Sistema postratamiento de gases de escape:Estructura, funcionamiento y diagnóstico

Aquí encontrará valiosos y útiles consejos para el taller sobre el tema de la estructura, el funcionamiento y el diagnóstico del tratamiento posterior de gases de escape.

Indicación de seguridad importante
La siguiente información técnica y consejos prácticos han sido elaborados por HELLA con el fin de ayudar de forma profesional a los talleres de vehículos en su trabajo diario. La información facilitada en esta página web está pensada solamente para personal debidamente cualificado y con formación específica.

 

Estructura y funcionamiento del tratamiento posterior de gases de escape: Fundamentos

Se denomina tratamiento posterior de gases de escape a los procesos que limpian los gases de escape por medios mecánicos, catalíticos o químicos después de que estos han salido de la cámara de combustión.

 

El tratamiento posterior se lleva a cabo para convertir los contaminantes producidos durante la combustión en gases de escape inocuos. Los componentes del tratamiento posterior de gases de escape incluyen, entre otros, catalizadores y filtros de partículas. En la actualidad, ambos componentes pueden estar instalados tanto en un motor de gasolina de inyección directa como en un motor diésel.

 

Los siguientes sistemas pueden estar instalados, por ejemplo, en el tubo de escape para reducir los contaminantes:

 

 

Motor de gasolina

  • Catalizador de tres vías
  • Trampa de NOx (motores de mezcla pobre)
  • Filtro de partículas de gasolina (motores con inyección directa)

 

Motor diésel

  • Catalizador de oxidación
  • Filtro de partículas
  • Trampa de NOx
  • Catalizador SCR

Catalizador

El catalizador más utilizado actualmente en los motores de gasolina convencionales es el catalizador regulado de tres vías. La tarea del catalizador consiste en convertir los contaminantes procedentes del proceso de combustión del combustible en gases de escape no tóxicos mediante una reacción química. En combinación con la unidad de control del motor y la sonda lambda, la mezcla de aire y combustible se regula con precisión para que el catalizador pueda reducir los contaminantes. El rango óptimo de temperatura de trabajo de los catalizadores se encuentra entre 400-800 °C.

Estructura

El catalizador consta en un cuerpo cerámico o metálico similar a un panal con varios miles de canales. Los canales tienen aplicada una capa intermedia («wash-coat») de óxido de aluminio, que amplía la superficie aproximadamente 7000 veces. Adicionalmente, sobre la capa intermedia se metaliza al vacío una capa catalítica con los metales preciosos rodio, paladio y platino. El catalizador está fijado en la carcasa de acero inoxidable mediante una estera aislante, que al mismo tiempo compensa la expansión térmica.

Funcionamiento

Los gases de escape nocivos del motor se conducen al catalizador a través del colector de escape y fluyen por los canales del soporte cerámico o metálico en forma de panal. El contacto de los gases de escape con la capa catalítica desencadena una reacción química.

 

En contacto con los metales preciosos platino y paladio, el monóxido de carbono y los hidrocarburos se oxidan y convierten en dióxido de carbono, y en contacto con el rodio, los óxidos de nitrógeno se reducen a nitrógeno (N2). El término catalizador de tres vías significa que tienen lugar tres transformaciones químicas simultáneamente en cuanto se alcanza la temperatura de funcionamiento. Así, el monóxido de carbono (CO), los hidrocarburos (HC) y los óxidos de nitrógeno (NOx) se convierten en nitrógeno (N2), dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).

 

El funcionamiento del catalizador se controla mediante una segunda sonda lambda, también llamada sonda de monitoreo, situada detrás del catalizador. Esta sonda de monitoreo mide el contenido de oxígeno en el flujo de gases de escape y transmite el valor medido a la unidad de control. La unidad de control compara los valores de la sonda delante y detrás del catalizador y puede así evaluar el funcionamiento del catalizador. Si ambos valores son casi igual de altos, se puede concluir que la capacidad de almacenamiento de oxígeno del catalizador es baja y que esto se debe a un catalizador defectuoso.

Vídeos relacionados

Catalizador

En nuestros vídeos, le ofrecemos una visión completa de nuestros catalizadores

Filtros de partículas diésel

En los motores diésel se instalan filtros de partículas en el tracto de escape para reducir las emisiones de hollín. El filtro de partículas diésel (DPF) retiene las partículas sólidas que no se queman por completo en el motor. Estas nanopartículas, cuyo tamaño se ha reducido, son muy perjudiciales para el ser humano y el medio ambiente. El interior del filtro de partículas de hollín consiste en un filtro de cerámica con muchos pequeños canales. Esos canales con paredes porosas se cierran alternadamente y se dividen en canales de entrada y de salida. Los gases de escape fluyen a través de las paredes del filtro y las partículas de hollín quedan depositadas en las paredes del filtro. Las paredes porosas producen un buen efecto de filtración y un alto grado de separación. Debido al creciente número de partículas de hollín acumuladas, aumenta la contrapresión en el sistema de escape. El grado de carga o la resistencia al flujo del filtro de partículas es supervisado por la unidad de control del motor. Un sensor de presión diferencial registra los datos delante y detrás del filtro de partículas y transmite esa información a la unidad de control del motor. Si la diferencia de presión supera un determinado valor, la unidad de control inicia una regeneración para quemar las partículas.

 

Para que las partículas de hollín se quemen, la temperatura de los gases de escape en el filtro de partículas debe elevarse a 600 - 650 °C. Para ello, la gestión del motor realiza una inyección de combustible adicional o una inyección posterior durante la regeneración activa, lo que provoca un aumento de la temperatura de los gases de escape.

 

Dependiendo del vehículo y del sistema, la regeneración puede realizarse cada 400-700 km.

 

Para evitar rangos de temperatura superiores a los 700 °C, la temperatura se supervisa mediante un sensor de temperatura de los gases de escape ubicado delante del filtro de partículas.

 

Las cenizas producidas durante la regeneración no son eliminadas completamente por el flujo de gases de combustión y, por tanto, se acumulan en el filtro. Esto puede provocar que el filtro se obstruya y que sea necesario limpiarlo o sustituirlo. De ello resultan los intervalos de cambio del filtro, por ejemplo, cada 120 000 km.

Nota

Para calcular la carga de hollín del filtro de partículas de hollín, la unidad de control del motor utiliza las señales del sensor de presión diferencial, los sensores de temperatura delante y detrás del filtro de partículas de hollín y el sensor de flujo de masa de aire. Por lo tanto, las señales se consideran una unidad.

Vídeos relacionados

Filtro de partículas diésel

En el vídeo podrán ver un rápido resumen de conocimientos y datos básicos: repasaremos la estructura y funcionamiento, así como los procedimientos de prueba más adecuados. Nuestro objetivo común: ¡reducir las emisiones!

Regeneración

Dependiendo del fabricante del vehículo y del sistema, se pueden llevar a cabo diferentes procedimientos de regeneración del filtro de partículas.

 

Regeneración pasiva
La regeneración pasiva tiene lugar en cuanto las temperaturas de los gases de escape en el filtro de partículas alcanzan un valor de 350 - 500 °C en trayectos por autopista a altas velocidades.

 

Regeneración activa
La regeneración activa la realiza la gestión del motor. Cuando se alcanza el límite de carga del filtro de partículas, la gestión del motor eleva la temperatura de los gases de escape a 600-650 °C para quemar las partículas de hollín.

 

Regeneración forzada
Este tipo de regeneración puede ser realizada por un taller mediante un dispositivo de diagnóstico según instrucciones especificadas.

Filtro de partículas combinado

El filtro de partículas de hollín y el catalizador de oxidación pueden instalarse en una sola carcasa como filtro de partículas diésel con revestimiento catalítico. En esta combinación, el catalizador se instala delante del filtro de partículas de hollín. Así se combinan las funciones del catalizador de oxidación diésel y del filtro de partículas diésel en un solo componente. De esta manera los hidrocarburos (HC) y el monóxido de carbono (CO) pueden convertirse en agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2), y las partículas de hollín pueden filtrarse de los gases de escape. Otra tarea del catalizador de oxidación es cambiar la relación de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2) para permitir la regeneración pasiva del filtro DPF y aumentar el rendimiento del catalizador SCR. Mientras los gases de escape pasan por el catalizador, su temperatura aumenta debido a procesos químicos. Con el flujo de gases de escape se transfiere el calor al filtro de partículas de hollín. Esto significa que el catalizador apoya el calentamiento del filtro de partículas de hollín.

Trampa de NOx

La trampa de NOx se utiliza en los motores diésel y en los de inyección directa de gasolina. El catalizador dispone de una capa catalítica de sustancias como óxido de potasio u óxido de bario, que se unen a las moléculas de óxido de nitrógeno. En cuanto la trampa de NOx alcanza una determinada capacidad de absorción, la gestión del motor engrasa la mezcla de aire y combustible, aumentando así la temperatura de los gases de escape. El cambio en la composición de los gases de escape conduce a la regeneración, mediante la cual los óxidos de nitrógeno (NOx) se reducen a nitrógeno (N2) y agua (H2O).

Catalizador SCR

La reducción catalítica selectiva (SCR) es uno de los últimos y más avanzados desarrollos en materia de reducción de gases de escape en vehículos de motor. Esta tecnología se utiliza desde 2014 y cumple la normativa de emisiones EURO 6. Al añadir urea (AdBlue) al flujo de gases de escape, los óxidos de nitrógeno (NOx) se convierten en la trampa de NOx en nitrógeno (N2), vapor de agua (H2O) y una pequeña cantidad de CO2 mediante una reacción catalítica selectiva. La estructura de una trampa de NOx equivale a la de un catalizador de oxidación.

Sensores del tratamiento posterior de gases de escape

Los sistemas modernos de tratamiento posterior de gases de escape no solo están formados por los componentes del sistema de escape, sino que también necesitan diferentes sensores para supervisar la composición de los gases de escape y transmitir esa información a la unidad de control del motor.

Sonda lambda

La sonda lambda determina el contenido de oxígeno residual en los gases de escape y proporciona a la unidad de control del motor una señal eléctrica para regular la composición de la mezcla. Para garantizar la mejor tasa de conversión posible del catalizador se necesita una combustión óptima. En un motor de gasolina, ésta se alcanza con una composición de la mezcla de 14,7 kg de aire y 1 kg de combustible (mezcla estoquiométrica). Esta mezcla óptima recibe el nombre de la letra griega λ (Lambda). Con Lambda se expresa la proporción de aire que resulta de la necesidad teórica de aire y la cantidad de aire realmente suministrada.

 

λ = volumen de aire suministrado: volumen de aire teórico = 14,7 kg: 14,7 kg = 1

Sensor de temperatura de gases de escape

En los modelos de vehículos modernos, los sensores de temperatura de los gases de escape se instalan en diferentes puntos del tracto de escape, tanto en los vehículos diésel como en los de gasolina. El sensor de temperatura de los gases de escape registra la temperatura, por ejemplo, antes del catalizador o del filtro de partículas diésel, e informa de ello a la unidad de control del motor mediante una señal de tensión. La unidad de control del motor necesita esta información para controlar la composición de la mezcla o la regeneración del filtro de partículas, y reducir así eficazmente las emisiones. Adicionalmente, sensores de alta temperatura ayudan a proteger los componentes en el área del flujo de gases de escape calientes contra un sobrecalentamiento crítico.

Sensor de presión diferencial

El sensor de presión de gases de escape, también llamado sensor de diferencia de presión, se emplea en motores diésel para supervisar el sistema del filtro de partículas. Debido a una mayor acumulación de hollín y de ceniza se produce una diferencia en la presión del filtro de partículas. El sensor de presión de gases diferencial mide la diferencia de presión existente entre los gases de escape de la zona de entrada y de la zona de salida del filtro de partículas. Este valor de medición es necesario para la unidad de control del motor como información adicional a la hora de calcular el momento idóneo para regenerar el filtro de partículas. Así, este sensor un elemento más de los sistemas de regulación de emisiones contaminantes para motores diésel que establecen las disposiciones europeas en materia de emisiones.

Sensor de óxido de nitrógeno

El sensor de NOx (sensor de óxido de nitrógeno) consta de una sonda y una unidad de control conectadas entre sí fijamente como una unidad, mediante un mazo de cables. Esta unidad de sensor se instala en el conducto de escape y se utiliza para detectar los óxidos de nitrógeno en la corriente de gases de escape. El sensor de NOx es un componente importante del sistema de tratamiento posterior de gases de escape para la reducción de NOx, que se utiliza en los vehículos diésel con sistemas SCR (reducción catalítica selectiva) a base de urea, y que garantizan el cumplimiento de los estrictos valores de emisiones a partir de la norma Euro 5. De esa manera, el sensor de NOx permite una dosificación óptima de AdBlue a través del sistema del motor y, por tanto, una reducción eficaz de los óxidos de nitrógeno, perjudiciales para el medio ambiente. Si el sistema SCR dispone de un sensor de NOx anterior y otro posterior, el sensor posterior tiene la tarea de supervisar el efecto del catalizador SCR.

Diagnóstico en el sistema de escape: Localización de averías

Antes de iniciar el diagnóstico de la unidad de control en el vehículo, se debe realizar primero una inspección visual de todo el sistema de escape. Los daños externos suelen notarse ya por un cambio en el comportamiento acústico y pueden estar causados por grietas u oxidación en las tuberías, en las uniones o en los silenciadores. Los ruidos procedentes del interior de los componentes del sistema pueden localizarse sacudiendo o golpeando el componente en cuestión. Naturalmente, deben comprobarse también en este contexto las uniones atornilladas, las chapas de radiación y los soportes de goma. No hay que olvidar tampoco los sensores de gases de escape, que pueden estar montados distribuidos por todo el recorrido del sistema. El cableado o las conexiones eléctricas enchufables pueden haberse dañado aquí debido a influencias ambientales como la suciedad, el agua o la sal de la carretera.

Diagnóstico de la unidad de control

La comprobación funcional del sistema de inyección o del tratamiento posterior de gases de escape solo puede realizarse con un dispositivo de diagnóstico adecuado.

 

El funcionamiento de cada uno de los componentes del tratamiento posterior de los gases de escape se supervisa mediante sensores y se transmite a la unidad de control correspondiente del sistema de nivel superior. Los errores que se producen se almacenan en la memoria de averías de la unidad de control del motor y se pueden leer con un equipo de diagnosis adecuado. Dependiendo del vehículo y del sistema, pueden seleccionarse funciones adicionales, como parámetros o la prueba de actuadores, y mostrarse en el dispositivo de diagnosis. Los datos de la comunicación con la unidad de control son la base para la localización de averías y una reparación exitosa. Adicionalmente, los valores de los gases de escape pueden comprobarse y evaluarse mediante una medición del tubo de escape.

 

La siguiente información de diagnosis se ilustra tomando como ejemplo un Mercedes-Benz E350 24V CDI (212) y un Volkswagen Golf 5 Plus.

Leer la memoria de averías de la gestión del motor

A través de esta función pueden consultarse y borrarse los códigos de avería almacenados en la memoria de averías. Además, también puede consultarse información relacionada con los códigos de avería.

 

En nuestro ejemplo se ha detectado un sensor de NOx defectuoso, lo que ha provocado que se registre el código de avería P220317 en la memoria de averías.

 

  • P220317 / Sensor NOx 1 Banco 1
  • Cortocircuito a positivo / valor límite de tensión superado

Leer los parámetros

Esta función permite seleccionar y mostrar los valores medidos actuales, como el número de revoluciones del motor, la temperatura o el estado de componentes individuales del sistema de escape.

 

  • Catalizador SCR / sensores de NOx
  • Prueba de funcionamiento del catalizador/comparación de las sondas Lambda
  • Estado de carga del filtro de partículas/sensor de presión diferencial

Informaciones del sistema

Para la búsqueda de averías puede recurrirse a informaciones específicas del sistema de las informaciones del vehículo. Allí se puede consultar, por ejemplo, un resumen del sistema de tratamiento posterior de los gases de escape para continuar con la localización de averías.

Medición del tubo de gases de escape

Con la medición del tubo de escape, los gases de escape que salen pueden registrarse y evaluarse directamente en el tracto de escape (consejo para el producto: Prueba de emisiones de gases de escape). Se detectan los defectos en el sistema de escape o en el tratamiento posterior de los gases de escape y se pueden integrar en la localización de averías posterior.