Od czasów wprowadzenia pierwszego filtra cząstek stałych do masowo produkowanych samochodów minęły już ponad 22 lata. W tym czasie urządzenie to wzbudzało mieszane uczucia zarówno wśród serwisantów, jak i właścicieli aut. W międzyczasie stało się ono również obowiązkowym elementem wyposażenia samochodów spalinowych. Nie ma więc możliwości zakupu nowego auta z silnikiem diesla, które by go nie posiadało. W tym artykule postaramy się wyjaśnić, co doprowadziło do powstania filtrów DPF, jak wygląda ich zasada działania, a także co możemy zrobić, aby samochód nie tracił przez nie mocy.

Cząstki stałe

Kiedy mówimy o emisjach spalin, zwykle jako pierwsze przychodzą nam na myśl tlenki azotu, niespalone węglowodory i tlenki węgla, a mówiąc konkretniej dwutlenek węgla, który – choć sam w sobie nietoksyczny – jest przyczyną efektu cieplarnianego.

Rzadko jednak do tej pory mowa była o cząstkach stałych.

Mniej więcej pięćdziesiąt lat temu po raz pierwszy opublikowano badania, które potwierdziły, że spaliny zawierają pozostałe po spalaniu grupy cząstek, które mogą powodować poważne uszkodzenia w ludzkim organizmie, jeśli wejdą z nim w styczność. Znaczna część spośród tych cząstek to sadza, której obecność wskazuje na niepełne spalanie zachodzące w komorze cylindra.

Sadzę wytwarzają w pewnym stopniu wszystkie silniki spalinowe, choć jednostki z bezpośrednim wtryskiem emitują jej zdecydowanie więcej. Powodem jest fakt, że podczas bezpośredniego wtrysku paliwo i powietrze nie mają dostatecznego czasu ani przestrzeni na uzyskanie jednorodnej mieszaniny. Spalenie takiej niejednorodnej mieszanki prowadzi do powstania sadzy.

Szczególnie poważnym zagrożeniem pod tym względem są silniki wysokoprężne z bezpośrednim wtryskiem, ponieważ olej napędowy jest paliwem niższej jakości niż benzyna, więc w wyniku jego spalania powstaje oczywiście więcej „produktów ubocznych”.

Nie bez znaczenia jest oczywiście jakość samego oleju napędowego czy benzyny. Samochód napędzany paliwem o wysokiej zawartości siarki z pewnością będzie wytwarzał więcej cząstek stałych. Kolejnym znaczącym czynnikiem jest również ciśnienie wtrysku.

Nie ma zgody wśród naukowców co do dokładnego rozmiaru cząstek, które można uznać za szkodliwe, dlatego przepisy prawne zmieniały się kilkakrotnie na przestrzeni lat. Obecnie, w zależności od regionu, filtry mogą wychwytywać cząstki o wielkości 1 mikrometra, a nawet mniejsze – do 0,1 mikrometra, co stanowi 1/700 średnicy ludzkiego włosa.

Zasada działania

Anglojęzyczna nazwa DPF (Diesel Particulate Filter) nie jest w pełni poprawna, gdyż urządzenia tego typu nie występują wyłącznie w samochodach z silnikiem Diesla. Jeśli chodzi o samochody benzynowe, to bardziej trafną nazwą byłby skrót OPF lub GPF (Otto Particle Filter/Gasoline Particulate Filter).

Filtry cząstek stałych zazwyczaj usuwają 85% lub więcej sadzy, a w pewnych warunkach mogą osiągnąć skuteczność zbliżoną do 100%.

Niektóre filtry są jednorazowe i wymagają wymiany, gdy zapełnią się nagromadzonym osadem – ich stosowanie nie jest jednak szeroko rozpowszechnione w Europie. Natomiast wersja, o której tutaj piszemy, spala nagromadzone cząstki w sposób pasywny za pomocą katalizatora lub za pomocą środków aktywnych, takich jak palnik paliwowy, który podgrzewa filtr, aż sadza wypali się z układu. Osiąga się to poprzez zaprogramowanie silnika spalinowego tak, aby zwiększał temperaturę spalin, gdy filtr się zapełnia, a układ wydechowy wtryskuje benzynę/olej napędowy do strumienia powietrza wylotowego za pośrednictwem dodatkowego wtryskiwacza. Zapłon sadzy następuje pod wpływem temperatury, po czym zachodzi jej utlenianie. Cały ten proces nosi miano „regeneracji”.

Funkcja ta aktywuje się przy wyższych prędkościach, dlatego pojazdy, które poruszają się z niewielką prędkością, głównie w ruchu miejskim często nie są w stanie aktywować programu regeneracji. W takich przypadkach szybka przejażdżka autostradą jest jak najbardziej wskazana.

Jeśli kierowca zignoruje lampkę ostrzegawczą i będzie czekał zbyt długo, filtr cząstek stałych może ulec uszkodzeniu, co będzie wiązało się z koniecznością jego wymiany. Niektóre nowsze silniki wysokoprężne są również w stanie przeprowadzić tak zwaną regenerację postojową, w której silnik zwiększa obroty na minutę do około 1400 podczas parkowania, podnosząc tym samym temperaturę spalin.

Konserwacja i naprawa

Filtr może się zapchać podczas użytkowania, nawet jeśli regeneracja jest przeprowadzana regularnie. Ogólnie rzecz biorąc, trudno jest określić, kiedy filtr osiąga krytyczną zawartość popiołu i sadzy, a jeszcze trudniej jest określić, po ilu kilometrach osiąga ją konkretny samochód, ponieważ – jak wspomniano powyżej – zależy to od wielu czynników. Ogólnie rzecz biorąc, filtr może przechowywać 40-60 gramów sadzy na decymetr sześcienny. Pokładowy system monitorowania stanu filtra oblicza aktualną zawartość popiołu w filtrze i wskazuje wartość zapełnienia, po której uzasadnione jest usunięcie filtra DPF.

Różnica ciśnień jest parametrem, na podstawie którego diagnostyka może oszacować stopień zapchania, czyli różnicę między wartością ciśnienia przed i za filtrem cząstek stałych. W przypadku nowego samochodu wartość ta musi być mniejsza niż 10 milibarów na biegu jałowym. Podczas gdy w samochodach z przebiegiem, system wskazuje 15-17 milibarów na biegu jałowym i 40-60 milibarów przy około 2500 obrotach. Podczas jazdy w przypadku silnika wysokoprężnego wartość ta może nawet wzrosnąć powyżej 205 milibarów na płaskiej drodze.

Wśród serwisantów zdania są podzielone co do tego, czy w przypadku zapchania należy zastosować czyszczenie, czy wymianę. Generalnie oczywiście zalecana jest wymiana, ale ze względu na korzystniejsze warunki finansowe, użytkownicy często decydują się na czyszczenie.

Podstawowa zasada tego procesu jest zawsze taka sama: medium jest przepuszczane w kierunku przeciwnym do przepływu gazów. W zależności od metody może to być powietrze, woda lub inny środek czyszczący. Sadza nie wchodzi w reakcję chemiczną z filtrem, cząsteczki zostają po prostu uwięzione w ceramice, dzięki czemu można ją oczyścić mechanicznie.