Принцип работы GPF: фильтрация и регенерация
Основной принцип работы сажевого фильтра (GPF) очень похож на принцип работы сажевого фильтра (DPF) дизельного двигателя, оба из которых включают процесс физической фильтрации и регенерации.
1. Механизм фильтрации
В GPF используется сотовая керамическая подложка с попеременно закупоренными каналами, заставляющими выхлопные газы течь через пористые стенки. Твердые частицы захватываются либо внутри, либо на поверхности этих стенок с помощью таких механизмов, как диффузия, перехват и инерционное воздействие. Эффективность фильтрации чрезвычайно высока: эффективность фильтрации количества частиц превышает 90%.
2. Механизм регенерации
Регенерация также необходима для непрерывной работы GPF. К счастью, условия эксплуатации бензиновых двигателей естественным образом благоприятствуют регенерации GPF.
Основное преимущество: высокая температура и химическая среда
Бензиновые двигатели обычно работают вблизи трехкомпонентного катализатора, где температура выхлопных газов выше, а нагрузка двигателя значительно колеблется, что облегчает достижение температур регенерации. Самое главное, что бензиновые двигатели работают в диапазоне, близком к стехиометрическому соотношению воздух–топливо, а это означает, что в выхлопных газах сосуществуют как восстановительные газы (CO, HC, H₂), так и окислительные газы (O₂, NOx).
Типы и схемы интеграции катализаторов GPF
Катализаторы GPF не являются совершенно новыми материалами, но тесно интегрированы с существующими трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами. Существует три основные схемы интеграции:
1. Покрытый GPF
В настоящее время это наиболее распространенное и классическое решение.
Структура: Внутри пористых стенок подложки GPF нанесено трехкомпонентное каталитическое (TWC) покрытие. Состав покрытия идентичен составу обычного TWC: в качестве активных компонентов используются платина (Pt), родий (Rh) и палладий (Pd), а в качестве моющих материалов используются оксид алюминия (Al₂O₃), церий (CeO₂) и цирконий (ZrO₂).
Принцип работы:
（1）Очистка газа: он действует как миниатюрный “четырехкомпонентный” катализатор, продолжая очищать CO, HC и NOx по мере прохождения выхлопных газов через стенку.
（2）Содействие регенерации:
Активная регенерация: когда необходима регенерация, ЭБУ двигателя на короткое время обогащает смесь воздуха и топлива, производя выхлопные газы, богатые CO и HC. Эти газы окисляются на поверхности катализатора GPF, выделяя значительное количество тепла, которое быстро повышает внутреннюю температуру GPF выше 600°C, сжигая накопившуюся сажу.
Пассивная регенерация: при нормальной стехиометрической работе NO₂ и O₂ в выхлопных газах также могут непрерывно окислять часть захваченной сажи с помощью катализатора.
2. GPF без покрытия
Структура: Подложка GPF не имеет каталитического покрытия и служит исключительно в качестве сажевого фильтра.
Конфигурация: Этот тип GPF обычно устанавливается как отдельный компонент после обычного трехкомпонентного катализатора.
Принцип работы: 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.
Применение: Он имеет более низкую стоимость, но относительно худшие показатели регенерации и эффективности очистки газа по сравнению с конструкциями с покрытием.
3. Четырехходовой каталитический преобразователь
Это высокоинтегрированная концепция, объединяющая функции TWC и GPF в единое целое.
Структура: Подложка GPF помещается в тесно связанное положение и покрывается высокой загрузкой трехкомпонентного каталитического материала.
Цель: Достичь одновременной очистки CO, HC, NOx и твердых частиц в одном компоненте.
Проблема: Эта конфигурация предъявляет очень высокие требования к термической стабильности катализатора и характеристикам светоотключения, что приводит к большей технической сложности и более высокой стоимости.
Ключевые химические реакции катализаторов GPF
Для систем GPF с покрытием химические реакции можно разделить на две основные категории:
1. Стандартные трехсторонние каталитические реакции (в стехиометрических условиях):
2CO O₂ → 2CO₂
HC O₂ → CO₂ H₂O
2NOx → N₂ xO₂
2. Реакции, способствующие регенерации:
Окисление сажи:
CO₂ → CO₂ (Прямое окисление)
C 2NO₂ → CO₂ 2NO (Окисление через NO₂ — основной путь пассивной регенерации)
Экзотермические реакции (для активной регенерации):
2CO O₂ → 2CO₂ (Exothermic)
HC O₂ → CO₂ H₂O (Exothermic)
Тепло, выделяющееся в результате этих реакций, напрямую повышает температуру субстрата GPF, обеспечивая горение и регенерацию сажи.
English
