Analiza filtrów cząsteczek stałych , metody ich regeneracji.

W tym  artykule opisano rodzaje układów oczyszczania spalin stosowanych w samochodach osobowych i ciężarowych. Wiedza o rozwiązaniach technicznych stosowanych w tych systemach jest usystematyzowana. Zidentyfikowano przyczyny zanieczyszczenia i zatykania się filtrów cząstek stałych oraz wskazano metody ich regeneracji.

 

Silnik spalinowy jest głównym źródłem zasilania różnych środków transportu i maszyn roboczych. Przy założeniu idealnego procesu spalania paliwo węglowodorowe spala się całkowicie z tlenem w powietrzu, wytwarzając dwutlenek węgla (CO2) i parę wodną (H2O). W reakcji spalania nie biorą udziału azot i gazy obojętne. W rzeczywistości proces całkowitego spalania nie zachodzi, ponadto azot i siarka wytwarzają w spalinach szkodliwe składniki takie jak tlenek węgla (CO), tlenki azotu (NOx), niespalone węglowodory (HC), cząstki stałe (C+ inne) , siarkowodór (H2S) [4,5,7]

Dalsze normy czystości spalin (zgodnie z tabelą 1) wymagają dodatkowej obróbki spalin dla silników wysokoprężnych o dużej pojemności skokowej. Aby przeciwdziałać ich szkodliwemu wpływowi na środowisko, opracowano szereg systemów wychwytywania ich ze spalin lub przekształcania ich w mniej toksyczne lub neutralne związki. W nowoczesnych pojazdach użytkowych i coraz częściej w samochodach osobowych, oprócz stosowania katalizatorów utleniających (DOC), układów recyrkulacji spalin (EGR), filtrów cząstek stałych (DPF/FAP) oraz układów selektywnej redukcji katalitycznej (SCR) [2] .

Tabela 1.  Dopuszczalne wartości emisji spalin w poszczególnych normach EURO dla pojazdów z silnikiem o ZS [5]

dopuszczalne normy spalin

ELEMENTY UKŁADÓW OCZYSZCZANIA SPALIN

Rys1. Schemat rozmieszczenia elementów w układzie oczyszczania spalin.

Na rysunku 1 przedstawiono układ oczyszczania spalin silnika o zapłonie samoczynnym z dodatkiem AD-BLUE („wodny roztwór mocznika”), który od wielu lat stosowany jest w samochodach ciężarowych, a ostatnio w samochodach osobowych [1,3,6].

Katalizator utleniający (DOC)

Katalizator utleniający (DOC) – (katalizator utleniający Diesla) to pierwszy element układu oczyszczania spalin. Działanie reaktora opiera się na reakcji substancji zawartych w spalinach z katalizatorem. Ponieważ sterowanie silnikiem odbywa się na podstawie danych z sondy lambda, dobierane są optymalne warunki pracy katalizatora. System zawiera metale szlachetne, które odpowiadają za utlenianie węglowodorów, tlenku węgla, niespalonych paliw i olejów. Zarówno katalizator utleniający, jak i filtr cząstek stałych są ceramicznymi filtrami o strukturze plastra miodu. Na rysunku 2 przedstawiono udział katalizatora utleniania DOC, natomiast na rysunku 3 przedstawiono kierunek przepływu spalin przez ten katalizator.

Rys2. Wkład katalizatora oscydacyjnego DOC.

Rys3. Schemat przepływu gazów przez katalizator oksydacyjny

Oksydacja, czyli utlenianie jest możliwe dzięki obecności platyny, która znacznie obniża temperaturę wymaganą dla całego procesu, utlenianie rozpoczyna się przy 2000 stopni Celsjusza i osiąga prawie 90% sprawność w obecności CO przy około 550-6000 stopni Celsjusza oraz niektóre węglowodory (HC).

Reakcje chemiczne zachodzące w katalizatorach DOC

  • 2 CO + O2 => 2 CO2
  • 2 C2H6 + 7 O2 => 6 H2O + 4 CO2
  • C + O2 => CO2
  • 2 NO + O2 => 2 NO2

Filtr cząstek stałych (filtr cząstek stałych DPF/filtr FAP à cząstek stałych) — wychwytuje pozostałą sadzę, której nie można utlenić przez filtr utleniający. Pozostała sadza pozostaje w filtrze cząstek stałych, dopóki nie zostanie poddana pasywnej lub aktywnej regeneracji.

Rys4. Filtr cząsteczek stałych DPF / FAP

Filtry cząstek stałych zbudowane są z ceramicznego korpusu osadzonego w metalowej obudowie, która najczęściej ze względu na swoją trwałość jest wykonana ze stali nierdzewnej. Wewnętrznie korpus jest podzielony na małe równoległe kanały. Każdy z nich ma zaślepiony (zamknięty) koniec – albo w górę, albo w dół. Są one ułożone naprzemiennie, tworząc swego rodzaju siatkę.

Wykonane są z węglika krzemu pokrytego tlenkiem glinu i cerem, na którym osadzone są cząsteczki platyny. Stężenie tych ostatnich jest nieco wyższe na wlocie filtra, ponieważ wysoka temperatura niszczy cząsteczki platyny podczas regeneracji. Ścianki kanałów są porowate, dzięki czemu umożliwiają przepływ spalin oraz zatrzymują i gromadzą cząstki sadzy [2].

Rys5. Filtr cząstek stałych DPF / Fap

Rys6. Schemat przepływu gazów spalinowych przez cząstek stałych

Na Rys. 5 pokazano wkład filtra cząstek stałych (DPF/FAP) natomiast na Rys. 6 kierunek przepływu gazów spalinowych przez taki filtr.

Rys. 7 Struktura filtra cząstek stałych ( DPF/FAP )

Filtry cząstek stałych mają na celu zmniejszenie emisji cząstek sadzy. Zwykle znajduje się za katalizatorem. Do prawidłowego działania wymagane są dodatkowe elementy, takie jak:

  • Czujniki ciśnienia (zwykle przed i za filtrem)
  • Czujnik temperatury (przed i za filtrem)
  • Sonda lambda

Rys. 8 Schemat układu oczyszczania spalin wyposażonego w filtr cząstek stałych ( DPF/FAP )

Obecnie istnieją dwa rozwiązania filtrów cząstek stałych do silników wysokoprężnych:

– Wymaga dodatków (płynów dodatkowych takich jak EOLYS) – FAP. Dodatki można wprowadzać bezpośrednio do zbiornika paliwa lub rzadziej do układu wydechowego silnika.

– Nie wymaga dodatków – DPF.  W tym rozwiązaniu wyższą temperaturę uzyskuje się poprzez wtryśnięcie dodatkowej porcji paliwa do cylindra, a nie bezpośrednio do układu wydechowego.

Filtry z selektywną redukcją katalityczną (SCR) – Technologia SCR opiera się na konwersji (redukcji) tlenków azotu do nietoksycznego azotu i pary wodnej w katalizatorze, który wykorzystuje amoniak jako czynnik redukujący. Ponieważ amoniak jest substancją niebezpieczną, a jego zastosowanie w transporcie drogowym jest ograniczone, w pojazdach użytkowych stosuje się nietoksyczny, bezwonny 32,5% roztwór mocznika w wodzie. Pod kontrolą układu sterowania silnikiem do strumienia gorących spalin dodawany jest w żądanej ilości roztwór mocznika (NOXy) utrzymywany w oddzielnym zbiorniku. Pod wpływem wysokiej temperatury spalin roztwór mocznika rozkłada się na amoniak i dwutlenek węgla. Amoniak reaguje następnie z tlenkami azotu, tworząc wolny azot i parę wodną. Za filtrem SCR może być opcjonalny filtr ASC – do neutralizacji nieprzereagowanego amoniaku.

Rys. 9 Katalizator selektywny SCR.

Rys. 10 Układ oczyszczenia spalin w MAN Lion´s City:

  1. Strumień spalin,
  2. Katalizator utleniający do silnika wysokoprężnego
  3. Zamknięty filtr cząstek stałych
  4. Wtrysk AdBlue
  5. Przewód doprowadzający AdBlue ,
  6. Strumień AdBlue ,
  7. Moduł katalizatora SCR ,
  8. Katalizator zatrzymujący amoniak
  9. Czujniki NOx

Reakcje chemiczne zachodzące w katalizatorze SCR [1]:

Tworzenie amoniaku:

  • (NH2) 2CO => NH3 + HNCO (piroliza)
  • HNCO + H2O => NH3 + CO2 (hydroliza)

Redukcja NOx:

  • 4 NO + 4 NH3 + O2 => 4 N2 + 6 H2O (Reakcja 1)
  •  NO + NO2 + 2 NH3 => 2 N2 + 3 H2O (reakcja 2),

Występuje głównie w niskiej temperaturze

<300ºC, do zadowalającej redukcji wymagany jest stosunek NO/NO2 1:1, następnie redukcja następuje przy 170 – 200ºC

6 NO2 + 8 NH3 => 7 N2 + 12 H2O (Reakcja 3)

METODY REGENERACJI FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH ( DPF / FAP )

Rys11. Zależność ilości cząstek stałych w filtrze od czasu pracy silnika i regeneracji różnych typów filtrów.

 

  1.  regeneracja pasywna,
  2.  regeneracja aktywna,
  3. regeneracja inicjowana przez kierowcę, podczas której styl jazdy stwarza warunki do regeneracji aktywnej,
  4. regeneracja wykonywana w serwisie, której przebiegiem steruje diagnosta za pomocą testera,
  5. W pojeździe nie jest możliwa regeneracja filtra.

Regeneracja filtrów cząstek stałych w pojazdach .

Regeneracja pasywna – występuje, gdy temperatura spalin osiąga 350-500*C bez ingerencji sterownika silnika. W tej temperaturze sadza reaguje z materiałem filtracyjnym. Dwutlenek azotu w spalinach reaguje z węglem zawartym w cząsteczkach sadzy, tworząc tlenek węgla i tlenki azotu. Z drugiej strony łączą się z tlenem, tworząc dwutlenek węgla i dwutlenek azotu, które ulatniają się do atmosfery kanałami wyjściowymi.

Regeneracja aktywna – wymaga wyższych temperatur, do 600*C, gdzie cząstki sadzy nagromadzone w filtrze spalają się. Temperaturę tę można jednak osiągnąć tylko przy ingerencji sterownika silnika. W przypadku wykrycia poziomu nasycenia większego niż 50% sterownik silnika zmienia parametry pracy silnika. W większości przypadków np. wyłączenie recyrkulacji spalin w celu zwiększenia ilości tlenu i zwiększenia temperatury spalania, opóźnienie kąta wtrysku i wykonanie dodatkowych wtrysków, zwiększenie ciśnienia doładowania, aby kierowca nie odczuł utraty mocy itp. .

Wymuszona Regeneracja – zanieczyszczenie DPF w znacznym stopniu uniemożliwia możliwość aktywnej regeneracji, jedynym sposobem na wyeliminowanie nadmiaru sadzy jest zainicjowanie wymuszonej regeneracji. Do jego wykonania wymagane jest podłączenie specyficznego dla marki urządzenia diagnostycznego i uruchomienie usługi wypalania DPFa. W niektórych modelach wymuszona regeneracja może nie zostać zainicjowana, jeśli sterownik wykryje zbyt dużo sadzy. Powodem tego jest zbyt duże ryzyko niekontrolowanej sadzy z pożaru pojazdu. W takim przypadku filtr należy wyjąć i dostarczyć do firmy posiadającej odpowiedni sprzęt do regeneracji filtra DPF lub wymienić filtr na nowy.

Regeneracja Filtra cząstek stałych poza pojazdem .

Metoda hydrodynamiczna

Sprzęt do czyszczenia wszelkiego rodzaju filtrów cząstek stałych FAP/DPF, katalizatorów do samochodów osobowych, autobusów, ciężarówek oraz dużych ciężarówek (scr). Przed i po cyklu czyszczenia urządzenie jest testowane pod kątem ciśnienia wstecznego, a wartość jest drukowana na paragonie. Umieść filtr na górze komory czyszczącej i podłącz do linii wodnej. W zależności od typu i rozmiaru filtra FF Solution  wykona cykl czyszczenia i suszenia gorącym powietrzem. Proces trwa około 30min do 2 h  (samochód osobowy DPF-FA3) – 120 minut (samochód DPF). FF Solutions to maszyna, która wykonuje wszystkie etapy czyszczenia (mycie + suszenie) bez cięcia, wypalania, spawania lub wstępnego przygotowania. Zaletami tego urządzenia są:
– Całkowite usunięcie osadów PM10;
– usunąć plamy olejowe;
– usuwanie osadów ceru;
– zachować integralność filtra;
– konserwacja metali szlachetnych;
– Używana woda jest zawsze czysta dzięki skutecznemu sys-temowi filtracji: woda nigdy nie powinna być zmieniana, gdy odparuje, należy ją uzupełnić [ [2].

Obróbka cieplna

Regeneratory służą do powolnego spalania (utleniania) zatkanych sadzą filtrów cząstek stałych montowanych w pojazdach z silnikiem diesla. W przypadku stosowania filtra samoczyszczącego z powłoką katalityczną, moduł filtra należy wypalić w piecu renowacyjnym. Następnie wyczyść filtr sprężonym powietrzem. Piece do przewijania mogą być używane do regeneracji różnych filtrów cząstek stałych. Aby spalić, rozetnij filtr i umieść jego wkład w piekarniku. Temperatura jest stopniowo podnoszona, aż osiągnie 600 – 700°C, powodując utlenianie pozostałości węglowych. Proces trawienia trwa od 8 do 12 godzin. Kolejnym krokiem jest czyszczenie pneumatyczne. Czas trwania to około 90 minut. Do obróbki cieplnej potrzebne są cztery urządzenia, takie jak: próbnik przeciwciśnienia, piec, sprężarka i komora czyszczenia pneumatycznego [2].

Metoda ultradźwiękowa

Aby wyczyścić filtr, zanurz go w metalowej puszce wypełnionej wodą. Dzięki falom ultradźwiękowym w zbiorniku powstają maleńkie pęcherzyki powietrza, których temperatura jest bardzo wysoka, a ciśnienie sięga 500 MPa. Implozja pęcherzyków oddziela osad od wszystkich warstw filtra. Proces trawienia trwa od 12 do 24 godzin. Czyszczenie ultradźwiękowe wymaga wtedy suszenia i czyszczenia pneumatycznego. Metoda ta charakteryzuje się głęboką dekontaminacją zespołu filtrującego, ale czasami jest niewystarczająco wydajna w przypadku silnie zabrudzonych filtrów i dużych filtrów. Istnieje ryzyko uszkodzenia filtra z powodu drgań ultradźwiękowych i implozji pęcherzyków. Zużycie wody jest wysokie i należy je często wymieniać, aby usunąć osady PM10 pozostające na dnie zbiornika [2].

Zaostrzone normy dotyczące toksycznych emisji i niestabilność na rynku paliw ropopochodnych zmusiły producentów samochodów do zbadania ulepszeń układu napędowego i konstrukcji silników spalinowych. Powód tego jest oczywisty, ponieważ ulepszenia tych elementów mogą mieć pozytywny wpływ na usprawnienia procesów wtrysku i spalania, co może potencjalnie zmniejszyć zużycie paliwa i pośrednio emisję spalin. Kolejnym krokiem w spełnianiu rygorystycznych norm emisji spalin jest system oczyszczania spalin (katalizator i filtr cząstek stałych) montowany w silnikach wysokoprężnych. Ze względu na dużą ilość cząstek stałych powstających podczas spalania oleju napędowego w silniku z zapłonem samoczynnym, silnik ten nie spełnia rygorystycznych norm emisji spalin EURO (obecnie obowiązuje EURO 6) bez zastosowania filtra cząstek stałych 4. Silniki Diesla bez filtrów cząstek stałych mogą spełniać tylko normy Euro 3. Kolejnym problemem eksploatacyjnym tego elementu układu oczyszczania spalin jest zanieczyszczenie filtra DPF/FAP, co zmniejsza moc silnika. Najczęstszą przyczyną jest sposób użytkowania pojazdu, tj. na krótkich drogach, podczas których system nie może zainicjować procedury samooczyszczania. Wyraźnym przypadkiem zatkanego układu oczyszczania jest również wadliwy stan silnika i układu wtryskowego. Jeśli filtr cząstek stałych jest zatkany, jego wymiana może być kosztowna. Obecnie coraz powszechniejsza jest regeneracja takich filtrów, która jest tańszą metodą i zwykle gwarantuje przywrócenie pełnej funkcjonalności filtra.