Recientemente pudisteis leer en espíritu RACER un artículo en el que vimos la labor de los catalizadores para limpiar los gases de escape, y cómo su correcto dimensionado permite un mayor rendimiento en los Koenigsegg. Hoy vamos a ver qué pasa cuando los catalizadores están fríos, un problema que afecta más a los coches híbridos que a los térmicos puros, y solo temporalmente.

Puede que hayas leído sobre esto en otro lugar, pero ahora lo vas a ver bien explicado. De ahora en adelante el lector asumirá que hablamos de motores de encendido por chispa, es decir, gasolina, o a gas, o a biocombustibles. Los diésel merecen una explicación aparte. Por simplificar, hablaré de gasolina, pero el principio básico es el mismo para combustibles alternativos.

Todos los motores de combustión interna del mundo contaminan, unos más que otros, y los productos peligrosos del escape suelen ser monóxido de carbono (CO), hidrocarburos sin quemar (HC), óxidos de azufre (SO_x), óxidos de nitrógeno (NO_x) y partículas en suspensión (PM). Estos residuos son el producto de una combustión incompleta. El vilipendiado CO₂ es inherente a todo proceso de combustión.

El CO₂ solo supone un problema en altas concentraciones en espacios cerrados (perjudicial para la salud) o si a escala planetaria pasa de más de 400 ppm (lo cual ya ha ocurrido) porque aumenta la temperatura global y desestabiliza el clima

La inyección electrónica (EFI) empieza a popularizarse en los años 80 para dejar atrás a la vetusta carburación mecánica

Entendiendo la importancia de la inyección electrónica

Los sistemas de inyección electrónica emplean una centralita para determinar la dosis precisa de gasolina en relación al aire: 14,7 kg de aire por cada kg de gasolina. Esa es la relación “mágica”, 14,7:1. Cuanto más se acerque la mezcla aire/combustible a esa relación, los contaminantes emitidos serán menores.

Todo lo que el motor no es capaz de eliminar por su cuenta requiere de un proceso de limpieza en el escape, y en los gasolina actuales esto se hace fundamentalmente con el catalizador de tres vías, modelos muy modernos Euro 6 utilizan además filtro de partículas (GPF), pero mantienen el catalizador.

Para que el catalizador sea eficaz necesita dos cosas. En primer lugar, una relación ideal aire/combustible. La centralita cuenta con los datos de tres sensores muy importantes: caudalímetro (mide la cantidad de aire), sonda lambda pre-catalizador y sonda lambda post-catalizador. Estos sensores van dando información a la centralita para corregir constantemente la inyección, casi como si fuese prueba y error, pero todo el rato. Cuanto más moderna es la inyección, más rápido se produce esa corrección.

Esquema de un catalizador de tres vías en condiciones ideales aire/combustible

Lo segundo que necesita el catalizador es temperatura. A partir de 140 grados Celsius empieza a ser eficaz, y pasados los 300 ºC la limpieza es ya decente. Es totalmente normal en condiciones de circulación estar entre 500 y 700 ºC, pudiendo a pasar de 900 ºC bajo condiciones de alta carga y mucho flujo de aire caliente que expulsan los cilindros. No es recomendable pasar de ahí, o el catalizador se puede acabar friendo, y es caro cambiarlo.

Cuando la relación aire/combustible se acerca a 14,7:1, el factor lambda (λ) es 1. Si hay más aire en la mezcla se considera mezcla pobre, λ>1, pero si lo que está en exceso es el combustible, mezcla rica, o λ<1. Normalmente este valor suele estar entre 0,99 y 1,01, cuando el catalizador es más eficaz. Con mezclas ricas hay más CO y HC, con mezclas pobres se disparan los NO_x. Por estas razones habría que fusilar al amanecer a todos los que suprimen, vacían o anulan los catalizadores de su vehículo si salió de fábrica con él. Y a los que roban catalizadores, como los romanos, cuatro caballos, cuatro cuerdas y látigo.

El aire completamente normal tiene un valor lambda λ=1,233

Tanto el azufre (S) como las partículas (PM) dependen de otros factores, como la pureza del combustible -que tiene sus propios residuos-, la temperatura de trabajo del motor, la carga del mismo o la presión de inyección. Lo de los SO_x (generan lluvia ácida) es menos grave desde que la normativa obliga a desulfurar el combustible, las PM tocaron techo en peligrosidad con los molinillos turbo-apretados de generación Euro 5 con inyección directa, generadores industriales de cáncer (esto es ciencia, no opinión).

Volvamos a nuestro catalizador. Cuando el motor acaba de arrancar el catalizador está frío, por lo que los gases tóxicos salen temporalmente con alegría al exterior, de ahí que el escape huela mal al arrancar, sale por ahí DE TODO. En cuestión de segundos o minutos se alcanza la temperatura de trabajo, para ello la centralita usa estrategias como empobrecer la mezcla para aumentar la temperatura de escape.

Sistema híbrido del Renault Clio e-Tech

El problema de los coches híbridos

Un motor térmico normal solo se detiene al llegar a destino, o si se quita el contacto, o mientras funciona un sistema Stop&Start, pero en movimiento hay un flujo de aire caliente suficiente para que el catalizador no pierda eficacia. No pasa exactamente igual en los híbridos.

En un híbrido puro -obviamos microhíbridos, híbridos suaves, semihíbridos, etc.- el motor térmico puede estar apagado durante más de un minuto si se recorren distancias con el motor eléctrico y la energía de la batería de alto voltaje. En ese lapso de tiempo el catalizador no mantiene la temperatura, y la va perdiendo en función del aire externo y la velocidad.

Para haceros una idea, grosso modo se pueden perder 0,5-2 ºC por segundo rodando a unos 60 km/h con 7 ºC externos. En una situación estática el calor se disipa más despacio, en una dinámica se pierde más calor. El problema desaparece cuando el motor térmico vuelve a emitir gases calientes, ya sea por agotar la carga de batería por debajo de cierto nivel o por demandar más prestaciones de las que la batería puede dar al motor eléctrico.

Detalle del tablero de instrumentos de un Mercedes-Benz híbrido enchufable diésel (EQ Power)

Por lo general, en los híbridos normales esto no es un problema, para enfriar el catalizador hay que tener parado el motor térmico durante minutos, seguramente porque el conductor más experimentado exprime todo lo que puede la batería de alto voltaje y durante ese tiempo no contamina nada. Cero. Hay ocasiones puntuales en los que eso es contraproducente en cuanto a impacto ambiental, pero no es la norma.

En los híbridos enchufables el problema es muy relativo. La idea es que en zonas urbanas estos coches se muevan solo con energía eléctrica, por lo que el catalizador está frío y no se producen emisiones. Si el motor arranca por necesidad, temporalmente contaminará mucho, pero es cuestión de segundos.

Si el catalizador se ha enfriado, temporalmente los gases de escape serán más tóxicos que si estuviese caliente. Os pongo un ejemplo que viví en persona. Estaba en la ITV con un coche gasolina con inyección y el catalizador frío, llevaba más de 15 minutos parado, y me hicieron la prueba de gases al ralentí. El monóxido de carbono (CO) estaba por las nubes, no pasaba la prueba ni de casualidad. Daba un factor 7, casi 20 veces por encima del límite legal. El Capitán Planeta me crujiría.

Pero antes de resignarme a suspender la ITV, aceleré el motor en punto muerto a 3.000 RPM, y exigí repetir la prueba pasados unos segundos. La máquina de análisis vio bajar vertiginosamente el CO hasta llegar a un valor inferior a 0,5. El técnico se vio obligado a dar la prueba por buena al ralentí. Obviamente también pasó la prueba con motor acelerado, ya con el catalizador calentito y trabajando eficazmente a pesar de sus 30 años.

Moraleja: id a pasar la ITV con el escape caliente, a ser posible tras haber pasado por carretera, y si os hacen esperar mucho, en el exterior y en punto muerto, subid revoluciones durante unos segundos, es suficiente para poner todo a punto y que la prueba salga correctamente.

UltraGauge mostrando lecturas del caudalímetro, valor lambda y temperatura de escape antes y después del catalizador

Cómo saber la temperatura a la que trabaja el escape

Me temo que ningún coche del mercado da esta información en la instrumentación convencional, pero para eso está el puerto OBD o de diagnóstico. La centralita sí sabe eso. Podéis usar Scangauge, UltraGauge o cualquier lector OBD que se conecte con Bluetooth a aplicaciones móviles como Torque o similares. De entre toda la maraña de datos nos interesan cuatro valores.

El caudalímetro mide los gramos de aire por segundo, el factor lambda lo que nos acercamos a 1, y luego hay dos sondas lambda, la que está antes del catalizador y la que está después. Este último valor nos permite hacernos una idea de a qué temperatura está el catalizador, ya que mide la temperatura del aire que sale del mismo. El lado más caliente es después del catalizador, ya que la reacción química es exotérmica (desprende calor), una vez que el catalizador ha alcanzado la temperatura de trabajo.

En la imagen superior se puede apreciar el desfase de las temperaturas de entrada y salida del catalizador cuando el motor ha funcionado aproximadamente 1 a 2 minutos y con interrupciones por el tráfico, en este caso es un híbrido. En zona urbana se calienta despacio, pero en carretera coge temperatura echando leches. Los momentos en los que más contamina el escape son realmente escasos. Podemos apreciar cómo hay una mezcla pobre (mucho aire) para aumentar rápidamente la temperatura de escape.

Aquí entra en juego un estudio del EMPA suizo

EMPA viene de Laboratorio Federal Suizo de Pruebas e Investigación de Materiales. A principios de enero publicó las conclusiones de un estudio –The cold-start dilemma– que, basándose en un modelo matemático (no empírico), pone de relieve el problema de los catalizadores fríos, y cómo se podrían mejorar las emisiones de los coches híbridos en esos lapsos de segundos o pocos minutos.

La solución más simple es mantener la temperatura de escape estable quemando combustible, que es precisamente lo que un híbrido intenta evitar, sobre todo si es enchufable. Proponen que ese precalentamiento del catalizador se haga con energía eléctrica, que es más eficiente, y así evitar esos episodios puntuales de mayor contaminación.

Sí, puede que hayas leído por ahí que los coches híbridos, enchufables o no, negros o blancos, sean un auténtico peligro público y que vamos a morir todos. El estudio -en singular- no dice eso

Los científicos del EMPA no han descubierto la rueda al afirmar que los límites de emisiones de Euro 6 solo se alcanzan con catalizadores calientes… Nos ha j****o mayo las flores. De ahí que hablen de métodos de precalentamiento, para garantizar siempre el cumplimiento de la normativa. Eso, claro hablando de coches nuevos. Con el tiempo las sondas lambda pueden leer de forma poco precisa, aumentando la riqueza de la mezcla: puede acabar destrozando el catalizador, aumenta el consumo y obviamente las emisiones.

Mediante este botón se alternan los distintos modos del sistema híbrido, según lo que convenga en cada momento

El conductor de un híbrido enchufable que esté concienciado sobre la contaminación que produce lo tiene muy fácil:

• Maximizar las distancias que recorra con energía eléctrica, a ser posible toda distancia que se haga en zona urbana, y cargar siempre que se pueda (el ahorro es enorme)
• Fuera de población usar el modo híbrido o mixto, y no abusar de las baterías si hay previsión de necesitarlas más tarde sin haber podido recargar
• Usar el modo de carga forzada es ineficiente y económicamente absurdo (cargar las baterías con gasolina), pero sí tiene sentido la opción de carga sostenida o mantenida

Cuando arranque el motor térmico el catalizador estará helado y tardará en coger temperatura, pero si se hace en carretera, el flujo constante de gases calientes hace que el catalizador coja temperatura de trabajo muy rápido. A partir de ahí, las emisiones tóxicas serán muy bajas, y cero siempre que el motor eléctrico haga todo el trabajo.

El EMPA dio este dato: en los primeros 5 minutos, con el escape frío, las emisiones tóxicas son superiores a las que se expulsan en un recorrido de 1.000 km con el motor caliente y del tirón. ¿Situación de partida? 13 grados BAJO CERO (-13 ºC). Su modelo matemático estableció que, desde el arranque (motor 2.0 gasolina típico):

• 0-30 segundos: el catalizador no hace nada
• 30-60 segundos: se calienta el primer cuarto del catalizador
• 60-120 segundos: ídem para el tercer cuarto
• 210 segundos: el catalizador empieza a limpiar al alcanzar los 140 ºC

Estos tiempos se reducen brutalmente con temperaturas más propias de España. Por ejemplo, en verano, el catalizador puede estar caliente en menos de 1 kilómetro. Al final va a resultar que los híbridos no son tan malos, o al menos, no más que cualquier otro coche con motor gasolina, tubo de escape y tal.

Conclusión: si bien los catalizadores no son perfectos y presentan algunos peajes, como una limitación de la potencia o que alguna vez haya que cambiarlos, sin ellos habríamos pagado un coste terrible en vidas humanas en zonas pobladas. Es un sistema propenso a mejorar, al menos mientras nos veamos obligados a mantener en servicio tantos vehículos con motores cuyo principio básico de funcionamiento es de finales del Siglo XIX.

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