Dízel-részecskeszűrők lelki világa

Az 1993 óta bevezetett – és egyre szigorodó – európai emissziós normák teljesítéséhez a motorgyártók különféle extra rendszereket kezdtek el beépíteni. Ezek a motorok káros anyag kibocsátását egyrészről motoron belül (pl. EGR – Exhaust Gas Recirculation, azaz kipufogógáz-visszavezetés), másrészről motoron kívül igyekszenek csökkenteni, betartva a vonatkozó előírás határértékeit. Utóbbi rendszerek egyike a részecskéket (PM – Particulate Matter) szűrő berendezés, mely az Euro VI-os norma teljesítéséhez elengedhetetlen.

Az emissziós normák alakulása. A cikk szempontjából a függőleges tengely a mérvadó.

Gyorstalpaló koromból

A dízelmotorokban végbemenő égési folyamatok túlnyomóan tökéletlenek, túl gyorsak, vagy túl alacsony a hőfok, nem jó a töltetarány (traziens-jelenségek miatt), etc. Ebből kifolyólag a gázolajszemcsék egy részéből korom képződik, és ilyen formában távozik a környezetbe. Ezt a kormot hivatott meg- és felfogni a DPF.

Az odavezető kipufogócső átmérőjénél mintegy kétszer-háromszor nagyobb átmérőjű, hengeres testben rengeteg „félcsatorna” (a két feléről induló több száz zsákfurat) van, és ezen kis csövecskék között egy speciális membrán, melyen bizonyos mérettartományba eső koromszemcsék fennakadnak. A kisebb gázalkotó-elemek át tudnak hatolni a rétegen, és tovább tudnak haladni a következő dob (általában az SCR – szelektív katalitikus redukció) irányába. A szűrődob belső felülete a sok apró csatorna miatt nagyjából egy focipálya-méretű.

A DPF felépítése. Ábra forrása.

A DPF működés közben. Ábra forrása.

A fentiekből érzékelhető, hogy ezek a vékony, hosszúkás csatornák a különféle méretű, fizikailag is látható égéstermék-szemcsétől képesek telítődni, így fojtást képezve a motor szabad kipufogásában. Hogy a szűrő telítettségéről mindenkoron pontos képe legyen a motornak, a vezérlőelektronika egy nyomáskülönbség-szenzor segítségével méri a bemeneti és a kimeneti oldal közötti relatív nyomást.

DPF nyomáskülönbség-szenzorral. Ábra forrása.

Ennek az értéknek különféle állapotai lehetnek, és ahhoz mérten a rendszer:

• nem avatkozik be (normál telítettség),

• beavatkozik (normál feletti telítettség),

• beavatkozást kér (erősen telített).

A beavatkozás az úgynevezett DPF regenerálás, melynek során a motor a kipufogás üteme közben többlet tüzelőanyagot fecskendez a hengerekbe, mely a dízel-oxidációs katalizátoron oxidálódik hőfejlesztést eredményezve, s így a kipufogógázt „hőn tartja”. A hőn tartott, és így akár 550..600°C-os kipufogógáz segítségével felfűti a szűrőegységet, melyben így elég a korom és kisebb méretű alkotóelemekként távozik a környezetbe. (Egyes konstrukciók esetében egy külön egység közvetlenül a dobot fűti belülről (vö. gázégő), így biztosítva a korom égéséhez szükséges minimum 450°C-ot.)

A DPF regenerálás elvi működése, a műszerfali jelzésekkel és az általános (SPN-FMI) hibakódokkal.

A regenerálásnak három fajtája van:

1. Mobil: nevében a végzete, menetközben történik. Tartós, egyenletes terhelésű (=autópályás) haladás a legideálisabb körülmény ennek a fajtának. A folyamat aktív állapotát általában a műszerfalon a HEST-ikon (lásd lentebb) jelzi. (Amíg ez a lámpa világít, a motort nem szabad leállítani, mert a dobok károsodhatnak.)

2. Állóhelyi: a DPF-fel szerelt motorok esetében a műszerfalon van két extra kapcsoló (láss példát lentebb). Az egyik a regenerálás indítása (az ábrán a felső), a másik a leállítás/letiltása a folyamatnak (az ábrán az alsó). Indítani akkor lehet a gombbal, ha a megfelelő (lásd lentebb „DPF regenerálás” néven) ikonok valamelyike megjelenik (tehát adott szinten van a koromtelítettség, lásd fentebbi működési sémát), és a minimum indítási dobhőmérséklet adott (250°C).

3. Szerviz: a motorhoz tartozó diagnosztikai szoftveren keresztül „kényszerítve” elindítani, ugyancsak állóhelyben. Ilyenkor koromtelítettségtől függetlenül egy előre megadott idejű (általában 60 perces), konstans hőfokon (550°C), emelt alapjáraton (1200 RPM) történő kiégetést végez el a rendszer.

 Milyen rendszerességgel regenerál?
  
Ez nagyban függ a jármű felhasználási módjától. Általános viszont, hogy két érték közül (motor alapjárati üzemóra, megtett távolság) amelyik hamarabb teljesül, akkor kér/elindít egy regenerálást. Az alapjárati üzemóra jellemzően 30..50, míg a megtett kilométer (városi üzem esetén) 500..800. 
Az értékek gyártónként eltérhetnek.
 

A regenerálás leállítása vagy letiltása csak és kizárólag vész- vagy veszélyhelyzetben (pl. éghető anyag közelében indult el a folyamat, vagy szerelőaknán áll a jármű) megengedett és indokolt. Mint az később még szóba kerül, az indokolatlan megszakítása a folyamatnak világszerte az egyik fő visszatérő probléma a koromszűrő rendszereket tekintve.

A modern motorok számára különösen fontos az alacsony hamutartalmú motorolaj. A DPF-ben megrekedő részecskék között ugyanis a hamut meg kell különböztetni, mint – a motorok által előállítható hőfokon – el nem égethető lerakódást. A kenőolajból származó hamu telítettségre a motorgyártók bizonyos üzemóra vagy megtett távolság alapján a szűrő kiszerelését, és speciális kályhában történő kiégetését, majd áteresztőképességének tesztelését írják elő. (A regenerálás a hamutartalmat nem csökkenti!)

Jellemző ajánlások a kiszereléses karbantartást illetően:

A motor „szemetese” és érzékeny pontja

A rendszer rendkívül érzékeny a motor állapotára. Csak egy ok-okozati a példa a sok hasonló közül: ha a befecskendezés (szóráskép) túl távol van a gyártási értékektől, a motor több kormot termel, mely a DPF gyakoribb regenerálását kívánja meg. A gyakoribb regenerálás a motorolaj hígulását okozza, amely az egyes részek (turbótöltő) kenésében okozhatnak problémát, így gyakoribb meghibásodást okozva a motor működésében.

Tele a szemetes

Rendkívül költséges rendszer a DPF – a maga látszólagos egyszerűsége ellenére. Egyes iparági becslések szerint a DPF rendszerek karbantartása a haszonjármű iparban 2020-ra a második legnagyobb költséget fogja jelenteni a gumiabroncs-cserék uralta első hely után [1].

Az általános okok:

1. Különösen kell figyelni a kipufogó-rendszer szivárgásokra. Mivel a szűrő állapotáról egyetlen visszajelzés a nyomáskülönbségen alapul, így ha szivárgás van, az meghamisíthatja a telítettség állapotát. És amikor már igazán nagy baj van, akkor csak a szerviz tud segíteni.

Motorhiba miatt sérült (kirakódások által eltömített) DPF bemeneti oldala. Minél hamarabb szól a járművezető, annál nagyobb az esély a "nem maradandó sérülésre".

2. Ugyancsak ügyelni kell a folyadékok tömítettségére és zárt rendszerben maradására: semmilyen nedvesség (hűtőfolyadék, olaj) nem érheti belülről a DPF-et. Ellenkező esetben súlyosan károsodhat, s cserélni kell.

3. A járművezetők nem megfelelő képzése (és az ebből adódó járműkezelési hiányosságok, hibák), vagy figyelmetlenségük (netán nemtörődömségük) okán is jelentkezhetnek problémák. A regenerálás magas hőfokai (akár 600°C) miatt nem mindegy, hogy éppen hol áll a jármű (szabadban, éghető anyagoktól távol), továbbá nem szabad őrizetlenül hagyni a folyamat alatt. A járművezető leállítja (vagy éppen letiltja) a regenerálást, mert pihenőidejére menne, és nem maradna a járműben. Ez hosszútávon „megfojtja” a motort, és ismét csak a szervizben tudnak segíteni. (Másik, ide köthető eset a különféle műszerfali jelzések [Check Engine, MIL] negligálása.)

4. Elfelejtett külső (kemencés) kiégetés: a járműgyártók ugyan megadják az általuk előírt üzemóra/megtett távolság értéket a DPF kiszerelésére és külső égetésére, azonban sokszor nem veszik figyelembe a motor valós felhasználási körülményeit. Értve itt a teljes átlagsebességet, városi/autópályás felhasználás, etc. Az üzemeltetők pedig sokszor megfeledkeznek arról, hogy a rendszeres sikeresen végbemenő regenerálás önmagában nem elegendő hosszútávon.

5. Amennyiben városi, alacsony átlagsebességű járműről van szó, úgy különösen kell figyelni, hogy rendszeresen megtörténjen a regenerálás (akár a műszerfali kapcsoló elindításával). A gyakori megállások, elindulások, és végállomási motorleállítások következtében ugyanis egyáltalán nem adottak a feltételek a 20-40 perces mobil regenerálás elvégzéséhez (tartós motorterhelést igényel).

Felül a kimeneti oldala (teljesen tiszta), alul pedig ugyanazon DPF bemeneti oldala, ujjnyi vastag koromréteggel. Ilyenkor már csak a külső (kemencés) kiégetés segít.

Ezek tükrében amire különösen érdemes figyelni üzemeltetői oldalról:

• a motorgyártó (vagy ha azonos a járműgyártóval, akkor az) által előírt olajcserékre ügyelni (figyelembe véve a jármű felhasználási módját – városi, városközi, távolsági, valamint az olajminőséget),

• kipufogógáz-szivárgások kerülésére,

• folyadékszivárgások (és azok kipufogógázba történő elegyedésének) elkerülésére,

• a szűrő előírt rendszeres belső (regenerálás) és külső (kemencés) kiégetésének elvégzésére,

• a felhasznált tüzelőanyag alacsony kéntartalmára, és előírt szabvány szerinti minőségére/tisztaságára,

• a nyomáskülönbség szenzor csöveinek rendszeres tisztítására (pontos mérés végett),

• túl gyakori regenerálás esetén az okot a motorban keresni.

A részecskeszűrő előmozdítja a környezetvédelmet, ugyanakkor a legapróbb (mikro) koromrészecskék (melyek szabad szemmel nem láthatók és a magas tüzelőanyag-befecskendezési nyomás miatt képződnek) ugyanúgy a szabadba jutnak. További kérdés, hogy a rengeteg kiegészítő, fenntartáshoz és karbantartáshoz szükséges eszközt + beavatkozást mérlegre téve még mindig „megéri-e” a DPF. Egyértelműen ezt nagyon nehéz mérni, mert a környezetvédelem nem fiskálisan és közvetlenül kifizetődő. Az Euro VII esetén (vélhetően) még ennél is "több kell" majd.

Megjegyzés: az FPT dízelmotorjai (itthon a Credobusokban találhatók meg) esetén egy, EGR nélküli, ún. HI-eSCR technológiával történik a kipufogógáz-utánkezelés, ebben a megoldásban nincs DPF állóhelyi regenerálás. Bővebben (angolul) itt lehet tájékozódni erről a megoldásról.

Dízelmotorokkal kapcsolatosan még:

> > > Paccar - DAF MX-11 dízelmotor felszínes ismertetése < < < (2017. november 23.)

> > > Környezetvédelem a busziparban I. - dízelmotorok fejlődése, emissziós normák < < < (2010. március 24., Omnibusz blog/Zahnrad)

Felhasznált irodalom:

Jeremy Anderson: DPF Maintenance: Avoid the 5 Most Common Mistakes (oktatási anyag, FSX.com, PDF, 8.92 MB)

Korrekció [2019.07.06.]: a DPF regenerálás folyamatát és menetét taglaló bekezdésben további kiegészítő (és fontos) rész, hogy a DOC-n (dízel-oxidációs katalizátor) oxidálódik a többlettüzelőanyag: ezzel növelve a következő szakasz (DPF) hőmérsékletét a kipufogás közben.