Odkiaľ pochádza popolček v DPF?

Hneď na úvod len stručne aký je rozdiel medzi popolčekom a sadzami v DPF. Sadze sa z DPF vypaľujú regeneráciou. Popoplček je nežiaduca časť sadzí, ktorá sa ukladá v DPF, lebo nechceme, aby sa dostala do ovzdušia. Popolček sa dlhodobo ukladá v DPF. Keď je DPF zaplnený popolčekom, musí sa vymeniť, alebo čistiť špeciálnymi metódami. Viac o rozdiele popolčeka a sadzí sme písali v tomto článku.

Odkiaľ pochádza popolček v DPF? Jednoducho povedané hlavným zdrojom popolčeka v DPF je motorový olej. Je to v tom prípade, že všetky komponenty v motore správne fungujú a auto je z väčšej časti prevádzkované na diaľnici.

Ale tak ako to v živote býva, nie je všetko také jasné a jednoduché ako sa zdá. Obrázok 1. ukazuje rôzne vzorky popolčeka odobrané z rôznych DPF filtrov. Už na prvý pohľad je vidno, že vzorky sa od seba líšia. Konkrétne sa jedná o prísady v oleji, ktoré prispievajú k tvorbe popolčeka v DPF. Ostatnými minoritnými zdrojmi popolčeka sú kovové častice motora vzniknuté opotrebením, korózia vo výfukovom potrubí a zdroje z okolitého prostredia.

zdroj-popolceka-usadenom-v-DPF

Obrázok 1. Popolček odobraný z rôznych DPF filtrov jasne ukazuje ich rozdiel v štruktúre aj zložení. 

 

Určenie zdrojov popolčeka hrá kľúčovú úlohu na to, aby bolo možné dohliadať na vlastnosti popolčeka, čo zásadne ovplyvňuje DPF a výkon motoru. Obrázok 1 ukazuje niekoľko rôznych vzoriek popolčeka. Vzorky sa líšia nielen zložením popolčeka, ale zo vzoriek je tiež vidno ako popolček reaguje na prevádzkové zmeny DPF ako je napríklad teplota. Ľavá ampulka v popredí obsahuje hustý spekaný popol, zataiľ čo pravá ampulka obsahuje popolček vo forme sypkého prášku. Na správne čistenie popolčeka je potrebné dobre poznať jeho chemické zloženie a tiež podmienky vo výfukovom prostredí.

Motorové oleje sú jedným z najväčších zdrojov popola v DPF. Konkrétne sa jedná o malé množstvo prísad v oleji, ktoré tvoria najviac popolčeka. Jedná sa o detergenty na báze kovov, ktoré slúžia na zníženie opotrebenia a antioxidanty. Zároveň tieto aditíva sú potrebné na ochranu komponentov v motore a boli vyvinuté ešte pred zavedením DPF. V dôsledku toho, že malá časť oleja sa spáli dochádza aj k spálenie prísad v oleji ktoré sa zachytávajú v DPF. Z tohoto dôvodu boli definované nové normy pre motorové oleje, ktoré sú určené práve pre DPF filtre. Tieto normy určujú maximálnu hodnotu sulfátového popolčeka v oleji.

Motorová nafta môže byť ďalším zdrojom popolčeka v DPF, Dokonca aj veľmi malé stopové množstvá (1 diel na milion ppm) nehorľavého materiálu v palive môže viesť časom vysokému zaneseniu DPF popolčekom. Našťastie v prípade väčšiny prémiových palív s týmto nie je problém. Problém ale môže vzniknúť pri biopalivách, ktoré neprešli inšpekčným,alebo certifikačným procesom a môžu obsahovať stopy sodíka, draslíka ktorý je zdrojom popolčeka v DPF.

Podobne aj niektoré aditíva môžu negatívne vplývať na tvorbu popolčeka v DPF. Dokonca priamo aditíva na podporu regenerácie DPF môžu prispieť k tvorbe popolčeka a to zvlášť vtedy, keď sa používajú na na podporu horenie prvky železa.

Čiastočky kovu a korózie, ktoré pochádzajú z oderu a opotrebovania motoru tvoria v popolčeku usadenom v DPF zvyčajne menej ako 10%. Čiastočky kovu pochádzajú z opotrebovania motorových kovových častíc, ktoré vzniká v priebehu času. Čiastočky hrdze pochádzajú prevažne z výfukového potrubia a tiež sú zachytené v DPF. Častice pochádzajúce z tohto zdroja sú oveľa väčšie ako častice, ktoré vznikajú z motorového oleja.

Environmentálne zdroje môžu tiež prispievať k tvorbe popolčeka v DPF, v závislosti od toho, kde sa motor alebo zariadenie prevádzkujú a v závislosti od toho v akom stave sú ďalšie systémy motoru (ako napríklad vzduchový filter). Prostredia, ako sú bane, vrtné miesta a iné miesta mimo diaľnic s vysokými koncentráciami jemných nehorľavých častíc, môžu viesť k tomu, že niektoré z týchto častíc budú prechádzať motorom a budú sa hromadiť v DPF. Príspevok týchto environmentálnych zdrojov k tvorbe  popolčeka v DPF sa môže zvýšiť nekvalitnou, alebo nepravidelnou údržbou motorových časti ako je napríklad pravidelná údržba vzduchového filtru.


Zloženie popolčeka v DPF

Popol DPF sa primárne skladá z oxidov kovov, sulfátov a fosfátov. Zloženie popolčeka v konkrétnych filtroch častíc závisí od primárnych zdrojov popola a tak isto závisí od teploty, pri ktorej sa popolček ukladá v DPF. Nižšie uvedený zoznam uvádza hlavné zložky popola na základe ich primárnych zdrojov.

Detergentné prísady v olejoch: sírany, fosforečnany alebo oxidy vápenaté alebo horečnaté

Proti oderové a anti-oxidačné prísady v olejoch: Sírany, fosfáty alebo oxidy na báze zinku

Prvky súvisiace s palivom: sodík, draslík

Opotrebenie alebo korózia: železo, meď, cín, hliník, chróm, olovo, striebro

Environmentálne zdroje: kremík, hliník, ostatné

Zdroj popola a jeho elementárne zloženie je dôležite, pretože kompozícia určuje kľúčové vlastnosti popola vrátane teploty tavenia alebo spekania, hustoty a štruktúry kryštálov a veľkosti častíc.

Teplota tavenia alebo spekania definuje spôsob ako sú sadze ovplyvnené vysokou teplotou  v DPF. Hoci priemerné teploty výfukových plynov počas aktívnej regenerácie sú v rozsahu od 550 °C do 650 °C, lokálna teplota vo vnútri DPF môže byť oveľa vyššia a v niektorých prípadoch sa na krátku dobu blíži k 900 °C až 1 000 °C. keď dochádza k spaľovaniu sadzí. Tieto vysoké teploty nie sú štandardné, ale môžu mať výrazný vplyv na zvyškový popol. V dôsledku vysokých teplôt dochádza k spekaniu, taveniu alebo rozkladu popola. Všeobecne sa zlúčeniny na báze zinku rozkladajú a rozpúšťajú (v niektorých prípadoch) pri oveľa nižšej teplote ako zložky popola na báze vápnika alebo horčíka. Aj krátkodobé vysoké teploty v DPF  ovplyvňujú výsledné vlastnosti popola a chemické zloženie, ako aj úroveň, do akej miery je popolček spojený s povrchom filtra.

Kryštálová štruktúra a veľkosť častíc tak isto závisí od zloženia popolčeka. Veľkosť častíc a ich štruktúra ovplyvňuje aglomeráciu, rast a nabalovanie sa popolčeka v DPF kanálikoch. Či sú častice popola sférické, podlhovasté alebo morfológne, to všetko ovplyvňuje vlastnosti výslednej vrstvy popolčeka usadeného v DPF, a tak isto to ovplyvňuje náročnosť jeho odstránenia z DPF. Teplota hrá významnú úlohu v aglomerácii a raste popola a môže mať veľký vplyv na kryštálovú štruktúry výsledného popola.

Hustota jednotlivých zložiek popola (vnútorná hustota) nepriamo ovplyvňuje objemovú hustotu - hustotu nahromadeného popola v DPF. Usadená látka obsahuje pórovitosť, pričom klasickým príkladom je sypký prášok, ktorý charakterizuje popolček v DPF. Hustota popola priamo súvisí s pórovitosťou popola a jeho priepustnosťou prietoku plynu. Hustota usadeného popolčeka tak ovplyvňuje stupeň prietoku výfukových plynov a aj úroveň spätného tlaku v prevádzke. Hustota usadeného popolčeka tiež ovplyvňuje metódy, akými sa bude čistiť DPF filter.

 

Prečo je to dôležité odstraňovanie popolčeka z DPF?

Zdroje popolčeka a jeho výsledné zloženie určujú aké vlastnosti bude mať popolček  usadený v DPF. Množstvo popolčeka v DPF má priamy vplyv na výkon motora a tiež na čistenie filtra častíc. Staršie motory s vysokou spotrebou motorového oleja môžu akumulovať popolček v DPF ovela rýchlejšie ako novšie motory, pri ktorých nie je takmer žiadna spotreba oleja. Dobrá údržba motora a tiež správna prevádzka auta môžu pomôcť znížiť hromadenie popola z rôznych zdrojov v DPF, čím sa predlžuje životnosť filtra.

 

Preložil:  Ing. Tomáš Antol  - tribotechnik a tribodiagnostik

Referencie

  1. Sappok, A., Munnis, S., and Wong, V., “Individual and Synergistic Effects of Lubricant Additive Components on Diesel Particulate Filter Ash Accumulation and Performance,” ASME Technical Paper ICES2012-81237, 2012.
  2. Aravelli, K. and Heibel, A., “Improved Lifetime Pressure Drop Management for Robust Cordierite (RC) Filters with Asymmetric Cell Technology (ACT),” SAE Technical Paper 2007-01-0920, 2007, doi:10.4271/2007-01-0920.
  3. Sappok, A., Kamp, C. and Wong, V., “Sensitivity Analysis of Ash Packing and Distribution in Diesel Particulate Filters to Transient Changes in Exhaust Conditions,” SAE Int. J. Fuels Lubr. 5(2):2012, doi: 10.4271/2012-01-1093.