Filtro de partículas diésel

Un filtro de partículas diésel ( DPF ) es un dispositivo diseñado para eliminar las partículas diésel o el hollín de los gases de escape de un motor diésel . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Los filtros de partículas diésel de flujo de pared suelen eliminar 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 ser desechados y reemplazados una vez llenos de ceniza acumulada. Otros están diseñados para quemar las partículas acumuladas, ya sea pasivamente mediante el uso de un catalizador o por medios activos como un quemador de combustible que calienta el filtro a temperaturas de combustión del hollín. Esto se logra programando el motor para que funcione (cuando el filtro está lleno) de manera que eleve la temperatura de los gases de escape, junto con un inyector de combustible adicional en el flujo de escape que inyecta combustible para reaccionar con un elemento catalizador y 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 los turbocompresores que resulta en la contaminación del filtro con diésel crudo o aceite de motor también puede requerir limpieza. ^{[ 4 ]} El proceso de regeneración ocurre a velocidades de carretera más altas de las que generalmente se pueden alcanzar en las calles de la ciudad; los vehículos que se conducen 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 tiempo para operar el vehículo por encima de 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, en particular 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 diversas partículas durante la combustión de la mezcla de combustible y aire debido a una combustión incompleta. La composición de estas partículas varía considerablemente según el tipo de motor, su antigüedad y las especificaciones de emisiones para las que fue diseñado. Los motores diésel de dos tiempos producen más partículas por unidad de potencia que los de cuatro tiempos , ya que la combustión de la mezcla de combustible y aire es menos completa. ^{[ 7 ]}

Las partículas diésel resultantes de la combustión incompleta del combustible diésel producen partículas de hollín ( carbono negro ). Estas partículas incluyen diminutas nanopartículas , 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 filtración de partículas diésel se consideró por primera vez en la década de 1970 debido a la preocupación por los impactos de las partículas inhaladas. ^{[ 11 ]} Los filtros de partículas se han utilizado en maquinaria no vial 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 Hour. ^{[ 14 ]} Desde entonces, se han introducido normas progresivamente más estrictas para vehículos diésel ligeros y pesados ​​de carretera y para motores diésel todoterreno. Regulaciones similares también han sido adoptadas por la Unión Europea y algunos países europeos, la mayoría de los países asiáticos y el resto de América del Norte y del Sur . ^{[ 15 ]}

Aunque pocas jurisdicciones han hecho obligatorios los filtros de forma explícita, las normativas de emisiones cada vez más estrictas que deben cumplir los fabricantes de motores implican que, con el tiempo, todos los motores diésel de carretera estarán equipados con ellos. ^{[ 14 ]} En la Unión Europea, los filtros son altamente recomendables y prácticamente necesarios para cumplir con las normas de emisiones Euro 6 para vehículos pesados , como los camiones. ^{[ 16 ]} En 2000, anticipándose a las futuras normativas Euro 5, PSA Peugeot Citroën se convirtió en la primera empresa en hacer que los filtros fueran estándar en los turismos. ^{[ 17 ]} Las normativas Euro 5, que entraron en vigor plenamente en enero de 2011, exigen que los coches diésel tengan un filtro de partículas diésel. ^{[ 18 ]}

En diciembre de 2008, la Junta de Recursos del Aire de California (CARB) estableció la Norma Estatal de Camiones y Autobuses de California de 2008, que, con variaciones según el tipo, tamaño y uso del vehículo, exige que los camiones y autobuses pesados ​​diésel que circulan por las carreteras de California sean reacondicionados, repotenciados o reemplazados para reducir las emisiones de partículas (PM) en al menos un 85 %. El reacondicionamiento de los motores con filtros de partículas diésel aprobados por CARB es una forma de cumplir con este requisito. ^{[ 19 ]} En 2009, la Ley de Recuperación y Reinversión Estadounidense proporcionó fondos para ayudar a los propietarios a compensar el costo de los reacondicionamientos diésel de sus vehículos. ^{[ 20 ]} Otras jurisdicciones también han lanzado programas de reacondicionamiento, entre ellos:

• 2001 – Programa de modernización de Hong Kong . ^{[ 21 ]}
• 2002 – En Japón, la prefectura de Tokio aprobó una ley que prohíbe la entrada de camiones sin filtros a los límites de la ciudad. ^{[ 22 ]}
• 2003 – La Ciudad de México inició un programa para modernizar camiones. ^{[ 23 ]}
• 2004 – Programa de modernización de la ciudad de Nueva York (no vial). ^{[ 24 ]}
• 2008 – Tarifa de circulación del área Ecopass de Milán : un elevado impuesto de entrada para todos los vehículos diésel, excepto aquellos con filtro de partículas, ya sea de serie o adaptado. ^{[ 25 ]}
• 2008 – La zona de bajas emisiones de Londres cobra a los vehículos que no cumplen con los estándares de emisiones , incentivando la instalación de filtros de adaptación. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

Los filtros de partículas con mantenimiento inadecuado en 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 modificó los requisitos de la inspección técnica de vehículos (ITV), ^{[ 28 ]} incluyendo un control más estricto de los coches diésel. Uno de los requisitos era tener un filtro de partículas diésel (DPF) correctamente instalado y en funcionamiento. Conducir sin DPF podía acarrear una multa de 1000 libras esterlinas. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

A diferencia de un convertidor catalítico , que es un dispositivo de flujo continuo, un DPF retiene las partículas de gases de escape más grandes al forzar que el gas fluya a través del material filtrante antes de salir; ^{[ 2 ] [ 31 ]} sin embargo, el DPF no retiene las partículas pequeñas. Los DPF libres de mantenimiento oxidan o queman las 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, reduciendo el número total de partículas, así como la masa total. ^{[ 32 ] [ 33 ]} Hay una variedad de tecnologías de filtros de partículas diésel en el mercado. Cada una está diseñada en torno a requisitos similares:

1. Filtración fina
2. Caída de presión mínima
3. Bajo costo
4. Idoneidad para la producción en masa
5. Durabilidad del producto

Los filtros requieren más mantenimiento que los convertidores catalíticos. La ceniza, un subproducto del consumo de aceite durante el funcionamiento normal del motor, se acumula en el filtro, ya que no puede convertirse en gas y atravesar sus paredes. ^{[ 41 ]} Esto aumenta la presión antes del filtro. ^{[ 4 ]}

Los filtros DPF se someten a un proceso de regeneración que elimina el hollín y reduce la presión del filtro. Existen tres tipos de regeneración: pasiva, activa y forzada.

La regeneración pasiva se produce normalmente durante la conducción, cuando la carga del motor y el ciclo de conducción del vehículo generan temperaturas lo suficientemente altas como para regenerar la acumulación de hollín en las paredes del filtro de partículas diésel (DPF).

La regeneración activa se produce durante el uso del vehículo, cuando la baja carga del motor y las bajas temperaturas de los gases de escape inhiben la regeneración pasiva natural. Sensores ubicados antes y después del DPF (o un sensor de presión diferencial) proporcionan lecturas que inician la inyección dosificada de combustible en el flujo de escape. Existen dos métodos para inyectar combustible: inyección directa en el flujo de escape, después del turbocompresor, o inyección en los cilindros del motor durante la carrera de escape. Esta mezcla de combustible y gases de escape pasa a través del catalizador de oxidación diésel (DOC), generando 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 finaliza, hasta que se acumula nuevamente hollín. Este sistema funciona bien para vehículos que recorren largas distancias con pocas paradas, en comparación con aquellos que realizan trayectos cortos con muchas paradas y arranques.

Si el filtro desarrolla demasiada presión, se debe utilizar el último tipo de regeneración: la regeneración forzada. Esto se puede lograr de dos maneras. El conductor puede iniciar la regeneración mediante un interruptor en el tablero. Para que se inicie este proceso, se requieren varios sistemas de seguridad, como el freno de estacionamiento activado, la transmisión en punto muerto, la temperatura del refrigerante del motor y la ausencia de códigos de falla relacionados con el motor (estos varían según el fabricante y la aplicación). Cuando la acumulación de hollín alcanza un nivel potencialmente dañino para el motor o el sistema de escape, la solución consiste en que un taller utilice un programa informático para realizar una regeneración manual del DPF mediante una herramienta de diagnóstico.

Durante la regeneración, el hollín se transforma en gases y cenizas, algunas de las cuales permanecen en el filtro. Esto aumenta la restricción del flujo y puede provocar una obstrucción. Se emiten advertencias al conductor antes de que la restricción del filtro cause problemas de conducción o daños en el motor o el filtro. El mantenimiento regular del filtro es fundamental para eliminar la acumulación de cenizas, ya sea mediante limpieza o 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 urbana. ^{[ 42 ]} Las camionetas de servicio pesado tienen requisitos menos estrictos para los tres parámetros, y los camiones de Clase 8 significativamente menos. ^{[ 43 ] [ 44 ]} Si el vehículo se conduce con frecuencia en ciudades, el DPF puede obstruirse, causando una reducción en 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 de emergencia/tortuga" mientras intenta evitar daños en el motor y el turbo . ^{[ 45 ] [ 46 ]} Una vez obstruido, tanto la regeneración pasiva como la activa pueden volverse ineficaces. El DPF puede desobstruirse mediante lavado a presión a alta temperatura (no recomendado oficialmente) y/o horno de combustión . ^{[ 47 ] [ 48 ]}

En 2011, Ford retiró del mercado 37.400 camionetas F-Series con motores diésel después de que fugas de combustible y aceite provocaran incendios en los filtros de partículas diésel de las camionetas. No se registraron heridos antes del retiro, aunque se produjo un incendio de pasto. ^{[ 49 ]} Se emitió un retiro similar para los Jaguar S-Type y XJ diésel de 2005-2007, donde grandes cantidades de hollín quedaron atrapadas en el DPF. En los vehículos afectados, salía humo y fuego de la parte inferior del vehículo, acompañado de llamas por la parte trasera del escape. El calor del fuego podía calentar el interior a través del túnel de transmisión, derritiendo componentes internos y provocando potencialmente incendios en el interior. ^{[ 50 ]}

La regeneración es el proceso de quemar (oxidar) el hollín acumulado en el filtro. Esto se realiza de forma pasiva (a partir del calor de los gases de escape del motor en funcionamiento normal o añadiendo un catalizador al filtro) o de forma activa, introduciendo calor muy elevado en el sistema de escape. La gestión activa del filtro a bordo puede emplear diversas estrategias: ^{[ 9 ]}

1. Gestión del motor para aumentar la temperatura de los gases de escape mediante inyección tardía de combustible o inyección durante la carrera de escape.
2. Uso de un catalizador en el combustible para reducir la temperatura de combustión del hollín.
3. Un quemador de combustible después del turbo para aumentar la temperatura de los gases de escape.
4. Un oxidante catalítico para aumentar la temperatura de los gases de escape, con postinyección (HC-Doser).
5. Bobinas de calentamiento resistivo para aumentar la temperatura de escape.
6. Energía de microondas para aumentar la temperatura de las partículas.

Todos los sistemas activos a bordo utilizan combustible adicional, ya sea mediante la combustión para calentar el filtro de partículas diésel (DPF) o para alimentar su sistema eléctrico. Sin embargo, el uso de un catalizador incorporado en el combustible reduce significativamente la energía necesaria. Normalmente, un ordenador monitoriza uno o más sensores que miden la contrapresión y/o la temperatura, y, basándose en valores preprogramados, decide cuándo activar el ciclo de regeneración. El combustible adicional puede ser suministrado por una bomba dosificadora . Si se activa el ciclo con demasiada frecuencia manteniendo baja la contrapresión en el sistema de escape, el consumo de combustible será elevado. Si no se activa el ciclo de regeneración con la suficiente antelación, aumenta el riesgo de daños en el motor, regeneración incontrolada ( desbordamiento térmico ) y posible fallo del DPF.

Las partículas diésel se queman cuando se alcanzan temperaturas superiores a 600 °C. Esta temperatura puede reducirse a un rango de entre 350 y 450 °C mediante el uso de un catalizador incorporado al combustible. La temperatura real de combustión del hollín dependerá de la química empleada. A mediados de la década de 2010, científicos de 3M desarrollaron una versión dopada con magnesio de los catalizadores tradicionales a base de hierro, que redujo la temperatura necesaria para la oxidación de las partículas a poco más de 200 °C. La menor temperatura de reacción es posible gracias a que el dopante permite que la red de Fe retenga más oxígeno. ^{[ 53 ]} 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 la necesidad de quemar combustible adicional o calentar artificialmente el motor. La familia de catalizadores dopados con Mg , denominados catalizadores Grindstaff en honor al químico que inició el trabajo, ha sido objeto de mucha investigación en la industria y la academia debido al endurecimiento de las regulaciones sobre emisiones de partículas en todo el mundo. ^{[ 54 ] [ 53 ]}

En algunos casos, en ausencia de un catalizador en el combustible, la combustión de las partículas puede elevar la temperatura a niveles tan altos que superan el umbral de integridad estructural del material filtrante, lo que puede provocar una falla catastrófica del sustrato. Se han desarrollado diversas estrategias para limitar esta posibilidad. Cabe destacar que, a diferencia de un motor de encendido por chispa, que normalmente tiene menos del 0,5 % de oxígeno en el flujo de gases de escape antes del o 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 rápida regeneración del filtro, también contribuye a problemas de regeneración descontrolada.

Algunas aplicaciones utilizan la regeneración externa. La regeneración externa requiere la intervención del operador (es decir, la máquina se conecta a una estación de regeneración montada en la pared o en el suelo, o bien se retira el filtro de la máquina y se coloca en la estación de regeneración). La regeneración externa no es adecuada para vehículos de carretera, excepto en situaciones en las que los vehículos se estacionan en un depósito central cuando no están en uso. La regeneración externa se utiliza principalmente en aplicaciones industriales y mineras. Las minas de carbón (con el consiguiente riesgo de explosión por la humedad del carbón) utilizan la regeneración externa si se instalan filtros no desechables, y las estaciones de regeneración se ubican en un área donde se permite el uso de maquinaria no autorizada.

Muchas carretillas elevadoras también pueden utilizar la regeneración externa; normalmente, la maquinaria minera y otras máquinas que pasan toda su vida útil operativa en un solo lugar hacen que sea práctico contar con una estación de regeneración fija. En situaciones en las que el filtro se retira físicamente de la máquina para su regeneración, también existe la ventaja de poder inspeccionar el núcleo del filtro diariamente (los núcleos de los filtros de partículas diésel para aplicaciones no viales suelen tener un tamaño suficiente para ser utilizables durante un turno, por lo que la regeneración es un proceso diario). ^{[ 55 ]}

La EPA prohíbe la eliminación o manipulación intencional de un DPF . ^{[ 56 ]} El acto de eliminar dispositivos de control de emisiones, como un DPF, se conoce comúnmente como "eliminación". Varios fabricantes y distribuidores de dispositivos para eludir las emisiones diésel han sido multados con hasta 1 millón de dólares. ^{[ 57 ]}

• contaminación del aire
• Reducción catalítica selectiva
• Niebla tóxica
• diésel con contenido ultrabajo de azufre