Los catalizadores no evitan la contaminación cuando están fríos

Los catalizadores no evitan la contaminación cuando están fríos

Introducción a un problema básico en la ingeniería de coches modernos


Tiempo de lectura: 13 min.

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 (SOx), óxidos de nitrógeno (NOx) 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

MG Maestro 2000 EFI 4

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.

Pablo ya explicó los principios químicos del catalizador. Nuevamente simplificando, el catalizador aspira aire sucio, y gracias al calor y a su estructura química reduce los contaminantes a productos inofensivos presentes en el aire común: dióxido de carbono (CO2) -como en toda combustión-, oxígeno puro (O2) y vapor de agua (H2O).

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.

Reaccion quimica catalizador

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 NOx. 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 SOx (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.

Renault Clio 2019 Tecnica E Tech Hibrido

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.

Mercedes-Benz E 300 de

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 Toyota Prius

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.

Subaru Tecnologia Hibrida

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.

Mercedes-Benz E 300 de

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.

Este reportaje ha sido realizado gracias a las aportaciones de los miembros de nuestra comunidad a través de Patreon. Así podemos seguir realizando periodismo de motor de calidad sin depender de los ingresos publicitarios. Puedes ayudarnos a partir de 1 euro al mes.

COMPARTE
Sobre mí

Javier Costas

Me gustan los coches desde que tengo uso de razón (o antes). Tras haber conducido más de 400 coches aquí sigo, divulgando y aprendiendo a partes iguales sobre las cuatro ruedas. Vosotros habéis hecho que se convierta en mi pasión.

COMENTARIOS

avatar
2000
 
smilegrinwinkmrgreenneutraltwistedarrowshockunamusedcooleviloopsrazzrollcryeeklolmadsadexclamationquestionideahmmbegwhewchucklesillyenvyshutmouth
Foto
 
 
 
  Suscribir  
Notificar de


NUESTRO EQUIPO

Pablo Mayo

Ingeniero de profesión, la mayor pasión de mi vida son los coches desde que era un chaval. El olor a aceite, gasolina, neumático...hace que todos mis sentidos despierten. Ahora embarcado en esta nueva aventura, espero que llegue a buen puerto con vuestra ayuda. Gracias por estar ahí.

Javier Costas

Me gustan los coches desde que tengo uso de razón (o antes). Tras haber conducido más de 400 coches aquí sigo, divulgando y aprendiendo a partes iguales sobre las cuatro ruedas. Vosotros habéis hecho que se convierta en mi pasión.

Luis Blázquez

Aficionado al mundo del motor desde que fui concebido. Aprendí a leer con revistas de coches y, desde entonces, soy un completo enamorado de la gasolina. Como no se nace sabiendo todo, cada día es importante aprender algo nuevo y así ampliar los conocimientos. Este mundillo tiene mucho que ofrecer, al igual que un servidor a vosotros los lectores.

J.J. López

Portador del contagioso virus de los coches desde los once años. Ingeniero en informática, programador de robots y visión artificial que lo piensa todo en coches. Amante del arte, técnica y tecnología en movimiento, esto es, apasionado incondicional del automóvil.

Ginés de los Reyes

Desde que tengo conciencia me llamó la atención cualquier cosa con ruedas. Aprendí a montar en bicicleta al mismo tiempo que a andar, y creo que la genética tiene algo que ver: mi padre adoraba los coches, les ponía nombres, mi abuelo conducía y participaba en el diseño de camiones, y le privaban los coches...

Ignasi Puig

Es curioso que me entusiasme cualquier actividad relacionada con los coches ¿El escribir? Para trasmitir. Trasmitir conocimiento, pasión y sensaciones; hacerte llegar aquello por lo que me vuelvo loco. Súmale que aprendes y ya es una terrible adicción.

Ángel Martínez

Soy uno de esos bichos raros a los que les apasiona hablar de coches y se pasaría horas comentando modelos o repasando la historia de la automoción. Pienso que la mayoría de ellos tienen su encanto, desde el deportivo con el que soñamos hasta el utilitario que te encuentras en cualquier esquina.

Adrián Iniesta

Ingeniero electrónico industrial de profesión y amante de los coches por vocación. Dicen que aprendí a leer con las matrículas de los coches y que con 2 años me conocía todas las marcas y modelos. Cualquier cosa que me discutas sobre coches, te la intentaré rebatir ;)

Javi Martín

Con 20 años no ponía ni una sola tilde y llegaba a cometer faltas como escribir 'hiba'. Algo digno de que me cortaran los dedos. Hoy, me gano un sueldo como redactor. ¡Las vueltas que da la vida! Si me vieran mis profesores del colegio o del instituto la charla sería de órdago. Pero aquí estoy, escribiendo sobre mi pasión donde me dejan. Si hace unos años me dicen que terminaría así, las carcajadas se habrían escuchado hasta en Australia, pero ahora no sabría vivir sin ello.

Laura Salas

Quise ser periodista porque campeona del mundo de motociclismo ya no podía. De pequeña jugaba con los cochecitos de los huevos de chocolate y con cualquier coche que mi padre dejara desprotegido y a la vista. Le rompí la puerta a su miniatura de un Ferrari. Nunca volvió a ser el mismo (el Ferrari). Siempre intento aprender algo nuevo todos los días. Soy curiosa por naturaleza, qué se le va a hacer.

Enrique Delgado

Terminando la carrera de audiovisuales y empezando en el mundo del periodismo con el espíritu de aprender sobre motor. Siempre tengo un ojo para lo que ocurre en el mundo y otro en absorber todo el conocimiento que pueda sobre él para escribir literatura, mi hobby personal.