Os motores de combustão interna são dos principais responsáveis pela poluição atmosférica principalmente nos grandes centros urbanos.
Esta tomada de consciência iniciou-se nos anos 60 na Califórnia, um dos estados mais ricos dos EUA e com uma densidade populacional urbana elevadíssima, especialmente na região de Los Angeles. Esta cidade tem poucos dias de chuva anual, pelo que não se dá a ‘lavagem’ do ar e a intensa radiação solar reage com os gases emitidos pelos escapes dos automóveis, intensificando a poluição. Estas condições obrigaram a que os legisladores americanos limitassem os poluentes produzidos pelos motores de automóveis. Foi inicialmente introduzida legislação em 1970, sendo a sua severidade agravada ao longo dos anos. Actualmente, a legislação obriga a que os motores emitam cerca de 15 vezes menos poluentes que os motores anteriores a 1970.
Na Europa os primeiros países a implementar directivas no sentido de minimizar a poluição automóvel foram a Alemanha e Holanda, países com parque automóveis muito desenvolvidos e uma forte opinião pública.
Nos dias de hoje o catalisador é um dos componentes do sistema de escape. São instalados em todos os carros vendidos no espaço da comunidade europeia desde 1993 em carros a gasolina e desde 1997 em carros a Diesel e o seu uso é obrigatório. A função dum catalisador é transformar os nocivos gases de escape (CO-HC-NOx) que vem da câmara de combustão do motor em gases mais limpos para o ambiente (CO2-H2O-N2), transformação efectuada antes dos gases serem libertados na atmosfera. Este processo passa-se dentro do catalisador.
Descrição dos gases que intervêm ou que são produzidos num motor de combustão a gasolina e seus efeitos.
1 - POLUENTES
Hidrocarbonetos(HC)-São os restos de gasolina que não se conseguem queimar(combustão incompleta)..Não sendo um gás letal, os hidrocarbonetos provocam irritações no sistema respiratório quando na presença de Nox, alem de que existem fortes suspeitas de alguns deles serem cancerígenos.
Monóxido de carbono (CO)- Este gás e uma consequência do excesso de gasolina(combustão incompleta).Um gás sem cor nem cheiro sabor, cuja inalação num espaço fechado provoca a morte em poucos minutos.
Óxidos de azoto(Nox)- São devidos as reacções originadas pelas elevadas temperaturas verificadas nos cilindros. Quanto mais pressão e temperatura maior quantidade de Nox se produz. São os mais prejudicais para o meio ambiente. Uma vez libertados na atmosfera combinam-se com o vapor de agua para formar compostos ácidos que provocam a chuva acida ,que destrói plantas e terrenos de cultivo.
2 - NAO POLUENTES
Nitrogénio(N2)-Principal componente do ar que respiramos e também inerte(não se combina com nada.
Conforme entra no cilindro do motor pela admissão sai pelo escape sem modificação alguma, excepto em pequenas quantidades para formar Nox.
Oxigénio (O2)-Este e o gás que se necessita para a combustão(e para respirar).E o segundo componente do ar (21%).
Água em forma de vapor (H2O) -que se vai condensando em forma liquida a medida que o gás fica frio. Esta é a razão porque os tubos de escape se enchem de água.
Dióxido de carbono (CO2) -Este gás não e tóxico em absoluto, mas é um problema inevitável. Todos os animais o produzem ao respirar. As bebidas gasosas contem grandes quantidades deste gás. Qualquer combustível que arde o produz, portanto também a gasolina. Elimina-se de maneira natural, já que as plantas o absorvem como alimento.
O problema é que há produção em excesso não havendo plantas no mundo em quantidade suficiente para o absorver, tendo como efeito o chamado ‘efeito estufa’ que faz com que a temperatura de todo o planeta aumente e se produzam efeitos climáticos de consequências imprevisíveis.
Expliquemos então como funciona um catalisador:
Um catalisador possui uma estrutura tipo ninho de abelha, podendo ser construído num suporte cerâmico ou metálico. Quando os gases passam pelos minúsculos canais, em direcção ao exterior, os gases entram em contacto com as superfícies das paredes do monólito, revestidas de metais preciosos (platina , ródio e paládio) ,isso faz elevar a temperatura dos gases de escape e acontece então uma reacção química que faz com que os gases de escapam se transformem em gases mais limpos e menos nocivos para o ambiente.
Estes são os princípios de funcionamento, vejamos agora factores que afectam o seu funcionamento.
Para catalisar é preciso que os gases atinjam a temperatura de 300 graus para que a reacção química possa acontecer .Devido as normas europeias cada vez mais exigentes , o catalisador passou a ser colocado o mais junto ou imediatamente a seguir ao colector de escape de forma a que possa atingir a sua temperatura de funcionamento o mais rápido possível e assim poder eliminar os gases poluentes mesmo nos arranques a frio, o que não acontece quando o catalisador é montado mais longe do motor.
Ainda, existem outras situações que podem prejudicar o catalisador impedindo o seu correcto funcionamento, como o óleo, o anti-congelante que entram no escape, velas, fios de velas em mau estado, suportes de escape, sensor de oxigénio, sonda lambda, estradas em mau estado de conservação, tudo isto pode originar o incorrecto funcionamento dum catalisador.
A quando da mudança do catalisador deve lembrar-se que um catalisador só deve ser mudado por degradação natural, isto é a partir dos 80000 km. Se o tem que mudar antes é porque existe ou existiu um problema que contribui para a sua degradação antes do tempo.
Técnica: Diferenças entre catalisadores Cerâmicos e catalisadores Metálicos
Nos catalisadores cerâmicos o monólito e obtido por um processo de extrusão onde uma pasta cerâmica (cordierite) e depositada num molde para se obter uma estrutura em ninho de abelha com canais rectangulares. A configuração obtida depende do molde, sendo as mais usadas as formas redondas ou ovais.
Os catalisadores metálicos, são obtidos através de um processo mecânico, usando uma liga metálica (FeCrAlloy-Kantal,etc) de forma a obter minúsculos canais por onde os gases de escape irão passar.Com este tipo de catalisador consegue-se obter mais células por polegada quadrada (cpsi) entre 800 a 1250, comparativamente com o catalisador cerâmico onde se consegue obter entre 400 a 900 cpsi.
Depois de obtida a forma o monólito é sujeito a um banho, onde são depositados os metais preciosos para revestir os canais. As quantidades adicionadas de metais preciosas, platina, páladio e ródio , obedecem a critérios consoante normas anti- poluição europeias.
Este processo de depósito dos metais preciosos é igual para catalisadores cerâmicos e metálicos
Resta referir que 90% dos carros a circular possuem catalisador cerâmicos.
Vantagens e desvantagens de catalisadores Cerâmicos e Metálicos
Como vantagens do catalisador temos, que se conseguem obter paredes mais finas nos canais e por isso permite ter mais canais por onde os gases entram em contacto com o revestimento de metais preciosos. A contra pressão também é menor devido ao maior fluxo de gases.
O monólito metálico também tem maior resistência ás vibrações e impactos, embora se ficar deformado alguns canais podem ficar obstruídos e causar contra pressão, bem como a capacidade de catalisar ficar diminuída.
Outra vantagem do monólito cerâmico tem a ver com a capacidade de aguentar temperaturas altas antes da fusão. Um catalisador metálico aguenta como temperatura máximo 1600º , enquanto que um catalisador cerâmico o seu ponto de fusão situa-se nos 1450º.
No entanto se houver problemas de afinação no carro ,como velas isoladas, gasolina em excesso não queimada, compressão deficiente , erros na centralina ,etc. a combustão pode dar-se fora dos cilindros (no espaço do catalisador) e aí nada se poderá fazer ,visto que a temperatura da combustão da gasolina atinge os 1800º e tanto o catalisador cerâmico , como o catalisador metálico irão derreter.
O tempo que o catalisador vai aguentar estas combustões fora do cilindro vai depender também da quantidade de combustível não queimado que está a passar, já que quanto mais gasolina passar mais energia é libertada. De lembrar que o ponto de auto ignição da gasolina anda nos 450º e que a temperatura de funcionamento dum catalisador se situa nos 500º.
Como vantagens dos catalisadores cerâmicos, temos que a sua moldagem é mais fácil e por isso se conseguem obter mais formatos. Isto é importante porque o espaço onde os catalisadores são montados no carro é por norma exíguo, daí a necessidade de formatos diferentes do standard redondo ou oval.
Mas a principal vantagem do catalisador cerâmico vs metálico, tem a haver com a capacidade extra que um catalisador fixa e mantém os metais preciosos agarrados nas paredes dos canais, visto ser uma superfície mais rugosa comparativamente com a superfície mais lisa dum catalisador metálico.
Para alem disso o coeficiente de expansão térmica (CET) é muito menor num catalisador cerâmico. Como vimos anteriormente o catalisadores estão constantemente sujeitos a este efeito de expansão e contracção, sendo muito maior nos catalisadores metálicos devido ao seu elevado CET.
Como exemplo explicativo, imaginar uma parede pintada duma casa. Se essa parede fosse constantemente sujeita a movimentos de expansão e contracção , num determinado período de tempo iria fazer com que a tinta acabasse por se fragmentar. No caso dos catalisadores a ´tinta` (é o banho de metais preciosos que revestem as paredes dos catalisadores).
Como num catalisador metálico o seu CET é muito maior, comparativamente com o catalisador cerâmico, faz com que se opte mais por catalisadores cerâmicos por terem uma longevidade maior.
O custo de produção dos catalisadores cerâmicos é também menor comparativamente com o catalisador metálico, visto ser obtido através de um processo de extrusão.
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