6 e 14,8 partes de ar para uma parte de combustível, em peso. A proporção para autogás (ou GLP de gás liquefeito de petróleo ), gás natural e etanol pode variar significativamente para cada um, notadamente com combustíveis oxigenados ou à base de álcool, com e85 exigindo aproximadamente 34% mais combustível, exigindo ajustes e componentes modificados do sistema de combustível quando usando esses combustíveis. Em geral, os motores equipados com conversores catalíticos de 3 vias são sistema de injeção de combustível de feedback de circuito fechado usando um ou mais sensores de oxigênio , embora no início da implantação de conversores de três vias, carburadores equipados com controle de mistura de feedback foram usados .

Os conversores de três vias são eficazes quando o motor é operado dentro de uma faixa estreita de relações ar-combustível perto do ponto estequiométrico. [20] A eficiência total de conversão cai muito rapidamente quando o motor é operado fora desta faixa. Ligeiramente pobre de estequiometria, os gases de escape do motor contêm excesso de oxigênio, a produção de NOx pelo motor aumenta e a eficiência do catalisador na redução de NOx cai rapidamente. No entanto, a conversão de HC e CO é muito eficiente devido ao oxigênio disponível, oxidando em H 2 O e CO 2. Ligeiramente rica em estequiometria, a produção de CO e HC não queimado pelo motor começa a aumentar drasticamente, o oxigênio disponível diminui e a eficiência do catalisador para oxidar CO e HC diminui significativamente, especialmente quando o oxigênio armazenado se esgota. No entanto, a eficiência do catalisador na redução de NOx é boa e a produção de NOx pelo motor diminui. Para manter a eficiência do catalisador, a relação ar:combustível deve permanecer próxima da estequiométrica e não permanecer rica ou pobre por muito tempo.

Os sistemas de controle de motor de circuito fechado são usados ​​para a operação eficaz de conversores catalíticos de três vias devido a esse equilíbrio rico-pobre contínuo necessário para NO x efetivoredução e oxidação HC+CO. O sistema de controle permite que o catalisador libere oxigênio durante condições de operação levemente ricas, o que oxida CO e HC em condições que também favorecem a redução de NOx. Antes que o oxigênio armazenado se esgote, o sistema de controle muda a relação ar:combustível para se tornar um pouco pobre, melhorando a oxidação de HC e CO enquanto armazena oxigênio adicional no material catalisador, com uma pequena penalidade na eficiência de redução de NOx. Então a mistura ar:combustível é trazida de volta para um pouco rica, com uma pequena penalidade na eficiência de oxidação de CO e HC, e o ciclo se repete. A eficiência é melhorada quando esta oscilação em torno do ponto estequiométrico é pequena e cuidadosamente controlada. [21]

O controle de circuito fechado sob carga leve a moderada é realizado usando um ou mais sensores de oxigênio no sistema de exaustão. Quando o oxigênio é detectado pelo sensor, a relação ar:combustível é pobre ou estequiométrica, e quando o oxigênio não é detectado, é rico. O sistema de controle ajusta a taxa de combustível sendo injetada no motor com base neste sinal para manter a relação ar:combustível próxima ao ponto estequiométrico, a fim de maximizar a eficiência de conversão do catalisador. O algoritmo de controle também é afetado pelo atraso de tempo entre o ajuste da vazão de combustível e a detecção da relação ar:combustível alterada pelo sensor, bem como a sigmoidalresposta dos sensores de oxigênio. Os sistemas de controle típicos são projetados para varrer rapidamente a relação ar:combustível de forma que ela oscile levemente em torno do ponto estequiométrico, permanecendo próximo ao ponto de eficiência ideal enquanto gerencia os níveis de oxigênio armazenado e HC não queimado. [22]

O controle de malha fechada geralmente não é usado durante operação de alta carga/potência máxima, quando um aumento nas emissões é permitido e uma mistura rica é comandada para aumentar a potência e evitar que a temperatura dos gases de escape exceda os limites do projeto. Isso apresenta um desafio para o projeto do sistema de controle e do catalisador. Durante essas operações, grandes quantidades de HC não queimado são produzidas pelo motor, muito além da capacidade do catalisador de liberar oxigênio. A superfície do catalisador fica rapidamente saturada com HC. Ao retornar para uma saída de potência mais baixa e relações ar:combustível mais pobres, o sistema de controle deve evitar que o oxigênio excessivo atinja o catalisador muito rapidamente, pois isso queimará rapidamente o HC no catalisador já quente, potencialmente excedendo o limite de temperatura de projeto do catalisador. A temperatura excessiva do catalisador pode envelhecer prematuramente o catalisador, reduzindo sua eficiência antes de atingir a vida útil do projeto. A temperatura excessiva do catalisador também pode ser causada por falha de ignição do cilindro, que flui continuamente HC não queimado combinado com oxigênio para o catalisador quente, queimando o catalisador e aumentando sua temperatura.[23]

Reações indesejadas

Reações indesejadas resultam na formação de sulfeto de hidrogênio e amônia , que envenenam os catalisadores. Níquel ou manganês às vezes é adicionado ao washcoat para limitar as emissões de sulfeto de hidrogênio. [ citação necessária ] Combustíveis sem enxofre ou com baixo teor de enxofre eliminam ou minimizam problemas com sulfeto de hidrogênio.

Motores a diesel

Para motores de ignição por compressão (ou seja, diesel ), o conversor catalítico mais comumente usado é o catalisador de oxidação diesel (DOC). Os DOCs contêm paládio e/ou platina suportados em alumina . Este catalisador converte material particulado (PM), hidrocarbonetos e monóxido de carbono em dióxido de carbono e água. Esses conversores geralmente operam com 90% de eficiência, praticamente eliminando o odor de diesel e ajudando a reduzir partículas visíveis. Esses catalisadores são ineficazes para NO x , portanto, as emissões de NO x dos motores a diesel são controladas pela recirculação dos gases de escape (EGR).

Em 2010, a maioria dos fabricantes de diesel para serviços leves nos EUA adicionou sistemas catalíticos a seus veículos para atender aos requisitos federais de emissões. Duas técnicas foram desenvolvidas para a redução catalítica das emissões de NO x em condições de exaustão pobres, a redução catalítica seletiva (SCR) e o adsorvedor de NO x .

Em vez de absorvedores de NO x contendo metais preciosos , a maioria dos fabricantes selecionou sistemas SCR de metal básico que usam um reagente como amônia para reduzir o NO x em nitrogênio e água. [24] A amônia é fornecida ao sistema catalisador pela injeção de uréia no escapamento, que então sofre decomposição térmica e hidrólise em amônia. A solução de ureia também é referida como fluido de escape diesel (DEF).

O escapamento de diesel contém níveis relativamente altos de material particulado. Os conversores catalíticos removem apenas 20 a 40% do PM, de modo que as partículas são limpas por um coletor de fuligem ou filtro de partículas diesel (DPF). Nos EUA, todos os veículos leves, médios e pesados ​​movidos a diesel construídos após 1º de janeiro de 2007 estão sujeitos a limites de emissão de partículas de diesel e, portanto, são equipados com um conversor catalítico de 2 vias e um filtro de partículas de diesel . [ citação necessária ] Desde que o motor tenha sido fabricado antes de 1 de janeiro de 2007, o veículo não é obrigado a ter o sistema DPF. [ citação necessária ]Isso levou a um aumento de estoque dos fabricantes de motores no final de 2006 para que pudessem continuar vendendo veículos pré-DPF até 2007. [25]

Motores de ignição por faísca Lean-burn

Para motores de ignição por faísca de queima pobre , um catalisador de oxidação é usado da mesma maneira que em um motor a diesel. As emissões de motores de ignição por faísca de queima pobre são muito semelhantes às emissões de um motor de ignição por compressão a diesel.

Instalação

Muitos veículos possuem um conversor catalítico acoplado próximo ao coletor de escape do motor . O conversor aquece rapidamente, devido à sua exposição aos gases de escape muito quentes, permitindo reduzir as emissões indesejáveis ​​durante o período de aquecimento do motor. Isto é conseguido queimando os hidrocarbonetos em excesso que resultam da mistura extra rica necessária para uma partida a frio.

Quando os conversores catalíticos foram introduzidos pela primeira vez, a maioria dos veículos usava carburadores que forneciam uma relação ar-combustível relativamente rica . Os níveis de oxigênio (O 2 ) na corrente de exaustão foram, portanto, geralmente insuficientes para que a reação catalítica ocorresse de forma eficiente. A maioria dos projetos da época, portanto, incluía injeção de ar secundária , que injetava ar no fluxo de exaustão. Isso aumentou o oxigênio disponível, permitindo que o catalisador funcionasse como pretendido.

Alguns sistemas de conversores catalíticos de três vias possuem sistemas de injeção de ar com o ar injetado entre o primeiro ( redução de NO x ) e o segundo (oxidação de HC e CO) do conversor. Como nos conversores bidirecionais, este ar injetado fornece oxigênio para as reações de oxidação. Um ponto de injeção de ar a montante, à frente do conversor catalítico, às vezes também está presente para fornecer oxigênio adicional apenas durante o período de aquecimento do motor. Isso faz com que o combustível não queimado se acenda no tubo de escape, evitando assim que ele atinja o conversor catalítico. Essa técnica reduz o tempo de funcionamento do motor necessário para que o conversor catalítico atinja sua temperatura de "desligamento" ou de operação .

A maioria dos veículos mais novos possui sistemas de injeção eletrônica de combustível e não requer sistemas de injeção de ar em seus escapamentos. Em vez disso, eles fornecem uma mistura ar-combustível controlada com precisão que alterna rápida e continuamente entre combustão pobre e rica. Os sensores de oxigênio monitoram o teor de oxigênio do escapamento antes e depois do catalisador, e a unidade de controle do motor usa essa informação para ajustar a injeção de combustível de modo a evitar que o primeiro catalisador ( redução de NO x ) fique carregado de oxigênio, garantindo simultaneamente o segundo (oxidação de HC e CO) é suficientemente saturado de oxigênio.

Dano

O envenenamento do catalisador ocorre quando o catalisador é exposto a gases de escape contendo substâncias que revestem as superfícies de trabalho, de modo que não podem entrar em contato e reagir com os gases de escape. O contaminante mais notável é o chumbo , de modo que os veículos equipados com conversores catalíticos podem funcionar apenas com combustível sem chumbo . Outros venenos comuns de catalisador incluem enxofre , manganês (originado principalmente do aditivo de gasolina MMT ) e silício , que pode entrar no fluxo de escape se o motor tiver um vazamento que permita a entrada de refrigerante na câmara de combustão. Fósforoé outro contaminante do catalisador. Embora o fósforo não seja mais usado na gasolina, ele (e o zinco , outro contaminante do catalisador de baixo nível) foi amplamente utilizado em aditivos antidesgaste do óleo do motor , como o ditiofosfato de zinco (ZDDP). A partir de 2004, um limite de concentração de fósforo em óleos de motor foi adotado nas especificações API SM e ILSAC GF-4.

Dependendo do contaminante, o envenenamento do catalisador às vezes pode ser revertido ao operar o motor sob uma carga muito pesada por um longo período de tempo. [ citação necessária ] O aumento da temperatura de exaustão pode às vezes vaporizar ou sublimar o contaminante, removendo-o da superfície catalítica. [ citação necessária ] No entanto, a remoção de depósitos de chumbo dessa maneira geralmente não é possível devido ao alto ponto de ebulição do chumbo. [ citação necessária ]

Qualquer condição que faça com que níveis anormalmente altos de hidrocarbonetos não queimados (combustíveis ou óleos brutos ou parcialmente queimados) atinjam o conversor tenderá a elevar significativamente sua temperatura, trazendo o risco de um derretimento do substrato e a desativação catalítica resultante e restrição severa de exaustão. Essas condições incluem falha dos componentes a montante do sistema de escape (conjunto coletor/coletor e braçadeiras associadas suscetíveis a ferrugem/corrosão e/ou fadiga, por exemplo, o coletor de escape lascando após ciclos de calor repetidos), sistema de ignição, por exemplo, conjuntos de bobinas e/ou ignição primária componentes (por exemplo, tampa do distribuidor, fios, bobina de ignição e velas de ignição) e/ou componentes do sistema de combustível danificados (injetores de combustível, regulador de pressão de combustível e sensores associados). Vazamentos de óleo e/ou refrigerante, talvez causados ​​por um vazamento na junta do cabeçote,

Regulamentos

Os regulamentos de emissões variam consideravelmente de jurisdição para jurisdição. A maioria dos motores de ignição por centelha de automóveis na América do Norte foram equipados com conversores catalíticos desde 1975, [1] [2] [3] [4] e a tecnologia usada em aplicações não automotivas é geralmente baseada na tecnologia automotiva. Em muitas jurisdições, é ilegal remover ou desativar um conversor catalítico por qualquer motivo que não seja sua substituição direta e imediata. No entanto, alguns proprietários de veículos removem ou "estripam" o conversor catalítico em seu veículo. [26] [27]Nesses casos, o conversor pode ser substituído por uma seção soldada de tubo comum ou um "tubo de teste" flangeado, ostensivamente destinado a verificar se o conversor está entupido comparando como o motor funciona com e sem o conversor. Isso facilita a reinstalação temporária do conversor para passar em um teste de emissão. [28]

Nos Estados Unidos, é uma violação da Seção 203(a)(3)(A) da Lei do Ar Limpo emendada de 1990 para uma oficina de veículos remover um conversor de um veículo, ou fazer com que um conversor seja removido de um veículo, exceto para substituí-lo por outro conversor, [29] e a Seção 203(a)(3)(B) torna ilegal para qualquer pessoa vender ou instalar qualquer peça que possa contornar, anular ou tornar inoperante qualquer sistema de controle de emissões, dispositivo ou elemento de projeto. Veículos sem catalisadores funcionais geralmente falham nas inspeções de emissões. O mercado de reposição automotiva fornece conversores de alto fluxo para veículos com motores atualizados ou cujos proprietários preferem um sistema de escapamento com capacidade maior que o estoque. [30]

Efeito no fluxo de exaustão

Conversores catalíticos defeituosos, bem como os primeiros tipos de conversores não danificados, podem restringir o fluxo de exaustão, o que afeta negativamente o desempenho do veículo e a economia de combustível. [26] Os conversores catalíticos modernos não restringem significativamente o fluxo de escape. Um teste de 2006 em um Honda Civic 1999, por exemplo, mostrou que a remoção do catalisador de estoque rendeu apenas um aumento de 3% na potência máxima; um novo conversor de núcleo metálico custava ao carro apenas 1% de potência, comparado a nenhum conversor. [28]

Perigos

Carburadores em veículos anteriores a 1981 sem controle de mistura ar-combustível de feedback poderiam facilmente fornecer muito combustível para o motor, o que poderia fazer com que o conversor catalítico superaquecesse e potencialmente inflamasse materiais inflamáveis ​​sob o carro. [31]

Período de aquecimento

Os veículos equipados com catalisadores emitem a maior parte da sua poluição total durante os primeiros cinco minutos de funcionamento do motor; por exemplo, antes que o catalisador tenha aquecido o suficiente para ser totalmente eficaz. [32]

No início dos anos 2000, tornou-se comum colocar o catalisador bem próximo ao coletor de escape, próximo ao motor, para um aquecimento muito mais rápido. Em 1995, a Alpina introduziu um catalisador aquecido eletricamente. Chamado de "E-KAT", foi usado no B12 5,7 E-KAT da Alpina baseado no BMW 750i . [33] As bobinas de aquecimento dentro dos conjuntos do conversor catalítico são eletrificadas logo após a partida do motor, levando o catalisador à temperatura de operação muito rapidamente para qualificar o veículo para a designação de veículo de baixa emissão (LEV). [34] A BMW mais tarde introduziu o mesmo catalisador aquecido, desenvolvido em conjunto pela Emitec, Alpina e BMW, [33] em seu 750i em 1999. [34]

Alguns veículos contêm um pré-cat, um pequeno conversor catalítico a montante do catalisador principal que aquece mais rapidamente na partida do veículo, reduzindo as emissões associadas às partidas a frio. Um pré-gato é mais comumente usado por um fabricante de automóveis ao tentar atingir a classificação Ultra Low Emissions Vehicle (ULEV), como no Toyota MR2 Roadster. [35]

Impacto ambiental

Os conversores catalíticos provaram ser confiáveis ​​e eficazes na redução de emissões nocivas pelo tubo de escape. No entanto, eles também apresentam algumas deficiências de uso, e também impactos ambientais adversos na produção:

  • Um motor equipado com um catalisador de três vias deve funcionar no ponto estequiométrico , o que significa que mais combustível é consumido do que em um motor de queima pobre . Isso significa aproximadamente 10% mais emissões de CO 2 do veículo.
  • A produção de catalisadores requer paládio ou platina ; parte da oferta mundial desses metais preciosos é produzida perto de Norilsk , na Rússia , onde a indústria (entre outras) fez com que Norilsk fosse adicionado à lista dos lugares mais poluídos da revista Time . [36]
  • O calor extremo dos próprios conversores [37] pode causar incêndios florestais , especialmente em áreas secas. [38] [39] [40]

Roubo

Devido à localização externa e ao uso de metais preciosos valiosos, incluindo platina , paládio e ródio , os conversores catalíticos são um alvo para ladrões. O problema é especialmente comum entre caminhões e SUVs de modelos recentes, devido à sua alta distância ao solo e aos conversores catalíticos aparafusados ​​​​facilmente removíveis. Os conversores soldados também correm o risco de roubo, pois podem ser facilmente cortados. [41] [42] [43] Freqüentemente , os cortadores de tubos são usados ​​para remover silenciosamente o conversor [44] [45] mas outras ferramentas, como uma serra alternativa portátilpode danificar outros componentes do carro, como alternador, fiação ou linhas de combustível, com consequências potencialmente perigosas. O aumento dos preços dos metais nos EUA durante o boom das commodities nos anos 2000 levou a um aumento significativo no roubo de conversores. Um conversor catalítico pode custar mais de US $ 1.000 para substituir, mais se o veículo for danificado durante o roubo. [46] [47] [48]

De 2019 a 2020, ladrões no Reino Unido tinham como alvo carros híbridos de modelos mais antigos que têm mais metais preciosos do que veículos mais novos – às vezes valem mais do que o valor do carro – levando à escassez e longos atrasos na substituição. [49]

Em 2021, surgiu uma tendência na República Democrática do Congo, onde conversores catalíticos foram roubados para uso na produção de medicamentos. [50]

Diagnóstico

Várias jurisdições agora exigem diagnósticos a bordo para monitorar a função e a condição do sistema de controle de emissões, incluindo o conversor catalítico. Os veículos equipados com sistemas de diagnóstico OBD-II são projetados para alertar o motorista sobre uma condição de falha de ignição por meio da iluminação da luz "check engine" no painel ou piscando se as condições de falha de ignição atuais forem graves o suficiente para danificar potencialmente o conversor catalítico. [ citação necessária ]

Os sistemas de diagnóstico a bordo assumem várias formas.

Os sensores de temperatura são usados ​​para duas finalidades. O primeiro é como um sistema de alerta, normalmente em conversores catalíticos de duas vias, como ainda são usados ​​às vezes em empilhadeiras a GLP. A função do sensor é avisar sobre a temperatura do catalisador acima do limite seguro de 750 °C (1.380 °F). Os projetos modernos de conversores catalíticos não são tão suscetíveis a danos causados ​​pela temperatura e podem suportar temperaturas sustentadas de 900 °C (1.650 °F). [ citação necessária ] Sensores de temperatura também são usados ​​para monitorar o funcionamento do catalisador: normalmente dois sensores serão instalados, um antes do catalisador e outro depois para monitorar o aumento de temperatura sobre o núcleo do conversor catalítico. [ citação necessária ]

O sensor de oxigênio é a base do sistema de controle de circuito fechado em um motor de combustão rica com ignição por faísca; no entanto, também é usado para diagnóstico. Em veículos com OBD II , um segundo sensor de oxigênio é instalado após o catalisador para monitorar os níveis de O 2 . Os níveis de O 2 são monitorados para verificar a eficiência do processo de queima. O computador de bordo faz comparações entre as leituras dos dois sensores. As leituras são feitas por medições de tensão. Se ambos os sensores mostrarem a mesma saída ou o O 2 traseiroestiver "comutando", o computador reconhece que o conversor catalítico não está funcionando ou foi removido e operará uma lâmpada indicadora de mau funcionamento e afetará o desempenho do motor. Simples "simuladores de sensores de oxigênio" foram desenvolvidos para contornar este problema, simulando a mudança através do conversor catalítico com planos e dispositivos pré-montados disponíveis na Internet. Embora estes não sejam legais para uso em estrada, eles têm sido usados ​​com resultados mistos. [51] Dispositivos semelhantes aplicam um deslocamento aos sinais do sensor, permitindo que o motor execute uma queima mais pobre em combustível que pode, no entanto, danificar o motor ou o conversor catalítico. [52]

Os sensores de NO x são extremamente caros e geralmente são usados ​​apenas quando um motor de ignição por compressão é equipado com um conversor de redução catalítica seletiva (SCR) ou um absorvedor de NO x em um sistema de feedback. Quando instalado em um sistema SCR, pode haver um ou dois sensores. Quando um sensor for instalado, ele será pré-catalisador; quando dois são instalados, o segundo será pós-catalisador. Eles são usados ​​pelos mesmos motivos e da mesma maneira que um sensor de oxigênio; a única diferença é a substância que está sendo monitorada. [ citação necessária ]

Veja também

Referências

  1. ^ a b c d e Palucka, Tim (Inverno 2004). "Fazendo o Impossível" . Invenção e Tecnologia . 19 (3). Arquivado a partir do original em 3 de dezembro de 2008 . Recuperado em 14 de dezembro de 2011 .
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Leitura adicional

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  • Srinivasan Gopalakrishnan. GB 2397782  : "Processo e Sintetizador para Engenharia Molecular de Materiais". 13 de março de 2002 .