Gases de Escape y Sistemas Anticontaminación 2da Parte

Filtro de partículas (motores Diesel)

Las partículas (hollín) generadas por un motor Diesel son perceptibles por el denso humo negro que deja tras de sí un vehículo propulsado por este tipo de motor en plena aceleración. El gasóleo está formado por cadenas de hidrocarburos mucho mayores y pesadas que la gasolina. Cuando el motor trabaja a cargas medias y bajas se inyecta muy poco combustible en comparación con el aire introducido en los cilindros, de modo que en todo el volumen de la cámara hay una gran cantidad de oxígeno para completar la combustión. Sin embargo, cuando se hace trabajar el motor a plena carga (por ejemplo, en una aceleración), puede ocurrir que una parte de la gran cantidad de combustible inyectada no encuentre en sus inmediaciones un volumen suficiente de oxígeno como para terminar la oxidación, haciendo que queden tras la combustión largas cadenas de hidrocarburos parcialmente oxidadas, que tienden a reagruparse y formar el hollín.

En lo que respecta a los efectos nocivos para el medio ambiente y la salud de las personas, los gases de escape del motor diésel contienen diversos componentes contaminantes. Ademas de los componentes contaminantes que emiten los motores Otto, el motor Diesel suma a estos, el dióxido de azufre y las partículas de hollín.

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

Partículas de hollín: estas partículas se producen por falta de oxigeno a causa de una combustión incompleta.

En el proceso de la combustión en un motor diesel 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 metálicas y azufre. Ciertas combinaciones de hidrocarburos se catalogan como sustancias criticas 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.

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Origen 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. La calidad de la combustión depende del modo en que se genere la mezcla de combustible y aire. 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.

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Medidas para la reducción de las emisiones de partículas
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
Consisten en una optimizacion eficaz de la combustión para que no se genere desde un principio sustancias contaminantes.
A las medidas endomotrices pertenecen:

La geometría especifica de los conductos de admisión y escape, para establecer condiciones de flujo optimas.
Altas presiones de inyección por medio de la tecnología de inyectores-bomba.
La geometría especifica de la cámara de combustión, por ejemplo, la reducción del espacio nocivo y el diseño especifico de la cámara en la cabeza del pintón.

Medidas ectomotrices
Consisten en la reducción de las partículas de hollín por medio de un sistema de filtración en los gases de escape.
Se distinguen dos diferentes sistemas:

Filtro de partículas Diesel con aditivo.
Filtro de partículas Diesel sin aditivo.

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.

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Sistema sin aditivo
Este sistema esta implantado, 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.

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Sistema de filtración de partículas diésel con aditivo

En la figura inferior se representan los componentes del sistema de filtración de partículas diésel, se puede ver la situación del filtro de particulas en la linea de escape del motor.

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Filtro de particulas
El filtro de partículas diésel 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.

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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 mecanicos
Muy buena resistencia a cambios de temperatura
Capacidad de soportar cargas termicas y conductividad
Alta resistencia al desgaste

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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.

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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 algunos vehículos 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.

Cargas de hollín en el filtro de partículas
La unidad de control del motor vigila continuamente las cargas de hollín en el filtro de partículas a base de calcular la resistencia de flujo del filtro. Para determinar la resistencia de flujo se procede a poner en relación el caudal volumétrico de los gases de escape ante el filtro de partículas con respecto a la diferencia de presión antes y después del filtro de partículas.

Diferencia de presión
La diferencia de presión del caudal de aire antes y después del filtro de partículas se determina por medio del sensor de presión para los gases de escape.

Caudal volumétrico de los gases de escape
El caudal volumétrico de los gases de escape es calculado por la unidad de control del motor, recurriendo a las señales de la masa de aire en el conducto de escape y de la temperatura de los gases de escape ante el filtro de partículas. La masa de aire de los gases de escape es aproximadamente equivalente a la masa de aire que fluye por el conducto de admisión y que se determina con ayuda del medidor de la masa de aire. El volumen de la masa de aire de los gases de escape depende de su temperatura momentánea. Ésta se determina con ayuda del sensor de temperatura ante el filtro de partículas.
En consideración de la temperatura de los gases de escape, la unidad de control del motor puede calcular el caudal volumétrico de los gases de escape, tomando como base el flujo de la masa de aire de éstos.

Resistencia de flujo en el filtro de partículas
La unidad de control del motor pone en relación la diferencia de presión con respecto al caudal volumétrico de los gases de escape y obtiene de esa forma la magnitud de resistencia de flujo en el filtro de partículas. Con ayuda de la resistencia de flujo, la unidad de control del motor detecta las cargas de hollín en el filtro.

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Gestión del motor durante el ciclo de regeneración
Conociendo la resistencia de flujo de los gases de escape para atravesar el filtro, la unidad de control del motor deduce de ahí el estado de saturación del mismo.
Una intensa resistencia de flujo indica que el filtro tiende a obstruirse. A raíz de ello, la unidad de control del motor pone en vigor el ciclo de regeneración. A esos efectos:

Se desactiva la recirculación de gases de escape, para aumentar la temperatura de la combustión.
Tras una inyección principal con una dosificación reducida, 35° del cigüeñal después del punto muerto superior del pistón, pone en vigor un ciclo de post-inyección, para subir la temperatura de los gases de escape.
Regula con la mariposa eléctrica la alimentación del aire aspirado.
adapta la presión de sobrealimentación, para evitar que el par del motor se altere de forma perceptible para el conductor durante el ciclo de regeneración. De esta manera el conductor no percibe alteraciones en la marcha normal del vehículo.

Esquema de la gestión electrónica diesel para el filtro de partículas con aditivo

Rastrojero


Sensores y actuadores

Sensores

Sensor de presión para gases de escape
El sensor de presión para gases de escape trabaja según el principio piezoeléctrico. El sensor de presión para gases de escape mide la diferencia de presión en el caudal de los gases de escape antes y después del filtro de partículas. La señal del sensor de presión para gases de escape, la señal del sensor de temperatura ante el filtro de partículas, así como la señal del medidor de la masa de aire constituyen una unidad indivisible en lo que respecta a la determinación del estado de las cargas en el filtro de partículas.

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Efectos en caso de ausentarse la señal
Si se ausenta la señal del sensor de presión para gases de escape, la regeneración del filtro de partículas se lleva a cabo primeramente de forma cíclica, en función del recorrido efectuado o de las horas en funcionamiento. Sin embargo, a largo plazo no es posible regenerar así de forma operativamente segura el filtro de partículas.
Tras una cantidad de ciclos definida se enciende primeramente el testigo luminoso para el filtro de partículas diésel y luego parpadea el testigo de precalentamiento en el cuadro de instrumentos. De ese modo se indica al conductor la necesidad de acudir al taller.

Arquitectura
El sensor de presión para gases de escape tiene dos empalmes de presión. Uno lleva un tubo de presión hacia el caudal de los gases de escape delante del filtro de partículas y el otro hacia el caudal de los
gases de escape detrás del filtro de partículas.
El sensor contiene un diafragma con elementos piezoeléctricos, que actúan en función de las presiones de los gases de escape.

Funcionamiento:

Filtro de partículas vacío
Si el filtro de partículas tiene cargas muy bajas, la presión delante y detrás del filtro viene a ser casi idéntica. El diafragma con los elementos piezoeléctricos se encuentra en posición de reposo.

Filtro de partículas saturado
Si se ha depositado hollín en el filtro de partículas, la presión de los gases de escape ante el filtro aumenta, manifestándose en forma de un volumen de flujo menos intenso.
La presión de los gases de escape detrás del filtro se mantiene casi invariable. El diafragma se deforma en función de la diferencia de presiones. Esta deformación modifica la resistencia eléctrica de los elementos piezoeléctricos, que van interconectados en forma de un puente de medición.
La tensión de salida de este puente se acondiciona en la electrónica del sensor, se intensifica y se trasmite como señal de tensión a la unidad de control del motor. Previo análisis de esta señal, la unidad de
control del motor detecta el estado de saturación del filtro de partículas y pone en vigor un ciclo de regeneración para la limpieza del filtro.

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Sensor de temperatura anterior al filtro de partículas
El sensor de temperatura antes del filtro de partículas es un sensor PTC. En un sensor PTC (positive temperature coefficient) la resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura. Va situado en el ramal de escape antes del filtro de partículas diésel y mide allí la temperatura de los gases de escape.
Con ayuda de la señal procedente del sensor de temperatura, la unidad de control del motor calcula el caudal volumétrico de los gases de escape y deriva de ahí el estado de saturación en que se encuentra el filtro de partículas.
La señal del sensor de temperatura, mas la señal del medidor de la masa de aire y la señal del sensor de presión para gases de escape constituyen una unidad indivisible para la determinación del estado de saturación en que se encuentra el filtro de partículas.
La señal se emplea asimismo como protección, es decir, para proteger el filtro de partículas contra temperaturas excesivas de los gases de escape.

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Efectos en caso de ausentarse la señal
Si se ausenta la señal del sensor de temperatura ante el filtro de partículas, la regeneración del filtro de partículas se efectúa de forma cíclica, en función del recorrido efectuado o de las horas de servicio.
Sin embargo, el filtro de partículas no se puede regenerar de forma fiable de este modo a largo plazo. Después de un número de ciclos específico se enciende primeramente el testigo luminoso para filtro de partículas diésel y más tarde parpadea el testigo luminoso de precalentamiento en el cuadro de instrumentos. Esto señaliza al conductor la necesidad de acudir al taller.


Sensor de temperatura antes del turbocompresor
El sensor de temperatura antes del turbocompresor es un sensor PTC. Va situado en el ramal de escape ante el turbocompresor y mide allí la temperatura de los gases de escape.
La unidad de control del motor necesita la señal procedente de este sensor, para calcular con ella el momento y la dosificación de la post-inyección durante el ciclo de regeneración. De esa forma se consigue el aumento necesario de temperatura de los gases de escape para poder quemar las partículas de hollín. Con esta señal se protege adicionalmente el turbocompresor contra temperaturas excesivas durante el ciclo de regeneración.

Efectos en caso de ausentarse la señal
Si se avería este sensor deja de ser posible proteger el turbocompresor contra temperaturas inadmisiblemente altas. En ese caso ya no se produce el ciclo de regeneración para el filtro de partículas Diésel.
El testigo de precalentamiento se enciende para indicar al conductor la necesidad de que acuda al taller. Para reducir las emisiones de hollín se procede a desactivar la recirculación de los gases de escape.


Sonda lambda
La sonda lambda es una versión de banda ancha. Va situada en el colector de escape antes del catalizador de oxidación.
Con la sonda lambda es posible determinar el contenido de oxígeno en los gases de escape, disponiendo para ello de un extenso margen de medición. Con relación al sistema de filtración de partículas diésel, la unidad de control del motor emplea la señal de la sonda lambda para el cálculo exacto de la cantidad y el momento de la postinyección para el ciclo de regeneración. Para que la regeneración del filtro de partículas sea eficaz se necesita un contenido mínimo de oxígeno en los gases de escape a una alta temperatura uniforme. Esta regulación se posibilita con ayuda de la señal de la sonda lambda, puesta en relación con la señal procedente del sensor de temperatura ante el turbocompresor.

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Efectos en caso de ausentarse la señal
La regeneración del filtro de partículas resulta menos exacta, pero sigue siendo operativamente fiable. La avería de la sonda lambda puede provocar un aumento de las emisiones de óxidos nítricos.

Medidor de la masa de aire
El medidor de la masa de aire por película caliente va instalado en el conducto de admisión. Con ayuda del medidor de la masa de aire, la unidad de control del motor detecta la masa de aire efectivamente
aspirada. Con relación al sistema de filtración de partículas diésel se utiliza la señal para calcular el caudal volumétrico de los gases de escape y poder determinar de ahí el estado de saturación del filtro de
partículas.
La señal del medidor de la masa de aire, mas la señal del sensor de temperatura ante el filtro de partículas y la señal del sensor de presión para los gases de escape constituyen una unidad indivisible para determinar el estado de saturación del filtro de partículas.

Rastrojero


Efectos en caso de ausentarse la señal
Si se ausenta la señal del medidor de la masa de aire, la regeneración del filtro de partículas se efectúa de forma cíclica, en función del recorrido o de las horas de servicio. Sin embargo, a largo plazo el filtro de partículas no se puede regenerar de forma fiable de este modo.
Tras una cantidad definida de ciclos se enciende primeramente el testigo luminoso para filtro de partículas diésel y luego parpadea el testigo luminoso de precalentamiento en el cuadro de instrumentos. Con ello se indica al conductor la necesidad de acudir a un taller.

Sensor de falta de aditivo para el combustible
El sensor de falta de aditivo para el combustible se encuentra en el depósito de aditivo. A partir de un contenido residual definido en el depósito de aditivo, la señal del sensor de falta de aditivo en el combustible activa en el cuadro de instrumentos el testigo luminoso de precalentamiento. De esa forma se indica al conductor que existe un fallo en el sistema de filtración de partículas diésel y que es necesario acudir al taller.
Si la cantidad disponible de aditivo es demasiado baja se suprimen además los ciclos de regeneración para el filtro de partículas y se reduce la potencia del motor.

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En el vástago del sensor de falta de aditivo para el combustible va montado un contacto de Reed. Sus contactos se accionan por el efecto del anillo magnético que va instalado en el flotador.

Si el depósito contiene suficiente aditivo, el flotador se encuentra en el tope superior. El contacto de Reed está abierto.
Si el depósito contiene muy poco aditivo, el flotador baja hasta el tope inferior, cerrando el contacto de Reed por el efecto del anillo magnético. El testigo luminoso para precalentamiento se activa.


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Efectos en caso de ausentarse la señal
Si se ausenta la señal del sensor de falta de aditivo para el combustible se inscribe una avería en la memoria de la unidad de control del motor.

Actuadores

Bomba para aditivo
La bomba para aditivo es una bomba de émbolo alternativo, que impele el aditivo hacia el depósito de combustible. Va atornillada al depósito de aditivo.
Después de cada repostaje, la unidad de control del motor aplica una excitación periodificada a la bomba, para dosificar el aditivo en la cantidad correcta.


Funcionamiento
La bomba sin corriente se halla cargada con aditivo. En cuanto la unidad de control del motor excita la bomba, aplica corriente al bobinado electromagnético y el inducido se encarga de desplazar el émbolo de la bomba superando la fuerza del muelle. El émbolo cierra el taladro de afluencia hacia la cámara interior de la bomba e impele en dirección hacia la bola de la válvula el aditivo que se encuentra la cámara interior. Esta operación genera una presión, con la que la bola de la válvula abre la cámara interior de la bomba. Ahora pasa al depósito de combustible la cantidad de aditivo definida con exactitud a través del volumen creado en la cámara interior de la bomba.

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Durante el ciclo aspirante entra el aditivo en la cámara del inducido. El bobinado electromagnético no se encuentra excitado por la unidad de control del motor, por lo que el muelle oprime el émbolo de la
bomba en retorno. La bola de la válvula cierra al mismo tiempo la cámara interior de la bomba.

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Testigo luminoso para filtro de partículas Diesel
El testigo luminoso para filtro de partículas diésel se encuentra en el cuadro de instrumentos. Se enciende cuando el filtro de partículas diésel no puede ser regenerado, debido a que el vehículo se somete a recorridos extremadamente cortos.

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Misión
Si el vehículo se somete a recorridos cortos durante un largo plazo puede resultar afectada la regeneración del filtro de partículas Diésel. Esto puede provocar daños en el filtro de partículas en el motor. Si durante un tiempo relativamente prolongado, el motor no alcanza la temperatura de servicio necesaria para quemar el hollín retenido en el filtro de partículas, el testigo luminoso se enciende en el cuadro de instrumentos.
Con esta señal se indica al conductor la necesidad de que conduzca durante un período relativamente breve a una velocidad superior constante. El aumento de temperatura en los gases de escape que se
consigue de esa forma puede provocar la inflamación del hollín en el filtro de partículas. El testigo luminoso se debe apagar después de esa medida.

Testigo de exceso de contaminación K83 (MIL)
Los componentes del sistema de filtración de partículas diésel que tienen relevancia para la composición de los gases de escape se someten a verificación con motivo de la Eurodiagnosis de a bordo (EOBD) en lo que respecta a averías y funciones anómalas. El testigo de exceso de contaminación (MIL = malfunction indicator light) señaliza las averías detectadas por el sistema EOBD.

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Esquema eléctrico

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Sistema de filtración de partículas diesel sin aditivo


También denominado como sistema del filtro de partículas diesel con recubrimiento catalítico. Se implanta en vehículos donde el filtro de partículas esta instalado cerca del motor. Debido a los cortos recorridos de los gases de escape entre el motor y el filtro de partículas, la temperatura de los gases de escape todavía es suficiente para la combustión de las partículas.
En la figura inferior se muestra un sistema con escape monocaudal. En los sistemas de escape de caudal múltiple (dos o mas tubos de escape), los filtros de partículas y los sensores se implantan respectivamente una vez en cada ramal de gases de escape.

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Constitución del filtro de partículas
El filtro de partículas diesel con recubrimiento catalítico va situado en el ramal de escape, cerca del motor, detrás del turbocompresor.
Se han combinado dos componentes en la misma unidad: el catalizador de oxidación y el filtro de partículas, dando por resultado el filtro de partículas diesel con recubrimiento catalítico. Este sistema combina la
función del catalizador de oxidación con la del filtro de partículas diesel en un solo componente.

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El filtro de partículas diesel se encarga de retener las partículas de hollín contenidas en los gases de escape. En su función de catalizador de oxidación se encarga de depurar los gases de escape en lo que respecta a los contenidos de hidrocarburos (HC) y monóxido de carbono (CO). Estos contaminantes se transforman en agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2).

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Estructura
El filtro de partículas diesel consta de un cuerpo cerámico alveolar de carburo de silicio, alojado en una carcasa de metal. El cuerpo de cerámica está dividido por una gran cantidad de pequeños conductos paralelos, cerrados de forma alternativa. De ahí resultan conductos de admisión y escape separados por las paredes filtrantes. Las paredes filtrantes de carburo de silicio son porosas.
El cuerpo de carburo de silicio está recubierto con una combinación de óxido de aluminio y óxido de cerio. Esta combinación se utiliza como sustrato para el catalizador. El sustrato está recubierto con el metal noble del platino, que hace las veces de catalizador.
Un catalizador es una sustancia que respalda o inhibe una reacción química, sin experimentar ella misma ninguna modificación por ese motivo.

Gases de Escape y Sistemas Anticontaminación 2da Parte



Funcionamiento
En virtud de que los conductos están cerrados alternadamente en dirección de entrada y salida, los gases de escape con cargas de hollín que tienen que pasar por las paredes filtrantes porosas de carburo de silicio. En contraste con los componentes gaseosos, las partículas de hollín son retenidas en los conductos de entrada.


Zonas de recubrimiento en el filtro de partículas diesel
El filtro de partículas diesel debe tener una longitud específica para contar con una gran capacidad de retención de hollín. Asimismo se lo tiene que recubrir con una determinada cantidad de platino para conseguir el efecto catalítico deseado.
El recubrimiento catalítico del filtro de partículas diesel está dividido por zonas sobre la longitud del filtro.

En la zona anterior hay una gran cantidad de platino, mientras que en la zona posterior la cantidad de platino es baja. El recubrimiento definido por zonas supone las siguientes ventajas:

Al funcionar el motor en condiciones normales, el filtro de partículas diesel se calienta rápidamente en la zona anterior. Debido a la alta concentración del platino, como material catalizador, en esta zona anterior, el filtro cuenta con una acción catalítica rápida. Se habla aquí también de un comportamiento de respuesta rápido por parte del filtro de partículas diesel

En la fase de regeneración, la parte posterior del filtro de partículas diesel adopta altas temperaturas a raíz de la combustión del hollín. Estas altas temperaturas suponen un ataque a largo plazo contra el platino. Por ese motivo se renuncia a dotar la zona posterior de un recubrimiento grueso con esta materia prima del platino, que supone un coste alto.

Otro motivo por el cual se implanta la baja cantidad de platino en la zona posterior reside en el envejecimiento del filtro de partículas diesel
Durante su período de vida útil es cada vez mayor la cantidad de residuos de la combustión que se depositan en la parte posterior, afectando con ello el efecto catalítico del platino.

Fase de regeneración
El filtro de partículas diesel tiene que ser despejado de forma sistemática de las partículas de hollín, para evitar que resulte afectada su capacidad de funcionamiento. Durante el ciclo de regeneración se procede a quemar (oxidar) las partículas retenidas en el filtro. En el caso de la regeneración del filtro de partículas con recubrimiento catalítico se diferencia entre la regeneración pasiva y la regeneración activa. El ciclo de regeneración discurre sin que el conductor se percate de ello.

Regeneración pasiva
En el ciclo de regeneración pasiva las partículas de hollín se queman de forma continua, sin intervención por parte de la gestión del motor. El posicionamiento cercano al motor, del filtro de partículas, permite que por ejemplo los gases de escape alcancen temperaturas de 350-500 °C al circular por autopista. Las partículas de hollín son transformadas, por medio de una reacción con dióxido nítrico, en dióxido de carbono. Esta operación gradual se desarrolla de forma lenta y continua a través del recubrimiento de platino, que hace aquí las veces de material catalizador.

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Funcionamiento:

A partir de los óxidos nítricos (NOX) y el oxígeno (O2) contenidos en los gases de escape se genera dióxido nítrico (NO2) con ayuda del recubrimiento de platino.
NOX + O2 reacciona produciendo NO2

El dióxido nítrico (NO2) reacciona con el carbono (C) de la partícula de hollín, generándose monóxido de carbono (CO) y monóxido de nitrógeno (NO).
NO2 + C reacciona produciendo CO + NO

El monóxido de carbono (CO) y el monóxido de nitrógeno (NO) se combinan con el oxígeno (O2), produciendo dióxido nítrico (NO2) y dióxido de carbono (CO2).
CO + NO + O2 reacciona produciendo NO2 + CO2



Regeneración activa
Con motivo de la regeneración activa se procede a quemar las partículas de hollín, para lo cual la gestión del motor se encarga de producir un aumento específico de la temperatura de los gases de escape. Al circular por ciudad a baja carga del motor, las temperaturas de los gases de escape son demasiado bajas como para poder practicar un ciclo de regeneración pasiva en el filtro de partículas. En virtud de que deja de ser posible degradar las partículas de hollín se produce una saturación de hollín en el filtro. En cuanto se alcanza una saturación específica de hollín en el filtro, la gestión del motor pone en vigor un ciclo de regeneración activa. Esta operación tarda unos 10 minutos.
Las partículas de hollín se queman, produciendo dióxido de carbono, a partir de una temperatura de los gases de escape de 600-650 °C.

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Funcionamiento
En el caso de la regeneración activa se procede a quemar las partículas de hollín con ayuda de la alta temperatura de los gases de escape. El carbono de las partículas de hollín se somete a oxidación con el oxígeno, transformándose en dióxido de carbono. C + O2 reacciona transformándose en CO2.

Funcionamiento de la regeneración activa
Las partículas de hollín son retenidas en los conductos de entrada. La unidad de control del motor puede detectar el nivel de saturación del filtro de partículas diesel a base de analizar las señales procedentes del medidor de la masa de aire, de los sensores de temperatura antes y después del filtro de partículas, así como del sensor de presión para los gases de escape. Si la saturación de hollín ha alcanzado un límite específico, la gestión del motor pone en vigor un ciclo de regeneración activa.

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Gestión del motor durante la puesta en vigor de la regeneración activa
La unidad de control del motor calcula el estado de saturación del filtro analizando la resistencia de flujo en el filtro. Una alta resistencia de flujo hace suponer que el filtro tiende a obstruirse. La unidad de control del motor pone en vigor el ciclo de regeneración activa. A esos efectos:

Se desactiva la recirculación de gases de escape, para subir la temperatura de la combustión.

Tras una inyección principal con dosificación reducida, se produce un ciclo de postinyección a los 35° del cigüeñal después del punto muerto superior (PMS) del pistón, para subir la temperatura de los gases de escape.

Se procede a regular la alimentación del aire de admisión a través de la válvula de mariposa eléctrica.

Se adapta la presión de sobrealimentación, con objeto de que el par de giro del motor no se altere de forma perceptible para el conductor durante el ciclo de regeneración.

Estas medidas conducen a un aumento específico y breve de la temperatura de los gases de escape a unos 600 °C hasta 650 °C. En esta gama de temperaturas, el hollín depositado se oxida, transformándose en dióxido de carbono. Tras esta regeneración activa, el filtro de partículas vuelve a quedar dispuesto para el funcionamiento y puede volver a retener el hollín de los gases de escape.

Saturación de hollín en el filtro de partículas
La saturación de hollín en el filtro de partículas es un aspecto que la unidad de control del motor vigila continuamente a base de calcular la resistencia de flujo en el filtro. Para determinar la resistencia de flujo se pone en relación el caudal volumétrico de los gases de escape antes del filtro de partículas con respecto a la diferencia de presión antes y después del filtro de partículas.

Diferencia de presión
La diferencia de presión del caudal de aire antes y después del filtro de partículas se determina con el sensor de presión para gases de escape.

Caudal volumétrico de los gases de escape
El caudal volumétrico de los gases de escape es calculado por la unidad de control del motor, tomando como base la corriente de las masas de aire en el conducto de escape y la temperatura de los gases de escape antes del filtro de partículas. La corriente de las masas de gases de escape equivale aproximadamente a la corriente de las masas de aire en el conducto de admisión, que se determina por medio del medidor de la masa de aire. La masa de los gases de escape depende de su temperatura. Esta temperatura la determinan los termosensores implantados antes y después del filtro de partículas.
Teniendo en cuenta la temperatura de los gases de escape, la unidad de control del motor puede calcular el caudal volumétrico de los gases de escape, tomando como base la corriente de las masas del gas de escape.

Resistencia de flujo en el filtro de partículas
La unidad de control del motor pone en relación la diferencia de presión con respecto al caudal volumétrico de los gases de escape y obtiene con ello la resistencia de flujo en el filtro de partículas. Con ayuda de la resistencia de flujo la unidad de control del motor detecta el grado de saturación de hollín. En la gráfica inferior se compara el caudal volumétrico de los gases de escape y la resistencia de los mismos a fluir por el filtro de partículas.

Rastrojero


Ciclo de postinyección en la fase de deceleración
Al circular en tráfico urbano extremo, con cargas del motor intensamente cambiantes y un alto porcentaje de fases de deceleración es preciso aplicar medidas especiales para la limpieza del filtro. En virtud de que normalmente se deja de inyectar combustible en los cilindros durante la fase de deceleración, los gases de escape no alcanzan la temperatura necesaria para la regeneración del filtro de partículas.
En la fase de deceleración se procede a inyectar una pequeña cantidad de combustible, a eso de los 35° del cigüeñal después del punto muerto superior del pistón. Debido a que no se lleva a cabo la inyección principal en el punto muerto superior del pistón, el combustible no se quema en el cilindro, sino que se evapora.
Estos vapores de combustible se queman en el filtro de partículas. El calor generado por ese motivo hace que los gases de escape alcance la temperatura necesaria para la regeneración del filtro de partículas. El sensor de temperatura después del filtro de partículas vigila durante esa operación la temperatura de los gases de escape a la salida del filtro de partículas. De esa forma se procede a regular la dosificación del ciclo de postinyección en la fase de deceleración.



Estructura de la gestión electrónica del motor para el filtro de partículas

Gases de Escape y Sistemas Anticontaminación 2da Parte


Sensores y actuadores

Sensores

Sensor de presión para gases de escape
Este sensor se encarga de medir la diferencia de presión de la corriente de gases de escape antes y después del filtro de partículas. Las señales del sensor de presión para gases de escape, mas las señales de los sensores de temperatura antes y después del filtro de partículas, así como la señal del medidor de la masa de aire, forman una unidad indivisible para la determinación del estado de saturación en el filtro de partículas.

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Efectos en caso de ausentarse la señal
Si se ausenta la señal del sensor de presión para gases de escape, la regeneración del filtro de partículas se lleva a cabo, primeramente, de forma cíclica, según el recorrido efectuado o las horas en servicio. Sin embargo, a largo plazo no es posible regenerar de esta forma fiablemente el filtro de partículas.
Después de un número de ciclos definido se enciende primeramente el testigo luminoso para filtro de partículas diesel y luego parpadea el testigo luminoso para precalentamiento en el cuadro de instrumentos. Con ello se recomienda al conductor a que acuda a un taller.


Arquitectura
El sensor de presión para gases de escape tiene dos empalmes de presión. Uno lleva un tubo de presión hacia el caudal de los gases de escape delante del filtro de partículas y el otro hacia el caudal de los
gases de escape detrás del filtro de partículas. El sensor contiene un diafragma con elementos piezoeléctricos, que actúan en función de las presiones de los gases de escape.

Funcionamiento:

Filtro de partículas vacío
Si el filtro de partículas tiene cargas muy bajas, la presión delante y detrás del filtro viene a ser casi idéntica. El diafragma con los elementos piezoeléctricos se encuentra en posición de reposo.

Filtro de partículas saturado
Si se ha depositado hollín en el filtro de partículas, la presión de los gases de escape ante el filtro aumenta, manifestándose en forma de un volumen de flujo menos intenso.
La presión de los gases de escape detrás del filtro se mantiene casi invariable. El diafragma se deforma en función de la diferencia de presiones. Esta deformación modifica la resistencia eléctrica de los elementos piezoeléctricos, que van interconectados en forma de un puente de medición.
La tensión de salida de este puente se acondiciona en la electrónica del sensor, se intensifica y se trasmite como señal de tensión a la unidad de control del motor. Previo análisis de esta señal, la unidad de
control del motor detecta el estado de saturación del filtro de partículas y pone en vigor un ciclo de regeneración para la limpieza del filtro.

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Sensor de temperatura anterior al filtro de partículas
El sensor de temperatura antes del filtro de partículas es un sensor PTC. En un sensor PTC (positive temperature coefficient) la resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura. Va situado en el ramal de escape antes del filtro de partículas diesel y mide allí la temperatura de los gases de escape.
Con ayuda de la señal procedente de los sensores de temperatura antes y después del filtro de partículas, la unidad de control del motor calcula el caudal volumétrico de los gases de escape, para poder determinar con ello el estado saturación del filtro de partículas.

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Las señales de los sensores de temperatura antes y después del filtro de partículas mas la señal del medidor de la masa de aire, así como la señal del sensor de presión para gases de escape constituyen una unidad indivisible para la determinación del estado de saturación en el filtro de partículas. Aparte de ello se utiliza la señal para la protección de componentes, concretamente aquí, para proteger el filtro de partículas contra temperaturas excesivas de los gases de escape.

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Efectos en caso de ausentarse la señal
Si se ausenta la señal del sensor de temperatura antes del filtro de partículas, la regeneración del filtro se lleva a cabo primeramente de forma cíclica, en función del recorrido efectuado o de las horas en
servicio. A largo plazo, sin embargo, no es posible regenerar fiablemente el filtro de partículas de esta forma.
Tras una cantidad definida de ciclos se enciende primeramente el testigo luminoso para filtro de partículas diesel y luego parpadea el testigo luminoso de precalentamiento en el cuadro de instrumentos. De esa forma se avisa al conductor a que acuda a un taller.

Sensor de temperatura después del filtro de partículas
El sensor de temperatura después del filtro de partículas es un sensor PTC. Se encuentra en el ramal de gases de escape después del filtro de partículas diesel y mide allí la temperatura de los gases de escape.
La unidad de control del motor utiliza las señales del sensor de temperatura después del filtro de partículas para regular con ello la dosificación para el ciclo de postinyección en la fase de deceleración.
Cuanto mayor es la temperatura de los gases de escape después del filtro de partículas, tanto menor es la cantidad inyectada.
Las señales del sensor de temperatura después del filtro de partículas se utilizan para la protección de componentes, es decir, concretamente aquí para proteger el filtro de partículas contra temperaturas
excesivas de los gases de escape.

Gases de Escape y Sistemas Anticontaminación 2da Parte


Efectos en caso de ausentarse la señal
Si se ausenta la señal del sensor de temperatura después del filtro de partículas, la regeneración del filtro se lleva a cabo primeramente de forma cíclica, según el recorrido efectuado o las horas en servicio.
A largo plazo, sin embargo, no es posible regenerar fiablemente el filtro de partículas de esta forma.
Tras una cantidad definida de ciclos se enciende primeramente el testigo luminoso para filtro de partículas diesel y luego parpadea el testigo luminoso de precalentamiento en el cuadro de instrumentos. De esa forma se avisa al conductor a que acuda a un taller.

Sensor de temperatura antes del turbocompresor
El sensor de temperatura antes del turbocompresor es un sensor PTC. Va situado en el ramal de escape ante el turbocompresor y mide allí la temperatura de los gases de escape.
La unidad de control del motor necesita la señal del sensor de temperatura antes del turbocompresor, para calcular el momento y la cantidad del ciclo de postinyección durante la fase de regeneración. De ese modo se consigue el aumento necesario de la temperatura de los gases de escape para la combustión de las partículas de hollín. Aparte de ello se utiliza la señal para proteger el turbocompresor contra temperaturas inadmisiblemente elevadas durante el ciclo de regeneración.

Efectos en caso de ausentarse la señal
Si se ausenta la señal del sensor de temperatura antes del turbocompresor deja de ser posible proteger el turbocompresor contra temperaturas inadmisiblemente altas. En ese caso deja de producirse el ciclo de regeneración del filtro de partículas diesel El sistema avisa al conductor a que acuda al taller, encendiéndose el testigo luminoso de precalentamiento.
Para reducir las emisiones de hollín se desactiva la recirculación de gases de escape.

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Sonda lambda
La sonda lambda es una versión de banda ancha y va situada en el colector de escape antes del catalizador.
Con ayuda de la sonda lambda es posible determinar el contenido de oxígeno en los gases de escape, sobre una extensa gama de medición.
En relación con el sistema de filtración de partículas diesel, la unidad de control del motor emplea la señal de la sonda lambda para poder calcular con exactitud la cantidad y el momento de la postinyección para el ciclo de regeneración. Para contar con una regeneración eficaz del filtro de partículas se necesita un contenido mínimo de oxígeno en los gases de escape y una alta temperatura uniforme de los gases. Esta regulación resulta posible recurriendo a las señales de la sonda lambda, en combinación con las señales del sensor de temperatura antes del turbocompresor.

Efectos en caso de ausentarse la señal
La regeneración del filtro de partículas resulta menos exacta, pero sigue siendo operativa. La avería de la sonda lambda puede provocar mayores emisiones de óxidos nítricos.

Medidor de la masa de aire
El medidor de la masa de aire por película caliente va instalado en el conducto de admisión. Con ayuda del medidor de la masa de aire, la unidad de control del motor detecta la masa de aire efectivamente
aspirada.
En relación con el sistema de filtración de partículas diesel, la señal se utiliza para calcular el caudal volumétrico de los gases de escape, para poder determinar con éste el estado de saturación del filtro de partículas. La señal del medidor de la masa de aire, mas las señales de los sensores de temperatura antes y después del filtro de partículas, así como la señal del sensor de presión para gases de escape constituyen una unidad indivisible para determinar el estado de saturación del filtro de partículas.

Sistema de inyección adicional de aire en el escape


El sistema de inyección de aire en el escape es un dispositivo postcombustión, cuyo objetivo es introducir un cierto volumen de aire en el colector de escape, con el fin de completar la combustión de los gases expulsados del cilindro, antes de su salida al exterior. El oxigeno aportado de esta manera se combina fácilmente con los hidrocarburos que salen del cilindro sin quemar a gran temperatura, completando su combustión, y con el monóxido de carbono, transformandolo en bióxido de carbono. Asi, pues, este sistema reduce el contenido de HC y CO de los gases de escape. Los motores que trabajan con mezcla rica son los que necesitan del sistema de inyección de aire, ya que no se quema todo el combustible en los cilindros, sobre todo cuando el motor arranca en frío, durante los primeros kilómetros. Por lo tanto el sistema de inyección de aire en el escape se utiliza en los motores Otto (gasolina) y no en los motores Diesel, que trabajan con mezclas pobres con exceso de aire.
Los primero motores que utilizaron el sistema de inyección de aire utilizaban dos sistemas: bomba de aire y válvula de pulsair

Las bombas de aire: generalmente utilizadas son del tipo rotativo de paletas, en las que el caudal y la presión de envío son proporcionales a la velocidad de rotación. El movimiento lo toman del motor, por medio de una correa trapezoidal generalmente. En su funcionamiento, la bomba toma aire a través del propio filtro del motor y lo envía a presión al colector de escape, a través de una válvula de retención, que permite el paso del aire solamente en el sentido bomba-escape. Una segunda válvula, llamada de derivación, interrumpe el funcionamiento de la primera y la inyección del aire en el escape en las fases de retención del motor, momento éste en que no es necesario.

El sistema de válvula pulsair: es más sencillo que el anterior y no requiere para su funcionamiento el empleo de bomba de aire, con lo cual resulta más económico y por ello fue el mas utilizado en el pasado. El pulsair es una válvula oscilante en la que una membrana de acero obtura o libera un conducto de paso. Las oscilaciones de la membrana se producen gracias a las pulsaciones de los gases de escape en su recorrido hacia el exterior. Las variaciones de presión en el sistema de escape se producen como consecuencia de las aperturas cíclicas de las válvulas y, como en los motores de cuatro cilindros (los mas utilizados) hay un sincronismo de ellos dos a dos, se utiliza normalmente una válvula pulsair para cada dos cilindros, a cuyos colectores de escape se conectan por un lado.
En el funcionamiento del motor, la salida de gases quemados del cilindro en el tiempo de escape, genera una presión que se aplica a la válvula pulsair, cuya membrana obtura el paso de aire en este momento. Inmediatamente después del cierre de la válvula de escape, la velocidad adquirida por los gases provoca una depresión en la válvula pulsair (del lado conectado al colector de escape), cuya membrana se deforma, permitiendo el paso del aire desde el filtro hacia el sistema de escape.
En combinación con la válvula pulsair se dispone una válvula de derivación que interrumpe la inyección de aire en las fases de deceleración del motor para evitar detonaciones en el escape.

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Gestión electrónica de la inyección de aire en el escape
Con la llegada de la gestión electrónica al sector del automóvil, la inyección de aire en el escape empezó a ser controlado mediante sistemas electrónicos. En estos sistemas la bomba que impulsa de aire es de accionamiento eléctrico. Las válvulas que abren y cierran el paso a la inyección de aire, son de accionamiento eléctrico combinadas con otras válvulas neumáticas.
En la figura inferior se ve un esquema de estos, donde una bomba de aire eléctrica (1) aspira aire a través del filtro de aire (8) del motor, este aire impulsado por la bomba se envía al colector de escape del motor, pero antes tiene que atravesar por una válvula de corte neumática (2) controlada por vacío. La válvula de corte es controlada a su vez por la electroválvula de control (4) que recibe ordenes de la ECU (Unidad Electrónica de Control del motor). La electrovalvula de control esta conectada al colector de admisión donde transmite el vacío que se crea bajo la mariposa y lo transmite a la válvula de corte cada vez que se lo ordena la ECU. La válvula de aire (3) recibe el aire de la bomba y lo envía al escape del motor. Esta válvula evita que la contrapresión del escape pueda retroceder a través del circuito de aire.

Gases de Escape y Sistemas Anticontaminación 2da Parte


En el esquema inferior se puede ver un sistema moderno de inyección gasolina Motronic de un VW Beettle 2.0 ltr. El funcionamiento del sistema de inyección de aire en el escape, es igual que el anterior, en este caso, la válvula combinada para el aire secundario (20), reúne en un mismo conjunto la válvula de corte y la válvula de aire.

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Funcionamiento
En la fase de arranque en frío de un motor son relativamente elevadas las concentraciones contaminantes de hidrocarburos sin quemar, ya que no hay oxigeno suficiente para quemar todo el combustible, no habiéndose alcanzado todavía la temperatura de servicio del catalizador.
Para reducir las emisiones contaminantes en esta fase se utiliza el sistema de aire secundario. Inyectando aire (secundario) adicional en los gases de escape se enriquecen éstos con oxígeno. A raíz de ello se produce una recombustión térmica de las partículas de monóxido de carbono (CO) y de hidrocarburos (HC) sin quemar que están contenidos en los gases de escape.
Por otra parte, el catalizador alcanza más rápidamente su temperatura de servicio, gracias al calor producido con la recombustión.

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Como se aprecia en la figura inferior a partir del filtro de aire (1) la bomba de aire secundario (2) sopla aire adicional directamente detrás de las válvulas de escape durante el arranque del motor.
El sistema trabaja en acción conjunta de los siguientes componentes:

Unidad de control del motor (3)
Relé para bomba de aire secundario (4)
Bomba de aire secundario (2)
Válvula de control de aire secundario (5)
Válvula combinada (6)

Las magnitudes de entrada para la unidad de control del motor son:

la temperatura del líquido refrigerante (t)
la regulación lambda

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Descripción de las funciones
El sistema de inyección de aire en el escape sólo se activa por tiempo limitado y en dos estados operativos:

arranque en frío
al ralentí tras el arranque en caliente, para efectos de autodiagnóstico

Lo activa la unidad de control del motor en función de las condiciones operativas dadas.

Estado operativo Temperatura liquido refrigerante Tiempo activado
Arranque en frío m 5 ......33ºC 100 s
Arranque en caliente en ralentí Hasta max. 96ºC 10 s

La bomba de aire secundario recibe tensión a través del relé que tiene asignado. La unidad de control del motor excita paralelamente la válvula de inyección de aire secundario, a través de la cual se acciona
entonces la válvula combinada, por medio de la depresión “p“.
A través de la bomba de aire secundario se impele brevemente el aire en el flujo de los gases de escape, detrás de las correspondientes válvulas de escape.
En estado no activado, los gases de escape calientes también están aplicados a la válvula combinada. Esta válvula cierra el paso de los gases de escape hacia la bomba de aire secundario.
El sistema se comprueba por medio del autodiagnóstico, aprovechando la excitación.
La regulación lambda tiene que activarse durante esa operación, debido a que la mayor concentración de oxígeno en los gases de escape reduce la tensión de la sonda.
Estando intacto el sistema de aire secundario, las sondas lambda tienen que comprobar la existencia de una mezcla extremadamente pobre.





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Fuentes de Información - Gases de Escape y Sistemas Anticontaminación 2da Parte

El contenido del post es de mi autoría, y/o, es un recopilación de distintas fuentes.

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