Filtro Catalizador de Partículas

Finalidad del Filtro de Partículas 
Durante la combustión se producen los siguientes gases en el escape: dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC), óxido de nitrógeno (NOx) y hollín. Hasta donde es posible, el control del aire de admisión y de la inyección de combustible aseguran  combustión completa de la mezcla y así se reduce la cantidad de sustancias tóxicas en el gas de escape. El control de las emisiones remueve el máximo de contaminantes posibles. Al incorporar el Catalizador de Oxidación Diesel se reduce la cantidad relativamente alta de óxido de nitrógeno (NOx) en los gases de escape. El catalizador por oxidación diesel convierte el óxido de nitrógeno del gas de escape en nitrógeno. Debido a la introducción de los sistemas de Inyección Diesel por Riel Común (CRDI), la salida de Material Particulado (PM) del vehículo se reduce, pero, debido a las altas presiones de inyección, el material particulado es mucho más pequeño y por lo tanto muy peligroso para el ser humano. Con el fin de cumplir con las demandas para los vehículos con baja emisión de particulados (regulación EURO – 4, 25mg/km), se aplican filtros de partículas a los modelos con cilindrada del motor de 2000cm³ como mínimo.

Material Particulado (PM)
La definición viene desde el año 1987 y fue establecida como un estándar nacional de calidad del aire para Material Particulado (brevemente llamado PM) de la Agencia de Protección del Medio Ambiente de US-América (EPA). Esto representa un cambio fundamental en la evaluación de las emisiones. Mientras que el total de emisiones era considerado anteriormente, ahora el enfoque esta en la cantidad irrespirable de emisiones. El material particulado es esencialmente responsable de los efectos de la contaminación del aire y sus efectos en la salud actualmente.
Estos efectos van desde enfermedades de las vías respiratorias (por ejemplo tos) pasando por el aumento de acumulaciones asmáticas hasta el cáncer al pulmón. Mientras más pequeña es la partícula (diámetros inferiores a 0,1 μm), más profundamente pueden penetrar en el pulmón. Las siguientes sustancias pueden encontrarse en el material particulado:

  • Fracciones Orgánicas Solubles (SOF): Partículas de combustible sin quemar, partículas de aceite
  • Fracciones Sólidas: Polvo, hollín, humo, vapor y otras partículas pequeñas de materias sólidas que están relacionadas o se mueven en el aire.
  • Sulfatos: Por ejemplo Ácidos o Agua.

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Construcción y Principio de Funcionamiento

Hay dos tipos diferentes de Filtros de Partículas ampliamente utilizados en la industria automotriz referidos como Filtro de Partículas Diesel (DPF) o Filtro Catalizador de Partículas (CPF). En un DPF, el catalizador por oxidación y el filtro de partículas están separados, mientras que en un CPF ambos componentes están incorporados en un solo cuerpo. El DPF y CPF filtran las partículas de hollín en los gases de escape por medio de un filtro poroso. Las paredes del filtro pueden estar compuestas de diferentes materiales porosos, que generalmente contienen fibras o polvos. Las fibras o el polvo consisten en cerámicas. Las cerámicas clásicas son la corderita y carburo de silicio (SiC). Se utiliza una estructura de canales, donde los canales están mutuamente bloqueados por una celda tapón. El gas de escape es forzado a fluir a través de las paredes cerámicas porosas. Los filtros de partícula tienen una relación muy alta de separación (> 95%) para partículas de todos los tamaños. Es común un pequeño aumento en el consumo de combustible. Este incremento puede deberse a la regeneración (post inyección) y por la alta contrapresión de escapes causada por el filtro. En la práctica este efecto es sin embargo difícilmente comprensible.

Ciclos de Conducción y Regeneración del Filtro

Los depósitos de partículas (hollín) se acumulan en las paredes del filtro y causan una diferencia de presión producida por la relación del flujo de escape. El aumento de la presión diferencial es por lo tanto una función de las partículas almacenadas. Con el fin de proteger el motor diesel contra una muy alta contrapresión de escape, las partículas deben ser quemadas en intervalos regulares con una alta presión diferencial. Este proceso es llamado regeneración. El monitoreo de la presión diferencial y la introducción de la regeneración son ejecutados por el Módulo de Control del Motor (ECM) / Módulo de Control del Tren de Potencia (PCM). Para quemar las partículas de hollín, se necesitan altas temperaturas. Para aumentar la temperatura de los gases de escape existen diferentes técnicas que pueden ser combinadas.

Ciclo de Conducción Urbano
Durante la conducción en la ciudad, la temperatura de los gases de escape es muy baja (alrededor de 200°C). Los principales contaminantes durante la conducción en ciudad son los Hidrocarburos (HC) y el Monóxido de Carbono (CO). Ellos son oxidizados en el catalizador con una alta relación de conversión. El gas es purificado de forma que sólo el Dióxido de Carbono (CO2) y vapor son evacuados por el escape.

Ciclo de Conducción Extra Urbano
Durante la conducción extra urbana, la temperatura de los gases de escape alcanza entre 300°C ~ 450°C. Se acumula hollín en la sección posterior del filtro de partículas, como se muestra en la figura #1. Bajo estas condiciones de conducción, se forma Oxido de Nitrógeno (NO). En condiciones apropiadas de temperatura, por ejemplo durante una alta velocidad de conducción, el Oxido de Nitrógeno (NO) reacciona con el oxígeno en los gases de escape. Esta reacción, NO convirtiéndose en Dióxido de Nitrógeno (NO2) tiene lugar solamente en la presencia de un catalizador. El NO2 es un gas muy reactivo. Es capaz de reducir la acumulación de hollín o hasta de quemar el hollín como se muestra en los destellos rojos de la figura #2. El catalizador puede oxidar el NO, el que aparece como un producto intermedio durante la quema del hollín, convirtiéndolo en NO2.

Conducción en Autopista
Durante la conducción en autopista, los gases de escape alcanzan una temperatura sobre 600°C. La figura #3 muestra un filtro que esta cargado con hollín. Debido a la alta velocidad de conducción, la temperatura es suficiente para encender el hollín. Este comienza a quemarse en la parte delantera del filtro (indicado en los destellos rojos). Aparece Monóxido de Carbono (CO) como un producto intermedio. El catalizador oxida el CO convirtiéndolo en Dióxido de Carbono (CO2). Esto produce calor que además promueve el proceso de quemado. La quema del hollín aumenta intensamente, especialmente en la sección posterior. Bajo estas condiciones de conducción el filtro puede ser completamente regenerado sin ninguna estrategia especial de control del motor.

Regeneración Dinámica del Filtro
Con el fin de alcanzar temperaturas de quemado de al menos 600°C bajo condiciones urbanas de conducción, se necesitan estrategias especiales de control del motor. El hollín se produce en el extremo del filtro de partículas, como se muestra en la figura #4. Bajo condiciones urbanas de conducción, este hollín no puede ser removido únicamente por la reacción con Dióxido de Nitrógeno (NO2). El procedimiento de control del motor bajo esta condición consiste en elevar la temperatura de los gases de escape agregando dos post inyecciones. El hollín alcanza la temperatura de encendido y se quema (figura #5). La combustión conduce a la formación usual de Dióxido de Carbono (CO2). El Monóxido de Carbono (CO) que se forma como un producto intermedio es oxidado catalíticamente. El calor de la reacción adicionalmente promueve la quema de hollín. De esta manera el filtro puede ser completamente regenerado.

 

Revisión del Sistema

El sistema de Filtro Catalizador de Partículas (CPF) esta compuesto por dos Sensores de Temperatura de Gas de Escape (EGTS) y un Sensor de Presión Diferencial (DPS). Las entradas del sensor son necesarias para monitorear la saturación del filtro de partículas y para iniciar y controlar el ciclo de regeneración.

Sensor de Presión Diferencial y Sensor de Temperatura

Sensor de Presión Diferencial
Este sensor (DPS) se utiliza para monitorear la cantidad de partículas almacenadas en el filtro. El DPS esta ubicado dentro del compartimiento del motor al lado derecho del torpedo. Esta conectado a puntos de medición delante y atrás del elemento del filtro a través de tuberías metálicas y mangueras de goma. El DPS mide la presión adelante y atrás del elemento del filtro de partículas. Mientras más partículas hay almacenadas dentro del filtro, menos gas de escape puede fluir a través de él, causando de esta forma un aumento de presión (contrapresión) en la parte delantera del elemento. Bajo esta condición la presión detrás del filtro disminuye. Esta diferencia de presión es medida por el DPS. Este es un sensor del tipo piezo eléctrico. La presión en ambas mangueras actúa contra un diafragma que se deforma dependiendo de las diferencias de presión. El DPS solamente reacciona ante diferencias de presión. ¡No puede medirse presión diferencial si esta es igual en ambos lados del sensor!.

Nota:
¡Los parámetros deben ser reiniciados cuando se reemplaza el DPS!
Referirse a la Sección de Servicio y Diagnóstico en este manual para mayor información.

Sensor de Temperatura
Se utilizan dos Sensores de Temperatura del Gas de Escape (EGTS) para medir la temperatura del flujo de escape. El EGTS #1, localizado en la parte delantera del Catalizador por Oxidación, se utiliza para prevenir la sobrecarga térmica y dañar el Turbo Cargador y el Catalizador.
Nota; ¡La posición del EGTS#1 difiere entre los modelos! El EGTS #2, localizado entre el Catalizador y el Filtro de Partículas, es utilizado por el ECM/PCM para decidir si se ha alcanzado la temperatura necesaria de los gases de escape para la regeneración del filtro de partículas. Ambos sensores son del tipo de Coeficiente Negativo de Temperatura (NTC). Las señales de salida de ambos sensores pueden observarse en los datos actuales. El EGTS#1 es también referido como T3 – VGT en el Manual de Servicio y el EGTS#2 es también el referido en el Manual de Servicio como T5 – CPF.

Entradas y Salidas

La carga del filtro de partículas (A) es constantemente calculada por el ECM/PCM. Las mayores entradas para el cálculo son la carga del motor (sensor de posición del estrangulador, TPS) y las rpm del motor (sensor de posición del cigüeñal, CKP). También se toman en cuenta otras señales tales como Temperatura del Refrigerante del Motor (ECT), Temperatura de Aire de Admisión (IAT), Señal de Velocidad del Vehículo (VSS), Temperatura de Gas de Escape 1/2 (EGTS 1/2) y Sensor de Presión Diferencial (DPS), para calcular la saturación del filtro. La regeneración del filtro también puede producirse bajo condiciones de conducción extra urbanas. Esta condición de regeneración es detectada por el EGTS#2 y también se toma en cuenta para calcular la saturación de filtro de partículas. Basado en las señales de entrada mencionadas arriba, el intervalo de regeneración del filtro es calculado por el ECM/PCM. El Sensor de Presión Diferencial (DPS) debe confirmar el cálculo dinámico (B) del ECM/PCM. Si los valores medidos por el DPS no concuerdan con el cálculo del ECM/PCM, se origina un Código de Diagnóstico de Falla (DTC).
Bajo esta condición se enciende la Luz Indicadora de Fallas (MIL).

Las principales razones para generar un DTC son:

  • Muchas regeneraciones fallidas
  • Muchas regeneraciones interrumpidas en una etapa temprana
  • Filtro de partículas saturado

Regeneración Dinámica
Si el ECM/PCM decide que el filtro de partículas necesita ser regenerado, se inicia una regeneración dinámica. Durante este proceso se agregan dos post inyecciones al patrón de inyección. La primera post inyección se produce muy cerca de la inyección principal. El propósito de ésta es aumentar la temperatura de combustión aproximadamente a 450°C. Por lo tanto la cantidad de combustible inyectado aumenta y la válvula EGR se cierra. El ECM/PCM cierra parcialmente el Actuador de Control del Estrangulador para reducir la cantidad de aire en la admisión. Cuando la temperatura medida en los gases de escape es de aproximadamente 350°C con el EGTS#2, se agrega una segunda post inyección al patrón de inyección. El combustible inyectado de esta segunda post inyección no se quema dentro de la cámara de combustión sino que se vaporiza y es quemada en el catalizador. Cuando la temperatura medida por el EGTS#2 alcanza aproximadamente 580°C, se inicia un contador en el ECM/PCM. El ECM/PCM detiene el ciclo de regeneración después de aproximadamente siete minutos deteniendo ambas post inyecciones. La cantidad de combustible para la post inyección se calcula sobre la base de la carga del motor y las rpm. Este se corrige adicionalmente con la temperatura del refrigerante del motor, temperatura de aire de la admisión y las señales del sensor de velocidad del vehículo. El proceso de regeneración es monitoreado constantemente por los Sensores de Temperatura del Gas de Escape #1 y #2 y el Sensor de Presión Diferencial (DPS).

Decisión del Modo de Regeneración

Si la saturación calculada del filtro alcanza un valor de aproximadamente 100%, el ECM/PCM inicia la regeneración dinámica.
La regeneración dinámica puede iniciarse solamente bajo las siguientes condiciones:

  1. Kilometraje:>1000km
  2. Velocidad del motor: 1000 – 4000rpm
  3. Carga del motor: alrededor de 0.7 bar (8mg/st)
  4. Velocidad del vehículo: > 5km/h
  5. Temperatura del Refrigerante del Motor: >40°C

La carga saturación del filtro cae bajo 100% después de un ciclo de regeneración. Si no puede realizarse una regeneración del filtro debido a las condiciones de conducción (baja velocidad / distancias cortas) y la saturación calculada del filtro excede de un cierto umbral, se genera un Código de Diagnóstico de Falla (DTC) y se enciende la luz MIL. Bajo estas circunstancias es necesario desarrollar un Servicio de Regeneración (estático).

Criterio de interrupción de la regeneración
Un ciclo de regeneración puede ser interrumpido bajo las siguientes condiciones:

  • El valor de temperatura medido por el sensor de temperatura de gas de escape es muy alto
  • El valor de temperatura medido por el sensor de temperatura del gas de escape es muy alto
  • La cantidad de combustible inyectado es muy alta o muy baja
  • RPM del motor muy altas o muy bajas
  • Encendido OFF
  • Corte de Inyección de combustible

Regeneración de Servicio (estática)
Bajo ciertas condiciones de conducción, por ejemplo, sólo en distancias cortas o baja velocidad de conducción, la regeneración del filtro no puede ser ejecutada por el ECM/PCM. Entonces se enciende permanentemente la luz MIL para indicar al cliente que debe ingresar al taller. Bajo esta condición es necesaria una Regeneración de Servicio (estática) del filtro de partículas. Referirse a la sección de Servicio y Diagnóstico en este manual.

Servicio y Diagnóstico

Regeneración de Servicio (estática)
Condición Forzada de Regeneración:

  • Temperatura del Refrigerante del Motor: alrededor de 70°C
  • Motor en Ralentí
  • Rango P (AT) o Neutro (MT)
  • Voltaje de batería normal
  • Cargas eléctricas en ON (ventilador del A/C a máxima velocidad, faros principales ON, Desempañador Trasero ON, etc).

Seleccionar Control del Motor en el menú del HI-SCAN Pro y elegir Regeneración del CPF. Luego confirmar los datos desplegados para distancia total conducida, distancia conducida desde la regeneración, extensión cubierta de conducción y tiempo del motor en ON presionando el botón enter. El motor ahora funcionará a una alta velocidad de ralentí hasta finalizar el ciclo de regeneración.

Reemplazo de Componentes
Al reemplazar los componentes del sistema CPF tales como Sensor de Presión Diferencial (DPS), Unidad CPF, Sensor de Flujo de Aire, etc. Los valores deben ser reiniciados. Seleccionar el componente apropiado desplegado en el menú del HI-SCAN Pro.

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