V zvezi z emisijami trdnih delcev določajo mednarodni predpisi in predpisi držav, ki se jim pridružijo:
- Največja meja mase delcev, ki se lahko izpusti v [mg/km];
- največje število izpuščenih delcev na km.
Da bi izpolnili te zahteve, sistem za naknadno obdelavo uporablja filter trdnih delcev kot glavno komponento. To je naprava, ki deluje tako, da zbira trdne delce, ki nastanejo v procesu zgorevanja.
Filtri imajo omejeno zmogljivost kopičenja trdnih delcev, zato vsi sistemi izvajajo mehanizme občasne ali neprekinjene regeneracije (čiščenja), da preprečijo zamašitev. Po drugi strani pa lahko filter, ki je preveč obremenjen z delci, zaradi prevelikega protitlaka poškoduje motor ali se celo poškoduje.
Zato je pomemben dejavnik, ki ga je treba upoštevati, spremljanje količine nabranih delcev. Če je preveč, lahko ob aktiviranju regeneracije delci nenadzorovano gorijo in zaradi visoke temperature poškodujejo filter.
Po drugi strani pa lahko aktivacija z malo nakopičenih delcev povzroči nepopolno regeneracijo, saj je za zagotovitev pravilnega širjenja izgorevanja potrebna najmanjša količina delcev.
Drug pomemben dejavnik, ki ga je treba upoštevati, je učinek na porabo goriva. V tem smislu dolgotrajno delovanje motorja s previsokim protitlakom izpušnih plinov ali visoko frekvenco regeneracije ni zaželeno. Zato mora biti implementirani krmilni sistem sposoben priročno uravnotežiti frekvenco in učinkovitost procesa regeneracije, kar se doseže z zaprtozančno regulacijo, ki se izvaja v osnovi na podlagi informacij iz senzorjev tlaka, delcev in temperature, dopolnjenih z oceno pretok izpušnih plinov, ki ga izvaja monitor. Po drugi strani krmiljenje z zaprto zanko prispeva k oceni delovanja kompleta, zaznavanju zamašenega ali puščajočega filtra, odstranjenega substrata in drugih napak, ki lahko vplivajo na emisije delcev.
Iz zgoraj navedenega izhaja potreba po spremljanju procesa regeneracije in delovanja filtra z ustreznimi senzorji.
Zaznavanje pomaga nadzorniku filtra pri uporabi ustreznih strategij regeneracije in odkrivanju napak, ki bi lahko povzročile čezmerne ravni emisij.
V bistvu monitor uporablja informacije iz senzorjev diferenčnega tlaka, delcev in temperature za izvajanje dveh funkcij:
1. Ocenite akumulirano maso trdnih delcev, da povečate učinkovitost postopka regeneracije filtra. Strategije regeneracije vključujejo:
- Kdaj začeti in/ali končati proces regeneracije;
- Kako pogosto izvajati regeneracijo filtra.
2. Zaznajte napake, ki povzročajo presežne emisije trdnih delcev. Vzrok je lahko zlomljena, puščajoča, stopljena in strjena ali odstranjena podlaga.
Glavne vrste senzorjev, ki se trenutno uporabljajo, so: senzor diferenčnega tlaka in senzorji delcev, ki so bili obravnavani v majski številki.
Regeneracija
To je glavni nadzorni postopek, povezan s filtrom trdnih delcev. Trenutno uporabljene tehnologije regeneracije spadajo v eno od naslednjih kategorij:
- Zvišanje temperature izpušnih plinov, ki ga nadzira UC prek mehanizma za naknadno vbrizgavanje v zgorevalno komoro ali izpuh, pred filtrom.
- Kataliziran filter trdnih delcev. Katalizator je vgrajen v stene samega filtra in pomaga znižati temperaturo oksidacije (zgorevanja) ujetih delcev.
- Filter trdnih delcev, ki se stalno regenerira. S filtrom je povezan oksidacijski katalizator.
- Katalizirano gorivo. Katalizator je dodan kot dodatek gorivu in prispeva k znižanju temperature oksidacije (zgorevanja) ujetih delcev.
Postopek regeneracije je lahko samodejen - upravlja ga avtonomno UC motorja - ali stacionaren - na zahtevo operaterja, ko je vozilo ustavljeno.
Aktivna in pasivna regeneracija
Konceptualno lahko metode regeneracije razvrstimo v: pasivno regeneracijo in aktivno regeneracijo:
1. Pasivna regeneracija: Pasivni sistemi so tisti, ki se lahko samoregenerirajo samo z uporabo izpušnih plinov. Zaradi trenutno veljavnih omejitev ravni emisij se pasivna regeneracija uporablja, kadar je to mogoče, v povezavi z aktivno regeneracijo.
2. Aktivna regeneracija: sestoji iz povzročanja zgorevanja delcev (predvsem C z nekaj adsorbiranega HC) z O2, prisotnim v izpušnih plinih.
Načeloma se aktivna regeneracija uporablja takrat, ko temperatura plinov ni tako potrebna za zgorevanje nakopičenih delcev. Aktivni sistemi za delovanje potrebujejo povezan elektronski nadzor.
Vendar tudi v primeru aktivne regeneracije sedanji sistemi naknadne obdelave kar najbolj izkoriščajo pasivno regeneracijo, saj slednja za razliko od aktivne regeneracije ne zahteva dodatne energije za svoje delovanje.
V bistvu se aktivna regeneracija sproži, ko monitor zazna kopičenje delcev, ki doseže največjo projektno mejo in ima določeno najdaljše trajanje. Proces aktivne regeneracije nadzira UC s spremljanjem:
a) Upor proti pretoku plinov s povečanjem protitlaka na vstopu v filter ali s povečanjem razlike med vstopnim tlakom in izstopnim tlakom iz filtra.
b) Ocena akumulirane mase delcev na podlagi informacij, na primer iz radiofrekvenčnega senzorja delcev.
Če ne, bi filter še naprej shranjeval trdne delce, dokler se ne zamaši, zaradi česar bi motor v kratkem času onemogočil delovanje.
Procesi regeneracije uporabljajo enega od naslednjih mehanizmov:
- Povečajte temperaturo plinov za nekaj sekund ali minut, dokler ne dosežete 550oC.
- Zmanjšajte temperaturo samovžiga delcev na 450oC z uporabo katalitskega medija v samem filtru. To so katalizirani filtri trdnih delcev.
Opomba: Vse tehnologije aktivne regeneracije, ki se trenutno uporabljajo, predvidevajo obstoj oksidacijskega katalizatorja pred samim filtrom ali v njem.
Morda najbolj uporabljen postopek dandanes je nadzor vbrizgavanja za povečanje temperature izpušnih plinov z naknadnim vbrizgavanjem. To je proces, pri katerem se med ekspanzijskim ciklom vbrizga majhna količina goriva in povzroči nepopolno zgorevanje s povečanimi emisijami HC in CO. Zgorevanje teh komponent bo dokončano v oksidacijskem katalizatorju, ki spodbuja zvišanje temperature izpušnih plinov, to zvišanje je potrebno za regeneracijo filtra trdnih delcev.
Slika 1 prikazuje graf s signalom za aktivacijo injektorja, ki ustreza procesu večkratnega vbrizgavanja. Poudarja dejstvo, da se zgorevanje (čas Tc) začne z določeno zakasnitvijo po začetku vbrizga in konča po prenehanju dotoka goriva. Prav tako kaže, da se naknadni vbrizg zgodi že v ekspanzijskem ciklu, po koncu zgorevanja.
Naslednja številka bo zajemala druge postopke regeneracije, ki se trenutno uporabljajo.
Nastavitve
Slika 2 prikazuje osnovne komponente sistema za naknadno obdelavo delcev. Ustreza konfiguraciji, uporabljeni v prvih sistemih, ki so se držali standarda OBDII. Podatki iz tlačnih senzorjev se uporabljajo za oceno naboja, ki je nastal v filtru. Oksidacijski katalizator ima funkcijo zvišanja temperature, potrebne za regeneracijo filtra. V nekaterih primerih imajo sistemi en senzor tlaka pred filtrom. Informacije se uporabljajo za oceno protitlaka, ki ga povzroča kopičenje delcev.
Slika 3 prikazuje tipično konfiguracijo, ki se uporablja v trenutnih sistemih. Dodani so bili novi senzorji za natančnejše zaznavanje zaradi nižjih mejnih vrednosti emisij.
Senzorji tlaka so bili zamenjani s senzorjem
diferenčni tlak, ki izpolnjuje isto funkcijo obveščanja o diferenčnem tlaku. Večina sistemov za naknadno obdelavo vključuje širokopasovni senzor za kisik. Njegove informacije se uporabljajo v procesu regeneracije za natančno določitev: 1) količine vbrizganega goriva pri naknadnem vbrizgu in 2) začetka naknadnega vbrizga. Po drugi strani pa je za učinkovito regeneracijo potreben minimalni odstotek O2 pri visoki temperaturi, informacijo zagotavlja temperaturni senzor [1].
Slika [4] prikazuje primer uporabe filtra trdnih delcev v sistemu za naknadno obdelavo dizelskega goriva, integriranega s selektivnim redukcijskim katalizatorjem NOx (SCR). V tem primeru je oksidacijski katalizator vgrajen v filter trdnih delcev.
V naslednji izdaji bo tema dopolnjena z drugimi postopki regeneracije in funkcionalnostjo monitorja filtra trdnih delcev v sistemih OBDII.
