חיסול ממוקד

במשרד להגנת הסביבה החליטו לצאת למלחמת חורמה בחלקיקים הנפלטים ממנועי דיזל (SOOT), אשר גורמים לבעיות בריאות חמורות לאדם ולבעיות לסביבה. מדובר בחלקיקים זעירים במיוחד שגודלם 2.5 מיקרון, ואשר נפלטים ממנועי הדיזל במהלך עבודתם. במחקרים רבים הוכח כי שאיפת החלקיקים האלו מסרטנת, והם עלולים לגרום בעיות רפואיות קשות.

תקנות זיהום האוויר האירופיות, וכן התקנות הישראליות (שנצמדות לתקינה האירופית), גרמו להפחתה נכרת בזיהום האוויר שיוצרות משאיות, ובפרט החדשות שבהן. תקני הפליטה האירופיים נכנסו לתוקף בתחילת שנות ה-90. מאז הוטמעה החמרה הדרגתית בדרישות התקינה, אשר הביאה את יצרני הרכב להתקין אמצעים משופרים להפחתת פליטות. אמצעים אלו הביאו במרוצת השנים להפחתה של עשרות אחוזים בפליטת מזהמים.

תקן Euro המחמיר ביותר כיום הוא Euro 6. השינוי בעל המשמעות הרבה ביותר מבחינת צמצום פליטת המזהמים, ובכלל זה חלקיקים, היה בעת המעבר לתקן Euro 6. בשלב זה נקבעה בתקן בין השאר החובה להתקין מסנני חלקיקים מובנים בכלי הרכב כבר בשלב הייצור.

המסנן בפעולה: חלקיקי הפיח נלכדים במסנן החלקיקים

בתקנות התעבורה העדכניות הוחלט לסווג את רכבי הדיזל הכבדים לפי תקינת המשאיות ותקני היורו (שנת רישום בישראל). רכב מזהם ישן מתחלק לשתי קבוצות: משאיות שמשקלן הכולל המותר עולה על 12 טון, ורכבים הפועלים בענף ההסעות במשקל כולל של יותר מ-3.5 טון. שתי הקבוצות האלו, אשר עלו לכביש עד שנת 2005 (כולל), יחויבו בהתקנה של לוכד חלקיקים. האופציה השנייה היא גריטת הרכב.

אופן הפעולה

לוכדי החלקיקים (DPF) הם האמצעי היעיל ביותר לשליטה על פליטת החלקיקים שיוצר המנוע, והם נועדו להפחית את הפיח הנוצר בתוך מערכת הפליטה של כלי רכב עם מנוע דיזל ולמנוע מחלקיקי הפיח להגיע לסביבה. שלא כמו הממיר הקטליטי, אשר נועד להפחית את גזי הפליטה הזורמים דרך הממיר, לוכד החלקיקים נועד ללכוד ולשמור את החלקיקים המוצקים עד אשר הם יכולים להיות מחומצנים או להישרף בתהליך שנקרא רגנרציה (regeneration). המסנן אוגר חלקיקי פיח, ומדי פעם מבצע ניקוי עצמי. המסנן מתחמם ומגיע לטמפרטורה גבוהה, ובתוך כך הופך את הפיח הנצבר לאפר לא מזיק. התהליך מבוצע בטמפרטורות של עד 600 מעלות ויעילותו עשויה להגיע ל-95% ויותר.

ניקוי של מסנן חלקיקים הוא שירות נפוץ הנחוץ לצורך תחזוקה ותיקון של מערכת הפליטה. המסנן ממוקם לרוב כחלק מסעפת הפליטה, או לאורך האגזוז ומתחת לרכב. חלק מהדגמים של מסנני החלקיקים מגיעים ביחידה אחת עם ממיר קטליטי, וחלקם מגיעים בנפרד.

האמצעים האקטיביים לשריפת חלקיקי הפיח מבוססים כאמור על העלאה ניכרת של הטמפרטורה של גזי הפליטה. כדי לבצע זאת קיימים אמצעים מגוונים, כגון שריפת דלק, חימום של לוכד החלקיקים באמצעות חשמל או גלי מיקרו והזרקת דלק לתוך גזי הפליטה הלוהטים. שיטות אלה (על בסיס פחמן) מצריכות אנרגיה נוספת ואמצעי בקרה מורכבים, ועשויות לגרום למאמץ תרמי ניכר בחלקיו של לוכד החלקיקים. מכאן גם נגזר מחירו הגבוה.

בעשרים השנים האחרונות נעשו מחקרים רבים על אודות תפקודם ויעילותם של לוכדי החלקיקים. הדרישות הטכניות הן שהמערכת תהיה יעילה, אמינה וכדאית כלכלית. לוכדי החלקיקים מהדור החדש עונים על חלק גדול מהדרישות האלו, אולם עדיין צריך למצוא פתרון לאופן הביצוע של הניקוי העצמי של לוכד החלקיקים (ראה בהמשך) ולמחירו הגבוה.

תקלות נפוצות במסנן חלקיקים

סתימה במסנן עלולה להיגרם ממגוון סיבות. הסיבות הנפוצות הן שימוש בשמן באיכות ירודה, סולר באיכות ירודה ונסיעות עירוניות וקצרות שאינן מאפשרות להגיע למצב הניקוי העצמי שהוגדר בתוכנת המערכת הממוחשבת  (מהירות גבוהה, רציפה וממושכת יחסית). סיבה אחרת היא מזרק דולף הפוגע ביעילות המסנן ובפינוי הפיח. כדאי להתייעץ מראש עם טכנאי השירות לגבי תחזוקה קבועה וטיפול בתקלות נפוצות של מנועי דיזל ומסננים. זאת הדרך הטובה ביותר למנוע נזקים בלתי הפיכים במנוע וגם לחסוך הוצאות. מעבר לכך, סתימה במסנן עשויה להיגרם עקב טורבו פגום המכניס שמן ולכלוך לתוך המסנן.

אסור להזניח את מסנן החלקיקים. הזנחה גוררת דליפה ממזרקים כתוצאה מסתימה מתמשכת, פיצוץ של מגדש הטורבו וסתימה בשסתום של גזי הפליטה. אפשר להימנע מסתימה בלוכד חלקיקים באמצעות ביצוע נסיעות ארוכות ורצופות, טיפולים בזמן ואחזקה לפי הוראות היצרן. לוכד החלקיקים רגיש מאוד לנסיעות עירוניות קצרות. בנסיעות אלו המנוע קר, העצירות מרובות, הסל"ד נמוך ויצירת החלקיקים גבוהה במיוחד.

מסנן חלקיקים במשאית אשפה. צילום: המשרד להגנת הסביבה

פעולת הניקוי העצמי

למסנן אורך חיים קצר. כדי למנוע את סתימתו פותח תהליך רגנרציה של שריפת החלקיקים שהצטברו בו. הניקוי העצמי של לוכד החלקיקים נעשה בתנאים מוגדרים. בתוך קרביו צריכה להצטבר כמות נכבדה של חלקיקי פיח, המנוע צריך להיות חם, ומהירות הרכב צריכה להיות גבוהה לאורך זמן (המשמעות היא שהרכב נוסע בנסיעה בינעירונית, והניקוי לא יתבצע בסביבה העירונית הצפופה). התהליך מתרחש רק בנסיעה מהירה במשך 20 עד 30 דקות. אם במהלך הרגנרציה הנהג מאט או מכבה את המנוע, התהליך צריך להתחיל מחדש.

בתהליך הרגנרציה מוזרק סולר נוסף למנוע (סולר שאינו משתתף בפעולת המנוע לייצור כוח). הסולר מוזרק בשלב הפליטה כדי להבעיר את מערכת הפליטה ובכך להעלות את הטמפרטורה באזור לוכד החלקיקים ל-600 מעלות ויותר. מכיוון שתהליך הרגנרציה צורך סולר בכמות גבוהה, הוא מוריד את היעילות של מנוע הדיזל. אם לא מתבצעת רגנרציה, המסנן עלול להיפגע ולהיסתם לתמיד. במילים אחרות, כדי שתתבצע פעולת הניקוי, על הנהג לצאת לנסיעה בין עירונית בשיוט מהיר למשך חצי שעה בקירוב. כשמסנן החלקיקים קרוב למצב שהוא מלא, המחשב יגביל את תפוקת הכוח של המנוע עד למצב קיצוני שבו לא יאפשר את פעולתו. במקרים מסוימים הנהג יידרש להחליף את לוכד החלקיקים. אם המסנן נסתם סופית, החלפתו יקרה - כ-10,000 שקלים לרכב פרטי ועד 50,000 שקלים למשאית דיזל כבדה.

כדי להימנע מההוצאה הזו, יש בעלי משאיות אשר מבטלים את הפעולה של לוכד החלקיקים. לשם כך הם נעזרים בבעלי מקצוע. התוצאה היא שמנועי הדיזל פולטים חלקיקים בריכוז גבוה במיוחד דווקא במקום שבו הם מסכנים הכי הרבה אנשים - בתנאים של נסיעה עירונית ובפקקים.

קיימים מספר אמצעים פסיביים בלוכד החלקיקים. בראש ובראשונה - ציפויים קטליטיים. אפשר להוסיף לדלק זרזים על בסיס מתכות אצילות. אלה מסוגלים לחמצן את הפחמן בנוכחות של חמצן או NO2, ובעלי יתרון נוסף: הם מאפשרים הפחתה ניכרת של טמפרטורת החמצון של הפיח.

מרבית היצרנים משלבים כיום פתרונות אקטיביים ופתרונות פסיביים בלוכד החלקיקים. הדבר מאפשר עבודה יעילה ואמינה יותר, אך מחייב את הנהג לתפעל נכון את הרכב כדי לשמור על אורך חייו של הלוכד. מחיר הלוכד, על אף המעבר לייצור המוני, לא ירד. השימוש במתכות עמידות ויקרות והצורך במערכת ממוחשבת יקרה שתבטיח את אורך חייו התקין של הלוכד, יוצרים עלות גבוהה להחלפת לוכד החלקיקים.

מסנן חלקיקים - משאיות מרצדס

מבנה

המסננים הנפוצים ביותר של חלקיקי דיזל הם מסוג cellular ceramic honeycomb filters (לוכד קרמי דמוי חלת דבש). הלוכד מחובר בקצה מערכת הפליטה, והפליטה עוברת דרכו. קצות המסנן, המחוברים בתבנית לוח שחמט, מאלצים את הפליטה המכילה פיח לזרום דרך נקבובי הקירות הפנימיים במסנן. גז הפליטה יכול לזרום דרך הקירות, אך חלקיקי הפיח נלכדים בתוך הנקבוביות, בשכבה שנמצאת על גבי הקירות. עיצוב כשל חלת דבש מאפשר אזור סינון גדול ומזעור של הפסדי הלחץ.

הלוכד נהפך בעשור האחרון לרכיב סטנדרטי. החומרים הקרמיים נמצאים בשימוש נרחב במסנני חלקיקים בשל העמידות התרמית טובה שלהם. חומרים קרמיים נפוצים הם קורדריט (cordierite), סיליקון קרביד ואלומיניום טיטנטה (aluminum titanate).

אחזקה וזיהוי תקלות

לוכדי חלקיקים מכילים כמה מאות ערוצים או תאים לכל אינץ' מרובע (cpsi), והנפוצים ביותר הם בסביבות 200 cpsi. מכיוון שמחצית הערוצים מחוברים בחזית ה-DPF והמחצית השנייה מחוברים בחלקו האחורי של הלוכד, רק מחצית מערוצי המסנן צוברים פיח או אפר. למעשה, רק הערוצים הפתוחים בצד הכניסה נחשפים לזרימת המפלט ה"מלוכלכת", ואילו הערוצים הפתוחים לאחור נשארים נקיים. בהתחשב בזערוריותן של הנקבוביות ובעיצוב של מסנני הכוורת, אפשר להגיע ליעילות של מעל 98% בלכידת חלקיקים.

בשל המבנה והעיצוב המיוחד של התאים בלוכד החלקיקים, אין פיח גלוי או אפר שיכול לעבור דרך קירות המסנן. אם רואים פסים שחורים או פיח גלוי בערוצי המוצא של הלוכד, זה סימן מובהק לכשל בלוכד. לוכד החלקיקים לוכד גם חומרים זעירים אחרים שאינם נשרפים בפליטה. חומרים אלה (noncombustible) מקורם בעיקר בהימצאות של שמן סיכה בדלק.

פירוק וניקוי של מסנן חלקיקים במיתקן ייעודי - רנו משאיות

ניקוי הלוכד מחלקיקים ומאפר נחוץ בדרך כלל כל שישה חודשים עד שנה. מנוע הפולט עודף חלקיקים (PM) יצריך ניקוי תכוף יותר. במקרה זה חשוב שמוסך השירות יאבחן את הסיבה לתדירות הגבוהה הנחוצה במרווחי הניקוי. יש להימנע מ-PM מוגזם, הכולל הצטברות אפר בלוכד, לבצע תחזוקה נאותה ולהקפיד הקפדה יתרה על הוראות הניקוי של היצרן. יש לעקוב אחרי מערכת ניטור הלחץ החוזר (backpressure) בד בבד עם השימוש בלוכד החלקיקים. צריכה להתבצע בדיקה תקופתית של הניטור בכל מקרה, כדי לאשר פעולה תקינה של הלוכד.

באופן כללי, ניקוי מצריך חימום של המסנן ושימוש באוויר דחוס בשילוב עם מערכת ואקום כדי לסלק את האפר מהמסנן וללכוד אותו במכל אטום. את הניקוי אפשר לבצע במספר שיטות. המקובלת שבהן היא הסרה ידנית של הלוכד מהרכב, הנחתו במקום ייעודי לניקוי ואיסוף שאריות הפיח והאפר.

תחנות ניקוי אוטומטיות נהפכו בשנים האחרונות לזמינות ונגישות. הדבר גם מאפשר לטכנאי השירות לבצע ניקוי באתר. תחנות אלה זמינות גם לציי רכב. צריך כמובן להביא בחשבון את עלות רכישתן ואת ההוצאות הנלוות. במקרים מסוימים כדאי לרכוש לוכדי חלקיקים רזרביים ולהתקינם ברכב שהגיע לטיפול. ברכב יותקן המסנן החלופי, וכך יצומצם למינימום פרק הזמן שבו הרכב מושבת לתיקונים. פעולת הניקוי עצמה תתבצע מאוחר יותר, והלוכד יותקן ברכב אחר של צי הרכב. החיסרון העיקרי הוא הצורך להחזיק מלאי מסננים.