Catalisador DPF de substrato de favo de mel

Princípio de funcionamento do DPF: Filtração e regeneração
Compreender o DPF requer a compreensão dos seus dois processos principais:
1. Processo de Filtragem
O substrato DPF é tipicamente uma estrutura em favo de mel feita de paredes porosas de carboneto de silício ou cordierita, com canais alternados bloqueados nas extremidades de entrada e saída.
O gás de exaustão é forçado a passar pelas paredes porosas entre os canais.
O material particulado fica preso nas paredes porque seu tamanho é maior que o diâmetro dos poros da parede.
Este processo é altamente eficiente, com eficiência de filtração de fuligem superior a 95%.
2. Processo de regeneração
Esta é a essência da tecnologia DPF. Se a fuligem for apenas coletada, mas não removida, as partículas se acumularão continuamente, fazendo com que a contrapressão do escapamento aumente acentuadamente, levando eventualmente ao mau funcionamento do motor. Portanto, o material particulado coletado deve ser queimado periodicamente, processo conhecido como regeneração.
Desafio principal: A temperatura de ignição da fuligem pura é muito alta (cerca de 550–600°C), enquanto as temperaturas normais dos gases de escape do diesel, especialmente durante a condução urbana, variam apenas entre 150–300°C e não conseguem queimar naturalmente a fuligem.
Função do catalisador: O objetivo principal do catalisador DPF é reduzir significativamente a temperatura de oxidação da fuligem através de reações químicas, permitindo que ela seja queimada dentro da faixa normal de temperatura de exaustão durante a operação do motor.

Tipos e composição de catalisadores DPF
Os catalisadores DPF não são unidades independentes, mas estão integrados ao substrato DPF na forma de um revestimento. Existem três métodos principais de implementação:
1. DPF revestido com catalisador
Este é o tipo mais comum, onde o revestimento catalisador é aplicado diretamente nas paredes porosas do substrato DPF.
Substrato: Carboneto de silício poroso ou cordierita DPF.
Revestimento: Semelhante ao DOC, uma γ-alumina de alta área superficial é usada como revestimento de base.
Componentes ativos:
Metais preciosos como platina e paládio: estas foram as escolhas convencionais nos primeiros e em muitos sistemas atuais.
Mecanismo de Ação:
Oxidação de NO em NO₂: O catalisador oxida o NO no escapamento em NO₂. NO₂ é um forte agente oxidante que reage com a fuligem em temperaturas relativamente baixas (~250–300°C): C 2NO₂ → CO₂ 2NO. Esta reação é fundamental para alcançar a regeneração passiva.
Oxidação Direta: Em temperaturas mais elevadas, o catalisador também promove a reação direta entre o oxigênio e a fuligem.
2. Catalisador do tipo aditivo de combustível
Neste método, o catalisador não é revestido no DPF, mas adicionado diretamente ao combustível na forma de um aditivo à base de metal.
Aditivo: Normalmente, compostos organometálicos de cério ou ferro.
Princípio: Após a combustão, as partículas metálicas do aditivo entram no DPF com os gases de escape e incorporam-se uniformemente na camada de fuligem coletada. Durante a regeneração, estas partículas metálicas atuam como catalisadores, reduzindo significativamente a temperatura de oxidação da fuligem (até ~450°C).
Vantagens: O catalisador mistura-se uniformemente com a fuligem, garantindo contato suficiente e alta eficiência de regeneração.
Desvantagens: Requer sistemas adicionais de armazenamento e injeção de aditivos, aumenta os custos e resíduos de cinzas de óxido metálico se acumulam no DPF, necessitando de limpeza periódica.
3. DPF catalítico
Este é um conceito facilmente confundido, mas importante. Refere-se à integração da funcionalidade DOC e da funcionalidade DPF em um único componente, ou seja, aplicação de um catalisador de oxidação em altas doses (como platina ou paládio) na entrada do DPF.
Função: Pode oxidar CO e HC como um DOC e gerar NO₂ para regeneração passiva, ao mesmo tempo que captura partículas como um DPF.
Aplicação: Comumente utilizado em sistemas de pós-tratamento compactos onde o espaço é limitado.

Estratégias de regeneração DPF
A presença de um catalisador DPF permite as seguintes estratégias de regeneração:
1. Regeneração Passiva
Processo: Durante a operação normal do veículo, quando a temperatura dos gases de escape atinge um determinado nível (por exemplo, durante o cruzeiro em rodovias), o catalisador DPF gera continuamente NO₂, que oxida continuamente a fuligem acumulada.
Características: Este processo é imperceptível ao condutor e é o método de regeneração mais desejável. No entanto, requer temperatura de exaustão suficiente e coordenação com o DOC a montante para fornecer NO₂.
2. Regeneração Ativa
Processo: Quando o computador de bordo do veículo detecta, através do sensor de pressão diferencial, que o DPF está suficientemente obstruído e a regeneração passiva não é possível, o sistema intervém ativamente.
Métodos de Intervenção: Ao atrasar a injeção de combustível ou realizar a pós-injeção, o combustível não queimado entra no DOC, sofre oxidação e produz exaustão em alta temperatura acima de 600°C, que é então direcionado para o DPF, permitindo que a fuligem oxide rapidamente com oxigênio em altas temperaturas.
Função do Catalisador: Neste modo, a fuligem pode ser queimada mesmo sem um catalisador em altas temperaturas. Contudo, a presença do catalisador diminui a temperatura de regeneração necessária, encurta o tempo de regeneração e reduz o consumo de combustível.
3. Regeneração de serviço
Processo: Se o veículo for operado consistentemente em condições de curta distância ou baixa velocidade, impedindo a conclusão da regeneração ativa, o pessoal de serviço deverá utilizar equipamento especializado para realizar a regeneração forçada.

Principais desafios e considerações
1. Acúmulo de cinzas: Os aditivos do óleo do motor (como cálcio, zinco, fósforo, enxofre, etc.) produzem cinzas não combustíveis durante a combustão. A cinza obstrui permanentemente os canais do DPF, causando um aumento gradual na contrapressão. Este é o fator limitante final para a vida útil do DPF e requer desmontagem, limpeza ou substituição periódica (normalmente após várias centenas de milhares de quilómetros).
2. Envenenamento do Catalisador: Substâncias como enxofre e fósforo podem envenenar o revestimento do catalisador no DPF, reduzindo sua atividade catalítica.
3. Gerenciamento térmico: O controle da temperatura durante a regeneração ativa é fundamental. Temperaturas excessivas podem fazer com que o substrato DPF derreta ou rache devido ao estresse térmico.
4. Qualidade do combustível: O combustível com alto teor de enxofre pode degradar gravemente o desempenho do catalisador e gerar aumento de cinzas de sulfato.