DPF-FAP-GPF-SCR-CAT

Kialakulás és alkalmazás

Az autók kipufogógáz-utókezelő rendszereinek története hosszú, és szorosan kapcsolódik a növekvő környezettudatossághoz és a légszennyezés csökkentésére irányuló szabályozásokhoz.

Az 1960-as években az autók által okozott légszennyezés problémája az Egyesült Államokban került előtérbe. Kalifornia, különösen Los Angeles, súlyos szmogproblémákkal küzdött. 1966-ban Kalifornia bevezette az első autó emissziókat szabályozó rendeleteket. Ezt követte 1970-ben a Clean Air Act által bevezetett szövetségi emissziós szabályozás.

Az első háromutas katalizátorok az 1970-es években jelentek meg, elsősorban az USA-ban szigorodó emissziós szabályok hatására. A háromutas katalizátorok képesek voltak csökkenteni a három fő szennyezőanyagot: a nitrogén-oxidokat (NOx), a szén-monoxidot (CO) és a szénhidrogéneket (HC).

Az 1980-as években fejlettebb emissziókontroll rendszereket vezettek be, mint például a kipufogógáz-visszavezetés (EGR), az üzemanyag-befecskendezés és az oxigénérzékelők (lambda szondák), amelyek javították a katalizátorok hatékonyságát. Az európai országok is elkezdték bevezetni saját emissziós szabályozásaikat, például az Euro 1-et 1992-ben.

Az 1990-es években az emissziós normák további szigorítása következett be mind az Egyesült Államokban, mind Európában. Bevezették az Euro 2 (1996), Euro 3 (2000) és Euro 4 (2005) szabványokat, amelyek egyre fejlettebb kipufogógáz-utókezelő technológiákat követeltek meg, beleértve az oxidációs katalizátorok és a dízel részecskeszűrők (DPF/FAP) használatát a dízelmotoros autókban.

A dízelautók népszerűségének növekedése szükségessé tette új kipufogógáz-utókezelő technológiák bevezetését, mint például a szelektív katalitikus redukciós (SCR) rendszereket, amelyek AdBlue® (vizes karbamid oldat) használatával csökkentik a NOx-kibocsátást. A GPF részecskeszűrőket a benzinmotoros autókban is bevezették. A mai szabályozások, mint például az európai Euro 6d szabványok, még fejlettebb kipufogógáz-utókezelő technológiák használatát írják elő, beleértve az SCR katalizátorok, DPF/FAP szűrők és ammónia (NH3) semlegesítő rendszerek kombinációját.

Felépítés és működési elv

Háromutas katalizátor és oxidációs katalizátor

A háromfunkciós katalizátor (más néven háromutas katalizátor vagy katalitikus reaktor) az egyik legfontosabb alkatrésze a modern benzinmotoros autók kipufogógáz-utókezelő rendszerének. Feladata a három fő, üzemanyag-égetés során keletkező káros anyag átalakítása kevésbé káros vegyületekké:

1. Nitrogén-monoxid (NOx) - átalakítása nitrogénné (N2) és oxigénné (O2)
2. Szén-monoxid (CO) - átalakítása szén-dioxiddá (CO2)
3. Szénhidrogének (HC) - átalakítása szén-dioxiddá (CO2) és vízzé (H2O) 

A háromutas katalizátor részei:

1. Mag, amely kerámiából vagy fémből készül, méhsejtes szerkezettel rendelkezik, amely nagy felületet biztosít a kémiai reakciók számára.
2. Egy aktív réteg, amely a magot borítja, és amely nemesfémeket, például platinát (Pt), palládiumot (Pd) és ródiumot (Rh) tartalmaz.
3. Ház - általában fémből, amely védi a katalizátort és a kipufogórendszerben megfelelő pozícióban tartja.

Ahhoz, hogy egy háromutas katalizátor hatékonyan működjön, bizonyos feltételeknek kell teljesülniük:

1. Hőmérséklet - a katalizátor teljes hatékonyságát körülbelül 250°C és 900°C közötti hőmérsékleten éri el. Ha a hőmérséklet túl alacsony, a kémiai reakciók nem zajlanak elég gyorsan.
2. Levegő/üzemanyag keverék összetétele - az optimális keverék összetétele (levegő/üzemanyag arány) körülbelül 14,7:1 (sztöchiometrikus arány). Túl dús keverék (túl sok üzemanyag) vagy túl szegény keverék (túl sok levegő) csökkentheti a katalizátor hatékonyságát.
3. Oxigénérzékelők (lambda szondák) - a katalizátor előtt és után helyezkednek el, és figyelik a kipufogógáz oxigénszintjét, lehetővé téve a motorvezérlő rendszer (ECU) számára az üzemanyag-levegő keverék összetételének finomhangolását.

Míg a háromutas katalizátorokat a benzinmotorok kipufogórendszerében használják, a dízelmotorok általában oxidációs katalizátort alkalmaznak. Ez oxidálja a szén-oxidokat és szénhidrogéneket, de nem képes csökkenteni a NOx-kibocsátást, mivel a dízelmotorok szegény keverékkel működnek.

Dízel részecskeszűrők (DPF/FAP) és benzin részecskeszűrő (GPF)

A dízel részecskeszűrő (DPF) kulcsfontosságú alkatrész a dízelautókban, amely a részecske-kibocsátás csökkentésére szolgál, ami az egyik fő forrása a légszennyezésnek. 

A DPF általában porózus szerkezetű anyagokból készül, mint például szilícium-karbid (SiC) vagy kordierit. A szűrő szerkezete méhsejt-szerű, amelyben a bemeneti és kimeneti csatornák váltakozva záródnak, kényszerítve a kipufogógázokat a szűrő porózus falainak áthaladására. A részecskék (korom, hamu) a porózus falakon lerakódnak, míg a kipufogógáz többi része elhagyja a szűrőt. Ahogy a részecskék felhalmozódnak a szűrő belsejében, növekszik a kipufogógáz áramlásának ellenállása, ami a motor teljesítményének csökkenéséhez vezet. A motorvezérlő rendszer figyeli a részecskeszűrő telítettségét többek között egy differenciálnyomás-érzékelő segítségével, amely össze. Hasonlítja a kipufogógáz nyomását a szűrő előtt és után. Amint a programozott értékeket túllépik, elindítja a részecskeszűrő tisztítását (regenerációját) segítő eljárásokat. A gyakori rövidtávú vezetés megakadályozza a DPF szűrő hatékony regenerációját, ami a szűrő túltelítődhet és motorhibákat okozhat.

A járműgyártók két fő dízel részecskeszűrő megoldást használnak:

• száraz" szűrők
• nedves" szűrők

A „száraz” szűrővel ellátott rendszerek nem használnak kémiai adalékanyagokat, és a részecskeszűrő regenerálásához és a felhalmozódott koromrészecskék eltávolításához szükséges magasabb kipufogógáz hőmérsékletet olyan intézkedésekkel érik el, mint például az üzemanyag-adag növelése, a befecskendezés késleltetése, a kipufogógáz-visszavezető rendszer kikapcsolása stb. Néhány gyártó olyan megoldásokat is alkalmazott, mint például egy további befecskendező szerelése a kipufogórendszerbe, amely közvetlenül a részecskeszűrő előtt adagolja az üzemanyagot a kipufogógáz áramába a regenerációs fázis során.

A „nedves” szűrővel ellátott rendszerek egy speciális adalékanyagot használnak, amely az üzemanyaghoz hozzáadva csökkenti a korom égési hőmérsékletét, lehetővé téve a DPF regenerálási folyamatát alacsonyabb hőmérsékleten. A DPF-ben felhalmozódott korom általában magas hőmérsékletet (kb. 600°C) igényel az égéshez. Az adalékanyag ezt a hőmérsékletet kb. 450°C-ra csökkenti, megkönnyítve és gyorsítva a regenerációs folyamatot, különösen alacsonyabb motorfordulatszám és hőmérséklet esetén. A folyadék egy speciális tartályban vagy tárolóban van tárolva az autóban, és kis mennyiségben automatikusan adagolják az üzemanyagtartályba. A motorvezérlő rendszer (ECU) szabályozza az adalékanyag adagolását, hogy biztosítsa a megfelelő mennyiséget az üzemanyagban. Amikor az üzemanyagot a motorban elégetik, az adalékanyagban lévő cérium részecskék formájában megmarad, amelyeket a DPF a korommal együtt elfog. Amikor a cérium részecskék felhalmozódnak a DPF-ben, csökkentik a hőmérsékletet, amelyen a korom égni kezd. Ez lehetővé teszi a szűrő regenerálási folyamatának hatékony végrehajtását még a normál városi vezetés során is.

Manapság a járműgyártók arra törekszenek, hogy a lehető leghatékonyabb és kompaktabb kipufogógáz-kezelő rendszert biztosítsák. Ennek eredménye az SCR-rel felszerelt részecskeszűrő rendszerek, amelyek két alkatrész - a DPF és az SCR katalizátor - funkcióit egyesítik.

A részecskeszűrőt (GPF) a benzinmotoros autókban is használják, különösen a közvetlen befecskendezésűekben. Ennek oka, hogy ezek a motorok magasabb részecske-kibocsátást eredményeznek a hagyományos, közvetett befecskendezésű motorokhoz képest. Sok országban, különösen az Európai Unióban, egyre szigorúbb kibocsátási szabványokat vezetnek be, mint például az Euro 6. Ezek a szabványok megkövetelik, hogy a járművek kevesebb részecskét bocsássanak ki, kényszerítve a gyártókat, hogy olyan technológiát alkalmazzanak, mint a GPF, hogy megfeleljenek ezeknek a szabványoknak. A GPF célja, hogy hatékonyan elfogja ezeket a részecskéket, csökkentve a PM-kibocsátást a kipufogórendszerből. A DPF-hez hasonlóan a kipufogógázok áthaladnak a szűrőn, és a részecskék a porózus falakon lerakódnak. A DPF szűrőkkel ellentétben a GPF kevesebb problémát okoz, mivel a kipufogógázok hőmérséklete a benzinmotorokban általában magasabb. A regenerációs folyamat során a felhalmozódott koromrészecskék automatikusan elégetésre kerülnek a motor normál működése során, különösen magasabb terhelés és hőmérséklet esetén.

SCR-katalizátorok.

Az SCR katalizátor a szelektív katalitikus redukció (SCR) rendszerének kulcsfontosságú alkatrésze, amelyben kémiai reakciók során a NOx nitrogénné (N2) és vízzé (H2O) alakul. Ez egy speciális redukálószer, egy vizes karbamid oldat (AdBlue®) kipufogógázokba történő adagolásával valósítható meg, amelyet az SCR katalizátor előtt fecskendeznek be. Gyakran van egy speciális keverő a kipufogórendszerben az SCR katalizátor előtt, amely a befecskendezett adalékot alaposan és egyenletesen keveri a kipufogógázba.

Szerkezete hasonló a háromutas katalizátorhoz vagy az oxidációs katalizátorhoz. Az SCR katalizátor magja kerámia vagy fém méhsejtes anyagból készül, amelyet katalitikus bevonattal látnak el. Ez olyan vegyületeket tartalmaz, mint a fém-oxidok (pl. alumínium-oxid, titán-oxid) és nemesfémek (pl. platina, palládium).

Felújítási folyamat.

Szolgáltatásunk részecskeszűrők és katalizátorok kémiai tisztításából áll, biztonságos, gyors és hatékony módszerrel. A járműből eltávolított szűrőt egy tisztítási folyamatnak vetik alá, amely során megfelelő hőmérsékleten és nyomáson vegyszereket és vízsugarat használnak. Ez eltávolítja az összes PM10 részecskét, olajat és cériumlerakódásokat (a „nedves” szűrők esetében). Ez egy nagyon hatékony módszer, amely nem jelenti a szűrőpatron károsodásának kockázatát (amint az a magas hőmérsékleten alapuló tisztítási módszereknél előfordulhat). Az alkalmazott módszer garantálja, hogy a szűrő teljesítménye akár 98%-ig visszaállítható anélkül, hogy beavatkozna a szűrő szerkezetébe. Az eszköz lehetővé teszi a szűrőn átáramló szint mérését a tisztítási ciklus előtt és után, és ezeknek a teszteknek az eredményei kinyomtathatók, ami lehetővé teszi a folyamat hatékonyságának egyértelmű értékelését.

Ennek a részecskeszűrő tisztítási módszernek számos előnye van az úgynevezett szervizregenerációval szemben:

• Nincs megnövekedett mechanikai terhelés a motoron a szervizregenerációs folyamat során nagy sebességű működés miatt
• Nincs megnövekedett hőterhelés a kipufogórendszer alkatrészein (turbófeltöltő, katalizátor, részecskeszűrő mag)
• Nincs szükség motorolaj cseréjére, amely szükséges a szervizregeneráció után

A szűrő tisztítási folyamatának egyetlen feltétele, hogy nincs mechanikai sérülés, különösen a szűrő magján. Minden beérkezett szűrőt alapos műszaki állapotellenőrzésnek vetnek alá, és az endoszkópos kamerával ellenőrzik a szűrőelemet. Ha mechanikai sérülés észlelhető a szűrő vagy katalizátor belsejében, gyakran felújítást tudunk javasolni, amely a szűrőbetét cseréjéből áll.

A hibák okai és típusai

A sérült vagy eltömődött részecskeszűrőre/katalizátorra utaló tünetek:

1. A motor teljesítményének csökkenése
2. Egyenetlen motorjárás alacsony fordulatszámon
3. Megnövekedett üzemanyag-fogyasztás
4. Motor („check engine”) vagy szűrő (DPF/SCR) jelzőfény kigyulladása
5. Füst a kipufogórendszerből

A részecskeszűrő/katalizátor leggyakoribb hibái:

1. Szennyeződés - motorolaj szivárgása, hűtőfolyadék, korom vagy hamu felhalmozódása a részecskeszűrőben
2. Túlmelegedés - rendellenes üzemanyag-égetési folyamat, hiba a befecskendezési rendszerben, kipufogógáz-visszavezetés, motorhangolás stb.
3. Mechanikai sérülés a magon - hő, hősokk, ütés, rezgés.