Post-tratamentul noxelor

Noțiuni de bază privind contrucția, funcționarea și post-tratamentul gazelor de eșapament

Post-tratamentul gazelor de eșapament se referă la procesele de epurare mecanică, catalitică sau chimică a gazelor de eșapament după ce acestea au părăsit camera de ardere.
Post-tratamentul se realizează pentru a transforma poluanții produși în timpul combustiei în gaze de eșapament inofensive. Componentele de post-tratare a gazelor de eșapament includ convertizoarele catalitice și filtrele de particule. În prezent, ambele componente pot fi instalate atât pe un motor pe benzină cu injecție directă, cât și pe un motor diesel.
Următoarele sisteme, de exemplu, pot fi instalate în sistemul de evacuare pentru a reduce poluanții:
Motoare pe benzină
● Convertizor catalitic cu trei căi
● Absorbant NOx (motoare cu ardere slabă)
● Filtru de particule Otto (motoare cu injecție directă)
Motoare diesel
● Convertizor catalitic de oxidare
● Filtru de particule
● Absorbant NOx
● Convertizor catalitic SCR

Convertizorul catalitic

Convertizorul catalitic utilizat de obicei în prezent la motoarele pe benzină convenționale este convertizorul catalitic controlat cu trei căi.
Sarcina convertizorului catalitic este de a transforma poluanții proveniți din procesul de ardere a combustibilului în gaze de eșapament netoxice prin intermediul unei reacții chimice. Împreună cu unitatea de control a motorului și cu senzorul lambda, amestecul aer/combustibil este reglat cu precizie, astfel încât catalizatorul să poată reduce poluanții. Intervalul optim de temperatură de lucru al convertoarelor catalitice este cuprins între 400-800°C

Construcția

Convertizorul catalitic este format dintr-un corp ceramic sau metalic în formă de fagure cu câteva mii de canale. Pe canale se aplică un strat intermediar (strat de spălare) din oxid de aluminiu, care mărește suprafața de aproximativ 7000 de ori. În plus, pe stratul intermediar se depune în stare de vapori un strat catalitic cu metale prețioase precum rodiu, paladiu și platină. În carcasa din oțel inoxidabil, convertizorul catalitic este fixat prin intermediul unui covor de izolație, care compensează în același timp expansiunile termice.

Modul de funcționare

Gazele de eșapament nocive de la motor sunt direcționate către convertizorul catalitic prin intermediul colectorului de eșapament și trec prin canalele suportului ceramic sau metalic. Când gazele de eșapament intră în contact cu stratul catalitic, se declanșează o reacție chimică.

Monoxidul de carbon și hidrocarburile sunt oxidate în dioxid de carbon pe metalele prețioase platină și paladiu, iar oxizii de azot sunt reduși în azot (N2) pe rodiu. Termenul de convertor catalitic cu trei căi înseamnă că trei transformări chimice au loc simultan, una lângă alta, de îndată ce este atinsă temperatura de funcționare. Astfel, monoxidul de carbon (CO), hidrocarburile (HC) și oxizii de azot (NOx) sunt transformați în azot (N2), dioxid de carbon (CO2) și apă (H2O).

Funcționarea convertizorului catalitic este monitorizată de o a doua sondă lambda, denumită și senzor de oxigen, aflată în spatele convertizorului catalitic. Acest senzor de oxigen măsoară conținutul de oxigen din fluxul de gaze de eșapament și transmite valoarea măsurată către unitatea de control. Unitatea de control compară valorile senzorilor din amonte (pre) și din aval (post) ai convertizorului catalitic pentru a evalua funcționarea convertizorului. Dacă ambele valori sunt aproape identic de mari, se poate concluziona că convertizorul catalitic are o capacitate scăzută de stocare a oxigenului, ceea ce înseamnă că acesta este defect.

Filtrul de particule diesel

Filtrele de particule sunt instalate în sistemul de evacuare al motoarelor diesel pentru a reduce emisiile de funingine. Filtrul de particule diesel (DPF) stochează particulele solide care nu pot fi arse complet în motor. Aceste nanoparticule, de dimensiuni reduse, sunt foarte dăunătoare pentru oameni și pentru mediu.

Interiorul filtrului de particule de funingine este format dintr-un filtru ceramic cu multe canale mici. Canalele cu pereți poroși sunt închise alternativ și sunt împărțite în canale de intrare și de ieșire. Gazele de eșapament curg prin pereții filtrului, prin care particulele de funingine se depun pe pereții filtrului. Pereții poroși produc un bun efect de filtrare și un grad ridicat de separare. Numărul tot mai mare de particule de funingine acumulate crește contrapresiunea în sistemul de evacuare. Gradul de încărcare sau rezistența la curgere a filtrului de particule este monitorizat de unitatea de comandă a motorului. Un senzor de presiune diferențială înregistrează datele din amonte și din aval de filtrul de particule și transmite aceste informații unității de control al motorului. În cazul în care diferența de presiune depășește o anumită valoare, unitatea de control inițiază regenerarea pentru a arde particulele.

Pentru ca particulele de funingine să fie arse, temperatura gazelor de eșapament în filtrul de particule trebuie să fie ridicată la 600-650°C. În acest scop, sistemul de control al motorului efectuează o injecție suplimentară de combustibil sau o post-injecție în timpul regenerării active, ceea ce crește temperatura gazelor de evacuare.
În funcție de vehicul și de sistem, regenerarea poate fi efectuată la fiecare 400-700 km.
Pentru a evita intervale de temperatură de peste 700°C, temperatura este monitorizată de un senzor de temperatură a gazelor de evacuare chiar în amonte de filtrul de particule.
Cenușa produsă în timpul regenerării nu este îndepărtată complet de fluxul de gaze de eșapament, astfel încât se acumulează în filtru. Acest lucru poate duce la înfundarea filtrului și la necesitatea de a fi curățat sau înlocuit. Acest lucru conduce la faptul că filtrul are intervale de înlocuire, de exemplu, la fiecare 120.000 km.

Regenerarea

În funcție de producătorul vehiculului și de sistem, se pot efectua diferite proceduri de regenerare a filtrului de particule.
Regenerarea pasivă
Regenerarea pasivă are loc de îndată ce temperaturile gazelor de eșapament din filtrul de particule ating o valoare de 350 – 500°C în timpul călătoriilor pe autostradă la viteze ridicate.
Regenerarea activă
Regenerarea activă este efectuată de sistemul de gestionare a motorului. Atunci când se atinge limita de sarcină a filtrului de particule, temperatura gazelor de eșapament este ridicată în mod specific la 600-650°C prin intermediul unității de control al motorului pentru a arde particulele de funingine.
Regenerarea forțată
Acest tip de regenerare poate fi efectuat de un atelier cu ajutorul unui dispozitiv de diagnosticare, în conformitate cu instrucțiunile specificate.

Filtrul de particule combinat

Un filtru de particule de funingine și un convertizor catalitic de oxidare pot fi instalate într-o singură carcasă ca filtru de particule diesel cu acoperire catalitică.

În această combinație, convertizorul catalitic este instalat înaintea filtrului de particule de funingine. Aceasta combină funcția unui convertizor catalitic de oxidare diesel și a unui filtru de particule diesel într-o singură componentă. Ca urmare, hidrocarburile (HC) și monoxidul de carbon (CO) pot fi transformate în apă (H₂O) și dioxid de carbon (CO₂), iar particulele de funingine pot fi filtrate din gazele de eșapament. O altă sarcină a catalizatorului de oxidare este de a modifica raportul dintre azot (NO) și dioxid de azot (NO₂) pentru a permite regenerarea pasivă a filtrului DPF și pentru a crește performanța catalizatorului SCR.

Pe măsură ce gazele de eșapament trec prin convertizorul catalitic, procesele chimice cresc temperatura acestora. Căldura este transferată către filtrul de particule de funingine odată cu fluxul de gaze de evacuare. Acest lucru înseamnă că convertizorul catalitic contribuie la încălzirea filtrului de particule de funingine.

Absorbantul de Nox

Absorbantul de NOx este utilizat la motoarele diesel și la motoarele pe benzină cu injecție directă. Convertizorul catalitic are un strat catalitic format din substanțe precum oxidul de potasiu sau oxidul de bariu, care leagă moleculele de oxid de azot. Imediat ce absorbantul a atins o anumită capacitate de absorbție, sistemul de control al motorului unge amestecul aer-combustibil, crescând temperatura gazelor de eșapament. Compoziția schimbată a gazelor de eșapament conduce la regenerare, în urma căreia oxizii de azot (NOx) sunt reduși la azot (N₂) și apă (H₂O).

Convertizorul catalitic SCR

Reducerea catalitică selectivă (SCR) este una dintre cele mai recente și mai avansate evoluții în domeniul reducerii gazelor de eșapament pentru autovehicule. Această tehnologie este utilizată din 2014 și îndeplinește standardele de emisii EURO 6.
Prin adăugarea de carbamidă (AdBlue) în fluxul de gaze de eșapament, oxizii de azot (NOx) sunt transformați în azot (N₂), vapori de apă (H₂O) și o cantitate mică de CO₂ în absorbantul de NOx prin reacție catalitică selectivă. Un absorbant de NOx este conceput ca un convertor catalitic de oxidare.

Convertizorul catalitic SCR

Reducerea catalitică selectivă (SCR) este una dintre cele mai recente și mai avansate evoluții în domeniul reducerii gazelor de eșapament pentru autovehicule. Această tehnologie este utilizată din 2014 și îndeplinește standardele de emisii EURO 6.

Prin adăugarea de carbamidă (AdBlue) în fluxul de gaze de eșapament, oxizii de azot (NOx) sunt transformați în azot (N2), vapori de apă (H2O) și o cantitate mică de CO2 în absorbantul de NOx prin reacție catalitică selectivă. Un absorbant de NOx este conceput ca un convertor catalitic de oxidare.

Senzorii sistemului

Sistemele moderne de post-tratare a gazelor de eșapament nu constau doar din componentele sistemului de evacuare, ci necesită, de asemenea, diverși senzori care să monitorizeze compoziția gazelor de eșapament și să transmită informațiile acestora către unitatea de control a motorului.

Senzorul lambda
Senzorul lambda determină conținutul rezidual de oxigen din gazele de eșapament și furnizează un semnal electric unității de comandă a motorului pentru a regla compoziția amestecului.
Combustia optimă este necesară pentru a asigura o rată de conversie ideală pentru convertizoarele catalitice. La motoarele pe benzină, acest lucru se obține cu un raport aer-combustibil de 14,7 kg de aer la 1 kg de combustibil (amestec stoichiometric).

Acest raport optim este desemnat prin litera greacă λ (lambda).
Lambda este utilizată pentru a exprima raportul dintre necesarul teoretic de aer și volumul real de aer furnizat:
λ = volum de aer furnizat: volum de aer teoretic = 14,7 kg : 14,7 kg = 1

Senzorul de temperatură a gazelor de eșapament
În modelele moderne de vehicule, senzorii de temperatură a gazelor de eșapament sunt instalați în diferite puncte ale sistemului de gaze de eșapament, atât la vehiculele diesel, cât și la cele pe benzină.

Senzorul de temperatură a gazelor de eșapament detectează temperatura, de exemplu, în amonte de convertizorul catalitic sau de filtrul de particule diesel, și trimite acest lucru sub forma unui semnal de tensiune către unitatea de control a motorului.
Unitatea de control a motorului are nevoie de aceste informații pentru a controla raportul aer-combustibil sau regenerarea filtrului de particule și, astfel, pentru a reduce eficient emisiile. În plus, senzorii de temperatură ridicată ajută la protejarea componentelor din zona fluxului de gaze de eșapament fierbinți împotriva supraîncălzirii critice.

Senzorul de presiune diferențială
Senzorul de presiune a gazelor de eșapament – denumit și senzor de presiune diferențială – este necesar pe motoarele diesel pentru a monitoriza sistemul de filtrare a particulelor.

Acumulările tot mai mari de funingine și cenușă modifică presiunea diferențială din filtrul de particule. Senzorul de presiune diferențială măsoară diferența de presiune dintre gazele de eșapament de pe partea de intrare și de ieșire a filtrului de particule. Această valoare măsurată este solicitată de sistemul electronic de control al motorului ca informație suplimentară pentru a calcula timpul de regenerare, sau de purjare, a filtrului de particule. Prin urmare, acest senzor este un alt element al sistemelor de reglare a emisiilor poluante pentru motoarele diesel bazate pe reglementările europene privind emisiile.

Diagnosticarea sistemului de evacuare a noxelor

Înainte de a începe diagnosticarea unității de control pe vehicul, trebuie să se efectueze mai întâi o inspecție vizuală a întregului sistem de evacuare. Deteriorările externe pot fi detectate, de obicei, atunci când se modifică comportamentul acustic și pot fi cauzate de fisuri sau rugină la nivelul țevilor, al racordurilor sau al amortizoarelor.
Zgomotele care provin din interiorul componentelor sistemului pot fi localizate prin scuturarea sau lovirea componentei respective. Bineînțeles, în cadrul acestei verificări trebuie verificate și conexiunile cu șuruburi etanșe, plăcile radiatorului și suporturile de cauciuc. Nu trebuie uitați nici senzorii de gaze de eșapament. Aceștia pot fi montați pe întregul parcurs al sistemului. Este posibil ca aici să fi fost deteriorate cablurile sau conexiunile fișelor electrice din cauza influențelor mediului, cum ar fi murdăria, apa sau sarea de pe șosea.

Diagnosticarea unității de control

Verificarea funcționării poate fi efectuată numai la sistemul de injecție sau la sistemul de post-tratare a gazelor de eșapament cu un dispozitiv de diagnosticare adecvat.
Funcționarea componentelor individuale de posttratare a gazelor de eșapament este monitorizată prin intermediul unor senzori și transmisă unității de control a sistemului de nivel superior relevante.
Eventualele erori apărute sunt stocate în memoria de erori a unității de comandă a motorului și pot fi citite cu ajutorul unei unități de diagnosticare adecvate. În funcție de vehicul și de sistem, pot fi selectate și afișate sau executate pe dispozitivul de diagnosticare funcții suplimentare, cum ar fi testele parametrilor sau ale actuatorilor.
Datele provenite din comunicarea cu unitatea de control constituie baza pentru depistarea efectivă a defecțiunilor și pentru efectuarea cu succes a lucrărilor de reparații. În plus, valorile gazelor de eșapament pot fi verificate și evaluate cu ajutorul unei măsurători la țeava de eșapament.

În continuare vom lua ca exemple un Mercedes-Benz E350 24V CDI (212) și un Volkswagen Golf 5 Plus.

Citirea memoriei de erori a sistemului de control al motorului
În cadrul acestei funcții, codurile de eroare stocate în memoria de erori pot fi citite și șterse. În plus, pot fi apelate informații despre codul de eroare.
În studiul nostru de caz, a fost detectat un senzor NOx defect și, ca urmare, codul de eroare P220317 a fost stocat în memoria de erori.

P220317 / Senzor NOx 1 Banc 1
Scurtcircuit la pozitiv / limită de tensiune depășită

Citirea parametrilor
În această funcție, pot fi selectate și afișate valorile măsurate curente, cum ar fi turația motorului, temperatura sau starea componentelor individuale ale gazelor de eșapament. (Vezi figura de mai jos)
Convertizor catalitic SCR / senzori NOx

Comparare a testului de funcționare la convertizorul catalitic / senzorii lambda
Starea de încărcare a filtrului de particule / senzor de presiune diferențială

Informații de sistem
Informațiile specifice sistemului pot fi preluate din informațiile despre vehicul și pot fi utilizate pentru depanare.

Aici, de exemplu, o prezentare generală a sistemului de post-tratare a gazelor de eșapament poate fi utilizată pentru continuarea depanării.

Măsurarea noxelor la țeava de eșapament
Prin măsurarea gazelor de eșapament, gazele de eșapament care se scurg pot fi înregistrate și evaluate direct la sistemul de evacuare . Defectele din sistemul de evacuare sau din sistemul de post-tratare a gazelor de evacuare sunt detectate și pot fi încorporate în depistarea ulterioară a defecțiunilor.

Sursa: HELLA