Сотовый субстрат DPF катализатор

Принцип работы DPF: фильтрация и регенерация
Понимание DPF требует понимания двух его основных процессов:
1. Процесс фильтрации
Подложка DPF обычно представляет собой сотовую структуру, состоящую из пористых стенок карбида кремния или кордиерита, с чередующимися каналами, заблокированными на входном и выходном концах.
Выхлопные газы вынуждены проходить через пористые стенки между каналами.
Твердые частицы задерживаются на стенках, поскольку их размер превышает диаметр пор стенок.
Этот процесс высокоэффективен: эффективность фильтрации сажи составляет более 95%.
2. Процесс регенерации
В этом суть технологии DPF. Если сажа только собирается, но не удаляется, частицы будут постоянно накапливаться, что приведет к резкому повышению противодавления выхлопных газов, что в конечном итоге приведет к неисправности двигателя. Поэтому собранные твердые частицы необходимо периодически сжигать - процесс, известный как регенерация.
Основная проблема: Температура воспламенения чистой сажи очень высока (около 550–600°C), тогда как нормальная температура выхлопных газов дизельных двигателей, особенно во время движения по городу, колеблется всего в пределах 150–300°C и не может естественным образом сжечь сажу.
Роль катализатора: Основная цель катализатора DPF — значительно снизить температуру окисления сажи посредством химических реакций, что позволит сжигать ее в нормальном диапазоне температур выхлопных газов во время работы двигателя.

Типы и состав катализаторов DPF
Катализаторы DPF не являются независимыми единицами, а интегрированы с подложкой DPF в виде покрытия. Существует три основных метода реализации:
1. DPF с каталитическим покрытием
Это наиболее распространенный тип, при котором каталитическое покрытие наносится непосредственно на пористые стенки подложки DPF.
Подложка: пористый карбид кремния или кордиерит DPF.
Покрытие: Подобно DOC, в качестве базового покрытия используется γ-оксид алюминия с большой площадью поверхности.
Активные компоненты:
Драгоценные металлы, такие как платина и палладий: они были основным выбором в ранних и многих современных системах.
Механизм действий:
Окисление NO до NO₂: Катализатор окисляет NO в выхлопных газах до NO₂. NO₂ — сильный окислитель, который реагирует с сажей при относительно низких температурах (~250–300°C): C 2NO₂ → CO₂ 2NO. Эта реакция является ключом к достижению пассивной регенерации.
Прямое окисление: при более высоких температурах катализатор также способствует прямой реакции между кислородом и сажей.
2. Катализатор топливного аддитивного типа
В этом методе катализатор не наносится на DPF, а добавляется непосредственно в топливо в виде добавки на основе металла.
Добавка: Обычно металлоорганические соединения церия или железа.
Принцип: После сгорания металлические частицы из присадки попадают в сажевый фильтр вместе с выхлопными газами и равномерно внедряются в собранный слой сажи. В процессе регенерации эти металлические частицы действуют как катализаторы, значительно снижая температуру окисления сажи (до ~450°С).
Преимущества: Катализатор равномерно смешивается с сажей, обеспечивая достаточный контакт и высокую эффективность регенерации.
Недостатки: Требуются дополнительные системы хранения и впрыска присадок, увеличиваются затраты, а остатки золы оксидов металлов накапливаются в DPF, что требует периодической очистки.
3. Каталитический DPF
Это понятие легко спутать, но оно важно. Это относится к интеграции функциональности DOC и функциональности DPF в один компонент, т. е. применению высокодозного катализатора окисления (такого как платина или палладий) на входе DPF.
Функция: он может окислять CO и HC, как DOC, и генерировать NO₂ для пассивной регенерации, а также улавливать твердые частицы, как DPF.
Применение: Обычно используется в компактных системах последующей обработки, где пространство ограничено.

Стратегии регенерации DPF
Наличие катализатора DPF позволяет реализовать следующие стратегии регенерации:
1. Пассивная регенерация
Процесс: При нормальной эксплуатации транспортного средства, когда температура выхлопных газов достигает определенного уровня (например, во время движения по шоссе), катализатор DPF непрерывно генерирует NO₂, который неуклонно окисляет накопленную сажу.
Характеристики: Этот процесс незаметен для водителя и является наиболее желательным методом регенерации. Однако для подачи NO₂ требуется достаточная температура выхлопных газов и координация с расположенным выше по потоку DOC.
2. Активная регенерация
Процесс: Когда бортовой компьютер автомобиля обнаруживает с помощью датчика перепада давления, что сажевый фильтр достаточно засорен и пассивная регенерация невозможна, система активно вмешивается.
Методы вмешательства: При задержке впрыска топлива или выполнении последующего впрыска несгоревшее топливо попадает в DOC, подвергается окислению и образует высокотемпературные выхлопные газы с температурой выше 600°C, которые затем направляются в DPF, позволяя саже быстро окисляться кислородом при высоких температурах.
Роль катализатора: В этом режиме сажу можно сжигать даже без катализатора при высоких температурах. Однако присутствие катализатора снижает необходимую температуру регенерации, сокращает время регенерации и снижает расход топлива.
3. Регенерация услуг
Процесс: Если транспортное средство постоянно эксплуатируется в условиях коротких расстояний или низкой скорости, что препятствует завершению активной регенерации, обслуживающий персонал должен использовать специализированное оборудование для выполнения принудительной регенерации.

Ключевые проблемы и соображения
1. Накопление золы: присадки к моторному маслу (такие как кальций, цинк, фосфор, сера и т. д.) при сгорании образуют негорючую золу. Зола постоянно закупоривает каналы DPF, вызывая постепенное увеличение противодавления. Это является основным ограничивающим фактором срока службы сажевого фильтра и требует периодической разборки, очистки или замены (обычно через несколько сотен тысяч километров).
2. Отравление катализатора: такие вещества, как сера и фосфор, могут отравить каталитическое покрытие DPF, снижая его каталитическую активность.
3. Управление температурой: Контроль температуры во время активной регенерации имеет решающее значение. Чрезмерные температуры могут привести к плавлению или растрескиванию подложки DPF из-за термического напряжения.
4.Качество топлива: Топливо с высоким содержанием серы может серьезно ухудшить работу катализатора и привести к образованию повышенного количества сульфатной золы.