Principio de funcionamiento del DPF: filtración y regeneración
Para comprender el DPF es necesario comprender sus dos procesos principales:
1. Proceso de filtración
El sustrato DPF suele ser una estructura alveolar hecha de paredes porosas de carburo de silicio o cordierita, con canales alternos bloqueados en los extremos de entrada y salida.
Los gases de escape se ven obligados a atravesar las paredes porosas entre los canales.
Las partículas quedan atrapadas en las paredes porque su tamaño es mayor que el diámetro de los poros de la pared.
Este proceso es altamente eficiente, con una eficiencia de filtración de hollín superior al 95%.
2. Proceso de regeneración
Ésta es la esencia de la tecnología DPF. Si solo se recoge hollín pero no se elimina, las partículas se acumularán continuamente, lo que provocará que la contrapresión de escape aumente drásticamente, lo que eventualmente provocará un mal funcionamiento del motor. Por lo tanto, las partículas recogidas deben quemarse periódicamente, un proceso conocido como regeneración.
Desafío principal: La temperatura de ignición del hollín puro es muy alta (alrededor de 550–600°C), mientras que las temperaturas normales de escape del diésel, especialmente durante la conducción urbana, oscilan solo entre 150–300°C y no pueden quemar el hollín de forma natural.
Función del catalizador: El objetivo principal del catalizador DPF es reducir significativamente la temperatura de oxidación del hollín a través de reacciones químicas, permitiendo que se queme dentro del rango normal de temperatura de escape durante el funcionamiento del motor.
Tipos y composición de catalizadores DPF
Los catalizadores DPF no son unidades independientes sino que están integrados con el sustrato DPF en forma de recubrimiento. Hay tres métodos de implementación principales:
1. DPF recubierto de catalizador
Este es el tipo más común, donde el recubrimiento del catalizador se aplica directamente sobre las paredes porosas del sustrato DPF.
Sustrato: Carburo de silicio poroso o cordierita DPF.
Recubrimiento: De manera similar al DOC, se utiliza una gran área superficial de γ-alúmina como recubrimiento base.
Componentes activos:
Metales preciosos como el platino y el paladio: han sido opciones habituales en los primeros sistemas y en muchos sistemas actuales.
Mecanismo de acción:
Oxidación de NO a NO₂: El catalizador oxida el NO en el escape a NO₂. NO₂ es un agente oxidante fuerte que reacciona con el hollín a temperaturas relativamente bajas (~250–300°C): C 2NO₂ → CO₂ 2NO. Esta reacción es clave para lograr la regeneración pasiva.
Oxidación directa: A temperaturas más altas, el catalizador también promueve la reacción directa entre el oxígeno y el hollín.
2. Catalizador de tipo aditivo de combustible
En este método, el catalizador no se recubre con el DPF sino que se añade directamente al combustible en forma de un aditivo a base de metal.
Aditivo: Normalmente, compuestos organometálicos de cerio o hierro.
Principio: Después de la combustión, las partículas metálicas del aditivo ingresan al DPF con los gases de escape y se incrustan uniformemente en la capa de hollín recolectada. Durante la regeneración, estas partículas metálicas actúan como catalizadores, reduciendo significativamente la temperatura de oxidación del hollín (hasta ~450 °C).
Ventajas: El catalizador se mezcla uniformemente con el hollín, lo que garantiza un contacto suficiente y una alta eficiencia de regeneración.
Desventajas: Requiere sistemas adicionales de almacenamiento e inyección de aditivos, aumenta los costos y los residuos de cenizas de óxido metálico se acumulan en el DPF, lo que requiere una limpieza periódica.
3. DPF catalítico
Este es un concepto que se confunde fácilmente pero es importante. Se refiere a la integración de la funcionalidad DOC y la funcionalidad DPF en un solo componente, es decir, la aplicación de un catalizador de oxidación de alta dosis (como platino o paladio) en la entrada del DPF.
Función: Puede oxidar CO y HC como un DOC y generar NO₂ para la regeneración pasiva, al mismo tiempo que captura partículas como un DPF.
Aplicación: Se utiliza comúnmente en sistemas de postratamiento compactos donde el espacio es limitado.
Estrategias de regeneración del DPF
La presencia de un catalizador DPF permite las siguientes estrategias de regeneración:
1. Regeneración pasiva
Proceso: Durante el funcionamiento normal del vehículo, cuando la temperatura de escape alcanza un cierto nivel (por ejemplo, durante un crucero por carretera), el catalizador DPF genera continuamente NO₂, que oxida constantemente el hollín acumulado.
Características: Este proceso es imperceptible para el conductor y es el método de regeneración más deseable. Sin embargo, se requiere suficiente temperatura de escape y coordinación con el DOC ascendente para suministrar NO₂.
2. Regeneración activa
Proceso: Cuando el ordenador de a bordo del vehículo detecta a través del sensor de presión diferencial que el DPF está suficientemente obstruido y no es posible la regeneración pasiva, el sistema interviene activamente.
Métodos de intervención: Al retrasar la inyección de combustible o realizar una posinyección, el combustible no quemado ingresa al DOC, sufre oxidación y produce gases de escape a alta temperatura por encima de 600°C, que luego se dirigen al DPF, lo que permite que el hollín se oxide rápidamente con oxígeno a altas temperaturas.
Función del catalizador: En este modo, el hollín se puede quemar incluso sin catalizador a altas temperaturas. Sin embargo, la presencia del catalizador reduce la temperatura de regeneración requerida, acorta el tiempo de regeneración y reduce el consumo de combustible.
3. Regeneración de servicios
Proceso: Si el vehículo funciona consistentemente en condiciones de corta distancia o baja velocidad, lo que impide completar la regeneración activa, el personal de servicio debe utilizar equipos especializados para realizar la regeneración forzada.
Desafíos y consideraciones clave
1. Acumulación de cenizas: Los aditivos del aceite de motor (como calcio, zinc, fósforo, azufre, etc.) producen cenizas no combustibles durante la combustión. La ceniza obstruye permanentemente los canales DPF, provocando un aumento gradual de la contrapresión. Este es el factor limitante último para la vida útil del DPF y requiere desmontaje, limpieza o reemplazo periódicos (normalmente después de varios cientos de miles de kilómetros).
2. Envenenamiento del catalizador: Sustancias como el azufre y el fósforo pueden envenenar el recubrimiento del catalizador en el DPF, reduciendo su actividad catalítica.
3. Gestión térmica: El control de la temperatura durante la regeneración activa es fundamental. Las temperaturas excesivas pueden provocar que el sustrato DPF se derrita o se agriete debido al estrés térmico.
4.Calidad del combustible: El combustible con alto contenido de azufre puede degradar gravemente el rendimiento del catalizador y generar un aumento de cenizas de sulfato.
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