Filtr cząstek stałych – czym jest i do czego służy?

Filtr cząstek stałych jak żaden inny element w samochodzie pokazuje, że współczesne auto, zwłaszcza z dieslem, nie jest konstruowane z myślą o jeździe po mieście. To element, który nie wytrzyma długo w takich warunkach, a gdy wymaga wymiany, trzeba się liczyć z ogromnymi wydatkami.

Duża popularność samochodów z silnikami Diesla sprawiła, że w dużych miastach zrobiło się gęsto od spalin. I to tych najgorszych, z cząstkami stałymi, których najwięcej wytwarzają silniki zasilane olejem napędowym. Niestety, cząstki stałe (sadza) są niezwykle trujące. Co gorsza, cząstki stałe są tak małe, że bez trudu dostają się do naszego układu oddechowego, a nawet krwionośnego.

W miastach, po których jeździ dużo pojazdów z silnikami Diesla, znacząco wzrasta ryzyko zachorowania na raka, ponieważ cząstki stałe są silnie rakotwórcze. Dlatego powinniśmy dziękować twórcom normy emisji spalin Euro 4 (ograniczyła ona ilość cząstek sadzy pięciokrotnie).

Filtry cząstek stałych zaczęli stosować na szerszą skalę najpierw Francuzi. Jeszcze w latach 90. można było kupić auto z silnikiem HDi wyposażonym opcjonalnie w FAP. Radykalnie sytuację zmieniła norma Euro 4, wprowadzona w 2005 roku. Wymusiła ona stosowanie filtrów, choć niektórzy producenci tego uniknęli. Po wprowadzeniu normy Euro 5 (2009 rok) nie było już możliwości nieużywania filtrów. Obecnie najnowsza norma Euro 6d-temp sprawia, że filtr cząstek stałych (GPF) jest już montowany na dużą skalę w silnikach benzynowych, zwłaszcza wyposażonych w bezpośredni wtrysk paliwa.

Cząstki stałe silników Diesla są mieszaniną sadzy i rozpuszczonej frakcji organicznej, a także niespalonych węglowodorów. Duża emisja sadzy następuje podczas rozruchu silnika i jego pracy w niskiej temperaturze. Każde mocniejsze otwarcie przepustnicy to również większa emisja sadzy, zwłaszcza na niskich obrotach, gdy do silnika zostaje podana większa dawka paliwa.

Filtry cząstek stałych spełniają dwie zasadnicze funkcje. Pierwszą jest zatrzymywanie cząstek stałych wydobywających się z silnika, a drugą ich wypalanie wewnątrz filtra. Dzięki wypalaniu cząstek, filtr ma dłuższą trwałość, niż gdyby ten proces nie zachodził. Właśnie przez brak wypalania jest tak wiele problemów z eksploatacją tego urządzenia.

FAP (z fr. filtre à particules) i DPF (z ang. diesel particulate filter) to dwa najpopularniejsze skróty używane zamiennie jako nazwa filtra cząstek stałych. Obecnie jest to także GPF, czyli gasoline particulate filter.

Jest to zasadniczo proste urządzenie stanowiące część układu wydechowego, zamontowane za katalizatorem. Puszka, w której znajduje się filtr, wykonana jest zwykle z wysokiej jakości stali nierdzewnej. Wewnątrz niej jest już ceramiczny korpus filtra. Wnętrze korpusu to bardzo zagęszczone kanały, ustawione równolegle względem siebie, tworzące siatkę. Kanały są zamknięte z jednej strony, naprzemiennie od strony dolotowej i wylotowej. Dzięki temu spaliny są zmuszone do przebijania się przez ścianki kanałów wlotowych, by przedostać się do wylotowych, zostawiając na ściankach cząstki sadzy.

Ściany kanałów zrobione są z węglika krzemu pokrytego tlenkiem glinu i tlenkiem ceru, a na nich osadzone są cząstki platyny. Platyna to materiał bardzo drogi i niestety niszczy się pod wpływem wysokiej temperatury, stąd biorą się czasami abstrakcyjne ceny filtrów cząstek stałych. Firma Bosch zaprojektowała nieco inny filtr, w którym zamiast ceramiki użyto spieków metalowych. Według deklaracji producenta ma on wytrzymać tyle, co całe auto.

Poza samym filtrem potrzebna jest jeszcze odpowiednia aparatura nim zarządzająca. Sterownik silnika otrzymuje informację o tym, co się dzieje wewnątrz filtra, by móc odpowiednio zarządzać procesem wypalania sadzy. Dlatego stosuje się czujniki temperatury przed i za filtrem oraz szerokopasmową sondę lambda, która informuje o jakości spalin wydobywających się z filtra. Za filtrem umieszcza się również czujnik ciśnienia wskazujący stopień napełnienia filtra sadzą.