Transporto sektorius išlieka vienu pagrindinių antropogeninės taršos šaltinių urbanizuotose teritorijose. Europos Sąjungos statistikos duomenimis, kelių transportas generuoja apie 39 procentų azoto oksidų ir 11 procentų kietųjų dalelių emisijų visoje Sąjungoje. Šiame kontekste išmetamųjų dujų apdorojimo sistemų – katalizatorių ir kietųjų dalelių filtrų – tinkamas funkcionavimas įgyja ne tik techninę, bet ir visuomeninę reikšmę.
Kietųjų dalelių filtrų technologinė prigimtis
Dyzelinio variklio kietųjų dalelių filtras, plačiau žinomas DPF (angl. Diesel Particulate Filter) santrumpa, yra išmetamųjų dujų sistemos komponentas, skirtas sulaikyti degimo proceso metu susidarančias kietąsias daleles prieš joms patenkant į atmosferą.
Standartinė DPF filtro konstrukcija paremta korėtos keramikos struktūra, suformuota iš silicio karbido arba kordierito. Ši struktūra sudaryta iš daugelio lygiagrečių kanalų, kurių galai pakaitomis uždaryti – įėjimo kanalai atviri priekyje ir uždaryti gale, išėjimo kanalai – priešingai.
Išmetamosios dujos patenka į atvirus kanalus ir priverstos prasiskverbti per poringąsias kanalų sieneles, paliekant kietąsias daleles ant paviršiaus. Tokiu būdu filtruojamos dalelės, kurių skersmuo siekia 2,5 mikrometro ir mažiau – būtent tos, kurios kelia didžiausią pavojų žmogaus kvėpavimo sistemai.
Filtro efektyvumas siekia 85–100 procentų, priklausomai nuo dalelių dydžio ir filtro būklės.
Regeneracijos procesas ir jo svarba
Kietųjų dalelių kaupimasis filtre didina pasipriešinimą dujų srautui, todėl būtinas periodinis filtro išvalymas. Šis procesas vadinamas regeneracija.
Išskiriami du pagrindiniai regeneracijos tipai:
Pasyvioji regeneracija vyksta natūraliai, kai išmetamųjų dujų temperatūra pasiekia 350–500°C. Tokiomis sąlygomis suodžiai oksiduojasi, pavirsdami anglies dioksidu. Pasyvioji regeneracija įmanoma esant ilgalaikiam važiavimui pastoviu greičiu – paprastai greitkelio režimu.
Aktyvioji regeneracija inicijuojama variklio valdymo sistemos, kai užfiksuojamas kritinis filtro užsikimšimo lygis. Sistema padidina išmetamųjų dujų temperatūrą iki 550–650°C, įpurškiant papildomą kuro dozę po pagrindinio degimo ciklo. Šis procesas reikalauja papildomo kuro – apie 3–5 procentų padidėjusios sąnaudos regeneracijos metu.
Problema kyla, kai nei vienas regeneracijos tipas negali įvykti. Tai būdinga transporto priemonėms, eksploatuojamoms išimtinai miesto ciklu su dažnais sustojimais ir trumpomis distancijomis. Tokiu atveju filtras palaipsniui užsipildo, kol pasiekiamas kritinis lygis.
Užsikimšimo pasekmės variklio sistemai
Kritiškai užsikimšęs DPF filtras sukelia kaskadinį neigiamą poveikį:
Padidėjęs priešslėgis išmetimo sistemoje. Variklis patiria papildomą pasipriešinimą stumdamas išmetamąsias dujas. Tai tiesiogiai mažina efektyvią galią ir sukimo momentą.
Valdymo sistemos intervencija. Moderni variklių valdymo blokai užprogramuoti riboti galią, kai DPF užsikimšimo lygis viršija nustatytas ribas. Tai apsauginis mechanizmas, skirtas išvengti variklio pažeidimų.
Padidėjusios degalų sąnaudos. Variklis dirba neoptimaliame režime, dažnėja nepavykusios regeneracijos bandymai, kurių metu įpurškiamas papildomas kuras.
Antrinių komponentų apkrova. Turbokompresorius, EGR sistema, išmetimo kolektorius patiria padidintą terminį ir mechaninį stresą.
Galimas variklio pažeidimas. Ekstremaliais atvejais – perkaitimas, tepimo sistemos sutrikimai, stūmoklių žiedų pažeidimai.
Katalizatoriaus funkcija ir degradacijos mechanizmai
Lygiagrečiai su DPF filtru veikiantis katalizatorius (benzininiuose varikliuose – trifunkcis katalizatorius, dyzeliniuose – oksiduojantis katalizatorius ir SCR sistema) atlieka cheminę išmetamųjų dujų transformaciją.
Katalizatoriaus aktyvioji medžiaga – tauriųjų metalų (platinos, paladžio, rodžio) sluoksnis ant keraminio ar metalinio nešiklio. Šie metalai katalizuoja chemines reakcijas:
- Anglies monoksido oksidaciją į anglies dioksidą
- Angliavandenilių oksidaciją į vandenį ir anglies dioksidą
- Azoto oksidų redukciją į azotą (trifunkcio katalizatoriaus atveju)
Katalizatoriaus degradacija vyksta keliais mechanizmais:
Terminis senėjimas. Aukšta temperatūra sukelia tauriųjų metalų dalelių sintetizavimąsi (susiliejimą), mažinant aktyvųjį paviršiaus plotą.
Cheminis nuodijimas. Sieros junginiai, fosforas, cinkas iš tepalo priedų, švinas (jei naudojamas netinkamas kuras) blokuoja aktyvias katalizatoriaus vietas.
Mechaninis pažeidimas. Terminiai šokai, vibracijos, fiziniai smūgiai gali suardyti keramikinę struktūrą.
Natūralus nusidėvėjimas. Net optimaliomis sąlygomis katalizatoriaus efektyvumas palaipsniui mažėja per 150 000–250 000 kilometrų.
Diagnostikos metodai
Šiuolaikinė diagnostika remiasi keliais duomenų šaltiniais:
OBD-II sistemos parametrai. Slėgio skirtumo jutikliai matuoja pasipriešinimą DPF filtre. Lambda zondai prieš ir po katalizatoriaus vertina jo efektyvumą. Šie duomenys prieinami standartiniu diagnostikos skaitytuvu.
Išmetamųjų dujų analizė. Techninės apžiūros metu atliekamas dūmingumo (dyzeliniams) arba CO/CH koncentracijos (benzininiams) matavimas.
Vizualinė inspekcija. Kvalifikuotas specialistas gali įvertinti išorinę komponentų būklę, korozijos laipsnį, montavimo vientisumą.
Endoskopinė diagnostika. Specializuota įranga leidžia vizualiai įvertinti filtro ar katalizatoriaus vidinę būklę be demontavimo.
Priežiūros ir atstatymo galimybės
Atsižvelgiant į komponento būklę, taikomi skirtingi intervencijos metodai:
Profilaktinė priežiūra. Reguliarus eksploatavimas režimu, užtikrinančiu natūralią regeneraciją. Tinkamo tepalo ir kuro naudojimas. Periodinis diagnostikos patikrinimas.
Profesionalus valymas. Kai DPF filtras užsikimšęs, bet fiziškai nepažeistas, taikomas specializuotas valymo procesas. Efektyvus DPF filtro valymas apima kontroliuojamą terminį ir (arba) cheminį apdorojimą, pašalinantį suodžių ir pelenų sankaupas nepažeidžiant keramikinės struktūros. Procedūra atnaujina filtro pralaidumą iki gamyklinių parametrų.
Komponento keitimas. Kai fizinė degradacija negrįžtama – mechaniniai pažeidimai, keramikos irimas, kritinė korozija – būtinas keitimas. Rinkoje egzistuoja originalių gamintojų (OEM) dalys ir sertifikuoti pakaitiniai komponentai. Pastarieji, atitinkantys techninius reikalavimus, užtikrina analogišką funkcionalumą mažesne kaina. Tiekėjų siūlomi katalizatoriai gera kaina, pagamintus pagal OEM specifikacijas ir sertifikuotus Europos Sąjungos rinkoje.
Reguliacinė aplinka
Europos Sąjungos reglamentavimas numato privalomus išmetamųjų dujų standartus:
Euro normos. Nuo Euro 5 (2009) dyzeliniams automobiliams DPF filtras yra privalomas. Euro 6 (2014) dar labiau sugriežtino leistinas ribas.
Periodinė techninė apžiūra. Valstybės narės privalo užtikrinti transporto priemonių atitikties kontrolę. Lietuvoje tai atliekama per privalomąją techninę apžiūrą, kurios metu matuojamas dūmingumas ir tikrinama išmetimo sistemos komplektacija.
Administracinės sankcijos. Transporto priemonės eksploatavimas su pašalintais ar neveikiančiais taršos mažinimo įrenginiais užtraukia administracinę atsakomybę. Pakartotiniai pažeidimai gali lemti transporto priemonės išregistravimą.
Ateities perspektyvos. Euro 7 standartas, kurio įsigaliojimas numatomas 2025–2027 metais, numato dar griežtesnes ribas ir išplėstą kontrolės apimtį.
Techninės ir ekonominės rekomendacijos
Atsižvelgiant į techninius reikalavimus ir ekonominį racionalumą, rekomenduojama:
Eksploatacijos režimo optimizavimas. Reguliarios ilgesnės kelionės (minimum 30 minučių greitkelio režimu) bent kartą per savaitę užtikrina natūralią DPF regeneraciją.
Eksploatacinių medžiagų kokybė. Low SAPS specifikacijos tepalo naudojimas dyzeliniuose varikliuose su DPF, EN 590 standartą atitinkančio dyzelino pildymas.
Diagnostikos periodiškumas. OBD-II parametrų patikra bent kartą per metus arba kas 15 000 kilometrų leidžia anksti identifikuoti potencialias problemas.
Savalaikė intervencija. Ignoruojami įspėjamieji signalai veda prie progresuojančio pažeidimo ir brangesnio remonto. Užsikimšęs, bet nepažeistas DPF gali būti išvalytas. Pažeistas – tik keičiamas.
Racionalus komponentų pasirinkimas. Keitimo atveju sertifikuoti pakaitiniai komponentai užtikrina atitiktį techniniams reikalavimams optimaliu kaštų ir kokybės santykiu.
Išmetamųjų dujų apdorojimo sistemos funkcionavimas yra integrali transporto priemonės techninės būklės dalis. Tinkama priežiūra užtikrina ne tik reguliacinę atitiktį ir optimalų variklio darbą, bet ir prisideda prie bendros oro kokybės urbanizuotose teritorijose – veiksnio, tiesiogiai veikiančio visuomenės sveikatą.