Filtry cząstek stałych

Coraz bardziej restrykcyjne normy emisji spalin sprawiły, że konstruktorzy silników zasilanych olejem napędowym stanęli przed nie lada wyzwaniem. Musieli bowiem znaleźć sposób na znaczne ograniczenie ilości szkodliwych substancji uwalnianych do środowiska podczas pracy jednostek wysokoprężnych. Rozwiązaniem okazały się filtry cząstek stałych.

inż. Mariusz Barański:

Trochę historii

Pierwsze filtry cząstek stałych trafiły do samochodów osobowych w połowie lat osiemdziesiątych dwudziestego wieku. To właśnie wtedy takie urządzenie zastosowano w wysokoprężnej wersji Mercedesa klasy S typu W126, przeznaczonej na rynek USA. Nowatorskie rozwiązanie nie do końca jednak spełniło oczekiwania i po niedługim czasie zrezygnowano z niego. Kilkanaście lat później do pomysłu powrócił francuski koncern PSA Peugeot-Citroen, który w 2000 roku zastosował filtr cząstek stałych w Peugeocie 607 2.2 HDi. Urządzenie szybko zaczęło zyskiwać na popularności, a od 2009 roku, po wejściu w życie normy Euro 5, nie może się bez niego obejść żaden nowy samochód z silnikiem Diesla, sprzedawany na terenie Europy.

Jak to działa?

Budowa filtra cząstek stałych nie jest zbyt skomplikowana. Mówiąc kolokwialnie, to po prostu metalowa puszka, w której znajduje się porowaty wkład ceramiczny. Całość umieszczona jest najczęściej w przedniej części układu wydechowego, na drodze przepływu spalin. Zadanie filtra polega na wychwyceniu, a następnie wypaleniu cząstek stałych (sadzy), powstających w wyniku spalania oleju napędowego. Wypalanie sadzy odbywa się cyklicznie, w momencie, gdy filtr jest napełniony w odpowiednim stopniu. Za kontrolowanie stopnia napełnienia filtra odpowiadają czujniki ciśnienia spalin, umieszczone przed i za urządzeniem. Jeżeli różnica ciśnień osiągnie graniczną wartość informacja o tym zostaje przekazana sterownikowi silnika, który w takiej sytuacji inicjuje proces wypalania sadzy. Regeneracja filtra zachodzi najłatwiej w trakcie jazdy pozamiejskiej, gdy silnik pracuje pod dużym obciążeniem. Sprawa komplikuje się podczas jazdy miejskiej. W takich warunkach dużo trudniej jest osiągnąć temperaturę spalin, wymaganą do oczyszczenia filtra. Problem ten rozwiązano na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest obniżenie temperatury zapłonu sadzy, natomiast drugim - sztuczne podwyższenie temperatury spalin do poziomu umożliwiającego regenerację filtra.

FAP kontra DPF

Producenci samochodów stosują dwa rodzaje filtrów cząstek stałych: FAP i DPF. Różnią się one sposobem oczyszczania z sadzy. Filtry FAP (z fr. filtre a particules), zwane filtrami mokrymi, to domena francuskiego koncernu PSA. Są to urządzenia obsługowe, ponieważ do prawidłowej pracy wymagają regularnego uzupełniania specjalnego płynu, który obniża temperaturę zapłonu sadzy. Płyn ten znajduje się w kilkulitrowym zbiorniku umieszczonym obok baku paliwa i jest automatycznie dodawany do oleju napędowego podczas tankowania. Procesem steruje komputer, który na podstawie wzrostu ilości paliwa decyduje o tym, ile płynu należy dolać, aby zachować odpowiednie proporcje. Dodatek w oleju napędowym sprawia, że zapłon i wypalenie sadzy w filtrze zachodzi już w temperaturze około 300°C. Obniżenie temperatury wypalania cząstek stałych sprawia, że nie ma tutaj konieczności sztucznego podwyższania temperatury gazów wydechowych do wartości umożliwiającej zapłon sadzy (ma to znaczenie podczas jazdy miejskiej). Zupełnie inaczej jest natomiast w przypadku filtrów DPF (z ang. diesel particulate filter), zwanych też filtrami suchymi. W założeniu miały one być bardziej przyjazne i mniej problematyczne niż filtry mokre. DPF, w przeciwieństwie do FAP-u, jest urządzeniem bezobsługowym i nie wymaga żadnego dodatku do paliwa. Aby doszło tutaj do zapłonu sadzy temperatura gazów wydechowych musi wynosić około 550-600°C. W warunkach jazdy pozamiejskiej, przy znacznym obciążeniu silnika, takie wartości osiągane są bez większych problemów. Jednak w mieście, przy stosunkowo niewielkim obciążeniu jednostki napędowej, konieczne jest sztuczne podniesienie temperatury spalin do wymaganego poziomu. Realizuje się to poprzez wtrysk zwiększonej ilości paliwa (w efekcie jego część spala się jeszcze w układzie wydechowym) oraz samoczynne włączenie pokładowych odbiorników prądu.

Zalety i wady

Każde z przedstawionych wyżej rozwiązań ma zarówno zalety, jak i wady. FAP, ze względu na brak konieczności sztucznego podwyższania temperatury spalin, nie sprawia problemów podczas jazdy miejskiej. Z drugiej jednak strony wymaga okresowego uzupełniania płynu obniżającego temperaturę wypalania sadzy, który nie należy niestety do najtańszych. Eksploatując samochód wyposażony w mokry filtr cząstek stałych należy unikać tankowania niewielkich ilości oleju napędowego, ponieważ system dozujący dodatek może tego nie odnotować. W efekcie płyn nie zostanie zaaplikowany do paliwa, co z kolei uniemożliwi regenerację filtra. Ze względu na obecność w płynie cząsteczek metali, które w sposób nieodwracalny zapychają filtr, FAP wymaga częstszej wymiany niż DPF. Filtr suchy w prawidłowo eksploatowanym samochodzie jest w stanie wytrzymać znacznie większy przebieg. Jego zaleta to także bezobsługowość. Wadą DPF-u jest natomiast kłopot z wypaleniem sadzy podczas jazdy miejskiej, wynikający z częstych postojów (sygnalizacja świetlna, korek itp.). Problem pojawia się w momencie, gdy regeneracja filtra zostaje rozpoczęta tuż przed wymuszonym zatrzymaniem pojazdu. Przymusowy postój przerywa proces oczyszczania urządzenia. W konsekwencji nadmiar paliwa dostarczony do cylindrów nie ulega spaleniu i spływa do miski olejowej. Jeżeli taka sytuacja powtarza się cyklicznie, olej silnikowy staje się coraz bardziej rozrzedzony, co w oczywisty sposób pogarsza jego właściwości smarne. Nie trzeba chyba tłumaczyć, jak bardzo niekorzystne jest to zjawisko z punktu widzenia trwałości jednostki napędowej.

Porady eksploatacyjne

Jeżdżąc samochodem z filtrem cząstek stałych należy pamiętać o pewnych zaleceniach eksploatacyjnych. Przede wszystkim warto od czasu do czasu odbyć jazdę pozamiejską, ponieważ w takich warunkach wypalanie sadzy zachodzi najłatwiej (dotyczy to szczególnie DPF-u). Niezwykle istotne jest również dbanie o dobrą kondycję silnika. Nieszczelności w układzie dolotowym, zużycie wtryskiwaczy, turbosprężarki czy pierścieni tłokowych - wszystko to sprawia, że sadza wytwarzana jest w nadmiernej ilości, co z kolei negatywnie wpływa na filtr. Podobny efekt przynosi wciskanie pedału gazu do oporu na niskich obrotach. Trwałość filtra cząstek stałych można wydłużyć poprzez tankowanie oleju napędowego wysokiej jakości. Trzeba mieć to na uwadze, ponieważ zarówno zanieczyszczenia zawarte w paliwie, jak i zbyt duża zawartość biokomponentów przyczyniają się do szybkiego zapchania filtra. Istotne jest również stosowanie specjalnego niskopopiołowego oleju silnikowego, stworzonego specjalnie dla jednostek wysokoprężnych z filtrem cząstek stałych. Warto również wiedzieć, że FAP-y i DPF-y niezbyt dobrze znoszą tuning silnika, dlatego w tym przypadku lepiej darować sobie zabiegi podnoszące moc.

Czyścić czy wymieniać?

Jeżeli filtr cząstek stałych nie jest w stanie samodzielnie oczyścić się z sadzy podczas jazdy należy niezwłocznie odwiedzić serwis. Samochód trafia wtedy na stanowisko diagnostyczne, gdzie filtr poddawany jest wymuszonemu wypalaniu cząstek stałych. Jeżeli nie przynosi to rezultatu, pozostaje jeszcze czyszczenie filtra przy pomocy specjalnych środków chemicznych, które rozpuszczają nagromadzoną sadzę. Trzeba jednak zdawać sobie sprawę, że taki zabieg nie przywraca urządzeniu pierwotnej sprawności. Najlepiej jest oczywiście wymienić filtr na nowy, co niestety wiąże się z wysokimi kosztami. Czasami jednak okazuje się to jedynym wyjściem z sytuacji.