Részecskeszűrök kialakítása a traktortechnikában

A traktordízelmotor levegőszennyező hatásának mérséklése napjaink kiemelt feladata. Az egyre szigorúbb hatósági előírások betartása érdekében alkalmazásra kerül a kipufogógáz részecske mennyiségének, tömeg tartalmának (PM-nek) jelentős mértékékű csökkentése. A mérséklés leghatékonyabban szűréssel valósítható meg.

Dízel részecske, PM

A dízelmotor kipufogógázban található részecskék szilárd és oldható anyagokból állnak.

A szilárd rész összetevői: korom és amorf szén (C); hamu, salak és kenőolaj adalék; korróziós és kopástermék; levegőszűrés elégtelenségéből bekerülő por (SiO₂). Az oldható rész összetevői: elégetlen szénhidrogének (HC); kenőolaj származékok; szulfát (SO₄) és kötött víz.

A dízelmotor kipufogógázban lévő valamennyi szilárd rész (por, korom, fémkopadék stb.) tömegének jellemzésére összefoglalóan a részecskék (angolul: particulate matter, rövidítve PM) elnevezést használják.

A részecskék szemcse finomságát a következő képen jelölik: pl. PM_2,5 , amely azt jelenti, hogy 2,5 µm-nél kisebb átmérőjű részekből áll a részecske tömege. (Az átlagos emberi hajszál 70 µm átmérőjű!)

A durva részecskék átmérője 10-2,5 µm között van, jelölésük PM₁₀. Finom részecskéknek (PM_2,5) nevezik a 2,5÷0,1 µm közötti, ultra finomnak (PM_0,1) pedig a 0,1 µm-nél kisebb átmérőjű szilárd részeket.

Miért káros a dízel részecske?

Az igen durva por szemcsék csak az emberi szemet és a nyálkahártyát irritálják. A durva részecskék (PM₁₀) jelentős részét is kiszűri szervezetünk, de a tüdőbe jutó részek mélyebben hatolnak be és lassabban távoznak.

A finom részecskék (PM_2,5) már veszélyesek az emberi szervezetre, mert ezek bejutnak a tüdő alsó részeibe. Onnan még eltávoznak többszöri tisztító mechanizmusok során, de csak nagyon lassan.

A „felezési-idejük” az emberi tüdőben öt év, ami azt jelenti, hogy a ma bekerült mennyiség öt év múlva fog a felére csökkenni.

A dízelmotorból kikerülő finom részecskék a porhoz képest sokkal komolyabb kárt okozhatnak, mert a felszínüket általában szerves vegyületek és fémek borítják, amik bekerülnek a légutakba.

A PM_2,5részecskékből a legkisebbek egyenesen a véráramba is kerülhetnek, ez esetben a rajtuk levő szerves, egyes esetekben rákkeltő anyagok is bejuthatnak az egész testben.

Számos tanulmány már jóval a finom részecskék kibocsátásának szabályozása előtt kimutatta, hogy az igazi pusztítást a legkisebb, ultra finom(PM_0,1) részecskék végzik.

Ezek kibocsátását eddig egyetlen egy kormány nem volt hajlandó törvényileg szabályozni.

Az egészséges tüdő a belélegzett ultra finom részecskék kb. felét megtartja és ennek tekintélyes része közvetlenül a véráramba kerül.

Az ultra finom részecskék a véráramban immunreakciót válthatnak ki, például a vér koagulációját (sűrűsödését) okozhatják, ami bizonyos esetekben szívrohamhoz, infarktushoz vezethet.

A mai korszerű dízelmotorok sajnos egyre nagyobb mennyiségű ultra finom részecskéket bocsájt ki.

Dízel részecskeszűrés

A traktorost, a gép közelében dolgozó munkást és a vidéki lakosságot védeni kell a traktormotorból kikerülő dízel részecskékkel szemben.

A motortechnika mai szintjén a dízel részecskeszűrés – angolul „ Diesel Particulate Filter” rövidítve „DPF” – eljárás alkalmazása vált be.

A járműtechnika e területen előbbre jár, már 2010-től minden új dízelmotoros személygépkocsi alap felszereltsége a részecskeszűrő, a DPF.A traktorokba beépített szűrőkkel szembeni követelmény többek között, hogy jó hatásfokkal működjenek (a kipufogógáz szokásos áramlási sebességénél), nyomásesésük kicsi legyen, kellő kiszűrt anyagmennyiséget tároljon (megfelelő nagyságú kapacitással rendelkezzen), megfelelő szilárdsággal és hőmérsékletállósággal bírjon.

A traktortechnikában általában felületi szűrőkivitelt alkalmaznak, ezek jellemzője, hogy a lerakódás a szűrő felületén következik be, a lerakódás vastagságával nő a leválasztási hatásfok, de sajnos a szűrőn létrejövő nyomásesés is.

A berendezések szűrési hatásfoka függ a szűrőbetét méretétől, felépítésétől, a kipufogógáz sebességétől és hőmérsékletétől, a koromterheléstől stb.

A leggyakrabban alkalmazott szűrőbetét anyaga monolit szilíciumkarbid vagy kordierit kerámia (1. ábra).

A monolit katalizátorok felépítéséhez hasonló „falon átszűrő technológia” rendszerek következő képen működnek (2. ábra).

A monolit méhsejt kialakítású kerámia testben a szomszédos csatornák ellenkező végei le vannak zárva, így a kipufogógáz csak a porózus kerámia falon keresztül tud tovább haladni.

A korom és egyéb részecskék ezen a porózus falon tapadnak meg.

A csatornák legtöbbször négyzet keresztmetszetűek, a csatornák száma 15÷50 db/cm².

A részecskeszűrő előtt általában dízeloxidációs katalizátort alkalmaznak, a katalizátor és a részecskeszűrő monolit kerámia testének kialakítását a 2. ábra szemlélteti.

Az autótechnikában terjedőben van és várhatóan a traktortechnika is alkalmazni fogja a fémlemeztekercs szűrőket, melynek működését a 3. ábra szemlélteti.

A 0,04 mm vastagságú hullámosított lemeztekercsek hosszirányban perforálva van.

A hullámosított lemezeket vékony szinterezett, porózus lemez fedi, amelyen a gáz molekulák átjutnak, a részecskék, a korom pedig kiszűrődik rajtuk.

Az ilyen szűrőbetét 1300 ⁰C-ig használható, a monolit kerámiához képest kb. 60%-kal kisebb áramlási ellenállást képvisel és a gázáram többszöri út eltérítése miatt a szűrési finomsága is jobb.

Hátránya a magasabb ára.

Az igen robusztus kivitelű, igen tartós, térfogatához képest kis tömegű és jó szűrési hatásfokkal rendelkező szinterfém szűrőbetét esetében néhány mm vastag szinterfém lemezeket hegesztéssel rögzítenek egymáshoz és a hordozó kerethez.

A szinterfém szűrőbetét felépítését és működését a 4. ábra szemlélteti.

Az üzemeltetés során kiszűrt dízel részecskék lerakódása miatt megnövekszik a DPF áramlási ellenállása, ezzel csökken a dízelmotor teljesítménye és megnő a fogyasztása.

A részecskeszűrőből időről-időre kiszerelés nélkül el kell távolítani a felhalmozódott részecskék jelentős részét, ezt nevezik regenerálásnak.

Mivel a regenerálás jelenleg a koromtartalom elégetésére korlátozódik hosszabb idő után a nem égethető részecskéket is el kell távolítani, ezt a műveletet hívják tisztításnak.

A jövő kihívása

A mezőgazdasági gépeknél, traktoroknál a dízel részecskeszűrő (DPF) elterjedésének kezdetével egyszerre indult meg az AdBlue segédanyagot használó szelektív katalizátoros (SCR) technika alkalmazása.

A jövő igazi kihívása az lesz, amikor a hatósági előírások teljesítése megköveteli a két rendszer együttes alkalmazását, az SCRT-t (5. ábra).