Adamczyk Serwis

Filtry cząstek stałych DPF/FAP

Coraz wyższe wymagania dotyczące czystości emisji spalin, zmusiły producentów samochodów do stosowania filtrów cząstek stałych w samochodach z silnikami wysokoprężnymi. Ich ceny są często zawrotne.

Filtry cząstek stałych zazwyczaj nazywane są skrótowo – FAP (z francuskiego filtre à particules) bądź DPF (z angielskiego diesel particulate filter). Obie oznaczają ten sam element i zależnie od koncernu możemy spotkać się z jednym z tych dwóch skrótów. Wprowadzenie tego typu filtru do samochodów zapoczątkowała norma spalin Euro IV, która dwukrotnie ograniczyła emisję cząstek stałych w porównaniu z normą Euro III. Termin cząstki stałe, odnosi się po prostu do sadzy powstałej w wyniku niecałkowitego spalania paliwa. W skład takiej cząstki wchodzi przede wszystkim węgiel i węglowodór, a także siarczany, tlenki siarki i metali oraz woda.

Zadaniem tego filtra jak sama nazwa wskazuje jest ograniczenie emisji cząstek stałych, czyli sadzy. Znajduje się on w układzie wydechowym zwykle za katalizatorem. Jego stosowanie wymusza instalację także kilku innych elementów niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania filtra, jak np. czujnika ciśnienia, czujnika temperatury przed i za filtrem, szerokopasmowej sondy lambda. Informacje z nich zbierane są do sterownika silnika, który przy pomocy oprogramowania oblicza poziom nasycenia filtra i steruje procesem regeneracji.

Filtr cząstek stałych zbudowany jest z ceramicznego korpusu umieszczonego w metalowej obudowie, która najczęściej wykonana jest ze stali nierdzewnej ze względu na swoją żywotność. Wewnątrz korpus jest podzielony na niewielkie kanały ułożone względem siebie równolegle. Każdy z nich ma zatkany (zamknięty) jeden z końców – albo od strony dolotowej, albo od strony wylotowej. Ułożone są naprzemiennie aby tworzyć pewnego rodzaju siatkę.

Kanały zatkane po stronie wylotowej, nazywane są kanałami wlotowymi – to nimi spaliny wpadają do filtra. Natomiast kanały z zamkniętymi końcami po stronie dolotowej, to kanały wylotowe, którędy wydostają się spaliny. Jak sami widzicie, takie ułożenie wymusza na spalinach przepływ przez porowate ścianki poszczególnych kanałów.

Wykonane są one z węglika krzemu pokrytego tlenkiem glinu i tlenkiem ceru, a na nich osadzone są cząstki platyny. Stężenie tych ostatnich jest nieco większe na wlocie do filtra, jako że podczas procesu regeneracji, wysoka temperatura może spowodować niszczenie cząstek platyny. Ścianki kanałów są porowate, dzięki czemu umożliwiają przepływ spalin, a zatrzymują i gromadzą cząstki sadzy.

Jak można się domyślać, po pewnym czasie nagromadzenie cząstek stałych jest na tyle duże, że prowadzi do zapchania filtra, co utrudnia przepływ spalin. W tym celu stosowane są różne metody jego regeneracji.

Filtr cząstek stałych ma za zadanie oczyszczać spaliny z sadzy. Większość znanych nam filtrów w samochodzie zazwyczaj wymienia się po ich nadmiernym zanieczyszczeniu. W przypadku FAP/DPF-a podlegają one regeneracji bez demontażu z samochodu.

Oczywiście nie zawsze, bo istnieją także filtry cząstek stałych jednorazowe, które po napełnieniu wymienia się na nowe, ale stosowane są one tylko w części pojazdów. W większości przypadków mamy do czynienia z filtrami, które podlegają regeneracji. Może się ona różnić zależnie od tego, czy jest to filtr mokry czy suchy.

Spaliny wpadają do kanałów wlotowych filtra, które na końcu są zaślepione. Przedostają się one więc do kanałów wylotowych i opuszczają filtr, ale już ze znacznie mniejszą (bądź zerową) liczbą cząstek stałych. Zatrzymywane są one w kanałach wlotowych, jako że sadza nie jest w stanie przedostać się przez ich ścianki.

Kanały wlotowe mają jednak określoną objętość i nie są w stanie gromadzić cząstek sadzy w nieskończoność. Muszą one być systematycznie usuwane, aby filtr mógł skutecznie odprowadzać spaliny, a jego wydajność zawierała się ciągle w przedziale 85-100. Filtr cząstek stałych opuszcza co najwyżej 15% pierwotnej zawartości zanieczyszczeń w fazie stałej. Usuwanie cząstek stałych następuje w procesie regeneracji, czyli ich wypalania. W filtrach cząstek stałych suchych istnieją dwa rodzaje regeneracji: aktywna i pasywna. W drugim z nich sterownik silnika nie bierze udziału, natomiast steruje regeneracją aktywną.

Regeneracja pasywna zachodzi wówczas, gdy spaliny osiągają temperaturę 350-500^oC bez ingerencji sterownika silnika. W tej temperaturze sadza wchodzi w reakcję z materiałem filtra. Dwutlenek azotu ze spalin reaguje z węglem cząstek sadzy, z czego powstają tlenek węgla oraz tlenek azotu. Te natomiast łączą się z tlenem, tworząc dwutlenki węgla i dwutlenki azotu wydostające się kanałami wylotowymi do atmosfery.

Regeneracja aktywna wymaga wyższej temperatury, bo aż 600^oC, w której to cząstki sadzy nagromadzone w filtrze są spalane. Taka temperatura osiągana jest jednak tylko dzięki ingerencji sterownika silnika. Po wykryciu poziomu nasycenia przekraczającego 50% sterownik silnika dokonuje zmian w parametrach pracy silnika. W większości przypadków jest to np. wyłączenie recyrkulacji spalin w celu zwiększenia ilości tlenu i podwyższenia temperatury spalania, opóźnienie kąta wtrysku i dokonywanie wtrysku dodatkowego, zwiększenie ciśnienia doładowania aby kierowca nie odczuł spadków mocy.

Regeneracja aktywna trwa ok. 5-10 minut i wykonywana jest przeważnie co 200-600 km, zależnie od trybu jazdy kierowcy. Czasem jednak nie ma odpowiednich warunków do wykonania tego typu operacji, np. w jeździe miejskiej, lub jest ona często przerywana przez kierowcę jeszcze przed zakończeniem, na co nie mamy wpływu, ponieważ nie jesteśmy informowani o tym, kiedy przebiega regeneracja. Jeśli następuje znaczne nasycenie filtra, zapala nam się kontrolka filtra cząstek stałych i musimy stworzyć odpowiednie warunki do przeprowadzenia regeneracji aktywnej, np. ciągła jazda pod obciążeniem na autostradzie.

Niestety w takich przypadkach czasem i to nie pomaga i należy udać się na regenerację do serwisu, która nie przywraca pełnej wydajności filtra. Jeśli zapełni się on w 80%, to przeważnie musimy kupić nowy filtr cząstek stałych bądź poddać go zabiegowi czyszczenia w naszym serwisie.

W inny sposób następuje regeneracja mokrych filtrów cząstek stałych. Wykorzystują one specjalny płyn, który regularnie dodawany jest do paliwa. Obniża on temperaturę spalania się sadzy, dzięki czemu możliwa jest regeneracja. Przeważnie zbiorniki z takim płynem mają objętość ok. 5 litrów i wystarcza go na 80-240 tys. km przebiegu w zależności od modelu. W starszych samochodach są to przebiegi w okolicach dolnej granicy.

Silniki z DPF-em wymagają specjalnego oleju.

Zasada działania filtrów cząstek stałych polega na wychwytywaniu i gromadzeniu ich, a

następnie okresowym spalaniu. Naturalne spalanie cząstek następuje w temperaturze ok. 550°C. Ponieważ temperatura spalin wynosi ok. 150°C , trzeba albo ją chwilowo podnieść, albo dzięki specjalnym dodatkom obniżyć temperaturę spalania sadzy. Uzyskuje się to następującymi metodami:

• metoda wtórnego wtrysku w fazie rozprężenia, co powoduje dopalanie w cylindrze i zwiększa temperaturę spalin.
• metoda dodatkowego dopalenia dzięki katalizatorowi utleniającemu umieszczonemu przed filtrem, który przetwarza niespalone węglowodory pochodzące z wtórnego wtrysku.
• metoda dodawania do paliwa substancji, która obniża naturalną temperaturę spalania

Przykładowo przy pełnym wypełnieniu zbiornika paliwa (60 l) system wtryskuje 37,5 ml roztworu. Zbiornik preparatu Eolys o pojemności 5 l jest wystarczający dla przebiegu rzędu 80 tys. km.

Przekrój filtra cząstek stałych

/Bosch

Sterownik rozpoznaje stan zapełnienia filtra m.in. mierząc różnicę ciśnień spalin na wlocie do filtra i na wylocie. Służą do tego charakterystyczne rurki, które prowadzą do czujnika różnicowego.

Rodzaje filtrów

Filtry cząstek można podzielić według wielu kategorii. Poniżej prezentujemy trzy najbardziej popularne rodzaje filtrów.

Wymagające dodatku

Filtry te są wykorzystywane najczęściej w autach francuskich (stąd w mowie potocznej nazywa się je FAP-ami). Wyróżnia je to, że ich eksploatacja wymaga wzbogacania paliwa dodatkiem, który obniża temperaturę spalania sadzy. Dodatek znajduje się w specjalnym zbiorniczku i jest dozowany do baku automatycznie w odpowiedniej proporcji w zależności od ilości zatankowanego paliwa. Rozwiązanie to stosowano przez krótki okres w VW Passatach.

Suche

Filtry te nie wymagają wzbogacania paliwa – są zabudowane tuż za turbosprężarką oraz za katalizatorem tlenków azotu (potocznie nazywamy je DPF-ami). Z tego rozwiązania korzystają producenci niemieccy i japońscy.

Z dodatkowym wtryskiwaczem

W  nielicznych  silnikach  producenci zastosowali filtry cząstek, które mają zainstalowany własny wtryskiwacz paliwa. W chwili kiedy filtr jest zapełniony, wtryskiwacz dawkuje paliwo niezbędne do wypalenia sadzy.