DPF-regenerálás 1. rész

Új dízelmotoros autó részecske- (DPF) vagy más néven koromszűrő nélkül nem kerülhet forgalomba. A DPF a ma érvényben lévő Euro 5 kipufogógáz-előírás teljesítéséhez nélkülözhetetlen. A részecskeszűrő egészségünk védelmében kifejtett áldásos hatása mellett az üzemeltetőknek, javítóknak meglehetősen gyakran okoz gondot. A gépjármű mozgását korlátozó vagy megakadályozó nehézségek számára nem kedvező üzemi viszonyok vagy motorirányítási problémák miatt következnek be. A javítás – időt rabló szervizműveletek mellett – gyakran hosszas szerviz-ügyfél vitákhoz vezet és komoly összegekre rúg. Súlyos ismerethiány is nehezíti a helyzetet mind a gépkocsi-tulajdonosok részéről, mind az importőri, márkaszervizi és független javítói, sőt szakértők (akik itt és most nem igazán szakemberek) oldaláról.

1. ábra

Mielőtt taglalni kezdjük a vonatkozó kérdéseket, előre le kell szögeznünk, hogy nem minden részletében kiforrott technikáról van szó. A gyártók, beszállítók fejlesztői is rendesen küzdenek. Erre bizonyíték a visszahívások tömege, ekkor módosított regenerálási programok telepítése, visszahívás során konstrukciósan módosított DPF-cserék, az importőr ádáz küzdelme az üzemeltetővel, mondván nem tudja üzemeltetni az autóját (ó szegény, ő csak autózni szeretne, és pechére városban lakik…). Erről írtunk már részletesen az Autótechnika 2009/9. számában, a 32. oldalon, kérjük, idézzük fel a cikk megállapításait.

Cikkünkbe keretesen ágyaztunk egy „pihentető, üdítő” olvasmányt, azért, hogy lássuk, máshol sincs minden rendben…

A részecskeszűrő felépítése

A kipufogógázt porózus kerámia szűri meg. A kipufogógázból a részecske a szűrő belső falán, részben a szűrőfalba behatolva lerakódik. Ezt a szűrőt falszűrőnek nevezzük. Kialakítása az 1. ábrán jól látható.

A szűrőegységet négyzet vagy hatszög keresztmetszetű, tengelyirányú csatornák alkotják. A csatornák fele a belépőoldalon nyitott és a kilépőoldalon zárt. A csatornába a kipufogógáz belépve a csatornafalon áthaladva jut a szomszédos, ún. kilépő csatornába. A kilépő csatorna a motoroldal felől zárt és a kipufogócső felé nyitott.

A szűrők a 15 nm és az 500 nm (0,5 µm) közötti tartományban is 90 tömeg%-os hatásfokkal szűrik ki a részecskéket, az ennél nagyobbakat természetesen 100%-os hatásfokkal.

A szűrő örök életű?

Az lehetne, ha azon anyagok sorában, amelyeket megszűr, csak korom kerülne bele ÉS a korom elégetésének semmilyen körülmények között nem lenne akadálya. Ehhez még tegyük hozzá, hogy a motornak sem szabad, hogy baja legyen, például erőteljes olajfogyasztás, porlasztási hiba.

Ez bizony sajnos nincs így, tehát

A szűrő nem örök életű!

A szűrőbe, annak belső falfelületére és a szűrőfal járataiba bekerülnek olyan anyagok, melyek a gépjárműbe épített DPF-ből nem távolíthatóak el, tehát a szűrő ezen anyagok tekintetében nem regenerálható.

Melyek ezek?

Minden koromszűrős dízelautónál a kenőanyag elégéséből származó hamu.

A DPF-csatorna metszeti rajza (2. ábra – forrás: Mercedes) jól mutatja a lerakódást a szűrő falán (c), ahol két lerakódott réteg különböztethető meg: az „a” jelű a részecske (korom) réteg, a „b” jelű az olajhamu réteg (2. ábra).

Ha a DPF-regenerálást tüzelőanyag-adalék segíti (többnyire ez a „FAP” rendszer, PSA-csoport, de a Fordnál és egyes VW-modelleknél is megtaláljuk), akkor a tüzelőanyag-adalék egyes komponensei is lerakódnak a szűrő falára, nem regenerálhatóak, tehát üzem közben nem távolíthatóak el, és így idővel eltömik a szűrőt.

Bajt okoz a nagy olajfogyasztásból és „kormolós” üzemből származó olajkoksz réteg is, melyeket nem könnyű „leoxidálni” a falról.

A szűrő nagy hő, hőterhelés hatására is sérülhet. Elsősorban kényszerregenerálásnál a begyulladó „kokszkályha” a szűrő kerámia anyagát megroggyanthatja, a rajta lévő katalizátoranyagok szintereződnek, a washcoat réteg zsugorodik.

A szűrő – ha minden rendben van – akkor is eltömődhet a fenti okok miatt annyira, hogy már motorüzemet lehetetlenítő kipufogógáz-ellennyomást okoz.

A motorirányító rendszer számon tartja, számolja, mennyi volt az üzemóra, mennyi volt a kumulált tüzelőanyag-fogyasztás és a légnyelés. Ezekből állapítja meg azt, hogy egy bizonyos berakódott korommennyiség okozta ellennyomás (nyomáskülönbség-érték) miből áll össze. Nevezetesen a tényleges pillanatnyi koromfeltöltődésből és az állandó, pl. hamuterhelésből.

Továbbá a modellszámításból állapítja meg, hogy még mennyi a hátralévő szűrőélettartam, és a végén bejelenti, hogy „vége”.

Ekkor nincs más hátra, csak a szűrőcsere.

A hamu

A motorolajhamuból egy 2,0 literes dízelmotornál kb. 0,6 g/1000 km képződik. Egy átlagos szűrő kb. 120 g hamut tud élettartama alatt befogadni. Ez 200 E km élettartamot jelent. A szűrőt ezek után cserélni kell. A motorolajok összetételét is változtatni kellett a hamutartalom csökkentése miatt. Az új gyártási eljárást igénylő olajok általános megnevezése „Low SAPS”. A „SAPS” rövidítés a Sulphated Ash (szulfáthamu), Phosphorous (foszfor) and Sulphur (kén) angol szavakból származik, a „Low” előtag pedig ezen anyagok kis mennyiségére utal. Ennek lényege, hogy a kenőanyag lényegesen kisebb mennyiségben tartalmaz szulfáthamut, foszfort és ként. A Low SAPS kritériumnak megfelelő motorolaj a részecskeszűrővel szerelt dízelmotorok nélkülözhetetlen alkatrésze!

A legtöbb gyártó DPF-fel szerelt modelleknél mindenféle hamuképző motorolaj- és tüzelőanyag-adalék (tüzelőanyagrendszer-tisztító, szeleptisztító, hidegindító segély stb.) alkalmazását tiltja az azokból származó plusz hamuterhelés miatt.

A részecskeszűrő-telítődés megállapítása

A szűrőben lerakódó részecske (korom) eltömi a szűrőt, ezzel megnöveli a kipufogócsatornában a kipufogógáz-ellennyomást. A gáz ellennyomás-növekedése a motor töltetcseréjét akadályozza, szélső esetben a motor működését megakadályozza.

2. ábra

A részecskeszűrő eltömődésének mértékére a be- és kilépő oldalán mérhető nyomások különbsége (pe – pu = ∆p) más szóval a differencianyomás jellemző (∆p). Egyes modelleknél csak a belépő abszolút nyomást mérjük. Álló motornál a differencianyomás értéke nulla, ez a diagnosztika számára is információ (jók-e a nyomásjeladók?). A szűrő előtti nyomást (ellennyomás) értékét abszolút nyomásként is mérhetjük. A szűrőterhelés-megállapítás végett mért nyomást/nyomásesést a motor légnyelése és a kipufogógáz hőmérséklete függvényében értékeli a motorirányító egység.

A fojtásállapotot a kipufogógáz térfogatáramának függvényében ábrázolt differencianyomás- mezők vagy -zónák azonosítják, mint azt az alábbi elvi diagramon nyomon követhetjük (3. ábra forrás: Peugeot).

A szűrő telítődöttségének mértékét, szintjeit a b-f zónák azonosítják. Az a mező ∆p értékei a szűrő átszakadására vagy hiányára utal. A b a tiszta szűrőt, a c a normál üzemi szűrőterhelési mezőt azonosítja. A d telítődött szűrő, az e túltelítődött szűrő, az f az eltömődött szűrőállapot. Normál működési zónák: b, c és d. A passzív regenerálás a szűrőt a b és c állapotok között tartja. Az aktív regenerálásra a c-ből a d-be, illetve az e-be való átlépéskor van szükség.

3. ábra

4. ábra

A 4. ábra egy valós esetet mutat, a tájékozódásunk érdekében ez közelítőleg egy 2,0 literes dízelmotor 6000 min-1 fordulatszámig terjedő kipufogógáz árama. Mint megfigyelhető, a kipufogógáz térfogatáramának (m3N/h) függvényében progresszíven nő a szűrő előtti nyomás, az ellennyomás, illetve nő a szűrőn a nyomásesés (∆p). Itt is látjuk, hogy a tiszta szűrő ellenállásánál kisebb ellennyomás a szűrő hibájára (átszakadására, esetleg kiszerelésére) utal, a fedélzeti diagnosztika ezt is figyeli. A regenerálás normál üzemi beindításának határvonala a normál tisztítás szükségességét jelzi. A telítődés határértékét felülmúlja a veszélyes mértékű telítődés riasztási szintje. Ilyenkor nem a motorleállás jelenti az igazi veszélyt, hanem – mint már említettük – az, hogy ha ez a nagy korommennyiség begyullad, a szűrő hőterhelését annak károsodásáig növelheti, mind a hősokk (gyors hőfoknövekedés), mind a hőmérséklet nagy értéke miatt.

A részecskeszűrő regenerálása

A szűrő regenerálása alatt a részecsketartalom oxidációját értjük. A részecske (korom) szén és szénhidrogén alkotói az oxidáció során gáz halmazállapotú anyaggá válnak, és elhagyják a szűrőfalon keresztül a szűrőt.

Az igazi műszaki kihívást nem a szűrés, nem is a regenerálás technológiája, reakciói jelentik – ezek mind ismertek, a fedélzeten kialakíthatóak, megvalósíthatóak –, hanem a reakció beindulásához szükséges hőmérséklet elérése. A dízelmotor részterhelési, városi üzemében a koromszűrőbe belépő kipufogógáz nem éri el a reakció beindulásához szükséges 600 ± 50 °C értéket. Ez okozza az igazi műszaki problémát!

Kis motorterhelésű, gátolt forgalmi viszonyok közötti, rövid távú gépjárműhaladásnál nincs esély a korom oxidációjához szükséges 600 ± 50 °C kipufogógáz-, illetve szűrő-falhőmérséklet elérésére.

5. ábra

A műszaki-kémiai, reakciókinetikai feladatot a koromoxidáció küszöbhőmérsékletének a csökkentése jelenti. Erre az alábbi megoldások születek:

– katalizátoranyag (Pt) beépítése a szűrő falába,

– a „korom-NO2” oxidációs reakció fel-tételeinek megteremtése,

– küszöbhőmérsékletet csökkentő kata-lizátor tüzelőanyag-adalék (promotor) bevitele a szűrőbe.

A regenerálás időtartama – normál DPF esetén – a szűrő előtti kiinduló hőmérséklet függvénye; időtartama a szűrőfelmelegítés- és a reakcióidőből tevődik össze. Tájékoztató értékeket ad az 5. ábra (forrás: Mercedes). A szűrőregenerálás km-futás szerinti gyakoriságára is mutatunk tájékoztató értékeket (6. ábra, forrás: Mercedes).

A szűrő regenerálása passzív és aktív üzemmódú lehet. A részecskeszűrő regenerálási folyamatának megindítása végbemehet:

– spontán, azaz kényszer, külső behatás nélkül, önmagától és

– külső, kezdeményező behatásra.

A spontán részecskeoxidációs folyamat beindulásával elért regenerálás megnevezése passzív regeneráció. A külső behatásra – gázhőmérséklet-növelésre – meginduló részecskeoxidációs folyamat megnevezése aktív regeneráció.

A részecskeszűrő passzív regenerálása

A passzív mód azt jelenti, hogy a korom oxidációja a szűrőben külső beavatkozás nélkül beindul. A passzív regeneráció közepesen nagy motorterhelésen, például tartós országúti igénybevétel esetén indul be, ha a kipufogógáz, 350–500°C-ra hevül. Beindulás után, a hőtermelés miatt, általában önfenntartó folyamat.

Tüzelőanyag-adalékkal támogatott passzív regenerálás

A koromoxidáció beindulási hőmérsékletét katalitikus hatású anyaggal csökkenteni lehet. Ha ezt a katalitikus hatású (promotor) anyagot az aktív regenerálás folyamatában esetenként kívülről, tüzelőanyag-adalék formájában visszük be, adalékolt aktív regenerálásnak nevezzük. Az adalék promotor anyag cérium és vas lehet. A rendszert először sorozatgyártású modellnél megvalósító PSA-konszern FAP rövidítéssel jelölte kipufogógáz-utókezelő emissziótechnikai rendszerét. A FAP® (Filtre à Particules) részecskeszűrőt jelent, mint a DPF, de ezt az elnevezést a PSA-csoport a HDi motorjaira szerelt tüzelőanyag-adalékos rendszerre védte le. A szakirodalomban a FAP-ra az A-DPF (Additive-based Diesel Particulate Filter) és a FBC-DPF (Fuel Borne Catalyst-Diesel Particulate Filter) rövidítések is használtak.

A FAP-rendszer ez első sorozatgyártásra érett koromszűrési és regenerálási eljárás volt, bevezetésekor 2000-ben nagy műszaki innovációnak számított. A rendszert, továbbfejlesztett formában, mind a mai napig beépítik a PSA dízelüzemű autóiba.

6. ábra

A katalizátor-adalékanyaggal (CeO2) a korom gyulladási hőmérséklete mintegy kb. 150 fokkal, 460 °C értékre csökkenthető le. Ezt a hőmérsékletet az aktív – motorüzemi beavatkozással segített – regenerálási folyamatban, városi körülmények között is el tudja érni az utókezelő rendszer.

A regenerálás időigénye 2–4 perc, mely rövidebb, mint a CSF-ben lezajló folyamaté.

Az adalékolt aktív regenerálás eljárása átlagban 1% tüzelőanyagfogyasztás-növekedéssel jár, szemben a többi eljárás 3–5%-os növekedésével (Rhodia-közlés).

A PSA-konszern által használt cériumtartalmú adalék kereskedelmi neve EOLYS, a Rhodia-csoporthoz tartozó Rhodia Electronics & Catalysis Inc. vállalat fejleszti és gyártja. Az EOLYS katalitikus hatóanyagok (CeO2 cérium-dioxid, zirkonium-oxidok és vas) szerves oldószeres oldata. A hatóanyag koncentrációja az oldatban 4,2 tömeg%. A Peugeot által korábban használt EOLYS DPX 42-es adalékot 2002 novemberétől EOLYS 176 (DPX 10) adalék váltotta fel. (A két adalék keverése tilos! A DPX 42 adalékkal működő régi rendszert nem lehet EOLYS 176 új adalékkal történő működésre átállítani.)

Az új adalékban vassal erősített hatású cérium van (Fe-doped Ce – FBC). A korom gyulladási hőmérséklete ezzel 410 °C-ra hozható le. Az EOLYS hatóanyag koncentrátuma a tüzelőanyagban a korábbi 25 ppm-ről 10 ppm-re csökkent. Az EOLYS felhasznált mennyisége a tüzelőanyag-fogyasztással arányos, mivel minden tankolásnál, a betöltött gázolajmennyiséggel arányos EOLYS-t juttatunk a tankba. A tüzelőanyagban így mindig kb. 10 ppm koncentrációjú adalékanyag van. Ma már elérhető, hogy egy teljes, gyári feltöltésű adaléktartállyal 180–200 E km legyen a rendszer üzemi hatótávolsága, ez gyakorlatilag karbantartásmentességet jelent.

7. ábra

A FAP-rendszer vázlatát a 7. ábrán látjuk. Az EOLYS adalék – szénhidrogénbe emulgeált Fe/Ce katalitikus hatóanyag – az adaléktartályból (7. ábra/10) adagolószivattyú (az adaléktartályban van) nyomásával (3 bar), porlasztón (7. ábra/12) át jut a gázolajtartályba. A befecskendezendő mennyiséget (a porlasztó nyitvatartási idejét) a tankolt mennyiség függvényében számítja ki a FAP irányítóegysége (7. ábra/22) a motorirányító egység (7. ábra/23) közreműködésével.

Az adalék a gázolajjal, a befecskendezés során jut be a motorba. A hatóanyagok már a motorban képződött részecskére rátapadnak, majd az oxidációs katalizátoron keresztül bejutnak a részecskeszűrőbe. A cérium, illetve a cérium-vas a koromrészecskék közé kerülve csökkenti a gyulladási hőmérsékletet és növeli a lerakódott koromrétegben az oxidáció reakciósebességét. 
A hatóanyag a szűrő falára tapad, illetve a szűrőcsatorna végén halmozódik fel, ekkor már aktív hatása gyengül.

A VW cég is használ néhány típusánál adalékos regenerálási rendszert. Az adalék folyékony szénhidrogénben emulgeált vas. Az adalékkoncentrátum a tüzelőanyagban kb. 10 ppm. Az adalékszükséglet: 1 liter adalék 2800 liter gázolaj. Adalékbevitel: adaléktartályból szivattyúval a tüzelőanyag-visszatérő ágba. Tartályelhelyezés: önálló adaléktartály a pótkerékdómban. Jeladó: adalék alsó szintjelző. Adalékolás: minden tankolásnál a tüzelőanyag-szintjelző által megadott betankolási mennyiségnek megfelelő additívmennyiség.

(Folytatjuk)

Dr. Nagyszokolyai Iván

A sorozat további részeiben kitérünk a részecskeszűrő aktív fedélzeti regenerálási eljárására, majd igyekszünk megadni a választ arra a kérdésre, hogy lehet-e javítóipari körülmények között teljes mértékben regenerálni a koromszűrőt.