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Sistema de filtración de partículas diésel con aditivo

En la figura inferior se representan los componentes del sistema de filtración de partículas diésel, se puede ver la situación del filtro de particulas en la linea de escape del motor.

 

Filtro de particulas
El filtro de partículas diésel 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.

Arquitectura
El filtro de partículas diésel consta de un cuerpo cerámico de carburo de silicio en diseño alveolar, alojado en una carcasa de metal. El cuerpo cerámico está dividido en múltiples canales microscópicos paralelos, cerrados alternadamente.

El carburo de silicio se caracteriza por las siguientes propiedades, que lo convierten en un buen material de filtracion:

 

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.

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.


 

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.

Aditivo
El aditivo es un activador de contenido férrico, que se disuelve en una mezcla de hidrocarburos. En algunos vehículos 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.

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 para los gases de escape.

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.

Resistencia de flujo en el filtro de partículas
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 de los gases de escape para atravesar el filtro, la unidad de control del motor deduce de ahí el estado de saturación del mismo.
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:

Esquema de la gestión electrónica diesel para el filtro de partículas con aditivo



Sensores y actuadores

Sensores

Sensor de presión para gases de escape
El sensor de presión para gases de escape trabaja según el principio piezoeléctrico. El sensor de presión para gases de escape mide la diferencia de presión en el caudal de los gases de escape antes y después del filtro de partículas. 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 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.

Funcionamiento:

 

Sensor de temperatura anterior al filtro de partículas
El sensor de temperatura antes del filtro de partículas es un sensor PTC. En un sensor PTC (positive temperature coefficient) la resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura. Va situado en el ramal de escape antes del filtro de partículas diésel y mide allí la temperatura de los gases de escape.
Con ayuda de la señal procedente del sensor de temperatura, 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, mas 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.

 

Sensor de temperatura antes del turbocompresor
El sensor de temperatura antes del 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.
La unidad de control del motor necesita la señal procedente de este sensor, 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 este sensor 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
La sonda lambda es una versión de banda ancha. Va situada en el colector de escape antes del catalizador de oxidación.
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
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. 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.
La señal del medidor de la masa de aire, mas 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.



Sensor de falta de aditivo para el combustible
El sensor de falta de aditivo para el combustible se encuentra en el depósito de aditivo. A partir de un contenido residual definido en el depósito de aditivo, la señal del sensor de falta de aditivo en el combustible activa en el cuadro de instrumentos el testigo luminoso de precalentamiento. De esa forma se indica al conductor que existe un fallo en el sistema de filtración de partículas diésel y que es necesario acudir al taller.
Si la cantidad disponible de aditivo es demasiado baja se suprimen además los ciclos de regeneración para el filtro de partículas y se reduce la potencia del motor.


En el vástago del sensor de falta de aditivo para el combustible va montado un contacto de Reed. Sus contactos se accionan por el efecto del anillo magnético que va instalado en el flotador.

 

Efectos en caso de ausentarse la señal
Si se ausenta la señal del sensor de falta de aditivo para el combustible se inscribe una avería en la memoria de la unidad de control del motor.

 

Actuadores

Bomba para aditivo
La bomba para aditivo es una bomba de émbolo alternativo, que impele el aditivo hacia el depósito de combustible. Va atornillada al depósito de aditivo.
Después de cada repostaje, la unidad de control del motor aplica una excitación periodificada a la bomba, para dosificar el aditivo en la cantidad correcta.


Funcionamiento
La bomba sin corriente se halla cargada con aditivo. En cuanto la unidad de control del motor excita la bomba, aplica corriente al bobinado electromagnético y el inducido se encarga de desplazar el émbolo de la bomba superando la fuerza del muelle. El émbolo cierra el taladro de afluencia hacia la cámara interior de la bomba e impele en dirección hacia la bola de la válvula el aditivo que se encuentra la cámara interior. Esta operación genera una presión, con la que la bola de la válvula abre la cámara interior de la bomba. Ahora pasa al depósito de combustible la cantidad de aditivo definida con exactitud a través del volumen creado en la cámara interior de la bomba.



Durante el ciclo aspirante entra el aditivo en la cámara del inducido. El bobinado electromagnético no se encuentra excitado por la unidad de control del motor, por lo que el muelle oprime el émbolo de la
bomba en retorno. La bola de la válvula cierra al mismo tiempo la cámara interior de la bomba.

 

El émbolo de la bomba se mueve a la posición de partida. La depresión generada por ese motivo hace que se aspire aditivo a través del taladro de afluencia abierta, pasando éste así de la cámara del inducido hacia la cámara interior de la bomba.

 

Testigo luminoso para filtro de partículas Diesel
El testigo luminoso para filtro de partículas diésel se encuentra en el cuadro de instrumentos. Se enciende cuando el filtro de partículas diésel no puede ser regenerado, debido a que el vehículo se somete a recorridos extremadamente cortos.

Misión
Si el vehículo se somete a recorridos cortos durante un largo plazo puede resultar afectada la regeneración del filtro de partículas Diésel. Esto puede provocar daños en el filtro de partículas en el motor. Si durante un tiempo relativamente prolongado, el motor no alcanza la temperatura de servicio necesaria para quemar el hollín retenido en el filtro de partículas, el testigo luminoso se enciende en el cuadro de instrumentos.
Con esta señal se indica al conductor la necesidad de que conduzca durante un período relativamente breve a una velocidad superior constante. El aumento de temperatura en los gases de escape que se
consigue de esa forma puede provocar la inflamación del hollín en el filtro de partículas. El testigo luminoso se debe apagar después de esa medida.


Testigo de exceso de contaminación K83 (MIL)

Los componentes del sistema de filtración de partículas diésel que tienen relevancia para la composición de los gases de escape se someten a verificación con motivo de la Eurodiagnosis de a bordo (EOBD) en lo que respecta a averías y funciones anómalas. El testigo de exceso de contaminación (MIL = malfunction indicator light) señaliza las averías detectadas por el sistema EOBD.

 

Esquema eléctrico





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