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En qué consiste el catalizador

            El catalizador tiene como misión disminuir los elementos
         polucionantes contenidos en los gases de escape de un
         vehículo mediante la técnica de la catálisis. Se trata de un
         dispositivo instalado en el tubo de escape, cerca del motor,
         ya que ahí los gases mantienen una temperatura elevada.
         Esta energía calorífica pasa al catalizador y eleva su propia
         temperatura, circunstancia indispensable para que este dis-
         positivo tenga un óptimo rendimiento, que se alcanza entre
         los 400 y 700 grados centígrados.


                                  Pantalla
                                  térmica

            Protección elástica




                                                               Caja
                                                               inoxidable



                                               Estructura de
                                               cerámica




            Exteriormente el catalizador es un recipiente de acero ino-
         xidable, frecuentemente provisto de una carcasa-pantalla
         metálica antitérmica, igualmente inoxidable, que protege
         los bajos del vehículo de las altas temperaturas alcanzadas.
            En su interior contiene un soporte cerámico o monolito, de
         forma oval o cilíndrica, con una estructura de múltiples cel-
         dillas en forma de panal, con una densidad de éstas de
         aproximadamente 450 celdillas por cada pulgada cuadra-
         da (unas 70 por centímetro cuadrado). Su superficie se
         encuentra impregnada con una resina que contiene ele-
         mentos nobles metálicos, tales como Platino (Pt) y Paladio
         (Pd), que permiten la función de oxidación, y Rodio (Rh), que
         interviene en la reducción. Estos metales preciosos actúan
         como elementos activos catalizadores; es decir, inician y
         aceleran las reacciones químicas entre otras sustancias con
         las cuales entran en contacto, sin participar ellos mismos en
         estas reacciones. Los gases de escape contaminantes gene-
         rados por el motor, al entrar en contacto con la superficie
         activa del catalizador son transformados parcialmente en
         elementos inócuos no polucionantes.
Catalizador y accesorios opcionales



                 Pantalla Térmica
                 superior




                    Catalizador




                 Pantalla Térmica
                 inferior
Componentes principales de la cámara
      del catalizador




                   Concha superior
                   (Chapa acero inoxidable)


Monolitos de
  Cerámica




                   Banda de protección flexible




                   Concha inferior
                   (Chapa acero inoxidable)
Constitución del catalizador de tipo
    cerámico



                                          ~70 celdas/cm2




                               ~ 0,1 mm
                                                           ~1 mm




    Soporte cerámico refractario de silicato
    de Aluminio y Magnesio

   Lecho rugoso para aumentar la superficie
   de exposición a los gases de óxido de
   Aluminio (Corindón)

Metales activos (Platino, Rodio, Paladio)
Sección útil de paso de gases 70 % sección total
Temperatura de reblandecimiento ~1000oC
Combustión en motores de explosión
Combustible = Gasolina formada por Hidrocarburos (HC)
Comburente = Oxígeno (O2)
El O2 procede del aire atmosférico (en volumen 21% de O2 y 79 % de N2)



  * Combustión ideal con mezcla estequiométrica


           Gasolina (1 Kg)                    Aire (14,7 Kg)


                  Compresión/Encendido/Quemado



  Nitrógeno (N2)       Anhídrido Carbónico (CO2)           Agua (H2O)


  * Combustión real

               Gasolina                             Aire


                   Compresión/Encendido/Quemado


     Nitrógeno (N2)     Anhídrido Carbónico (CO2)          Agua (H2O)




                                     }
     Oxígeno (O2)

     Monóxido de Carbono (CO)
     Hidrocarburos (HC)
                                             Eliminados con
     Oxidos de Nitrógeno (NOx)               catalizador




                                     }
     Carbonilla

     Anhídrido Sulfuroso (SO2)
     Sales de Plomo                          Eliminados de
                                             la gasolina
     Oxidantes
Tipos de gases producidos en la
 combustión y sus consecuencias
                    Los gases emitidos por un motor de combustión interna de
                 gasolina son, principalmente, de dos tipos: inofensivos y con-
                 taminantes.
                    Los primeros están formados, fundamentalmente, por
                 Nitrógeno, Oxígeno, Dióxido de Carbono, vapor de agua e
                 Hidrógeno. Los segundos o contaminantes están formados,
                 fundamentalmente, por el Monóxido de Carbono,
                 Hidrocarburos, Oxidos de Nitrógeno y Plomo.

   Inofensivos      El Nitrógeno es un gas inerte que se encuentra presente en
                 el aire que respiramos en una concentración del 79%.
                 Debido a las altas temperaturas existentes en el motor, el
                 Nitrógeno se oxida formando pequeñas cantidades de
                 Oxidos de Nitrógeno, aunque sea un gas inerte a temperatu-
                 ra ambiente.
                    El Oxígeno es uno de los elementos indispensables para la
                 combustión y se encuentra presente en el aire en una con-
                 centración del 21%. Si su mezcla es demasiado rica o dema-
                 siado pobre, el Oxígeno no podrá oxidar todos los enlaces de
                 Hidrocarburos y será expulsado con el resto de los gases de
                 escape.
                    El vapor de agua se produce como consecuencia de la
                 combustión, mediante la oxidación del Hidrógeno, y se libe-
                 ra junto con los gases de escape.
                    El Dióxido de Carbono producido por la combustión com-
                 pleta del Carbono no resulta nocivo para los seres vivos y
                 constituye una fuente de alimentación para las plantas ver-
                 des, gracias a la fotosíntesis. Se produce como consecuen-
                 cia lógica de la combustión, es decir, cuanto mayor es su
                 concentración, mejor es la combustión. Sin embargo, un
                 incremento desmesurado de la concentración de Dióxido
                 de Carbono en la atmósfera puede producir variaciones cli-
                 máticas a gran escala (el llamado efecto invernadero).

Contaminantes       El Monóxido de Carbono, en concentraciones altas y tiem-
                 pos largos de exposición puede provocar en la sangre la
                 transformación irreversible de la Hemoglobina, molécula
                 encargada de transportar el oxígeno desde los pulmones a
                 las células del organismo, en Carboxihemoglobina, incapaz
                 de cumplir esa función. Por eso, concentraciones superiores
                 de CO al 0,3 % en volumen resultan mortales.
                    La falta de oxígeno en la combustión hace que ésta no se
                 produzca completamente y se forme Monóxido de Carbono
                 en lugar de Dióxido de Carbono. En un vehículo, la aparición
                 de mayores concentraciones en el escape de CO indican la
                 existencia de una mezcla inicial rica o falta de oxígeno.
Los Hidrocarburos, dependiendo de su estructura molecu-
lar, presentan diferentes efectos nocivos. El Benceno, por
ejemplo, es venenoso por sí mismo, y la exposición a este gas
provoca irritaciones de piel, ojos y conductos respiratorios; si
el nivel es muy alto, provocará depresiones, mareos, dolores
de cabeza y náuseas. El Benceno es uno de los múltiples
causantes de cáncer. Su presencia se debe a los compo-
nentes incombustibles de la mezcla o a las reacciones inter-
medias del proceso de combustión, las cuales son también
responsables de la producción de Aldehídos y Fenoles.
   La presencia simultánea de Hidrocarburos, Oxidos de
Nitrógeno, rayos ultravioleta y la estratificación atmosférica
conduce a la formación del smog fotoquímico, de conse-
cuencias muy graves para la salud de los seres vivos.

   Los Oxidos de Nitrógeno no sólo irritan la mucosa sino que
en combinación con los Hidrocarburos contenidos en el
smog y con la humedad del aire producen Acidos Nitrosos,
que posteriormente caen sobre la tierra en forma de lluvia
ácida y contaminan grandes áreas, algunas veces situadas
a cientos de kilómetros del lugar de origen de la contamina-
ción.

  El Plomo es el metal más peligroso contenido en los aditi-
vos del combustible. Inhalado puede provocar la formación
de coágulos o trombos en la sangre, de gravísimas conse-
cuencias patológicas. Se encuentra presente en las gasoli-
nas en forma de Tetra-etilo de Plomo y se utiliza en su
producción para elevar su índice de octano y, también, en
motorizaciones antiguas como lubricante de los asientos de
válvulas. En las gasolinas sin Plomo se ha sustituido este metal
por otros componentes menos contaminantes que también
proporcionan un alto índice de octano.
Coeficiente Lambda y características de mezcla

                        Peso real de aire consumido por Kg de gasolina                                  X
   λ =                                                                                             =
            Peso teórico de aire que se debería consumir por Kg. de gasolina                           14,7




                                           Casos según mezcla real (x)

           X                                Aire                      Mezcla                   λ
<14,7                         Defecto                      Rica                           <1
=14,7                         Equilibrio                   Estequiométrica                =1
>14,7                         Exceso                       Pobre                          >1




Mezcla         %                                     Consecuencias
         <0,75         El motor se ahoga y la mezcla no inflama por lo que el motor deja de funcionar
Rica     0,75 ÷ 0,85   Mezcla demasiado rica, que en uso instantáneo, proporciona incrementos de potencia
         0,85 ÷ 0,95   Potencia máxima en régimen contínuo (pendiente, adelantamientos, etc.)
Normal   0,95 ÷ 1,05   Conducción normal (regímenes de crucero)

         1,05 ÷ 1,15   Mínimo consumo con ligera pérdida de potencia
Pobre    1,15 ÷ 1,30   Disminución considerable de potencia con aumento de consumo por pérdida de rendimiento
         >1,30         El motor no funciona, no se propaga la llama
Potencia y consumo en función de
      Lambda para un motor genérico




CV                                                 gr/CVh

                 POTENCIA


100
                                                        90


                                        CONSUMO
90
                                                        80


 80


                                                        70

 70




      0,6     0,8           1         1,2         1,4
            Mezcla rica   LAMBDA   Mezcla pobre
Emisión gases en función de Lambda
       para un motor genérico antes del
       Catalizador



  PPM V(%)
3000 15




                                NOx



2000    10
             CO2




                  CO


1000     5
                                      HC




         0   O2
         0,6         0,8              1      1,2          1,4
                  Mezcla rica    LAMBDA    Mezcla pobre
Emisiones CO
        (Gasolina parcialmente quemada)
        antes y después del catalizador




Volumen %

 8

                   ANTES


 6




 4




 2


                DESPUES

 0
  0,6        0,8             1            1,2      1,4
            Mezcla rica    LAMBDA   Mezcla pobre
Emisiones HC
       (Gasolina sin quemar)
       antes y después del catalizador




PPM
4000




3000




2000


                           ANTES

1000
             DESPUES



   0
       0,6         0,8             1           1,2      1,4
                  Mezcla rica   LAMBDA   Mezcla pobre
Emisiones de NOx
        (Oxido de Nitrógeno)
        antes y después del catalizador




PPM
4000




3000

                        ANTES


2000




1000
                                    DESPUES



   0
       0,6     0,8              1             1,2    1,4

               Mezcla rica   LAMBDA   Mezcla pobre
Proceso químico interno del catalizador


        CO

                                            CO
                  NOx                               NOx

                                       HC


             HC




                         2CO + O2
CO                                           2CO2
C9H20                   C9H20+14O2           9CO2+10H2O
NOx                                          N2+2XCO2
                        2NOx+2XCO

PROCESO           ENTRADA    COMBINACION    RESULTADO
Oxidación         CO         O2             CO2
Oxidación         Gasolina   O2             CO2 + Agua
Reducción         NOx        CO             CO2 + Nitrógeno

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  • 1. En qué consiste el catalizador El catalizador tiene como misión disminuir los elementos polucionantes contenidos en los gases de escape de un vehículo mediante la técnica de la catálisis. Se trata de un dispositivo instalado en el tubo de escape, cerca del motor, ya que ahí los gases mantienen una temperatura elevada. Esta energía calorífica pasa al catalizador y eleva su propia temperatura, circunstancia indispensable para que este dis- positivo tenga un óptimo rendimiento, que se alcanza entre los 400 y 700 grados centígrados. Pantalla térmica Protección elástica Caja inoxidable Estructura de cerámica Exteriormente el catalizador es un recipiente de acero ino- xidable, frecuentemente provisto de una carcasa-pantalla metálica antitérmica, igualmente inoxidable, que protege los bajos del vehículo de las altas temperaturas alcanzadas. En su interior contiene un soporte cerámico o monolito, de forma oval o cilíndrica, con una estructura de múltiples cel- dillas en forma de panal, con una densidad de éstas de aproximadamente 450 celdillas por cada pulgada cuadra- da (unas 70 por centímetro cuadrado). Su superficie se encuentra impregnada con una resina que contiene ele- mentos nobles metálicos, tales como Platino (Pt) y Paladio (Pd), que permiten la función de oxidación, y Rodio (Rh), que interviene en la reducción. Estos metales preciosos actúan como elementos activos catalizadores; es decir, inician y aceleran las reacciones químicas entre otras sustancias con las cuales entran en contacto, sin participar ellos mismos en estas reacciones. Los gases de escape contaminantes gene- rados por el motor, al entrar en contacto con la superficie activa del catalizador son transformados parcialmente en elementos inócuos no polucionantes.
  • 2. Catalizador y accesorios opcionales Pantalla Térmica superior Catalizador Pantalla Térmica inferior
  • 3. Componentes principales de la cámara del catalizador Concha superior (Chapa acero inoxidable) Monolitos de Cerámica Banda de protección flexible Concha inferior (Chapa acero inoxidable)
  • 4. Constitución del catalizador de tipo cerámico ~70 celdas/cm2 ~ 0,1 mm ~1 mm Soporte cerámico refractario de silicato de Aluminio y Magnesio Lecho rugoso para aumentar la superficie de exposición a los gases de óxido de Aluminio (Corindón) Metales activos (Platino, Rodio, Paladio) Sección útil de paso de gases 70 % sección total Temperatura de reblandecimiento ~1000oC
  • 5. Combustión en motores de explosión Combustible = Gasolina formada por Hidrocarburos (HC) Comburente = Oxígeno (O2) El O2 procede del aire atmosférico (en volumen 21% de O2 y 79 % de N2) * Combustión ideal con mezcla estequiométrica Gasolina (1 Kg) Aire (14,7 Kg) Compresión/Encendido/Quemado Nitrógeno (N2) Anhídrido Carbónico (CO2) Agua (H2O) * Combustión real Gasolina Aire Compresión/Encendido/Quemado Nitrógeno (N2) Anhídrido Carbónico (CO2) Agua (H2O) } Oxígeno (O2) Monóxido de Carbono (CO) Hidrocarburos (HC) Eliminados con Oxidos de Nitrógeno (NOx) catalizador } Carbonilla Anhídrido Sulfuroso (SO2) Sales de Plomo Eliminados de la gasolina Oxidantes
  • 6. Tipos de gases producidos en la combustión y sus consecuencias Los gases emitidos por un motor de combustión interna de gasolina son, principalmente, de dos tipos: inofensivos y con- taminantes. Los primeros están formados, fundamentalmente, por Nitrógeno, Oxígeno, Dióxido de Carbono, vapor de agua e Hidrógeno. Los segundos o contaminantes están formados, fundamentalmente, por el Monóxido de Carbono, Hidrocarburos, Oxidos de Nitrógeno y Plomo. Inofensivos El Nitrógeno es un gas inerte que se encuentra presente en el aire que respiramos en una concentración del 79%. Debido a las altas temperaturas existentes en el motor, el Nitrógeno se oxida formando pequeñas cantidades de Oxidos de Nitrógeno, aunque sea un gas inerte a temperatu- ra ambiente. El Oxígeno es uno de los elementos indispensables para la combustión y se encuentra presente en el aire en una con- centración del 21%. Si su mezcla es demasiado rica o dema- siado pobre, el Oxígeno no podrá oxidar todos los enlaces de Hidrocarburos y será expulsado con el resto de los gases de escape. El vapor de agua se produce como consecuencia de la combustión, mediante la oxidación del Hidrógeno, y se libe- ra junto con los gases de escape. El Dióxido de Carbono producido por la combustión com- pleta del Carbono no resulta nocivo para los seres vivos y constituye una fuente de alimentación para las plantas ver- des, gracias a la fotosíntesis. Se produce como consecuen- cia lógica de la combustión, es decir, cuanto mayor es su concentración, mejor es la combustión. Sin embargo, un incremento desmesurado de la concentración de Dióxido de Carbono en la atmósfera puede producir variaciones cli- máticas a gran escala (el llamado efecto invernadero). Contaminantes El Monóxido de Carbono, en concentraciones altas y tiem- pos largos de exposición puede provocar en la sangre la transformación irreversible de la Hemoglobina, molécula encargada de transportar el oxígeno desde los pulmones a las células del organismo, en Carboxihemoglobina, incapaz de cumplir esa función. Por eso, concentraciones superiores de CO al 0,3 % en volumen resultan mortales. La falta de oxígeno en la combustión hace que ésta no se produzca completamente y se forme Monóxido de Carbono en lugar de Dióxido de Carbono. En un vehículo, la aparición de mayores concentraciones en el escape de CO indican la existencia de una mezcla inicial rica o falta de oxígeno.
  • 7. Los Hidrocarburos, dependiendo de su estructura molecu- lar, presentan diferentes efectos nocivos. El Benceno, por ejemplo, es venenoso por sí mismo, y la exposición a este gas provoca irritaciones de piel, ojos y conductos respiratorios; si el nivel es muy alto, provocará depresiones, mareos, dolores de cabeza y náuseas. El Benceno es uno de los múltiples causantes de cáncer. Su presencia se debe a los compo- nentes incombustibles de la mezcla o a las reacciones inter- medias del proceso de combustión, las cuales son también responsables de la producción de Aldehídos y Fenoles. La presencia simultánea de Hidrocarburos, Oxidos de Nitrógeno, rayos ultravioleta y la estratificación atmosférica conduce a la formación del smog fotoquímico, de conse- cuencias muy graves para la salud de los seres vivos. Los Oxidos de Nitrógeno no sólo irritan la mucosa sino que en combinación con los Hidrocarburos contenidos en el smog y con la humedad del aire producen Acidos Nitrosos, que posteriormente caen sobre la tierra en forma de lluvia ácida y contaminan grandes áreas, algunas veces situadas a cientos de kilómetros del lugar de origen de la contamina- ción. El Plomo es el metal más peligroso contenido en los aditi- vos del combustible. Inhalado puede provocar la formación de coágulos o trombos en la sangre, de gravísimas conse- cuencias patológicas. Se encuentra presente en las gasoli- nas en forma de Tetra-etilo de Plomo y se utiliza en su producción para elevar su índice de octano y, también, en motorizaciones antiguas como lubricante de los asientos de válvulas. En las gasolinas sin Plomo se ha sustituido este metal por otros componentes menos contaminantes que también proporcionan un alto índice de octano.
  • 8. Coeficiente Lambda y características de mezcla Peso real de aire consumido por Kg de gasolina X λ = = Peso teórico de aire que se debería consumir por Kg. de gasolina 14,7 Casos según mezcla real (x) X Aire Mezcla λ <14,7 Defecto Rica <1 =14,7 Equilibrio Estequiométrica =1 >14,7 Exceso Pobre >1 Mezcla % Consecuencias <0,75 El motor se ahoga y la mezcla no inflama por lo que el motor deja de funcionar Rica 0,75 ÷ 0,85 Mezcla demasiado rica, que en uso instantáneo, proporciona incrementos de potencia 0,85 ÷ 0,95 Potencia máxima en régimen contínuo (pendiente, adelantamientos, etc.) Normal 0,95 ÷ 1,05 Conducción normal (regímenes de crucero) 1,05 ÷ 1,15 Mínimo consumo con ligera pérdida de potencia Pobre 1,15 ÷ 1,30 Disminución considerable de potencia con aumento de consumo por pérdida de rendimiento >1,30 El motor no funciona, no se propaga la llama
  • 9. Potencia y consumo en función de Lambda para un motor genérico CV gr/CVh POTENCIA 100 90 CONSUMO 90 80 80 70 70 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Mezcla rica LAMBDA Mezcla pobre
  • 10. Emisión gases en función de Lambda para un motor genérico antes del Catalizador PPM V(%) 3000 15 NOx 2000 10 CO2 CO 1000 5 HC 0 O2 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Mezcla rica LAMBDA Mezcla pobre
  • 11. Emisiones CO (Gasolina parcialmente quemada) antes y después del catalizador Volumen % 8 ANTES 6 4 2 DESPUES 0 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Mezcla rica LAMBDA Mezcla pobre
  • 12. Emisiones HC (Gasolina sin quemar) antes y después del catalizador PPM 4000 3000 2000 ANTES 1000 DESPUES 0 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Mezcla rica LAMBDA Mezcla pobre
  • 13. Emisiones de NOx (Oxido de Nitrógeno) antes y después del catalizador PPM 4000 3000 ANTES 2000 1000 DESPUES 0 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Mezcla rica LAMBDA Mezcla pobre
  • 14. Proceso químico interno del catalizador CO CO NOx NOx HC HC 2CO + O2 CO 2CO2 C9H20 C9H20+14O2 9CO2+10H2O NOx N2+2XCO2 2NOx+2XCO PROCESO ENTRADA COMBINACION RESULTADO Oxidación CO O2 CO2 Oxidación Gasolina O2 CO2 + Agua Reducción NOx CO CO2 + Nitrógeno