Jak działa DPF i po co się go stosuje?

Źródło: Pixabay – webandi
28.3.2022
Reklama
Reklama

Zadaniem układu wydechowego jest odprowadzenie spalin z silnika i wyprowadzenie ich na zewnątrz – poza komorę silnika. Ale nie tylko. W tłumiku redukuje się hałas, który wynika ze spalania paliwa, a katalizatory i filtry troszczą się o to, aby spaliny miały jak największą czystość, czyli odpowiadały obowiązującym regulacjom prawnym.

 

  • Jednym z zadań układów wydechowych jest też wyłapywanie cząstek stałych, które powstają przy spalaniu oleju napędowego oraz benzyny. 
  • W przypadku silników benzynowych z uwarstwieniem mieszanki występuje więcej cząstek, jednak wyraźnie mniej niż w silniku wysokoprężnym.
  • Cząstki stałe w spalinach silników wysokoprężnych składają się nie tylko z węgla, lecz także z resztek paliwa, oleju, wody, związków siarki i popiołu.
  • Filtry powinny oczywiście wyłapywać ze strumienia spalin jak najwięcej cząstek, jednak nie powinny być za duże, ponieważ w konstrukcji samochodu miejsca zawsze jest mało.
  • Generalnie trzeba pamiętać, że filtr cząstek stałych jest częścią eksploatacyjną i jak wiele innych elementów w pojeździe zużywa się i wymaga wymiany.
Reklama

Jednym z zadań układów wydechowych jest też wyłapywanie cząstek stałych, które powstają przy spalaniu oleju napędowego oraz benzyny. Ta ostatnia tworzy znaczne ilości cząstek stałych w silnikach z bezpośrednim wtryskiem paliwa i wysokim ciśnieniem wtrysku.

W przypadku silników benzynowych z uwarstwieniem mieszanki występuje więcej cząstek, jednak wyraźnie mniej niż w silniku wysokoprężnym. Cząstki stałe wytwarzane w silniku Diesla składają się nie tylko z sadzy lub – posługując się prawidłową nomenklaturą chemiczną – węgla, lecz także z niespalonych resztek paliwa i oleju silnikowego, a także z wody, siarczanów (związków siarki) i popiołu. Cząstki znacznie różnią się kształtem i średnicą. Najczęściej spotykaną średnicą w spalinach silników wysokoprężnych jest wielkość ok. 100 nm (100 nm = 0,0001 mm).

Cząstki stałe w spalinach silników wysokoprężnych  - wykres
Cząstki stałe w spalinach silników wysokoprężnych składają się nie tylko z węgla, lecz także z resztek paliwa, oleju, wody, związków siarki i popiołu. Źródło: Archiwum „autoEXPERTA”

Sklejanie się cząstek stałych i różne połączenia zmieniają ich masę. Badanie przeprowadzone na zlecenie Niemieckiego Federalnego Urzędu ds. Środowiska wykazało, że rocznie na raka spowodowanego cząstkami stałymi umiera 14 tys. osób. Jednak wyniki badania przeprowadzonego przez prof. Ericha Wichmanna są kwestionowane i istnieje kilka ekspertyz, których autorzy doszli do innego wniosku.

U chomików nawet bardzo wysokie dawki nie wywołały raka, a testy przeprowadzone na myszach nie dały jednoznacznych rezultatów. Tylko w przypadku szczurów naukowcom udało się udowodnić związek między powstawaniem nowotworów a cząstkami stałymi z silników Diesla – jednak tylko w stężeniach 100–1000 razy większych niż te występujące na drogach o wysokim zagęszczeniu ruchu. Bez względu na to, kto ma rację, spaliny – a w szczególności cząstki stałe – nie wpływają pozytywnie na zdrowie. Każde ograniczenie ich ilości jest więc dobre.

Warto wiedzieć
Jak powstają cząstki stałe
Cząstki stałe powstają podczas spalania w silniku, jeżeli nastąpi miejscowy lub czasowy brak tlenu. Istnieją dwa sposoby na ograniczenie emisji cząstek stałych: zmiany wewnątrz silnika lub filtry. Cząstki są zbierane w filtrze, który później jest regenerowany (cząstki zostają spalone). Ponieważ spaliny nie zawsze mają temperaturę zapłonu cząstek stałych, która wynosi 550°C, obniża się ją na różne sposoby. Przykładem są dodatki do paliwa lub filtry z powłoką katalityczną. Wtrysk dodatkowy podnosi natomiast temperaturę spalin, aby zapewnić wypalanie sadzy także przy niewielkim obciążeniu.
Frakcja cząstek stałych określana jako TSP (Total Suspended Particulates) lub zamiennie jako PM10 (ponieważ wielkość jej cząsteczek nie przekracza 10 μm) jest zdolna do swobodnej penetracji układu oddechowego człowieka. Badania wykazują, że ryzyko zachorowań na raka układu oddechowego rośnie z 20% do 50% u osób pracujących w otoczeniu włączonych silników z zapłonem samoczynnym. Ze względu na ruch miejski można powiedzieć, że ryzyko to dotyczy nie tylko osób pracujących bezpośrednio przy silnikach, ale także osób stykających się z ruchem miejskim.
Specyficznie mutagennymi środkami chemicznymi zawartymi w cząstkach stałych są 1-nitropiren oraz benzo(a)piren, który jest stosowany do oznaczania wartości wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych. Problemem związanym z cząstkami stałymi ze spalin jest także problem natury estetycznej. Cząstki pochodzące od spalin i zawarte w powietrzu bardzo łatwo przylegają do elementów zewnętrznych takich jak elewacje budynków. Dzieje się to w wyniku zjawiska adsorpcji. Ponadto cząstki w powietrzu redukują jego przejrzystość.

Oczyszczanie spalin

Od wielu lat w samochodach osobowych z silnikami wysokoprężnymi stosuje się katalizatory utleniające. Pod pojęciem tym chemicy rozumieją wiązanie się substancji z tlenem (O). W strumieniu spalin proces ten prowadzi do zmiany węglowodorów (HC) i tlenku węgla (CO) w dwutlenek węgla (CO2) i wodę (H2O). Ze względu na wysokie stężenie tlenu katalizator utleniający w układzie wydechowym ma bardzo niską temperaturę aktywacji – ok. 180°C. Warunkiem wysokiego stopnia przemiany jest niski udział siarki w paliwie. Katalizator oksydacyjny umieszczony jest albo w pobliżu silnika, albo w okolicy podłogi. Nośnik warstwy aktywnej katalitycznie wykonany jest z metalu lub materiału ceramicznego.

Rozkład typowej temperatury spalin przed filtrem DPF - wykres
Zwykle temperatura spalin w silniku Diesla wynosi 180–250°C. Źródło: archiwum „autoEXPERTA”

Środki stosowane w silnikach

W zakresie eliminowania cząstek stałych niemiecki przemysł motoryzacyjny najpierw stawiał na udoskonalenia wewnątrz silników. Próbowano tak kształtować proces spalania w silniku, aby powstawała mniejsza ilość cząstek stałych. Możliwości takie daje ciśnienie i przebieg wtrysku w nowoczesnych wtryskiwaczach piezoelektrycznych oraz geometria dysz wtryskowych. Także dopływ powietrza przez turbosprężarkę umożliwia zmniejszenie ilości cząstek stałych. Poza tym zawartość siarki w paliwie, obniżona w Niemczech od początku 2003 r.  do maksymalnie 10 ppm (parts per million = cząsteczek na milion), prowadzi – według ekspertów – do redukcji emisji cząstek stałych o 5–10%.

Średnioterminowo można zastosować dwie inne optymalizacje w obrębie silnika. Jedną z nich jest tzw. dysza zmienna, która przy zmiennym przekroju i przy stałym ciśnieniu wtrysku powinna prowadzić do mniejszego wytwarzania substancji szkodliwych. Specjaliści pracują także nad jednorodnym procesem spalania. Skomplikowany proces tworzenia mieszanki ma zagwarantować równomierną mieszankę powstającą w całej przestrzeni spalania. Mieszanka taka mogłaby się spalać praktycznie bez skoków temperatury i prawie bez wytwarzania związków azotu (NOX) i cząstek stałych.

Termin wprowadzenia tego rozwiązania jest nieznany, ponieważ na razie jednorodne spalanie działa tylko w wąskim zakresie pracy silnika. W codziennej eksploatacji parametry są jednak różne i wymagają elastycznej i szybkiej regulacji wtrysku. Skuteczność tej strategii trzeba byłoby wykazać, chociaż coraz więcej modeli – także starszych – bez filtrów cząstek stałych spełniało wymagania normy Euro 4. Dotyczy to np. silników grupy Volkswagen z pompowtryskiwaczami lub silników Common Rail Opla (pojemność 1,7 l) i Fiata (1,3 l), wszystkich z systemem wtrysku marki Bosch. Na uwagę zasługiwało też Audi A6 z silnikiem V6 2,5l, z pompą Bosch VP 44, któremu sporo brakowało do magicznej granicy – mimo że A6 osiągnął „masę krytyczną”. Oznaczało to, że obowiązujące wówczas limity normy Euro 4 można było osiągnąć bez użycia filtrów. Jednak dotyczy to tylko pojazdów o wadze do ok. 1800 kg.

Obok konstrukcji silników (pojemności, wtrysku itd.) to właśnie masa całkowita pojazdu odgrywa ważną rolę. Jednak od kiedy dyskusja na ten temat stała się mocno polityczna, nie chodziło już o spełnienie wymogów normy, lecz całkowitą ilość emitowanych cząstek. Dlatego też filtry stały się tak popularne.

Rozwój ustawodawstwa dotyczącego spalin w Europie i USA.
Rozwój ustawodawstwa dotyczącego spalin w Europie i USA. Źródło: Komisja Europejska

Z filtrem jeszcze czyściej

Filtr cząstek stałych nie zapobiega powstawaniu cząstek, lecz pobiera je ze spalin, gromadzi i dopala. W badaniu długoterminowym ADAC na ponad 80 000 km Peugeot 607 – pierwszy samochód osobowy wyposażony w filtr cząstek – emitował tylko 0,001 g cząstek na kilometr. Była to 1/25 wartości silników spełniających normy Euro 4. Tutaj technika pomiarowa osiąga swoje granice i – cytując ADAC – można stwierdzić, że samochody osobowe z filtrami cząstek praktycznie nie wytwarzają cząstek stałych.

Reklama

Wymagania stawiane filtrom są różne. Filtry powinny oczywiście wyłapywać ze strumienia spalin jak najwięcej cząstek, jednak nie powinny być za duże, ponieważ w konstrukcji samochodu miejsca zawsze jest mało. Także opór stawiany przeciwciśnieniem spalin nie powinien być za wysoki, w przeciwnym razie wzrasta zużycie paliwa, a moc silnika spada.

Filtr musi być odporny na wysokie temperatury, drgania i inne obciążenia przez wiele tysięcy kilometrów. Poza tym cząstki powinny być likwidowane w prosty i szybki sposób (regeneracja filtra). Korpus filtra może być zbudowany z materiału ceramicznego – węglika krzemu (SiC) lub kordierytu – oraz metalu. Do tej pory większość filtrów wytwarzano z węglika krzemu. Kordieryt, z którego produkuje się także filtry do silników benzynowych, nie nadaje się tak dobrze na filtry cząstek stałych.

Wszystkie materiały wymagają bardzo dużej powierzchni filtra i dużej pojemności. Filtry metalowe są zwijane podobnie jak metalowe katalizatory w silnikach benzynowych. Struktura kanałowa jest jednak otwarta i dlatego przeciwciśnienie spalin w porównaniu z filtrami ceramicznymi jest mniejsze. W przypadku wariantów ceramicznych korzystna okazała się struktura komórkowa.

Zasada działania filtra ceramicznego.
Zasada działania filtra ceramicznego: wyraźnie widać bocznie zamknięte kanały spalinowe. Źródło: archiwum „autoEXPERTA”

Bierne i aktywne

Kanały ceramiczne są szczelnie zamknięte po obu stronach. Wymusza to przepływ spalin przez ściany kanałów. Cząstki pozostają w porach ścian materiału ceramicznego i na powierzchni. W przypadku filtra ze spieków metalowych sadza osadza się także w porach i na powierzchni. Zamiast kanałów filtr ten ma kieszenie. Osadzone cząstki stałe są spalane po określonym czasie. Wówczas sadza zmienia się głównie w dwutlenek węgla (CO2) i wodę (H2O). Poza tym z sadzy i oleju silnikowego powstaje popiół.

Aby sadza mogła się spalić, temperatura spalin musi być wyższa niż jej temperatura zapłonu, czyli musi wynosić około 550°C. Problem, jaki pojawia się w codziennym ruchu miejskim, polega jednak na tym, że spaliny nie zawsze mają odpowiednią temperaturę. Aby wyrównać ten deficyt, temperatura musi być okresowo podnoszona albo obniżana. Często obie możliwości łączą się ze sobą. Można przy tym wykorzystać kilka systemów:

  • bierny – dodatki, powłoka katalityczna,
  • aktywny – środki podejmowane w zakresie silnika, takie jak wtrysk dodatkowy.

Zwykle systemy bierne uzupełniane są wtryskiem dodatkowym.

Pionierski Peugeot

Peugeot 607 był w połowie 2000 r. pierwszym samochodem osobowym z filtrem cząstek stałych. Do dziś PSA Citroën i Peugeot stawia na dodatki i ma już doświadczenie oparte na kilku milionach systemów.

W metodzie stosowanej w Peugeotach i Citroënach wykorzystuje się dodatek Eolys
W metodzie stosowanej w Peugeotach i Citroënach wykorzystuje się dodatek Eolys, który obniża temperaturę regeneracji filtra. Źródło: Stellantis/PSA

Zawarte w spalinach cząstki stałe są zbierane w filtrze, który znajduje się za zwykłym katalizatorem utleniającym. W regularnych odstępach czasu wynoszących ok. 700 km następuje ich spalanie. Jeżeli temperatura spalin nie jest wystarczająca, jej wzrost o ok. 100°C osiąga się najpierw za pomocą układu wtryskowego, poprzez wtrysk dodatkowy na końcu suwu roboczego. Węglowodory niespalone przy wtrysku dodatkowym ulegają przemianie w katalizatorze utleniającym, który podnosi przy tym jeszcze raz temperaturę spalin o taką samą wartość. W ten sposób osiąga się poziom 450°C, który wciąż jednak nie jest wystarczający do spalania sadzy.

W specjalnym zbiorniku w samochodach PSA przewożony jest dodatek Eolys, który dodawany jest do oleju napędowego przy każdym tankowaniu. Podstawą chemiczną tego płynu jest tlenek ceru, a ilość domieszkowana do paliwa wynosi 37,5 ml dodatku na 60 l oleju napędowego.

Dodatek ten pełni funkcję utleniacza, dzięki któremu obniża się temperatura aktywacji filtra cząstek stałych, a w spalinach dodatkowo znajduje się ilość tlenu, która wystarcza do utleniania węgla w filtrze. Wadą tego rozwiązania jest to, że w filtrze akumulowane są cząsteczki ceru, który z czasem przyczynia się do zatykania filtra. Oprócz tego do zatykania się filtra prowadzą typowe sytuacje, czyli obecność popiołów powstałych ze spalania paliwa i oleju oraz resztek sadzy, które zalegają po regeneracji.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Kolejne generacje mokrych filtrów cząstek stałych mają zmodyfikowaną strukturę i korzystają z nowego rodzaju płynu aktywacyjnego. Dzięki temu filtry te z powodzeniem osiągają przebiegi przekraczające 250 tys. km.

Dlaczego DPF się zatyka?

W przypadku filtrów cząstek stałych najczęstszą awarią jest ich zapchanie. Przyczynia się do tego jazda głównie w ruchu miejskim z częstym i gwałtownym przyspieszaniem na niskich obrotach.

Przyczyną uszkodzenia DPF-ów może być także stosowanie niewłaściwego oleju. Powinno się używać specjalnych olejów do aut z filtrami DPF. Szybsze zapychanie się filtra może być też następstwem zużycia wtryskiwaczy, świec żarowych i pierścieni tłokowych, uszkodzenia turbosprężarki lub przepływomierza powietrza. Do zapychania się DPF-ów przyczynia się nawet zbyt rzadka wymiana filtra powietrza.

Częstą przyczyną niesprawności filtra DPF jest także nieprawidłowa praca systemu samooczyszczania spalin (czujników temperatury, czujnika różnicy ciśnień, sondy lambda), uszkodzenie silnika i tzw. branie oleju. Niesprawny układ wtryskowy, układ turbosprężarki, zawór EGR, nieszczelności na dolocie powietrza, recyrkulacja spalin, a także jazda w mieście skracają żywotność filtra cząstek stałych. Nie są jednak bezpośrednią przyczyną jego uszkodzenia.

Generalnie trzeba pamiętać, że filtr cząstek stałych jest częścią eksploatacyjną i jak wiele innych elementów w pojeździe zużywa się i wymaga wymiany. Producenci podają, że średnio w pojazdach osobowych filtr jest do wymiany po przejechaniu ok. 120–180 tys. km. Wszystkie awarie silnika, uszkodzenie uszczelki pod głowicą, układu rozrządu mogą wpływać na uszkodzenie DPF.

Ciekawa jest też zależność, jaka zachodzi między pracą turbosprężarki a filtrem DPF. Kiedy filtr DPF staje się coraz bardziej zblokowany, rośnie ciśnienie zwrotne spalin, które w rezultacie powoduje, że gazy spalinowe naruszają uszczelnienia turbosprężarki. Gorące gazy spalinowe zwęglają olej na uszczelnieniu, które przeznaczone jest do utrzymania spalin na zewnątrz turbiny a oleju wewnątrz niej. W rezultacie pojawia się wyciek oleju odpowiedzialnego za smarowanie turbosprężarki.

Z biegiem czasu pojawia się dym, turbo zaczyna wydawać niepożądane odgłosy przy przyspieszaniu itp. Wyciekający olej sprawia, że filtr DPF blokuje się jeszcze bardziej i powoduje jeszcze większy wzrost ciśnienia zwrotnego.

Tak więc – koło się zamyka, a działanie filtra DPF jest blokowane lawinowo przez to, że staje się on coraz bardziej zatkany.

Artykuł ukazał się w czasopiśmie
Reklama

O Autorze

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama