Un filtro de partículas diésel ( DPF ) es un dispositivo diseñado para eliminar partículas diésel [ ancla rota ] u 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, en determinadas condiciones, pueden alcanzar eficiencias de eliminación de hollín cercanas al 100%. Algunos filtros son de un solo uso, destinados a desecharse y reemplazarse una vez que se llenan de cenizas acumuladas. Otros están diseñados para quemar las partículas acumuladas de forma pasiva mediante el uso de un catalizador o por medios activos, como un quemador de combustible que calienta el filtro a temperaturas de combustión de hollín. Esto se logra programando el motor para que funcione (cuando el filtro está lleno) de una manera que eleva la temperatura de escape, junto con un inyector de combustible adicional en la corriente de escape que inyecta combustible para reaccionar con un elemento catalizador para quemar el hollín acumulado en el filtro DPF, [3] o mediante otros métodos. Esto se conoce como regeneración del 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 turbocompresores que resulte en la contaminación del filtro con diésel crudo o aceite de motor también puede requerir limpieza. [4] El proceso de regeneración ocurre a velocidades en carretera superiores a las que generalmente se pueden alcanzar en las calles de la ciudad; los vehículos conducidos exclusivamente a bajas velocidades 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 por encima de los 60 km/h (40 mph), el DPF puede no regenerarse correctamente y la operación continua más allá de ese punto puede dañar el DPF por completo, por lo que debe reemplazarse. [6] Algunos motores diésel más nuevos, es decir, los instalados en vehículos combinados, también pueden realizar lo que se llama una 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 según el tipo de motor, su antigüedad y la especificación de emisiones para la 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 combustible y aire 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 entre el 30% y más del 95% del hollín nocivo. [9] Con un filtro de partículas diésel (DPF) óptimo, las emisiones de hollín pueden reducirse a0,001 g/km o menos. [10]
La calidad del combustible también influye en la formación de estas partículas. Por ejemplo, un diésel con un alto contenido de azufre produce más partículas. Un combustible con un contenido de azufre más bajo 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 las preocupaciones sobre los impactos de las partículas inhaladas. [11] Los filtros de partículas se han utilizado en máquinas no 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 introdujo la primera norma de California para camiones pesados que limitaba las emisiones de partículas a 0,60 g/BHP por hora. [14] Desde entonces, se han introducido normas progresivamente más estrictas para los vehículos diésel de carretera ligeros y pesados 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]
Aunque pocas jurisdicciones han hecho explícitamente obligatorios los filtros, las normas de emisiones cada vez más estrictas que deben cumplir los fabricantes de motores significan que, con el tiempo, 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 normas de emisiones de motores de camiones pesados Euro. VI que se están discutiendo actualmente y están previstas para el período 2012-2013. En 2000, en previsión de las futuras regulaciones Euro 5, PSA Peugeot Citroën se convirtió en la primera empresa en hacer que los filtros fueran estándar en los automóviles de pasajeros. [16]
A partir de diciembre de 2008, la Junta de Recursos del Aire de California (CARB, por sus siglas en inglés) estableció la Norma Estatal de Camiones y Autobuses de California de 2008 que, con variaciones según el tipo, tamaño y uso del vehículo, requiere que los camiones pesados y autobuses diésel en las carreteras de California sean modernizados, repotenciados o reemplazados para reducir las emisiones de material particulado (PM) en al menos un 85 %. La modernización de los motores con filtros de partículas diésel aprobados por la CARB es una forma de cumplir con este requisito. [17] En 2009, la Ley de Recuperación y Reinversión Estadounidense proporcionó fondos para ayudar a los propietarios a compensar el costo de las modernizaciones de sus vehículos a diésel. [18] Otras jurisdicciones también han lanzado programas de modernización, incluidos:
Los filtros de partículas que no reciben un mantenimiento adecuado en los 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 los requisitos de la prueba MOT [26] , incluido un escrutinio más estricto de los vehículos diésel. Uno de los requisitos era tener un DPF correctamente instalado y en funcionamiento. Conducir sin un DPF podía suponer una multa de 1000 libras esterlinas [27] [28]
A diferencia de un convertidor catalítico , que es un dispositivo de flujo continuo, un DPF retiene partículas de gases de escape más grandes al obligar al gas a fluir a través del material del filtro antes de salir; [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] Hay una variedad de tecnologías de filtros de partículas diésel en el mercado. Cada una está diseñada en torno a requisitos similares:
El filtro más común está hecho de cordierita (un material cerámico que también se utiliza como soporte (núcleo) de convertidores catalíticos). Los filtros de cordierita proporcionan una excelente eficiencia de filtración, son relativamente económicos y tienen propiedades térmicas que hacen que sea sencillo empaquetarlos 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 suele ser un problema si el filtro se ha cargado más de lo habitual y es más un problema con los sistemas pasivos que con los sistemas activos, a menos que haya una avería del sistema. [2] [32]
Los núcleos de filtro de cordierita se parecen a los 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 filtrado 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 empaquetado sea un problema. Los núcleos de SiC pequeños están hechos de piezas individuales, mientras que los núcleos más grandes están hechos 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 núcleos de cordierita, sin embargo, se fabrican en tamaños similares y, a menudo, se puede usar uno para reemplazar al otro. Los núcleos de filtro de carburo de silicio también se parecen a los 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 una filtración de alto flujo, menor eficiencia o alta eficiencia de menor volumen. Los filtros fibrosos tienen una 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 de más del 95 % en masa y más del 99 % en número de partículas en una amplia gama de condiciones de funcionamiento del motor. Dado que el flujo continuo de hollín en el filtro eventualmente lo bloquearía, es necesario "regenerar" las propiedades de filtración del filtro quemando las partículas recolectadas de manera regular. La quema de partículas de hollín forma agua y CO2 en pequeñas cantidades que representan menos del 0,05 % del CO2 emitido por el motor. [2]
Algunos núcleos están hechos de fibras metálicas, generalmente las fibras están "entretejidas" en un monolito. Estos núcleos tienen la ventaja de que se puede pasar una corriente eléctrica a través del monolito para calentar el núcleo con fines de regeneración, lo que permite 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 al requisito eléctrico. [2] [35]
Los núcleos de papel desechables se utilizan en ciertas aplicaciones especiales, sin una estrategia de regeneración. Las minas de carbón son usuarios habituales: el gas de escape suele pasar primero por una trampa de agua para enfriarlo y luego por el filtro. [36] Los filtros de papel también se utilizan cuando una máquina diésel debe utilizarse en interiores durante períodos cortos de tiempo, como en una carretilla elevadora que se utiliza para instalar equipos dentro de una tienda. [2] [37]
Hay 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. La única característica común entre ellos es que producen más contrapresión que un convertidor catalítico y menos que un filtro de partículas diésel. La tecnología de filtro 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 porque 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 se lleva a cabo normalmente mientras se conduce, cuando la carga del motor y el ciclo de conducción del vehículo crean temperaturas que son 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 carga baja 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) brindan lecturas que inician una adición medida de combustible en la corriente 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 disminuye a un valor calculado, el proceso termina, 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, 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 a través de un interruptor montado en el tablero. Se requieren varios enclavamientos de señales, como el freno de estacionamiento aplicado, la transmisión en punto muerto, la temperatura del refrigerante del motor y la ausencia de códigos de falla relacionados con el motor (varía 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 implica que un taller utilice un programa de computadora 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 permanece en el filtro. Esto aumentará la restricción a través del filtro y puede provocar un bloqueo. Se advierte al conductor antes de que la restricción del filtro provoque un problema de conducción o daños en el motor o el filtro. El mantenimiento regular del filtro es necesario para eliminar la acumulación de cenizas, ya sea mediante la limpieza o el reemplazo del filtro.
La regeneración normalmente requiere que el vehículo se conduzca continuamente a 50-60 mph (80-100 km/h) durante 30 a 45 minutos cada pocos cientos de millas/kilómetros de conducción en ciudad. [40] Las camionetas de servicio pesado tienen requisitos menos estrictos para los tres parámetros, y los camiones de Clase 8 significativamente menos. [41] [42] Si el vehículo se conduce a menudo en ciudades, el DPF puede obstruirse, lo que provoca una reducción de la potencia y la aceleración, ya sea pasivamente debido al aumento de la presión de escape o activamente debido a que el vehículo entra en "modo flácido/tortuga" mientras intenta evitar daños en el motor y el turbo . [43] [44] Una vez obstruido, tanto la regeneración pasiva como la activa pueden volverse ineficaces. El DPF se puede desatascar con un lavado a presión a alta temperatura (no recomendado oficialmente) y/o un horno de quemado . [45] [46]
En 2011, Ford retiró 37.400 camiones de la serie F con motores diésel después de que fugas de combustible y aceite provocaran incendios en los filtros de partículas diésel de los camiones. No hubo heridos antes del retiro, aunque se inició un incendio en la hierba. [47] Se emitió un retiro similar para los diésel Jaguar S-Type y XJ 2005-2007, donde grandes cantidades de hollín quedaron atrapadas en el DPF. En los vehículos afectados, emanaba humo y fuego de la parte inferior del vehículo, acompañado de llamas de la parte trasera del escape. El calor del fuego podría causar calentamiento a través del túnel de transmisión hacia el interior, derritiendo los componentes interiores y potencialmente causando incendios en el interior. [48]
La regeneración es el proceso de quemar (oxidar) el hollín acumulado en el filtro. Esto se hace de forma pasiva (a partir del calor de escape del motor en funcionamiento normal o añadiendo un catalizador al filtro) o introduciendo activamente un calor muy alto en el sistema de escape. La gestión activa del filtro a bordo puede utilizar una variedad de estrategias: [9]
Todos los sistemas activos de 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. Por lo general, una computadora monitorea uno o más sensores que miden la contrapresión o la temperatura y, en función de los puntos de ajuste preprogramados, la computadora toma decisiones sobre cuándo activar el ciclo de regeneración. El combustible adicional puede ser suministrado por una bomba dosificadora . Hacer funcionar 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 o regeneración descontrolada ( embalamiento térmico ) y posible falla del DPF.
Las partículas de diésel se queman cuando se alcanzan temperaturas superiores a los 600 °C. Esta temperatura se puede reducir a un rango de 350 a 450 °C mediante el uso de un catalizador a base de combustible. La temperatura real de quema 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 redujeron la temperatura necesaria para la oxidación de las partículas a poco más de 200 °C. La temperatura de reacción más baja es posible gracias a que el dopante permite que la red de Fe retenga más oxígeno. [51] 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 el requisito de quemar combustible adicional o calentar artificialmente el motor. La familia de catalizadores dopados con Mg , llamados catalizadores Grindstaff en honor al químico que inició el trabajo, ha sido objeto de mucha investigación en la industria y la academia con el endurecimiento de las regulaciones de emisiones sobre partículas en todo el mundo. [52] [51]
En algunos casos, en ausencia de un catalizador transportado por el combustible, la combustión de las partículas puede elevar las temperaturas hasta el punto de superar el 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. Cabe señalar 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 permite una regeneración rápida de un filtro, también contribuye a los problemas de regeneración descontrolada.
Algunas aplicaciones utilizan la regeneración fuera de borda. La regeneración fuera de borda requiere la intervención del operador (es decir, la máquina se conecta a una estación de regeneración montada en la pared o en el piso, o se quita el filtro de la máquina y se coloca en la estación de regeneración). La regeneración fuera de borda no es adecuada para vehículos de carretera, excepto en situaciones en las que los vehículos se estacionan en un depósito central cuando no se utilizan. La regeneración fuera de borda se utiliza principalmente en aplicaciones industriales y mineras. Las minas de carbón (con el riesgo de explosión que conlleva la humedad del carbón) utilizan la regeneración fuera de borda si se instalan filtros no desechables, y las estaciones de regeneración se ubican en un área donde se permite la maquinaria no permitida.
Muchas carretillas elevadoras también pueden utilizar regeneración externa, por lo general, maquinaria minera y otras máquinas que pasan 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 la regeneración, también existe la ventaja de poder inspeccionar el núcleo del filtro a diario (los núcleos de DPF para aplicaciones fuera de carretera generalmente tienen un tamaño que se puede utilizar durante un turno, por lo que la regeneración es una actividad diaria). [53]
La EPA prohíbe la extracción o manipulación intencional de un dispositivo DPF, conocida como "eliminación", "anulación" o "ajuste" . Varios fabricantes y minoristas de dispositivos de anulación de emisiones diésel han sido multados con hasta un millón de dólares. [54]
