DPF-FAP-GPF-SCR-CAT

Geneza i zastosowanie.

Historia układów oczyszczania spalin w samochodach jest długa i związana z rosnącą świadomością ekologiczną oraz regulacjami prawnymi, które miały na celu zmniejszenie zanieczyszczeń powietrza.

W latach 60. XX wieku w Stanach Zjednoczonych zaczęto zwracać uwagę na problem zanieczyszczeń powietrza powodowanych przez samochody. Kalifornia, szczególnie Los Angeles, miała poważne problemy ze smogiem. W 1966 roku Kalifornia wprowadziła pierwsze przepisy dotyczące kontroli emisji spalin samochodowych. Następnie, w 1970 roku, wprowadzono federalne przepisy dotyczące emisji spalin w ramach Ustawy o Czystym Powietrzu (Clean Air Act).

Pierwsze katalizatory trójfunkcyjne pojawiły się w latach 70. XX wieku, głównie w odpowiedzi na zaostrzone przepisy emisji spalin w USA. Katalizatory trójfunkcyjne były w stanie redukować trzy główne zanieczyszczenia: tlenki azotu (NOx), tlenek węgla (CO) i węglowodory (HC).

W latach 80. wprowadzono bardziej zaawansowane systemy kontroli emisji, takie jak recyrkulacja spalin (EGR), wtrysk paliwa oraz czujniki tlenu (sondy lambda), które poprawiały efektywność katalizatorów. Europejskie kraje również zaczęły wprowadzać swoje przepisy dotyczące emisji, takie jak Euro 1 w 1992 roku.

Lata 90. to okres dalszego zaostrzania norm emisji spalin zarówno w USA, jak i w Europie. Wprowadzono normy Euro 2 (1996), Euro 3 (2000) i Euro 4 (2005), które wymagały coraz bardziej zaawansowanych technologii oczyszczania spalin, w tym zastosowania katalizatorów utleniających i filtrów cząstek stałych (DPF/FAP) w samochodach z silnikami wysokoprężnymi.

Wzrost popularności samochodów z silnikami Diesla spowodował konieczność wprowadzenia nowych technologii oczyszczania spalin, takich jak układy selektywnej redukcji katalitycznej (SCR), które wykorzystują AdBlue® (wodny roztwór mocznika) do redukcji NOx. Wprowadzono również filtry cząstek stałych GPF, które stosowane są w samochodach z silnikami benzynowymi. Współczesne regulacje, takie jak normy Euro 6d w Europie, wymagają stosowania jeszcze bardziej zaawansowanych technologii oczyszczania spalin, w tym kombinacji katalizatorów SCR, filtrów DPF/FAP i układów neutralizacji amoniaku (NH3).

Budowa i zasada działania.

Katalizator trójfunkcyjny i katalizator utleniający.

Katalizator trójfunkcyjny (znany także jako katalizator trójdrożny lub reaktor katalityczny) jest jednym z najważniejszych komponentów w układzie oczyszczania spalin w nowoczesnych samochodach z silnikami benzynowymi. Jego zadaniem jest przekształcanie trzech głównych szkodliwych substancji powstających podczas spalania paliwa w mniej szkodliwe związki:

1. Tlenku azotu (NOx) – redukcja do azotu (N2) i tlenu (O2)
2. Tlenku węgla (CO) – utlenianie do dwutlenku węgla (CO2)
3. Węglowodorów (HC) – utlenianie do dwutlenku węgla (CO2) i wody (H2O) 

Katalizator trójfunkcyjny składa się z:

1. Rdzenia wykonanego z ceramiki lub metalu, ma strukturę plastra miodu, która zapewnia dużą powierzchnię kontaktu dla reakcji chemicznych.
2. Warstwy aktywnej pokrywającej rdzeń, składającej się z metali szlachetnych, takich jak platyna (Pt), pallad (Pd) i rod (Rh).
3. Obudowy – zazwyczaj metalowej, która chroni katalizator i utrzymuje go w odpowiedniej pozycji w układzie wydechowym.

Aby katalizator trójfunkcyjny działał efektywnie, musi pracować w określonych warunkach:

1. Temperatura – katalizator osiąga pełną efektywność w temperaturze od około 250°C do 900°C. Przy zbyt niskiej temperaturze reakcje chemiczne nie zachodzą wystarczająco szybko.
2. Skład mieszanki paliwowo-powietrznej – optymalny skład mieszanki (stosunek powietrza do paliwa) wynosi około 14,7:1 (stosunek stechiometryczny). Zbyt bogata mieszanka (za dużo paliwa) lub zbyt uboga mieszanka (za dużo powietrza) może obniżać efektywność katalizatora.
3. Czujniki tlenu (sondy lambda) – Umieszczony przed i za katalizatorem, monitoruje poziom tlenu w spalinach, co pozwala na precyzyjne dostosowanie składu mieszanki paliwowo-powietrznej przez układ zarządzania pracą silnika (ECU).

Podczas gdy katalizator trójfunkcyjny stosowany jest w układzie wydechowym silników benzynowych, silniki diesla posiadają zwykle katalizator utleniający. Utlenia on tlenki węgla oraz węglowodory, ale jest pozbawiony zdolności redukcji NOx ze względu na fakt pracy silników wysokoprężnych na mieszankach ubogich.

Filtry cząstek stałych silników diesla (DPF/FAP) oraz silników benzynowych (GPF).

Filtr cząstek stałych (DPF – Diesel Particulate Filter) jest kluczowym komponentem stosowanym w samochodach z silnikami wysokoprężnymi (Diesla) w celu redukcji emisji cząstek stałych, które są jednym z głównych źródeł zanieczyszczenia powietrza. 

Filtr DPF jest zazwyczaj wykonany z materiałów o strukturze porowatej, takich jak węglik krzemu (SiC) lub kordieryt. Struktura filtra przypomina plaster miodu z kanałami wlotowymi i wylotowymi zamkniętymi naprzemiennie, co zmusza spaliny do przechodzenia przez porowate ścianki filtra. Cząstki stałe (sadza, popiół) są zatrzymywane na porowatych ściankach, a reszta spalin wydostaje się z filtra. W miarę gromadzenia się cząstek stałych wewnątrz filtra, wzrasta opór przepływu spalin, co prowadzi do spadku wydajności silnika. Sterownik silnika monitoruje stopień napełnienia filtra cząstek stałych m.in. dzięki czujnikowi ciśnienia różnicowego, porównując ciśnienie spalin przed oraz za filtrem. Po przekroczeniu zaprogramowanych wartości uruchamia procedury, mające wspomóc oczyszczanie (regenerację) filtra cząstek stałych. Częsta jazda na krótkich odcinkach uniemożliwia skuteczną regenerację filtra DPF, co może skutkować jego nadmiernym zapełnieniem i nieprawidłową pracą silnika.

Producenci pojazdów stosują dwa główne rozwiązania filtrów cząstek stałych silników diesla:

• filtry „suche”
• filtry „mokre”

Układy z filtrem „suchym” nie wykorzystują żadnych dodatków chemicznych, a zwiększona temperatura spalin potrzebna do regeneracji i opróżnienia filtra cząstek stałych z nagromadzonych cząstek sadzy osiągana jest przez takie zabiegi jak zwiększenie dawki wtryskiwanego paliwa, opóźnienie wtrysku, wyłączenie układu recyrkulacji spalin, itd. Niektórzy producenci stosowali również rozwiązania w postaci dodatkowego wtryskiwacza zamontowanego w układzie wydechowym, który podaje paliwo bezpośrednio do strumienia spalin przed filtrem cząstek stałych w fazie jego regeneracji.

Układy z filtrem „mokrym” wykorzystują specjalny dodatek, który dodawany do paliwa zmniejsza temperaturę spalania sadzy, umożliwiając przeprowadzenie procesu regeneracji filtra cząstek stałych w niższej temperaturze. Sadza zgromadzona w filtrze DPF zazwyczaj wymaga wysokiej temperatury (ok. 600°C) do spalenia. Dodatek obniża tę temperaturę do ok. 450°C, co ułatwia i przyspiesza proces regeneracji, zwłaszcza przy niższych prędkościach i temperaturach pracy silnika. Płyn jest przechowywany w specjalnym zbiorniku lub zasobniku w samochodzie i automatycznie dozowany do zbiornika paliwa w małych ilościach. System zarządzania silnikiem (ECU) kontroluje dawkowanie dodatku, aby zapewnić jego odpowiednią ilość w paliwie. Podczas spalania paliwa w silniku, cer zawarty w dodatku pozostaje w postaci cząsteczek, które są wychwytywane przez filtr DPF wraz z sadzą. Gdy cząsteczki ceru gromadzą się w filtrze DPF, obniżają one temperaturę, przy której sadza zaczyna się spalać. Dzięki temu proces regeneracji filtra może zachodzić efektywnie nawet podczas normalnej jazdy miejskiej.

Współcześnie producenci pojazdów dążą do jak najbardziej efektywnego, a zarazem kompaktowego układu oczyszczania spalin. Wynikiem tego są konstrukcje filtrów cząstek stałych wyposażonych w powłokę SCR, które łączą w sobie funkcje dwóch elementów – filtra cząstek stałych DPF i katalizatora SCR.

Filtr cząstek stałych (GPF) stosowany jest również w samochodach z silnikiem benzynowym, szczególnie z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Dzieje się tak dlatego, że silniki te emitują większe ilości cząstek stałych w porównaniu do tradycyjnych silników z wtryskiem pośrednim. W wielu krajach, zwłaszcza w Unii Europejskiej, obowiązują coraz bardziej rygorystyczne normy emisji spalin, takie jak normy Euro 6. Normy te wymagają, aby pojazdy emitowały mniej cząstek stałych, co wymusza na producentach stosowanie technologii takich jak GPF w celu spełnienia tych standardów. GPF jest zaprojektowany tak, aby skutecznie wychwytywać te cząstki, zmniejszając emisję PM z układu wydechowego. Podobnie jak w filtrze DPF, spaliny przepływają przez filtr, a cząstki stałe są zatrzymywane na jego porowatych ściankach. W przeciwieństwie do filtrów DPF, GPF stwarza mniej problemów, ponieważ temperatura spalin w silnikach benzynowych jest zazwyczaj wyższa. Proces regeneracji polega na spalaniu zgromadzonych cząstek sadzy, co odbywa się automatycznie podczas normalnej pracy silnika, szczególnie przy wyższych obciążeniach i temperaturach.

Katalizatory SCR.

Jest to kluczowy komponent układu Selektywnej Redukcji Katalitycznej (SCR), w którym zachodzą reakcje chemiczne przekształcające tlenki azotu NOx w azot (N2) i wodę (H2O). Możliwe jest to dzięki dozowaniu do strumienia spalin przed katalizatorem SCR specjalnego środka redukującego jakim jest wodny roztwór mocznika (AdBlue®). Często w układzie wydechowym przed katalizatorem SCR znajduje się specjalny mieszalnik (mikser), stosowany w celu dokładnego i równomiernego wymieszania wtryskiwanego dodatku ze spalinami.

Jego budowa zbliżona jest do katalizatora trójfunkcyjnego lub utleniającego. Katalizator SCR posiada rdzeń z materiału ceramicznego lub metalowego o strukturze plastra miodu pokryty powłoką katalityczną. Zawiera ona związki, takie jak tlenki metali (np. tlenek glinu, tlenek tytanu) oraz metale szlachetne (np. platyna, pallad).

Proces regeneracji.

Nasza usługa polega na chemicznym czyszczeniu filtrów cząstek stałych i katalizatorów bezpieczną, szybką i efektywną metodą. Zdemontowany z pojazdu filtr poddawany jest procesowi czyszczenia, w którym wykorzystywane są środki chemiczne oraz strumień wody o odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu. Usuwane są dzięki temu wszystkie cząstki PM10, osady z oleju oraz ceru (w przypadku filtrów „mokrych”). Jest to bardzo skuteczny sposób, który nie stwarza ryzyka uszkodzenia wkładu filtra (co może zdarzyć się w metodach czyszczenia opartych na działaniu wysokiej temperatury). Zastosowana metoda gwarantuje przywrócenie wydajności filtra do poziomu nawet 98% bez konieczności jakiejkolwiek ingerencji w jego strukturę. Urządzenie umożliwia wykonanie pomiaru poziomu przepływu przez filtr przed jak i po cyklu czyszczenia oraz wydrukowanie wyników tych prób, co pozwala jednoznacznie ocenić skuteczność procesu.

Ta metoda czyszczenia filtra cząstek stałych w porównaniu do tzw. regeneracji serwisowej wykazuje wiele zalet:

• brak zwiększonego obciążenia mechanicznego silnika spowodowanego pracą z wysoką prędkością obrotową podczas procesu serwisowej regeneracji
• brak zwiększonego obciążenia cieplnego elementów w układzie wydechowym (turbosprężarka, katalizator, rdzeń filtra cząstek stałych)
• brak konieczności wymiany oleju silnikowego, która wymagana jest po przeprowadzeniu regeneracji serwisowej

Jedynym warunkiem przeprowadzenia procesu czyszczenia filtra jest brak uszkodzeń mechanicznych, w szczególności rdzenia filtrującego. Każdy przyjmowany filtr przechodzi dokładną kontrolę stanu technicznego oraz oględziny wkładu filtrującego przeprowadzane przy pomocy kamery endoskopowej. W przypadku stwierdzenia mechanicznego uszkodzenia wnętrza filtra lub katalizatora często jesteśmy w stanie zaproponować jego regenerację, polegającą na wymianie wkładu filtrującego.

Przyczyny i rodzaje uszkodzeń

Objawy uszkodzenia lub nadmiernego nasycenia filtra cząstek stałych/katalizatora:

1. Spadek osiągów silnika
2. Nierówna praca silnika na wolnych obrotach
3. Zwiększone zużycie paliwa
4. Świecąca kontrolka silnika („check engine”) lub filtra (DPF/SCR)
5. Dymienie z układu wydechowego

Najczęstsze uszkodzenia filtra cząstek stałych/katalizatora:

1. Zanieczyszczenie – wyciek oleju silnikowego, płynu chłodzącego, nadmierne nasycenie filtra cząstek stałych sadzą lub popiołem
2. Przegrzanie – nieprawidłowy proces spalania paliwa, usterka układu wtryskowego, recyrkulacji spalin, tuning silnika itp.
3. Uszkodzenia mechaniczne rdzenia – działanie wysokiej temperatury, szok termiczny, uderzenia, drgania.