Conversor catalítico


Um conversor catalítico é um dispositivo de controle de emissão de gases de escape que converte gases tóxicos e poluentes em 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 abastecidos por gasolina ou diesel , incluindo motores de combustão 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 rigorosa da Agência de Proteção Ambiental dos EUA sobre emissões de escapamento, a maioria dos veículos movidos a gasolina a partir do ano modelo de 1975 são equipados com conversores catalíticos. [1] [2] [3] Esses conversores "bidirecionais" combinam oxigênio com monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos não queimados (HC) para produzir dióxido de carbono (CO 2 ) e água (H 2 O). Embora os conversores bidirecionais em motores a gasolina tenham se tornado obsoletos em 1981 por conversores "de três vias" que também reduzem óxidos de nitrogênio ( NO x ), [4] eles ainda são usados em motores de combustão pobre para oxidar partículas e emissões de hidrocarbonetos (incluindo motores a diesel, que normalmente usam combustão pobre), pois os conversores de três vias requerem combustão rica em combustível ou estequiométrica para reduzir com sucesso o NO x .
Embora os conversores catalíticos sejam mais comumente aplicados em sistemas de exaustão de automóveis, eles também são usados em geradores elétricos , empilhadeiras , equipamentos de mineração, caminhões , ônibus , locomotivas , motocicletas e navios. Eles são até usados em alguns fogões a lenha para controlar emissões. [5] Isso geralmente ocorre em resposta à regulamentação governamental, seja por meio de regulamentação ambiental ou por meio de regulamentações de saúde e segurança.
História
Os protótipos de conversores catalíticos foram projetados pela primeira vez na França no final do século XIX, quando apenas alguns milhares de "carros a óleo" estavam nas estradas; esses protótipos tinham materiais inertes à base de argila revestidos com platina , ródio e paládio e selados em um cilindro metálico duplo. [6] Algumas décadas depois, um conversor catalítico foi patenteado por Eugene Houdry , um engenheiro mecânico francês. Houdry era um especialista em refino catalítico de petróleo, tendo inventado o processo de craqueamento catalítico no qual todo o refino moderno se baseia hoje. [7] Houdry mudou-se para os Estados Unidos em 1930 para viver perto das refinarias na área da Filadélfia e desenvolver seu processo de refino catalítico. Quando os resultados dos primeiros estudos de poluição atmosférica em Los Angeles foram publicados, Houdry ficou preocupado com o papel dos gases de escape da chaminé e dos gases de escape dos automóveis na poluição do ar e fundou uma empresa chamada Oxy-Catalyst. Houdry desenvolveu primeiro conversores catalíticos para chaminés , chamados de "gatos" para abreviar, e mais tarde desenvolveu conversores catalíticos para empilhadeiras de armazém que usavam gasolina de baixa qualidade e sem chumbo. [8] Em meados da década de 1950, ele começou a pesquisar para desenvolver conversores catalíticos para motores a gasolina usados em carros e recebeu a patente dos Estados Unidos 2.742.437 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 os novos regulamentos de emissões de escape da Agência de Proteção Ambiental dos EUA , a maioria dos veículos movidos a gasolina fabricados a partir de 1975 são equipados com conversores catalíticos. Os primeiros conversores catalíticos eram "bidirecionais", combinando oxigênio com monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos não queimados (HC, compostos químicos no combustível da forma C m H n ) para produzir dióxido de carbono (CO 2 ) e água (H 2 O). [4] [1] [2] [3] Esses rigorosos regulamentos de controle de emissões também resultaram na remoção do agente antidetonante chumbo tetraetila da gasolina automotiva, para reduzir o chumbo no ar. O chumbo e seus compostos são venenos para catalisadores e sujam os conversores catalíticos ao revestir a superfície do catalisador. A exigência da remoção do chumbo permitiu o uso de conversores catalíticos para atender aos outros padrões de emissão nos regulamentos. [13] Para reduzir as emissões nocivas de NO x , um sistema de catalisador duplo foi desenvolvido na década de 1970 – isso adicionou um catalisador separado (ródio/platina) que reduziu o NO x antes da bomba de ar, após o qual um conversor catalítico bidirecional (paládio/platina) removeu HC e CO. [14] Este sistema pesado e caro logo se tornou redundante, depois que foi notado que, em algumas condições, o catalisador inicial também removia HC e CO. Isso levou ao desenvolvimento do catalisador de três vias, possibilitado pelos desenvolvimentos da eletrônica e do gerenciamento do motor. [14]
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. [15] [16] Conversores catalíticos de quatro vias também foram desenvolvidos, os quais também removem partículas do escapamento do motor; como a maioria dessas partículas são hidrocarbonetos não queimados, elas podem ser queimadas para convertê-las em dióxido de carbono. [17] [18]
Construção


A construção do conversor catalítico é a seguinte:
- O suporte ou substrato do catalisador . Para conversores catalíticos automotivos, o núcleo é geralmente um monólito cerâmico que tem uma estrutura de favo de mel (comumente quadrada, não hexagonal). (Antes de meados da década de 1980, o material do catalisador era depositado em um leito compactado de pelotas de alumina nas primeiras aplicações de GM.) Monólitos de folha metálica feitos de Kanthal (FeCrAl) [19] são usados em aplicações onde é necessária uma resistência ao calor particularmente alta. [19] O substrato é estruturado para produzir uma grande área de superfície . O substrato cerâmico de cordierita usado na maioria dos conversores catalíticos foi inventado por Rodney Bagley , Irwin Lachman e Ronald Lewis na Corning Glass , pelo qual foram introduzidos no Hall da Fama dos Inventores Nacionais em 2002. [4]
- O washcoat. Um washcoat é um veículo para os materiais catalíticos e é usado para dispersar os materiais sobre uma grande área de superfície. Óxido de alumínio , dióxido de titânio , dióxido de silício, por exemplo , sílica coloidal ou uma mistura de sílica e alumina podem ser usados. Os materiais catalíticos são suspensos no washcoat antes de serem aplicados ao núcleo. Os materiais do washcoat são selecionados para formar uma superfície áspera e irregular, o que aumenta a área de superfície em comparação com a superfície lisa do substrato descoberto. [20]
- Céria ou céria-zircônia . Esses óxidos são adicionados principalmente como promotores de armazenamento de oxigênio. [21]
- O catalisador em si 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 custo historicamente alto. Paládio e ródio são outros dois metais preciosos usados, embora em fevereiro de 2023, a platina tenha se tornado o menos caro dos metais do grupo da platina. O ródio é usado como um catalisador de redução , o paládio é usado como um catalisador de oxidação e a platina é usada tanto para redução quanto para oxidação. Cério , ferro , manganês e níquel também são usados, embora cada um tenha limitações. O níquel não é legal para uso na União Europeia devido à sua reação com monóxido de carbono em níquel tetracarbonil tóxico . [ citação necessária ] O cobre pode ser usado na maioria dos países, com uma exceção notável no Japão . [ esclarecimento necessário ]
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 exigem uma temperatura de 400 °C (750 °F) para operar efetivamente. Portanto, eles são colocados o mais próximo possível do motor, ou um ou mais conversores catalíticos menores (conhecidos como "pre-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:
- Oxidação do monóxido de carbono em dióxido de carbono : 2CO + O 2 → 2CO 2
- Oxidação de hidrocarbonetos (combustível não queimado e parcialmente queimado) em dióxido de carbono e água : C x H 2 x +2 + [(3 x +1)/2]O 2 → x CO 2 + ( x +1)H 2 O (uma reação de combustão)
O conversor catalítico bidirecional 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 nos mercados de automóveis americanos e canadenses até 1981. Devido à sua incapacidade de controlar óxidos de nitrogênio , os fabricantes instalaram brevemente sistemas de catalisador duplo, com um catalisador de ródio/platina redutor de NO x à frente da bomba de ar, o que levou ao desenvolvimento do conversor catalítico de três vias. [14] O conversor catalítico bidirecional também continuou a ser usado em certos carros de baixo custo em alguns mercados, como a Europa, onde as emissões de NO x não eram regulamentadas universalmente até a introdução do padrão de emissões Euro 3 em 2000. [22]
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) ). NO x são precursores da chuva ácida e do smog . [23]
Desde 1981, os 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 regulamentações rigorosas de emissões de veículos que, na verdade, exigem conversores de três vias em veículos movidos a gasolina. Os catalisadores de redução e oxidação são normalmente contidos em um alojamento comum; no entanto, em alguns casos, eles podem ser alojados separadamente. Um conversor catalítico de três vias realiza três tarefas simultâneas: [23]
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 o escapamento de um motor funcionando ligeiramente acima do ponto estequiométrico . Para a combustão de gasolina, essa proporção é entre 14,6 e 14,8 partes de ar para uma parte de combustível, por peso. A proporção para autogás (ou gás liquefeito de petróleo GLP), gás natural e combustíveis de etanol pode variar significativamente para cada um, notavelmente com combustíveis oxigenados ou à base de álcool, com E85 exigindo aproximadamente 34% mais combustível, exigindo ajuste e componentes modificados do sistema de combustível ao usar esses combustíveis. Os motores equipados com conversores catalíticos de 3 vias regulados são equipados com um sistema de injeção de combustível de feedback de circuito fechado computadorizado usando um ou mais sensores de oxigênio (também conhecidos como Sondas Lambda ou sensores). Outras variantes combinavam conversores de três vias com carburadores equipados com controle de mistura de feedback. Um conversor de três vias não regulado apresenta os mesmos processos químicos, mas sem o sensor de oxigênio, o que significava maiores emissões de NO x , particularmente sob cargas parciais. Essas eram soluções de baixo custo, normalmente usadas para adaptação em carros mais antigos ou em carros menores e mais baratos.
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. [24] A eficiência total de conversão cai muito rapidamente quando o motor é operado fora dessa faixa. Ligeiramente pobre em estequiométrico, os gases de escape do motor contêm excesso de oxigênio, a produção de NO x pelo motor aumenta e a eficiência do catalisador na redução de NO x cai rapidamente. No entanto, a conversão de HC e CO é muito eficiente devido ao oxigênio disponível, oxidando para H 2 O e CO 2 . Ligeiramente rico em estequiométrico, 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 à medida que o oxigênio armazenado se esgota. No entanto, a eficiência do catalisador na redução de NO x é boa e a produção de NO x pelo motor diminui. Para manter a eficiência do catalisador, a relação ar-combustível deve permanecer próxima do estequiométrico e não permanecer rica ou pobre por muito tempo.
Os sistemas de controle de motor de circuito fechado são usados para operação eficaz de conversores catalíticos de três vias devido a esse equilíbrio rico-pobre contínuo necessário para redução eficaz de NO x e oxidação de HC+CO. O sistema de controle permite que o catalisador libere oxigênio durante condições operacionais ligeiramente ricas, que oxidam CO e HC sob condições que também favorecem a redução de NOx. Antes que o oxigênio armazenado seja esgotado, o sistema de controle muda a relação ar-combustível para se tornar ligeiramente pobre, melhorando a oxidação de HC e CO enquanto armazena oxigênio adicional no material do catalisador, com uma pequena penalidade na eficiência de redução de NO x . Então, a mistura ar-combustível é trazida de volta para ligeiramente rica, com uma pequena penalidade na eficiência de oxidação de CO e HC, e o ciclo se repete. A eficiência é melhorada quando essa oscilação em torno do ponto estequiométrico é pequena e cuidadosamente controlada. [25]
O controle de malha fechada 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 injetado 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 taxa de fluxo de combustível e a detecção da relação ar-combustível alterada pelo sensor, bem como pela resposta sigmoidal dos sensores de oxigênio. Os sistemas de controle típicos são projetados para varrer rapidamente a relação ar-combustível de modo que ela oscile ligeiramente em torno do ponto estequiométrico, permanecendo próximo ao ponto de eficiência ideal enquanto gerencia os níveis de oxigênio armazenado e HC não queimado. [24]
O controle de malha fechada geralmente não é usado durante a 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 de projeto. Isso representa um desafio para o sistema de controle e o projeto 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 rapidamente fica saturada com HC. Ao retornar à menor potência de saída e relações ar-combustível mais pobres, o sistema de controle deve evitar que o oxigênio excessivo chegue ao catalisador muito rapidamente, pois isso queimará rapidamente o HC no catalisador já quente, excedendo potencialmente o limite de temperatura de projeto do catalisador. A temperatura excessiva do catalisador pode envelhecer prematuramente o catalisador, reduzindo sua eficiência antes de atingir sua vida útil de 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 no catalisador e aumentando sua temperatura. [26]
Reações indesejadas
Reações indesejadas resultam na formação de sulfeto de hidrogênio e amônia , que envenenam os catalisadores. Às vezes, adiciona-se níquel ou manganês ao washcoat para limitar as emissões de sulfeto de hidrogênio. [ citação necessária ] Combustíveis sem enxofre ou com baixo teor de enxofre eliminam ou minimizam os 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 de diesel (DOC). Os DOCs contêm paládio ou platina suportados em alumina . Este catalisador converte material particulado (MP), hidrocarbonetos e monóxido de carbono em dióxido de carbono e água. Esses conversores geralmente operam com eficiência de 90%, eliminando virtualmente o odor de diesel e ajudando a reduzir partículas visíveis. Esses catalisadores são ineficazes para NO x , então as emissões de NO x de motores a diesel são controladas pela recirculação dos gases de escape (EGR).
Em 2010, a maioria dos fabricantes de diesel de serviço leve nos EUA adicionaram sistemas catalíticos aos seus veículos para atender aos requisitos federais de emissões. Duas técnicas foram desenvolvidas para a redução catalítica de emissões de NO x sob condições de exaustão pobre, 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 metais básicos que usam um reagente como amônia para reduzir o NO x em nitrogênio e água. [27] A amônia é fornecida ao sistema de catalisador pela injeção de ureia no escapamento, que então sofre decomposição térmica e hidrólise em amônia. A solução de ureia também é chamada de fluido de escapamento de diesel (DEF).
O escapamento de diesel contém níveis relativamente altos de material particulado. Os conversores catalíticos removem apenas 20–40% das MP, então 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 diesel e, portanto, são equipados com um conversor catalítico de 2 vias e um filtro de partículas diesel. [ citação necessária ] Desde que o motor tenha sido fabricado antes de 1º de janeiro de 2007, o veículo não é obrigado a ter o sistema DPF. [ citação necessária ] Isso levou a um aumento de estoque pelos fabricantes de motores no final de 2006 para que pudessem continuar vendendo veículos pré-DPF até 2007. [28]
Motores de ignição por centelha de combustão pobre
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 têm um conversor catalítico de acoplamento fechado localizado próximo ao coletor de escape do motor . O conversor aquece rapidamente, devido à sua exposição aos gases de escape muito quentes, permitindo que ele reduza emissões indesejáveis durante o período de aquecimento do motor. Isso é obtido pela queima do excesso de hidrocarbonetos que resulta 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 ) no fluxo de exaustão eram, 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 conforme o esperado.
Alguns sistemas de conversores catalíticos de três vias têm sistemas de injeção de ar com o ar injetado entre o primeiro ( redução de NO x ) e o segundo (oxidação de HC e CO) estágios do conversor. Como nos conversores bidirecionais, esse ar injetado fornece oxigênio para as reações de oxidação. Um ponto de injeção de ar a montante, à frente do conversor catalítico, também está presente às vezes para fornecer oxigênio adicional apenas durante o período de aquecimento do motor. Isso faz com que o combustível não queimado se inflame no trato de exaustão, impedindo assim que ele chegue ao conversor catalítico. Essa técnica reduz o tempo de execução do motor necessário para que o conversor catalítico atinja sua temperatura de "acendimento" ou operacional .
A maioria dos veículos mais novos tem sistemas de injeção eletrônica de combustível e não requer sistemas de injeção de ar em seus escapamentos. Em vez disso, eles fornecem uma mistura de ar-combustível precisamente controlada que alterna rápida e continuamente entre combustão pobre e rica. Sensores de oxigênio monitoram o conteúdo de oxigênio do escapamento antes e depois do conversor catalítico, e a unidade de controle do motor usa essas informações para ajustar a injeção de combustível de modo a evitar que o primeiro catalisador ( redução de NO x ) fique carregado de oxigênio, ao mesmo tempo em que garante que o segundo catalisador (oxidação de HC e CO) esteja suficientemente saturado de oxigênio.
Dano
O envenenamento do catalisador ocorre quando o conversor catalítico é exposto ao escapamento contendo substâncias que revestem as superfícies de trabalho, de modo que elas não podem entrar em contato e reagir com o escapamento. O contaminante mais notável é o chumbo , então veículos equipados com conversores catalíticos podem funcionar apenas com combustível sem chumbo . Outros venenos comuns para catalisadores incluem enxofre , manganês (originados principalmente do aditivo de gasolina MMT ) e silício , que podem entrar no fluxo de escapamento se o motor tiver um vazamento que permita que o refrigerante entre na câmara de combustão. O fósforo é outro contaminante do catalisador. Embora o fósforo não seja mais usado na gasolina, ele (e o zinco , outro contaminante de catalisador de baixo nível) foi amplamente usado em aditivos antidesgaste de óleo de 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 pode às vezes ser revertido ao operar o motor sob uma carga muito pesada por um longo período de tempo. [ citação necessária ] O aumento da temperatura do escapamento 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. [29]
Qualquer condição que faça com que níveis anormalmente altos de hidrocarbonetos não queimados (combustível bruto ou parcialmente queimado ou óleos) cheguem ao conversor tenderá a elevar significativamente sua temperatura, trazendo o risco de fusão do substrato e desativação catalítica resultante e restrição severa do escapamento. Essas condições incluem falha dos componentes a montante do sistema de escapamento (conjunto do coletor ou cabeçote e grampos associados suscetíveis à ferrugem, corrosão ou fadiga, como o coletor de escapamento lascando após ciclos de aquecimento repetidos), sistema de ignição (por exemplo, conjuntos de bobinas, componentes primários de ignição, tampa do distribuidor, fios, bobina de ignição e velas de ignição) ou componentes danificados do sistema de combustível (por exemplo, injetores de combustível, regulador de pressão de combustível e sensores associados). Vazamentos de óleo e refrigerante, talvez causados por um vazamento na junta do cabeçote, também podem causar altos níveis de hidrocarbonetos não queimados.
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, [4] [1] [2] [3] e a tecnologia usada em aplicações não automotivas é geralmente baseada na tecnologia automotiva. Em muitas jurisdições, é ilegal remover ou desabilitar um conversor catalítico por qualquer motivo que não seja sua substituição direta e imediata. No entanto, alguns proprietários de veículos removem ou "destruem" o conversor catalítico em seus veículos. [30] [31] Nesses casos, o conversor pode ser substituído por uma seção soldada de tubo comum ou um "tubo de teste" flangeado, aparentemente 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. [32]
Nos Estados Unidos, é uma violação da Seção 203(a)(3)(A) da Lei do Ar Limpo emendada de 1990 para uma oficina de reparo 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, [33] e a Seção 203(a)(3)(B) torna ilegal para qualquer pessoa vender ou instalar qualquer peça que possa contornar, derrotar ou tornar inoperante qualquer sistema de controle de emissão, dispositivo ou elemento de design. Veículos sem conversores catalíticos funcionais geralmente falham nas inspeções de emissão. 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 do que o original. [34]
Os conversores catalíticos são obrigatórios em todos os automóveis novos a gasolina vendidos na União Europeia e no Reino Unido desde 1 de Janeiro de 1993, a fim de cumprir as normas de emissões Euro 1 . [35]
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. [30] Os conversores catalíticos modernos não restringem significativamente o fluxo de exaustão. Um teste de 2006 em um Honda Civic 1999, por exemplo, mostrou que a remoção do conversor catalítico original resultou em apenas um aumento de 3% na potência máxima; um novo conversor de núcleo metálico custou ao carro apenas 1% de potência, em comparação com nenhum conversor. [32]
Perigos
Os carburadores em veículos anteriores a 1981 sem controle de mistura ar-combustível de feedback poderiam facilmente fornecer muito combustível ao motor, o que poderia causar o superaquecimento do conversor catalítico e potencialmente inflamar materiais inflamáveis sob o carro. [36]
Período de aquecimento
Os veículos equipados com conversores catalíticos emitem a maior parte da sua poluição total durante os primeiros cinco minutos de funcionamento do motor; por exemplo, antes de o conversor catalítico ter aquecido o suficiente para ser totalmente eficaz. [37]
No início dos anos 2000, tornou-se comum colocar o conversor catalítico bem próximo ao coletor de escape, perto do 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 . [38] As bobinas de aquecimento dentro dos conjuntos do conversor catalítico são eletrificadas logo após a partida do motor, elevando o catalisador à temperatura operacional muito rapidamente para qualificar o veículo para a designação de veículo de baixa emissão (LEV). [39] Mais tarde, a BMW introduziu o mesmo catalisador aquecido, desenvolvido em conjunto pela Emitec, Alpina e BMW, [38] em seu 750i em 1999. [39]
Alguns veículos contêm um pré-cat, um pequeno conversor catalítico a montante do conversor catalítico principal que aquece mais rápido na partida do veículo, reduzindo as emissões associadas às partidas a frio. Um pré-cat é mais comumente usado por um fabricante de automóveis ao tentar atingir a classificação de Veículo de Emissões Ultrabaixas (ULEV), como no Toyota MR2 Roadster. [40]
Efeito ambiental
Os conversores catalíticos provaram ser confiáveis e eficazes na redução de emissões nocivas do escapamento. No entanto, eles também têm algumas deficiências no uso e também efeitos 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 combustão pobre . Isso significa aproximadamente 10% mais emissões de CO 2 do veículo. [ citação necessária ]
- A produção do conversor catalítico requer paládio ou platina ; parte do fornecimento mundial desses metais preciosos é produzido perto de Norilsk , na Rússia, onde a indústria (entre outras) fez com que Norilsk fosse adicionada à lista da revista Time dos lugares mais poluídos. [41]
- O calor extremo dos próprios conversores [42] pode causar incêndios florestais , especialmente em áreas secas. [43] [44] [45]
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 caminhonetes de última geração e SUVs baseados em caminhões , devido à sua alta distância do solo e conversores catalíticos aparafusados facilmente removíveis. Os conversores soldados também correm risco de roubo, pois podem ser facilmente cortados. Os conversores catalíticos do Toyota Prius também são alvos para ladrões. Os conversores catalíticos de híbridos precisam de mais metais preciosos para funcionar corretamente em comparação com veículos convencionais de combustão interna porque eles não esquentam tanto quanto aqueles instalados em veículos convencionais, uma vez que os motores de combustão de híbridos funcionam apenas parte do tempo. [46] [47] [48]
Cortadores de tubos são frequentemente usados para remover silenciosamente o conversor [49] [50] , mas outras ferramentas, como uma serra alternativa portátil , podem danificar outros componentes do carro, como o alternador , a fiação ou as linhas de combustível, com consequências potencialmente perigosas.
Em 2023, uma legislação bipartidária para combater o roubo de conversores catalíticos foi introduzida no Senado dos EUA . O Preventing Auto Recycling Thefts Act (PART Act) exigiria que os conversores catalíticos em veículos novos viessem com números de identificação rastreáveis. Além disso, a legislação tornaria o roubo de conversores catalíticos uma infração criminal federal. [51]
Estatísticas
O aumento dos preços dos metais nos EUA durante o boom das commodities dos anos 2000 levou a um aumento significativo no roubo de conversores. Um conversor catalítico pode custar mais de US$ 1.000 para substituir, mais ainda se o veículo for danificado durante o roubo. [52] [53] [54] Além de danificar outros sistemas do veículo, o roubo também pode causar morte e ferimentos aos ladrões. [55]
Os roubos de conversores catalíticos aumentaram mais de dez vezes nos Estados Unidos do final da década de 2010 ao início da década de 2020, provavelmente motivados pelo aumento do preço dos metais preciosos contidos nos conversores. [56] Os resultados do estudo revelam uma elasticidade média de preço de 1,98, o que significa que um aumento de 10% no preço do metal leva a um aumento aproximado de 20% nos roubos. [57] De acordo com o National Insurance Crime Bureau , houve 1.298 casos relatados de roubo de conversores catalíticos em 2018, que aumentaram para 14.433 em 2020. [58] Em 2022, foi relatado que o número de roubos de conversores catalíticos nos Estados Unidos aumentou drasticamente para 153.000 roubos no total no ano. [57]
De 2019 a 2020, os ladrões no Reino Unido estavam visando carros híbridos de modelos mais antigos (como os híbridos da Toyota ), que têm mais metais preciosos do que os veículos mais novos - às vezes valendo mais do que o valor do carro - levando à escassez e a longos atrasos na sua substituição. [59]
Em 2021, surgiu uma tendência na República Democrática do Congo , onde conversores catalíticos foram supostamente roubados para uso na produção ilícita de drogas de rua. A droga, um pó conhecido como "bombé", era considerada uma mistura de pílulas/vitaminas em pó e estruturas de favo de mel pulverizadas de conversores catalíticos. [60] Em 2023, no entanto, um estudo de várias amostras da droga concluiu que sua suposta origem de escapamentos catalíticos foi considerada infundada. [61]
Diagnóstico
Várias jurisdições agora exigem diagnósticos de bordo para monitorar a função e a condição do sistema de controle de emissões, incluindo o conversor catalítico. 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 "verificar motor" no painel ou piscando-a se as condições atuais de falha de ignição forem graves o suficiente para potencialmente danificar o conversor catalítico. [62] Os sistemas de diagnóstico de bordo assumem várias formas.
Sensores de temperatura são usados para dois propósitos. O primeiro é como um sistema de alerta, normalmente em conversores catalíticos bidirecionais, como os usados em empilhadeiras de GLP. A função do sensor é alertar sobre a temperatura do conversor catalítico acima do limite seguro de 750 °C (1.380 °F). Os projetos modernos de conversores catalíticos não são tão suscetíveis a danos de 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: geralmente dois sensores serão instalados, um antes do catalisador e um 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 malha fechada em um motor de combustão rica com ignição por faísca; no entanto, ele também é usado para diagnósticos. Em veículos com OBD II, um segundo sensor de oxigênio é instalado após o conversor catalítico para monitorar os níveis de O 2 . Os níveis de O 2 são monitorados para ver 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 voltagem. Se ambos os sensores mostrarem a mesma saída ou o O 2 traseiro estiver "trocando", o computador reconhecerá 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 sensor de oxigênio" foram desenvolvidos para contornar esse problema simulando a mudança no conversor catalítico com planos e dispositivos pré-montados disponíveis na Internet. Embora não sejam legais para uso em estrada, eles foram usados com resultados mistos. [63] Dispositivos semelhantes aplicam um deslocamento aos sinais do sensor, permitindo que o motor tenha uma queima mais pobre e econômica de combustível, o que pode, no entanto, danificar o motor ou o conversor catalítico. [64]
Sensores de NO x são extremamente caros e são geralmente usados somente 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 é 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
- Aquecedor catalítico
- Óxido de cério(III)
- Lista de peças de automóveis
- NO x adsorvente
- Modelagem de dispersão de ar em rodovias
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