Control de los contaminantes en motores de combustión interna

Transcripción

1 Control de los contaminantes en motores de combustión interna

2 Motores ciclo Otto Temario Control de contaminantes Historia del sistema catalítico El catalizador actual. Preparación, composición, actividad y estabilidad. El mecanismo de la reacción CO + NO Motores ciclo Diesel El problema de las partículas Tecnologías emergentes RCS de NOx con hidrocarburos Trampas catalíticas de NOx

3 Orígenes Nicolaus August Otto

4 Productos de la combustión

5 N 2 71,0% Contaminantes 1% H 2 O 9,3% O 2 0,7% CO 2 18,0% 0,85% 0,005% 0,05% 0,095% CO Partículas NOx HC

6 Ejemplo de valores de escape para motores diesel y de gasolina de dos y cuatro tiempos Componentes del escape y condiciones a Motor Diesel Motor de gasolina de 4 tiempos Motor de gasolina de 4 tiempos (mezcla pobre) Motor de gasolina de 2 tiempos NOx ppm ppm 1200 ppm ppm HC ppmc ppmc 1300 ppmc ppmc CO ppm 0,1-6% 1300 ppm 1-3% O % 0,2 2% 4 12% 0,2 2% H 2 O 1,4 7% 10-12% 12% 10-12% CO 2 7% 10-13,5% 11% 10-13% SOx ppm b ppm 20 ppm 20 ppm PM 65mg/m 3 Temperaturas (condiciones de test) T amb -650ºC (T amb -420ºC) T amb -1100ºC T amb -850ºC T amb -1000ºC GHSV (h -1 ) λ (A/F) d 1,8 (26) 1 (14,7) 1,16 (17) 1 (14,7) e a El resto es nitrógeno. b A modo de comparación: un combustible diesel con 500 ppms produce unos 20 ppm de SO 2. c CCC (close-coupled catalyst) d λ se defina como la relación air.e/combustible real a la estequiométrica. λ = 1 en condiciones estequiométricas (14,7) e Parte del combustible se emplea en el arrastre de los gases de escape por lo que no se puede definir de forma precisa λ. J. Kašpar et.al.; Catalysis Today 77 (2003)

7 Contaminantes emitidos a diferentes valores de Lambda Mezcla rica Mezcla pobre

8 Reglamento de la UE sobre emisiones de vehículos automotores ciclo Otto. Tipo de test (Unidades) ECE-15+EUDC (g/km) Año HC NO x CO 1997 (Euro II) (Euro III) (Euro IV)

9 Medición de contaminantes emitidos US FTP 75 Test utilizado por la EPA simula ruta de 17,86 km con paradas frecuentes. Equivalencia con la UE

10 La solución actual: el uso de catalizadores

11 Evolución histórica de los catalizadores 1970 Control de emisiones de CO e hidrocarburos Catalizadores de oxidación Pt o Pd 1980 Control de emisiones de CO, HC y NO x Catalizadores de tres vias (TWC), Pt y Rh, Ce 2 O Menores niveles de emisión El Pd reemplaza al Rh y/o al Pt Futuro ULVE Mezcla pobre Sistemas efectivos a bajas temperaturas (cold start) Nuevos catalizadores.

12 Reacciones termodinámicamente favorecidas para la eliminación de contaminantes Reacciones en que participan CO e Hidrocarburos C y H x + (x/4 + 1)O 2 yco 2 + (x/2) H 2 O CO + (1/2) O 2 CO 2 CO + H 2 O CO 2 + H 2 Reacciones en que participan los Oxidos de Nitrógeno NO x + CO (1/2) N 2 + CO 2 NO x + H 2 (1/2) N 2 + H 2 O (2 + x/2) NO x + C y H x (1 + x/4) N 2 + yco 2 + (x/2) H 2 O La velocidad de estas reacciones es muy lenta

13 Estrategias para el control catalítico de las emisiones

14 Zonas de mezclas donde funcionan las diferentes alternativas

15 Convertidor de tres vías 100 NOx Conversão (%) HC CO 0 0,98 0,99 1 1,01 1,02 λ

16 Funcionamiento de la sonda Lambda

17 Partes del convertidor

18 Donde se depositan los catalizadores

19 FOTOS

20 Preparación de catalizadores de tres vías Cordierita. 62 cpsi Suspensión de Al 2 O 3 promovida con Ce, La, Ba, Zr Secado y calcinación a 500 C Monolito con washcoat Inpregnaciones sucesivas de sales de Pt, Rh, Pd Secado, calcinación y reducción

21 El rol del Cerio (CeO 2 ) La cupla redox Ce +3 Ce +4 estabiliza la concentración de oxígeno en el convertidor (oxygen storage). Zona rica CeO 2 + CO Ce 2 O 3 + CO 2 Zona pobre Ce 2 O 3 + ½ O 2 CeO 2 Además: Estabiliza a la alúmina. Mejora la dispersión y promueve la reducción de los metales nobles. Promueve la reacción de reformado de los HC (HC + H 2 0 H 2 + CO 2 ), generando hidrógeno, el cual contribuye en reducir los NO x

22 Mecanismo de la reacción CO + NO CO (g) + S CO (ads) NO (g) + S NO (ads) NO (ads) + S N (ads) + O (ads) 2N (ads) N 2(g) + 2S CO (ads) + O (ads) CO 2(g) L. Dubois, P. Hansma, G. Somorjai, J. Catal. 65 (1980) 318.

23 Mecanismo de la reacción CO + NO CO (g) + S CO (ads) NO (g) + S NO (ads) NO (ads) + S N (ads) + O (ads) CO (ads) + O (ads) CO 2(g) NO (ads) + N (ads) N 2 O (g) + 2S NO (ads) + N (ads) N 2(g) + O (ads) + S W. Hecker, A. Bell, J. Catal. 84 (1983) 200.

24 Aspectos a resolver Mejorar estabilidad térmica (T > 900 C) Mejorar actividad a bajas temperaturas Resistencia a venenos (P, Zn. S) Mayor vida útil ( millas) Menores costos Operación en relaciones aire/combustible pobres

25 Mejoras Nuevas tendencias I Mejoras en el arranque en frío. i. Acercamiento del convertidor al motor => T => necesita mayor estabilidad del catalizador (CCC, close-coupled converter). ii. Uso de un prelecho de ignición (Pd). iii. Precalentamiento externo. iv. Adición de un adsorbedor para retener los contaminantes durante el arranque en frío. Al calentarse, desorbe los contaminantes y se regenera.