DPF-FAP-GPF-SCR-CAT

Vývoj a použití.

Historie systémů následné úpravy výfukových plynů v automobilech je dlouhá a souvisí s rostoucím povědomím o životním prostředí a s předpisy, jejichž cílem bylo snížit znečištění ovzduší.

V 60. letech 20. století se ve Spojených státech začala věnovat pozornost problému znečištění ovzduší automobily. Kalifornie, zejména Los Angeles, měla vážné problémy se smogem. V roce 1966 Kalifornie zavedla první předpisy na kontrolu emisí z automobilů. V roce 1970 následovaly federální předpisy o emisích podle zákona o čistotě ovzduší.

První třífunkční katalyzátory se objevily v 70. letech 20. století, především v reakci na přísnější emisní předpisy v USA. Trifunkční katalyzátory byly schopny redukovat tři hlavní znečišťující látky: oxidy dusíku (NOx), oxid uhelnatý (CO) a uhlovodíky (HC).

V 80. letech 20. století byly zavedeny pokročilejší systémy regulace emisí, jako je recirkulace výfukových plynů (EGR), vstřikování paliva a kyslíkové senzory (lambda sondy), které zlepšily účinnost katalyzátorů. Také evropské země začaly zavádět své emisní předpisy, například Euro 1 v roce 1992.

Devadesátá léta byla obdobím dalšího zpřísňování emisních norem v USA i v Evropě. Byly zavedeny normy Euro 2 (1996), Euro 3 (2000) a Euro 4 (2005), které vyžadovaly stále dokonalejší technologie následného zpracování výfukových plynů, včetně používání oxidačních katalyzátorů a filtrů pevných částic (DPF/FAP) u vozů se vznětovými motory.

Nárůst popularity automobilů se vznětovými motory si vyžádal zavedení nových technologií následného zpracování výfukových plynů, jako jsou systémy selektivní katalytické redukce (SCR), které ke snížení emisí NOx používají AdBlue® (vodný roztok močoviny). Byly rovněž zavedeny filtry pevných částic GPF pro použití v automobilech se zážehovými motory. Dnešní předpisy, jako jsou evropské normy Euro 6d, vyžadují používání ještě pokročilejších technologií následné úpravy výfukových plynů, včetně kombinace katalyzátorů SCR, filtrů DPF/FAP a systémů neutralizace amoniaku (NH3).

Konstrukce a princip činnosti.

Trifunkční katalyzátor a oxidační katalyzátor.

Třífunkční katalyzátor (známý také jako třícestný katalyzátor nebo katalytický reaktor) je jednou z nejdůležitějších součástí systému následného zpracování výfukových plynů moderních automobilů se zážehovým motorem. Jeho úkolem je přeměnit tři hlavní škodlivé látky vznikající při spalování paliva na méně škodlivé sloučeniny:

1. Oxid dusnatý (NOx) - redukce na dusík (N2) a kyslík (O2)
2. Oxid uhelnatý (CO) - oxidace na oxid uhličitý (CO2)
3. Uhlovodíky (HC) - oxidace na oxid uhličitý (CO2) a vodu (H2O) 

Trojfunkční katalyzátor se skládá z:

1. Jádro vyrobené z keramiky nebo kovu má voštinovou strukturu, která poskytuje velkou kontaktní plochu pro chemické reakce.
2. Aktivní vrstva pokrývající jádro, která se skládá z drahých kovů, jako je platina (Pt), palladium (Pd) a rhodium (Rh).
3. Kryt - obvykle kovový, který chrání katalyzátor a drží jej ve výfukovém systému.

Aby trifunkční katalyzátor fungoval efektivně, musí pracovat za určitých podmínek:

1. Teplota - katalyzátor dosahuje plné účinnosti při teplotách přibližně mezi 250 °C a 900 °C. Pokud je teplota příliš nízká, chemické reakce neprobíhají dostatečně rychle.
2. Složení směsi paliva a vzduchu - optimální složení směsi (poměr vzduch/palivo) je přibližně 14,7:1 (stechiometrický poměr). Příliš bohatá směs (příliš mnoho paliva) nebo příliš chudá směs (příliš mnoho vzduchu) může snížit účinnost katalyzátoru.
3. Kyslíkové snímače (lambda sondy) - umístěné před a za katalyzátorem, sledují hladinu kyslíku ve výfukových plynech a umožňují řídicí jednotce motoru (ECU) přesně vyladit složení směsi paliva a vzduchu.

Zatímco ve výfukovém systému zážehových motorů se používá třífunkční katalyzátor, vznětové motory mají obvykle oxidační katalyzátor. Ten oxiduje oxidy uhlíku a uhlovodíky, ale nemá schopnost snižovat emise NOx vzhledem k tomu, že vznětové motory pracují s chudou směsí.

Filtry pevných částic (DPF/FAP) a benzinové motory (GPF).

Filtr pevných částic (DPF) je klíčovou součástí dieselových automobilů, která snižuje emise pevných částic, jež jsou jedním z hlavních zdrojů znečištění ovzduší. 

DPF je obvykle vyroben z materiálů s porézní strukturou, jako je karbid křemíku (SiC) nebo kordierit. Struktura filtru připomíná včelí plástev se střídavě uzavřenými vstupními a výstupními kanály, což nutí výfukové plyny procházet porézními stěnami filtru. Pevné částice (saze, popel) se zachycují na porézních stěnách a zbytek výfukových plynů uniká z filtru. Jak se pevné částice hromadí uvnitř filtru, zvyšuje se odpor proudění výfukových plynů, což vede ke snížení výkonu motoru. Řídicí jednotka motoru sleduje zaplnění filtru pevných částic mimo jiné pomocí snímače diferenčního tlaku, který porovnává tlak výfukových plynů před a za filtrem. Jakmile dojde k překročení naprogramovaných hodnot, spustí postupy, které pomohou filtr pevných částic vyčistit (regenerovat). Časté jízdy na krátké vzdálenosti zabraňují účinné regeneraci DPF, což může vést k přílišnému zaplnění filtru a nesprávnému chodu motoru.

Výrobci vozidel používají dvě hlavní řešení filtrů pevných částic:

• suché" filtry
• mokré" filtry

Systémy se "suchým" filtrem nepoužívají žádná chemická aditiva a zvýšené teploty výfukových plynů potřebné k regeneraci a vyprázdnění filtru pevných částic od nahromaděných částic sazí se dosahuje takovými opatřeními, jako je zvýšení dávky vstřikovaného paliva, zpoždění vstřikování, vypnutí systému recirkulace výfukových plynů atd. Někteří výrobci používají také řešení v podobě přídavného vstřikovače namontovaného ve výfukovém systému, který přivádí palivo přímo do proudu výfukových plynů před filtr pevných částic během jeho regenerační fáze.

Systémy "mokrého" filtru používají speciální přísadu, která po přidání do paliva snižuje teplotu spalování sazí, což umožňuje, aby proces regenerace DPF probíhal při nižší teplotě. Saze nahromaděné v DPF filtru obvykle vyžadují vysokou teplotu (přibližně 600 °C), aby shořely. Přísada tuto teplotu snižuje na přibližně 450 °C, což usnadňuje a urychluje proces regenerace, zejména při nižších otáčkách a teplotách motoru. Kapalina je uložena ve speciální nádrži nebo zásobníku ve vozidle a automaticky se dávkuje v malých množstvích do palivové nádrže. Systém řízení motoru (ECU) řídí dávkování aditiva, aby bylo zajištěno jeho správné množství v palivu. Při spalování paliva v motoru zůstává cer obsažený v aditivu ve formě částic, které jsou spolu se sazemi zachyceny filtrem DPF. Když se částice ceru nahromadí v DPF, sníží teplotu, při které začnou saze hořet. Díky tomu může proces regenerace filtru probíhat efektivně i při běžné jízdě ve městě.

Dnešní výrobci vozidel usilují o co nejúčinnější a zároveň nejkompaktnější systém následného zpracování výfukových plynů. Výsledkem jsou konstrukce filtrů pevných částic vybavených SCR, které kombinují funkce dvou komponent - filtru pevných částic a katalyzátoru SCR.

Filtr pevných částic (GPF) se používá také v automobilech se zážehovými motory, zejména s přímým vstřikováním. Důvodem je skutečnost, že tyto motory emitují vyšší množství pevných částic ve srovnání s tradičními motory s nepřímým vstřikováním. V mnoha zemích, zejména v Evropské unii, platí stále přísnější emisní normy, například Euro 6. Tyto normy vyžadují, aby vozidla vypouštěla méně pevných částic, což nutí výrobce používat technologie, jako je GPF, aby tyto normy splnili. GPF je navržen tak, aby tyto částice účinně zachycoval a snižoval tak emise PM z výfukového systému. Podobně jako u DPF filtru proudí výfukové plyny filtrem a částice se zachycují na jeho porézních stěnách. Na rozdíl od filtrů DPF představují filtry GPF méně problémů, protože teplota výfukových plynů v benzinových motorech je obvykle vyšší. Proces regenerace zahrnuje spalování nahromaděných částic sazí, které probíhá automaticky během běžného provozu motoru, zejména při vyšším zatížení a teplotách.

SCR katalyzátory.

Je klíčovou součástí systému selektivní katalytické redukce (SCR), v němž probíhají chemické reakce, při nichž se NOx mění na dusík (N2) a vodu (H2O). To je umožněno dávkováním speciálního redukčního činidla, vodného roztoku močoviny (AdBlue®), do proudu výfukových plynů před katalyzátorem SCR. Ve výfukovém systému před katalyzátorem SCR je často speciální směšovač (blender), který slouží k důkladnému a rovnoměrnému promíchání vstřikovaného aditiva do výfukových plynů.

Jeho struktura je podobná struktuře trifunkčního nebo oxidačního katalyzátoru. SCR katalyzátor má jádro z keramického nebo kovového voštinového materiálu pokrytého katalytickým povlakem. Obsahuje sloučeniny, jako jsou oxidy kovů (např. oxid hlinitý, oxid titaničitý) a drahé kovy (např. platina, palladium).

Proces regenerace.

Naše služba spočívá v chemickém čištění filtrů pevných částic a katalyzátorů bezpečnou, rychlou a účinnou metodou. Filtr vyjmutý z vozidla je podroben čisticímu procesu za použití chemických látek a vodního paprsku při vhodné teplotě a tlaku. Tím se odstraní všechny částice PM10, olej a cerové usazeniny (v případě "mokrých" filtrů). Jedná se o velmi účinnou metodu, která nepředstavuje riziko poškození filtrační vložky (jak se může stát u metod čištění založených na vysoké teplotě). Použitá metoda zaručuje obnovení výkonu filtru na úroveň 98% bez jakéhokoli zásahu do struktury filtru. Zařízení umožňuje měřit úroveň průtoku filtrem před a po čisticím cyklu a vytisknout výsledky těchto testů, což umožňuje jednoznačně posoudit účinnost procesu.

Tento způsob čištění filtru pevných částic má oproti tzv. servisní regeneraci mnoho výhod:

• žádné zvýšené mechanické zatížení motoru v důsledku vysokých otáček během servisní regenerace.
• žádné zvýšené tepelné zatížení součástí výfukového systému (turbodmychadlo, katalyzátor, jádro filtru pevných částic).
• po servisní regeneraci není nutná výměna motorového oleje

Jedinou podmínkou pro čištění filtru je, aby nedošlo k mechanickému poškození, zejména jádra filtru. Každý filtr, který přijímáme, prochází důkladnou kontrolou stavu a vizuální kontrolou filtrační vložky provedenou pomocí endoskopické kamery. Pokud je zjištěno mechanické poškození vnitřku filtru nebo katalyzátoru, jsme často schopni navrhnout jeho regeneraci, která zahrnuje výměnu filtrační vložky.

Příčiny a typy poškození

Příznaky poškozeného nebo přesyceného filtru/katalyzátoru částic:

1. Snížení výkonu motoru
2. Nerovnoměrný chod motoru při nízkých otáčkách
3. Zvýšená spotřeba paliva
4. Svítí kontrolka motoru ("check engine") nebo filtru (DPF/SCR)
5. Kouř z výfukového systému

Nejčastější poruchy filtru pevných částic/katalyzátoru:

1. Znečištění - únik motorového oleje, chladicí kapaliny, nadměrné nasycení filtru pevných částic sazemi nebo popelem.
2. Přehřátí - abnormální proces spalování paliva, závada ve vstřikovacím systému, recirkulace výfukových plynů, seřízení motoru atd.
3. Mechanické poškození jádra - teplo, tepelný šok, náraz, vibrace.