Sistema de filtración de partículas diésel
con aditivo

Diseño y funcionamiento
Está visto que la combustión seguirá siendo durante cierto tiempo un método importante para la transformación energética, tanto en las centrales eléctricas como en los automóviles o como fuego para la chimenea.
Todo fuego genera productos nocivos, derivados de la combustión, entre los cuales figuran las partículas de hollín.
El objetivo consiste en evitar riesgos para el medio ambiente y para la salud a raíz de la generación y liberación del hollín.
Estos aspectos y las estrictas normativas legales sobre las emisiones contaminantes dan motivo a nuestros ingenieros para que dirijan especial atención a establecer unas emisiones de partículas cada vez más bajas.
Una posibilidad para reducir las partículas de hollín la ofrece el filtro de partículas diésel.

Aspectos generales
Volkswagen persigue una estrategia a largo plazo en la reducción de las emisiones de escape – y no sólo en lo que respecta a las partículas del diésel, sino también a todos los demás componentes de los gases de escape, como son los hidrocarburos y los óxidos nítricos. Volkswagen viene emprendiendo desde hace años grandes esfuerzos por optimizar los procesos de combustión internos en los motores y reducir así las emisiones de hollín de los motores diésel. El éxito de estos esfuerzos se manifiesta en que en 1999 Volkswagen pudo ofrecer como primer fabricante de automóviles el Lupo 3L TDI, que es un vehículo que cumple con la severa norma Euro 4 sobre las emisiones contaminantes – seis años antes de entrar en vigor esta normativa para el año 2005.
Volkswagen se ha encargado de promover de forma decisiva el desarrollo del motor diésel higiénico, haciendo frente así a su responsabilidad por la protección del medio ambiente. Ejemplos a este respecto son la eficiente tecnología TDI de motores de consumos reducidos y baja sonoridad, así como el sistema de inyección por inyectores-bomba.
Volkswagen seguirá mejorando también en el futuro la combustión interna de sus motores, como un centro de enfoque esencial, para seguir reduciendo asimismo el consumo de combustible y las emisiones, directamente en la fuente que los produce.
Volkswagen complementará paso a paso estos esfuerzos con la implantación de sistemas para la filtración de partículas de los motores diésel.

Gases de escape
Normas sobre emisiones de escape
En la República Federal de Alemania, así como a niveles europeo y mundial se han emitido decretos y leyes que
persiguen la meta de reducir las emisiones contaminantes en el aire. Existen las normas europeas sobre emisiones
de escape EU1 hasta EU4. Establecen para la industria de automoción los límites de las emisiones de escape para la homologación de nuevos modelos de vehículos.

EU3
Desde el año 2000 rige la norma de emisiones de escape EU3 para vehículos de nueva matriculación.
Con respecto a la norma predecesora EU2 se distingue por especificar condiciones más rigurosas para las pruebas en el banco de rodillos, por exigir una reducción de los valores límite.

EU4
La norma EU4 entrará en vigor a partir del 2005 y sustituirá a la EU3. Supone una mayor reducción de los valores límite para la homologación.
Más de un 65 por ciento de los vehículos Volkswagen con motor diésel matriculados en Alemania ya cumplen desde ahora con la norma sobre emisiones de escape EU4.

Previsión de futuro
En un futuro se pretende que entre en vigor la EU5, una norma aún más estricta. Si bien todavía no están definidos
los límites que establecerá esta norma, desde ahora se sabe, sin embargo, que serán rebajados una vez más.
El límite de las emisiones de partículas para turismos con motor diésel será rebajado de forma importante según ello. Por ese motivo es preciso que en el futuro todos los turismos con motor diésel vayan equipados con un filtro de hollín.

Origen de los contaminantes en el ciclo de la combustión
La generación de contaminantes, y especialmente de las emisiones de partículas de hollín, se ven influenciadas por el proceso de la combustión en el motor diésel. Este proceso depende de numerosos factores tanto del diseño como propios del combustible y de las condiciones atmosféricas.
A continuación se expone un cuadro general sobre los componentes de entrada y salida que intervienen en el ciclo de combustión del motor diésel.

En lo que respecta a los efectos nocivos para el medio ambiente y la salud, los gases de escape del motor diésel contienen diversos componentes evaluables.
Son calificables de inofensivos los componentes que ya existen en la atmósfera, y que son el oxígeno, el nitrógeno y el agua.
El dióxido de carbono, contenido como un gas natural en la atmósfera, se encuentra dentro de un margen límite en lo que respecta a su catalogación.
Si bien no se trata de un gas tóxico, a medida que aumenta su concentración, sin embargo, se considera como el causante del «efecto invernadero».
En cambio, son nocivos el monóxido de carbono, los hidrocarburos, el dióxido de azufre, los óxidos nítricos y las partículas de hollín.

Contaminantes en los gases de escape
CO
Monóxido de
carbono
El monóxido de carbono (CO) se genera a raíz de una combustión incompleta de combustibles con contenido de carbono al faltar el oxígeno necesario.
Es un gas incoloro, inodoro e insípido.
S330_014

HC
Hidrocarburos
Se da el nombre de hidrocarburos a una multiplicidad de combinaciones diversas (por ejemplo C6H6, C8H18), que se originan por consecuencia de una combustión incompleta.
S330_016

SO2
Dióxido de azufre
El dióxido de azufre tiene su origen al quemarse un combustible con contenido de azufre. Es un gas incoloro, de olor penetrante. Los contendidos de azufre en los combustibles vienen siendo cada vez menores.
S330_018

NOx
Óxidos nítricos
Los óxidos nítricos (por ejemplo NO, NO2, …) surgen a causa de una alta presión, alta temperatura y exceso de oxígeno durante la combustión en el motor.
S330_020

Partículas de hollín
Por falta de oxígeno se producen partículas de hollín a causa de una combustión incompleta.
S330_022

Partícula
Entiéndese aquí por partícula el término genérico de todas las partes ínfimas de sólidos o líquidos que se originan por abrasión, trituración, erosión, condensación o por una combustión incompleta.
Estos procesos generan partículas de diferentes formas, tamaños y estructuras.
Las partículas vienen a ser sustancias contaminantes en el aire si son tan pequeñas, que están en condiciones de flotar en gases y en el organismo.

Partículas de hollín
En el proceso de la combustión en un motor diésel se producen partículas de hollín. Son esferas microscópicas de carbono, con un diámetro aproximado de 0,05 μm. En su núcleo constan de carbono puro. En este núcleo se asocian diversas combinaciones de hidrocarburos, óxidos metálicos y azufre.
Ciertas combinaciones de hidrocarburos se catalogan como sustancias críticas para la salud.
La composición exacta de las partículas de hollín depende de la tecnología aplicada en el motor, las condiciones de aplicación y el combustible empleado.

Originación de las partículas de hollín
El origen de las partículas de hollín en el motor diésel está supeditado a las diferentes operaciones que caracterizan a la combustión en el motor diésel, como son la alimentación de aire, la inyección o la propagación de la flama.
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Puede suceder que la mezcla sea demasiado rica en determinadas áreas de la cámara de combustión, por no haber suficiente oxígeno disponible.
En ese caso la combustión se mantiene incompleta y se produce la generación de partículas de hollín.

La masa de las partículas y su cantidad dependen básicamente, por tanto, de la calidad de la combustión en el motor. El sistema de inyección por inyector bomba trabaja con alta presión y tiene un desarrollo de la inyección que corresponde con las necesidades del motor para contar con una combustión eficiente, con lo cual viene a reducir la generación de partículas de hollín en el proceso de la combustión.
Una alta presión de la inyección y la correspondiente fina pulverización del combustible, sin embargo, no conducen necesariamente a que las partículas sean más pequeñas.
En mediciones se ha manifestado, que el reparto de los tamaños de las partículas en los gases de escape es independiente del principio de combustión aplicado en el motor, es decir, que son muy parecidos los resultados, indistintamente de que se trate de motores de cámara de turbulencia, common rail o inyector-bomba.

Medidas para la reducción de las emisiones de partículas
La reducción de las emisiones de gases de escape del motor diésel constituye un objetivo importante que se plantea a la hora de desarrollar el motor más a fondo.
Existe una serie de soluciones técnicas para la reducción de las emisiones de escape.
A este respecto se diferencia entre las medidas endomotrices y las ectomotrices.

Medidas endomotrices
Es posible conseguir una reducción de las emisiones por medio de medidas endomotrices.
Una optimización eficaz de la combustión se encarga de que desde un principio no se generen sustancias contaminantes.

A las medidas endomotrices pertenecen:
•La geometría específica de los conductos de admisión y escape, para establecer condiciones de flujo óptimas.
•Altas presiones de inyección por medio de la tecnología de inyectores-bomba
•La geometría específica de la cámara de combustión, por ejemplo, la reducción del espacio nocivo y el diseño específico de la cámara en la cabeza del pistón.

Medidas ectomotrices
Las medidas ectomotrices pueden impedir la liberación de las partículas de hollín que se generan con motivo de la combustión. Se entiende por estas medidas la reducción de las partículas de hollín por medio de un sistema de filtración.
Se distinguen dos diferentes sistemas – el filtro de partículas Diesel con aditivo y el filtro de partículas Diesel sin aditivo. En las páginas que siguen se explica exclusivamente la estructura y el funcionamiento del sistema de filtración de partículas Diesel con aditivo, que es el implantado actualmente por Volkswagen.

Sistema con aditivo
Este sistema se implanta en vehículos con el filtro de partículas alejado del motor. Debido al largo recorrido de los gases escape entre el motor y el filtro de partículas, la temperatura de encendido necesaria para la combustión de las partículas sólo se puede alcanzar agregando un aditivo.

Sistema sin aditivo
Este sistema será implantado en el futuro, en vehículos con el filtro de partículas instalado cerca del motor.
El corto recorrido de los gases de escape entre el motor y el filtro de partículas permite que la temperatura de los gases de escape todavía sea suficientemente alta para la combustión de las partículas.

Diseño y funcionamiento

Sistema de filtración de partículas diésel con aditivo

En el cuadro que se muestra más abajo se representan los componentes del sistema de filtración de partículas diésel. En las páginas siguientes se explica la arquitectura y el funcionamiento del sistema de filtración de partículas diésel con aditivo.
1 Unidad de control en el cuadro de instrumentos J285
2 Unidad de control del motor
3 Depósito de aditivo
4 Sensor de falta de aditivo para el combustible G504
5 Bomba para aditivo del filtro de partículas V135
6 Depósito de combustible
7 Motor diésel
8 Sensor de temperatura ante turbocompresor G507
9 Turbocompresor
10 Sonda lambda G39
11 Catalizador de oxidación
12 Sensor de temperatura ante filtro de partículas G506
13 Filtro de partículas
14 Sensor de presión 1 para gases de escape G450
15 Silenciador
16 Medidor de la masa de aire

Filtro de partículas

El filtro de partículas diésel (por ejemplo en el Passat con motor 2,0 l TDI) se monta en el ramal de escape, detrás del catalizador de oxidación.
Se encarga de retener por filtración las partículas de hollín que van contenidas en los gases de escape del motor.

Arquitectura
El filtro de partículas diésel consta de un cuerpo cerámico de carburo de silicio en diseño alveolar, alojado en una carcasa de metal. El cuerpo cerámico está dividido en múltiples canales microscópicos paralelos, cerrados alternadamente.

El carburo de silicio se caracteriza por las siguientes propiedades, que lo convierten en un buen material de filtración:
● Alta resistencia a efectos mecánicos
● Muy buena resistencia a cambios de temperatura
● Capacidad de soportar cargas térmicas y conductividad
● Alta resistencia al desgaste

Funcionamiento
Al pasar los gases por el filtro se retienen las partículas de hollín en los conductos de entrada, mientras que los componentes gaseosos del escape pueden atravesar las paredes porosas del filtro cerámico.

Regeneración
El filtro de partículas diésel tiene que ser despejado de forma sistemática, eliminándose las partículas de hollín, para evitar que se obstruya y se afecte su funcionamiento. Durante el ciclo de regeneración, las partículas de hollín retenidas en el filtro se someten a combustión, a una temperatura de 500 °C, aproximadamente. La temperatura propiamente dicha para el encendido del hollín es de unos 600- 650 °C. Esta temperatura de los gases de escape únicamente se puede alcanzar a plena carga en el
motor diésel.
Para poder asegurar la regeneración del filtro de partículas diésel en todas las condiciones operativas se procede a reducir la temperatura de ignición del hollín a base de agregar un aditivo, a la vez que se aumenta la temperatura de los gases de escape por medio de un ciclo de gestión específica del motor.
El ciclo de regeneración lo gestiona la unidad de control del motor.

Durante el ciclo de regeneración se queman las partículas retenidas en el filtro.
Según la forma de conducir, el ciclo interviene cada 500-700 kilómetros y tarda unos 5 a 10 minutos.
El ciclo de regeneración no es perceptible para el conductor.

Aditivo
El aditivo es un activador de contenido férrico, que se disuelve en una mezcla de hidrocarburos.
En el Passat se aloja en un depósito de material plástico, instalado aparte en la cavidad para la rueda de repuesto.

El aditivo asume la función de reducir la temperatura de combustión de las partículas de hollín, con objeto de posibilitar el ciclo de regeneración para el filtro de partículas, también a régimen de carga parcial.
La temperatura de ignición del hollín es de unos 600-650 °C. Los gases de escape del motor diésel sólo alcanzan estas temperaturas al funcionar a plena carga. Con el aditivo se reduce la temperatura de ignición del hollín a unos 500 °C.
El aditivo entra automáticamente en el depósito de combustible a través de la tubería de retorno después de cada repostaje. Esto sucede por medio de una bomba para aditivo del filtro de partículas, gestionada por la unidad de control del motor.
La cantidad repostada se determina analizando en la unidad de control del motor las señales procedentes del sensor de nivel de combustible. Después de cada ciclo de dosificación concluido viene dada una concentración de 10 ppm (partes por millón) de moléculas de hierro en el combustible.
Esto equivale a una relación de mezcla de aprox.
1 litro de aditivo sobre 2.800 litros de combustible.
El aditivo agregado al combustible pasa conjuntamente con el hollín al filtro de partículas.
Allí se deposita entre las partículas de hollín.

(Fin de primera parte)