Elektrosztatikus DPF

A jövőbeni személygépjármű- és tehergépjármű-emissziós előírások a részecsketömeg-csökkentésen kívül a részecskeszám csökkentését is megkövetelik. A hagyományos szűrők, a ma szokásos porozitási jellemzőkkel nem tudják a legfinomabb részecskéket elegendő hatásossággal szűrni. E részecskék szűréséhez szükséges kis porozitás nagyobb nyomásveszteséget eredményez. Az Emitec elektrosztatikus szűrője – PM-Metalit-Advanced – egy új megoldás a gépjárművek részecskeszűrése területén.

Az EURO 6 és az EURO VI előírások életbelépésével a gáz halmazállapotú károsanyag kibocsátás, és a részecskekibocsátás tömeg határértéke (g/kWh) mellett először a részecskeszám (db/kWh) is limitálva lesz. Ezzel az intézkedéssel az egészségre különösen veszélyesnek tartott nanorészecskék kibocsátásának bizonyos keretek közé szorítására helyezik a hangsúlyt. A részecskeszám-határérték az Otto-motoros személygépjárművekre és kishaszongépjárművekre vonatkozóan még vita tárgyát képezi. A határértékek betartása mellett cél az is, hogy a jövőbeni határértékeket a lehető legkisebb nyomásveszteséggel, és aktív regenerációs intézkedések nélkül tartsák be (Tüzelőanyagfogyasztás-csökkentés!). Ez maga után vonja azt is, hogy a kipufogógáz kezelése területén jelentős költségmegtakarítást kell elérni.

Szűrési technikák

A nagy hőmérséklet, a gyors hőmérséklet-változások és a mechanikai terhelés miatt, a járműben való használatra szánt részecskeszűrőkre vonatkozó műszaki követelmények magas szinten vannak. A cél a részecskeszűrési teljesítményét illetően (szűrési hatásfok, leválasztási fok) a 10–500 nm méretű részecskékre vonatkozóan a 90%-ot meghaladó mértékű hatásfok, a lehető legkisebb nyomásveszteség kialakulása mellett. Az 1. ábra mutatja a különböző szűrők leválasztási fokát, a részecskeátmérő függvényében.

1. ábra

A részecskeszűrők hatásmechanizmusa (mélyágyas szűrők)

A részecskék leválasztása (szűrése) kis részecskeátmérőknél három szűrési mechanizmus kombinációja által következik be. A három mechanizmus a következő:

1. Impakció (impaktion, impaction) = tehetetlenségi leválasztás. A gyűjtőfelületet megközelítve a részecskék, tehetetlenségüknél fogva, nekicsapódnak az akadályt képező felületnek és megkötődnek.

2. Intercepció (interzeption, interception) = befogásos leválasztás. Intercepcióról akkor beszélhetünk, amikor a részecske útjának áramvonala kisebb távolságban halad el a gyűjtőfelület mellett, mint a részecske sugara. A részecske nekiütközik a felületnek és lerakódik.

3. Diffúzió (Diffusion) = a Brown-féle részecskemozgás következtében történő leválasztás. Ezek a részecskék nem egyenletesen mozognak az kipufogógáz áramlásának áramvonalai mentén, hanem a Brown-féle mozgásuk miatt beleütköznek a gyűjtőfelületbe.

A 2. ábra mutatja a szűrési mechanizmusok hatástartományát a részecskeátmérő függvényében.

2. ábra

Egy részecske leválasztásának lehetősége függ a szűrő struktúrájától, a belső felület pórusnagyságától, az átáramlási sebességtől és a szűrési mélységtől. A kiszűrt részecskék felhalmozódnak a szűrő külső felületén, ezzel megnövelik a szűrő felületét, és így javítják a leválasztási fokot. Azonban ezzel párhuzamosan megnő a nyomásveszteség. Egy mélységi szűrőből növekvő koromtöltöttséggel egy felületi szűrő alakul ki, amelynek nő a szűrési hatásfoka.

Az elektroszűrő

Az elektroszűrők vagy elektrosztatikus leválasztó berendezések, a gázokban elhelyezkedő részecskék elektrosztatikus elven alapuló leválasztására képesek. A Coulomb-törvény szerint a töltött részecskék taszító vagy vonzó erőt gyakorolnak egymásra.

Az elektroszűrőben való leválasztást 5 fázisra lehet bontani:

– Elektromos töltések létrehozása.

– A kiszűrni kívánt részecskék elektromosan töltötté tétele.

– A feltöltött részecskék eljuttatása a leválasztó elektródákhoz.

– A részecskék megtapadása a leválasztó elektródán.

– A részecskék leválasztó elektródáról történő letisztítása.

– Elektroszűrő autóipari használatra.

Az elektrosztatikus szűrővel történő koromrészecskék leválasztására az autóipar területén már voltak vizsgálatok. Az eljárás két részből tevődik össze. Első részben a részecskét egy elektrosztatikus szűrőben leválasztják. Az itt felhalmozott részecskéket gázdinamikai erők segítségével egy kritikus nagyságtól kezdve ismét leválasztják. Ezt az áramot végül egy részecskeszűrőben a klasszikus módon lehet szűrni és szakaszosan regenerálni. Azonban a cél az elektrosztatikus szűrés a gépjárműveken történő alkalmazásánál az, hogy folyamatos regenerációt lehessen elérni. A korom regenerációját a dízelmotor kipufogógázában található NO2-vel hajtják végre. Azért, hogy ez az oxidációs reakció mindenekelőtt alacsony hőmérsékleten is teljes mértékben megvalósulhasson, nagy leválasztó felületek szükségesek, amellyel elérhető a részecskék „átjárhatósága” a nitrogén-dioxid molekulákhoz. Otto-motoroknál a részecskék a nagyobb kipufogógáz-hőmérsékletek miatt, a gázban jelen lévő oxigénnel járulékosan oxidálódnak. A Otto-motorok kipufogógázának hőmérséklete nagyobb, mint a dízelmotorok kipufogógázának hőmérséklete.

3. ábra

A PM-Metalit-Advanced szűrő

Az elektroszűrők, elektrosztatikus leválasztók fejlesztésébe az elmúlt 25 évben újra és újra belekezdtek. Ezeknél a rendszereknél a korom mennyiségéhez képesti kis NO2-részarány miatt a részecskéket csak összegyűjtve, és nem passzív módon lehet regenerálni. Azokat a problémákat, amelyek a nagyfeszültség-előállítás és az elektromos átvezetés (kontaktus, csatlakozás) miatt lépnek fel, ma ezek dinamikus szabályozhatósága miatt el lehet kerülni. A modern motorok kis koromemissziója miatt az elektromos kontaktusok elszennyeződési hajlama jelentősen alacsonyabb, ami egy kisebb rövidzárási hajlamot von maga után. Ahogyan már említésre került, a cél az, hogy a leválasztott kormot tisztán passzív regenerációval oxidálják. Ehhez szükséges elsősorban az, hogy a kormot nagy felületen osszák el, azért hogy a kipufogógázban lévő NO2-vel való reakcióját lehetővé tegyék. Előnyös tulajdonságai miatt fémes méhsejt szerkezetű katalizátortestet régóta használnak katalizátoroknál a kétkerekű járműveknél és a személygépjárműveknél. Az előnyei közé tartozik, hogy mechanikailag és termikus szempontból tartós, kis nyomásveszteséget okoz, nagy aktív felülettel rendelkezik és elektromosan vezető.

Ebből kiindulva egy fémes méhsejt szerkezetű testet fejlesztettek, ami egyidejűleg mint leválasztó elektróda használható. Ehhez bázisként szolgál egy mellékáramú mélyágyas PM–Metalit szűrő. A konstrukció különösen megfelel annak, hogy dinamikus üzemben megakadályozza a lerakódott korom kifújását. A csatornákba beépített lapátokkal zavarják a lamináris csatornaáramlást, ezzel javítva az elektrosztatikus leválasztást. A PM-Metalitot már nagyszériában építik be haszonjárművekbe, és nem közúti járművekbe. A minél nagyobb szűrési hatékonyság elérése érdekében, az elektromos teret, a lehető legegyenletesebben kell hogy létrehozzák a szűrő teljes keresztmetszetében. Ez nagy katalizátor-keresztmetszeteknél különálló szóróelektródák segítségével nehéz. Több elektróda külön-külön történő szigetelése megnöveli a ráfordításokat. Ebből kiindulva egy másik fémes méhsejt test feszültségelosztó funkciót is kap. Az elektródák a méhsejt testbe be vannak forrasztva. Az elektródák számát és formáját a mindenkori keretfeltételekhez lehet illeszteni. A nagyfeszültség szigetelése és a test rögzítése a test kerülete mentén történik. Az elektromos tér az elektróda csúcsa és a leválasztó elem között alakul ki.

Mind a feszültségelosztó elemet, mind pedig a leválasztó elemet katalitikus anyagokkal lehet bevonni és ezzel egyidejűleg a katalizátor hatást biztosítani. A 3. ábra mutatja a szűrő felépítését és az elektromos teret a két fémes elem között. Ezzel a konstrukcióval a PM-Metalit szűrő hatásfokát a részecskék elektrosztatikus feltöltése által meg lehet növelni. Az elektrosztatikus erők megerősítik a diffúzióleválasztást. A részecskeleválasztás jó hatásfokát a teljes részecskenagyság-tartományban lehet realizálni (3. ábra).

Kísérleti eredmények a PM-Metalit-Advanceddal

A továbbfejlesztett PM-Metalit szűrő az előfejlesztési fázisban van. Az első vizsgálatokat egy EURO 4-es dízelmotorra felépítve, a motor dinamikus fékpadi vizsgálatai során végezték. A továbbfejlesztett PM-Metalitot egy áramláselosztóra csatlakoztatták, amely lehetővé teszi azt, hogy függetlenül a motorüzemtől a bevezetett tömegáramot változtassák. A vizsgálatok célja az volt, hogy megállapíthassák, hogy a korom a leválasztó test teljes hosszán leválasztódik-e, vagy csak a homlokfelületet és annak környezetét tölti ki. Ebből kifolyólag egy elemet kis tárcsákra (70 mm) osztottak, és ezeket egymástól 2 mm-es légréstávolsággal helyeztek el a házban. Ezt mutatja a 4. ábra. Az elektródát 35 mm-re helyezték el a leválasztó elemtől (4. ábra).

4. ábra

A lerakódás csak a felépített elektromos tér tartományában (a szűrő közepe) ismerhető fel. Az egyes tárcsák közötti résben lévő keresztáramlások megváltoztatása által a lerakódási zóna a 2.-tól a 4. tárcsáig egyre nagyobb. Az a tény, hogy az utolsó tárcsán is lehet kormot felismerni, a leválasztó test teljes hosszának kihasználását jelenti, és ezzel egy ideális feltételt biztosít a passzív regenerációhoz. Azonos vizsgálati felépítéssel, mind a részecsketömeg-csökkentést, mind a számcsökkentést változó tömegáramnál konstans feszültség mellett vizsgálták, miközben a szűrő hőmérséklete (270°C) is állandó volt. A kipufogógáz tömegáramától függően konstans 16 kV feszültség mellett, 60–70%-os tömegredukciót és egy 70–85%-os számcsökkentést értek el. Növekvő kipufogógáz-tömegárammal az elméletnek megfelelően állandó feszültség mellett csökken a leválasztás. Az eredmények az 5. ábrán láthatóak (5. ábra).

5. ábra

Valós használati körülményekhez a feszültséget a motorterheléspont függvényében szabályozzák. Az eredményeket azért is pozitív eredményként kell értékelni, mert mint a 4. ábrán látható, az elektromos tér a leválasztó elem átmérőjének csak egy részén alakul ki és nem a teljes keresztmetszetben. Egy további vizsgálatban egy a 3. ábrán látható rendszerhez hasonlóan felépített rendszert vizsgáltak. A tesztek során a részecsketömeg és a szám csökkentési mértékének meghatározására NEDC ciklus lefutásával végeztek összehasonlító vizsgálatokat, amelynek eredménye, hogy mind a tömeg, mind a szám értékét több mint 90%-kal csökkentették. A részecskeszámra vonatkozó csökkentési hatásosságot egy közepes terhelési pontban a részecskenagyság függvényében a 6. ábrán lehet figyelemmel követni. A számcsökkentésre vonatkozó hatásosság az elméletnek megfelelően függ a részecskeátmérőtől és értéke az 50–300 nm-es részecskeátmérő-tartományban nagyobb mint 90%. Az eredmény világossá teszi azt, hogy a koromrészecskék elektrosztatikus leválasztása a méhsejt szerkezet csatornáiban a teljes részecskenagyság-tartományban funkcionál (6. ábra).

6. ábra

Összefoglalás, kitekintés

A továbbfejlesztett PM-Metalit elektrosztatikus részecskeszűrő, amelyet járművekben való használatra fejlesztenek, egy teljesen új megoldás a részecskeszám-határérték kielégítésére a legkisebb nyomásveszteség mellett. Egy kiforrott mellékáramú mélyágyas szűrő alapkoncepcióját véve, mindenekelőtt a nanorészecskék leválasztására koncentrálva, azt elektrosztatikus erő létrehozásával javítják. Az elektromos térben feltöltött részecskék leválasztását nagyobb mint 90%-os hatásfokkal lehet megoldani, az eddig ehhez szükséges ellennyomás-növekedés nélkül.

A szűrőelemek feszültségelosztóként és leválasztóként való innovatív használata új utat jelent a részecskeszűrésben. A PM-Metalit-Advanced használata jó leválasztási teljesítményt mutat a részecskenagyság minden tartományában. A következő lépésekben, a PM-Metalit-Advancedot tovább fejlesztik annak érdekében, hogy tartós megoldást jelentsenek a személygépjármű- és haszongépjármű-alkalmazásokhoz.

Szabados György

Forrás:

Wolfgang Maus, Jan Hodgson, Christian Vorsmann, Rolf Brück: Der innovative Partikelfilter zur Reduktion der Nanopartikel PM-Metalit Advanced – the Innovative Particulate Filter for Nanoparticle Reduction. www.emitec.com

Elektrostatischer Partikelfilter zur Reduktion der Nanopartikel, MTZ 2011/2