ตัวเร่งปฏิกิริยาตัวกรองอนุภาคน้ำมันเบนซิน (GPF)

หลักการทำงานของ GPF: การกรองและการสร้างใหม่
หลักการทำงานพื้นฐานของตัวกรองอนุภาคน้ำมันเบนซิน (GPF) มีความคล้ายคลึงอย่างมากกับหลักการทำงานของตัวกรองอนุภาคดีเซล (DPF) ซึ่งทั้งสองอย่างเกี่ยวข้องกับกระบวนการกรองทางกายภาพและการสร้างใหม่
1. กลไกการกรอง
GPF ใช้พื้นผิวเซรามิกแบบรังผึ้งที่มีช่องปลั๊กสลับกัน เพื่อบังคับให้ก๊าซไอเสียไหลผ่านผนังที่มีรูพรุน ฝุ่นละอองจะถูกดักจับทั้งภายในหรือบนพื้นผิวของผนังเหล่านี้ผ่านกลไกต่างๆ เช่น การแพร่กระจาย การสกัดกั้น และการกระแทกแบบเฉื่อย ประสิทธิภาพการกรองสูงมาก โดยประสิทธิภาพการกรองจำนวนอนุภาคเกิน 90%
2. กลไกการฟื้นฟู
การสร้างใหม่ก็เป็นสิ่งจำเป็นเช่นกันสำหรับการดำเนินงานต่อเนื่องของกบข. โชคดีที่สภาพการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินเอื้อต่อการฟื้นฟู GPF โดยธรรมชาติ
ข้อได้เปรียบหลัก: อุณหภูมิสูงและสภาพแวดล้อมทางเคมี
โดยทั่วไปเครื่องยนต์เบนซินจะทำงานใกล้กับตัวเร่งปฏิกิริยาสามทาง ซึ่งอุณหภูมิไอเสียจะสูงขึ้นและภาระของเครื่องยนต์มีความผันผวนอย่างมาก ทำให้เข้าถึงอุณหภูมิการฟื้นตัวได้ง่ายขึ้น สิ่งสำคัญที่สุดคือ เครื่องยนต์เบนซินทำงานใกล้เคียงกับอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงปริมาณสัมพันธ์ ซึ่งหมายความว่าทั้งก๊าซรีดิวซ์ (CO, HC, H₂) และก๊าซออกซิไดซ์ (O₂, NOx) อยู่ร่วมกันในไอเสีย

ประเภทและแผนการบูรณาการของตัวเร่งปฏิกิริยา GPF
ตัวเร่งปฏิกิริยา GPF ไม่ใช่วัสดุใหม่ทั้งหมด แต่ถูกรวมเข้ากับตัวเร่งปฏิกิริยาแบบสามทางที่มีอยู่อย่างใกล้ชิด มีแผนบูรณาการหลักๆ อยู่ 3 ประการ:
1. เคลือบ GPF
นี่เป็นโซลูชันกระแสหลักและคลาสสิกที่สุดในปัจจุบัน
โครงสร้าง: ภายในผนังที่มีรูพรุนของซับสเตรต GPF จะมีการเคลือบตัวเร่งปฏิกิริยาสามทาง (TWC) องค์ประกอบของการเคลือบจะเหมือนกันกับองค์ประกอบของ TWC ทั่วไป: แพลตตินัม (Pt), โรเดียม (Rh) และแพลเลเดียม (Pd) ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบที่ออกฤทธิ์ ในขณะที่อลูมินา (Al₂O₃), ซีเรีย (CeO₂) และเซอร์โคเนีย (ZrO₂) ถูกใช้เป็นวัสดุเคลือบ
หลักการทำงาน:
(1) การทำให้ก๊าซบริสุทธิ์: ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา "สี่ทาง" ขนาดเล็ก เพื่อทำให้ CO, HC และ NOx บริสุทธิ์ต่อไปในขณะที่ไอเสียไหลผ่านผนัง
(2) การส่งเสริมการฟื้นฟู:
การสร้างใหม่แบบแอคทีฟ: เมื่อจำเป็นต้องมีการสร้างใหม่ ECU ของเครื่องยนต์จะเสริมส่วนผสมของอากาศและเชื้อเพลิงในช่วงสั้นๆ ทำให้เกิดไอเสียที่อุดมด้วย CO และ HC ก๊าซเหล่านี้จะถูกออกซิไดซ์บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา GPF โดยปล่อยความร้อนจำนวนมากซึ่งทำให้อุณหภูมิภายในของ GPF สูงขึ้นสูงกว่า 600°C อย่างรวดเร็วเพื่อเผาผลาญเขม่าที่สะสมอยู่
การสร้างใหม่แบบพาสซีฟ: ภายใต้การทำงานปริมาณสัมพันธ์ปกติ NO₂ และ O₂ ในไอเสียยังสามารถออกซิไดซ์ส่วนหนึ่งของเขม่าที่ติดอยู่ได้อย่างต่อเนื่องโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา
2. GPF ที่ไม่เคลือบผิว
โครงสร้าง: พื้นผิว GPF ไม่มีการเคลือบตัวเร่งปฏิกิริยาและทำหน้าที่เป็นตัวกรองอนุภาคล้วนๆ
การกำหนดค่า: โดยทั่วไปแล้ว GPF ประเภทนี้จะถูกติดตั้งเป็นส่วนประกอบแยกต่างหากดาวน์สตรีมของตัวเร่งปฏิกิริยาสามทางแบบธรรมดา
หลักการทำงาน: Gaseous pollutants are treated by the upstream TWC, while the GPF focuses solely on trapping particulate matter. Regeneration depends on the high exhaust temperature generated by the TWC or on active engine control strategies to raise the exhaust temperature.
การใช้งาน: มีต้นทุนที่ต่ำกว่าแต่มีประสิทธิภาพการฟื้นฟูและประสิทธิภาพการทำให้ก๊าซบริสุทธิ์ค่อนข้างต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบแบบเคลือบ
3. เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยาสี่ทาง
นี่เป็นแนวคิดที่มีการบูรณาการอย่างมากซึ่งรวมฟังก์ชันของ TWC และ GPF ไว้ในหน่วยเดียว
โครงสร้าง: วางซับสเตรต GPF ในตำแหน่งโคลสคัปเปิลและเคลือบด้วยวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาสามทางที่มีการโหลดสูง
วัตถุประสงค์: เพื่อให้บรรลุการทำให้ CO, HC, NOx และอนุภาคบริสุทธิ์ไปพร้อมๆ กันภายในส่วนประกอบเดียว
ความท้าทาย: การกำหนดค่านี้กำหนดข้อกำหนดที่สูงมากเกี่ยวกับความเสถียรทางความร้อนของตัวเร่งปฏิกิริยาและประสิทธิภาพการปิดไฟ ส่งผลให้เกิดความซับซ้อนทางเทคนิคมากขึ้นและต้นทุนที่สูงขึ้น

ปฏิกิริยาเคมีที่สำคัญของตัวเร่งปฏิกิริยา GPF
สำหรับระบบเคลือบ GPF ปฏิกิริยาเคมีสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภทหลักๆ คือ
1. ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาสามทางมาตรฐาน (ภายใต้เงื่อนไขปริมาณสัมพันธ์):
2CO₂ → 2CO₂
HC O₂ → CO₂ H₂O
2NOx → N₂ xO₂
2. ปฏิกิริยาที่ส่งเสริมการฟื้นฟู:
เขม่าออกซิเดชัน:
C O₂ → CO₂ (ออกซิเดชันโดยตรง)
C 2NO₂ → CO₂ 2NO (ออกซิเดชันผ่าน NO₂ — วิถีหลักสำหรับการฟื้นฟูแบบพาสซีฟ)
ปฏิกิริยาคายความร้อน (สำหรับการฟื้นฟูแบบแอคทีฟ):
2CO₂ → 2CO₂ (Exothermic)
HC O₂ → CO₂ H₂O (Exothermic)
ความร้อนที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาเหล่านี้จะเพิ่มอุณหภูมิของสารตั้งต้น GPF โดยตรง ทำให้เกิดการเผาไหม้และการงอกใหม่ของเขม่า