METODOS DE EVALUACION DE CONVERTIDORES CATALITICOS

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1 METODOS DE EVALUACION DE CONVERTIDORES CATALITICOS E.D. Gamas, L. Díaz e I. Schifter Gca. de Transformación de Energéticos, SPA, Instituto Mexicano del Petróleo Eje Central 152, San Bartolo Atepehuacan, México, D.F , México Phone/FAX , egc@dec5500.imp.mx INTRODUCCION En 1998 se cumplen 23 años del uso de los convertidores catalíticos en los automóviles para controlar las emisiones del escape. La contaminación del aire por causa de las emisiones del escape de los automóviles fue relacionada en los años 1950s por investigadores en California, EUA, quienes asociaron el neblumo ( o esmog ) con las condiciones de trafico en la Ciudad de Los Angeles. En esa época un vehículo nuevo típico emitía aproximadamente 8.1 g/km de hidrocarburos no quemados (HC), 2.23 g/km de óxidos de nitrógeno (NOx) y 54.1 g/km de monóxido de carbono (CO). Los HC son resultados de una combustión incompleta de los hidrocarburos del combustible, el CO también es producto de esta combustión (oxidación) incompleta, mientras que los óxidos de nitrógeno se generan por la reacción entre el nitrógeno y el oxigeno del aire gracias a la alta temperatura en la cámara de combustión. Actualmente los límites en los EUA para las emisiones de HC, NOx y CO son 0.15 g/km, 0.24 g/km y 2.11 g/km respectivamente. Una combinación de nuevas gasolinas, nuevos sistemas electrónicos de alimentación de combustible y un convertidor catalítico para tratar las emisiones del escape, permiten alcanzar niveles muy bajos de las emisiones de contaminantes. Una vez que el combustible ha sido quemado y parte de su energía interna transformada en energía mecánica, los gases de la combustión son dirigidos al tubo de escape donde son tratados en el convertidor catalítico para disminuir los niveles de contaminantes; el convertidor es colocado entre el el escape del motor y el silenciador, vea la Figura 1 (a). En el convertidor los gases de escape entran en contacto con un lecho de catalizador, Figura 1(b), el cual ha sido específicamente diseñado para llevar a cabo reacciones químicas que disminuyan los niveles de los contaminantes HC, CO y NOx. Los primeros catalizadores ( ) contenían platino y paladio como componentes activos y llevaban a cabo las reacciones de oxidación del monoxido de carbono 2CO + O 2 (aire) 2 CO 2 y de los hidrocarburos no quemados HC + O 2 (aire) CO 2 con un rendimiento del 90%. Estos primeros catalizadores fueron usados en los convertidores de actividad binaria (o de dos vías) pues convertían HC y CO solamente. Los convertidores fueron así denominados convertidores de oxidación. 115

2 (a) (b) (c) Figura 1. (a) Localización de un convertidor catalítico en un vehículo (área del recuadro), (b) Diagrama de un convertidor catalítico de tipo panal de abeja y (c) Esquema del soporte del catalizador en un convertidor catalítico. A raíz del descubrimiento de los mecanismos de formación de ozono troposférico debido a las altas concentraciones de óxidos de nitrógeno emitidas por los vehículos, una segunda generación de catalizadores fueron necesarios para convertir los óxidos de nitrógeno, NOx, en los gases del escape, además de convertir HC y CO. Estos catalizadores de actividad ternaria ( o de tres vías, ) contienen platino y rodio como fases activas y llegan a alcanzar conversiones totales de contaminantes hasta del 98% dependiendo de las condiciones de operación. Esencialmente un convertidor catalítico consta de un soporte cerámico, típicamente cordierita ( de formula 2MgO-2Al 2 O 3-5SiO 2 ),de geometría tipo panal de abeja aunque los hay de tipo empacado usando esferas, Figura 1(c). El soporte es recubierto de una capa de alúmina que actúa como soporte catalítico de las fases activas que son los metales nobles, platino y rodio. Aunque la formulación específica de un convertidor catalítico es normalmente mantenida en secreto y protegida por patentes, un convertidor típico contiene platino y paladio y tiene una actividad ternaria, dos reacciones de oxidación para disminuir las emisiones de HC y CO, y una reacción de reducción para disminuir el contenido de NOx en los gases de escape de los automóviles. Para determinar la eficiencia en la reducción de contaminantes de un convertidor catalítico, es necesario llevar a cabo pruebas bajo condiciones controladas que permitan garantizar que efectivamente un vehículo usando dicho convertidor no emite cantidades de contaminantes arriba de las permitidas por las leyes de protección ambiental. Con el objetivo de que los datos de emisiones obtenidos durante una determinada prueba de un vehículo sean confiables, los organismos nacionales de protección ambiental han especificado procedimientos técnicos debidamente probados que son usados y aceptados como válidos para medir las emisiones de los gases del escape de vehículos. En este trabajo monográfico se presenta una descripción de los procedimientos para evaluar la eficiencia de operación de convertidores catalíticos de vehículos a gasolina usados en la Ciudad de México. Se presentan resultados típicos de la reducción de emisiones contaminantes cuando se evaluaron 20 vehículos representatívos del parque vehicular de la Ciudad equipados todos con convertidor catalítico. 116

3 MEDICION DE EMISIONES Y LOS CICLOS DE PRUEBA Los límites de las emisiones del escape de vehículos son establecidos a manera de mantener la presencia de contaminantes en el aire bajo control y lograr que el ambiente presente condiciones que no pongan en peligro la salud de los habitantes en zonas metropolitanas. En el caso de vehículos que usan gasolina los contaminantes controlados son los hidrocarburos no quemados en la combustión (HC), el monoxido de carbono (CO) y los óxidos de nitrógeno (NOx). Por otro lado los vehículos que usan Diesel como combustible están sujetos además al control de partículas sólidas (PM). Las emisiones son medidas en un motor (pruebas de banco) o en un vehículo que es sometido a ciertas condiciones de operación denominadas Ciclo de Pruebas. Un ciclo de pruebas se supone crea condiciones de medición de emisiones que son reproducibles y a la vez se pretende que simulen las condiciones reales de manejo del vehículo. La cuantificación de las emisiones en el escape se lleva a cabo mediante métodos analíticos, los cuales a su vez requieren ser certificados en cuanto a validez y precisión en las medidas. El ciclo de pruebas está constituído por una secuencia de velocidades y condiciones de carga llevadas a cabo en un motor de banco o en un dinamómetro. Las emisiones medidas usando un dinamómetro normalmente se reportan en g/km y en el caso de las emisiones medidas en un motor de banco los resultados se presentan como gramos emitidos por unidad de energía mecánica transferida al motor, g/kwh. Los ciclos de pruebas pueden tener características estacionarias o pueden ser de tipo transitorio. Un ciclo estacionario esta constituido de una secuencia de etapas de velocidad y carga constantes, mientras que un ciclo transitorio se sigue una ruta de manejo preestablecida que incluye aceleración, desaceleración, cambios de velocidad, cambios de carga, etc.. Los resultados de un ciclo de prueba de tipo estacionario se reportan como las emisiones obtenidas en cada etapa constante y los resultados globales se calculan como promedios pesados para todas las etapas constantes. En el caso de un ciclo transitorio los resultados son obtenidos analizando muestras del gas de escape acumulado en bolsas de plástico tipo Tedlar por la duración total del ciclo. Otra manera de obtener los resultados de un ciclo transitorio es por integración electrónica de analizadores continuos de respuesta rápida. En los resultados que aquí se presentan se usó la técnica de acumulación en bolsas Tedlar y análisis fuera de línea de muestras del contenido de las bolsas. En la Tabla 1 se presenta la descripción de los ciclos certificados por las correspondientes autoridades ambientales en países industrializados. En México las autoridades ambientales adoptaron el ciclo de la EPA (Environmental Protection Agency) de EUA para efectos de certificación de la medición de emisiones. 117

4 Tabla 1. Ciclos para la medición de emisiones en diferentes países. País/Región Ciclo EUA Europa FTP-75 US Transient FTP Ciclo Urbano ECE Ciclo EUDC de Manejo Suburbano (ECE R-49) ECE R-49 Japón Ciclo de 6 etapas Ciclo de 13 etapas Descripción Ciclo transitorio para coches y camionetas ligeras, se lleva a cabo en un dinamómetro de chasis. Simula una ruta de km con paradas frecuentes. La velocidad promedio es de 34.3 km/h e incluye una etapa de arranque en frío. Ciclo de dinamómetro de motor de banco para camionetas pesadas y autobuses. Incluye etapas diseñadas para simular tráfico urbano y de autopista. Ciclo de dinamómetro de chasis basado en las condiciones de manejo de París. La distancia de recorrido es de km, la velocidad promedio es de 18.7 km. Las emisiones se miden después de 40 s de operación con el motor en marcha sin mover el vehículo. Este ciclo es parte del ciclo urbano ECE y simula condiciones de tráfico en carretera a alta velocidad (hasta 120 km/h) Ciclo estacionario diseñado para motor de banco de camiones pesados. Es una secuencia de 13 etapas de dinamómetro de motor de banco. Se caracteriza por una carga promedio alta y una temperatura alta de los gases del escape. En Japón se usan dos ciclos de 6 etapas para camiones pesados de mas de 2.5 t o camiones transportando mas de 10 pasajeros, uno es para Diesel y el otro para gasolina/gas LP. Las emisiones totales se expresan en ppm como un promedio pesado de las 6 etapas. Este ciclo mas reciente es para vehículos pesados y se lleva a cabo en 13 etapas en motor de banco. Las etapas de prueba son idénticas para vehículos a Diesel o a gasolina, sin embargo los factores de peso en el cálculo de los promedios de emisiones son diferentes; las emisiones se presentan en g/kwh Internacional (ISO) ISO-8178 Ciclo compuesto de varias etapas estacionarias. Es usado para motores de potencia no usados para el transporte en los EUA y Europa. 118

5 CASO PRACTICO: ESTUDIO DEL EFECTO DEL AZUFRE SOBRE LA CONVERSIÓN DE CONTAMINANTES USANDO GASOLINAS SIN PLOMO Procedimiento Experimental Se hicieron pruebas con cuatro vehículos Chrysler modelos con 2.5 lt de desplazamiento, inyección de combustible, control de circuito cerrado y equipados cada uno con un convertidor catalítico de actividad ternaria (de tres vías). Se midieron las emisiones de HC, CO y NOx en los gases del escape usando el ciclo FTP-75 incluyendo arranque en frío. Previo a las pruebas de medición se realizó un recorrido de 200 km para estabilizar el sistema combustible-motor. Posteriormente se realizó un recorrido de 4000 km para estimar la recuperación de la eficiencia del convertidor catalítico. Las principales características de los combustibles usados se presentan en la Tabla 2. Tabla 2. Características de las gasolinas usadas en el estudio de la influencia del azufre. Propiedad Gasolina de Referencia Gasolina sintética PVR, lb/plg Contenído de azufre, ppm Indice de Octano, (R+M)/ Contenido, % vol Aromáticos Olefinas Benceno RESULTADOS.Después de haber sometido los vehículos a la prueba dinámica FTP-75 (norma mexicana DGN- AA ) se encontró que solo un 50% de los vehículos evaluados cumplieron con la normatividad en los límites de las emisiones de HC, CO y NOx (0.25, 2.11 y 0.62 g/km respectivamente) para los modelos y todos los vehículos modelo rebasaron los límites de la normatividad. La eficiencia de conversión en los convertidores catalíticos, cuando se aplicaron velocidades constantes (Ralentí, 50 y 80 km/h), fue calculada para los vehículos modelo en un promedio de 74.43% y para los modelos la eficiencia promedio de los convertidores fue de 78.52% de eliminación de emisiones contaminantes. 119

6 (a) (b) Figura 2. (a) Esquema del proceso de evaluación de la eficiencia de convertidores catalíticos y (b) Patrón de recorrido de la prueba estandar FTP