Durante el arranque en frío, El motor de un automóvil emite muchas más partículas y otros contaminantes que durante las condiciones cálidas. Esto se debe a que un convertidor catalítico frío es mucho menos eficiente a bajas temperaturas de los gases de escape. Entonces, ¿cuál es la respuesta? Precalienta al gato con microondas. Los científicos de Empa han desarrollado el primer calentamiento por convertidor de microondas para aplicaciones de automóviles de pasajeros.

Los motores de combustión interna están actualmente bajo fuego, una y otra vez. El primer problema fue el hollín de diesel, pero eso podría solucionarse con filtros de partículas. Luego, otra vez con el diesel, los óxidos de nitrógeno nocivos se enfocaron, que (supuestamente) se abordó con complicados sistemas de postratamiento de gases de escape. Lo que tiende a supervisarse en el debate sobre el diésel:los motores de gasolina contribuyen a las emisiones de partículas en las ciudades, también, especialmente en lugares donde muchos motores arrancan en frío. El 90 por ciento de todos los contaminantes se producen en el primer minuto después de un arranque en frío de un motor de gasolina moderno.

O para decirlo de otra manera:los primeros 500 metros de la carretera contaminan el aire tanto como los siguientes 5, 000 kilómetros siempre que el vehículo se conduzca sin parar. Los convertidores catalíticos que se calientan lo más rápido posible o, incluso mejor, ya limpian los gases de escape de manera eficiente durante las primeras revoluciones del motor son, por lo tanto, vitales para una mejora adicional significativa de la calidad del aire. Potis Dimopoulos Eggenschwiler, un especialista en tratamiento de gases de escape en el Laboratorio de tecnologías de trenes motrices automotrices de Empa y su equipo, ha trabajado en los últimos dos años para encontrar una solución al problema del arranque en frío. Con el sistema desarrollado se espera una reducción significativa de la contaminación del aire en áreas urbanas, dada la alta frecuencia de arranques en frío y las bajas distancias recorridas. El proyecto está financiado por la Swiss National Science Foundation (SNSF) y la Oficina Federal para el Medio Ambiente (FOEN).

Las propiedades de transferencia de calor de un convertidor catalítico deben adaptarse para permitir un calentamiento rápido a 300 grados Celsius utilizando la menor energía posible. Después de todo, esta energía debe ser entregada por el sistema de suministro de energía del vehículo. Dimopoulos Eggenschwiler propone una estructura de poros abiertos con un revestimiento especial, que se puede calentar mediante un pequeño transmisor de microondas en diez segundos, al igual que el horno de microondas en casa. En 2012, El equipo de Empa ya desarrolló un convertidor catalítico particularmente eficiente:un molde cerámico de espuma de poliuretano que hace girar los gases de escape de manera más efectiva y genera menos contrapresión que un convertidor catalítico con su estructura de panal convencional.

Cerámica de la impresora 3D

El catalizador a base de espuma dio lugar a la siguiente idea:una estructura reticular poliédrica hecha de puntales cerámicos delgados que requiere solo una pequeña cantidad de metal precioso para alcanzar una alta conversión de contaminantes. "En primer lugar, buscamos una estructura ideal en la computadora, "dice Dimopoulos Eggenschwiler." Una estructura que se calienta rápidamente, acelera las reacciones químicas e impide el flujo de gas lo menos posible. Luego nos dispusimos a recrear la estructura en cerámica ". Los especialistas de la Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana (SUPSI) en Lugano construyeron la celosía diseñada en la computadora utilizando estereo litografía, una especie de impresión 3D de líquidos y luz ultravioleta. Los expertos de Empa luego recubrieron la cerámica con carburo de silicio, óxido de circonio y óxido de aluminio - y las sustancias activas del convertidor catalítico consistentes en platino, rodio y paladio. EngiCer SA, una empresa de Ticino, asumió la fabricación de la primera serie pequeña y declaró su interés en aumentar la capacidad en caso de que la demanda del mercado fuera lo suficientemente alta. También se encuentra a bordo el fabricante suizo de catalizadores HUG Engineering AG.

Expectativas cumplidas

El que probablemente sea el primer convertidor de escape catalítico impreso en 3D del mundo cumplió con las expectativas en las pruebas de campo:en el escape del reactor de gas modelo de Empa, el gato con forma de poliedro realmente limpió los contaminantes de manera incluso más efectiva que el catalizador a base de espuma de 2012. A raíz de sus exitosas pruebas de laboratorio iniciales con gatos modelo pequeños, los investigadores ahora están hablando con socios industriales para integrar uno de estos convertidores catalíticos en tamaño completo en un vehículo de prueba. Actualmente se proyecta la primera aplicación para probar estos nuevos desarrollos tanto en el dinamómetro como en la carretera en un vehículo real.

El siguiente paso para Dimopoulos Eggenschwiler será incorporar el calentamiento por microondas. "Es importante que no calientemos toda la estructura cerámica, ", dice." Queremos calentar sólo algunos segmentos del convertidor catalítico por las microondas que se generan utilizando la preciosa energía de la batería. Tan pronto como comiencen las reacciones químicas, todas las demás partes se calentarán solas ". Según el especialista en gases de escape, se pueden desviar fácilmente de uno a dos kilovatios de la batería de un vehículo durante diez a 20 segundos. "Eso debería ser suficiente." Tan pronto como el motor esté en marcha, los gases de escape y las reacciones químicas en el convertidor catalítico generan suficiente calor para mantener altas las temperaturas, momento en el que se puede apagar el microondas. Por tanto, las emisiones de arranque en frío pronto podrían ser cosa del pasado.