¿Cómo salvo el convertidor catalítico al motor de combustión interna?

El convertidor catalítico es un dispositivo de control de emisiones posescape que transforma el monóxido de carbono, los hidrocarburos y los óxidos de nitrógeno de los gases de escape en compuestos inofensivos mediante reacciones químicas, y que desde 1975 mantiene al motor de combustión interna por debajo del límite impuesto por las leyes de emisiones de escape. Mientras que la Clean Air Act de Estados Unidos en los años 70 obligó a rediseñar por completo el motor, este pequeño cilindro cerámico resultó ser la forma más práctica de cumplir con la fecha límite; sin embargo, el resultado fue el punto de partida de una cadena tecnológica que se extendió desde la muerte del carburador hasta la inyección electrónica de combustible.

Ciudades contaminadas y la fecha límite del 90% de reducción

A finales de los años 60, la calidad del aire de las ciudades estadounidenses se había deteriorado de forma medible junto con el crecimiento del transporte motorizado. El smog de Los Ángeles fue el primer gran caso que demostró que era posible identificar la fuente del problema, y California fue el estado que puso en vigor las primeras regulaciones de emisiones de escape (tailpipe) a finales de los años 60. En 1967, los esfuerzos a nivel estatal se unificaron bajo un mismo techo; la infraestructura institucional estaba establecida, pero el verdadero punto de inflexión llegaría a nivel federal.

La Clean Air Act de 1970 se redactó con una apuesta técnicamente audaz: el Congreso exigió que, para el año modelo 1975, los automóviles lograran una reducción del 90% en sus emisiones de hidrocarburos, monóxido de carbono y NOx. El detalle que hace esto asombroso es que quienes tomaron la decisión sabían que la tecnología para lograr esa reducción aún no existía. La ley era producto no del Departamento de Ingeniería, sino de una filosofía regulatoria que establecía primero el objetivo y forzaba la solución después. El mandato estatal de California, de fecha anterior, había preparado el terreno para este enfoque del Congreso.

Para comprender la escala, bastan los números: los vehículos sin control producían aproximadamente 90 gramos de CO por milla, los modelos de 1974 lo habían reducido a 28 gramos y el objetivo de 1975 era 15 gramos por milla. Es más, Europa no adoptaría una regulación similar hasta 1992. Los fabricantes de vehículos vieron la inversión en tecnología posescape como una vía más rápida y menos arriesgada que revisar radicalmente el propio motor: la ventaja del convertidor era que podía añadirse a la línea de escape sin requerir cambios profundos en el diseño básico del motor.

La larga línea de desarrollo del convertidor

El dispositivo no se inventó de repente en 1975. Los primeros prototipos se diseñaron en Francia a finales del siglo XIX; eran estructuras de cilindro doble metálico recubiertas de platino-rodio-paladio. El propietario de la idea más cercano a la producción en serie fue el ingeniero mecánico francés Eugene Houdry fue. Houdry, quien inventó el cracking catalítico en los años 1930 y emigró a EE. UU., comenzó a ocuparse del smog de Los Ángeles a principios de los años 1950, fundó la empresa Oxy-Catalyst y, tras desarrollar convertidores para chimeneas y montacargas, obtuvo su patente para aplicación automotriz a mediados de los años 1950.

El obstáculo ante Houdry no era la tecnología, sino la gasolina misma: el tetraetilo de plomo cubría la superficie del catalizador y dejaba el dispositivo inutilizado; en lenguaje de ingeniería, envenenamiento del catalizador. Por eso Houdry abandonó el automóvil y se orientó hacia aplicaciones industriales. Es decir, el nacimiento del convertidor automotriz figuraba en la misma ecuación que la sentencia de muerte de la gasolina con plomo; el plazo concedido a uno determinaba el destino del otro.

El paso a la producción en serie se completó con la convergencia de dos competencias industriales distintas. En Engelhard, Carl D. Keith, John J. Mooney, Antonio Eleazar y Phillip Messina desarrollaron el primer convertidor de producción en serie en 1973 . En el lado de la tecnología del vidrio, en Corning Glass, Rodney Bagley, Irwin Lachman y Ronald Lewis inventaron el sustrato monolítico de cerámica de cordierita, anfitrión del catalizador; estos tres nombres ingresaron en el National Inventors Hall of Fame en 2002. Chrysler presentó datos de pruebas a la EPA con los vehículos prototipo de convertidor doble de Engelhard y fue una de las primeras marcas en salir a escena con el paquete del año modelo 1975.

Fin de la gasolina con plomo: el precio del convertidor

Había una ecuación que funcionaba al revés que la del camión: la gasolina con plomo se retiró primero porque dañaba los convertidores, mucho más que por razones de salud. La reducción del plomo comenzó en 1974 con la autorización de las enmiendas a la Clean Air Act, y a partir del año modelo 1975 se prohibió la gasolina con plomo en los vehículos con convertidor. Para nuestro depósito y la bomba, esto significaba en la práctica una segunda revolución; la gasolina sin plomo exigía un reprocesamiento más amplio que el que estaban acostumbradas las refinerías que elevaban el octanaje con plomo. La fórmula de la gasolina se había convertido en una pieza del sistema que cambiaba al mismo tiempo que el diseño del motor.

La transición no fue completa: para los vehículos antiguos sin convertidor, la gasolina con plomo pudo venderse hasta 1995; en esa fecha, las enmiendas a la Clean Air Act prohibieron toda la gasolina con plomo en los vehículos. Una sola medición resume el retorno social de esta transición: tras la reducción del plomo se registró una caída del 88% en la proporción de niños con niveles elevados de plomo en la sangre. La cadena que va de la regulación de emisiones al escape y se extiende hasta la salud pública dio su resultado más concreto en el producto de la refinería de petróleo.

El sensor lambda y el nacimiento del control de circuito cerrado

Para desplegar todo el potencial del catalizador de tres vías (TWC) se necesitaba otro componente además del propio convertidor. El TWC solo convierte con eficiencia los tres contaminantes a la vez cuando la relación aire-combustible está dentro de una banda muy estrecha del punto estequiométrico; si la mezcla es pobre, la reducción de NOx cae, y si es rica, cae la oxidación de CO e hidrocarburos. Un motor con carburador no podía garantizar esa precisión, por lo que en los primeros vehículos con convertidor el oxígeno del escape se empleaba como complemento inyección de aire secundaria se usó.

La solución fue un sensor de oxígeno colocado en la línea de escape: en el mundo del automóvil, este componente conocido como sensor lambda toma su nombre de la relación de equivalencia aire-combustible λ. Su principio de funcionamiento es de una sencillez perfecta; si el sensor ve oxígeno en el escape, la mezcla es pobre; si no lo ve, es rica. La ECU (unidad de control electrónico) ajusta la alimentación de combustible según esta señal y mantiene la relación en el punto estequiométrico. Los sensores de oxígeno, al proporcionar una medición precisa de la relación aire-combustible, hicieron posible el verdadero control de emisiones de circuito cerrado; en los primeros vehículos con sensor había un solo sensor.

El motor moderno llevó esta arquitectura al extremo. La inyección electrónica de combustible produce una mezcla precisa que oscila continuamente entre pobre y rica; los dos sensores de oxígeno situados delante y detrás del convertidor proporcionan a la ECU un flujo constante de datos, y la inyección de aire ya no es necesaria. La única excepción es una decisión de ingeniería deliberada: cuando se desea alta carga y máxima potencia, se suspende el control de circuito cerrado y se ordena una mezcla rica. Es decir, el bucle lambda es una zona de protección que puede interrumpirse intencionadamente en favor del rendimiento.

De Bidireccional a Tridireccional: Capturar la Tríada de Contaminantes

Los convertidores de la primera generación eran bidireccionales: oxidaban el monóxido de carbono y los hidrocarburos en CO2 y agua, pero no podían hacer nada contra los NOx. En los años setenta se desarrollaron sistemas catalizadores gemelos para los NOx; una unidad de reducción a base de rodio-platino y una unidad de oxidación a base de paladio-platino se colocaban una detrás de otra. El sistema funcionaba, pero era voluminoso y caro. El verdadero salto llegó con el catalizador tridireccional: la conversión simultánea de NOx, HC y CO en un solo dispositivo.

El calendario comercial fue rápido. Volvo, con la especificación de California, realizó 1977 en el modelo Volvo 240 la primera aplicación comercial de TWC; para el año modelo 1981, casi todos los fabricantes cumplieron los requisitos federales de NOx con el catalizador tridireccional. Toyota, por su parte, aplicó en 1978 el primer convertidor tridireccional de pellets de Japón y desarrolló el primer TWC del mundo con almacenamiento de oxígeno; los compuestos de ceria/ceria-circonia como promotores de almacenamiento de oxígeno en la cerámica relajaron un poco la tolerancia de banda estrecha, facilitando el funcionamiento del sistema.

¿El Convertidor Realmente Resta Potencia?

Ese era el argumento principal de los escépticos en 1975: una resistencia de escape adicional que estrangula la respiración del motor. Los registros históricos no ofrecen un panorama cuantitativo de cuántos caballos se tragó esa primera generación; sin embargo, que el convertidor pudiera añadirse a la línea de escape sin tocar el diseño básico del motor fue la elección de ingeniería más sensata de aquel año. Las décadas siguientes le dieron la razón a los escépticos a la inversa: con la combinación del control de combustible de circuito cerrado, la inyección de precisión y un TWC que opera en banda estrecha, los diseños de motores modernos pasaron a producir igual o más potencia con menos combustible que las generaciones anteriores. La tecnología de postratamiento del escape se convirtió en socio natural del objetivo de eficiencia.

Hoy el panorama de las averías es distinto y figura en las fuentes de servicio técnico: un convertidor obstruido o dañado se manifiesta con pérdida de potencia, caída en la aceleración y deterioro del consumo de combustible. Un convertidor sano, en cambio, es silencioso; incluso puede contribuir no solo al objetivo de emisiones, sino también a la eficiencia del motor. Su funcionamiento se diseña en consecuencia: el convertidor debe alcanzar su temperatura de funcionamiento (light-off), de unos 400 °C, por lo que se monta lo más cerca posible del motor o además como pre-cat.

Después del escape: la era diésel y los problemas de hoy

El binomio regulación-ingeniería no detuvo la tecnología de postratamiento del escape. En el lado diésel, los filtros de partículas (DPF) se volvieron obligatorios en todos los diésel de pasajeros producidos después del 1 de enero de 2007; en 2010, además, la mayoría de los fabricantes de diésel ligeros comerciales en EE. UU. añadieron sistemas SCR para la reducción de NOx, y esta arquitectura basada en urea (DEF) se convirtió en equipamiento estándar. Cada paso siguió el esquema establecido por el TWC de gasolina: primero un límite legal, luego una solución química, y a continuación un sensor y una arquitectura de control que alimentan esa solución.

El balance de 55 años de la Clean Air Act es concreto y medible: una mejora duradera en las emisiones de los vehículos, la salida total de la gasolina con plomo, la intervención en los problemas de la lluvia ácida y de la capa de ozono y una reducción del 78%. También hay un resultado inverso: el aumento de los precios de los metales preciosos alimentó el robo de catalizadores, que se han convertido en objetivo por los metales del grupo del platino; el precio del platino ajustado a la inflación subió desde un nivel de aproximadamente 800 dólares/onzas en 1986 hasta 1.400 dólares/onzas, y los catalizadores robados pueden venderse hasta por 150 dólares al chatarrero. Es decir, el motor que salvó en 1975 se convirtió hoy en un componente que necesita protección física.

En conclusión, el convertidor catalítico salvó al motor de combustión interna de la desaparición legal en 1975; pero, lo que es más importante, trasladó el motor del mundo mecánico del carburador al mundo de circuito cerrado de los sensores y la ECU. Aunque el objetivo de reducción del 90% parecía una apuesta, el precio que pagó fue la gasolina con plomo y el resto se convirtió en una historia de eficiencia que lleva medio siglo en curso.

Fuentes

• Clean Machine - Science History Institute
• Catalytic converter - Wikipedia
• Clean Air Act Requirements and History - EPA
• Gasoline and the Environment: Leaded Gasoline - U.S. EIA
• The History of the Clean Air Act and Corning's Role - Corning
• Catalytic Converter: Big 'If' of 1975 - The New York Times (1974)
• Evaluation of a 1975 Prototype Chrysler Passenger Car - EPA NEPIS
• The Evolution of Catalytic Converters - Royal Society of Chemistry
• 75 Years of Toyota - Catalytic Converters
• Oxygen Sensor History - Walker Products
• Oxygen sensor - Wikipedia
• Evolution of the Catalytic Converter - Walker Exhaust
• The US Experience with the Phasedown of Lead in Gasoline - MIT
• Phasing Out Leaded Gasoline - WorstPolluted.org
• Twenty-Five Years of the Clean Air Act in Perspective - Oklahoma Law Review
• 55 Years of the Clean Air Act - Clarity.io
• History - California Air Resources Board