کاتالیزور DPF بستر لانه زنبوری

اصل کار DPF: فیلتراسیون و بازسازی
درک DPF مستلزم درک دو فرآیند اصلی آن است:
1. فرآیند فیلتراسیون
بستر DPF معمولاً یک ساختار لانه زنبوری است که از دیواره‌های متخلخل سیلیکون کاربید یا کوردیریت ساخته شده و کانال‌های متناوب در انتهای ورودی و خروجی مسدود شده است.
گاز خروجی مجبور می شود از دیواره های متخلخل بین کانال ها عبور کند.
ذرات معلق روی دیوارها به دام می افتند زیرا اندازه آن بزرگتر از قطر منافذ دیوار است.
این فرآیند بسیار کارآمد است، با راندمان فیلتراسیون دوده بیش از 95٪.
2. فرآیند بازسازی
این ماهیت فناوری DPF است. اگر دوده فقط جمع‌آوری شود اما حذف نشود، ذرات به طور مداوم جمع می‌شوند و باعث می‌شوند فشار برگشتی اگزوز به شدت افزایش یابد و در نهایت منجر به اختلال در عملکرد موتور شود. بنابراین، ذرات معلق جمع‌آوری‌شده باید به‌طور دوره‌ای سوزانده شوند، فرآیندی که به عنوان بازسازی شناخته می‌شود.
چالش اصلی: دمای اشتعال دوده خالص بسیار بالا است (حدود 550 تا 600 درجه سانتیگراد)، در حالی که دمای معمولی اگزوز دیزل، به ویژه در هنگام رانندگی شهری، تنها بین 150 تا 300 درجه سانتیگراد است و به طور طبیعی نمی تواند دوده را بسوزاند.
نقش کاتالیزور: هدف اصلی کاتالیزور DPF کاهش قابل توجه دمای اکسیداسیون دوده از طریق واکنش های شیمیایی است که به آن اجازه می دهد در محدوده دمای معمولی اگزوز در حین کارکرد موتور سوزانده شود.

انواع و ترکیب کاتالیزورهای DPF
کاتالیزورهای DPF واحدهای مستقلی نیستند اما به شکل یک پوشش با بستر DPF یکپارچه می شوند. سه روش اصلی پیاده سازی وجود دارد:
1. DPF با پوشش کاتالیست
این رایج ترین نوع است که در آن پوشش کاتالیست مستقیماً بر روی دیواره های متخلخل زیرلایه DPF اعمال می شود.
بستر: کاربید سیلیکون متخلخل یا کوردیریت DPF.
پوشش: مشابه DOC، از γ-آلومینای سطح بالا به عنوان پوشش پایه استفاده می شود.
اجزای فعال:
فلزات گرانبها مانند پلاتین و پالادیوم: اینها انتخاب های اصلی در سیستم های اولیه و بسیاری از سیستم های فعلی بوده اند.
مکانیسم عمل:
اکسیداسیون NO به NO2: کاتالیزور NO را در اگزوز به NO2 اکسید می کند. NO2 یک عامل اکسید کننده قوی است که با دوده در دماهای نسبتاً پایین (~ ​​250-300 درجه سانتیگراد) واکنش نشان می دهد: C 2NO2 → CO2 2NO. این واکنش کلید دستیابی به بازسازی غیرفعال است.
اکسیداسیون مستقیم: در دماهای بالاتر، کاتالیزور واکنش مستقیم بین اکسیژن و دوده را نیز افزایش می دهد.
2. کاتالیزور نوع افزودنی سوخت
در این روش، کاتالیزور روی DPF پوشش داده نمی شود، بلکه مستقیماً به صورت یک افزودنی مبتنی بر فلز به سوخت اضافه می شود.
افزودنی: به طور معمول، ترکیبات آلی فلزی سریم یا آهن.
اصل: پس از احتراق، ذرات فلزی از افزودنی به همراه گاز خروجی وارد DPF شده و به طور یکنواخت در لایه دوده جمع‌آوری‌شده قرار می‌گیرند. در طول بازسازی، این ذرات فلزی به عنوان کاتالیزور عمل می کنند و دمای اکسیداسیون دوده را به طور قابل توجهی کاهش می دهند (تا 450 درجه سانتیگراد).
مزایا: کاتالیزور به طور مساوی با دوده مخلوط می شود و از تماس کافی و راندمان بازسازی بالا اطمینان حاصل می کند.
معایب: به سیستم های ذخیره سازی و تزریق افزودنی اضافی نیاز دارد، هزینه ها را افزایش می دهد و باقیمانده های خاکستر اکسید فلز در DPF جمع می شود که نیاز به تمیز کردن دوره ای دارد.
3. DPF کاتالیستی
این مفهومی است که به راحتی اشتباه گرفته می شود اما مهم است. این به ادغام عملکرد DOC و عملکرد DPF در یک جزء واحد اشاره دارد، به عنوان مثال، استفاده از یک کاتالیزور اکسیداسیون با دوز بالا (مانند پلاتین یا پالادیوم) در ورودی DPF.
عملکرد: می تواند CO و HC را مانند یک DOC اکسید کند و NO2 را برای بازسازی غیرفعال تولید کند، در حالی که ذرات معلق مانند DPF را نیز جذب می کند.
کاربرد: معمولاً در سیستم‌های پس‌فرآوری فشرده که فضا محدود است استفاده می‌شود.

استراتژی های بازسازی DPF
وجود یک کاتالیزور DPF استراتژی‌های بازسازی زیر را ممکن می‌سازد:
1. بازسازی غیر فعال
فرآیند: در طول کارکرد عادی خودرو، زمانی که دمای اگزوز به یک سطح معین می‌رسد (مثلاً در طول بزرگراه)، کاتالیزور DPF به طور مداوم NO2 تولید می‌کند که به طور پیوسته دوده انباشته شده را اکسید می‌کند.
مشخصات: این فرآیند برای راننده نامحسوس است و مطلوب ترین روش بازسازی است. با این حال، به دمای اگزوز کافی و هماهنگی با DOC بالادست برای تامین NO2 نیاز دارد.
2. بازسازی فعال
فرآیند: هنگامی که رایانه سواری خودرو از طریق سنسور فشار دیفرانسیل تشخیص دهد که DPF به اندازه کافی مسدود شده است و بازسازی غیرفعال ممکن نیست، سیستم به طور فعال مداخله می کند.
روش‌های مداخله: با تأخیر در تزریق سوخت یا انجام پس از تزریق، سوخت نسوخته وارد DOC می‌شود، تحت اکسیداسیون قرار می‌گیرد و اگزوز با دمای بالا بالای 600 درجه سانتی‌گراد تولید می‌کند که سپس به سمت DPF هدایت می‌شود و به دوده اجازه می‌دهد به سرعت با اکسیژن در دماهای بالا اکسید شود.
نقش کاتالیزور: در این حالت، دوده را می توان حتی بدون کاتالیزور در دماهای بالا بسوزاند. با این حال، وجود کاتالیزور باعث کاهش دمای مورد نیاز بازسازی، کوتاه شدن زمان بازسازی و کاهش مصرف سوخت می شود.
3. بازسازی خدمات
فرآیند: اگر وسیله نقلیه به طور مداوم تحت شرایط مسافت کوتاه یا سرعت کم کار می کند، که از تکمیل بازسازی فعال جلوگیری می کند، تجهیزات تخصصی باید توسط پرسنل خدمات برای انجام بازسازی اجباری استفاده شود.

چالش ها و ملاحظات کلیدی
1. تجمع خاکستر: مواد افزودنی روغن موتور (مانند کلسیم، روی، فسفر، گوگرد و غیره) پس از احتراق، خاکستر غیر قابل احتراق تولید می کنند. خاکستر به طور دائم کانال های DPF را مسدود می کند و باعث افزایش تدریجی فشار برگشتی می شود. این عامل محدود کننده نهایی طول عمر DPF است و نیاز به جداسازی، تمیز کردن یا تعویض دوره ای دارد (معمولاً پس از چند صد هزار کیلومتر).
2. مسمومیت کاتالیست: موادی مانند گوگرد و فسفر می توانند پوشش کاتالیست روی DPF را مسموم کنند و فعالیت کاتالیستی آن را کاهش دهند.
3. مدیریت حرارتی: کنترل دما در طول بازسازی فعال حیاتی است. دمای بیش از حد ممکن است باعث ذوب شدن یا ترک خوردن بستر DPF در اثر تنش حرارتی شود.
4. کیفیت سوخت: سوخت با گوگرد بالا می تواند عملکرد کاتالیزور را به شدت کاهش دهد و خاکستر سولفات را افزایش دهد.