Filtry DPF - oczyszczanie spalin - reakcje chemiczne

Przepisy dotyczące normy emisji spalin są stopniowo, lecz przy tym stale zaostrzane. Dzieje się tak, ponieważ współcześnie szczególnie istotne jest, by ograniczać emisję szkodliwych oraz toksycznych składników spalin, zwłaszcza z silników ZS, czyli o zapłonie samoczynnym. W powszechnym zastosowaniu znalazły się systemy oczyszczania spalin o charakterze pozasilnikowym, a najpopularniejszym miejscem ich montażu jest układ wydechowy. O jakich skomplikowanych mechanizmach mowa? Chodzi tutaj o filtry cząstek stałych DPF/FAP oraz katalizatory, które z pewnością znasz, jeśli tylko jesteś posiadaczem Diesla.

Ciekawi Cię, jak działają te mechanizmy i co dokładnie sprawia, że spaliny są z tak dużą skutecznością oczyszczane? W naszym artykule poświęciliśmy temu sporą uwagę, prezentując Ci nawet najbardziej skomplikowane reakcje chemiczne, dzięki którym oczyszczane są gazy wylotowe, w jak najprostszy sposób.

1. Zastosowanie poszczególnych systemów oczyszczania spalin w samochodach

Od tego, jakie dokładnie systemy oczyszczania spalin zostaną zastosowane w danym pojeździe, w pewnym sensie zależy sposób, w jaki samochód powinien być użytkowany. Co natomiast warunkuje rodzaj instalowanych układów oczyszczania gazów wylotowych? O tym, co zostanie zainstalowane w układzie wydechowym Twojego auta, decyduje nie tylko konstrukcja silnika, ale także skład i jakość stosowanego paliwa, skład oleju silnikowego oraz warunki i sposoby eksploatacji silnika. Jednym z najistotniejszych czynników jest ten określający normę czystości spalin, którą musi spełnić dany pojazd.

Obecnie coraz więcej mówi się na temat norm czystości spalin EURO. Obowiązująca aktualnie norma EURO VI stanowi bardzo rygorystyczne ograniczenie emisji szkodliwych składników do atmosfery. Działające w nowoczesnych pojazdach układy oczyszczania spalin przyjmują coraz bardziej złożoną postać i stają się maksymalnie wielofunkcyjne, by skutecznie redukować emisję określonych w przepisach szkodliwych składników.

Na to, jaka jest budowa elementów odpowiadających za oczyszczanie spalin, wpływają także stale opracowywane ulepszenia oraz modyfikacje technologiczne i konstrukcyjne. Elementy układów oczyszczania spalin w poszczególnych konfiguracjach charakterystycznych dla silników ZS scharakteryzowano w kolejnych częściach niniejszego artykułu, do którego przeczytania serdecznie zapraszamy!

2. Filtr cząstek stałych bez powłoki katalitycznej

W niektórych modelach samochodów stosowane są filtry cząstek stałych DPF, w których nie zastosowano żadnej powłoki katalitycznej. Mając na myśli ich cechy użytkowo-eksploatacyjne, warto podkreślić, że filtry DPF tego rodzaju wpływają na ograniczenie emisji cząstek stałych PM oraz wykazują stosunkowo niewielki wpływ na powstawanie emisji wtórnej. Temperatura niezbędna do ich pasywnej lub aktywnej regeneracji, czyli do wypalenia sadzy, musi przekraczać 600 stopni Celsjusza.

3. Filtr cząstek stałych z powłoką katalityczną

Innym rodzajem filtrów cząstek stałych są takie DPF, w których zastosowano powłokę o właściwościach katalitycznych. Ich właściwości użytkowo-eksploatacyjne w dużej mierze uzależnione są od rodzaju powłoki katalitycznej.

Jeżeli katalizatorem (czyli substancją katalityczną) jest platyna, filtry DPF wykazują właściwości dotyczące ograniczenia emisji cząstek stałych, a także tlenku węgla oraz węglowodorów. Katalizator w postaci platyny ogranicza także wtórną emisję tlenków azotu NO₂.

W sytuacji, gdy substancja katalityczna przyjmuje postać metali nieszlachetnych, redukowana jest jedynie emisja cząstek stałych PM i nie występuje wtórna emisja NO₂.
Warto znać także zależność pomiędzy temperaturą regeneracji a rodzajem zastosowanej powłoki. Jeżeli jako katalizatory zastosowane są metale szlachetne, temperatura niezbędna do wypalenia sadzy musi osiągnąć ponad 325 stopni Celsjusza, natomiast w przypadku katalizatorów bazujących na zastosowaniu metali nieszlachetnych, temperatura ta musi przekraczać wartość 395 stopni Celsjusza.

4. Filtry cząstek stałych regenerowane za pomocą dodatków do paliwa

Tak, jak już wspomnieliśmy w niejednym naszym opracowaniu, w niektórych modelach samochodów występują filtry cząstek stałych DPF, które wypalanie sadzy realizują dzięki zastosowaniu dodatków do paliwa określanych jako FBC. Obsługiwane w ten sposób DPF/FAP wpływają na ograniczenie emisji cząstek stałych PM, jednakże mają relatywnie niewielki wpływ na powstawanie emisji wtórnej. Jeżeli FBC przyjmuje postać platyny lub ceru, ich temperatura wypalania musi osiągnąć wartość przekraczającą próg 325 stopni Celsjusza.

5. Filtry cząstek stałych z regeneracją ciągłą typu CRT

Skrótowo określana jako CRT ciągła regeneracja filtra cząstek stałych (Continuously Regenerating Trap) również wykazuje istotne cechy użytkowo-eksploatacyjne. Filtry cząstek stałych reprezentujące taką zasadę działania skutecznie ograniczają emisję cząstek stałych PM, a także tlenku węgla CO oraz węglowodorów HC. Ich praca niestety charakteryzuje się wtórną emisją dwutlenku azotu, lecz z doświadczenia wiemy, że ograniczenie emisji tej substancji w praktyce jest bardzo trudne. Systemy filtracji z regeneracją ciągłą typu CRT odznaczają się także temperaturą regeneracji powyżej 250 stopni Celsjusza, co oznacza, że do wypalenia sadzy pułap 250 stopni musi zostać przekroczony.

6. Filtry cząstek stałych z regeneracją ciągłą typu CCRT

W licznych modelach Diesli występują systemy CCRT bazujące na wykorzystaniu filtrów cząstek stałych DPF z powłoką katalityczną. Charakterystyczna dla nich jest regeneracja ciągła, której pełna angielska nazwa brzmi Catalyzed Continuously Regenerating Trap, w skrócie jest to natomiast wspomniane CCRT. Cechy użytkowo-eksploatacyjne owych systemów są w zasadzie zbliżone do modułów z regeneracją ciągłą CRT. Systemy filtracji CCRT również wpływają na ograniczenie emisji PM, a także szkodliwych substancji takich, jak tlenek węgla CO oraz wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne HC. W omawianych modułach zachodzi wtórna emisja NO₂, natomiast wartość temperatury niezbędnej do regeneracji musi przekroczyć 200 stopni Celsjusza.

7. Filtry cząstek stałych regenerowane elektrycznie

W wybranych modelach pojazdów można także spotkać się z filtrami cząstek stałych DFP, w których proces regeneracji rozumiany jako wypalanie sadzy zachodzi dzięki impulsom elektrycznym. Spośród cech użytkowo-eksploatacyjnych tego typu rozwiązań w układzie wydechowym Diesla warto wymienić ograniczenie emisji cząstek stałych PM z równoczesnym niewielkim wpływem na powstawanie emisji wtórnej. Dla wielu kierowców niewątpliwą zaletą będzie fakt mówiący, że energia elektryczna niezbędna do wypalenia sadzy pochodzi z samego pracującego pojazdu.

8. Filtry cząstek stałych regenerowane dzięki palnikowi zasilanego paliwem

Kolejnym typem filtrów cząstek stałych DPF są te, w których dopalanie sadzy zachodzi dzięki aktywacji specjalnego palnika. By mógł on działać, niezbędne jest dostarczenie do niego paliwa z jednostki napędowej. W omawianym module oczyszczania spalin mamy do czynienia również z katalizatorem DOC, co przekłada się na konkretne cechy użytkowo-eksploatacyjne systemu. Emisja cząstek stałych jest w nim ograniczana przez filtr cząstek stałych DPF, natomiast wspomniany już katalizator DOC to element odpowiedzialny za ograniczanie emisji węglowodorów HC. W tego typu filtrach cząstek stałych połączonych z katalizatorem DOC zachodzi wtórna emisja tlenku azotu NO₂.

9. Filtry cząstek stałych regenerowane za pomocą opóźnionego wtrysku paliwa i spalania katalitycznego

Innym systemem, który również bazuje na połączeniu funkcjonalności filtra cząstek stałych DPF oraz katalizatora DOC, jest filtr DPF, w którym wypalanie sadzy zachodzi dzięki opóźnionemu wtryskowi paliwa oraz spalaniu o charakterze katalitycznym. W module tym układ wtryskowy Common Rail dostarcza dodatkową dawkę paliwa do kolektora wydechowego, dzięki czemu może zostać zainicjowany proces katalitycznego spalania przed filtrem cząstek stałych DPF. Wówczas temperatura gazów wylotowych zostaje podniesiona do wartości około 450 stopni Celsjusza, co umożliwia wypalanie sadzy. Obsługiwane w ten sposób filtry cząstek stałych są w stanie ograniczać emisję cząstek stałych PM, a ograniczaniem węglowodorów zajmuje się katalizator DOC. W systemie mamy do czynienia z wtórną emisją NO₂.

9. Katalizatory utleniające DOC

Odrębną, lecz bardzo istotną kwestię w kontekście oczyszczania spalin stanowi katalizator utleniający DOC. Może on występować w połączeniu z filtrem cząstek stałych DPF bądź samodzielnie. Jego zastosowanie wiąże się niestety z występowaniem wtórnej emisji dwutlenku azotu NO₂. Oprócz tego podstawową cechą użytkowo-eksploatacyjną jest katalizatora DOC jest ograniczenie emisji tlenku węgla CO oraz węglowodorów HC, a także zmniejszenie wydzielania do atmosfery organicznej frakcji cząstek stałych PM.

10. Systemy filtracji z selektywną redukcją katalityczną SCR

Bazujące na selektywnej redukcji katalitycznej (SCRT - Selective Catalytic Reduction Trap) systemy oczyszczania spalin działają dzięki połączeniu katalizatora oksydacyjnego DOC z katalizatorem selektywnej redukcji katalitycznej SCR. Dzięki temu połączeniu ograniczona zostaje emisja dwutlenku azotu NO₂.

11. System filtracji spalin z filtrem cząstek stałych oraz kontrolą emisji dwutlenku azotu

System ten charakteryzuje się dużą złożonością, ponieważ w jego skład wchodzi nie tylko katalizator utleniający DOC, ale także filtr cząstek stałych DPF oraz moduł odpowiadający za kontrolowanie emisji tlenku azotu NO₂. To rozwiązanie w układzie wydechowym Diesla ma swoje zalety, gdyż oprócz znacznego ograniczenia emisji cząstek stałych PM, kontroli poddawana jest także emisja dwutlenku azotu.

12. Co to jest emisja wtórna?

Być może nie wszyscy wiedzą, o co tak właściwie chodzi z wymienioną już wielokrotnie w naszym opracowaniu emisją wtórną. Stanowią ją wszystkie związki chemiczne, które powstały w filtrze cząstek stałych DPF, a nie były obecne lub ich obecność polegała na śladowych ilościach w nieoczyszczonych spalinach uchodzących bezpośrednio z pracującej jednostki napędowej. Tworzenie tego typu szkodliwych produktów w wyniku reakcji chemicznych, jakie zachodzą w filtrze cząstek stałych DPF, jest zabronione. Odnosząc się do związków chemicznych emitowanych z silnika w surowych spalinach, nie jest dozwolony żaden znaczący wzrost zawartości następujących substancji za układem oczyszczania spalin:

• gazowe emisje wtórne, zwłaszcza w postaci dwutlenku azotu NO₂, furanów, dioksyn, Nitro-PAH oraz PAH,
• aerozoli kwasu siarkowego,
• tlenków metali - zazwyczaj są to cząstki popiołów z dodatków do paliw oraz z olejów silnikowych,
• emisyjność włókien mineralnych,
• ograniczone ilości NO₂.

Zgodnie z zasadą wprowadzoną w 2013 roku, średni wzrost emisji dwutlenku azotu NO₂ ponad emisję w nieoczyszczonych spalinach, nie może przekroczyć wartości 20% w odniesieniu do tlenku azotu zmierzonego przed filtrem w przypadku wszystkich systemów oczyszczania spalin.

Należy podkreślić, że wszelkie systemy filtracji spalin przetwarzające emitowane z silnika tlenki azotu w dwutlenki azotu mogą być używane tylko w takich środowiskach, w których stężenie dwutlenku azotu NO₂ w powietrzu znajduje się poniżej granicy dopuszczalnej na danym obszarze. Wzrost emisji dioksyn, furanów, Nitro-PAH, PAH oraz cząstek tlenków metali utrzymujący się na poziomie mniejszym niż 400 nm jest uznawany za znaczący, o ile ich stężenie w gazach spalinowych występujących za filtrem cząstek stałych DPF, przekracza minimum trzykrotnie analogiczne emisje z układu wydechowego pozbawionego filtra DPF przy tych samych warunkach realizacji pomiarów.

Za emisję wtórną nie można winić tylko filtrów cząstek stałych, ponieważ odpowiadają za nią także inne systemy bazujące na zastosowaniu reaktorów katalitycznych. W kontekście emisji wtórnej wymienić należy także katalizatory utleniające, katalizatory trójfunkcyjne, katalizatory gromadząco-redukujące NO_X, a także selektywne katalizatory redukujące, gdyż stanowią jej potencjalne źródło.

13. Emisja wtórna za filtrem DPF

Tematem, który został poruszony wielokrotnie w ramach omawiania poszczególnych systemów filtracji spalin, jest emisja wtórna występująca za filtrem cząstek stałych DPF/FAP.

Warto wiedzieć, że obciążony nagromadzonymi w jego wnętrzu cząstkami stałymi filtr DPF stanowi reaktor chemiczny. Działa on w szerokim zakresie temperatur jako adsorber o bardzo dużej powierzchni z wyraźnie oznaczonymi fazami gromadzenia oraz reakcji. Dzięki temu filtry cząstek stałych umożliwiają neutralizację oraz usuwanie szkodliwych składników spalin z silnika. Ich głównym zadaniem jest ograniczanie emisji cząstek stałych PM. Niestety, realizując tę funkcję, montowane w układach wydechowych współczesnych pojazdów filtry cząstek stałych przyczyniają się do powstawania innych szkodliwych substancji, które finalnie przyjmują postać toksycznych emisji. Znaczna ilość produktów biorących udział w reakcji spalania paliwa w silniku stwarza warunki sprzyjające zachodzeniu licznych reakcji chemicznych. Ich rezultatem jest powstawanie tak zwanej emisji wtórnej, która jest toksyczna i szkodliwa dla zdrowia organizmów żywych oraz środowiska naturalnego. Katalityczne powłoki w filtrach cząstek stałych DPF bądź osadzanie się na nich substancji katalitycznych (chociażby z omawianych już przez nas dodatków FBC do paliwa) może przyspieszać procesy powstawania toksyn. Kolejnym niebezpieczeństwem są procesy wychwytywania, a następnie usuwania sadzy z filtra cząstek stałych poprzez wypalanie DPF. Przyjmując ten punkt widzenia, z którego wielu kierowców nie zdaje sobie nawet sprawy, można wyróżnić trzy procesy szkodliwych reakcji chemicznych w filtrach cząstek stałych DPF.

Szkodliwy wpływ filtra DPF na środowisko

Zachodzące w filtrach cząstek stałych DPF reakcje, które wpływają szkodliwie na kondycję środowiska naturalnego oraz na zdrowie organizmów żywych, można przyporządkować do następujących procesów:

• Regeneracja filtra cząstek stałych DPF rozumiana jako wypalanie sadzy - podczas jej realizacji występuje gwałtowny, skokowy wzrost emisji węglowodorów oraz tlenku węgla. Cząsteczki HC pojawiają się wówczas, gdy zaadsorbowane węglowodory odparowują podczas nagrzewania się filtra cząstek stałych. Występowanie tlenku węgla CO jest warunkowane sytuacją, w której proces wypalania sadzy przebiega bardzo szybko, a także wówczas, gdy do wypalania przekazywana jest niewystarczająca ilość tlenu;
• Zjawiska akumulacji oraz uwalniania sadzy, których występowanie zawsze jest możliwe w układzie absorbującym, jakim jest filtr cząstek stałych DPF; w tych okolicznościach występują duże wahania temperatury;
• Reakcje prowadzące do tworzenia emisji wtórnych tych substancji, które wcześniej nie występowały w gazach spalinowych wytwarzanych przez jednostkę napędową, zostały natomiast utworzone w filtrze cząstek stałych DPF. Reakcje tego typu są zazwyczaj promowane poprzez katalizatory, gdyż nawet osady powstające z popiołów olejów smarowych, które trafiają do DPF, mają znaczący wpływ katalizujący. Co więcej, metale szlachetne stosowane jako powłoki katalityczne monolitów filtrujących, wspomagają reakcje siarczanowe, a także przesuwają punkt równowagi NO/NO₂. Stosowane w filtrach cząstek stałych dodatki zawierające w swoim składzie miedź powodują intensywny wzrost emisji furanów oraz dioksyn. Innym niebezpiecznym zjawiskiem jest przesunięcie widma PAH (węglowodorów oraz wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych), a także formowanie się między innymi Nitro-PAH oraz aldehydów. Z uwagi na te odnotowane prawidłowości konieczne jest przeprowadzanie badań oraz ocen ze względu na możliwość występowania emisji wtórnej. Monitorowanie sytuacji jest szczególnie istotne w przypadku filtrów wzbogaconych powłoką katalityczną oraz w przypadku filtrów DPF z zastosowanymi dodatkami FBC do paliwa.