کاتالیزور فیلتر ذرات بنزین (GPF).

اصل کار GPF: فیلتراسیون و بازسازی
اصل کار فیلتر ذرات بنزین (GPF) بسیار شبیه به فیلتر ذرات دیزل (DPF) است، که هر دو شامل فرآیند فیلتراسیون فیزیکی و بازسازی است.
1. مکانیسم فیلتراسیون
GPF از یک بستر سرامیکی لانه زنبوری با کانال‌های متصل به تناوب استفاده می‌کند و گاز خروجی را مجبور می‌کند از طریق دیواره‌های متخلخل جریان یابد. ذرات معلق در داخل یا روی سطح این دیوارها از طریق مکانیسم هایی مانند انتشار، رهگیری و نهفتگی اینرسی جذب می شوند. راندمان فیلتراسیون بسیار بالا است، با راندمان فیلتراسیون تعداد ذرات بیش از 90٪.
2. مکانیسم بازسازی
بازسازی برای عملکرد مداوم GPF نیز ضروری است. خوشبختانه، شرایط کار موتورهای بنزینی به طور طبیعی به نفع بازسازی GPF است.
مزیت اصلی: دمای بالا و محیط شیمیایی
موتورهای بنزینی معمولاً در نزدیکی کاتالیزور سه طرفه کار می کنند، جایی که دمای اگزوز بالاتر است و بار موتور به طور قابل توجهی نوسان می کند و رسیدن به دمای بازسازی را آسان تر می کند. مهمتر از همه، موتورهای بنزینی نزدیک به نسبت هوا به سوخت استوکیومتری عمل می کنند، به این معنی که هر دو گازهای کاهنده (CO، HC، H2) و گازهای اکسید کننده (O2، NOx) با هم در اگزوز وجود دارند.

انواع و طرح های یکپارچه سازی کاتالیزورهای GPF
کاتالیزورهای GPF مواد کاملاً جدیدی نیستند، اما از نزدیک با مبدل های کاتالیزوری سه طرفه موجود یکپارچه شده اند. سه طرح اصلی یکپارچه سازی وجود دارد:
1. GPF روکش دار
این در حال حاضر رایج ترین و کلاسیک ترین راه حل است.
ساختار: در داخل دیواره های متخلخل زیرلایه GPF، یک پوشش کاتالیست سه طرفه (TWC) اعمال می شود. ترکیب پوشش با ترکیب TWC معمولی یکسان است: پلاتین (Pt)، رودیوم (Rh) و پالادیوم (Pd) به عنوان اجزای فعال عمل می‌کنند، در حالی که آلومینا (Al2O3)، سریا (CeO2) و زیرکونیا (ZrO2) به عنوان مواد پوششی استفاده می‌شوند.
اصل کار:
(1) تصفیه گاز: به عنوان یک کاتالیزور مینیاتوری "چهار طرفه" عمل می کند و به تصفیه CO، HC و NOx ادامه می دهد تا اگزوز از دیواره عبور کند.
(2) ترویج بازسازی:
بازسازی فعال: هنگامی که نیاز به بازسازی باشد، ECU موتور به طور خلاصه مخلوط هوا و سوخت را غنی می کند و اگزوز غنی از CO و HC تولید می کند. این گازها روی سطح کاتالیزور GPF اکسید می شوند و گرمای قابل توجهی آزاد می کنند که به سرعت دمای داخلی GPF را به بالای 600 درجه سانتیگراد افزایش می دهد تا دوده انباشته شده را بسوزاند.
بازسازی غیرفعال: تحت عملکرد استوکیومتری معمولی، NO2 و O2 در اگزوز همچنین می توانند به طور مداوم بخشی از دوده به دام افتاده را با کمک کاتالیزور اکسید کنند.
2. GPF بدون پوشش
ساختار: بستر GPF فاقد پوشش کاتالیزوری است و صرفاً به عنوان فیلتر ذرات عمل می کند.
پیکربندی: این نوع GPF معمولاً به عنوان یک جزء جداگانه در پایین دست کاتالیزور سه طرفه معمولی نصب می شود.
اصل کار: Gaseous pollutants are treated by the upstream TWC, while the GPF focuses solely on trapping particulate matter. Regeneration depends on the high exhaust temperature generated by the TWC or on active engine control strategies to raise the exhaust temperature.
کاربرد: هزینه کمتری را ارائه می دهد اما عملکرد بازسازی و راندمان تصفیه گاز نسبتا پایین تری در مقایسه با طرح های پوشش داده شده دارد.
3. مبدل کاتالیزوری چهار طرفه
این یک مفهوم بسیار یکپارچه است که عملکردهای TWC و GPF را در یک واحد ترکیب می کند.
ساختار: زیرلایه GPF در موقعیتی نزدیک به هم قرار می گیرد و با بارگذاری بالایی از مواد کاتالیزور سه طرفه پوشانده می شود.
هدف: برای دستیابی به خالص سازی همزمان CO، HC، NOx، و ذرات معلق در یک جزء.
چالش: این پیکربندی الزامات بسیار بالایی را بر پایداری حرارتی کاتالیزور و عملکرد خاموش شدن نور تحمیل می‌کند و در نتیجه پیچیدگی فنی بیشتر و هزینه بالاتر را به همراه دارد.

واکنش های شیمیایی کلیدی کاتالیزورهای GPF
برای سیستم های پوشش دار GPF، واکنش های شیمیایی را می توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد:
1. واکنش های کاتالیزوری سه طرفه استاندارد (تحت شرایط استوکیومتری):
2CO O2 → 2CO2
HC O2 → CO2 H2O
2NOx → N2 xO2
2. واکنش هایی که بازسازی را ترویج می کنند:
اکسیداسیون دوده:
C O2 → CO2 (اکسیداسیون مستقیم)
C 2NO2 → CO2 2NO (اکسیداسیون از طریق NO2 - مسیر اولیه برای بازسازی غیرفعال)
واکنش های گرمازا (برای بازسازی فعال):
2CO O2 → 2CO2 (Exothermic)
HC O2 → CO2 H2O (Exothermic)
گرمای آزاد شده از این واکنش ها به طور مستقیم دمای زیرلایه GPF را افزایش می دهد و احتراق و بازسازی دوده را امکان پذیر می کند.