Rozwój motoryzacji ma ogromny wpływ na środowisko, zatem ograniczenie emisji zanieczyszczeń pozostaje jednym z priorytetów stawianych dziś konstruktorom. Wprowadzenie systemu wtrysku Common Rail zapewnia wysokie osiągi silnika, mniejsze zużycie paliwa oraz ograniczenie emisji szkodliwych substancji do środowiska. Pomimo tych pozytywów, nadal duży problem stanowią cząstki stałe w spalinach, wyrzucane podczas gwałtownych przyspieszeń pojazdu lub pracy silnika na znacznych wysokościach nad poziomem morza, gdzie gęstość powietrza jest mniejsza.

Cząstki stałe tworzą się w trakcie procesu spalania głównie w silnikach wysokoprężnych, w wyniku ubogiego lub niecałkowitego spalania. Wynika to z faktu, że w pewnych obszarach mieszanka paliwowo-powietrzna jest zbyt bogata, co uniemożliwia całkowite spalenie oleju napędowego ze względu na brak tlenu. Zmniejszenie emisji cząstek stałych w silniku Diesla w wielkim stopniu zależy od konstrukcji kolektora dolotowego i komory spalania, jak również od ciśnienia wtrysku paliwa. Wszystkie te czynniki mają wpływ na tworzenie się jednorodnej mieszanki w całej objętości komory spalania. 

W skład cząstki stałej (rys. 1) wchodzi rdzeń węglowy, na którym osadzają się węglowodory, tlenki metali, siarczany i woda. Średni wielkość cząstki wynosi ok. 0,09 µm.

Rys. 1. Cząstka stała: 1 – węgiel, 2 – węglowodory, 3 – siarczany, 4 – tlenki metali, 5 – woda
 

Norma czystości spalin Euro IV dwukrotnie ogranicza emisję cząstek stałych w porównaniu z normą Euro III. Zawartość cząstek stałych w spalinach wynosi odpowiednio dla: Euro III – 0,05 g/km, Euro IV – 0,025 g/km. Odpowiedzią konstruktorów na wymagania stawiane przez normę Euro IV jest wprowadzenie do konstrukcji układu wydechowego filtra cząstek stałych. 

Filtr cząstek stałych (rys. 2) znajduje się w układzie wydechowym, za katalizatorem. Jest zbudowany z jednolitego elementu wykonanego ze specjalnego materiału ceramicznego umieszczonego w metalowej obudowie. Jego budowa (rys.3) zbliżona jest do tradycyjnego katalizatora. Zasadniczą różnicą w przypadku filtra cząstek stałych jest to, że jeden z dwóch kanałów jest ślepy.

Rys. 2. Filtr cząstek stałych znajduje się w układzie wydechowym, za katalizatorem
 

Ścianki obu kanałów są wykonane z węglika krzemu pokrytego tlenkiem glinu, tlenkiem ceru i są na nich osadzone cząstki platyny. Na wlocie do filtra zgromadzenie cząstek platyny jest większe, aby wyeliminować jej niszczenie wskutek wysokiej temperatury. Porowata struktura materiału znajdującego się pomiędzy kanałami, umożliwia przenikanie gazów spalinowych. Dzięki tej budowie cząstki stałe zostają zatrzymane w ściankach oraz na dnie zatkanych kanałów.

Rys. 3. Budowa filtra cząstek stałych
 

Gromadzenie się cząstek stałych w filtrze wymaga systematycznego ich usuwania w celu uniknięcia przepełnienia filtra, a w konsekwencji – doprowadzenia do niedrożności układu wydechowego.

Nagromadzenie cząstek w filtrze powoduje wzrost przeciwciśnienia wydechu. Kiedy zostanie osiągnięta wartość progowa napełnienia, zachodzi konieczność regeneracji filtra cząstek stałych przez spalenie w temperaturze 550˚C. Po regeneracji pusty filtr cząstek stałych zostaje ponownie napełniany, aż do wzrostu przeciwciśnienia wydechu. Napełnianie i regeneracja odbywają się cyklicznie.

Występują dwa cykle regeneracji: pasywny i aktywny. Różnica między nimi polega na tym, że moduł sterujący silnika nie bierze udziału w procesie pasywnym, natomiast steruje procesem aktywnym.
W przypadku, gdy regeneracja filtra cząstek stałych nie powiodła się w tych cyklach, możliwe jest dokonanie tego procesu za pomocą przyrządu diagnostycznego i regeneracji serwisowej filtra.

Regeneracja serwisowa FAP

Regeneracja serwisowa filtra cząstek stałych obejmuje trzy fazy: rozgrzewania, przejścia do wtrysku specyficznego, chłodzenia.

Faza pierwsza polega na automatycznym zwiększeniu prędkości obrotowej silnika do 1500 obr/min i utrzymaniu jej do momentu osiągnięcia przez silnik odpowiedniej temperatury (90˚C płynu chłodzącego). Celem tej fazy jest doprowadzenie do rozpoczęcia pracy katalizatora utleniającego. 

Faza druga polega na tym, że sterownik wtrysku przechodzi w stan wtrysku specyficznego (przesunięcie faz wtrysku zgodnie z obrotem wału korbowego i dodatkowy wtrysk po tych fazach). Zadaniem tej fazy jest spalenie cząstek stałych w filtrze przez podwyższenie temperatury gazów spalinowych. Czas tej fazy jest uzależniony od początkowego poziomu napełnienia filtra cząstek stałych i nie może przekroczyć 20 min.

Faza trzecia polega na utrzymaniu przez ok. 3 min zwiększonej prędkości obrotowej silnika (1500 obr/min) i wprowadzeniu wtrysku zwykłego. Zadaniem tej fazy jest uniknięcie szoku termicznego w filtrze cząstek stałych. Wprowadzenie strumienia cieplnego gazów spalinowych do filtra zapobiega szybkiemu schłodzeniu.

Tak jak wspomniano na początku, odpowiedzią konstruktorów na spełnienie przez silnik normy Euro IV jest wprowadzenie do konstrukcji układu wydechowego filtra cząstek stałych. Oprócz ograniczenia emisji substancji szkodliwych do środowiska, system filtra cząstek stałych powinien współpracować z pokładowym systemem diagnostycznym OBD II/EOBD. Uszkodzenie filtra oraz jego zatkanie powinno skutkować występowaniem zarejestrowanego kodu usterki w module elektronicznym, sygnalizowanego kontrolką MIL. Wprowadzenie tego rozwiązania wymaga stosowania specjalnych dodatków do paliwa (zawierających cerynę w celu obniżenia temperatury spalania cząstek), a także specjalny olej silnikowy (zawierający zmniejszoną ilość popiołów).

Autor: inż. Karol Rytel
Artykuł ukazał się w numerze 6/2008 „Serwisu Motoryzacyjnego”