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DPF- FILTRO PARTICULAS DIESEL (Funcionamiento)
Fuente: mecanicaenaccion.com
Origen de los contaminantes en el ciclo de la combustión
La generación de contaminantes, y especialmente de las emisiones de partículas de hollín, se ven influenciadas por el proceso de la combustión en el motor diésel. Este proceso depende de numerosos factores tanto del diseño como propios del combustible y de las condiciones atmosféricas.
A continuación se expone un cuadro general sobre los componentes de entrada y salida que intervienen en el ciclo de combustión del motor diésel.
En lo que respecta a los efectos nocivos para el medio ambiente y la salud, los gases de escape del motor diésel contienen diversos componentes evaluables.
Son calificables de inofensivos los componentes que ya existen en la atmósfera, y que son el oxígeno, el nitrógeno y el agua.
El dióxido de carbono, contenido como un gas natural en la atmósfera, se encuentra dentro de un margen límite en lo que respecta a su catalogación.
Si bien no se trata de un gas tóxico, a medida que aumenta su concentración, sin embargo, se considera como el causante del «efecto invernadero».
En cambio, son nocivos el monóxido de carbono, los hidrocarburos, el dióxido de azufre, los óxidos nítricos y las partículas de hollín.
Originación de las partículas de hollín
El origen de las partículas de hollín en el motor diésel está supeditado a las diferentes operaciones que caracterizan a la combustión en el motor diésel, como son la alimentación de aire, la inyección o la propagación de la flama. La calidad de la combustión depende del modo en que se genere la mezcla de combustible y aire.
Puede suceder que la mezcla sea demasiado rica en determinadas áreas de la cámara de combustión, por no haber suficiente oxígeno disponible.
En ese caso la combustión se mantiene incompleta y se produce la generación de partículas de hollín.
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La masa de las partículas y su cantidad dependen básicamente, por tanto, de la calidad de la combustión en el motor. El sistema de inyección por inyector bomba trabaja con alta presión y tiene un desarrollo de la inyección que corresponde con las necesidades del motor para contar con una combustión eficiente, con lo cual viene a reducir la generación de partículas de hollín en el proceso de la combustión.
Una alta presión de la inyección y la correspondiente fina pulverización del combustible, sin embargo, no conducen necesariamente a que las partículas sean más pequeñas.
En mediciones se ha manifestado, que el reparto de los tamaños de las partículas en los gases de escape es independiente del principio de combustión aplicado en el motor, es decir, que son muy parecidos los resultados, indistintamente de que se trate de motores de cámara de turbulencia, common rail o inyector-bomba.
Medidas para la reducción de las emisiones de partículas
La reducción de las emisiones de gases de escape del motor diésel constituye un objetivo importante que se plantea a la hora de desarrollar el motor más a fondo.
Existe una serie de soluciones técnicas para la reducción de las emisiones de escape.
A este respecto se diferencia entre las medidas endomotrices y las ectomotrices.
Sistema con aditivo
Este sistema se implanta en vehículos con el filtro de partículas alejado del motor. Debido al largo recorrido de los gases escape entre el motor y el filtro de partículas, la temperatura de encendido necesaria para la combustión de las partículas sólo se puede alcanzar agregando un aditivo.
Sistema sin aditivo
Este sistema será implantado en el futuro, en vehículos con el filtro de partículas instalado cerca del motor.
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El corto recorrido de los gases de escape entre el motor y el filtro de partículas permite que la temperatura de los gases de escape todavía sea suficientemente alta para la combustión de las partículas.
Diseño y funcionamiento
Sistema de filtración de partículas diésel con aditivo
En el cuadro que se muestra más abajo se representan los componentes del sistema de filtración de partículas diésel. En las páginas siguientes se explica la arquitectura y el funcionamiento del sistema de filtración de partículas diésel con aditivo.
1 Unidad de control en el cuadro de instrumentos J285
2 Unidad de control del motor
3 Depósito de aditivo
4 Sensor de falta de aditivo para el combustible G504
5 Bomba para aditivo del filtro de partículas V135
6 Depósito de combustible
7 Motor diésel
8 Sensor de temperatura ante turbocompresor G507
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9 Turbocompresor
10 Sonda lambda G39
11 Catalizador de oxidación
12 Sensor de temperatura ante filtro de partículas G506
13 Filtro de partículas
14 Sensor de presión 1 para gases de escape G450
15 Silenciador
16 Medidor de la masa de aire
Filtro de partículas
El filtro de partículas diésel (por ejemplo en el Passat con motor 2,0 l TDI) se monta en el ramal de escape, detrás del catalizador de oxidación.
Se encarga de retener por filtración las partículas de hollín que van contenidas en los gases de escape del motor.
Regeneración
El filtro de partículas diésel tiene que ser despejado de forma sistemática, eliminándose las partículas de hollín, para evitar que se obstruya y se afecte su funcionamiento. Durante el ciclo de regeneración, las partículas de hollín retenidas en el filtro se someten a combustión, a una temperatura de 500 °C, aproximadamente. La temperatura propiamente dicha para el encendido del hollín es de unos 600- 650 °C. Esta temperatura de los gases de escape únicamente se puede alcanzar a plena carga en el motor diésel.
Para poder asegurar la regeneración del filtro de partículas diésel en todas las condiciones operativas se procede a reducir la temperatura de ignición del hollín a base de agregar un aditivo, a la vez que se aumenta la temperatura de los gases de escape por medio de un ciclo de gestión específica del motor.
El ciclo de regeneración lo gestiona la unidad de control del motor.
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Durante el ciclo de regeneración se queman las partículas retenidas en el filtro.
Según la forma de conducir, el ciclo interviene cada 500-700 kilómetros y tarda unos 5 a 10 minutos.
El ciclo de regeneración no es perceptible para el conductor.
Funcionamiento
Al pasar los gases por el filtro se retienen las partículas de hollín en los conductos de entrada, mientras que los componentes gaseosos del escape pueden atravesar las paredes porosas del filtro cerámico.
Aditivo
El aditivo es un activador de contenido férrico, que se disuelve en una mezcla de hidrocarburos.
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En el Passat se aloja en un depósito de material plástico, instalado aparte en la cavidad para la rueda de repuesto.
El aditivo asume la función de reducir la temperatura de combustión de las partículas de hollín, con objeto de posibilitar el ciclo de regeneración para el filtro de partículas, también a régimen de carga parcial.
La temperatura de ignición del hollín es de unos 600-650 °C. Los gases de escape del motor diésel sólo alcanzan estas temperaturas al funcionar a plena carga. Con el aditivo se reduce la temperatura de ignición del hollín a unos 500 °C.
El aditivo entra automáticamente en el depósito de combustible a través de la tubería de retorno después de cada repostaje. Esto sucede por medio de una bomba para aditivo del filtro de partículas, gestionada por la unidad de control del motor.
La cantidad repostada se determina analizando en la unidad de control del motor las señales procedentes del sensor de nivel de combustible. Después de cada ciclo de dosificación concluido viene dada una concentración de 10 ppm (partes por millón) de moléculas de hierro en el combustible.
Esto equivale a una relación de mezcla de aprox.
1 litro de aditivo sobre 2.800 litros de combustible.
El aditivo agregado al combustible pasa conjuntamente con el hollín al filtro de partículas.
Allí se deposita entre las partículas de hollín.
Cargas de hollín en el filtro de partículas
La unidad de control del motor vigila continuamente las cargas de hollín en el filtro de partículas a base de calcular la resistencia de flujo del filtro. Para determinar la resistencia de flujo se procede a poner en relación el caudal volumétrico de los gases de escape ante el filtro de partículas con respecto a la diferencia de presión antes y después del filtro de partículas.
Diferencia de presión
La diferencia de presión del caudal de aire antes y después del filtro de partículas se determina por medio del sensor de presión 1 para los gases de escape.
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Caudal volumétrico de los gases de escape
El caudal volumétrico de los gases de escape es calculado por la unidad de control del motor, recurriendo a las señales de la masa de aire en el conducto de escape y de la temperatura de los gases de escape ante el filtro de partículas. La masa de aire de los gases de escape es aproximadamente equivalente a la masa de aire que fluye por el conducto de admisión y que se determina con ayuda del medidor de la masa de aire. El volumen de la masa de aire de los gases de escape depende de su temperatura momentánea. Ésta se determina con ayuda del sensor de temperatura ante el filtro de partículas.
En consideración de la temperatura de los gases de escape, la unidad de control del motor puede calcular el caudal volumétrico de los gases de escape, tomando como base el flujo de la masa de aire de éstos.
La unidad de control del motor pone en relación la diferencia de presión con respecto al caudal volumétrico de los gases de escape y obtiene de esa forma la magnitud de resistencia de flujo en el filtro de partículas. Con ayuda de la resistencia de flujo, la unidad de control del motor detecta las cargas de hollín en el filtro.
Gestión del motor durante el ciclo de regeneración
Conociendo la resistencia de flujo del filtro, la unidad de control del motor deduce de ahí el estado de saturación del filtro.
Una intensa resistencia de flujo indica que el filtro tiende a obstruirse. A raíz de ello, la unidad de control del motor pone en vigor el ciclo de regeneración. A esos efectos:
• Se desactiva la recirculación de gases de escape, para aumentar la temperatura de la combustión.
•Tras una inyección principal con una dosificación reducida, 35° del cigüeñal después del punto muerto superior del pistón, pone en vigor un ciclo de post-inyección, para subir la temperatura de los gases de escape. www.cl
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• Regula con la mariposa eléctrica la alimentación del aire aspirado.
• Adapta la presión de sobrealimentación, para evitar que el par del motor se altere de forma perceptible para el conductor durante el ciclo de regeneración.
Estructura del sistema: filtro de partículas diesel con aditivo
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Sensores
Sensor de presión 1 para gases de escape G450
El sensor de presión 1 para gases de escape trabaja según el principio piezoeléctrico.
Aplicaciones de la señal
El sensor de presión 1 para gases de escape mide la diferencia de presión en el caudal de los gases de escape antes y después del filtro de partículas.
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La señal del sensor de presión para gases de escape, la señal del sensor de temperatura ante el filtro de partículas, así como la señal del medidor de la masa de aire constituyen una unidad indivisible en lo que respecta a la determinación del estado de las cargas en el filtro de partículas.
Efectos en caso de ausentarse la señal
Si se ausenta la señal del sensor de presión para gases de escape, la regeneración del filtro de partículas se lleva a cabo primeramente de forma cíclica, en función del recorrido efectuado o de las horas en funcionamiento. Sin embargo, a largo plazo no es posible regenerar así de forma operativamente segura el filtro de partículas.
Tras una cantidad de ciclos definida se enciende primeramente el testigo luminoso para el filtro de partículas diésel y luego parpadea el testigo de precalentamiento en el cuadro de instrumentos.
De ese modo se indica al conductor la necesidad de acudir al taller.
Arquitectura
El sensor de presión 1 para gases de escape tiene dos empalmes de presión.
Uno lleva un tubo de presión hacia el caudal de los gases de escape delante del filtro de partículas y el otro hacia el caudal de los gases de escape detrás del filtro de partículas.
El sensor contiene un diafragma con elementos piezoeléctricos, que actúan
en función de las presiones de los gases de escape.
Así funciona:
Filtro de partículas vacío
Si el filtro de partículas tiene cargas muy bajas, la presión delante y detrás del filtro viene a ser casi idéntica.
El diafragma con los elementos piezoeléctricos se encuentra en posición de reposo.
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Filtro de partículas saturado
Si se ha depositado hollín en el filtro de partículas, la presión de los gases de escape ante el filtro aumenta, manifestándose en forma de un volumen de flujo menos intenso.
La presión de los gases de escape detrás del filtro se mantiene casi invariable.
El diafragma se deforma en función de la diferencia de presiones.
Esta deformación modifica la resistencia eléctrica de los elementos piezoeléctricos, que van interconectados en forma de un puente de medición. La tensión de salida de este puente se acondiciona en la electrónica del sensor, se intensifica y se trasmite como señal de tensión a la unidad de control del motor. Previo análisis de esta señal, la unidad de control del motor detecta el estado de saturación del filtro de partículas y pone en vigor un ciclo de regeneración para la limpieza del filtro.
El estado de saturación del filtro de partículas se puede consultar con el sistema de diagnosis, medición e información para vehículos VAS 5051 en un bloque de valores de medición, que aparece como «Coeficiente de cargas de partículas».
Sensor de temperatura ante el filtro de partículas G506
El sensor de temperatura ante el filtro de partículas es un sensor PTC. En un sensor PTC (positive temperature coefficient) la resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura.
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Va situado en el ramal de escape ante el filtro de partículas diésel y mide allí la temperatura de los gases de escape.
Aplicaciones de la señal
Con ayuda de la señal procedente del sensor de temperatura ante el filtro de partículas, la unidad de control del motor calcula el caudal volumétrico de los gases de escape y deriva de ahí el estado de saturación en que se encuentra el filtro de partículas.
La señal del sensor de temperatura ante el filtro de partículas, la señal del medidor de la masa de aire y la señal del sensor de presión para gases de escape constituyen una unidad indivisible para la determinación del estado de saturación en que se encuentra el filtro de partículas.
La señal se emplea asimismo como protección, es decir, para proteger el filtro de partículas contra temperaturas excesivas de los gases de escape.
Efectos en caso de ausentarse la señal
Si se ausenta la señal del sensor de temperatura ante el filtro de partículas, la regeneración del filtro de partículas se efectúa de forma cíclica, en función del recorrido efectuado o de las horas de servicio.
Sin embargo, el filtro de partículas no se puede regenerar de forma fiable de este modo a largo plazo. Después de un número de ciclos específico se enciende primeramente el testigo luminoso para filtro de partículas diésel y más tarde parpadea el testigo luminoso de precalentamiento en el cuadro de instrumentos. Esto señaliza al conductor la necesidad de acudir al taller. www.cl
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El sensor de temperatura ante el turbocompresor es un sensor PTC. Va situado en el ramal de escape ante el turbocompresor y mide allí la temperatura de los gases de escape.
Aplicaciones de la señal
La unidad de control del motor necesita la señal procedente del sensor de temperatura ante el turbocompresor, para calcular con ella el momento y la dosificación de la post-inyección durante el ciclo de regeneración. De esa forma se consigue el aumento necesario de temperatura de los gases de escape para poder quemar las partículas de hollín.
Con esta señal se protege adicionalmente el turbocompresor contra temperaturas excesivas durante el ciclo de regeneración.
Efectos en caso de ausentarse la señal
Si se avería el sensor de temperatura ante el turbocompresor deja de ser posible proteger el turbocompresor contra temperaturas inadmisiblemente altas. En ese caso ya no se produce el ciclo de regeneración para el filtro de partículas diésel.
El testigo de precalentamiento se enciende para indicar al conductor la necesidad de que acuda al taller. Para reducir las emisiones de hollín se procede a desactivar la recirculación de los gases de escape.
Sonda lambda G39
La sonda lambda es una versión de banda ancha.
Va situada en el colector de escape ante el catalizador de oxidación. www.club
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Aplicaciones de la señal
Con la sonda lambda es posible determinar el contenido de oxígeno en los gases de escape, disponiendo para ello de un extenso margen de medición. Con relación al sistema de filtración de partículas diésel, la unidad de control del motor emplea la señal de la sonda lambda para el cálculo exacto de la cantidad y el momento de la postinyección para el ciclo de regeneración. Para que la regeneración del filtro de partículas sea eficaz se necesita un contenido mínimo de oxígeno en los gases de escape a una alta temperatura uniforme.
Esta regulación se posibilita con ayuda de la señal de la sonda lambda, puesta en relación con la señal procedente del sensor de temperatura ante el turbocompresor.
Efectos en caso de ausentarse la señal
La regeneración del filtro de partículas resulta menos exacta, pero sigue siendo operativamente fiable.
La avería de la sonda lambda puede provocar un aumento de las emisiones de óxidos nítricos.
Medidor de la masa de aire G70
El medidor de la masa de aire por película caliente va instalado en el conducto de admisión. Con ayuda del medidor de la masa de aire, la unidad de control del motor detecta la masa de aire efectivamente aspirada.
Aplicaciones de la señal
Con relación al sistema de filtración de partículas diésel se utiliza la señal para calcular el caudal volumétrico de los gases de escape y poder determinar de ahí el estado de saturación del filtro de partículas.
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La señal des medidor de la masa de aire, la señal del sensor de temperatura ante el filtro de partículas y la señal del sensor de presión para los gases de escape constituyen una unidad indivisible para determinar el estado de saturación del filtro de partículas.
Efectos en caso de ausentarse la señal
Si se ausenta la señal del medidor de la masa de aire, la regeneración del filtro de partículas se efectúa de forma cíclica, en función del recorrido o de las horas de servicio.
Sin embargo, a largo plazo el filtro de partículas no se puede regenerar de forma fiable de este modo. Tras una cantidad definida de ciclos se enciende primeramente el testigo luminoso para filtro de partículas diésel y luego parpadea el testigo luminoso de precalentamiento en el cuadro de instrumentos. Con ello se indica al conductor la necesidad de acudir a un taller.
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