Post on 04-Jul-2020
Control de los contaminantes en motores de combustión interna
Motores ciclo Otto
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
Temario
Nicolaus August Otto
Orígenes
Productos de la combustión
O2
0,7%
CO2
18,0%H2O9,3%
N2
71,0%
Contaminantes1%
0,05%0,095%
0,005%0,85% CO
PartículasNOxHC
Motor de gasolina de 2 tiempos
Motor de gasolina de 4 tiempos (mezcla
pobre)
Motor de gasolina de 4 tiemposMotor DieselComponentes del
escape y condiciones a
a El resto es nitrógeno.b A modo de comparación: un combustible diesel con 500 ppmS produce unos 20 ppm de SO2.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 .
≈ 1 (14,7)e≈ 1,16 (17)≈ 1 (14,7)≈ 1,8 (26)λ (A/F)d
30.000 - 100.00030.000 - 100.00030.000 - 100.00030.000 - 100.000GHSV (h-1)
Tamb -1000ºCTamb -850ºCTamb -1100ºCTamb -650ºC
(Tamb -420ºC)Temperaturas (condiciones de test)
65mg/m3PM
≈ 20 ppm20 ppm15 - 60 ppm10 - 100 ppmbSOx
10 - 13%11%10 - 13,5%7%CO2
10 - 12%12%10 - 12%1,4 – 7%H2O
0,2 – 2%4 – 12%0,2 – 2%10 - 15%O2
1 - 3%≈ 1300 ppm0,1 - 6%300 - 1200 ppmCO
20.000 - 30.000 ppmC≈ 1300 ppmC500 - 5000 ppmC50 - 330 ppmCHC
100 - 200 ppm≈1200 ppm100 – 4000 ppm350 – 1000 ppmNOx
Ejemplo de valores de escape para motores diesel y de gasolina de dos y cuatro tiempos
J. Kašpar et.al.; Catalysis Today 77 (2003) 419-449
Mezcla rica Mezcla pobre
Contaminantes emitidos a diferentes valores de Lambda
Reglamento de la UE sobre emisiones de vehículosautomotores ciclo Otto.
Tipo de test(Unidades)
ECE-15+EUDC(g/km)
Año HC NOx CO
1997(Euro II)
0.341 0.252 2.7
2000 (Euro III) 0.2 0.15 2.3
2005 (Euro IV)
0.1 0.08 1.0
US FTP 75Test utilizado por la EPAsimula ruta de 17,86 kmcon paradas frecuentes.
Medición de contaminantes emitidos
Equivalencia con la UE
La solución actual: el uso de catalizadores
Evolución histórica de los catalizadores
1970 Control de emisiones deCO e hidrocarburos
Catalizadores de oxidaciónPt o Pd
1980 Control de emisiones deCO, HC y NOx
Catalizadores de tres vias(TWC), Pt y Rh, Ce2O3
1995 Menores niveles deemisión
El Pd reemplaza al Rhy/o al Pt
Futuro ULVEMezcla pobre
Sistemas efectivos a bajastemperaturas (cold start)Nuevos catalizadores.
Reacciones termodinámicamente favorecidas para la eliminación de contaminantes
Reacciones en que participan CO e Hidrocarburos CyHx + (x/4 + 1)O2 → yCO2 + (x/2) H2O CO + (1/2) O2 → CO2 CO + H2O → CO2 + H2 Reacciones en que participan los Oxidos de Nitrógeno NOx + CO → (1/2) N2 + CO2 NOx + H2 → (1/2) N2 + H2O (2 + x/2) NOx + CyHx → (1 + x/4) N2 + yCO2 + (x/2) H2O
La velocidad de estas reacciones es muy lenta
Estrategias para el control catalítico de las emisiones
Zonas de mezclas donde funcionan las diferentesalternativas
0
20
40
60
80
100
0,98 0,99 1 1,01 1,02
λ
Con
vers
ão (%
)
NOx
HC
CO
Convertidor de tres vías
Funcionamiento de la sonda Lambda
Partes del convertidor
Donde se depositanlos catalizadores
FOTOS
Preparación de catalizadores de tres vías
Cordierita. 62 cpsi
Suspensión de Al2O3 promovidacon Ce, La, Ba, Zr
Secado y calcinación a 500°C
Monolito con washcoat
Inpregnaciones sucesivas de salesde Pt, Rh, Pd
Secado, calcinación y reducción
El rol del Cerio (CeO2)
La cupla redox Ce+3 Ce+4
estabiliza la concentración de oxígenoen el convertidor (oxygen storage).
Zona rica CeO2 + CO Ce2O3 + CO2Zona pobre Ce2O3 + ½ O2 CeO2
Además: Estabiliza a la alúmina.Mejora la dispersión y promueve la reducciónde los metales nobles.Promueve la reacción de reformado de los HC (HC + H20 H2 + CO2), generandohidrógeno, el cual contribuye en reducir los NOx
CO(g) + S ↔ CO (ads)
NO(g) + S ↔ NO(ads)
NO(ads) + S → N(ads) + O(ads)
2N(ads) → N2(g) + 2S
CO(ads) + O(ads) → CO2(g)
L. Dubois, P. Hansma, G. Somorjai, J. Catal. 65 (1980) 318.
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) → CO2(g)
NO(ads) + N(ads) → N2O(g) + 2S
NO(ads) + N(ads) → N2(g) + O(ads) + S
W. Hecker, A. Bell, J. Catal. 84 (1983) 200.
Mecanismo de la reacción CO + NO
Aspectos a resolver
Mejorar estabilidad térmica (T > 900°C)
Mejorar actividad a bajas temperaturas
Resistencia a venenos (P, Zn. S)
Mayor vida útil (100.000 millas)
Menores costos
Operación en relaciones aire/combustible pobres
MejorasMejoras
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.