Catalizador de tres vías en el motor de gasolina

Con la proliferación del automóvil, principalmente en las ciudades, la acumulación de los gases que salen por el escape comenzó a ser un problema por su contaminación. Por entonces la alimentación del motor de gasolina se hacía con carburador, y el encendido para producir la chispa en las bujías era mediante bobina con ruptor (“platinos”) y distribuidor, encendido clásico.

En los motores diésel la inyección de hacía por bomba e inyectores mecánicos. Por la valoración en aquellas fechas de los gases que salen por el escape se consideraba más contaminante el motor de gasolina, siendo el primero en tener que reducir sus emisiones nocivas.

El catalizador de tres vías o funciones era una buena opción, pero incompatible con el carburador, por lo que se sustituyó por la inyección electrónica, y para que las chispas en las bujías tuviesen más eficacia el encendido también pasó a ser electrónico. En el motor diésel la evolución llegó más tarde, y su catalizador es de dos vías o funciones.

Se van a comentar diversos aspectos técnicos relacionados con la mezcla aire – gasolina para entender las soluciones anticontaminantes que se han ido incorporando, también se citan los motores diésel pues los sistemas de limpieza de gases se parecen cada vez más en ambos motores.

Para poder disponer de más información, al final se indican otros artículos del blog relacionados con variaciones en sus contenidos técnicos, así se podrá encontrar la información más adecuada en cada caso.

Necesidad del catalizador de tres vías o funciones en el motor de gasolina

Para la explicación se utiliza un automóvil con motor de inyección y encendido electrónicos, pues como se ha dicho el carburador no es compatible.

    • Este automóvil tiene motor longitudinal delantero de cuatro cilindros en línea y propulsión o tracción trasera. A continuación se resaltan estos elementos.
    • Colector de admisión, filtro de aire, caudalímetro de la masa de aire que entra al motor y mariposa de gases.
    • Colector y línea de escape, con dos silenciadores.
    • Inyectores en el colector de admisión, inyección indirecta.
    • Depósito de gasolina y alimentación a los inyectores por la bomba y filtro de gasolina.
    • Bujías de encendido.
    • Calculador electrónico de inyección y encendido I + E, que controla los inyectores y las bujías de encendido.
    • El acelerador es también controlado por el calculador de I + E, amortiguando los movimientos de la mariposa de gases según las actuaciones del conductor sobre el pedal del acelerador.
    • La bomba eléctrica de gasolina es gestionada por el calculador de I + E.
    • Se pone el motor en marcha y el calculador de I + E recibe las informaciones necesarias para controlar las secuencias de actuación de los inyectores y las bujías.
    • Los gases contaminantes emitidos por el motor son; monóxido de carbono CO, hidrocarburos no quemados HC, óxidos de nitrógeno NOX y dióxido de carbono CO2, bueno este último no es realidad contaminante, pero si nocivo para el planeta como se explica después.
    • Para la neutralización de los tres gases contaminantes se utiliza el catalizador de tres vías o funciones, pues actúa sobre tres contaminantes, y se coloca en la salida del escape del motor, lo más cerca de este.
    • Una primera sonda lambda o de oxígeno en la entrada del catalizador mide los gases de escape e informa al calculador de I + E para que la proporción aire – gasolina, dosado, sea la menos contaminante y así hacer trabajar menos al catalizador.
    • Tras el catalizador se coloca la segunda sonda lambda o de oxígeno para detectar contaminación hacia el exterior.
    • El catalizador evita la emisión por el escape de los tres gases contaminantes, CO, HC y NOX.
    • El dióxido de carbono CO2 es ingerible, está en las bebidas con gas, pero potencia el efecto invernadero que provoca el calentamiento global del planeta.
    • Para evitar que el automóvil circule con el catalizador en mal estado, o con fallos que le afecten identificados por el calculador de I + E, se dispone en el cuadro de instrumentos de un testigo que se enciende si hay anomalía de funcionamiento o contaminación hacia el exterior, detectada por la segunda sonda lambda.

 

El acelerador electrónico se incorporó años después del catalizador para aumentar su duración, pues cuando más gases contaminantes se producen es en las aceleraciones transitorias, cuyos efectos se amortiguan con el control electrónico de la mariposa de gases. A la vez que el acelerador electrónico llegó la segunda sonda lambda, a la salida del catalizador, para evitar que si hay contaminación al exterior no se detecte y el automóvil circule hasta que pasa una revisión o la ITV.

Dosado menos contaminante

La generación de gases contaminantes depende de diversos factores, la mayor parte de estos relacionados con la mezcla aire – gasolina, esta ha de ser homogénea, es decir el reparto de la gasoilina en el aire debe ser uniforme y equilbrado. Otro aspecto influyente es la cantidad de aire y gasolina.

    • El dosado es la proporción entre aire y gasolina, se mide por gramos de aire para un gramo de gasolina, se representa en la imagen el dosado 15, 15 gramos de aire por uno de gasolina.
    • Se ve en el gráfico el dosado en las abcisas, en este caso va de 40 a 10 gramos de aire por uno de gasolina.
    • En las ordenadas se indican los valores de polución, gases contaminantes.
    • Aparecen las curvas de evolución de los tres contaminantes en función del dosado, hidrocarburos no quemados HC, óxidos de nitrógeno NOX y monóxido de carbono
    • Las evoluciones de esos tres contaminantes son diferentes, los NOX sobre todo. Pero hay una zona de dosado donde se produce cierto equilibrio, es el 15.
    • La sonda lambda en la entrada del catalizador informa al calculador de I + E para que controle las secuencias de inyección y encendido, de forma que se mantenga este dosado de 15 en las explosiones de la mezcla y así generar la menor cantidad de estos tres gases contaminantes.
    • Cuando el calculador de I + E trabaja de esta forma, manteniendo el dosado de la mezcla que entra a los cilindros con dosado 15 según las informaciones de la sonda lambda de entrada, el sistema funciona en bucle cerrado.
    • La mezcla es pobre cuando hay más aire y rica cuando hay más gasolina, respectivamente se representan los dosados de 21 y 10 gramos de aire por uno de gasolina.
    • Al acelerar a fondo se demandan las máximas prestaciones del motor, que pueden ser necesarias en algunas situaciones, entonces el calculador de I + E no tiene en cuenta las indicaciones de la sonda lambda de entrada y aporta dosados en el entorno de 12,5 de más potencia. Este funcionamiento del sistema es en bucle abierto.
    • Los óxidos de nitrógeno NOX y los hidrocarburos no quemados HC se miden en partes por millón, ppm.
    • El monóxido de carbono CO se mide por su porcentaje % en los gases de escape.

 

El dióxido de carbono CO2 es proporcional al consumo de gasolina y se mide en gramos por kilómetro g/km. El valor medio en el motor de gasolina está en 23/24 g/km de CO2 por litro consumido de combustible.

Catalizador y funcionamiento

La palabra catalizador indica cual es su función, agilizar mediante reacciones químicas la transición de los gases contaminantes a otros no nocivos antes de salir al exterior. Esta evolución la harían los gases contaminantes tras salir del escape, pero llevaría demasiado tiempo afectando a la calidad del aire.

    • Desde esta imagen del automóvil completo en planta se amplía al catalizador para las explicaciones.
    • Se ve la carcasa exterior que es similar a un silenciador.
    • En su interior hay unas placas soporte, generalmente divididas en tramos para aumentar su resistencia a cambios térmicos, vibraciones y golpes, tres en la imagen.
    • Sobre las placas soporte se aplica material poroso de forma irregular para aumentar la superficie de contacto con los gases de escape. Este material es frecuentemente formado por bolas de alúmina que resisten muy altas temperaturas.
    • Se incrustan en el material poroso (alúmina) partículas de metales preciosos que van a reaccionar químicamente con los gases contaminantes para neutralizarlos.
    • Al funcionar el motor se producen reacciones químicas que van consumiendo los metales preciosos, estas son:
      • El monóxido de carbono CO reacciona con platino y oxígeno O2 produciendo dióxido de carbono CO2.
      • Los hidrocarburos no quemados HC reaccionan con paladio y oxígeno O2 generando dióxido de carbono CO2 y vapor de agua H2O.
      • Los óxidos de nitrógeno NOX reaccionan con el óxido de carbono CO (producido en la explosión) generando dióxido de carbono CO2 y nitrógeno N, este es un componente del aire que ha reaccionado con el oxígeno sobrante en la explosión por las elevadas temperaturas.
    • Desgastes del catalizador; con el uso se van consumiendo los metales preciosos, y los restantes van quedando cubiertos por capas de carbonilla que reduce su contacto con los gases contaminantes.
    • En estas condiciones el catalizador no es operativo emitiéndose por el escape los gases contaminantes, CO, NOX y HC. Lo más habitual es que no se produzcan fallos de motor, por lo que el conductor no es consciente de esta situación.
    • Para evitar que circule así el automóvil se incorporó la segunda sonda lambda o de oxígeno en la salida del catalizador.
    • Si detecta que hay contaminación hacia el exterior informa al calculador de I + E que encenderá el testigo de aviso en el cuadro.

 

Ya se ha comentado que la incorporación de la segunda sonda lambda coincidió con la del acelerador electrónico, para mejorar el rendimiento del catalizador y evitar la circulación del automóvil contaminando.

Gasolina sin plomo con catalizador

Antes de la implantación del catalizador se utilizaba en los motores gasolina con plomo, por sus aportaciones para disminuir el riesgo de detonación (“picado de biela”) y capacidad lubricante de las válvulas y sus asientos. Al retirar este elemento de la composición de la gasolina se debieron hacer ciertas modificaciones en el sistema de encendido y motor.

    • Si la gasolina que recibe un motor con catalizador lleva plomo, este destruye en muy corto recorrido los metales preciosos, además el aumento de temperatura puede llegar a fundir componentes internos que obstruyen el paso de los gases de escape.
    • Al no hacer su función el catalizador hasta que se obstruya se emiten los gases contaminantes, HC, CO y NOX.
    • Con gasolina sin plomo el catalizador funciona durante su vida útil tal como se ha explicado, haciendo que los tres gases contaminantes que salen del motor, HC, CO y NOX se transformen antes de al salir al exterior en nitrógeno N, dióxido de carbono CO2 y vapor de agua H2

 

Al prescindir del plomo en la gasolina, hubo de adaptar el encendido para que no se produzca detonación (“picado de biela”) y los asientos de válvulas al reducirse su lubricación.

Motor de gasolina con inyección directa y mezcla pobre

Para que se produzca la explosión de la mezcla aire gasolina hay tres dosados característicos, el de 15 con menos contaminación, 12,5 máxima potencia y 18 mínimo consumo. Si el dosado sube de 22 o baja de 10 la explosión es muy deficiente o no se produce. Hay sistemas de funcionamiento que permiten reducir sensiblemente el consumo de gasolina y por consiguiente el CO2 aplicando ciertas soluciones en la cámara donde se produce la explosión de la mezcla, utilizando inyección electrónica directa.

    • El automóvil que se ve es 4×4.
    • Tiene motor longitudinal delantero de 6 cilindros en línea.
    • Colector de admisión con mariposa de gases, inyección dentro de los cilindros, directa, bomba mecánica de presión de inyección, bujías de encendido y depósito de combustible con bomba de gasolina.
    • Batería y calculador electrónico de I + E conectados.
    • El calculador de I + E controla; la bomba eléctrica de gasolina que la suministra a la bomba mecánica de presión y esta a los inyectores, las secuencias de actuación de los inyectores y de las bujías de encendido.
    • Se pone el motor en funcionamiento; al realizarse la inyección dentro de los cilindros, inyección directa, se puede lograr que se produzca la explosión con mezcla pobre (dosado > 15), lo que no sería posible con inyección indirecta. Hay dos formas genéricas de diseño y funcionamiento del motor de inyección electrónica directa con mezcla pobre.
      • El inyector está en la parte superior dentro del cilindro, y en la cabeza del pistón hay una zona cóncava que genera turbulencias en forma de columna.
      • Se inyecta la gasolina sobre esta columna de aire en fase de turbulencias rotacionales al fin de compresión, mezclándose con dosado 15.
      • La bujía está muy próxima a la zona de dosado 15, lo que propicia al saltar la chispa una buena explosión de esta mezcla.
      • Alrededor de esta zona con dosado 15 donde se ha producido la explosión hay aire que en principio no ha intervenido
      • Considerando todo el aire que ha entrado en el cilindro, el que ha intervenido en la explosión y el que no, da un dosado bastante superior a 15, entre 20 y 40, es decir pobre.
      • Se ve a continuación otro motor, el inyector es tangencial, está a un lado del cilindro y sobre este la bujía, la cabeza del pistón tiene determinada forma de cuña que separa en dos zonas la cámara de combustión.
      • Se inyecta gasolina en la cámara de la derecha al final de la compresión, mezclándose con el aire de esta zona dando como resultado un dosado de 15.
      • Al saltar la chispa en la bujía situada en esta zona se quema la mezcla.
      • El aire que está en la parte izquierda del cilindro no interviene en la explosión, en principio, pero considerando todo el aire que ha entrado al cilindro el dosado resultante es pobre, más o menos como en el caso anterior de 20 a 40.
    • En ambos sistemas de inyección directa electrónica con mezcla pobre se altera la emisión de gases contaminantes.
    • En las zonas frontera entre la mezcla con dosado 15 y el aire la explosión es imperfecta e incompleta, lo que provoca la generación de más óxidos de nitrógeno NOX y de micropartículas de hollín MPC que requieren ser tratadas para no salir al exterior.

 

Estos motores que pueden funcionar con mezcla pobre tienen como objetivo reducir el consumo de combustible y en la misma proporción de emisión de CO2, aún a costa de necesitar más complementos para reducir la contaminación adicional.

Contaminación del motor de gasolina con inyección directa y mezcla pobre; soluciones

Los resultados contaminantes de este motor de gasolina con mezcla pobre se van pareciendo a las producidas por el motor diésel y también las soluciones.

    • Sobre este automóvil ya conocido se representa la línea de escape con dos silenciadores.
    • Estos son los resultados de producción de gases contaminantes.
      • Hidrocarburos no quemados HC; se generan sensiblemente menos.
      • Monóxido de carbono CO; también se produce bastante menos.
      • Óxidos de nitrógeno NOX; su generación aumenta considerablemente por el exceso de aire de la mezcla pobre.
      • Micropartículas de hollín MPC; no las emite el motor de gasolina con inyección indirecta, o en bastante menos cantidad.
      • Dióxido de carbono CO2; se produce menos al reducirse el consumo de combustible que es el objetivo buscado.
    • Solución para neutralizar HC y CO; catalizador de dos vías o funciones, como el que se ha explicado de tres vías, pero sin rodio como metal precioso.
    • Solución para los NOX, en realidad son dos.
      • EGR recirculación de gases de escape; se toman parte de los gases de escape y se hacen entrar en admisión de nuevo, al restar sitio al aire disminuye la cantidad de oxígeno sobrante en la explosión que reaccione con el nitrógeno.
      • Catalizador de reducción selectiva SCR con aditivo; si la emisión de NOX es elevada y la EGR no es suficiente se recurre a este complemento. El SCR acumula en su interior el exceso de NOX, cuando se satura lo detecta un sensor que induce la inyección en su interior de un aditivo específico, AdBlue, que descompone los NOX en gases no contaminantes. El aditivo AdBlue ha de ser repostado cuando se termina.
    • Solución para las micropartículas MPC; el filtro antipartículas FAP, acumula las MPC y periódicamente las elimina mediante post inyecciones.
    • Solución para el CO2; reducir el consumo de gasolina pues es proporcional. Es el objetivo de este sistema de inyección directa de mezcla pobre.
    • La sobrealimentación es necesaria con motor de gasolina de inyección directa electrónica y mezcla pobre para disponer de prestaciones. Puede utilizarse en el motor de gasolina sobrealimentación por turbocompresor o compresor volumétrico.

 

El motor diésel funciona con mezclas pobres, al hacerlo también este motor de gasolina se aproximan bastante las emisiones de gases contaminantes y sus soluciones. De hecho, en los enlaces a otros artículos del blog relacionados se incluyen temas que tratan del motor diésel y son aplicables al de gasolina con mezcla pobre.

Para lograr los mejores resultados del motor de gasolina en todas las condiciones y circunstancias de utilización, se tiende a disponer en el mismo motor de los dos sistemas de inyección, indirecta y directa, lo que permite contar con las ventajas de cada uno de estos en todas las situaciones.

Enlaces de interés relacionados

Estos artículos en el blog tratan de temas complementarios

En esta sección de “Tecnologías limpias”

    • “Contaminación de los motores de gasolina y diésel” (5.11.2012)
    • “Sobrealimentación del motor” (28.11.2013)
    • “El FAP en el motor diésel” (10.06.2015)
    • “El SCR en el motor diésel” (16.09.2015)
    • “La ERG en el motor diésel” (25.11.2015)
    • “Combinaciones de sobrealimentación del motor” (2.03.2016)
    • “CO2 en motores de gasolina y diésel” (7.07.2017)
    • “Elementos anticontaminación” (17.01.2018)

En la sección “Nuevas tecnologías”

    • “Consumo del motor térmico” (26.06.2013)
    • “Common rail en el motor diésel” (4.02.2015)
    • “Turbocompresor de doble entrada y de geometría variable” (6.06.2018)

En la sección “Historia del automóvil”

    • “Historia de la alimentación de gasolina” (13.12.2017)

En la sección “Evolución de órganos y elementos”

    • “Evolución de la alimentación de gasolina y diésel” (31.10.2012)

En la sección “Actualidad”

    • “Uso del automóvil con turbocompresor” (24.02.2014)
    • “Inyección indirecta y directa en el motor de gasolina” (11.06.2014)
    • “Sensor de detonación “ (8.04.2015)
    • “Sistemas de encendido en el motor de gasolina” (1.07.2015)
    • “Los NOX y VW” (14.10.2015)
    • “El acelerador electrónico” (10.02.2016)
    • “Porqué consume menos el motor de diésel que el gasolina” (23.03.2016)
    • “Combinaciones de inyección indirecta y directa en el motor de gasolina (4.05.2016)
    • “Emisiones reales de los diésel” (15.06.2016)
    • “NOX y CO2” (27.09.2017)
    • “Homologación consumo y CO2 en uso real” (28.03.2018)

 

Marcar como favorito enlace permanente.

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.