Los filtros de partículas diésel (también conocidos como DPF) son dispositivos diseñados para retener y posteriormente quemar las partículas sólidas presentes en los gases de escape de los vehículos con motores diésel. De ellos habla Walker, marca de DRiV, en este artículo.
Estas partículas sólidas mencionadas anteriormente están compuestas en gran parte por partículas de carbono y otros compuestos que no se queman en el proceso de combustión, y se transforman en un proceso denominado regeneración en dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y nitrógeno molecular (N2).
Las unidades DPF fabricadas por Walker® presentan índices de eficacia de partículas sólidas superiores al 99%. El hollín acumulado se quema a alta temperatura para dejar sólo un pequeño residuo de ceniza que es la razón por la que después de cierto número de kilómetros de uso, el filtro debe ser reemplazado por uno nuevo.
Tipos de regeneraciones
Regeneración pasiva
En el interior del DPF, la regeneración de las partículas sólidas se produce de forma continua debido a la temperatura alcanzada por el motor durante el funcionamiento normal, y no requiere la intervención de un programa específico de gestión del motor (como la post-inyección, o el encendido tardío) para calentar los gases de escape. Como resultado, las partículas se regeneran (u oxidan) continuamente mientras el vehículo está en marcha. Estos sistemas funcionan siempre que la velocidad a la que las partículas se almacenan en el filtro sea inferior a la velocidad a la que las partículas se regeneran y se convierten en CO2. De no ser así, el filtro se obstruirá, restringiendo el flujo de gases de escape y repercutiendo negativamente en la contrapresión del sistema de escape, lo que provocará un aumento del consumo de combustible, una disminución de la potencia y una pérdida de rendimiento del motor. Si el nivel de contrapresión continúa siendo anormalmente alto durante un período prolongado, el motor puede resultar gravemente dañado.
Estos sistemas constan de dos partes diferentes: un catalizador de oxidación diésel a base de platino (también llamado DOC) y un filtro de partículas de carburo de silicio (SiC) o cordierita sin revestimiento de metales preciosos (en la gran mayoría de los casos).
Cuando el catalizador alcanza una temperatura de entre 270ºC y 450ºC, comienzan las reacciones químicas oxidantes que transforman el óxido de nitrógeno (NO) en dióxido de nitrógeno (NO2). Estas reacciones son exotérmicas, es decir, producen calor, creando temperaturas de entre 440ºC y 600ºC que pasan al filtro de partículas. Cuando esos gases llegan al filtro a esa temperatura, las partículas de carbono almacenadas en su interior se oxidan (queman) en dióxido de carbono (CO2) utilizando el oxígeno de las moléculas de dióxido de nitrógeno (NO2) que, al ceder parte de su oxígeno, se transforman en monóxido de nitrógeno (NO).
El principal reto de este tipo de sistema DPF para aplicaciones de automoción son los estrictos requisitos de temperatura necesarios para un correcto funcionamiento. Estos filtros funcionan bien en aplicaciones en las que la temperatura de los gases que llegan al filtro permanece estable la mayor parte del tiempo. Eso es cierto para los motores que funcionan a un número determinado de revoluciones por minuto, como los generadores eléctricos. Desgraciadamente, no es el caso de la mayoría de los automóviles y vehículos comerciales que experimentan largos periodos a bajas velocidades, como en el tráfico urbano. En esas situaciones, a menudo nunca se alcanza la temperatura necesaria para funcionar correctamente, lo que ha obligado a los fabricantes a diseñar nuevos sistemas de regeneración activa más eficientes, capaces de funcionar en un rango de temperaturas más amplio.
Regeneración activa
Debido a las exigencias de una normativa medioambiental cada vez más estricta, la gran mayoría de los sistemas DPF instalados en los automóviles de hoy en día pertenecen a esta categoría. En esencia, este tipo de filtro se basa en el mismo principio que el diseño pasivo, pero con un conjunto adicional de elementos para controlar la temperatura de los gases que llegan al filtro. Cuando se alcanza un determinado nivel de carga de partículas, el filtro de partículas diésel debe regenerarse para evitar una caída del rendimiento del vehículo.
Para realizar el proceso de regeneración, los gases que llegan al filtro deben estar en torno a los 600ºC. Esto se consigue a menudo mediante la post-inyección de combustible. Una reacción exotérmica en un catalizador de oxidación situado inmediatamente delante del filtro de partículas diésel genera la temperatura necesaria para el proceso de combustión. En algunos casos, el uso de un aditivo que se mezcla con el combustible mediante una unidad de dosificación reduce la temperatura necesaria para el proceso de regeneración.
Una desventaja de este principio son los depósitos minerales que se forman al quemar el aditivo de combustible dentro del filtro de partículas. Esto provoca un aumento no deseado de la contrapresión de los gases de escape a medida que aumenta el kilometraje, lo que se traduce en un mayor consumo de combustible. Por esta razón, el filtro debe cambiarse a intervalos específicos, generalmente entre los 120.000 y los 240.000 km.
Partes principales del filtro activo de partículas diésel:
– Una unidad de control electrónico (ECU) equipada con un software avanzado para el mando y control del motor HDi common-rail, diseñada para gestionar la regeneración del filtro y la función de autodiagnóstico. Es el corazón del sistema.
– Un catalizador de oxidación Diésel, que va colocado antes del filtro de partículas junto con sonda Lambda, sensores de temperatura y presión diferencial (con tubos de medición antes y después del filtro).
– Si el vehículo está equipado con un sistema de aditivo FBC (Fuel Burn Catalyst), se debe incluir un conjunto de nuevos elementos: depósito de aditivo (situado en el lateral del depósito de combustible), sistema de inyección de aditivo FBC, compuesto por un inyector y una bomba (necesarios para inyectar el FBC en el depósito de combustible cuando sea necesario), y un sensor magnético del tapón (utilizado para establecer cuándo se ha rellenado el depósito de combustible, y cuánta cantidad de FBC debe inyectarse en el depósito). Para terminar, se inyectará una cantidad determinada de FBC en el sistema cuando sea necesario.
Compuestas principalmente de carbono e hidrocarburos, las partículas atrapadas en el filtro se queman automáticamente en presencia de oxígeno a una temperatura de 550°C.
La regeneración del filtro es gestionada por la ECU mediante un programa especial de gestión del motor que activa una serie de inyecciones de combustible para aumentar la temperatura de los gases de escape antes del catalizador de unos 180 °C en el tráfico urbano a 400 °C.
Esta operación se realiza en tres pasos:
1. La inyección principal se retrasa, generando postcombustión en el cilindro y aumentando la temperatura de los gases de escape hasta 270ºC – 350ºC para asegurar que se alcanza la temperatura mínima de activación del catalizador (270ºC).
2. Una postinyección de combustible en la fase de expansión, que genera postcombustión en el cilindro y eleva la temperatura de los gases antes del catalizador diésel hasta entre 350°C y 400°C.
2. La postcombustión adicional se genera cuando los gases cargados de hidrocarburos no quemados (HC) pasan por el convertidor catalítico de oxidación montado aguas arriba del filtro. En este catalizador, los hidrocarburos no quemados se transforman en dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) en una reacción exotérmica. En esta etapa, la temperatura aumenta unos 100°C. Los gases que entran en el filtro en este punto se sitúan entre 450°C y 500°C, temperatura necesaria para desencadenar el proceso de regeneración.
Para alcanzar el umbral de regeneración, se añade al combustible un aditivo de combustión. Esto reduce la temperatura de combustión natural de las partículas a 450°C. Los gases de escape se filtran continuamente. Dependiendo del grado de obstrucción del filtro, la regeneración tendrá lugar cada 400 a 600 km. La operación es transparente para el conductor y no afecta al placer de conducción.
Cuando la carga de hollín en el filtro alcanza un límite establecido (en torno al 45%), la ECU puede realizar pequeños ajustes en la sincronización de la inyección de combustible para aumentar la temperatura de los gases de escape e iniciar la regeneración. Si el viaje implica muchas paradas y arranques, es posible que la regeneración no se complete y se encienda la luz de advertencia para indicar que el DPF está parcialmente bloqueado.
Debería ser posible activar una regeneración completa y borrar la luz de advertencia simplemente conduciendo durante unos 10 minutos a velocidades superiores a 65 km/h.
Si ignoras el testigo y sigues conduciendo a un ritmo relativamente lento, con paradas y arranques, la carga de hollín seguirá acumulándose. En torno al 75%, se encenderán otras luces de advertencia del salpicadero, como la MIL. Llegados a este punto, conducir sólo a velocidad no será suficiente y el vehículo necesitará la atención de un concesionario para su regeneración.
