Un filtro de partículas diésel ( DPF ) es un dispositivo diseñado para eliminar las partículas diésel o el hollín de los gases de escape de un motor diésel . [1] [2]
Los filtros de partículas diésel de flujo de pared generalmente eliminan el 85% o más del hollín y, bajo ciertas condiciones, pueden alcanzar eficiencias de eliminación de hollín cercanas al 100%. Algunos filtros son de un solo uso y están pensados para su eliminación y sustitución una vez llenos de ceniza acumulada. Otros están diseñados para quemar las partículas acumuladas, ya sea pasivamente mediante el uso de un catalizador o mediante medios activos, como un quemador de combustible que calienta el filtro a temperaturas de combustión del hollín. Esto se logra programando el motor para que funcione (cuando el filtro está lleno) de una manera que eleva la temperatura del escape, junto con un inyector de combustible adicional en la corriente de escape que inyecta combustible para que reaccione con un elemento catalizador para quemar el hollín acumulado en el Filtro DPF, [3] o mediante otros métodos. Esto se conoce como regeneración de filtro . La limpieza también es necesaria como parte del mantenimiento periódico y debe realizarse con cuidado para evitar dañar el filtro. La falla de los inyectores de combustible o los turbocompresores que resulta en la contaminación del filtro con diesel crudo o aceite de motor también puede requerir limpieza. [4] El proceso de regeneración se produce a velocidades superiores a las que generalmente se pueden alcanzar en las calles de la ciudad; Los vehículos que circulan exclusivamente a baja velocidad en el tráfico urbano pueden requerir viajes periódicos a velocidades más altas para limpiar el DPF. [5] Si el conductor ignora la luz de advertencia y espera demasiado para operar el vehículo a más de 60 km/h (40 mph), es posible que el DPF no se regenere adecuadamente y la operación continua más allá de ese punto puede estropear el DPF por completo, por lo que debe repararse. reemplazado. [6] Algunos motores diésel más nuevos, concretamente los instalados en vehículos combinados, también pueden realizar lo que se llama regeneración estacionada, donde el motor aumenta las RPM a alrededor de 1400 mientras está estacionado, para aumentar la temperatura del escape.
Los motores diésel producen una variedad de partículas durante la combustión de la mezcla de combustible y aire debido a una combustión incompleta. La composición de las partículas varía ampliamente dependiendo del tipo de motor, la edad y las especificaciones de emisiones para las que fue diseñado el motor. Los motores diésel de dos tiempos producen más partículas por unidad de potencia que los motores diésel de cuatro tiempos , ya que queman la mezcla de aire y combustible de forma menos completa. [7]
Las partículas de diésel resultantes de la combustión incompleta del combustible diésel producen partículas de hollín ( carbono negro ). Estas partículas incluyen nanopartículas diminutas , más pequeñas que un micrómetro (una micra). El hollín y otras partículas de los motores diésel empeoran la contaminación por partículas en el aire y son perjudiciales para la salud. [8] Los nuevos filtros de partículas pueden capturar desde el 30% hasta más del 95% del hollín dañino. [9] Con un filtro de partículas diésel (DPF) óptimo, las emisiones de hollín se pueden reducir a0,001 g/km o menos. [10]
La calidad del combustible también influye en la formación de estas partículas. Por ejemplo, un diésel con alto contenido de azufre produce más partículas. El combustible con bajo contenido de azufre produce menos partículas y permite el uso de filtros de partículas. La presión de inyección del diésel también influye en la formación de partículas finas.
El filtrado de partículas diésel se consideró por primera vez en la década de 1970 debido a la preocupación por los impactos de las partículas inhaladas. [11] Los filtros de partículas se han utilizado en máquinas fuera de carretera desde 1980 y en automóviles desde 1985. [12] [13] Históricamente, las emisiones de los motores diésel de servicio mediano y pesado no se regularon hasta 1987, cuando se aprobó la primera regla para camiones pesados de California. introdujo un límite de emisiones de partículas de 0,60 g/BHP hora. [14] Desde entonces, se han introducido normas cada vez más estrictas para los vehículos de carretera ligeros y pesados propulsados por diésel y para los motores diésel todoterreno. La Unión Europea y algunos países europeos individuales, la mayoría de los países asiáticos y el resto de América del Norte y del Sur también han adoptado regulaciones similares . [15]
Si bien ninguna jurisdicción ha hecho explícitamente que los filtros sean obligatorios, las regulaciones de emisiones cada vez más estrictas que los fabricantes de motores deben cumplir significan que eventualmente todos los motores diésel de carretera estarán equipados con ellos. [14] En la Unión Europea, se espera que los filtros sean necesarios para cumplir con las regulaciones sobre emisiones de motores de camiones pesados Euro.VI actualmente en discusión y planificadas para el período 2012-2013. En el año 2000, anticipándose a la futura normativa Euro 5, PSA Peugeot Citroën se convirtió en la primera empresa en fabricar filtros de serie en los turismos. [dieciséis]
A partir de diciembre de 2008, la Junta de Recursos del Aire de California (CARB, por sus siglas en inglés) estableció la Regla Estatal de Camiones y Autobuses de California de 2008 que, con variaciones según el tipo, tamaño y uso del vehículo, requiere que los camiones y autobuses pesados diésel de California sean modernizados y repotenciados. , o reemplazado para reducir las emisiones de partículas (PM) en al menos un 85%. Actualizar los motores con filtros de partículas diésel aprobados por CARB es una forma de cumplir con este requisito. [17] En 2009, la Ley Estadounidense de Recuperación y Reinversión proporcionó fondos para ayudar a los propietarios a compensar el costo de las modificaciones al diésel de sus vehículos. [18] Otras jurisdicciones también han puesto en marcha programas de modernización, entre ellos:
Los filtros de partículas con mantenimiento inadecuado en vehículos con motores diésel son propensos a la acumulación de hollín, lo que puede causar problemas en el motor debido a la alta contrapresión. [4]
En 2018, el Reino Unido introdujo cambios en sus requisitos de pruebas MOT, [26] incluido un escrutinio más estricto de los vehículos diésel. Un requisito era tener un DPF correctamente instalado y en funcionamiento. Conducir sin DPF podría conllevar una multa de £1000. [27] [28]
A diferencia de un convertidor catalítico , que es un dispositivo de flujo, un DPF retiene partículas de gas de escape más grandes al obligar al gas a fluir a través del filtro; [2] [29] sin embargo, el DPF no retiene partículas pequeñas. Los DPF que no requieren mantenimiento oxidan o queman partículas más grandes hasta que son lo suficientemente pequeñas como para pasar a través del filtro, aunque a menudo las partículas se "agrupan" en el DPF, lo que reduce el recuento total de partículas y la masa total. [30] [31] Existe una variedad de tecnologías de filtrado de partículas diésel en el mercado. Cada uno está diseñado en torno a requisitos similares:
El filtro más común está hecho de cordierita (un material cerámico que también se utiliza como soporte (núcleo) de los catalizadores). Los filtros de cordierita proporcionan una excelente eficiencia de filtración, son relativamente económicos y tienen propiedades térmicas que simplifican su embalaje para su instalación en el vehículo. El principal inconveniente es que la cordierita tiene un punto de fusión relativamente bajo (alrededor de 1200 °C) y se sabe que los sustratos de cordierita se derriten durante la regeneración del filtro. Esto es principalmente un problema si el filtro se ha cargado más de lo habitual y es más un problema con los sistemas pasivos que con los activos, a menos que haya una falla en el sistema. [2] [32]
Los núcleos de los filtros de cordierita parecen núcleos de convertidores catalíticos a los que se les han tapado canales alternativos: los tapones fuerzan el flujo de gases de escape a través de la pared y las partículas se acumulan en la cara de entrada. [33]
El segundo material de filtro más popular es el carburo de silicio o SiC . Tiene un punto de fusión más alto (2700 °C) que la cordierita, sin embargo, no es tan estable térmicamente, lo que hace que el embalaje sea un problema. Los núcleos pequeños de SiC están hechos de piezas individuales, mientras que los núcleos más grandes se fabrican en segmentos, que están separados por un cemento especial para que la expansión térmica del núcleo sea absorbida por el cemento y no por el paquete. Los núcleos de SiC suelen ser más caros que los de cordierita; sin embargo, se fabrican en tamaños similares y, a menudo, uno puede usarse para reemplazar al otro. Los núcleos de los filtros de carburo de silicio también parecen núcleos de convertidores catalíticos a los que se les han tapado canales alternativos; nuevamente, los tapones fuerzan el flujo de gases de escape a través de la pared y las partículas se acumulan en la cara de entrada. [2] [34]
Las características del sustrato del filtro de partículas diésel de flujo de pared son:
Los filtros cerámicos fibrosos están hechos de varios tipos diferentes de fibras cerámicas que se mezclan para formar un medio poroso. Este medio puede adoptar casi cualquier forma y puede personalizarse para adaptarse a diversas aplicaciones. La porosidad se puede controlar para producir un flujo alto, una eficiencia más baja o una filtración de menor volumen y alta eficiencia. Los filtros fibrosos tienen la ventaja sobre el diseño de flujo de pared de producir una contrapresión más baja. Los filtros cerámicos fibrosos eliminan las partículas de carbono casi por completo, incluidas las partículas finas de menos de 100 nanómetros (nm) de diámetro con una eficiencia superior al 95 % en masa y superior al 99 % en número de partículas en una amplia gama de condiciones de funcionamiento del motor. Dado que el flujo continuo de hollín hacia el filtro acabaría por bloquearlo, es necesario "regenerar" las propiedades de filtración del filtro quemando periódicamente las partículas recogidas. La quema de partículas de hollín forma agua y CO 2 en pequeñas cantidades, que representan menos del 0,05 % del CO 2 emitido por el motor. [2]
Algunos núcleos están hechos de fibras metálicas; generalmente las fibras se "tejen" formando un monolito. Dichos núcleos tienen la ventaja de que se puede hacer pasar una corriente eléctrica a través del monolito para calentar el núcleo con fines de regeneración, permitiendo que el filtro se regenere a bajas temperaturas de escape y/o bajos caudales de escape. Los núcleos de fibra metálica tienden a ser más caros que los núcleos de cordierita o carburo de silicio y generalmente no son intercambiables con ellos debido a los requisitos eléctricos. [2] [35]
Los núcleos de papel desechables se utilizan en determinadas aplicaciones especiales, sin una estrategia de regeneración. Las minas de carbón son usuarios habituales: los gases de escape suelen pasar primero a través de una trampa de agua para enfriarlos y luego a través del filtro. [36] Los filtros de papel también se utilizan cuando una máquina diésel debe usarse en interiores durante períodos cortos de tiempo, como en un montacargas que se utiliza para instalar equipos dentro de una tienda. [2] [37]
Existe una variedad de dispositivos que producen más del 50% de filtración de partículas, pero menos del 85%. Los filtros parciales vienen en una variedad de materiales. Lo único en común entre ellos es que producen más contrapresión que un convertidor catalítico y menos que un filtro de partículas diésel. La tecnología de filtrado parcial es popular para la modernización. [38]
Los filtros requieren más mantenimiento que los convertidores catalíticos. El hollín, un subproducto del consumo de aceite durante el funcionamiento normal del motor, se acumula en el filtro ya que no puede convertirse en gas y atravesar las paredes del filtro. [39] Esto aumenta la presión antes del filtro. [4]
Los filtros DPF pasan por un proceso de regeneración que elimina este hollín y reduce la presión del filtro. Hay tres tipos de regeneración: pasiva, activa y forzada. La regeneración pasiva tiene lugar normalmente durante la conducción, cuando la carga del motor y el ciclo de conducción del vehículo crean temperaturas lo suficientemente altas como para regenerar la acumulación de hollín en las paredes del DPF. La regeneración activa ocurre mientras el vehículo está en uso, cuando la baja carga del motor y las temperaturas más bajas de los gases de escape inhiben la regeneración pasiva que ocurre naturalmente. Los sensores aguas arriba y aguas abajo del DPF (o un sensor de presión diferencial) proporcionan lecturas que inician una adición medida de combustible al flujo de escape. Hay dos métodos para inyectar combustible, ya sea inyección aguas abajo directamente en la corriente de escape, aguas abajo del turbo o inyección de combustible en los cilindros del motor en la carrera de escape. Esta mezcla de combustible y gases de escape pasa a través del catalizador de oxidación diésel (DOC), creando temperaturas lo suficientemente altas como para quemar el hollín acumulado. Una vez que la caída de presión a través del DPF desciende a un valor calculado, el proceso finaliza hasta que la acumulación de hollín se acumula nuevamente. Esto funciona bien para vehículos que recorren distancias más largas con pocas paradas en comparación con aquellos que realizan viajes cortos con muchos arranques y paradas. Si el filtro desarrolla demasiada presión, entonces se debe utilizar el último tipo de regeneración: una regeneración forzada. Esto se puede lograr de dos maneras. El operador del vehículo puede iniciar la regeneración mediante un interruptor montado en el tablero. Se requieren varios enclavamientos de señales, como freno de estacionamiento aplicado, transmisión en punto muerto, temperatura del refrigerante del motor y ausencia de códigos de falla relacionados con el motor (varían según el OEM y la aplicación) para que se inicie este proceso. Cuando la acumulación de hollín alcanza un nivel que es potencialmente dañino para el motor o el sistema de escape, la solución pasa por que un taller utilice un programa informático para ejecutar una regeneración del DPF manualmente.
Cuando se produce una regeneración, el hollín se convierte en gases y cenizas, de las cuales una parte queda en el filtro. Esto aumentará la restricción a través del filtro y puede provocar un bloqueo. Se dan advertencias al conductor antes de que la restricción del filtro cause un problema con la capacidad de conducción o se desarrollen daños al motor o al filtro. El mantenimiento regular del filtro es necesario para eliminar la acumulación de cenizas, ya sea mediante la limpieza o el reemplazo del filtro.
En 2011, Ford retiró del mercado 37.400 camionetas Serie F con motores diésel después de que fugas de combustible y aceite provocaran incendios en los filtros de partículas diésel de las camionetas. No se produjeron heridos antes del retiro, aunque se inició un incendio de pasto. [40] Se emitió un retiro similar para los motores diésel Jaguar S-Type y XJ 2005-2007, donde grandes cantidades de hollín quedaron atrapadas en el DPF. En los vehículos afectados, humo y fuego emanaban de la parte inferior del vehículo, acompañados de llamas desde la parte trasera del el escape. El calor del incendio podría causar calentamiento a través del túnel de transmisión hacia el interior, derritiendo los componentes interiores y potencialmente provocando incendios interiores. [41]
La regeneración es el proceso de quemar (oxidar) el hollín acumulado en el filtro. Esto se hace de forma pasiva (a partir del calor del escape del motor en funcionamiento normal o agregando un catalizador al filtro) o introduciendo activamente un calor muy alto en el sistema de escape. La gestión de filtros activos integrada puede utilizar una variedad de estrategias: [9]
Todos los sistemas activos a bordo utilizan combustible adicional, ya sea quemándolo para calentar el DPF o proporcionando energía adicional al sistema eléctrico del DPF, aunque el uso de un catalizador a base de combustible reduce la energía requerida de manera muy significativa. Normalmente, una computadora monitorea uno o más sensores que miden la contrapresión y/o la temperatura y, basándose en puntos de ajuste preprogramados, la computadora toma decisiones sobre cuándo activar el ciclo de regeneración. El combustible adicional puede suministrarse mediante una bomba dosificadora . Ejecutar el ciclo con demasiada frecuencia mientras se mantiene baja la contrapresión en el sistema de escape dará como resultado un alto consumo de combustible. No ejecutar el ciclo de regeneración lo suficientemente pronto aumenta el riesgo de daño al motor y/o regeneración incontrolada ( descontrol térmico ) y posible falla del DPF.
Las partículas de diésel se queman cuando se alcanzan temperaturas superiores a 600 °C. Esta temperatura se puede reducir a algún punto entre 350 y 450 °C mediante el uso de un catalizador a base de combustible. La temperatura real de combustión del hollín dependerá de la química empleada. A mediados de la década de 2010, los científicos de 3M desarrollaron una versión dopada con magnesio de los catalizadores tradicionales a base de hierro que reducían la temperatura necesaria para la oxidación de las partículas a poco más de 200 °C. La temperatura de reacción más baja es posible gracias al dopante que permite que la red de Fe contenga más oxígeno. [44] Este avance es significativo porque permite que la reacción de limpieza tenga lugar a la temperatura de funcionamiento estándar de la mayoría de los motores diésel, eliminando la necesidad de quemar combustible adicional o calentar artificialmente el motor. La familia de catalizadores dopados con Mg , denominados catalizadores Grindstaff en honor al químico que inició el trabajo, ha sido objeto de mucha investigación en la industria y el mundo académico con el endurecimiento de las regulaciones sobre emisiones de partículas en todo el mundo. [45] [46]
En algunos casos, en ausencia de un catalizador a base de combustible, la combustión de las partículas puede elevar las temperaturas tanto que están por encima del umbral de integridad estructural del material del filtro, lo que puede provocar una falla catastrófica del sustrato. Se han desarrollado varias estrategias para limitar esta posibilidad. Tenga en cuenta que, a diferencia de un motor de encendido por chispa, que normalmente tiene menos del 0,5% de oxígeno en la corriente de gases de escape antes de los dispositivos de control de emisiones, los motores diésel tienen una proporción muy alta de oxígeno disponible. Si bien la cantidad de oxígeno disponible hace posible una rápida regeneración de un filtro, también contribuye a problemas de regeneración descontrolada.
Algunas aplicaciones utilizan regeneración externa. La regeneración externa requiere la intervención del operador (es decir, la máquina se conecta a una estación de regeneración montada en la pared o el piso, o se retira el filtro de la máquina y se coloca en la estación de regeneración). La regeneración externa no es adecuada para vehículos de carretera, excepto en situaciones en las que los vehículos estén estacionados en un depósito central cuando no estén en uso. La regeneración externa se utiliza principalmente en aplicaciones industriales y mineras. Las minas de carbón (con el consiguiente riesgo de explosión debido a la humedad del carbón) utilizan regeneración externa si se instalan filtros no desechables, con las estaciones de regeneración ubicadas en un área donde se permite maquinaria no permitida.
Muchos montacargas también pueden utilizar regeneración externa, generalmente maquinaria de minería y otra maquinaria que pasa su vida operativa en un solo lugar, lo que hace que sea práctico tener una estación de regeneración estacionaria. En situaciones en las que el filtro se retira físicamente de la máquina para su regeneración, también existe la ventaja de poder inspeccionar el núcleo del filtro diariamente (los núcleos del DPF para aplicaciones fuera de carretera generalmente están dimensionados para poder usarse durante un turno, por lo que la regeneración es algo cotidiano). [47]
