Honingraatsubstraat DPF-katalysator

DPF-werkprincipe: filtratie en regeneratie
Om het DPF te begrijpen, is inzicht nodig in de twee kernprocessen ervan:
1. Filtratieproces
Het DPF-substraat is doorgaans een honingraatstructuur gemaakt van poreuze wanden van siliciumcarbide of cordieriet, met afwisselende kanalen geblokkeerd aan de inlaat- en uitlaatuiteinden.
Uitlaatgas wordt gedwongen door de poreuze wanden tussen de kanalen te passeren.
Fijnstof wordt op de wanden vastgehouden omdat de grootte ervan groter is dan de diameter van de wandporiën.
Dit proces is zeer efficiënt, met een roetfiltratie-efficiëntie van meer dan 95%.
2. Regeneratieproces
Dit is de essentie van DPF-technologie. Als roet alleen wordt opgevangen maar niet wordt verwijderd, zullen deeltjes zich voortdurend ophopen, waardoor de tegendruk in de uitlaat sterk stijgt, wat uiteindelijk tot motorstoringen kan leiden. Daarom moet het verzamelde fijnstof periodiek worden verbrand, een proces dat bekend staat als regeneratie.
Kernuitdaging: De ontstekingstemperatuur van puur roet is erg hoog (rond de 550–600°C), terwijl de normale temperatuur van de dieseluitlaat, vooral tijdens stadsritten, slechts tussen de 150 en 300°C ligt en het roet niet op natuurlijke wijze kan verbranden.
Rol van de katalysator: Het primaire doel van de DPF-katalysator is om de oxidatietemperatuur van roet aanzienlijk te verlagen door middel van chemische reacties, waardoor het tijdens de werking van de motor binnen het normale uitlaattemperatuurbereik kan worden verbrand.

Typen en samenstelling van DPF-katalysatoren
DPF-katalysatoren zijn geen zelfstandige eenheden, maar zijn in de vorm van een coating geïntegreerd met het DPF-substraat. Er zijn drie belangrijke implementatiemethoden:
1. DPF met katalysatorcoating
Dit is het meest voorkomende type, waarbij de katalysatorcoating rechtstreeks op de poreuze wanden van het DPF-substraat wordt aangebracht.
Substraat: poreus siliciumcarbide of cordieriet DPF.
Coating: Net als bij DOC wordt γ-aluminiumoxide met een groot oppervlak als basiscoating gebruikt.
Actieve componenten:
Edelmetalen zoals platina en palladium: dit waren reguliere keuzes in vroege en veel huidige systemen.
Werkingsmechanisme:
Oxidatie van NO naar NO₂: De katalysator oxideert NO in de uitlaatgassen tot NO₂. NO₂ is een sterk oxidatiemiddel dat bij relatief lage temperaturen (~250–300°C) reageert met roet: C 2NO₂ → CO₂ 2NO. Deze reactie is de sleutel tot het bereiken van passieve regeneratie.
Directe oxidatie: Bij hogere temperaturen bevordert de katalysator ook de directe reactie tussen zuurstof en roet.
2. Katalysator van het type brandstofadditief
Bij deze methode wordt de katalysator niet op het DPF aangebracht, maar rechtstreeks aan de brandstof toegevoegd in de vorm van een additief op metaalbasis.
Additief: Typisch organometallische verbindingen van cerium of ijzer.
Principe: Metaaldeeltjes uit het additief komen na de verbranding met het uitlaatgas in het DPF terecht en nestelen zich gelijkmatig in de verzamelde roetlaag. Tijdens regeneratie werken deze metaaldeeltjes als katalysatoren, waardoor de roetoxidatietemperatuur aanzienlijk wordt verlaagd (tot ~450°C).
Voordelen: De katalysator mengt zich gelijkmatig met roet, wat zorgt voor voldoende contact en een hoog regeneratierendement.
Nadelen: Vereist extra opslag- en injectiesystemen voor additieven, verhoogt de kosten en metaaloxide-asresten hopen zich op in het DPF, waardoor periodieke reiniging noodzakelijk is.
3. Katalytische DPF
Dit is een concept dat gemakkelijk verward, maar belangrijk is. Het verwijst naar het integreren van DOC-functionaliteit en DPF-functionaliteit in één enkel onderdeel, d.w.z. het aanbrengen van een hoge dosis oxidatiekatalysator (zoals platina of palladium) bij de inlaat van het DPF.
Functie: Het kan CO en HC oxideren als een DOC en NO₂ genereren voor passieve regeneratie, terwijl het ook fijnstof opvangt zoals een DPF.
Toepassing: Veel gebruikt in compacte nabehandelingssystemen waar de ruimte beperkt is.

DPF-regeneratiestrategieën
De aanwezigheid van een DPF-katalysator maakt de volgende regeneratiestrategieën mogelijk:
1. Passieve regeneratie
Proces: Tijdens normaal gebruik van het voertuig, wanneer de uitlaattemperatuur een bepaald niveau bereikt (bijvoorbeeld tijdens het rijden op de snelweg), genereert de DPF-katalysator voortdurend NO₂, waardoor het opgehoopte roet gestaag oxideert.
Kenmerken: Dit proces is voor de bestuurder niet waarneembaar en is de meest wenselijke regeneratiemethode. Er zijn echter voldoende uitlaattemperatuur en coördinatie met de stroomopwaartse DOC nodig om NO₂ te leveren.
2. Actieve regeneratie
Proces: Wanneer de boordcomputer van het voertuig via de verschildruksensor detecteert dat het DPF voldoende verstopt is en passieve regeneratie niet mogelijk is, grijpt het systeem actief in.
Interventiemethoden: Door de brandstofinjectie uit te stellen of na-injectie uit te voeren, komt onverbrande brandstof het DOC binnen, ondergaat oxidatie en produceert uitlaatgassen met een hoge temperatuur boven de 600°C, die vervolgens naar het DPF worden geleid, waardoor roet bij hoge temperaturen snel kan oxideren met zuurstof.
Rol van de katalysator: In deze modus kan roet zelfs zonder katalysator bij hoge temperaturen worden verbrand. De aanwezigheid van de katalysator verlaagt echter de vereiste regeneratietemperatuur, verkort de regeneratietijd en vermindert het brandstofverbruik.
3. Serviceregeneratie
Proces: Als het voertuig consequent wordt gebruikt onder omstandigheden over korte afstanden of lage snelheden, waardoor de voltooiing van de actieve regeneratie wordt verhinderd, moet door onderhoudspersoneel speciale apparatuur worden gebruikt om de geforceerde regeneratie uit te voeren.

Belangrijkste uitdagingen en overwegingen
1. Asophoping: Additieven uit motorolie (zoals calcium, zink, fosfor, zwavel, enz.) produceren bij verbranding niet-brandbare as. De as verstopt de DPF-kanalen permanent, waardoor de tegendruk geleidelijk toeneemt. Dit is de ultieme beperkende factor voor de levensduur van het DPF en vereist periodieke demontage, reiniging of vervanging (doorgaans na enkele honderdduizenden kilometers).
2. Katalysatorvergiftiging: Stoffen zoals zwavel en fosfor kunnen de katalysatorcoating op het DPF vergiftigen, waardoor de katalytische activiteit ervan afneemt.
3. Thermisch beheer: Temperatuurregeling tijdens actieve regeneratie is van cruciaal belang. Te hoge temperaturen kunnen ervoor zorgen dat het DPF-substraat smelt of barst als gevolg van thermische spanning.
4. Brandstofkwaliteit: Brandstof met een hoog zwavelgehalte kan de prestaties van de katalysator ernstig verslechteren en meer sulfaatas genereren.