Como funcionam os conversores catalíticos

Uma grande pilha de conversores catalíticos revestidos de platina. Veja mais fotos vivas verdes. James L. Amos / National Geographic / Getty Images

Existem milhões de carros nas estradas nos Estados Unidos e cada um é uma fonte de poluição do ar. Especialmente nas grandes cidades, a quantidade de poluição que todos os carros produzem juntos pode criar grandes problemas.

Para resolver esses problemas, cidades, estados e o governo federal criam leis de ar puro que restringem a quantidade de poluição que os carros podem produzir. Ao longo dos anos, os fabricantes de automóveis fizeram muitos refinamentos nos motores e sistemas de combustível dos carros para cumprir essas leis. Uma dessas mudanças aconteceu em 1975 com um dispositivo interessante chamado conversor catalítico. O trabalho do conversor catalítico é converter poluentes prejudiciais em emissões menos prejudiciais antes que eles deixem o sistema de escapamento do carro.

Os conversores catalíticos são dispositivos incrivelmente simples, por isso é incrível ver o grande impacto que eles têm. Neste artigo, você aprenderá quais poluentes são produzidos por um motor e como um conversor catalítico lida com cada um desses poluentes para ajudar a reduzir as emissões dos veículos.

Conteúdo

1. Poluentes produzidos por um motor de carro
2. Como os conversores catalíticos reduzem a poluição
3. Controlando a poluição e melhorando o desempenho

A localização de um conversor catalítico em um carro.

Para reduzir as emissões, os motores dos carros modernos controlam cuidadosamente a quantidade de combustível que queimam. Eles tentam manter a proporção ar-combustível muito próxima da estequiométrico ponto, que é a proporção ideal de ar para combustível. Teoricamente, nessa proporção, todo o combustível será queimado usando todo o oxigênio do ar. Para a gasolina, a proporção estequiométrica é de cerca de 14,7: 1, o que significa que para cada libra de gasolina, 14,7 libras de ar serão queimadas. Na verdade, a mistura de combustível varia bastante da proporção ideal durante a condução. Às vezes, a mistura pode ser magro (uma razão ar-combustível superior a 14,7), e outras vezes a mistura pode ser rico (uma relação ar-combustível inferior a 14,7).

As principais emissões do motor de um carro são:

• Gás nitrogênio (N2) - O ar é um gás nitrogênio de 78 por cento, e a maior parte passa direto pelo motor do carro.
• Dióxido de carbono (CO2) - Este é um produto da combustão. O carbono no combustível se liga ao oxigênio do ar.
• Vapor de água (H2O) - Este é outro produto da combustão. O hidrogênio no combustível se liga ao oxigênio do ar.

Essas emissões são principalmente benignas, embora se acredite que as emissões de dióxido de carbono contribuam para o aquecimento global. Como o processo de combustão nunca é perfeito, algumas quantidades menores de emissões mais prejudiciais também são produzidas nos motores dos automóveis. Os conversores catalíticos são projetados para reduzir os três:

• Monóxido de carbono (CO) é um gás venenoso que é incolor e inodoro.
• Hidrocarbonetos ou Compostos orgânicos voláteis (VOCs) são o principal componente da poluição produzida principalmente a partir de combustível evaporado e não queimado.
• Óxidos de nitrogênio (NO e NO2, juntos chamados de NOx) contribuem para a poluição atmosférica e a chuva ácida, que também causa irritação nas membranas mucosas humanas.

Na próxima seção, veremos exatamente o que acontece dentro do conversor catalítico.

Os cortadores de grama são os próximos?

Galão por galão, os novos motores do cortador de grama contribuem com 93 vezes mais emissões de fumaça do que os carros novos. Não é de se admirar que a EPA e os reguladores estaduais da Califórnia estejam se esforçando para conseguir conversores catalíticos do tamanho de bolas de golfe em cortadores de grama e outros motores pequenos. No entanto, assim como na década de 1970, os legisladores estão enfrentando um lobby poderoso. A Briggs & Stratton, fabricante líder de motores pequenos, diz que esses regulamentos tornariam um produto inseguro que emite muito calor. Quatro fabricantes menores de motores de cortadores de grama refutaram essa acusação. A Briggs & Stratton também afirma que o superaquecimento pode causar incêndios em arbustos se os cortadores ficarem ligados e parados. Os democratas da Califórnia e a EPA acham que isso tem mais a ver com os resultados financeiros. Regulamentações pendentes propostas na Califórnia podem reduzir as emissões em cerca de 800.000 carros por dia [fonte: Barringer].

Na química, um catalisador é uma substância que causa ou acelera uma reação química sem ser afetada. Os catalisadores participam das reações, mas não são reagentes nem produtos da reação que catalisam. No corpo humano, as enzimas são catalisadores naturais responsáveis ​​por muitas reações bioquímicas essenciais [fonte: Chemicool].

No conversor catalítico, existem dois tipos diferentes de catalisador em ação, um catalisador de redução e um catalisador de oxidação. Ambos os tipos consistem em uma estrutura cerâmica revestida com um catalisador de metal, geralmente platina, ródio e / ou paládio. A ideia é criar uma estrutura que exponha a área máxima de superfície do catalisador à corrente de exaustão, ao mesmo tempo que minimiza a quantidade de catalisador necessária, já que os materiais são extremamente caros. Alguns dos conversores mais recentes até começaram a usar ouro misturado com os catalisadores mais tradicionais. O ouro é mais barato que os outros materiais e pode aumentar a oxidação, a reação química que reduz os poluentes, em até 40% [fonte: Kanellos].

A maioria dos carros modernos são equipados com conversores catalíticos de três vias. Isso se refere às três emissões reguladas que ajuda a reduzir.

-o catalisador de redução é o primeiro estágio do conversor catalítico. Ele usa platina e ródio para ajudar a reduzir as emissões de NOx. Quando uma molécula de NO ou NO2 entra em contato com o catalisador, o catalisador arranca o átomo de nitrogênio da molécula e o retém, liberando o oxigênio na forma de O2. Os átomos de nitrogênio se ligam a outros átomos de nitrogênio que também estão presos ao catalisador, formando N2. Por exemplo:

2NO => N2 + O2 ou 2NO2 => N2 + 2O2

2NO => N₂ + O₂ ou 2NO₂ => N₂ + 2O₂

Estrutura de catalisador de cerâmica em favo de mel.

o catalisador de oxidação é o segundo estágio do conversor catalítico. Ele reduz os hidrocarbonetos não queimados e o monóxido de carbono, queimando-os (oxidando) sobre um catalisador de platina e paládio. Este catalisador auxilia na reação do CO e dos hidrocarbonetos com o oxigênio remanescente no gás de exaustão. Por exemplo:

2CO + O₂ => 2CO₂

Existem dois tipos principais de estruturas usadas em conversores catalíticos -- favo de mel e contas de cerâmica. A maioria dos carros hoje usa uma estrutura em favo de mel.

Na próxima seção, veremos o terceiro estágio do processo de conversão e como você pode obter o máximo de seu conversor catalítico.

O terceiro estágio de conversão é um Sistema de controle que monitora o fluxo de exaustão e usa essas informações para controlar o sistema de injeção de combustível. Há um sensor de oxigênio montado a montante do conversor catalítico, o que significa que ele está mais próximo do motor do que do conversor. Este sensor informa ao computador do motor quanto oxigênio está no escapamento. O computador do motor pode aumentar ou diminuir a quantidade de oxigênio no escapamento ajustando a proporção ar-combustível. Este esquema de controle permite que o computador do motor verifique se o motor está funcionando próximo ao ponto estequiométrico e também se há oxigênio suficiente na exaustão para permitir que o catalisador de oxidação queime os hidrocarbonetos não queimados e CO.

O conversor catalítico faz um ótimo trabalho na redução da poluição, mas ainda pode ser melhorado substancialmente. Uma de suas maiores deficiências é que ele só funciona a uma temperatura razoavelmente alta. Quando você liga o carro frio, o conversor catalítico não faz quase nada para reduzir a poluição no escapamento.

Uma solução simples para esse problema é mover o conversor catalítico para mais perto do motor. Isso significa que gases de exaustão mais quentes chegam ao conversor e ele aquece mais rápido, mas também pode reduzir a vida útil do conversor, expondo-o a temperaturas extremamente altas. A maioria dos fabricantes de automóveis posiciona o conversor sob o banco do passageiro dianteiro, longe o suficiente do motor para manter a temperatura em níveis que não o prejudiquem.

Pré-aquecimento o conversor catalítico é uma boa maneira de reduzir as emissões. A maneira mais fácil de pré-aquecer o conversor é usar resistências elétricas. Infelizmente, os sistemas elétricos de 12 volts da maioria dos carros não fornecem energia ou potência suficiente para aquecer o conversor catalítico rápido o suficiente. A maioria das pessoas não esperaria vários minutos até que o conversor catalítico esquentasse antes de ligar o carro. Carros híbridos com grandes baterias de alta tensão podem fornecer energia suficiente para aquecer o conversor catalítico muito rapidamente.

Conversores catalíticos em motores a diesel não funcionam tão bem na redução de NOx. Um dos motivos é que os motores a diesel funcionam mais frio do que os motores padrão e os conversores funcionam melhor à medida que aquecem. Alguns dos principais especialistas em automóveis ambientais criaram um novo sistema que ajuda a combater isso. Eles injetam um ureia solução no escapamento, antes de chegar ao conversor, evaporar e se misturar com o escapamento e criar uma reação química que reduzirá os NOx. Ureia, também conhecida como carbamida, é um composto orgânico feito de carbono, nitrogênio, oxigênio e hidrogênio. É encontrado na urina de mamíferos e anfíbios. A uréia reage com o NOx para produzir nitrogênio e vapor d'água, eliminando mais de 90% dos óxidos de nitrogênio nos gases de exaustão [fonte: Innovations Report].

Roubo do conversor catalítico

-Em todo o país, SUVs e caminhões estão se tornando alvos para oportunistas que procuram lucrar com os valiosos metais preciosos usados ​​nos conversores catalíticos. Um conversor catalítico padrão contém várias centenas de dólares em platina, paládio e ródio. A distância ao solo em caminhões e SUVs facilita o acesso aos conversores, portanto, tudo que um ladrão precisa é uma serra alternativa e cerca de 60 segundos. Essa tendência colocou a polícia à espreita em muitas partes do país onde esse tipo de furto tem sido um problema. A polícia alerta os motoristas de SUV e caminhões a estacionarem em áreas movimentadas e bem iluminadas.

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Mais ótimos links

• MisterFixIt.com: Conversor catalítico obstruído?
• Nitrogênio no ar

Fontes

• Barringer, Felicity; Uma maneira mais ecológica de cortar a grama resulta de um lobby poderoso. New York Times
• Kanellos, Michael; Ouro para usar nos motores a diesel. CNET News.com
• www.chemicool.com
• www.innovations-report.com