Dyzelinių variklių kietųjų dalelių filtro (angl. DPF – Diesel Particulate Filter) veikimo pagrindai

Šiame straipsnyje aprašomi dyzelinių variklių kietųjų dalelių filtro (DPF) veikimo pagrindai. Pateikiamas trumpas DPF filtre vykstančių filtravimo procesų aprašymas, įvairių tipų bendro naudojimo DPF filtrai ir jų veikimo bei regeneracijos metodikų skirtumai.

 

Dyzelinių variklių kietųjų dalelių filtravimas

Dyzelinių variklių kietųjų dalelių filtrai sulaiko suodžių daleles iš variklio išmetimo sistemos ir neleidžia joms patekti į aplinką. Skirtingai nuo katalizinio konverterio (katalizatoriaus), kuris yra skirtas sumažinti pro katalizatorių pratekėjusių dujų fazės teršalų išmetimą, kietųjų dalelių filtro paskirtis yra sulaikyti ir išlaikyti kietąsias daleles tol, kol jos galės būti oksiduotos arba sudegintos pačiame DPF filtre regeneracija vadinamo proceso metu.

Įprasti plačiai naudojami dyzelinių variklių kietųjų dalelių filtrai yra koriniai keraminiai filtrai su kanalais. Kas antro kanalo galas yra uždaras (žr. 1 pav.). Kadangi šachmatų lentos principu išdėstytų filtro kanalų galai yra uždari, suodžių turintys teršalai yra priversti tekėti pro porėtas filtro sieneles. Išmetamosioms dujoms tekant pro sieneles, suodžių dalelės uždaromos filtro porose ir kanalo sienelių paviršiaus sluoksnyje. Didelį filtravimo plotą ir minimalius slėgio nuostolius užtikrinanti korinė filtro konstrukcija, vadinamasis pertvarinis filtras, tapo standartine daugelyje dyzelinių variklių išmetamųjų dujų filtravimo sistemų naudojama konstrukcija. Šilumai atsparios keraminės medžiagos plačiai naudojamos dalelių filtrams gaminti. Dažniausiai naudojamos keraminės medžiagos: kordieritas, silicio karbidas ir aliuminio titanatas.

 

 

Išsami filtravimo proceso iliustracija pateikiama 1(b) pav. Jame vaizduojamos įleidimo kanale, kurio priekinė dalis atvira, o galinė – uždara, įstrigusios suodžių dalelės. Viename kvadratiniame DPF filtro centimetre yra keli dešimtys kanalų (celių) (c/cm3), dažniausiai – 30 c/cm3. Kadangi pusė filtro kanalų uždari priekyje, o kita pusė – gale, tik pusė jų kaupia suodžius arba pelenus. T.y. „purvinų“ išmetamųjų teršalų srautas patenka tik į įleidimo pusėje atvirus kanalėlius, o išleidimo pusėje atviri kanalėliai lieka švarūs. Dėl itin mažų filtro porų ir korinės konstrukcijos, DPF filtrų kietųjų dalelių filtravimo efektyvumas gali siekti 99% ar daugiau procentų [1]. Aukšto kietųjų dalelių filtravimo efektyvumo ir korėtos DPF konstrukcijos dėka pro filtro sieneles neturėtų praeiti jokie matomi suodžiai ar pelenai.  Juodi dryžiai arba matomi suodžiai išleidimo kanaluose yra filtro gedimo požymis.

Suodžių dalelės surenkamos ir sulaikomos DPF, vykstant giluminiam filtravimui filtro porose ir paviršiniam filtravimui palei kanalėlių sieneles. 1(c) pav. vaizduojami šie du procesai, kai nedidelė dalis suodžių iš pradžių susikaupia filtro porose (1), o vėliau nugula sluoksniu ant kanalėlio sienelių (2).  Didėjant suodžių kiekiui filtre, didėja ir filtro efektyvumas, kadangi susikaupę suodžiai sudaro papildomą sluoksnį, kuris uždaro įeinančias daleles. Specifiniai filtro porose ar sienelių paviršiuje esantys suodžių filtravimo mechanizmai vaidina svarbų vaidmenį nustatant bendrą išmetimo priešslėgio padidėjimą (arba slėgio krytį filtre) (žr. 2 pav.).

 

 

Daugumos komercinių DPF akytumas svyruoja nuo maždaug 40% iki 60%. Šių filtrų sienelėse suformuotas sudėtingas porų tinklas. Porų skersmuo svyruoja nuo 10 iki 30 mikrometrų (mikronų) [2]. Naujo ar švaraus DPF filtro paviršius yra veikiamas išmetamųjų dujų srauto, o paviršiaus porose greitai susikaupia suodžiai. Nors tik nedidelė visų suodžių dalis susikaupia filtro mikroporose, ji prisideda prie staigaus filtro slėgio kryčio padidėjimo, kuris vaizduojamas 2 pav. Toliau besikaupiantys suodžiai DPF filtre suformuoja sluoksnį ant kanalėlių sienelių, dėl to filtro slėgis krinta lėčiau ir laipsniškiau [3].  Priklausomai nuo suodžių apkrovos lygio ir filtro tipo, kai kuriais atvejais dėl suodžių sankaupų porose filtro slėgis gali nukristi 50% ar daugiau. Netiesinis DPF atsakas į medžiagų kaupimąsi apsunkina filtro suodžių ar pelenų apkrovos lygio nustatymą vien tik pagal slėgio krytį.

 

Filtro regeneracija

Siekiant sumažinti filtro slėgio kryptį dėl suodžių kaupimosi, filtras regeneruojamas, atliekant procesą, kurio metu sudeginami (oksiduojami) suodžiai. Plačiai naudojamas dviejų tipų regeneracijos procesas, nors dauguma komercinių sistemų naudoja šių dviejų būdų derinį. Labai dažnai šis derinys naudojamas transporto priemonėse ar įrangoje, kuri ilgą laiką veikia išmesdama žemos temperatūros išmetamąsias dujas, pavyzdžiui, ilgą laiką veikia laisvąja eiga ar mažu greičiu/mažos apkrovos ciklu.

Aktyvi regeneracija. Jai atlikti būtina padidinti išmetamųjų dujų temperatūrą, kurioje suodžiai oksiduotųsi, atsiradus deguonies pertekliui išmetamosiose dujose. Suodžių degimui deguonyje užtikrinti paprastai reikalinga aukštesnė nei 550 °C temperatūra.  Kadangi taip aukštai temperatūra varikliui veikiant įprastai nepakyla, siekiant aktyviai padidinti išmetamųjų dujų temperatūrą, naudojamos kelios strategijos [4].  Aktyvios regeneracijos sistemose gali būti naudojamas dyzelinis degiklis, kuris tiesiogiai kaitina į DPF patenkančias išmetamąsias dujas, arba dyzelino oksidacijos katalizatorius (DOC), kuris oksiduoja dyzelinį kurą per katalizatorių, tokiu būdu padidindamas DPF temperatūrą. Naudojant DOC, išmetamosiose dujose taip pat turi būti perteklinio dyzelinio kuro. Šiuo tikslu gali būti naudojamas kuro purkštukas (angliavandenilių dozatorius), kuris montuojamas išmetamajame vamzdyje priešais DOC, arba použdegiminio įpurškimo funkcija. Taip pat aktyviai regeneracijai naudojami elektriniai kaitinimo elementai, mikrobangos ar plazminiai degikliai.

Su kurios nors formos išmetamų degalų dozavimo sistema derinamas dyzelino oksidacijos katalizatorius yra dažniausiai naudojama aktyvios regeneracijos forma, naudojama magistraliniams ir nemagistraliniams keliams skirtose transporto priemonėse.  Paprastai aktyvios regeneracijos ciklas įprastomis eksploatavimo sąlygomis vidutiniškai trunka nuo 20 iki 30 minučių. Kai kuriais atvejais, pavyzdžiui, DPF filtre susikaupus dideliam suodžių kiekiui, gali būti reikalinga stovinčios transporto priemonės regeneracija. Tokia regeneracija gali trukti keletą valandų, per kurias labiau kontroliuojamomis sąlygomis suodžiai lėtai išdeginami. Nepriklausomai nuo to, kokia strategija pasirenkama, aktyviai regeneracijai visada reikia papildomų energijos sąnaudų (papildomo kuro) išmetamosioms dujoms ir DPF kaitinimo iki reikalingos temperatūros.

Pasyvi regeneracija. Kaip sufleruoja pavadinimas, nereikalauja papildomos energijos regeneracijos procesui vykdyti. Vietoj to, ši strategija paremta suodžių oksidacija, naudojant NO2. Ji gali vykti daug žemesnėje temperatūroje – nuo 250 °C iki 400 °C. Išmetamosiose dujose esančiam NO paversti NO2 naudojamas katalizatorius. Reakcijai palengvinti šiems katalizatoriams būtini taurieji metalai, ypač platina (Pt), dėl kurios tokia sistema tampa dar brangesnė.  Kai kuriais atvejais katalizatorius dengiamas tiesiai ant DPF, kaip ir katalizuojamame DPF (K-DPF), taip pat gali būti naudojamas prieš filtrą montuojamas dyzelino oksidacijos katalizatorius (DOK) [5]. Daugelyje komercinių sistemų naudojamas DOK ir K-DPF derinys. Naudojant katalizatorius, susidaro NO2, o suodžiai gali būti oksiduojami esant įprastoms variklio ar transporto priemonės veikimo temperatūroms.

Idealiu atveju, jei veikiantis variklis tam tikrą laiko tarpą praleidžia tokiame pasyvios regeneracijos „temperatūros lange“, aktyvi regeneracija gali būti nereikalinga. Tačiau tikrovėje variklis žemoje temperatūroje gali veikti ilgą laiką, pavyzdžiui, tuščiąja eiga arba mažomis apkrovomis, ypač esant šaltam klimatui, todėl aktyvios regeneracijos gali prireikti. Nevykdant aktyvios regeneracijos, pasyvią regeneraciją galima paskatinti žemos temperatūros laikotarpius papildant aukštos temperatūros laikotarpiais (pvz.: ilgu važiavimu greitkeliu).

Norint mažinti degalų sąnaudas, pirmenybė teikiama pasyviai regeneracijai, nors dauguma komercinių sistemų vis dar naudoja įvairaus laipsnio aktyvią regeneraciją, priklausomai nuo važiavimo ciklo ir eksploatavimo sąlygų. Nepriklausomai nuo regeneracijos metodo, vykstant suodžių oksidacijai (aktyviai ar pasyviai), susidaro nedegi medžiaga arba pelenai, kurių sudeginti neįmanoma, ir lieka DPF. Renkantis tinkamiausią filtro valymo būdą, svarbu suprasti pagrindinius skirtumus tarp pelenų ir suodžių, taip pat jų poveikį DPF veikimui.

 

Kodėl svarbu iš DPF išvalyti pelenus?

Suprasti kaip porose ar sienelių paviršiuje DPF filtras surenka ir uždaro kietąsias daleles yra svarbu, kadangi nuo to priklauso, kaip vėliau šios dalelės bus pašalintos. Suodžiai iš esmės skiriasi nuo pelenų tuo, kad suodžiai gali būti oksiduojami ir pašalinami regeneruojant, o pelenai yra nedegūs ir išlieka DVKD filtre tol, kol atliekamas jo aptarnavimas pelenams išvalyti.

DPF filtro indikacine lempute
DPF filtro indikacinė lemputė

 

Šaltiniai ir papildoma informacija:
  1. Mogaka, Z., Wong, V., and Shahed, S., “Performance and Regeneration Characteristics of a Cellular Ceramic Diesel Particulate Trap,” SAE Technical Paper 820272, 1982, doi:10.4271/820272.
  2. Dimou, I., Sappok, A., Wong, V., Fujii, S. et al., “Influence of Material Properties and Pore Design Parameters on Non-Catalyzed Diesel Particulate Filter Performance with Ash Accumulation,” SAE Technical Paper 2012-01-1728, 2012, doi:10.4271/2012-01-1728.
  3. Opris, C. and Johnson, J., “A 2-D Computational Model Describing the Flow and Filtration Characteristics of a Ceramic Diesel Particulate Trap,” SAE Technical Paper 980545, 1998, doi:10.4271/980545.
  4. Cheng, S., “Rolling Regeneration Trap for Diesel Particulate Control,” SAE Technical Paper 2003-01-3178, 2003, doi:10.4271/2003-01-3178.
  5. Allansson, R., Blakeman, P., Cooper, B., Hess, H. et al., “Optimising the Low Temperature Performance and Regeneration Efficiency of the Continuously Regenerating Diesel Particulate Filter (CR-DPF) System,” SAE Technical Paper 2002-01-0428, 2002, doi:10.4271/2002-01-0428.

 

DPF suodžių filtrų cheminis – slėginis valymas / plovimas: https://galingas.lt/blogas/dpf-valymas/
Benzininių variklių suodžių filtrai (GPF): https://www.aecc.eu/key-topics/gasoline-particulate-filter/