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Sistemas Anticontaminación


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Sistema de filtración de partículas diesel sin aditivo
También denominado como sistema del filtro de partículas diesel con recubrimiento catalítico. Se implanta en vehículos donde el filtro de partículas esta instalado cerca del motor. Debido a los cortos recorridos de los gases de escape entre el motor y el filtro de partículas, la temperatura de los gases de escape todavía es suficiente para la combustión de las partículas.
En la figura inferior se muestra un sistema con escape monocaudal. En los sistemas de escape de caudal múltiple (dos o mas tubos de escape), los filtros de partículas y los sensores se implantan respectivamente una vez en cada ramal de gases de escape.

 

Constitución del filtro de partículas
El filtro de partículas diesel con recubrimiento catalítico va situado en el ramal de escape, cerca del motor, detrás del turbocompresor.
Se han combinado dos componentes en la misma unidad: el catalizador de oxidación y el filtro de partículas, dando por resultado el filtro de partículas diesel con recubrimiento catalítico. Este sistema combina la
función del catalizador de oxidación con la del filtro de partículas diesel en un solo componente.

 

El filtro de partículas diesel se encarga de retener las partículas de hollín contenidas en los gases de escape. En su función de catalizador de oxidación se encarga de depurar los gases de escape en lo que respecta a los contenidos de hidrocarburos (HC) y monóxido de carbono (CO). Estos contaminantes se transforman en agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2).

 

Estructura
El filtro de partículas diesel consta de un cuerpo cerámico alveolar de carburo de silicio, alojado en una carcasa de metal. El cuerpo de cerámica está dividido por una gran cantidad de pequeños conductos paralelos, cerrados de forma alternativa. De ahí resultan conductos de admisión y escape separados por las paredes filtrantes. Las paredes filtrantes de carburo de silicio son porosas.
El cuerpo de carburo de silicio está recubierto con una combinación de óxido de aluminio y óxido de cerio. Esta combinación se utiliza como sustrato para el catalizador. El sustrato está recubierto con el metal noble del platino, que hace las veces de catalizador.
Un catalizador es una sustancia que respalda o inhibe una reacción química, sin experimentar ella misma ninguna modificación por ese motivo.

Funcionamiento
En virtud de que los conductos están cerrados alternadamente en dirección de entrada y salida, los gases de escape con cargas de hollín que tienen que pasar por las paredes filtrantes porosas de carburo de silicio. En contraste con los componentes gaseosos, las partículas de hollín son retenidas en los conductos de entrada.


Zonas de recubrimiento en el filtro de partículas diesel
El filtro de partículas diesel debe tener una longitud específica para contar con una gran capacidad de retención de hollín. Asimismo se lo tiene que recubrir con una determinada cantidad de platino para conseguir el efecto catalítico deseado.
El recubrimiento catalítico del filtro de partículas diesel está dividido por zonas sobre la longitud del filtro.

En la zona anterior hay una gran cantidad de platino, mientras que en la zona posterior la cantidad de platino es baja. El recubrimiento definido por zonas supone las siguientes ventajas:

Fase de regeneración
El filtro de partículas diesel tiene que ser despejado de forma sistemática de las partículas de hollín, para evitar que resulte afectada su capacidad de funcionamiento. Durante el ciclo de regeneración se procede a quemar (oxidar) las partículas retenidas en el filtro. En el caso de la regeneración del filtro de partículas con recubrimiento catalítico se diferencia entre la regeneración pasiva y la regeneración activa. El ciclo de regeneración discurre sin que el conductor se percate de ello.

Regeneración pasiva
En el ciclo de regeneración pasiva las partículas de hollín se queman de forma continua, sin intervención por parte de la gestión del motor. El posicionamiento cercano al motor, del filtro de partículas, permite que por ejemplo los gases de escape alcancen temperaturas de 350-500 °C al circular por autopista. Las partículas de hollín son transformadas, por medio de una reacción con dióxido nítrico, en dióxido de carbono. Esta operación gradual se desarrolla de forma lenta y continua a través del recubrimiento de platino, que hace aquí las veces de material catalizador.

Funcionamiento:



Regeneración activa
Con motivo de la regeneración activa se procede a quemar las partículas de hollín, para lo cual la gestión del motor se encarga de producir un aumento específico de la temperatura de los gases de escape. Al circular por ciudad a baja carga del motor, las temperaturas de los gases de escape son demasiado bajas como para poder practicar un ciclo de regeneración pasiva en el filtro de partículas. En virtud de que deja de ser posible degradar las partículas de hollín se produce una saturación de hollín en el filtro. En cuanto se alcanza una saturación específica de hollín en el filtro, la gestión del motor pone en vigor un ciclo de regeneración activa. Esta operación tarda unos 10 minutos.
Las partículas de hollín se queman, produciendo dióxido de carbono, a partir de una temperatura de los gases de escape de 600-650 °C.

Funcionamiento
En el caso de la regeneración activa se procede a quemar las partículas de hollín con ayuda de la alta temperatura de los gases de escape. El carbono de las partículas de hollín se somete a oxidación con el oxígeno, transformándose en dióxido de carbono. C + O2 reacciona transformándose en CO2.

 

Funcionamiento de la regeneración activa
Las partículas de hollín son retenidas en los conductos de entrada. La unidad de control del motor puede detectar el nivel de saturación del filtro de partículas diesel a base de analizar las señales procedentes del medidor de la masa de aire, de los sensores de temperatura antes y después del filtro de partículas, así como del sensor de presión para los gases de escape. Si la saturación de hollín ha alcanzado un límite específico, la gestión del motor pone en vigor un ciclo de regeneración activa.

 

Gestión del motor durante la puesta en vigor de la regeneración activa
La unidad de control del motor calcula el estado de saturación del filtro analizando la resistencia de flujo en el filtro. Una alta resistencia de flujo hace suponer que el filtro tiende a obstruirse. La unidad de control del motor pone en vigor el ciclo de regeneración activa. A esos efectos:

Estas medidas conducen a un aumento específico y breve de la temperatura de los gases de escape a unos 600 °C hasta 650 °C. En esta gama de temperaturas, el hollín depositado se oxida, transformándose en dióxido de carbono. Tras esta regeneración activa, el filtro de partículas vuelve a quedar dispuesto para el funcionamiento y puede volver a retener el hollín de los gases de escape.



Saturación de hollín en el filtro de partículas

La saturación de hollín en el filtro de partículas es un aspecto que la unidad de control del motor vigila continuamente a base de calcular la resistencia de flujo en el filtro. Para determinar la resistencia de flujo se pone en relación el caudal volumétrico de los gases de escape antes del 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 con el sensor de presión para 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, tomando como base la corriente de las masas de aire en el conducto de escape y la temperatura de los gases de escape antes del filtro de partículas. La corriente de las masas de gases de escape equivale aproximadamente a la corriente de las masas de aire en el conducto de admisión, que se determina por medio del medidor de la masa de aire. La masa de los gases de escape depende de su temperatura. Esta temperatura la determinan los termosensores implantados antes y después del filtro de partículas.
Teniendo en cuenta 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 la corriente de las masas del gas de escape.

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 con ello la resistencia de flujo en el filtro de partículas. Con ayuda de la resistencia de flujo la unidad de control del motor detecta el grado de saturación de hollín. En la gráfica inferior se compara el caudal volumétrico de los gases de escape y la resistencia de los mismos a fluir por el filtro de partículas.

 

Ciclo de postinyección en la fase de deceleración
Al circular en tráfico urbano extremo, con cargas del motor intensamente cambiantes y un alto porcentaje de fases de deceleración es preciso aplicar medidas especiales para la limpieza del filtro. En virtud de que normalmente se deja de inyectar combustible en los cilindros durante la fase de deceleración, los gases de escape no alcanzan la temperatura necesaria para la regeneración del filtro de partículas.
En la fase de deceleración se procede a inyectar una pequeña cantidad de combustible, a eso de los 35° del cigüeñal después del punto muerto superior del pistón. Debido a que no se lleva a cabo la inyección principal en el punto muerto superior del pistón, el combustible no se quema en el cilindro, sino que se evapora.
Estos vapores de combustible se queman en el filtro de partículas. El calor generado por ese motivo hace que los gases de escape alcance la temperatura necesaria para la regeneración del filtro de partículas. El sensor de temperatura después del filtro de partículas vigila durante esa operación la temperatura de los gases de escape a la salida del filtro de partículas. De esa forma se procede a regular la dosificación del ciclo de postinyección en la fase de deceleración.

 

Estructura de la gestión electrónica del motor para el filtro de partículas


 

 

Sensores y actuadores

Sensores

Sensor de presión para gases de escape
Este sensor se encarga de medir la diferencia de presión de la corriente de gases de escape antes y después del filtro de partículas. Las señales del sensor de presión para gases de escape, mas las señales de los sensores de temperatura antes y después del filtro de partículas, así como la señal del medidor de la masa de aire, forman una unidad indivisible para la determinación del estado de saturación 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, según el recorrido efectuado o las horas en servicio. Sin embargo, a largo plazo no es posible regenerar de esta forma fiablemente el filtro de partículas.
Después de un número de ciclos definido se enciende primeramente el testigo luminoso para filtro de partículas diesel y luego parpadea el testigo luminoso para precalentamiento en el cuadro de instrumentos. Con ello se recomienda al conductor a que acuda a un 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 diesel y mide allí la temperatura de los gases de escape.
Con ayuda de la señal procedente de los sensores de temperatura antes y después del filtro de partículas, la unidad de control del motor calcula el caudal volumétrico de los gases de escape, para poder determinar con ello el estado saturación del filtro de partículas.


Las señales de los sensores de temperatura antes y después del filtro de partículas mas la señal del medidor de la masa de aire, así como la señal del sensor de presión para gases de escape constituyen una unidad indivisible para la determinación del estado de saturación en el filtro de partículas. Aparte de ello se utiliza la señal para la protección de componentes, concretamente aquí, 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 antes del filtro de partículas, la regeneración del filtro se lleva a cabo primeramente de forma cíclica, en función del recorrido efectuado o de las horas en
servicio. A largo plazo, sin embargo, no es posible regenerar fiablemente el filtro de partículas de esta forma.
Tras una cantidad definida de ciclos se enciende primeramente el testigo luminoso para filtro de partículas diesel y luego parpadea el testigo luminoso de precalentamiento en el cuadro de instrumentos. De esa forma se avisa al conductor a que acuda a un taller.



Sensor de temperatura después del filtro de partículas

El sensor de temperatura después del filtro de partículas es un sensor PTC. Se encuentra en el ramal de gases de escape después del filtro de partículas diesel y mide allí la temperatura de los gases de escape.
La unidad de control del motor utiliza las señales del sensor de temperatura después del filtro de partículas para regular con ello la dosificación para el ciclo de postinyección en la fase de deceleración.
Cuanto mayor es la temperatura de los gases de escape después del filtro de partículas, tanto menor es la cantidad inyectada.
Las señales del sensor de temperatura después del filtro de partículas se utilizan para la protección de componentes, es decir, concretamente aquí 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 después del filtro de partículas, la regeneración del filtro se lleva a cabo primeramente de forma cíclica, según el recorrido efectuado o las horas en servicio.
A largo plazo, sin embargo, no es posible regenerar fiablemente el filtro de partículas de esta forma.
Tras una cantidad definida de ciclos se enciende primeramente el testigo luminoso para filtro de partículas diesel y luego parpadea el testigo luminoso de precalentamiento en el cuadro de instrumentos. De esa forma se avisa al conductor a que acuda a un 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 del sensor de temperatura antes del turbocompresor, para calcular el momento y la cantidad del ciclo de postinyección durante la fase de regeneración. De ese modo se consigue el aumento necesario de la temperatura de los gases de escape para la combustión de las partículas de hollín. Aparte de ello se utiliza la señal para proteger el turbocompresor contra temperaturas inadmisiblemente elevadas durante el ciclo de regeneración.

Efectos en caso de ausentarse la señal
Si se ausenta la señal del sensor de temperatura antes del turbocompresor deja de ser posible proteger el turbocompresor contra temperaturas inadmisiblemente altas. En ese caso deja de producirse el ciclo de regeneración del filtro de partículas diesel El sistema avisa al conductor a que acuda al taller, encendiéndose el testigo luminoso de precalentamiento.
Para reducir las emisiones de hollín se desactiva la recirculación de gases de escape.

 



Sonda lambda
La sonda lambda es una versión de banda ancha y va situada en el colector de escape antes del catalizador.
Con ayuda de la sonda lambda es posible determinar el contenido de oxígeno en los gases de escape, sobre una extensa gama de medición.
En relación con el sistema de filtración de partículas diesel, la unidad de control del motor emplea la señal de la sonda lambda para poder calcular con exactitud la cantidad y el momento de la postinyección para el ciclo de regeneración. Para contar con una regeneración eficaz del filtro de partículas se necesita un contenido mínimo de oxígeno en los gases de escape y una alta temperatura uniforme de los gases. Esta regulación resulta posible recurriendo a las señales de la sonda lambda, en combinación con las señales del sensor de temperatura antes del turbocompresor.

Efectos en caso de ausentarse la señal
La regeneración del filtro de partículas resulta menos exacta, pero sigue siendo operativa. La avería de la sonda lambda puede provocar mayores 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.
En relación con el sistema de filtración de partículas diesel, la señal se utiliza para calcular el caudal volumétrico de los gases de escape, para poder determinar con éste el estado de saturación del filtro de partículas. La señal del medidor de la masa de aire, mas las señales de los sensores de temperatura antes y después del filtro de partículas, así como la señal del sensor de presión para 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 lleva a cabo primeramente de forma cíclica, según el recorrido efectuado o las horas en servicio.
A largo plazo, sin embargo, no es posible regenerar fiablemente el filtro de partículas de esta forma. Tras una cantidad definida de ciclos se enciende primeramente el testigo luminoso para filtro de partículas diesel y luego parpadea el testigo luminoso de precalentamiento en el cuadro de instrumentos. De esa forma se exhorta al conductor a que acuda a un taller.

 

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

Misión
Si se hace funcionar el vehículo durante tiempo prolongado circulando solamente en trayectos breves, puede resultar afectada la regeneración del filtro de partículas diesel, debido a que los gases de escape no alcanzan las temperaturas necesarias. Al no poderse llevar a cabo la regeneración puede suceder que se dañe o bloquee el filtro en virtud de una excesiva saturación de hollín. Para evitar estos casos se enciende en el cuadro de instrumentos el testigo luminoso para filtro de partículas diesel si las cargas de hollín han alcanzado un límite definido.
Con esta señal se exhorta al conductor a que conduzca durante un período de unos 15 minutos a una velocidad lo más constante posible, superior a los 60 km/h. La depuración más eficaz del filtro se consigue conduciendo el vehículo en IV o V marchas, con el motor a regímenes de unas 2.000 rpm. El testigo luminoso se tiene que apagar después de esta medida.
Si el testigo luminoso para filtro de partículas diesel no se apaga, a pesar de esta medida, se encenderá a continuación el testigo luminoso para precalentamiento y en la pantalla del cuadro de instrumentos aparece el texto «Fallo del motor, taller». De esta forma se avisa al conductor a que acuda al taller más próximo.


Testigo de exceso de contaminación K83 (MIL)

Los componentes del sistema de filtración de partículas diesel 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

 

Recorrido de trayectos breves
Para iniciar el proceso de regeneración en el filtro de partículas diesel se procede a aumentar la temperatura de los gases de escape por medio de una gestión específica del motor. Si el vehículo se encuentra sometido continuamente a trayectos breves no es posible elevar las temperaturas de los gases de escape en la medida suficiente para esos efectos. La regeneración no puede llevarse a cabo con el éxito deseado. Los ciclos de regeneración posteriores, con cargas excesivas de hollín en el filtro pueden conducir a temperaturas asimismo excesivas a raíz de la combustión del hollín y pueden provocar daños en el filtro de partículas. O bien el filtro se puede obstruir a raíz de una saturación excesiva. Este bloqueo del filtro puede conducir a la parada del motor.
Para evitar estos casos, a partir de un límite específico de la saturación del filtro, o bien a partir de una cantidad específica de ciclos de regeneración sin éxito se procede a activar el testigo luminoso para filtro de partículas diesel en el cuadro de instrumentos. Con ello se avisa al conductor a que conduzca por corto tiempo a una velocidad superior, con objeto de aumentar la temperatura necesaria de los gases de escape para poder regenerar el filtro de partículas diesel

Operatividad del combustible
Es preciso tener en cuenta que el combustible sea el preconizado por el fabricante No es posible el funcionamiento con gasoil biológico (Biodiesel). En el ciclo de postinyección para efectos de regeneración del filtro de partículas diesel puede suceder que el combustible inquemado, adherido a la pared del cilindro, entre en contacto con el aceite del motor a raíz del movimiento del pistón. El gasoil normal suele separarse nuevamente del aceite por efectos de evaporación durante el funcionamiento normal.
El gasoil biológico, debido a su mayor temperatura de ebullición, no se puede evaporar por completo, provocando así una dilución del aceite, que puede acabar perjudicando el motor.
Si el combustible tiene un alto contenido de azufre, esto declina el funcionamiento del sistema de filtración de partículas, provocando asimismo un mayor consumo de combustible, debido a una mayor cantidad de ciclos de regeneración.

Emisiones
En el ciclo de conducción destinado a efectos de regeneración pueden producirse mayores emisiones. Durante la regeneración se produce una oxidación del hollín, transformándolo en dióxido de carbono (CO2). Si no hay suficiente oxígeno disponible para este proceso también se produce monóxido de carbono (CO). Con la desactivación de la recirculación de gases de escape se producen emisiones de óxidos nítricos ligeramente más altas.
Para determinar las emisiones de los gases de escape se lleva a cabo un test de emisiones (NEFZ - nuevo ciclo europeo de prueba), analizándose los valores de un ciclo sin y con el proceso de regeneración. El vehículo tiene que cumplir con la norma de emisiones de escape EU4 con el promedio de estos valores.



 

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