Studium pasywnej regeneracji filtrów cząstek stałych w silnikach o zapłonie samoczynnym

Praca dotyczy syntetycznego ujęcia doboru właściwości materiałowych układów katalitycznych do stworzenia współzależnych systemów oczyszczania gazów wylotowych, w aspekcie ograniczania emisji cząstek stałych, z jednoczesnym zwiększeniem sprawności regeneracji pasywnej filtra cząstek stałych. Realizacja tego zagadnienia jest rezultatem pozytywnych wyników badań chemicznych, na hamowni silnikowej oraz drogowych w rzeczywistych warunkach ruchu. Porównano różnice między rozkładem wymiarowym i masowym cząstek stałych emitowanych z pojazdów w rzeczywistym ruchu, celem identyfikacji wejściowych założeń do analizy fizykochemicznych próbek cząstek stałych.
Uwzględniono wpływ wybranych czynników technicznych od strony zmiennych limitów emisji określonych przepisami toksyczności gazów wylotowych. Opisano chemicznie próbki cząstek stałych w ujęciu wpływu występujących zjawisk w układzie wylotowym silnika na procesy niekatalitycznego i katalitycznego utleniania. Sklasyfikowano emitowane cząstki stałe w zależności od konstrukcji silnika spalinowego i konkretnych limitów emisji. Utlenianie cząstek stałych uzupełniono badaniami wpływu zmian poregeneracyjnych w filtrze na zmianę warunków fizykochemicznych reakcji katalitycznych.
Rozwinięciem podjętej problematyki było opracowanie metodologii otrzymywania materiałów wyjściowych do tworzenia materiałowych układów katalitycznych. Stworzono eksperymentalne nanostruktury złożone w konfiguracjach umożliwiających wzrost selektywności na wybrane reakcje utleniające oraz wytrzymałości na zjawisko kruchego pękania. Poprawność założeń wstępnych dla eksperymentalnych materiałowych układów katalitycznych zweryfikowano na hamowni silnikowej. Weryfikacja pozwoliła na dokonanie analizy parametrów systemów katalitycznych. Wynikiem była propozycja dobrania wielkości fizykochemicznych, mogących przyczynić się do zwiększenia efektywności badanych materiałowych układów katalitycznych.
Zaproponowany eksperymentalny system katalityczny posłużył do weryfikacji końcowych właściwości otrzymanych materiałowych układów katalitycznych. dokonano porównania eksperymentalnego systemu katalitycznego i systemów komercyjnych w badaniach na hamowni silnikowej oraz testów drogowych. Ponadto, opierając się na opracowanej metodyce, przeprowadzono starzenie nośnika eksperymentalnego pod kątem badania trwałości na zjawisko kruchego pękania.

Streszczenie 5 Wykaz ważniejszych oznaczeń 6 1. Wstęp 12 2. Przepisy dotyczące systemów oczyszczania gazów wylotowych 15 2.1. Wprowadzenie 15 2.2. Przepisy dotyczące systemów oczyszczania gazów wylotowych w USA 16 2.3. Przepisy dotyczące systemów oczyszczania gazów wylotowych w Europie 19 2.3.1. Pojazdy kategorii PC i LDV 19 2.3.2. Pojazdy kategorii HDV 23 3. Przegląd literatury w aspekcie badań systemów oczyszczania gazów wylotowych 27 3.1. Uwagi ogólne 27 3.2. Trójfunkcyjne reaktory katalityczne 29 3.3. Utleniające reaktory katalityczne 36 3.4. Charakterystyka pracy filtrów cząstek stałych 38 3.4.1. Badania warstw wspomagających regenerację 38 3.4.2. Spadek ciśnienia przy przepływie gazów wylotowych przez filtr czysty i wypełniony 39 3.4.3. Analiza odkładania popiołów w filtrze 44 3.5. Podsumowanie 48 4. Cel i zakres pracy 50 4.1. Cel pracy 50 4.2. Zakres pracy 50 4.3. Zadania szczegółowe 52 5. Analiza zjawisk emisji i utleniania cząstek stałych 54 5.1. Wprowadzenie 54 5.2. Klasyfikacja cząstek stałych zawierających sadzę emitowanych z silników o zapłonie samoczynnym 55 5.2.1. Powstawanie cząstek stałych zawierających sadzę 55 5.2.2. Czynniki wpływające na klasyfikację cząstek stałych 57 5.2.3. Korelacja między pojazdami PC i HDV liczby oraz masy cząstek stałych wyemitowanych w warunkach drogowych 59 5.2.4. Utlenianie cząstek stałych 71 5.2.5. Morfologia próbek podczas ich utleniania 76 5.2.6. Wpływ NO2 na utlenianie cząstek stałych typu BS i E5 82 5.3. Mechanizm utleniania 85 5.4. Utlenianie cząstek stałych w atmosferze NO2 88 5.5. Wpływ mikrostruktury na reaktywność sadzy 90 5.6. Analiza mikrostruktury cząstek stałych typu BS i E5 91 5.7. Wpływ wybranych parametrów pracy silnika na mikrostrukturę sadzy zawartej w cząstkach stałych 94 5.8. Badania wpływu recyrkulacji gazów wylotowych na rozkład wymiarowy i mikrostrukturę cząstek stałych typu E5 98 5.8.1. Badania na hamowni silnikowej 98 5.8.2. Badania mikroskopowe cząstek stałych 103 5.9. Analiza próbek cząstek stałych zgromadzonych w filtrze cząstek stałych 110 5.9.1. Filtr cząstek stałych częściowo zapełniony przed regeneracją 110 5.9.2. Filtr cząstek stałych po regeneracji z częściowo usuniętą degradacją 113 5.9.3. Badania zużytego filtra cząstek stałych 114 5.10. Podsumowanie 115 6. Opracowanie materiałowych układów katalitycznych do systemu oczyszczania gazów wylotowych 117 6.1. Opracowanie założeń 117 6.2. Wybór metody otrzymywania nanoproszków 122 6.3. Opracowanie materiału katalitycznego 125 6.3.1. Otrzymywanie nanosfer TiO2 metodą FSP 125 6.3.2. Otrzymywanie nośnika katalitycznego wysokoporowatego z Ti4O7 127 6.3.3. Kruche pękanie 128 6.3.4. Otrzymywanie nanosfer TiO2–RuO2 metodą FSP 129 6.3.5. Otrzymywanie nanocząstek w układzie Pt3Ni 132 7. Wstępna weryfikacja zaproponowanych materiałowych układów katalitycznych 134 7.1. Badania katalizatora RuO2 na hamowni silnikowej 134 7.2. Badania układów katalitycznych Pt3Ni, Pd3Ru, TiO2–RuO2 na hamowni silnikowej 136 7.3. Badania stabilności termicznej układu TiO2–RuO2 138 7.4. Podsumowanie 140 8. Analiza parametrów fizykochemicznych układu katalitycznego 141 8.1. Konfiguracja części utleniającej układu katalitycznego 141 8.2. Dobór wybranych parametrów konstrukcyjnych systemów DOC+DPF 144 8.3. Podsumowanie 146 9. Badania weryfikacyjne zaproponowanego systemu eksperymentalnego 147 9.1. Charakterystyka badanych systemów katalitycznych 147 9.2. Badania eksperymentalnego systemu katalitycznego DOC+DPF na hamowni silnikowej 148 9.2.1. Analiza rozkładu temperatur 148 9.2.2. Analiza stężenia szkodliwych składników gazów wylotowych oraz rozkładu wymiarowego liczby cząstek stałych 154 9.3. Badania eksperymentalnego systemu katalitycznego DOC+DPF w rzeczywistych warunkach eksploatacji 156 9.4. Wytrzymałość nośników na kruche pękanie 158 9.5. Wnioski z badań weryfikacyjnych 159 10. Wnioski 161 Literatura 164 Summary 173