Research Questions

Tal y como ha sido comentado en apartados anteriores, las partículas, compuestas mayoritariamente por hollín, hidrocarburos y sulfatos, son una de las principales emisiones de los motores diésel. En este sentido, los filtros de partículas DPF se utilizan para poder retener estas partículas físicamente cuando se hacen pasar los gases de escape a través de él antes de ser liberados a la atmósfera. Una vez dichas partículas han sido capturadas, son almacenadas y causan efectos de contrapresión en el motor que hacen necesario la existencia de procesos de regeneración que las eliminen.

Estos filtros son efectivos para retener las fases sólidas de las partículas como el carbono y las cenizas, sin embargo, para la fase orgánica soluble y los sulfatos solo puede ser retenida en determinados filtros y condiciones de operación. A pesar de que existe una amplia gama de filtros de partículas Diésel con distintos materiales y estructuras que definen sus prestaciones y durabilidad, el funcionamiento general de estos filtros es el siguiente.

Los filtros están formados por un cuerpo cerámico dentro de una carcasa metálica. Este cuerpo se divide en varios canales de tamaño microscópico paralelos y cerrados alternativamente. Cuando los gases de escape pasan a través del filtro, las partículas de hollín quedan retenidas en los conductos cerrados mientras que la fase gaseosa atraviesa las paredes porosas. En la Figura 2.7., las partículas sólidas están representadas por esferas azules que no pueden atravesar las paredes, y las fases gaseosas por líneas rojas que se filtran en el material poroso.

Figura 2.7. Representación filtro de partículas. [33]

Entre los requerimientos exigidos por estos filtros para poder filtrar y regenerar correctamente se encuentran algunos referidos a las características requeridas por los materiales a utilizar como por ejemplo la resistencia a elevadas temperaturas y gradientes térmicos ya que los gases de escape se encuentran muy calientes después de la combustión. Por esta razón, los materiales necesitan tener altas temperaturas máximas de operación así como resistencia al choque térmico. También se busca altas eficiencias de filtrado tanto en términos de masa como en número de partículas y baja pérdida de presión ya sea cuando el filtro se encuentra vacío o no. Para reducir los períodos de regeneración del filtro, se prefieren altas capacidades de acumulación de partículas. Otras de las características que se persiguen son buena resistencia y estabilidad química y mecánica debido a las vibraciones y el flujo de carácter pulsante. Por último, como parece lógico, se ha de evitar la generación de emisiones secundarias que comprometan la seguridad del vehículo y en general maximizar la vida útil y durabilidad del filtro.

44 No siempre se podrán conseguir todos estos requerimientos de forma conjunta, de modo que, dependiendo del caso y la aplicación, se optará por una solución de compromiso que satisfaga las funciones a cumplir y, a ser posible, tenga un bajo coste de fabricación y mantenimiento.

Existen bastantes tipos de filtros DPF: los filtros metálicos, los filtros de papel, los filtros de espumas cerámicas, los filtros cerámicos de flujo de pared… Estos últimos son los más utilizados debido a su mayor capacidad de filtrado y buena eficiencia a altas temperaturas que puede alcanzar un 99%.

Figura 2.8. Filtro cerámico de flujo de pared. [32]

Una vez, los filtros se han llenado de partículas de hollín se hace necesario un proceso de regeneración que vuelva a vaciar el filtro para que siga funcionando como es debido. Para eliminar este hollín se opta por su oxidación de modo continuo o periódico utilizando el oxígeno proveniente de las emisiones de NO2 que suelen formarse mayoritariamente en el DOC por la oxidación del NO. Para que estas reacciones sucedieran de forma espontánea, las temperaturas de la pared del monolito deberían estar entre los 500 y 600°C. Como los gases de escape no alcanzan estos valores, es necesario diseñar procesos o técnicas que permitan un aumento de las temperaturas que inicie el proceso de regeneración. Estos procesos dependiendo de la estrategia empleada pueden ser de tres tipos: activas, pasivas y mixtas.

La regeneración activa es un tipo de proceso térmico que consigue alcanzar la mínima temperatura de oxidación del hollín mediante un aporte de calor adicional que aumente la reactividad de la reacción. Esta energía puede provenir de estrategias de inyección mediante una post-inyección de combustible en la cámara de combustión o en la línea de escape. Este combustible se quema en el DOC produciendo un aumento de la temperatura a la entrada del DPF. Otro método es la incorporación de calentadores eléctricos pero al ser más complejo es menor atractivo. Por lo general, requieren un consumo adicional de combustible que penaliza la eficiencia del motor.

La regeneración pasiva se basa en reducir la temperatura de activación del hollín para evitar la necesidad de sistemas auxiliares como en el caso de la activa. Para conseguir bajar estas temperaturas se usan aditivos de oxidación como el NO2 proveniente del DOC, sustancias catalizadoras como metales nobles o aditivos en el combustible. Gracias a estas estrategias el hollín se oxida en condiciones normales de funcionamiento sin necesitar un aporte extra de combustible.

45 La regeneración mixta es una combinación de la regeneración activa y la pasiva que trata de controlar el proceso evitando excesos de combustible. Es un tipo de regeneración continua que no funciona demasiado bien a cargas bajas pero como ventaja reduce las cargas térmicas del monolito. Actualmente, es una técnica bastante utilizada por los fabricantes.