Nowoczesne silniki Diesla muszą spełniać wysokie wymagania emisji spalin i ograniczenia wartości stężenia pyłów. Dlatego coraz większą rolę odgrywają filtry dokładnej filtracji i filtry cząsteczkowe oleju napędowego ze względu na swoją wysoką wydajność separacji sadzy ze spalanego oleju napędowego.

Silniki Diesla w ciągu ostatnich lat przeszły rewolucję. Coraz więcej pojazdów osobowych zasilanych jest olejem napędowym, jednak rozwój nie ominął pojazdów „non-road”, gdzie silniki wysokoprężne poddawane są znacznie szerszemu spektrum zastosowań w ujęciu warunków środowiskowych, profilu obciążeniowego, zachowania na biegu jałowym, warunków pracy oraz różnorodnych paliw. W tych warunkach aktywne procesy regeneracyjne wyraźnie pokazują swoje zalety co do niezależności od temperatur spalin.

Wprowadzona w życie z początkiem 2005 roku Dyrektywa Unii Europejskiej 1999/30/EG znacznie ograniczyła stężenia zanieczyszczeń w powietrzu. Wartość graniczna PM‗10 przy 50μg/m³ może być rocznie przekraczana maksymalnie przez 35 dni. Wynikiem tego jest powstawanie w Europie lokalnych stref środowiskowych, które m.in. ograniczają bezpośrednią emisję użytkowanych silników Diesla.

Skutkiem wprowadzenia w 2011 roku europejskiej regulacji emisji spalin dla „non-road” IIIB oraz północnoamerykańskiej EPA Tier 4 interim będzie obniżenie z czynnika 20 na 0,02-0,03 g/kWh wymogów co do emisji cząsteczek z silników Diesla w aplikacjach „non-road”. Tak surowe przepisy zmuszają producentów do innowacyjności. Jedną z nich jest regeneracja filtrów cząsteczkowych oleju napędowego.

Segment „non-road” zdecydowanie różni się od samochodów ciężarowych i osobowych. System filtracji powietrza przenosi do silnika popiół nieorganiczny, który odkłada się na wkładzie filtracyjnym cząsteczkowego filtra oleju napędowego. W pojazdach osobowych poziom zanieczyszczeń to 0,3 mg/m³, w pojazdach „non-road” jest to średnio 10 razy więcej, a w ekstremalnych sytuacjach może przekraczać 2.000 mg/m3, więc popiół w filtrach cząsteczkowych ON jest nieunikniony.

Przy trwałości silników samochodów osobowych na poziomie 4 tys. Bh, serwis filtrów cząsteczkowych nie odgrywa dużej roli. W silnikach „non-road” trwałość silnika to 10-15 tys. Bh lub więcej w przypadku droższych maszyn. Dlatego sprawa serwisu nabiera specjalnego znaczenia i musi być uwzględniana podczas rozwoju filtrów cząsteczkowych oleju napędowego.

W przypadku samochodów osobowych, ciężarowych i autobusów zdefiniowane są cykle jazdy, cykl „stop and go” oraz niskie przeciętne prędkości w przypadku autobusów. W zastosowaniach „non-road” (maszyny budowlane, rolnicze, wózki widłowe itp.) pracują w zmiennych warunkach przeważnie na biegu jałowym aż do długotrwałego użytkowania.

W pojazdach „on-road” stosuje się wiele otwartych filtrów. Nie mogą one być jednak stosowane w pojazdach „non-road”, dla których obowiązują odpowiednie przepisy jak CARB lub VERT. Wymagające dużego nakładu rozwojowego i kosztowne ustalenia wewnętrznego wtrysku oleju napędowego w aplikacjach „non-road” są w zasadzie niemożliwe do zastosowania. W tych zakresach zastosowań powodzeniem cieszą się własne inteligentne rozwiązania ECU lub komputerowe, które komunikują z elektroniką silnika, ale których regeneracja możliwa jest niezależnie od temperatury spalin.

Proces pomiaru emisji sadzy ze spalanego oleju napędowego znacznie różni się w zależności od zastosowania. O ile wartości emisji w Unii Europejskiej i USA mierzone są grawimetrycznie, o tyle w maszynach, które podlegają regulacjom TRG S554 i wymagają specjalnego dopuszczenia VERT, mierzone są ilością cząsteczek.

W przeciwieństwie do regulacji w zakresie „on-road” rynek systemów retroficznych ze względu na dużą ilość specyficznych wymagań co do zastosowania, aplikacji maszyny, regionalnych zastosowań i na podstawie lokalnych przetargów może znacznie się różnić. Tym samym strategie regeneracji dla uniwersalnie stosownego systemu przetwarzania spalin będą powoływały się na coraz mniej informacji o silnikach, aniżeli ma to miejsce przykładowo dla jednej aplikacji w samochodzie osobowym.

Ważnymi wymogami systemu są:
– 24-godzinna dyspozycja dla aplikacji Diesla
– nieplanowane czasy przestoju
– długie okresy serwisowania

– wysoka wydajność dla spełnienia specyficznych dla „non-road” regulacji( CARB, VERT, EPA…)
– niezależność od zewnętrznych źródeł energii
– niezależność od elektroniki „on-road”
– żadnej zwyżki szkodliwej emisji wtórnej
– mocne systemy odpowiadające wymogom „non-road”

– kompaktowe wzornictwo dla zabudowy w najmniejszej przestrzeni montażowej

Większość cząsteczek emitowanych z silników Diesla w procesie spalania ma wielkość ok. 10 nm. W tym niebezpiecznym dla zdrowia zakresie filtrują zamknięte filtry ceramiczne i metaliczne z wydajnością separacji > 97% . W systemach tych nie filtracja, tylko regeneracja sadzy stanowi szczególne wyzwanie.

W przeciwieństwie do pasywnych systemów, które rozpoczynają swoją niezawodną pracę dopiero w temperaturze spalin >260°C, aktywne systemy wytwarzają wystarczająco dużo energii aby niezależnie od temperatury spalin lub warunków obciążeniowych umożliwić regenerację systemu filtracji.

Ważne cele aktywnej regeneracji:
– elektroniczny, automatyczny start sekwencji regeneracyjnej niezależnie od energii zewnętrznej
– wysoka mobilność w kwestii zastosowań, profili obciążeniowych oraz trwałości
– brak ograniczeń temperatury spalin
– brak wymogów odnośnie oleju napędowego
– ograniczone ryzyko w kwestii zależności funkcji w różnych aplikacjach.

Wadami najbardziej aktywnych procesów regeneracyjnych są:

– wysokie nakłady instalacyjne
– wysokie koszty początkowe inwestycji.

Najbardziej znanymi aktywnymi procesami regeneracyjnymi są katalityczne systemy spalania, pełnoprzepływowe systemy spalania oraz termoelektryczne procesy regeneracji.

Termoelektryczna regeneracja SMF®-AR jest uniwersalnym rozwiązaniem, który nie musi komunikować się z elektroniką silnika lub być ściśle do niego dopasowanym. Aktywna regeneracja jest poprzez ten system niezależna od temperatury spalin.

Im mniej systemy cząstek oleju napędowego zależne są od silników i temperatur spalin, tym wyższe są wymagania co do inteligentnego sterowania i oprzyrządowania komputerowego systemów filtracyjnych. Proste sterowanie poprzez przeciwciśnienie spalin jest niedopuszczalne, ponieważ w tej prostej metodzie pomiarowej nierozpoznawalne są ilości sadzy, popiołu oraz funkcje błędu. Dobra, pewna regeneracja, która z jednej strony charakteryzuje się możliwie ograniczonym obciążeniem termicznym na wkładzie filtracyjnym, a tym samym oferuje dłuższą żywotność, z drugiej – zapewnia podczas regeneracji właściwe spalanie – musi dysponować specyficznym oznacznikiem wypełnienia sadzą wkładu filtracyjnego oraz musi ustawiać się zależnie od pola zastosowania.

Dla wspierania regeneracji system wykorzystuje pewne dodatki, które umożliwiają spalanie po termoelektrycznym zapłonie sadzy przez wkład filtracyjny. W krótkim czasie, kiedy temperatura spalin wynosi powyżej 400°C system reaguje bez jakiegokolwiek wsparcia elektrycznego. Ta inteligentna kombinacja oferuje rozwiązanie, w którym bez podwyższania NO2 i zależności od silników i zastosowań może dokonywać się regeneracja. SMF®-AR jest wyposażony w odpowiednie czujniki, części wykonawcze oraz widełki algorytmów.

Czujnik temperatury spalin służy zintegrowanemu w ECU zbiorowi danych, jako input z jednej strony, z drugiej zaś temperatura jest niezbędna, aby razem z wartościami dmuchomierza ustalić przeciwciśnienie spalin w stosunku do pojemności przepływu, a przez to wykryć złogi sadzy. Dopiero, gdy złogi te na powierzchni filtra wynoszą 20-30 g/m² pojawia się korzystny moment startowy do regeneracji. Elektronika uruchamia grzanie i zapłon zmieszanych z sadzą dodatków na spiekanym, bezmetalowym wkładzie filtracyjnym.

Ilość obrotów jest uwzględniana dodatkowo i samodzielnie wykrywana przez elektronikę dla optymalizacji algorytmu regeneracji, który uwzględnia także typowe zastosowanie konkretnej instalacji. Wysoce skomplikowany program wykrywania błędów zapobiega jałowej pracy, a obsługujący za pomocą wyświetlanych na wyświetlaczu danych jest informowany o stopniu eskalacji błędu, jak i niezbędnym serwisie. Dodatek jest precyzyjnie dodawany do zawartości zbiornika w ustalonej koncentracji. Dla ok. 2.000 litrów oleju napędowego potrzeba 1 litra dodatku, co sprawia że uzupełnianie zbiornika w przerwach serwisowych maszyny nie jest z reguły konieczny.

Aktywne procesy regeneracyjne specjalnie dla „non-road” są atrakcyjnym rozwiązaniem dla współpracujących z silnikami Diesla zastosowań, ponieważ w tym segmencie możliwe są różnorodne zastosowania z tymi samymi silnikami Diesla, których ilość waha się między małą a średnią. Tym samym indywidualny rozwój staje się niemożliwy.

Aktywne systemy są praktycznie niezależne od minimalnej temperatury i umożliwiają niezależność warunków pracy, i zastosowania maszyny.

Źródło: MANN+HUMMEL