محفز DPF للركيزة على شكل قرص العسل

مبدأ عمل DPF: الترشيح والتجديد
يتطلب فهم إطار سياسات التنمية فهم العمليتين الأساسيتين:
1. عملية الترشيح
عادةً ما تكون ركيزة DPF عبارة عن هيكل على شكل قرص عسل مصنوع من جدران مسامية من كربيد السيليكون أو كورديريت، مع حظر القنوات المتناوبة عند أطراف المدخل والمخرج.
يضطر غاز العادم إلى المرور عبر الجدران المسامية بين القنوات.
يتم احتجاز الجسيمات على الجدران لأن حجمها أكبر من قطر مسام الجدار.
تتميز هذه العملية بكفاءة عالية، حيث تصل كفاءة ترشيح السخام إلى أكثر من 95%.
2. عملية التجديد
هذا هو جوهر تقنية DPF. إذا تم جمع السخام فقط دون إزالته، فسوف تتراكم الجزيئات بشكل مستمر، مما يؤدي إلى ارتفاع الضغط الخلفي للعادم بشكل حاد، مما يؤدي في النهاية إلى عطل المحرك. ولذلك، يجب حرق الجسيمات المجمعة بشكل دوري، وهي عملية تعرف باسم التجديد.
التحدي الأساسي: درجة حرارة اشتعال السخام النقي مرتفعة جدًا (حوالي 550-600 درجة مئوية)، في حين تتراوح درجات حرارة عادم الديزل العادية، خاصة أثناء القيادة في المناطق الحضرية، فقط من 150-300 درجة مئوية ولا يمكنها حرق السخام بشكل طبيعي.
دور المحفز: الغرض الأساسي من محفز DPF هو خفض درجة حرارة أكسدة السخام بشكل كبير من خلال التفاعلات الكيميائية، مما يسمح بحرقه ضمن نطاق درجة حرارة العادم العادية أثناء تشغيل المحرك.

أنواع وتكوين محفزات DPF
محفزات DPF ليست وحدات مستقلة ولكنها مدمجة مع ركيزة DPF في شكل طلاء. هناك ثلاث طرق تنفيذ رئيسية:
1. DPF المطلي بالمحفز
هذا هو النوع الأكثر شيوعًا، حيث يتم تطبيق طلاء المحفز مباشرة على الجدران المسامية لركيزة DPF.
الركيزة: كربيد السيليكون المسامي أو كورديريت DPF.
الطلاء: على غرار DOC، يتم استخدام مساحة سطح عالية γ-الألومينا كطلاء أساسي.
المكونات النشطة:
المعادن الثمينة مثل البلاتين والبلاديوم: كانت هذه هي الاختيارات السائدة في العديد من الأنظمة الحالية والحالية.
آلية العمل:
أكسدة NO إلى NO₂: يقوم المحفز بأكسدة NO في العادم إلى NO₂. NO₂ هو عامل مؤكسد قوي يتفاعل مع السخام عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا (~ 250-300 درجة مئوية): C 2NO₂ → CO₂ 2NO. رد الفعل هذا هو المفتاح لتحقيق التجديد السلبي.
الأكسدة المباشرة: عند درجات الحرارة المرتفعة، يعمل المحفز أيضًا على تعزيز التفاعل المباشر بين الأكسجين والسخام.
2. محفز من النوع المضاف للوقود
في هذه الطريقة، لا يتم طلاء المحفز على جسيمات الديزل (DPF) ولكن تتم إضافته مباشرة إلى الوقود في شكل مادة مضافة ذات أساس معدني.
المواد المضافة: عادة، المركبات المعدنية العضوية من السيريوم أو الحديد.
المبدأ: بعد الاحتراق، تدخل الجزيئات المعدنية من المادة المضافة إلى DPF مع غاز العادم وتندمج بشكل موحد في طبقة السخام المجمعة. أثناء التجديد، تعمل هذه الجزيئات المعدنية كمحفزات، مما يخفض بشكل كبير درجة حرارة أكسدة السخام (تصل إلى ~ 450 درجة مئوية).
المزايا: يمتزج المحفز بالتساوي مع السخام، مما يضمن الاتصال الكافي وكفاءة التجديد العالية.
العيوب: يتطلب أنظمة تخزين وحقن إضافية، ويزيد من التكاليف، وتتراكم بقايا رماد أكسيد المعدن في DPF، مما يستلزم التنظيف الدوري.
3. DPF الحفاز
هذا مفهوم يمكن الخلط بينه بسهولة ولكنه مهم. ويشير إلى دمج وظيفة DOC ووظيفة DPF في مكون واحد، أي تطبيق محفز أكسدة عالي الجرعة (مثل البلاتين أو البلاديوم) عند مدخل DPF.
الوظيفة: يمكنه أكسدة ثاني أكسيد الكربون والهيدروكربونات مثل DOC وتوليد NO₂ للتجديد السلبي، بينما يلتقط أيضًا المواد الجسيمية مثل DPF.
التطبيق: يشيع استخدامه في أنظمة المعالجة اللاحقة المدمجة حيث تكون المساحة محدودة.

استراتيجيات تجديد DPF
يتيح وجود محفز DPF استراتيجيات التجديد التالية:
1. التجديد السلبي
العملية: أثناء التشغيل العادي للمركبة، عندما تصل درجة حرارة العادم إلى مستوى معين (على سبيل المثال، أثناء السير على الطريق السريع)، يقوم محفز DPF باستمرار بتوليد NO₂، الذي يعمل على أكسدة السخام المتراكم بشكل ثابت.
الخصائص: هذه العملية غير محسوسة للسائق وهي أكثر طرق التجديد المرغوبة. ومع ذلك، فإنه يتطلب درجة حرارة عادم كافية وتنسيقًا مع DOC في المنبع لتوفير NO₂.
2. التجديد النشط
العملية: عندما يكتشف الكمبيوتر الموجود على متن السيارة من خلال مستشعر الضغط التفاضلي أن مرشح جسيمات الديزل (DPF) مسدود بدرجة كافية وأن التجديد السلبي غير ممكن، يتدخل النظام بشكل فعال.
طرق التدخل: من خلال تأخير حقن الوقود أو إجراء الحقن اللاحق، يدخل الوقود غير المحترق إلى DOC، ويخضع للأكسدة، وينتج عادمًا بدرجة حرارة عالية تزيد عن 600 درجة مئوية، والذي يتم توجيهه بعد ذلك إلى DPF، مما يسمح للسخام بالتأكسد بسرعة مع الأكسجين عند درجات حرارة عالية.
دور المحفز: في هذا الوضع، يمكن حرق السخام حتى بدون وجود محفز في درجات حرارة عالية. ومع ذلك، فإن وجود المحفز يقلل من درجة حرارة التجديد المطلوبة، ويقصر وقت التجديد، ويقلل من استهلاك الوقود.
3. تجديد الخدمة
العملية: إذا تم تشغيل السيارة باستمرار في ظل ظروف المسافات القصيرة أو السرعة المنخفضة، مما يحول دون إكمال عملية التجديد النشط، فيجب استخدام معدات متخصصة من قبل موظفي الخدمة لإجراء عملية التجديد القسري.

التحديات والاعتبارات الرئيسية
1. تراكم الرماد: تنتج الإضافات من زيت المحرك (مثل الكالسيوم والزنك والفوسفور والكبريت وغيرها) رمادًا غير قابل للاحتراق عند الاحتراق. يسد الرماد قنوات DPF بشكل دائم، مما يتسبب في زيادة تدريجية في الضغط الخلفي. هذا هو العامل المحدد النهائي لعمر DPF ويتطلب التفكيك أو التنظيف أو الاستبدال بشكل دوري (عادةً بعد عدة مئات الآلاف من الكيلومترات).
2. تسمم المحفز: يمكن لمواد مثل الكبريت والفوسفور أن تسمم طبقة المحفز الموجودة على DPF، مما يقلل من نشاطه التحفيزي.
3. الإدارة الحرارية: التحكم في درجة الحرارة أثناء التجديد النشط أمر بالغ الأهمية. قد تؤدي درجات الحرارة المفرطة إلى ذوبان أو تشقق ركيزة DPF بسبب الإجهاد الحراري.
4. جودة الوقود: الوقود الذي يحتوي على نسبة عالية من الكبريت يمكن أن يؤدي إلى تدهور أداء المحفز بشدة ويولد زيادة في رماد الكبريتات.