Filtro antipartículas (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. 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 NOX; irritación de ojos, afecciones respiratorias, riesgo de infecciones,…
      • Micropartículas MP; problemas respiratorios, potencian las alergias, ¿cáncer?
    • En este artículo vamos a céntranos en el filtro antipartículas FAP, aunque presentaremos los demás sistemas anticontaminantes para entender mejor la complejidad de “limpiar” los gases de escape del motor diésel

Al final del artículo tienes una lista de artículos del blog relacionados, entre estos el artículo “Common rail en el 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 tranversal 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 antipartículas 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 SOX; 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 MP; se generan a bajas RPM y en aceleración, más con el motor frío. Se reducen las MP con menos azufre en el gasóleo y con pulverización más fina del combustible. Se queman las MP en el filtro antipartículas FAP
      • Óxidos de nitrógeno NOX; 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 antipartículas FAP, pero con las anteriores explicaciones hemos querido demostrar la complejidad de limpiar los gases contaminantes del motor diésel para adaptarese a las directivas cada vez más severas.

Detalle de actuación del filtro antipartículas FAP

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

    • Menos emisión de micropartículas MP:
      • Circular habitualmente con el motor a su temperatura óptima, “motor caliente”, el FAP tiene temperatura suficiente para quemar prácticamente las MP 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 MP:
      • RPM variables; durante las aceleraciones se inyecta más gasóleo aumentando la generación de MP 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 MP

 

    • Saturación del FAP; circulando cierta distancia (entre 300 y 800 km según las condiciones) en situaciones de más emisión de MP, el FAP llega a saturarse. Los sensores de temperatura y presión de antes y después del FAP detectan la saturación informando al calculador que gestiona la regeneración del FAP:
      • Post inyecciones; el calculador hace que se produzcan post inyecciones en fase de escape elevando la temperatura de los gases que llegan al FAP, así se van quemando las MP
    • 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 MP que se generan se queman a menos temperatura en el FAP, requiriendo menos post inyecciones en utilizaciones de más emisión de MP

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

Auto regeneración del filtro antipartículas FAP

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

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

 

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

Regeneración del filtro antipartículas FAP por post inyección

Si se utiliza el automóvil con motor diésel en condiciones críticas para la generación de MP 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 MP que no se pueden quemar en el FAP
    • Cuando el FAP está próximo a la saturación por MP, 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 FAP
    • Este aumento de temperatura en el 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 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 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 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 MP en el 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 antipartículas FAP con aditivo

Para reducir en lo posible fatigas excesivas del 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 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 FAP para quemar las MP es menor por la presencia del aditivo, lo que requiere menos regeneraciones por post inyección en utilizaciones de más generación de MP
    • 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 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 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.

 

Enlaces de interés relacionados

En el blog tienes estos artículos que puedes buscar en sus respectivas secciones si te interesan sus temas:

    • “Contaminación de los motores de gasolina y diésel” en la sección “Tecnologías limpias”
    • “ Common rail en el motor diésel” en la sección “Nuevas tecnologías”
    • “Evolución en la alimentación en gasolina y diésel” en la sección “Evolución en órganos y elementos”
    • “¿Qué motor elegir gasolina o diésel?” en la sección “Actualidad”

 

Otros enlaces

http://www.motorpasion.com/compactos/el-ocaso-del-diesel-el-filtro-de-particulas

http://www.autofacil.es/tecnologia/2012/12/20/debes-filtro-particulas/12202.html

http://www.iresaing.com/Tecnologia/que-es-un-filtro-de-particulas/

http://www.guillesql.com/Articulos/Cambiar_Sensor_presion_Filtro_Antiparticulas_Diesel_DPF_TDI_VAG_testigos_limp_mode.jpg

 

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