Catalizzatore per auto: a cosa serve, funzionamento e guasti

El catalizzatore di un veicolo con motore a combustione è responsabile della riduzione dei gas nocivi derivanti dalla combustione del carburante. In realtà, il suo nome completo è catalizzatore e ci sono diversi tipi principali a seconda che siano per diesel o benzina.

Ti raccontiamo la loro storia, a cosa servono, come funzionano e quanto costano. Oltre ai sintomi che rivelano che c'è un guasto nel convertitore catalitico.

Breve storia del catalizzatore

Il primo prototipo di convertitore catalitico per questi scopi è stato sviluppato in Francia ed è stato prima brevettato da Eugene Houdry. Questo ingegnere meccanico ha fondato la società Oxy-Catalyst negli Stati Uniti, che per prima si è sviluppata catalizzatori per camini e dopo per carrelli elevatori, che utilizzava una benzina senza piombo di bassa qualità. Successivamente, ha sviluppato un convertitore catalitico per automobili che ha brevettato nel 1956.

Dopo i miglioramenti della Engelhard Corporation culminati in 1973, è apparso il primo catalizzatore destinato alla produzione di massa. Nel 1975 quasi tutte le auto negli Stati Uniti ne avevano una installata per conformarsi alle normative dell'Agenzia per la protezione ambientale.

Da allora, i catalizzatori stanno migliorando sia in termini di efficacia che di efficienza, fino a varianti come i catalizzatori a riduzione selettiva (SCR) che utilizzano AdBlue. Sebbene questi siano usati come add-on e non escludano il convertitore catalitico convenzionale.

A cosa serve il catalizzatore?

Un catalizzatore riduce i gas nocivi generati in un motore a combustione interna. Senza di essa saremmo molto più esposti ai seguenti gas nocivi:

• Con miscela ricca (più combustibile che aria) si verifica una combustione incompleta, generando:
  • Idrocarburi incombusti (HC): sono cancerogeni e irritano le vie respiratorie e gli occhi. Per quanto riguarda l'ambiente, possono creare piogge acide e fumi fotochimici.
  • Monossido di carbonio (CO): a basse dosi produce mal di testa, mancanza di respiro e coordinazione, vertigini, irritabilità, confusione e vuoti di memoria. A dosi elevate provoca la morte senza che la persona colpita se ne accorga, quindi lo chiamano l'assassino silenzioso.
• Con miscela magra (più aria che carburante) si producono ossidi di azoto, che sono rappresentati dalla formula NOx. Hanno varianti cancerogene e provocano irritazione delle vie respiratorie e, di conseguenza, condizioni broncopolmonari e problemi respiratori.

Come funziona un catalizzatore?

Uso di materiali nel catalizzatore

Un catalizzatore funziona grazie a metalli come platino, rodio, zirconio o palladio, che hanno proprietà catalitiche. Cioè, la capacità di accelerare una reazione chimica. Ciascuno è dedicato a un diverso tipo di gas nocivo:

• El platino accelera l'ossidazione degli idrocarburi incombusti per convertirli in anidride carbonica e acqua. La formula chimica è la seguente: CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 -> xCO2 + (x+1) H2O.
• El rodio accelera la riduzione degli ossidi di azoto in azoto e ossigeno: 2NOx -> xO2 + N2 e l'ossidazione del monossido di carbonio in anidride carbonica: 2CO + O2 -> 2CO2. Sono anche usati zirconio o palladio, che sono più economici ma meno efficienti.

Non dimenticare altro materiale catalizzatore. Questi metalli sono disposti su una struttura in ceramica di cordierite, che supporta le alte temperature dei gas di scarico.

Forma del catalizzatore

Come puoi vedere, il catalizzatore utilizza alcuni metalli allo stato solido per convertire i gas. Il che porta a un ostacolo: come fare in modo che un gas venga a contatto il più possibile con questi materiali, senza perdere troppa velocità. Per questo motivo la struttura ceramica del catalizzatore ha la forma di una matrice con canali longitudinali. Un sistema simile a cella a combustibile per auto a idrogeno che, tra l'altro, usa anche il platino come catalizzatore. Anche se nel suo caso la distribuzione del gas è molto più fine, con una struttura molto più intricata.

Questi canali longitudinali permettono ai gas di passare senza fermarsi troppo a lungo ma di entrare in contatto con quante più pareti possibili. Quindi, hanno più di 70 tubi per cm2.

Inoltre, le auto moderne utilizzano spesso due o anche tre catalizzatori per eliminare il più possibile i gas nocivi per rispettare le normative antinquinamento Euro 6 (alla data di questo articolo) ed Euro 7 nel 2025.

Avvolgere questa matrice catalizzatrice è uno scudo termico e uno strato di metallo. In caso contrario, il calore accumulato al suo interno potrebbe danneggiare il veicolo o le superfici dove è parcheggiato. Senza di essa, un incendio potrebbe facilmente scoppiare.

La temperatura di lavoro di un catalizzatore

Affinché i metalli con proprietà catalitiche funzionino alla loro massima efficienza, deve esserlo un catalizzatore convenzionale sopra 500ºC. Questo è il motivo per cui almeno uno dei convertitori catalitici del motore è solitamente vicino al collettore di scarico del motore, che è dove i gas hanno ancora una temperatura molto alta.

Grazie a questo, il catalizzatore viene prima riscaldato e ci vuole meno tempo per iniziare a eliminare i gas nocivi. Se potessimo vedere un catalizzatore che lavora attraverso i suoi strati protettivi, lo vedremmo la matrice ceramica e i metalli in essa contenuti sono roventi.

Sapendo questo, lo capirai un motore freddo rilascia gas più nocivi di uno che è in esecuzione da un po' di tempo. Aneddoticamente, Toyota ha dovuto affrontare questo problema di emissioni nello sviluppo della Prius. Lo spegnimento del motore termico a favore di quello elettrico ha causato in molte occasioni il mancato raggiungimento della corretta temperatura di esercizio del catalizzatore. Pertanto, hanno dovuto escogitare un sistema che portasse il calore dal motore a combustione al convertitore catalitico con altri mezzi.

Catalizzatore di un'auto a benzina

Questi catalizzatori sono generalmente a tripla via. Cioè, hanno i tre sistemi di catalizzazione sopra descritti: platino per rimuovere gli idrocarburi incombusti e rodio, zirconio o palladio per rimuovere NOx e il CO.

Questo è così perché i motori a benzina rilasciare meno NOx rispetto ai diesel e il solo catalizzatore può ridurli Basta. Sebbene a causa dei progressi nell'antinquinamento, le auto più moderne potrebbero avere altri tipi di convertitori catalitici.

convertitore catalitico di un'auto diesel

Nei motori diesel, i catalizzatori convenzionali sono a due vie. Cioè, si prendono cura solo del rimozione degli idrocarburi incombusti e il CO. Il NOx è stato lasciato nelle mani di sistemi di ricircolo del gas come il Valvola EGR, che li ha restituiti alla camera di combustione per bruciarli completamente.

C'è anche il Catalizzatore accumulatore di NOx, che ha un ruolo importante nella lotta dei sistemi per rendere il diesel ancora più pulito e per rispettare i futuri limiti di emissione, che saranno ancora più severi di adesso. Si trova dietro il catalizzatore di ossidazione e il filtro antiparticolato e presenta uno speciale strato che raccoglie gli ossidi di azoto dai gas di scarico.

Nel catalizzatore ad accumulo di NOx si distinguono due diversi tipi di funzionamento: Durante il normale funzionamento (Lambda > 1), l'NO viene prima ossidato a NO2 e poi, con la formazione di nitrato (NO3), si accumula nel catalizzatore in un ossido alcalino metallo (es. ossido di bario).

Come il filtro antiparticolato la vera sfida per il catalizzatore di stoccaggio di NOx è il Regeneración, ovvero lo svuotamento periodico dell'accumulatore. Per la rigenerazione dell'accumulatore è necessario creare condizioni oleose nei gas di scarico (Lambda < 1). In queste condizioni di servizio c'è così tanto riducente (monossido di carbonio, idrogeno o idrocarburi vari) che il legame nitrato viene improvvisamente rilasciato e il catalizzatore di metallo nobile viene convertito in azoto non tossico (N2). La durata della carica è di circa 30-60 secondi, a seconda del punto di servizio e la rigenerazione dura tra 1 e 2 secondi.

Sono necessari molti sensori di temperatura e pressione per rilevare la necessità di rigenerazione. Il catalizzatore l'accumulatore può ridurre le emissioni di NOx fino all'85%.

Tuttavia, la auto diesel attuali hanno anche un Catalizzatore SCR (catalizzatore di riduzione selettiva). È quello usato con l'additivo di AdBlue, che non è altro che urea che viene spruzzata nei gas di scarico, prima che raggiungano questo catalizzatore. Ciò avvia una reazione chimica che scompone gli NOx in N2 e H2O, in modo molto più efficiente rispetto ai sistemi più vecchi.

Difetti del catalizzatore e loro sintomi

Più i guasti di un convertitore catalitico sono dovuti a qualche problema precedente al motore. Ad esempio, carburante in eccesso nell'impianto di scarico (miscela troppo ricca) a causa di candele difettose, fasatura errata o sensore di ossigeno danneggiato. Ciò che provoca è che il convertitore catalitico raggiunge una temperatura troppo elevata, che fonde i componenti metallici e rompe la matrice ceramica.

Può anche capitare che olio o antigelo penetrino nell'impianto di scarico, a causa di guarnizioni danneggiate, guarnizioni di tenuta valvole viziato o fasce elastiche logoro. Ciò provoca l'accumulo di fuliggine nel convertitore catalitico.

I sintomi di un convertitore catalitico guasto sono:

• Odore di uova marce causato dallo zolfo della benzina, che durante la combustione si trasforma in acido solfidrico. Poiché la conversione dei gas non avviene a causa di un catalizzatore danneggiato, l'idrogeno solforato arriva all'esterno.
• Perdita di potenza, perché l'impianto di scarico è parzialmente ostruito dal catalizzatore. Se questa ostruzione è dovuta al fatto che i materiali si stanno sciogliendo e si rompono, dovrai sostituire il catalizzatore e rilevare qual è il guasto nel motore che lo ha causato. Se è solo ostruito dallo sporco, puoi provare a pulirlo.
• Test emissioni fallito. Inutile spiegarlo, perché il catalizzatore non converte i gas nocivi e il test indica che non funziona. In Spagna, è l'ispezione tecnica dei veicoli (ITV).

• rumore sferragliante sotto l'auto quando è al minimo o in movimento. È causato da parti della matrice ceramica rotta all'interno del catalizzatore, che vengono spostate dai gas di scarico. Attenzione perché se questi pezzi raggiungono la marmitta, l'impianto di scarico può ostruirsi maggiormente.
• Aumento dei consumi. Questo non è un sintomo di un cattivo convertitore catalitico, ma è un sintomo di una miscela di carburante ricca che tende ad abbattere il convertitore catalitico. Ecco perché è un sintomo da tenere in considerazione.
• Spia guasto motore accesa. Se i sensori della vettura rilevano che la conversione del gas non sta avvenendo correttamente, la centralina accenderà questa spia. Sebbene serva anche per molti altri guasti, è un sintomo che di per sé non indica il guasto del catalizzatore. Puoi collegare l'auto a un lettore OBD per vedere quale codice di errore ha registrato per sapere qual è il problema specifico.

Fare attenzione ai blocchi nel sistema di scarico, perché alzano la temperatura del collettore di scarico e di altri tubi e possono causare danni molto più gravi all'auto.

Sebbene il guasto al motore sia la causa più comune di guasto del convertitore catalitico, ci sono anche modelli che presentano problemi ricorrenti del convertitore catalitico a causa di difetti di progettazione o di fabbricazione.

Il prezzo di un catalizzatore

Come hai visto in tutto l'articolo, ci sono diversi tipi di catalizzatori. Quindi i loro prezzi possono variare molto da un modello all'altro. Tuttavia, di solito è necessario sostituire un convertitore catalitico con uno nuovo tra 600 e 1.000 euro per autovetture. In ogni caso, tale cifra può essere maggiore se sono coinvolti altri catalizzatori oltre a quello convenzionale.

Ci sono anche convertitori catalitici universali ad un buon prezzo compatibile con vari modelli. Anche se devi anche assicurarti che sia conforme alle normative Euro che la tua auto ha ed è approvato. Consigliamo quindi di far eseguire il montaggio da un professionista, poiché si tratta di un elemento delicato.

Immagini – Frankieleon, Riley Kaminer, Duurzaam Bedrijfsleven, Gonzalo Malpartida