Este artículo describe los fundamentos del funcionamiento del filtro antipartículas (DPF / FAP) y proporciona un resumen de los procesos de filtración que ocurren en el DPF, los diferentes tipos de DPF de uso común y las diferencias en las estrategias de operación y regeneración del filtro.
Los filtros antipartículas funcionan atrapando partículas de hollín del escape del motor, evitando que lleguen al medio ambiente. A diferencia de un convertidor catalítico – diseñado para reducir las emisiones de fase gaseosa que fluyen a través del catalizador – el filtro de partículas está diseñado para atrapar y retener las partículas sólidas hasta que las partículas puedan oxidarse o quemarse en el propio FAP, a través de un proceso llamado regeneración.
Los filtros antipartículas más comunes en el uso generalizado son los filtros de panal de abeja de cerámica celular con canales que están conectados en extremos alternos, como se muestra en la Imagen 1. Los extremos del filtro, enchufados en un patrón de tablero de ajedrez, obligan a que el escape que contiene hollín fluya a través de las paredes porosas del filtro. Si bien el gas de escape puede fluir a través de las paredes, las partículas de hollín quedan atrapadas dentro de los poros del filtro y en una capa en la parte superior de las paredes del canal. El diseño de panal proporciona un área de filtración grande y minimiza las pérdidas de presión, convirtiéndose en el llamado filtro de flujo de pared estándar para la mayoría de las aplicaciones de filtración de escape diésel. Los materiales cerámicos se usan ampliamente para filtros de partículas, dada su buena durabilidad térmica, siendo los materiales cerámicos más comunes: cordierita, carburo de silicio y titanato de aluminio.
Los detalles del proceso de filtración se ilustran en la Imagen 1 (b), que muestra las partículas de hollín atrapadas a lo largo del canal de entrada, que está abierto en el extremo frontal pero tapado en el extremo posterior. Los filtros DPF (FAP) contienen varios cientos de canales o celdas por centímetro cuadrado (c/cm3), siendo el más común 30 c/cm3. Dado que la mitad de los canales están conectados en la parte frontal del DPF y la otra mitad están conectados en la parte posterior del filtro, solo la mitad de los canales del filtro acumulan hollín o cenizas. Es decir, solo los canales abiertos en el lado de entrada están expuestos al flujo de escape «sucio», mientras que los canales abiertos en el lado de salida permanecen limpios. Dado el pequeño tamaño de poro y el diseño de los filtros de panal, los DPF pueden lograr una eficiencia de captura de partículas del 99 % o más [1]. Debido a la alta eficiencia de captura y al diseño de la celda DPF, no debe pasar hollín ni cenizas visibles a través de las paredes del filtro. Las rayas negras o el hollín visible en los canales de salida son un signo seguro de falla del filtro.
Las partículas de hollín se capturan y retienen en el DPF mediante una combinación de filtración profunda dentro de los poros del filtro y filtración superficial a lo largo de las paredes del canal. El recuadro en la Imagen 1(c) muestra estos dos procesos, donde una pequeña fracción del hollín se acumula inicialmente en los poros del filtro (1) y luego construye una capa a lo largo de las paredes del canal (2). A medida que aumenta la carga de hollín en el filtro, también lo hace la eficiencia de captura del filtro, ya que el hollín acumulado proporciona una capa adicional para atrapar las partículas entrantes. Los mecanismos específicos de filtración de hollín, ya sea en los poros de la superficie de las paredes, juegan un papel importante en la determinación del aumento general de la contrapresión de escape (o caída de presión a través del filtro), que se muestra en la Imagen 2.
La porosidad de la mayoría de los DPF comerciales oscila entre el 40 % y el 60 %. Las paredes de estos filtros contienen una red compleja de poros en el rango de 10 a 30 micrómetros (micras) de diámetro [2]. En un DPF nuevo o limpio, la superficie del filtro está expuesta al flujo de escape y el hollín se acumula rápidamente en los poros de la superficie. Aunque solo una pequeña fracción del hollín total se acumula en los microporos del filtro, contribuye a un fuerte aumento en la caída de presión del filtro que se muestra en la Imagen 2. La posterior acumulación de hollín en el FAP forma una capa a lo largo de las paredes del canal, y da como resultado un aumento más lento y gradual de la caída de presión del filtro [3]. Dependiendo del nivel de carga de hollín y el tipo de filtro, la acumulación de poros puede representar el 50 % de la caída de presión del filtro o más en algunos casos. La respuesta no lineal del FAP a la acumulación de material complica la determinación de los niveles de carga de hollín o cenizas del filtro basándose solo en la caída de presión.
Para reducir la caída de presión del filtro debido a la acumulación de hollín, el filtro se regenera a través de un proceso que quema (oxida) el hollín. Existen dos categorías amplias de procesos de regeneración, aunque la mayoría de las aplicaciones comerciales usan alguna combinación de las dos. Esto es particularmente cierto con los vehículos o equipos que experimentan períodos prolongados de operación a baja temperatura de escape, como largos períodos de inactividad o ciclos de operación de baja velocidad/carga.
La regeneración activa requiere la adición de calor al escape para aumentar la temperatura del hollín hasta el punto en que se oxidará en presencia de exceso oxígeno en el escape. La combustión de hollín en oxígeno generalmente requiere temperaturas superiores a 550 °C. Dado que estas altas temperaturas generalmente no se producen durante el funcionamiento normal del motor, se utilizan varias estrategias para aumentar activamente la temperatura de escape [4]. Los sistemas de regeneración activa pueden incluir el uso de un quemador diésel para calentar directamente el escape que ingresa al DPF o el uso de un catalizador de oxidación diésel (COD) para oxidar el combustible diésel sobre el catalizador como un medio para aumentar la temperatura del DPF. El uso del COD también requiere un exceso de combustible diésel en el escape, que se puede lograr a través de un inyector de combustible (dosificador de hidrocarburos) montado en el escape aguas arriba del COD o mediante estrategias tardías de post inyección en el cilindro. Otras formas de regeneración activa incluyen el uso de elementos de calentamiento eléctrico, microondas o quemadores de plasma.
El uso de un COD en combinación con alguna forma de dosificación de combustible de escape es la estrategia de regeneración activa más común actualmente utilizada para aplicaciones dentro y fuera de la carretera. La duración de un evento de regeneración activa generalmente varía de 20 a 30 minutos en promedio, en condiciones normales de operación. En casos como la obstrucción severa del hollín del DPF, puede ser necesaria una regeneración estacionada, que puede durar hasta varias horas de quemado del hollín lentamente en condiciones más controladas. Independientemente de la estrategia específica, las regeneraciones activas siempre requieren un aporte de energía adicional (combustible adicional) para calentar el escape y el DPF a la temperatura requerida.
Regeneración pasiva, como su nombre indica, no requiere energía adicional para llevar a cabo el proceso de regeneración. En cambio, esta estrategia se basa en la oxidación del hollín en presencia de NO2, que puede ocurrir a temperaturas mucho más bajas en el rango de 250 °C a 400 °C. Se utiliza un catalizador para convertir el NO presente en el escape a NO2. Estos catalizadores requieren el uso de metales preciosos para facilitar la reacción, en particular el platino (Pt), que agrega un costo adicional al sistema. En algunos casos, el recubrimiento del catalizador se aplica directamente al DPF, como con un DPF catalizado (C-DPF), o también se puede usar un catalizador de oxidación (COD) aguas arriba [5]. Muchos sistemas comerciales utilizan una combinación de COD y C-DPF. El uso de los catalizadores permite la producción de NO2 y la oxidación del hollín a temperaturas que ocurren durante el funcionamiento normal del motor o del vehículo.
En un caso ideal, si la operación del motor resulta en una cierta cantidad de tiempo dentro de esta «ventana de temperatura» de regeneración pasiva, entonces la regeneración activa puede no ser necesaria. Sin embargo, en realidad, la operación a baja temperatura puede ocurrir por períodos prolongados de tiempo, como largos períodos de inactividad o operación de baja carga, particularmente en climas fríos, y aún puede ser necesaria cierta regeneración activa. En ausencia de regeneración activa, los períodos de funcionamiento a baja temperatura pueden complementarse con períodos de funcionamiento a alta temperatura (como la conducción prolongada en carretera) para inducir la regeneración pasiva.
Para reducir el consumo de combustible, se prefiere la regeneración pasiva, aunque la mayoría de los sistemas comerciales todavía utilizan la regeneración activa en diversos grados, según el ciclo de conducción y las condiciones de funcionamiento. Independientemente del método de regeneración, la oxidación del hollín (ya sea activa o pasiva) da como resultado material incombustible o cenizas que no pueden quemarse y permanece en el DPF. Es importante comprender las diferencias clave entre las cenizas y el hollín, así como sus impactos en el rendimiento del DPF al seleccionar el método de limpieza más apropiado para el filtro.
Comprender el diseño y el funcionamiento del DPF para recoger y atrapar partículas, ya sea en los poros o en la superficie, tiene un gran impacto en la facilidad con que las partículas se pueden eliminar más tarde. El hollín es fundamentalmente diferente de la ceniza en que el hollín puede oxidarse y eliminarse mediante regeneración, mientras que la ceniza es incombustible y permanece en el DPF hasta que se repare el DPF para la limpieza de cenizas.
