מסנני חלקיקים (DPF – Diesel Particulate Filter) מהווים רכיב קריטי במערכות טיפול בגזי פליטה, בפרט בכלי רכב ומנועים תעשייתיים מונעי דיזל. התקדמות הטכנולוגיה ודרישות רגולטוריות מחמירות הובילו לפיתוח מערכות סינון מתוחכמות המפחיתות באופן משמעותי את פליטת החלקיקים המזהמים לסביבה. מאמר זה מתמקד בעקרונות הפעולה הבסיסיים והמתקדמים של מסנני חלקיקים ובתהליכי ההתחדשות החיוניים לתפקודם המיטבי.
מסנן חלקיקים מורכב ממבנה מונוליטי בעל מבנה תעלות דמוי כוורת, המיוצר לרוב מחומרים קרמיים עמידים בטמפרטורות גבוהות. החומר הנפוץ ביותר הינו קורדייריט (Cordierite), המציג איזון אופטימלי בין עמידות תרמית, עמידות מכנית וכושר הולכת חום. לחלופין, ניתן למצוא מסננים העשויים מקרביד סיליקון (SiC), המציג עמידות תרמית משופרת וסיכון נמוך יותר לסדקים, אך בעלות גבוהה יותר. המבנה המונוליטי מכיל אלפי תעלות מקבילות בעלות חתך ריבועי או משושה, בצפיפות טיפוסית של 100-300 תאים לאינץ' מרובע (CPSI). תעלות אלו נחסמות לסירוגין בקצוות הכניסה והיציאה, כך שנוצר מבנה "שחמט" המחייב את גזי הפליטה לעבור דרך דפנות התעלות הנקבוביות.
עקרון הפעולה של מסנן החלקיקים מבוסס על סינון פיזיקלי מחד, ותהליכים כימיים וטרמו-דינמיים מאידך. עם כניסתם למסנן, גזי הפליטה נתקלים בחסימות ומוכרחים לזרום דרך דפנות התעלות הנקבוביות. מבנה הנקבוביות מתוכנן כך שיאפשר מעבר של מולקולות גז, אך יחסום חלקיקים מוצקים בגדלים שונים באמצעות מספר מנגנונים. בסינון עומק (Depth Filtration), חלקיקים קטנים חודרים לתוך מבנה הנקבוביות ונלכדים במעברים הצרים בעומק הדופן. במקביל, בסינון שטח (Cake Filtration), עם הצטברות שכבת חלקיקים ראשונית על פני השטח של הדופן, נוצרת "עוגת סינון" המגבירה את יעילות הלכידה של חלקיקים נוספים. בנוסף, בלכידה אינרציאלית, חלקיקים בעלי מסה גדולה יותר נוטים לסטות ממסלול הזרימה של גזי הפליטה ונלכדים כאשר הם פוגעים במבנה הדופן. משלים את התהליך מנגנון השקיעה הדיפוזיבית, בו חלקיקים זעירים במיוחד, הנעים בתנועה בראונית מקרית, נלכדים כאשר הם מתנגשים בדפנות התעלות. יעילות הלכידה הכוללת של מסנן מודרני מגיעה ל-99% ומעלה עבור חלקיקים בטווח גדלים רחב, החל מחלקיקים זעירים ברמת ננומטרים בודדים ועד לחלקיקים גדולים יותר בטווח המיקרומטרים.
תכנון מסנן החלקיקים כולל התייחסות מעמיקה לדינמיקת הזרימה ולניהול התנגדות הזרימה. האתגר ההנדסי הינו למקסם את שטח הפנים הזמין לסינון תוך מזעור ההפסדים ההידראוליים. משטחי הזרימה מעוצבים בהתאם לפרופילי זרימה מורכבים, המחושבים באמצעות מודלים של דינמיקת זורמים חישובית (CFD). מדד מרכזי לתפקוד המסנן הינו הלחץ הדיפרנציאלי (Differential Pressure) – ההפרש בין לחץ הכניסה ללחץ היציאה. עם הצטברות החלקיקים, הלחץ הדיפרנציאלי עולה בהדרגה, מה שמוביל לירידה ביעילות המנוע ולעלייה בצריכת הדלק. לכן, מערכות ניטור מתקדמות עוקבות אחר הלחץ הדיפרנציאלי באופן רציף ומפעילות את תהליכי ההתחדשות בהתאם לערכים שנמדדו.
ההצטברות המתמשכת של חלקיקי פיח במסנן מחייבת תהליכי ניקוי תקופתיים, המכונים "תהליכי התחדשות" (Regeneration). מסנן חלקיקים מתקדם נסמך על מגוון אסטרטגיות התחדשות המשלימות זו את זו. תהליך ההתחדשות הפסיבית מתרחש באופן ספונטני כאשר טמפרטורת גזי הפליטה מגיעה לערכים של 350-450°C ומעלה. בטמפרטורות אלו, חלקיקי הפיח שנלכדו עוברים תהליך חמצון איטי בתגובה עם NO₂ הנוכח בגזי הפליטה: C + 2NO₂ → CO₂ + 2NO. יתרונה המרכזי של ההתחדשות הפסיבית הוא שהיא מתרחשת באופן רציף במהלך פעולת הרכב, ללא צורך בהתערבות אקטיבית, ובכך חוסכת בצריכת דלק. אולם, תהליך זה מתרחש ביעילות רק בתנאי נסיעה מסוימים – נסיעות ארוכות במהירויות גבוהות, המאפשרות התחממות מספקת של מערכת הפליטה. במסננים מתקדמים, התחדשות פסיבית מואצת באמצעות ציפויי קטליזטור, בעיקר תחמוצות מתכות אצילות כגון פלטינה ופלדיום. קטליזטורים אלו מגבירים את יעילות המרת NO ל-NO₂ ומפחיתים את הטמפרטורה הנדרשת לתחילת תהליך החמצון.
כאשר תנאי הנסיעה אינם מאפשרים התחדשות פסיבית מספקת ורמת הסתימה עולה מעבר לסף המוגדר, מופעל תהליך התחדשות אקטיבי. תהליך זה נשלט על-ידי יחידת הבקרה האלקטרונית של הרכב (ECU) ומבוסס על העלאה מכוונת של טמפרטורת גזי הפליטה לכ-600°C, טמפרטורה המאפשרת חמצון ישיר של הפחמן באמצעות חמצן: C + O₂ → CO₂. ההעלאה הדרמטית בטמפרטורה מושגת באמצעות מגוון אסטרטגיות. בהזרקת דלק מאוחרת מתבצע שינוי עיתוי הזרקת הדלק, כך שחלק מהבעירה מתרחשת בשלב מאוחר יותר במחזור הפעימה, מה שמגביר את טמפרטורת גזי הפליטה. בהזרקה פוסט-מנועית מתבצעת הזרקת דלק ישירות לצינור הפליטה, לפני הקטליזטור החמצוני, יוצרת תגובת חמצון אקזותרמית המעלה את טמפרטורת הגזים. במקביל, שינוי משטר EGR גורם להפחתה זמנית בשיעור סחרור גזי הפליטה (EGR) מעלה את טמפרטורת הבעירה. כמו כן, באמצעות התאמת לחץ מגדש הטורבו מתבצעים שינויים בלחץ המגדש המשפיעים על יחס אוויר-דלק ועל טמפרטורת הבעירה. תהליך ההתחדשות האקטיבית מתבצע בדרך כלל למשך 20-30 דקות, כתלות ברמת הסתימה ובעיצוב המערכת. המערכת מנטרת את הלחץ הדיפרנציאלי במהלך התהליך, ומסיימת את ההתחדשות כאשר הלחץ יורד לערכים המעידים על סילוק מרבית החלקיקים.
במקרים בהם הצטברות החלקיקים הגיעה לרמות קריטיות, או כאשר תהליכי ההתחדשות הרגילים לא הושלמו בהצלחה, מבוצעת התחדשות מאולצת. בתהליך זה, הרכב מובא למצב נייח והמנוע פועל בסל"ד קבוע, בעוד שמערכת הבקרה מפעילה תהליך התחדשות אינטנסיבי במיוחד. התחדשות מאולצת מבוצעת לרוב במוסכים מורשים, באמצעות ציוד אבחון ייעודי.
מסנני חלקיקים מייצגים פריצת דרך טכנולוגית משמעותית בתחום הפחתת זיהום אוויר. עקרונות הפעולה שלהם מבוססים על אינטגרציה מתוחכמת של תהליכים פיזיקליים, כימיים ותרמו-דינמיים. מערכות הבקרה המתקדמות מנהלות באופן אופטימלי את תהליכי ההתחדשות, תוך איזון בין דרישות ביצועים, חיסכון בדלק ועמידה בתקני פליטה מחמירים. התפתחויות טכנולוגיות עתידיות צפויות להתמקד בשיפור חומרי המסנן, אופטימיזציה של גיאומטריית התעלות, ואינטגרציה מתקדמת יותר עם מערכות טיפול נוספות בגזי פליטה, כגון מערכות SCR ו-DOC. באמצעות פיתוחים אלו, תעשיית הרכב ממשיכה להתקדם לקראת יעד של פליטת חלקיקים אפסית, תוך שמירה על ביצועי מנוע אופטימליים ויעילות אנרגטית גבוהה.