CATALIZADORES PARA MOTORES DIESEL
CATALIZADORES El catalizador o convertidor catalítico se ha convertido en un elemento primordial a la hora de tratar los gases perjudiciales que salen por el tubo de escape de los automóviles. El catalizador tiene como misión disminuir los elementos contaminantes contenidos en los gases de escape de un vehículo mediante la técnica de la catálisis. El catalizador es un dispositivo, que se monta en el tubo de escape, inmediatamente después del colector de escape, ya que en este punto los gases se mantienen una temperatura elevada. Esta energía calorífica pasa al catalizador y eleva su propia temperatura, circunstancia indispensable para que este dispositivo tenga un optimo rendimiento, que se alcanza entre los 400 y 700º C.
CATALIZADORES EN MOTORES DIESEL Los motores de combustión interna constituyen una de las principales causas de contaminación ambiental. En el caso particular de los motores diesel los principales contaminantes son las partículas de hollín o material particionado y los óxidos de nitrógeno. El desarrollo de materiales catalíticos activos para la eliminación de contaminantes de gases de escape de motores diesel, ha sido motivo de un intenso trabajo de investigación en los últimos años. La eliminación de hollín proveniente de escapes de motores diesel, es un problema para el cual aún no se ha encontrado una solución completamente satisfactoria. Se debe lograr un sistema de filtrado eficiente, que retenga las partículas de muy pequeño tamaño generadas en el motor, evitando aumentos en la pérdida de carga del sistema de exhaución por taponamiento del filtro. Una de las opciones más adecuadas es que se auto regenere por combustión catalítica del hollín. Para esto, el catalizador debe tener actividad suficiente a la temperatura de los gases de escape.
TIPOS DE CATALIZADORES CATALIZADORES DE OXIDACIÓN PARA VEHÍCULOS DIÉSEL (DOC) Los DOC reemplazan al silenciador (son del mismo tamaño y peso) y su instalación dura unas dos horas. Esa instalación es directa, ya que no se requieren otros cambios aparte del reemplazo del silenciador. El costo de la retro adaptación de un DOC varía entre 600 dólares y 2.000 dólares para camiones pesados. Los DOC oxidan los hidrocarburos (HC), el monóxido de carbono (CO) y la fracción orgánica soluble de la materia que se a particionado (PM). Un DOC también puede funcionar a niveles de azufre superiores a 500 ppm, pero existe el riesgo de que el azufre contenido en el combustible también se oxide y forme un sulfato con lo cual en realidad aumentarán las emisiones totales de materia particionada. Cuanto más bajo sea el nivel de azufre en el combustible, más eficiente será el funcionamiento del DOC. Se estima que las reducciones de emisiones debido a la utilización del DOC se sitúan entre alrededor de un 20% y un 50% en el caso de materia particionada y entre un 60% y un 90% en el caso de los hidrocarburos y del monóxido de carbono. Los DOC son la tecnología de control de emisiones diesel más común disponible para retro adaptación, habiéndose instalado más de 20,000 de ellos en autobuses y camiones que recorren grandes distancias en los Estados Unidos y en la Unión Europea.
CATALIZADOR DE TIPO FILTRO DE PARTÍCULAS DIÉSEL (DPFS) Los DPF funcionan capturando materia particionada en un filtro y oxidando (es decir, quemando) esas partículas. Existen dos tipos de DPF, que varían según la forma en que se oxidan la materia particionada. En un filtro pasivo, se utiliza un catalizador que reduce la temperatura necesaria para que los gases de escape oxiden la materia particionada. En un sistema activo, la materia particionada se oxida debido al calor tan pronto como el filtro se llena. El calor se suministra de fuentes externas, como un calentador eléctrico. Actualmente, un modelo común consiste en combinar un DOC y un DPF en un paquete único. Los DPF (especialmente los sistemas pasivos) requieren por lo general niveles de azufre muy bajos (<15 ppm) a fin de prevenir la contaminación por el azufre. No obstante, se están elaborando algunos DPF más nuevos con sistemas de regeneración activa que pueden tolerar niveles de azufre de hasta 500 ppm. Un DPF con un catalizador de oxidación (sistema pasivo) puede reducir los hidrocarburos, el monóxido de carbono y la materia particulada en un 90%. En el caso de los DPF, por lo general se requiere de antemano una medición de la temperatura de los gases de escape a fin de determinar si se puede adoptar un filtro activo o un filtro pasivo. Más abajo se presenta una animación sobre la forma en que funciona un filtro de partículas.
CATALIZADOR DE TIPO FILTROS DE FLUJO INTERIOR (FTFS) Los FTF son una tecnología relativamente nueva para reducir las emisiones de materia particionada diesel. A diferencia de un DPF en el que sólo gases pueden pasar a través de los componentes del filtro el FTF no “atrapa” y acumula físicamente la materia particionada. En cambio, los gases de escape fluyen a través de un medio (como una tela metálica) que tiene una alta densidad de canales de flujo interrumpidos, lo que da lugar a condiciones de flujo turbulentas. La eficiencia de filtración de un FTF es menor que la de un DPF, pero es mucho menos probable que el FTF se obstruya en condiciones desfavorables (por ejemplo, altas emisiones de materia particionada, temperaturas de escape bajas y situaciones de emergencia). Por consiguiente, el FTF es candidato a ser utilizado en aplicaciones que son inadecuadas para los DPF. El costo de retro adaptar un FTF se estima entre los 3,500 y los 5,000 dólares.
esquema que muestra los filtros de flujo interior
CATALIZADOR NOX Y DIÉSEL Debido a que los motores diesel tienen una proporción de combustible y de aire diferente de los motores a gasolina, los convertidores catalíticos de tres vías no funcionan en los motores diesel. Los motores diesel funcionan con un exceso de aire (combustión pobre), que dificulta más la reducción de NO x. En cambio, se han desarrollado técnicas más nuevas y catalizadores para motores diesel con el objetivo de reducir los NO x, tales como la recirculación de gases de escape (EGR), la reducción catalítica selectiva (SCR), el diesel emulsionado, los catalizadores “lean NOx”, y los adsorbe dores de NOx.
este tipo de catalizadores no puede ser utilizado en los diesel catalizador de 3 vías
RECIRCULACIÓN DE GASES DE ESCAPE (EGR) La EGR se utiliza principalmente para reducir las emisiones de NO x. Debido a que la formación de NO x depende mucho de la temperatura, la EGR funciona re circulando entre un 5% y un 10% de los gases de escape que vuelven a la entrada de aire del motor a fin de bajar la temperatura de combustión (varios cientos de grados) y reducir de tal forma esas emisiones. Los sistemas de EGR pueden ser ya sea de alta presión o de baja presión. Los sistemas de baja presión puede retro adaptarse dado que no requieren modificaciones del motor. Los filtros de partículas diesel son parte integrante de todo sistema de baja presión, y aseguran que la materia particionada no vuelva a circular en el motor. La EGR puede reducir los NO x en alrededor de un 40 a un 50%.
La EGR se ha instalado en muchos camiones nuevos a fin de reducir las emisiones de NOx. Los costos suplementarios de instalación no se han divulgado y el sistema está bien integrado en el diseño general del motor, todo lo cual hace que los costos sean difíciles de estimar. El costo de retro adaptar una EGR de baja presión en un camión antiguo se estima entre 13,000 y 20,000 dólares. Esto se ha realizado en muy pocos casos. Grafica que muestra la recirculación de gases de escape
REDUCCIÓN CATALÍTICA SELECTIVA (SCR) La SCR funciona de manera muy similar a los catalizadores de oxidación diésel (DOC) pero utiliza un agente exterior para catalizar y reducir los NO x a nitrógeno y agua inocuos. La reducción catalítica selectiva utiliza amoníaco (en forma de urea) que se suministra en dosis pequeñas. Esto requiere un sistema de vigilancia cuidadosa, dado que la cantidad de urea debe ajustarse con precisión a la cantidad de NO x. Si esto no se vigila adecuadamente, se emitirá el exceso de amoníaco, que es una toxina. La urea se suministra desde un tanque en el propio vehículo que debe rellenarse. La reducción catalítica selectiva reduce las emisiones de NO x entre un 75% y un 90%. Por lo general, el costo de retroadaptación de un sistema de SCR es de 13,000 dólares. Si el sistema de SCR se combina con un DPF, la gama de precios se sitúa entre 16,000 dólares y 20,000 dólares por vehículo pesado.
Grafica que nos muestra la distribución del catalizador SCR
CATALIZADORES “LEAN NO X”
Los catalizadores “lean NO x” funcionan de modo muy similar a la SCR, es decir, utilizando un agente externo para convertir los NO x en nitrógeno y agua. Los catalizadores “lean NO x” utilizan una inyección extra de combustible diesel que se introduce en el catalizador. Las ventajas son que el diésel ya está a mano en el vehículo; no obstante, esto reduce el ahorro de combustible y requiere sistemas de vigilancia avanzados. Los catali zadores “lean NO x” reducen los NO x en aproximadamente un 30%, y hasta en un 50% en condiciones adecuadas.
ABSORBEDOR DE NOX Un absorbedor de NO x almacena los NOx en condiciones de combustión pobre y cuando se alcanza la capacidad de almacenamiento, los NO x se convierten catalíticamente en nitrógeno y agua. Los absorbedores de NO x han resultado eficaces en combinación con los DPF. Los absorbedores de NO x se empobrecen fácilmente con el azufre y por consiguiente requieren un diesel ultra bajo en azufre (<10 ppm). Los absorbedores de NO x NO pueden retro adaptarse. Los adsorbe dores de NO x reducen considerablemente los NO x (en más del 90%), pero son muy sensibles al empobrecimiento del azufre. Esta tecnología aún se está desarrollando. La reducción catalítica s electiva, los catalizadores “lean NO x” y los adsorbedores de NOx aún están por utilizarse en aplicaciones en gran escala. No obstante, debido a las reglamentaciones cada vez más estrictas en materia de emisiones, su introducción en el mercado comercial está prevista para los próximos dos a cinco años. También debido a que la aplicación es nueva y aún se está desarrollando, los costos son difíciles de calcular. Sin embargo, según estimaciones preliminares, el costo se sitúa en aproximadamente 6,000 a 10,000 dólares por camión. Se prevé que estos costos se reduzcan rápidamente a medida que las tecnologías vayan adquiriendo carácter obligatorio.
filtro catalítico de partículas y la vista de un filtro comercial
