Filtro partículas FAP en el motor diésel

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Video resumen Filtro partículas FAP en el motor diésel

El motor diésel tiene un mejor aprovechamiento del combustible que el de gasolina, pues la proporción (dosado) con relación al aire para lograr una buena combustión precisa bastante menos gasóleo que en el motor de gasolina, esta es una de las tres razones del menor consumo del motor diésel comparado con su equivalente de gasolina.

Sin embargo, el motor de gasolina mantiene el dosado constante en todas las condiciones de marcha mientras que en el diésel el dosado es variable a bajas RPM, altas y en aceleración lo que hace más difícil controlar la contaminación.

El menor consumo del motor diésel interesó a los profesionales para sus vehículos, asumiendo más ruido y vibraciones además de prestaciones inferiores.

Esto cambió con la evolución de la tecnología diésel (inyección directa y “common rail”) y, sobre todo, con la incorporación del turbocompresor.

Las vibraciones y ruido de estos motores diésel eran bastante menores y sus prestaciones a bajo y medio régimen superaban a las de los motores de gasolina, todavía sin sobrealimentar para usos normales.

Estas razones multiplicaron las ventas de los automóviles diésel en detrimento de los de gasolina.

Pero llegó la norma EURO 5 (2006) y después la EURO 6 (2014), exigiendo unos valores de contaminación muy reducidos; donde los motores de gasolina las cumplen sin demasiadas complicaciones técnicas, pero los diésel necesitan de complejos sistemas y controles para poder ser homologados, entre ellos el filtro partículas FAP.

En recorridos cortos o con el motor a baja temperatura surgen problemas costosos de solucionar en los diésel, y que son repetitivos.

Probablemente en los próximos años haya otro cambio tecnológico; tras una transición en la que se recupere el motor de gasolina (con sobrealimentación e inyección directa) y haya más híbridos, llegará la pila de combustible de hidrógeno, si los poderes macroeconómicos están por la labor.

Contaminación del motor diésel

En el motor diésel el inicio de la combustión se produce por la inyección de gasóleo a muy alta presión y pulverizado sobre aire sobrecalentado en la compresión.

La aceleración en el motor diésel se regula con el caudal de gasóleo.

Los gases contaminantes que emite el motor diésel son diferentes según el régimen de giro del motor, la aceleración y temperatura, luego comentaremos algo más al respecto (en el motor de gasolina la contaminación es más constante y fácil de reducir).

Utilizamos la imagen de un motor diésel de cuatro cilindros en línea con distribución OHC, viendo el filtro de aire, turbocompresor, intercooler, bomba de inyección y los colectores de admisión y escape, para que nos presente los gases contaminantes en el escape.

Los gases contaminantes y sus efectos son:

Hidrocarburos no quemados HC; afectan al sistema respiratorio, asma, cáncer,…
Monóxido de carbono CO; producen enfermedades cardiacas
Óxidos de nitrógenos NO_X; irritación de ojos, afecciones respiratorias, riesgo de infecciones,…
Micropartículas M_P; problemas respiratorios, potencian las alergias, ¿cáncer?

En este artículo vamos a céntranos en el filtro partículas FAP, aunque presentaremos los demás sistemas anticontaminantes para entender mejor la complejidad de “limpiar” los gases de escape del motor diésel.

Anticontaminación del motor diésel

La complejidad para adaptar la contaminación del motor diésel a las directivas europeas queda reflejada en la animación que veremos despues de comentar los elementos que aparecen en la imagen.

El automóvil utilizado tiene un motor diésel de 5 cilindros en línea en posición transversal delantera y se identifican estos componentes:

Admisión; filtro de aire, caudalimetro (mide el caudal de aire de admisión), turbocompresor, mariposa de gases (no es necesaria en el motor diésel, se suele montar para reducir vibraciones al parar el motor) y colector de admisión
Escape; colector de escape, turbocompresor y línea de escape con silenciadores
Calculador de inyección y sensores de información

A continuación se representan los sistemas de reducción de los gases contaminantes y nocivos, se incluyen algunos más no comentados antes e informando de sus efectos:

Catalizador de dos vás o funciones
EGR (recirculación de gases de escape) de alta y baja presión
Filtro partículas FAP con sensores de entrada y salida
Aditivo para el FAP (se utiliza en algunos automóviles)
Catalizador SCR con sensor e inyector
Depósito del aditivo para el catalizador SCR

Funcionamiento del motor identificando los gases contaminantes y su reducción:

Dióxido de carbono CO₂; es proporcional al consumo de combustible. No afecta a la salud directamente (se incluye en las bebidas con gas) pero potencia el efecto invernadero
Óxidos de azufre SO_X; disminuyen con menos azufre en el gasóleo. Sus efectos son irritación de los ojos y afecta sistema respiratorio. Impide tecnologías para reducir la contaminación
Micropartículas M_P; se generan a bajas RPM y en aceleración, más con el motor frío. Se reducen las M_P con menos azufre en el gasóleo y con pulverización más fina del combustible. Se queman las M_P en el filtro partículas FAP
Óxidos de nitrógeno NO_X; se producen a bajas RPM y poca aceleración. Se reduce su generación con la EGR (de alta y baja presión, situadas respectivamente antes y después del turbocompresor) y se eliminan con el catalizador SCR (Catalizador de Reducción Selectiva)
Hidrocarburos no quemados HC y monóxido de carbono CO; se emiten al acelerar y también a altas RPM, más con el motor frío. Se reducen sus emisiones en el catalizador de dos vías o funciones (catalizador de oxidación)

En este artículo nos centramos en el filtro partículas FAP, pero con las anteriores explicaciones hemos querido demostrar la complejidad de limpiar los gases contaminantes del motor diésel para adaptarse a las directivas cada vez más severas.

Detalle de actuación del filtro partículas FAP

Veamos cómo actúa el filtro partículas FAP para reducir la emisión de micropartículas (M_P), pero antes se explican las condiciones de uso del automóvil en que generan menos y más M_P, todo con la animación siguiente:

Menos emisión de micropartículas M_P

Circular habitualmente con el motor a su temperatura óptima, “motor caliente”, el filtro partículas FAP tiene temperatura suficiente para quemar prácticamente las M_P emitidas
Recorridos largos; así se mantiene la temperatura del motor
RPM medias y mantenidas; es cuando la combustión es más completa, sin aceleraciones bruscas

Más emisión de M_P

RPM variables; durante las aceleraciones se inyecta más gasóleo aumentando la generación de M_P hasta que se estabilizan las RPM
Baja temperatura del motor; hasta que no se alcanza la temperatura óptima, se inyecta más gasóleo y la combustión es más incompleta
Recorridos cortos; no se llega a la temperatura ideal del motor y suelen requerir aceleraciones transitorias si es en uso urbano
Altas RPM mantenidas; en estas condiciones se pisa mucho el acelerador con gran caudal de gasóleo que propicia la generación de M_P

Saturación del filtro partículas FAP

Circulando cierta distancia (entre 300 y 800 km según las condiciones) en situaciones de más emisión de M_P, el filtro partículas FAP llega a saturarse
Los sensores de temperatura y presión de antes y después del filtro partículas FAP detectan la saturación informando al calculador que gestiona la regeneración del filtro partículas FAP:
- Post inyecciones; el calculador hace que se produzcan post inyecciones en fase de escape elevando la temperatura de los gases que llegan al filtro partículas FAP, así se van quemando las M_P
- Con aditivo; hay automóviles que tienen un depósito de aditivo específico conectado con el depósito de gasóleo, este aditivo se ha de reponer. Cada vez que se reposta gasóleo el calculador hace que se inyecte la proporción adecuada de aditivo en el gasóleo del depósito. El resultado es que las M_P que se generan se queman a menos temperatura en el filtro partículas FAP, requiriendo menos post inyecciones en utilizaciones de más emisión de M_P

Después de esta presentación sobre la regeneración del filtro partículas FAP vamos a verlo con más detalle.

Auto regeneración del filtro partículas FAP

Ya se han comentado las condiciones de uso del automóvil que menos M_Pgeneran, vamos a verlo con más detalle en la animación siguiente:

Testigo de saturación del filtro partículas FAP en el cuadro de instrumentos; se enciende cuando se bloquea la salida de gases de escape en el filtro partículas FAP, saturado de M_P sin quemar
Con el motor caliente, recorridos largos y RPM medias sin fuertes aceleraciones la generación de M_P es mínima
La temperatura alcanzada y mantenida en el filtro partículas FAP y la reducida cantidad de M_P que llegan se pueden quemar durante el recorrido

Si el automóvil con motor diésel se utiliza habitualmente en recorridos largos el desgaste del filtro partículas FAP es el menor posible logrando la mayor duración.

Regeneración del filtro partículas FAP por post inyección

Si se utiliza el automóvil con motor diésel en condiciones críticas para la generación de M_P el calculador intervendrá para gestionar su regeneración, veámoslo en esta animación:

RPM variables con aceleraciones frecuentes
Temperatura del motor inferior a la óptima
Recorridos cortos
RPM mantenidas con acelerador bastante pisado
Generan mucha cantidad de M_P que no se pueden quemar en el filtro partículas FAP
Cuando el filtro partículas FAP está próximo a la saturación por M_P, los sensores detectan diferencias críticas de presión y temperatura entre la entrada y la salida informando al calculador
El calculador gestiona que los inyectores aporten gasóleo en fase de escape, post inyección, para mantener la combustión en el escape hasta el filtro partículas FAP
Este aumento de temperatura en el filtro partículas FAP va quemando progresivamente las partículas
Puede durar el proceso entre 15 minutos y media hora según las condiciones de marcha
Si se circula por carretera a RPM medias mantenidas llevará menos tiempo que si se está en recorridos urbanos
Es importante no parar el motor durante la regeneración por post inyección para que se limpie totalmente el filtro partículas FAP, en algunos automóviles el testigo se enciende durante el proceso de regeneración por post inyección, informando para mantener el motor en marcha hasta que se apague
Si se para el motor antes de finalizar el proceso de regeneración por post inyección, se iniciará de nuevo cuando esté el motor caliente
Si se cortan varios ciclos de regeneración se encenderá el testigo de saturación del filtro partículas FAP indicando que se ha de circular por carretera a medias RPM hasta que se apague indicando el fin del proceso
Si se produce muchos procesos de regeneraciones fallidas, la cantidad de ciclos de post inyección provocan dilución de gasóleo y residuos de combustión en el aceite que le degradan
Es frecuente que el nivel de aceite suba por la acumulación de gasóleo
Esta situación es muy crítica para la fiabilidad del motor y turbocompresor

Hay dos formas de actuación del testigo del filtro partículas FAP, que se encienda durante el proceso de regeneración por post inyección o que solamente lo haga cuando no se haya podido terminar un determinado ciclo de procesos de limpieza.

Si se van acumulando M_P en el filtro partículas FAP es cada vez más difícil su limpieza por auto regeneración en carretera o por post inyección, siendo preciso alguna operación complementaria de postventa.

Filtro partículas FAP con aditivo

Para reducir en lo posible fatigas excesivas del filtro partículas FAP en utilizaciones más o menos críticas, algunas marcas o modelos recurren a aditivar el gasóleo, este es el proceso y lo que se logra como vemos en la animación:

Depósito del aditivo del filtro partículas FAP
Llenado del aditivo
Conducto de comunicación del depósito del aditivo al de gasóleo
Al repostar gasóleo el calculador mide los litros y aporta la cantidad porcentual correspondiente de aditivo que se diluye en el gasóleo
Se reproduce lo que sucede con el motor en marcha
La temperatura requerida en el filtro partículas FAP para quemar las M_P es menor por la presencia del aditivo, lo que requiere menos regeneraciones por post inyección en utilizaciones de más generación de M_P
Cuando en nivel del aditivo es mínimo se enciende un testigo en el cuadro para su reposición, en la animación se utiliza el mismo testigo de saturación

La operación de reposición del aditivo para el filtro partículas FAP se ha de hacer en taller.

Si no se repone el aditivo tras un determinado número de arranques del motor, no se podrá volver a poner en marcha hasta haberlo rellenado.

Hay diversas posibilidades de ubicación del filtro partículas FAP, una de estas es independiente como se ha explicado en este artículo, otra es formando un conjunto con el catalizador de dos vías, pero hay y habrá más, para integrarse con los demás sistemas anticontaminantes en el escape del motor diésel en busca de más eficiencia.