Κινητήρας άμεσου ψεκασμού βενζίνης (GDI) και εκπομπές σωματιδίων

Τα τελευταία χρόνια, η τεχνολογία άμεσου ψεκασμού βενζίνης (Gasoline Direct Injection – GDI) έχει εξελιχθεί περαιτέρω ως αποτέλεσμα της περιβαλλοντικής πολιτικής της ΕΕ και των αυστηρότερων ρυθμιστικών οδηγιών για τη μείωση των εκπομπών CO2 από τα επιβατικά αυτοκίνητα. Περίπου το 40% των νέων ταξινομήσεων επιβατικών αυτοκινήτων στην ΕΕ αφορούσαν οχήματα εφοδιασμένα με κινητήρες βενζίνης άμεσου ψεκασμού. Η νομοθεσία σχετικά με εκπομπές CO2, ενθαρρύνει οχήματα με κινητήρες GDI λόγω της σημαντικής οικονομίας καυσίμου στην ΕΕ, όμως τα σωματίδια (PM) που εκπέμπονται από τους κινητήρες αυτούς είναι υψηλότερα από το όριο των 6×1011 #/km (οδηγία EURO 6C), υπό πραγματικές συνθήκες οδήγησης.

Κατόπιν των παραπάνω, τα φίλτρα σωματιδίων βενζίνης (GPF) αναπτύχθηκαν για να συμβάλλουν στην αποτελεσματική μείωση του αριθμού των εξαιρετικά λεπτών σωματιδίων (PM) υπό όλες τις συνθήκες οδήγησης.

Η μορφολογία των σωματιδίων πετρελαίου και βενζίνης είναι παρόμοια. Ηλεκτρονικές μικρογραφίες σάρωσης παραδοσιακών σωματιδίων καυσαερίων πετρελαίου, αναφέρουν σύνολο 80-100 nm (μέσος όρος) πρωτογενών σωματιδίων με διάμετρο <10 nm. Νεότερες μικρογραφίες ηλεκτρονίων μετάδοσης σωματιδίων βενζίνης δείχνουν νανοσωματίδια με μορφολογία παρόμοια με αυτά της αιθάλης πετρελαίου, αλλά η μέση διάμετρος πρωτογενών σωματιδίων ανά συγκέντρωση είχε πολύ μεγαλύτερο εύρος που εκτείνεται από 7 έως 60 nm.

Για τα φίλτρα σωματιδίων βενζίνης (GPF), όπως και για τα φίλτρα σωματιδίων πετρελαίου, επικρατούν τρεις μηχανισμοί παγίδευσης σωματιδίων: αναχαίτιση, πρόσκρουση και διάχυση. Οι μηχανισμοί παγίδευσης εξαρτώνται από το μέγεθος των σωματιδίων. Τα μικρότερα σωματίδια παγιδεύονται με τη διάχυση, τα μεγαλύτερα σωματίδια παγιδεύονται με αναχαίτιση και πρόσκρουση. Κατά συνέπεια, η αρχική απόδοση των φίλτρων GPF ποικίλλει για διαφορετικά μεγέθη σωματιδίων. Τα μικρότερα και μεγαλύτερα σωματίδια παγιδεύονται ανεξαιρέτως – η χαμηλότερη απόδοση διήθησης παρατηρείται για σωματίδια διαμέτρου περίπου 200 nm.

Οι βενζινοκινητήρες εκπέμπουν μικρότερες μάζες αιθάλης από τους πετρελαιοκινητήρες υπό τυπικές συνθήκες οδήγησης. Επομένως απαιτούνται λιγότερες αναγεννήσεις και αυτό επιτρέπει την χρήση φίλτρων χαμηλότερης θερμικής μάζας από τα αντίστοιχα φίλτρα DPF. Επίσης τα συστήματα GPF λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες από τα DPF, γεγονός που συνεπάγεται ότι η παθητική αναγέννηση αιθάλης πραγματοποιείται πιο εύκολα βελτιώνοντας ταυτόχρονα την λειτουργία/απόδοση του τριοδικού καταλύτη.

Η θερμοκρασία καυσαερίων και η στοιχειομετρία καύσης του κινητήρα επηρεάζουν την καύση αιθάλης στο φίλτρο GPF. Στοιχειομετρικά, η θερμοκρασία φίλτρου που απαιτείται για την καύση της αιθάλης είναι 650°C, αλλά σε συνθήκες φτωχότερου μίγματος (μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε οξυγόνο), η πτώση πίεσης είναι ταχύτερη και η θερμοκρασία πλέον που απαιτείται για την καύση πέφτει στους 500°C.

Επίλογος: Τα φίλτρα GPF αποτελούν μια αποτελεσματική και αξιόπιστη τεχνολογία

Το φίλτρο σωματιδίων βενζίνης είναι μια αποτελεσματική και ανθεκτική τεχνολογία για τον έλεγχο των εκπομπών εξαιρετικά λεπτών σωματιδίων από τον κινητήρα άμεσου ψεκασμού βενζίνης χωρίς αρνητικές επιπτώσεις στην κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές CO2.

Παρόλα αυτά, για τα φίλτρα GPF ισχύει ότι και στα φίλτρα DPF: Για να μην κορεστεί γρήγορα το φίλτρο, θα πρέπει να αποφεύγονται οι επαναλαμβανόμενες και συχνές μικρές διαδρομές, στις οποίες ο κινητήρας δεν φτάνει την θερμοκρασία κανονικής λειτουργίας και συνεπώς δεν ενεργοποιείται το σύστημα παθητικής αναγέννησης του, οδηγώντας σε βλάβες.