EKO DPF - puhdista hiukkassuodattimet jo tänään! Soita: +358 10 341 0205

Jälkikäsittelyjärjestelmät yleisesti

Pakokaasujen jälkikäsittelyjärjestelmät jakaantuvat useaan eri tyyppiin. Pääasiassa nykypäivän dieselmoottoreiden (yleistymässä entistä enemmän myös bensamoottoreissa) kanssa käytetään usean eri suodatintyypin yhdistelmää, jotka voivat koostua seuraavista suodatinkomponenteista: DOC (Diesel Oxidation Catalyst, hapettava katalysaattori), DPF (Diesel Particular Filter, hiukkassuodatin), SCR (Selective Catalytic Reduction, typenoksideja pelkistävä katalysaattori), sekä ASC (Ammonia Slip Catalyst, ammoniakkijäämiä poistava katalysaattori). Lisäksi typenoksidipäästöjä voidaan vähentää EGR-venttiilillä (Exhaust Gas Recirculation). Näillä kaikilla on omat tehtävänsä pakokaasujärjestelmän osana. Yhdessä nämä järjestelmät pyrkivät eliminoimaan ilmastolle ja ihmisten terveydelle haitallisia kaasu- ja hiukkaspäästöjä, joihin lukeutuvat mm. Hiilimonoksidi (CO), Hiilivedyt (HC), Typen oksidit (NOx) ja hiukkaspäästöt (PM). Seuraavana käymme läpi yksittäin eri järjestelmän osien rakennetta ja toimintaperiaatteita.

DOC, DPF, SCR, ASC, EGR, CO, HC, NOx, PM

DOC – hapettava katalysaattori

Katalysaattori on yksi yleisimmistä suodattimista. Se löytyykin nykypäivänä lähes kaikista ajoneuvoista, oli sitten kyseessä diesel- tai bensiinimoottori. Hapettavaa katalysaattoria käytetään nimensä mukaisesti hapettamaan moottorissa syntyviä myrkyllisiä kaasuja vaarattomampaan muotoon. Näihin kuuluvat esimerkiksi typpimonoksidi (NO), hiilimonoksidi (CO), sekä hiilivety (HC), joita katalysaattori hapettaa typpidioksidiksi (NO2), hiilidioksidiksi (CO2) ja vesihöyryksi (H2O). Hapettavaa katalysaattoria käytetään dieselmoottoreissa usein avustavana komponenttina muiden päästöjä vähentävien järjestelmien kanssa, sillä sen typpimonoksidista hapettama typpidioksidi edistää SCR-järjestelmän toimintaa ja DPF-suodatinten passiivista regenerointia (lisää kohdassa DPF – hiukkassuodatin) (W. Addy Majewski, 7.8.2018a).

Katalysaattori tarvitsee korkeita lämpötiloja (jopa yli 400C) toimiakseen tehokkaasti. Tästä syystä se on usein sijoitettu pakoputkessa mahdollisimman lähelle moottoria. Katalysaattorin rakenne on usein läpivirtaava keraaminen kenno tai joissakin korkeiden lämpötilojen kestoa vaativissa olosuhteissa metalliverkkoa. Kennoston sisäpinta on karheaa suuren pinta-alan saavuttamiseksi. Se on päällystetty hapettimena toimivalla jalometallilla (usein esim. platinaa, palladiumia tai rodiumia), jonka tehtävä on toimia yhdessä pakokaasussa olevan vapaan hapen kanssa myrkyllisten yhdisteiden hapettamiseksi (Wikipedia, 7.8.2018). Hapettava katalysaattori ei kuitenkaan läpivirtaavan rakenteensa takia kykene poistamaan pakokaasuista muita hiukkasia kuten nokea, joten yleensä dieselmoottoreissa sen rinnalla käytetään myös muun tyyppisiä suodattimia.

DOC katalysaattori ja DPF suodatin

DPF – hiukkassuodatin

Hiukkassuodatin on dieselmoottoreissa viime vuosina yleistynyt suodatin, jonka päätarkoituksena on vähentää moottorissa syntyvien nokihiukkasten pääsyä ilmaan (etenkin vanhoille dieselautoille tunnusomaista mustaa savua). Nykyaikaisilla hiukkassuodattimilla päästään jopa yli 90% suodatus tehokkuuteen. Hiukkassuodatin tarvitsee kuitenkin usein rinnalleen perinteisen katalysaattorin (DOC), sillä rakenteensa takia ne eivät usein kykene suodattamaan kaasumaisia päästöjä riittävän tehokkaasti (W. Addy Majewski, 7.8.2018b).

Hiukkassuodattimet ovat rakenteeltaan yleensä keraamisia kennoja kuten katalysaattoreissa, mutta sen kanavat ovat vastakkaisista päistä tulpatut. Tämä pakottaa pakokaasut kulkemaan huokoisten kennoston seinämien läpi, jolloin suuremmat partikkelipäästöt jäävät suodattimen sisään. Suodatinkennoja valmistetaan yleisimpien, erilaisten keraamisten materiaalien lisäksi esimerkiksi metalliverkosta ja paperista (Wikipedia, 26.7.2018).

Koska pakokaasun nokihiukkaset omaavat usein pienen tiheyden, ne kasantuvat suodattimen rakenteisiin nopeasti. Tämä aiheuttaa suodattimen tuottaman vastapaineen nousun ja haittaa suodattimen ja moottorin toimintaa. Tämän takia suodatin täytyy ajoittain puhdistaa eli regeneroida. Regenerointi voi tapahtua ajoneuvon moottorinohjausjärjestelmän toimesta joko jatkuvana toimintana (passiivinen regenerointi) tai ajoittaisesti tehtynä (aktiivinen tai pakotettu regenerointi). Regeneroinnissa suodattimeen kertynyt noki muutetaan korkean lämpötilan ja hapen (O2) ja/tai typpidioksidin (NO2) vaikutuksesta hiilidioksidiksi (CO2), jolloin se pääsee poistumaan suodattimesta (W. Addy Majewski, 7.8.2018b). Regenerointi jättää kuitenkin jälkeensä tuhkaa, jota ajoneuvo ei pysty itsestään poistamaan. Suodattimen tukkeutuessa tuhkasta se täytyy joko vaihtaa tai puhdistaa.

DPF suodattimen rakenteen havainnollistaminen

SCR – valikoiva pelkistys

SCR-järjestelmät ovat kehitetty uusien EURO-päästöluokitusten (EURO 4, 5 ja 6) tiukkojen typpioksidien (NOx) päästötavoitteiden saavuttamiseksi. SCR-järjestelmän tarkoituksena on pelkistää typpioksideista typpeä (N2) ja vettä (H2O) yleensä katalyytin ja ammoniakkiliuoksen (AdBlue) avulla (W. Addy Majewski, 7.8.2018c).

SCR-järjestelmän toimintaperiaate perustuu kemialliseen reaktioon, jonka edellytyksenä ovat katalyytti ja pelkistin. Katalyyttinä suodattimessa käytetään yleensä metallien oksideja (esim. vanadiini, volframi), zeoliitteja tai jalometalleja (Wikipedia, 26.6.2018). Pelkistimenä käytetään yleensä ammoniakkia sisältäviä liuoksia, joista yleisimmässä käytössä on ureavesiliuos (markkinoilla nimellä AdBlue). Suodatin on yleensä kennomaisella rakenteella, joka on pinnoitettu sisältä katalyyttisellä pinnoitteella. Urealiuosta ruiskutetaan erillisen ruiskutusjärjestelmän avulla pakokaasuvirtaukseen ennen suodatinta. Pakokaasun lämpötilan ansiosta urea hajoaa ammoniakiksi ja yhdessä suodattimen katalyyttisen pinnoitteen avulla pelkistää typpioksideja (NOx) typeksi (N) ja vedeksi (H2O). Toimiakseen oikein järjestelmän täytyy olla erittäin tarkasti säädelty etenkin lisäaineruiskutuksen määrän ja -tavan osalta, jotta reaktio saadaan tapahtumaan mahdollisimman tehokkaasti.

AdBlue on tuotemerkki ISO- ja DIN-standardisoidulle ureavesiliuokselle, jota käytetään lisäaineena useimmissa SCR-järjestelmissä. AdBlue-lisäainetta täytetään erilliseen tankkiin autossa, josta ajoneuvon oma lisäaineen ruiskutusjärjestelmä jakaa ainetta pakokaasuvirtaan ennen SCR-suodatinta (Neste Oyj, 7.8.2018).

Denoxtronic DOC & DPF & SCR järjestelmäkaavio

ASC – ylijäämäammoniakin poisto

ASC-suodatin on viimeinen osa pakokaasujen käsittelyä. SCR-järjestelmään ruiskutettavan urealiuoksen tuottama ammoniakki on erittäin haitallista luonnolle. Kuitenkin jotta typenoksidipäästöt (NOx) saadaan pelkistettyä mahdollisimman tehokkaasti, tulee ammoniakkia olla pakokaasuvirtauksessa mieluummin hieman ylimääräistä. Jotta tämä ylimääräinen ammoniakki ei päädy luontoon, täytyy se muuttaa haitattomammiksi aineiksi ASC:n avulla. ASC-suodattimessa ylijäävä ammoniakki (NH3) yhdistyy pakokaasuvirtauksessa olevaan happeen (O2) muodostaen typpeä (N2) ja vesihöyryä (H2O) (Hannes Kannisto, 7.8.2018).

Kuorma-auton pakokaasujen urea ruiskutuksen säiliö

EGR – pakokaasujen takaisinkierrätys

EGR-venttiilejä käytetään sekä bensiini, että dieselmoottoreissa. Se nimensä mukaisesti kierrättää osan pakokaasuista erillisen läppäventtiilin kautta takaisin moottorin imusarjaan. Pakokaasu sekoittuu imusarjassa pienentäen sen happipitoisuutta, jolloin palamislämpötila pienenee. Tämä vaikuttaa typenoksidipäästöihin (NOx) merkittävästi, sillä ne syntyvät erityisesti sylinterissä korkeassa lämpötilassa ja paineessa. Bensiinimoottoreissa tyypillinen takaisinkierrätetyn pakokaasun määrä on 5-15% sylinteritäytöksestä (Wikipedia, 20.6.2018). Yleisimpänä ongelmana EGR-järjestelmän käytössä on imusarjan karstoittuminen, suuri osa autoista kuitenkin tarvitsee EGR-järjestelmää päästötavoitteiden saavuttamiseksi.

Pakokaasun takaisinkierrätysventtiili (EGR)