Dit artikel beschrijft de basis van de werking van het roetfilter (DPF). Er wordt een korte beschrijving gegeven van de filtratieprocessen in het DPF-filter, de verschillende soorten gangbare DPF-filters en de verschillen in hun werking en regeneratiemethoden.
Roetfilters vangen roetdeeltjes op uit het uitlaatsysteem van de motor en voorkomen dat ze in het milieu terechtkomen. In tegenstelling tot een katalysator, die is ontworpen om de uitstoot van verontreinigende stoffen in de gasfase te verminderen door middel van een chemische reactie, is een deeltjesfilter ontworpen om deeltjes op te vangen en vast te houden totdat ze kunnen worden geoxideerd of verbrand in het DPF-filter zelf. Dit schoonmaakproces wordt regeneratie genoemd.
Veelgebruikte roetfilters voor dieselmotoren zijn keramische filters met kanalen. Elk uiteinde van het tweede kanaal is gesloten (zie foto 1). Doordat de uiteinden van de filterkanalen volgens een schaakbordpatroon gesloten zijn, worden roethoudende verontreinigingen gedwongen door de poreuze filterwanden te stromen. Terwijl het uitlaatgas door de wanden stroomt, worden de roetdeeltjes opgevangen in het filter en in de oppervlaktelaag van de kanaalwanden. Een honingraatfilterontwerp met een groot filteroppervlak en minimaal drukverlies, het zogenaamde scheidingsfilter, is het standaardontwerp geworden dat wordt gebruikt in veel uitlaatfiltersystemen voor dieselmotoren. Hittebestendige keramische materialen worden veel gebruikt bij de vervaardiging van deeltjesfilters. De meest gebruikte keramische materialen zijn cordieriet, siliciumcarbide en aluminiumtitanaat.
Een gedetailleerde illustratie van het filtratieproces wordt gegeven in foto 1 (b).Het toont het inlaatkanaal met de voorkant open en de achterkant gesloten waar de roetdeeltjes in vast zitten. Er zijn enkele tientallen kanalen (cellen) (c / cm3) per kubieke centimeter DPF-filter, meestal 30 c / cm3. Doordat de helft van de filterkanalen vooraan sluit en de andere helft achteraan, hoopt slechts de helft roet of as op. Dat wil zeggen dat de stroom van “vuile” uitlaatgassen alleen de open kanalen aan de inlaatzijde binnenkomt, terwijl de open kanalen aan de uitlaatzijde schoon blijven. Dankzij de extreem kleine filterporiën en het honingraatontwerp kunnen DPF-filters een deeltjesfiltratie-efficiëntie van 99% of meer bereiken [1]. Door de hoge deeltjesfiltratie-efficiëntie en het poreuze DPF-ontwerp mag er geen zichtbaar roet of as door de filterwanden gaan. Zwarte strepen of zichtbaar roet in de uitlaatkanalen zijn een teken van een defect filter.
Roetdeeltjes worden verzameld en opgevangen in het DPF door diepe filtratie in de filterporiën en oppervlaktefiltratie langs de buisvormige wanden. In Afb. 1 (c) worden deze twee processen weergegeven, waarbij een klein deel van het roet zich aanvankelijk ophoopt in de poriën van het filter (1) en zich vervolgens in een laag op de wanden van het kanaal (2) nestelt. Naarmate de hoeveelheid roet in het filter toeneemt, neemt ook de efficiëntie van het filter toe aangezien het opgehoopte roet een extra laag vormt die de binnenkomende deeltjes opvangt. Specifieke roetfiltratiemechanismen in de filterporiën of het wandoppervlak spelen een belangrijke rol bij het bepalen van de algehele toename van de tegendruk in de uitlaat (of de drukval na het filter) (zie foto 2).
De porositeit van de meeste commerciële DPF’s varieert van ongeveer 40% tot 60%. In de wanden van deze filters wordt een complex netwerk van poriën gevormd. De diameter van de poriën varieert van 10 tot 30 micrometer (micron) [2]. Het oppervlak van een nieuw of schoon DPF-filter wordt blootgesteld aan de uitlaatstroom en roet hoopt zich snel op in de poriën van het oppervlak. Hoewel slechts een klein deel van al het roet zich ophoopt in de filtermicroporiën, draagt het bij aan de plotselinge toename van de filterdrukval zoals getoond in Fig.2. Verdere ophoping van roet in het DPF-filter vormt een laag op de wanden van de kanalen, wat resulteert in een langzamere en meer geleidelijke daling van de filterdruk [3]. Afhankelijk van de roetbelasting en het type filter kan in sommige gevallen roetophoping in de poriën de filterdruk met 50% of meer doen stijgen.
Om de toename van de filterdruk door roetophoping te verminderen, wordt het filter geregenereerd door een proces waarbij roet wordt verbrand (geoxideerd). Twee soorten regeneratieprocessen worden veel gebruikt, hoewel de meeste commerciële systemen een combinatie van deze twee methoden gebruiken. Heel vaak wordt deze combinatie gebruikt in voertuigen of werktuigen die gedurende lange tijd lage temperatuuremissies uitstoten, zoals langdurig stationair draaien of cycli met lage snelheid / lage belasting.
Actieve regeneratie. Om dit te doen, is het noodzakelijk om de temperatuur van het uitlaatgas te verhogen waarbij roet zal verbranden door de hoge temperatuur van het uitlaatgas. Dit vereist meestal een temperatuur hoger dan 550 ° C. Aangezien dergelijke hoge temperaturen normaal gesproken niet bereikt worden tijdens het draaien van de motor, worden verschillende strategieën gebruikt om de uitlaatgastemperatuur actief te verhogen [4]. Actieve regeneratiesystemen kunnen een externe verwarming gebruiken die het uitlaatgas dat de DPF binnenkomt direct verwarmt, extra brandstofinspuiten om de uitlaatgas temperatuur te laten stijgen waardoor de DPF-temperatuur stijgt of een dieseloxidatiekatalysator (DOC) die de stikstofoxiden in de gassen oxideert naar stikstofdioxide, waardoor het roet bij een lagere temperatuur verbrand. Bij gebruik van DOC moet het uitlaatgas ook overtollige dieselbrandstof bevatten. Hiervoor kan een brandstofinjector (koolwaterstofdispenser) worden gebruikt, die in de uitlaatpijp voor de DOC is gemonteerd, of een injectiefunctie na ontsteking. Elektrische verwarmingselementen, microgolven of plasmatoortsen worden ook gebruikt voor actieve regeneratie.
Een dieseloxidatiekatalysator in combinatie met het doseren van een additief is de meest gebruikte vorm van actieve regeneratie die wordt gebruikt in weg- en terreinvoertuigen. Typisch duurt de actieve regeneratiecyclus gemiddeld 20 tot 30 minuten onder normale bedrijfsomstandigheden. In sommige gevallen, zoals wanneer zich een grote hoeveelheid roet opgehoopt heft in het DPF-filter, kan het nodig zijn om het stilstaande voertuig te regenereren. Een dergelijke regeneratie kan enkele uren duren, waarbij roet onder meer gecontroleerde omstandigheden langzaam verbrandt. Ongeacht de gekozen strategie vereist actieve regeneratie altijd extra energieverbruik (extra brandstof) voor de uitlaatgassen en verwarming van de DPF tot de vereiste temperatuur.
Passieve regeneratie. Zoals de naam doet vermoeden, heeft het geen extra energie nodig om het regeneratieproces uit te voeren. In plaats daarvan is deze methode gebaseerd op de oxidatie van roet met NO2. Het verbranden kan bij veel lagere temperaturen plaatsvinden, van 250 ° C tot 400 ° C. Een katalysator wordt gebruikt om NO in het uitlaatgas om te zetten in NO2. Edelmetalen, vooral platina (Pt), zijn nodig om de reactie van deze katalysatoren te vergemakkelijken, waardoor een dergelijk systeem nog duurder wordt. In sommige gevallen wordt de katalysator rechtstreeks op het DPF aangebracht, zoals in het geval van een gekatalyseerd DPF (K-DPF), kan ook een voorfilter dieseloxidatiekatalysator (DOC) worden gebruikt [5]. De meeste commerciële systemen gebruiken een combinatie van DOK en K-DPF. Deze katalysatoren produceren NO2(stikstofdioxide) wat zeer reactief is en er voor zorgt dat het roet kan worden verbrand bij normale bedrijfstemperaturen van de motor van het voertuig.
Idealiter is actieve regeneratie misschien niet nodig als een draaiende motor enige tijd in zo’n passief regeneratie “temperatuurvenster” doorbrengt (door langere ritten waarbij de motor goed op temperatuur komt) In de praktijk zal de motor echter niet altijd op temperatuur komen, bijvoorbeeld bij korte ritten, lang stationair draaien en in een koude klimaat en zal na enige tijd actieve regeneratie nodig zijn. Zonder actieve regeneratie kan passieve regeneratie worden geforceerd door korte ritten af te wisselen met lange ritten waarbij de motor voor langere tijd goed belast wordt en alles goed op temperatuur komt.
Om het brandstofverbruik te verminderen, heeft passieve regeneratie de voorkeur, hoewel de meeste commerciële systemen nog steeds verschillende manieren van actieve regeneratie gebruiken, afhankelijk van de rijcyclus en bedrijfsomstandigheden. Ongeacht de regeneratiemethode, blijft er na de verbranding van roet altijd wat as achter in het filter. Bij het kiezen van de meest geschikte filterreinigingsmethode is het belangrijk om de belangrijkste verschillen tussen as en roet te begrijpen, evenals hun effect op de prestaties van het roetfilter.
Begrijpen hoe het DPF-filter vaste stoffen in de poriën of op het wandoppervlak verzamelt en vasthoudt, is belangrijk, omdat het bepaalt hoe deze deeltjes later worden verwijderd. Roet verschilt fundamenteel van as doordat roet kan worden geoxideerd en verwijderd door regeneratie, en de as is niet brandbaar en blijft op het DVKD-filter totdat het wordt onderhouden door de as te verwijderen.
