Nguyên tắc làm việc của DPF: Lọc và tái sinh
Để hiểu DPF đòi hỏi phải hiểu rõ hai quy trình cốt lõi của nó:
1. Quá trình lọc
Chất nền DPF thường có cấu trúc tổ ong được làm từ các bức tường xốp bằng cacbua silic hoặc cordierite, với các kênh xen kẽ bị chặn ở đầu vào và đầu ra.
Khí thải buộc phải đi qua các bức tường xốp giữa các kênh.
Các hạt vật chất bị giữ lại trên tường vì kích thước của nó lớn hơn đường kính của các lỗ trên tường.
Quá trình này có hiệu quả cao, hiệu suất lọc bồ hóng đạt trên 95%.
2. Quá trình tái sinh
Đây là bản chất của công nghệ DPF. Nếu muội than chỉ được thu gom mà không được loại bỏ, các hạt sẽ liên tục tích tụ, khiến áp suất ngược của khí thải tăng mạnh, cuối cùng dẫn đến hỏng động cơ. Do đó, các hạt vật chất thu được phải được đốt cháy định kỳ, một quá trình được gọi là tái sinh.
Thách thức cốt lõi: Nhiệt độ bắt lửa của bồ hóng nguyên chất rất cao (khoảng 550–600°C), trong khi nhiệt độ khí thải động cơ diesel thông thường, đặc biệt là khi lái xe trong đô thị, chỉ dao động trong khoảng 150–300°C và không thể đốt cháy hết bồ hóng một cách tự nhiên.
Vai trò của chất xúc tác: Mục đích chính của chất xúc tác DPF là giảm đáng kể nhiệt độ oxy hóa của bồ hóng thông qua các phản ứng hóa học, cho phép nó bị đốt cháy trong phạm vi nhiệt độ khí thải bình thường trong quá trình vận hành động cơ.

Các loại và thành phần của chất xúc tác DPF
Chất xúc tác DPF không phải là các đơn vị độc lập mà được tích hợp với chất nền DPF dưới dạng lớp phủ. Có ba phương pháp triển khai chính:
1. DPF phủ chất xúc tác
Đây là loại phổ biến nhất, trong đó lớp phủ xúc tác được phủ trực tiếp lên thành xốp của chất nền DPF.
Chất nền: Cacbua silic xốp hoặc DPF cordierite.
Lớp phủ: Tương tự như DOC, γ-alumina có diện tích bề mặt cao được sử dụng làm lớp phủ nền.
Thành phần hoạt động:
Các kim loại quý như bạch kim và palladium: đây là những lựa chọn phổ biến trong nhiều hệ thống hiện tại và ban đầu.
Cơ chế tác dụng:
Oxy hóa NO thành NO₂: Chất xúc tác oxy hóa NO trong khí thải thành NO₂. NO₂ là chất oxy hóa mạnh, phản ứng với bồ hóng ở nhiệt độ tương đối thấp (~250–300°C): C 2NO₂ → CO₂ 2NO. Phản ứng này là chìa khóa để đạt được sự tái sinh thụ động.
Oxy hóa trực tiếp: Ở nhiệt độ cao hơn, chất xúc tác còn thúc đẩy phản ứng trực tiếp giữa oxy và bồ hóng.
2. Chất xúc tác loại phụ gia nhiên liệu
Trong phương pháp này, chất xúc tác không được phủ lên DPF mà được thêm trực tiếp vào nhiên liệu dưới dạng phụ gia gốc kim loại.
Chất phụ gia: Thông thường, các hợp chất hữu cơ của xeri hoặc sắt.
Nguyên tắc: Sau khi đốt, các hạt kim loại từ chất phụ gia cùng với khí thải đi vào DPF và bám đều vào lớp bồ hóng được thu gom. Trong quá trình tái sinh, các hạt kim loại này đóng vai trò là chất xúc tác, làm giảm đáng kể nhiệt độ oxy hóa bồ hóng (xuống tới ~450°C).
Ưu điểm: Chất xúc tác trộn đều với bồ hóng, đảm bảo tiếp xúc đủ và hiệu quả tái sinh cao.
Nhược điểm: Yêu cầu hệ thống lưu trữ và phun phụ gia bổ sung, tăng chi phí và cặn tro oxit kim loại tích tụ trong DPF, cần phải vệ sinh định kỳ.
3. DPF xúc tác
Đây là một khái niệm dễ bị nhầm lẫn nhưng quan trọng. Nó đề cập đến việc tích hợp chức năng DOC và chức năng DPF vào một thành phần duy nhất, tức là áp dụng chất xúc tác oxy hóa liều cao (chẳng hạn như bạch kim hoặc palladi) ở đầu vào của DPF.
Chức năng: Nó có thể oxy hóa CO và HC giống như DOC và tạo ra NO₂ để tái tạo thụ động, đồng thời thu giữ các hạt vật chất như DPF.
Ứng dụng: Thường được sử dụng trong các hệ thống xử lý sau nhỏ gọn, nơi có không gian hạn chế.

Chiến lược tái tạo DPF
Sự hiện diện của chất xúc tác DPF cho phép thực hiện các chiến lược tái sinh sau:
1. Tái sinh thụ động
Quy trình: Trong quá trình vận hành bình thường của xe, khi nhiệt độ khí thải đạt đến một mức nhất định (ví dụ: khi chạy trên đường cao tốc), chất xúc tác DPF liên tục tạo ra NO₂, chất này sẽ oxy hóa đều đặn lượng bồ hóng tích tụ.
Đặc điểm: Người lái xe không thể nhận thấy quá trình này và là phương pháp tái tạo được mong muốn nhất. Tuy nhiên, nó đòi hỏi phải có đủ nhiệt độ khí thải và sự phối hợp với DOC thượng nguồn để cung cấp NO₂.
2. Tái sinh tích cực
Quy trình: Khi máy tính trên xe phát hiện thông qua cảm biến chênh lệch áp suất rằng DPF đã bị tắc đủ mức và không thể tái tạo thụ động, hệ thống sẽ chủ động can thiệp.
Phương pháp can thiệp: Bằng cách trì hoãn việc phun nhiên liệu hoặc thực hiện sau khi phun, nhiên liệu chưa cháy sẽ đi vào DOC, trải qua quá trình oxy hóa và tạo ra khí thải ở nhiệt độ cao trên 600°C, sau đó được dẫn đến DPF, cho phép bồ hóng nhanh chóng bị oxy hóa bằng oxy ở nhiệt độ cao.
Vai trò của chất xúc tác: Ở chế độ này, bồ hóng có thể bị đốt cháy ngay cả khi không có chất xúc tác ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, sự có mặt của chất xúc tác làm giảm nhiệt độ tái sinh cần thiết, rút ngắn thời gian tái sinh và giảm tiêu thụ nhiên liệu.
3. Tái tạo dịch vụ
Quy trình: Nếu phương tiện được vận hành liên tục trong điều kiện quãng đường ngắn hoặc tốc độ thấp, ngăn cản việc hoàn thành quá trình tái tạo chủ động, nhân viên bảo dưỡng phải sử dụng thiết bị chuyên dụng để thực hiện quá trình tái sinh cưỡng bức.

Những thách thức và cân nhắc chính
1. Tích tụ tro: Các chất phụ gia từ dầu động cơ (như canxi, kẽm, phốt pho, lưu huỳnh, v.v.) tạo ra tro không cháy khi đốt. Tro làm tắc nghẽn vĩnh viễn các kênh DPF, làm tăng dần áp suất ngược. Đây là yếu tố hạn chế cuối cùng đối với tuổi thọ của DPF và cần được tháo rời, vệ sinh hoặc thay thế định kỳ (thường sau vài trăm nghìn km).
2. Ngộ độc chất xúc tác: Các chất như lưu huỳnh và phốt pho có thể gây độc cho lớp phủ chất xúc tác trên DPF, làm giảm hoạt tính xúc tác của nó.
3. Quản lý nhiệt: Kiểm soát nhiệt độ trong quá trình tái sinh tích cực là rất quan trọng. Nhiệt độ quá cao có thể làm cho lớp nền DPF tan chảy hoặc nứt do ứng suất nhiệt.
4.Chất lượng nhiên liệu: Nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao có thể làm suy giảm nghiêm trọng hiệu suất của chất xúc tác và tạo ra lượng tro sunfat tăng lên.