Adalékos DPF rendszer működése és felépítése – Passat B5.5 2.0l TDI

Bevezető

Általános ismertetés

A dízel üzemanyag égése során különféle lerakódások keletkeznek. A hideg motorból származó, közvetlenül is érzékelhető kibocsátások közé tartoznak a nem, illetve részben oxidált szénhidrogének, amelyek apró cseppek formájában fehéres vagy kékes füstként, valamint erős szagú aldehidekként jelennek meg. A káros gázhalmazállapotú anyagok mellett a dízelmotorok kipufogógázával szilárd részecskék is távoznak, amelyeket az egészségre és a környezetre ártalmas anyagok csoportjába, a részecskekibocsátás kategóriába sorolunk.

A Volkswagen hosszú távú stratégiát követett a kipufogógáz-kibocsátás csökkentése érdekében – nemcsak a dízelrészecskék, hanem más komponensek (például a szénhidrogének és a nitrogén-oxidok) területén is. A vállalat évekkel ezelőtt határozott lépéseket tett a belső égési folyamatok optimalizálása és a koromrészecskék kibocsátásának csökkentése érdekében – és sikerrel: 1999-ben a Volkswagen Lupo 3L TDI lett az első olyan jármű a piacon, amely megfelelt a szigorú Euro 4 károsanyag-kibocsátási előírásoknak – hat évvel azelőtt, hogy azok 2005-ben jogszabályban életbe léptek.

A későbbi években azonban a gyártó hírnevét beárnyékolta a 2015-ben kirobbant „dízelbotrány” (Dieselgate), amikor kiderült, hogy egyes modellekben a motorvezérlő szoftver manipulálta a károsanyag-kibocsátási méréseket, hogy a járművek a tesztek során tisztábbnak tűnjenek a valóságosnál. A botrány komoly hatással volt a dízeltechnológia megítélésére és a károsanyag-kibocsátási szabályozások szigorodásához vezetett.

A cikkben bemutatott adalékos dízel részecskeszűrő rendszert a Volkswagen a 2.0 literes TDI motorral szerelt Passat B5.5 modellekben alkalmazta.
Ez a korai generációs DPF-rendszer, adalékanyagot használt a regenerálási folyamat segítésére, mielőtt a B6-os szériában áttértek a korszerűbb, adalékmentes megoldásra.

Kipufogógáz és kibocsátási normák

Németországban, Európa-szerte és világszinten is a 2000-es évek elején számos törvényt vezettek be a levegőbe jutó káros anyagok kibocsátásának csökkentésére. Európában ekkor a kibocsátási szabványokat EU1-től EU4-ig kategorizálták. Ezek határozták meg az autógyártók számára az új járműmodellek típusjóváhagyásához szükséges határértékeket.

EU3
2000-től az új járművek esetében az EU3 szabvány lépett érvénybe. Ez az előző EU2 szabványhoz képest szigorúbb vizsgálati feltételeket és alacsonyabb kibocsátási határértékeket ír elő.

EU4
Az EU4 szabvány 2005-ben lépett hatályba, felváltva az EU3-at. Ennek eredményeként a megengedett határértékek tovább csökkentek.
A Volkswagen már azelőtt is élen járt ezen a területen: Németországban az újonnan forgalomba helyezett dízelmotoros Volkswagen járművek több mint 65 százaléka már teljesítette az EU4 kibocsátási normát, még annak hivatalos bevezetése előtt.

2000-től (EU3) az új dízelmotoros járművek számára meghatározott határértékek fokozatosan szigorodtak.
2005-ben (EU4) az engedélyezett kibocsátási szintek jelentősen csökkentek, különösen a nitrogén-oxidok (NOx) és a koromrészecskék (PM) esetében.
Ez a változás ösztönözte a részecskeszűrő (DPF) rendszerek bevezetését, amelyek a szilárd koromrészecskék kibocsátását a felére vagy még kevesebbre csökkentették.

Égés során keletkező káros anyagok

A dízelmotorokban keletkező káros anyagok – különösen a részecskekibocsátás – nagymértékben függnek az égési folyamattól.
Ezt a folyamatot számos tényező befolyásolja, többek között a motor felépítése, az üzemanyag tulajdonságai és a környezeti feltételek.

A következő ábra a dízelmotor égési folyamatában részt vevő szívó- és kipufogóoldali elemek áttekintését mutatja be.

A környezetre és az egészségre gyakorolt káros hatásuk alapján a dízelmotor kipufogógázai többféle összetevőből állnak, amelyek különböző elemzést igényelnek.
Azok az összetevők, amelyek már eleve megtalálhatók a légkörben – például az oxigén, a nitrogén és a vízgőz – biztonságosnak tekinthetők.

A szén-dioxid, amely természetes módon is jelen van a légkörben, a biztonságos és a káros kategória határán helyezkedik el. Bár nem mérgező, nagyobb koncentrációban hozzájárulhat az üvegházhatáshoz.

A szén-monoxid, a szénhidrogének, a kén-dioxid, a nitrogén-oxidok és a koromrészecskék viszont egyértelműen a káros anyagok közé tartoznak.

Káros anyagok a kipufogógázban.

CO – Szén-monoxid		A szén-monoxid (CO) oxigénhiány esetén, a szénalapú üzemanyagok tökéletlen égése során keletkezik. Színtelen, szagtalan és íztelen gáz.
HC – Szénhidrogének		A szénhidrogének számos különböző vegyületet foglalnak magukban (például C6H6, C8H18), amelyek az üzemanyag részleges égése során keletkeznek.
SO₂ – Kén-dioxid		A kén-dioxid a kéntartalmú üzemanyagok égésekor keletkezik. Színtelen, ám erős, szúrós szagú gáz. Az üzemanyagok kéntartalmát az utóbbi években fokozatosan csökkentették.
NOx – Nitrogén-oxidok		A nitrogén-oxidok (például NO, NO₂ stb.) nagy nyomás és magas hőmérséklet mellett, valamint túlzott oxigén jelenlétében keletkeznek a motor égésterében.
Koromrészecskék		Oxigénhiány esetén az égés nem megy végbe teljesen, ennek eredményeként szénrészecskék, azaz korom keletkezik és halmozódik fel.

Részecskék

A „részecskék” kifejezés minden olyan szilárd, vagy folyékony anyagot magában foglal, amely súrlódás, alkatrészek kopása, erózió, kondenzáció vagy tökéletlen égés során keletkezik. Ezek a folyamatok különböző alakú, méretű és szerkezetű részecskéket hoznak létre.
A részecskék a levegőben található káros anyagokhoz hasonlóan viselkednek: kis méretük miatt lebeghetnek a levegőben, gázhalmazállapotú anyagokhoz tapadhatnak, és károsíthatják az élő szervezeteket.

Koromrészecskék

A koromrészecskék a dízelmotor égési folyamatából származnak. Mikroszkopikus méretű, kb. 0,05 mikrométer átmérőjű szénrészecskékből állnak.
A koromrészecskék magja tiszta szénből épül fel, körülötte pedig különböző szénhidrogén-vegyületek, fém-oxidok és kénvegyületek rakódnak le.
Egyes szénhidrogén-vegyületek potenciálisan egészségkárosítónak minősülnek.
A koromrészecskék pontos összetétele függ a motor technológiájától, az üzemeltetési körülményektől és a használt üzemanyag típusától.

(Az ábra a koromrészecske szerkezetét mutatja: középen szénmag, körülötte szénhidrogének, kén- és fémoxidok, szulfátok és víz.)

A koromrészecskék kialakulásának oka

A koromrészecskék képződése a dízelmotorban az égési folyamat egyes lépéseitől függ, mint például a levegő beáramlása, az üzemanyag-befecskendezés és a lángterjedés.
Az égés minősége attól függ, mennyire jól keveredik az üzemanyag a levegővel.
Az égéstér bizonyos részein a keverék túldús lehet, ha nem áll rendelkezésre elegendő oxigén.
Ilyen esetben az égés nem megy végbe teljesen, és koromrészecskék keletkeznek.

A részecskék tömege és mennyisége alapvetően a motor égési folyamatának minőségétől függ.
A magas befecskendezési nyomás és a motor igényeihez igazított befecskendezési karakterisztika hatékony égést biztosít, amit az egységbefecskendezős (Pumpe-Düse) rendszer valósít meg.
Ennek eredményeként az égés során kevesebb koromrészecske keletkezik. A magas befecskendezési nyomás és az ezzel járó finom porlasztás azonban nem feltétlenül eredményez kisebb részecskéket.
A tesztek azt mutatták, hogy a kipufogógázban található részecskék méreteloszlása nagyon hasonló, függetlenül a motor égési elvétől — legyen az előkamrás, közös nyomócsöves (Common Rail) vagy egységbefecskendezős (Unit Injector) rendszer.

Dízelmotor égése során keletkező jellegzetes koromrészecske.

A részecskekibocsátás csökkentésére irányuló intézkedések

A dízelmotorok kipufogógáz-kibocsátásának csökkentése a fejlesztések egyik legfontosabb célja.  A károsanyag-kibocsátás mérséklésére többféle műszaki megoldás létezik.
Ezeket két fő csoportra oszthatjuk:
- motoron belüli intézkedések
- motoron kívüli intézkedések

Motoron belüli intézkedések
A kibocsátás csökkentése a motor belső működését érintő fejlesztésekkel is elérhető. Az égési folyamat hatékony optimalizálása biztosíthatja, hogy a káros anyagok egyáltalán ne keletkezzenek.
A motoron belüli intézkedésekre néhány példa:

Motoron kívüli intézkedések

Az égés során keletkező koromrészecskék kibocsátása motoron kívüli megoldásokkal is megakadályozható.  Ezek közé tartozik a részecskék csökkentése dízel részecskeszűrő rendszer segítségével.

Kétféle rendszer létezik:
– dízel részecskeszűrő adalékkal,
– dízel részecskeszűrő adalék nélkül.

A következő oldalak kizárólag a Volkswagen által alkalmazott, adalékos dízel részecskeszűrő rendszer felépítését és működését ismertetik.

Adalékos rendszer
Ezt a rendszert olyan járművekben alkalmazzák, ahol a részecskeszűrő a motortól távolabb helyezkedik el.
A kipufogógáz az út során lehűl, így a koromrészecskék kiégéséhez szükséges hőmérséklet csak adalékanyag hozzáadásával érhető el.

Adalékanyag nélküli rendszer

Ezt a rendszert a későbbi járművekben alkalmazták, ahol a részecskeszűrő a motorhoz közel helyezkedik el.
Mivel a kipufogógáz útja rövid a motor és a részecskeszűrő között, a gáz hőmérséklete elegendően magas ahhoz,
hogy a koromrészecskéket adalékanyag nélkül is kiégesse.

Megjegyzés:
Az alábbi gyári robbantott ábra a Passat B5.5 2.0 TDI (BGW motorkód) kipufogórendszerét mutatja,
amelyben jól látható a katalizátor és az adalékanyagos dízel részecskeszűrő (DPF) elhelyezkedése a rendszer középső szakaszán.

Felépítés és működés
Adalékanyagos dízel részecskeszűrő rendszer
Az alábbi áttekintő ábrán láthatók a dízel részecskeszűrő rendszer fő elemei.