Filtry cząstek stałych
Adobe Stock – MichalWprowadzenie filtrów cząstek stałych w nowych pojazdach z silnikiem Diesla od 2006 r. było odpowiedzią na ogłoszoną wówczas normę emisji spalin EURO IV. Celem tej ambitnej normy było nie tylko zahamowanie emisji szkodliwych pyłów, ale również ograniczenie ilości cząstek stałych emitowanych przez samochody napędzane silnikami wysokoprężnymi.
- Wnętrze filtra DPF składa się z tysięcy równoległych kanałów o kwadratowym przekroju, z przejściami oddzielonymi ścianami wykonanymi z przepuszczalnej ceramiki – takiej jak węglik krzemu (SiC) lub kordieryt.
- Cechą charakterystyczną filtrów obrotowych jest ich ruchoma konstrukcja, w której można wyróżnić m.in. sekcje filtracji, komorę regeneracyjną oraz źródło mikrofal.
- Regeneracja aktywna jest procesem, który wymaga podniesienia temperatury spalin do ok. 600°C, co umożliwia inicjację procesu utleniania i spalania zgromadzonych cząstek stałych w filtrze.
- Regeneracja pasywna to proces, który wykorzystuje temperaturę gazów spalinowych, aby cząstki stałe w spalinach osiągnęły punkt zapłonu i spaliły się, tworząc nieszkodliwe H2O i CO2.
Filtry cząstek stałych są w stanie odfiltrować i zredukować ponad 90% szkodliwych cząsteczek oleju napędowego, takich jak sadza, rozpuszczalna frakcja organiczna (soluble organic fraction – SOF), siarczany i popiół. Te małe cząstki, gdy dostaną się bezpośrednio do oskrzeli, mogą zakłócić proces wymiany gazowej w płucach. A to może prowadzić do różnych chorób, takich jak astma, zapalenie oskrzeli i choroby sercowo-naczyniowe. Ponadto, podejrzewa się, że te szkodliwe cząsteczki są także związane z ryzykiem rozwoju chorób nowotworowych.
Rodzaje i budowa filtrów
Rozróżniamy dwa główne typy filtrów cząstek stałych:
filtr suchy DPF (Diesel Particulate Filter) i filtr mokry FAP (Filtre à Particules). Oba charakteryzują się prostą konstrukcją i mają podobną budowę typu „wall flow”. Różni je jednak sposób działania.
Filtr suchy DPF działa na zasadzie mikroporowatej struktury, która skutecznie zatrzymuje cząstki stałe zawarte w spalinach. Zgromadzone cząstki są później poddawane procesowi regeneracji, w którym zostają spalone, co umożliwia ich usunięcie z filtra.
Natomiast filtr mokry FAP do regeneracji wykorzystuje płyn katalityczny zawierający dodatek ceru, który dodawany jest do oleju napędowego. Podczas regeneracji, filtrowane spaliny mieszają się z dodatkiem paliwa, obniżając temperaturę zapłonu zgromadzonej sadzy. Dzięki temu możliwa jest regeneracja filtra przy niższych temperaturach – co jest szczególnie przydatne podczas jazdy na krótkich trasach, podczas której normalne temperatury regeneracji nie mogą zostać osiągnięte.
Z kolei technologia DPF-hybridTM to połączenie zalet dwóch metod czyszczenia: na mokro i na sucho. Takie rozwiązanie nie tylko przyśpiesza pracę, ale też ogranicza zużycie wody oraz energii.
Obecnie w większości filtrów DPF i FAP wykorzystuje się ceramiczne wkłady filtrujące. Wkłady są zamknięte w metalowej obudowie i odporne na wysokie temperatury. Wnętrze filtra składa się z tysięcy równoległych kanałów o kwadratowym przekroju, z przejściami oddzielonymi ścianami wykonanymi z przepuszczalnej ceramiki, takiej jak węglik krzemu (SiC) lub kordieryt. Układ ten powoduje, że co drugi kanał jest zablokowany na wejściu, a co drugi na wyjściu. Gdy spaliny przepływają przez ścianki kanałów, zawarte w spalinach cząstki osadzają się na ich ściankach.
W miarę upływu czasu, ilość osadzających się cząstek rośnie, co prowadzi do zmniejszenia przepuszczalności filtra DPF lub FAP. To zjawisko wynika z normalnej eksploatacji, ponieważ filtr zatrzymuje coraz większą ilość cząstek stałych. Aby przywrócić optymalną wydajność filtracji, konieczne jest przeprowadzenie regeneracji filtra i przywrócenie jego sprawności. W filtrach DPF temperatura spalin musi być wyższa od temperatury zapłonu sadzy, która wynosi ok. 550°C. Podczas procesu regeneracji wytwarzane są głównie dwutlenek węgla (CO2) i para wodna, a także powstają popioły, które po pewnym czasie mogą doprowadzić do definitywnego zatkania filtra. W przypadku regeneracji filtrów cząstek stałych pomocne jest też użycie specjalistycznej maszyny brytyjskiej produkcji – Hartridge DFP 300.
Ostatnio dużym zainteresowaniem cieszą się filtry obrotowe z ogrzewaniem mikrofalowym. Cechą charakterystyczną filtrów obrotowych jest ich ruchoma konstrukcja, w której można wyróżnić m.in. sekcje filtracji, komorę regeneracyjną oraz źródło mikrofal. Gdy przeciwciśnienie wylotowe osiągnie określoną wartość, filtr obraca się automatycznie pod pewnym kątem α (α to kąt obwodowy każdej sekcji filtrującej) i uruchamia załączenie podgrzewania zanieczyszczonej sekcji.
Ograniczenia regeneracji
Dłuższa jazda na krótkich odcinkach może negatywnie wpływać na regenerację filtra cząstek stałych, ponieważ temperatura spalin podczas takiej jazdy nie osiągnie wymaganej wartości. Skutkiem tego filtr może ulec zatkaniu lub nawet uszkodzeniu. Aby uniknąć takiej sytuacji, kontrolka filtra cząstek stałych na desce rozdzielczej zaświeci się, gdy poziom nagromadzonej sadzy osiągnie określoną wartość graniczną. Wówczas zalecane jest wykonanie tzw. jazdy regeneracyjnej ze zwiększonym obciążeniem (np. jazda z wyższą prędkością na autostradzie).
Jeśli podczas jazdy samoczynna regeneracja nie będzie możliwa do wykonania, należy dokonać regeneracji filtra w specjalistycznym warsztacie samochodowym. Jeśli jednak zostanie osiągnięty pewien poziom nagromadzenia popiołu, filtr nie będzie mógł być zregenerowany nawet w warsztacie. Wtedy konieczna będzie wymiana filtra cząstek stałych.
Warto pamiętać, że zastosowanie oleju silnikowego o zbyt wysokim poziomie popiołu siarczanego, fosforu lub siarki będzie szkodliwie wpływać na pracę filtra cząstek stałych. Dlatego szczególnie ważne jest, aby zwracać uwagę na jakość oleju zalecaną przez producenta z tak zwanymi właściwościami niskopopiołowymi.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Samoczynna regeneracja
Najważniejszym czynnikiem, który wpływa na wydajność samoczynnej regeneracji filtra cząstek stałych jest temperatura spalin. Aby przeprowadzić termiczną regenerację filtrów, konieczne jest osiągnięcie przez spaliny, które przepływają przez filtr, temperatury powyżej 550°C. Jest ona niezbędna do rozpoczęcia procesu utleniania cząstek stałych przy udziale tlenu zawartego w gazach spalinowych.
Niestety, w normalnych warunkach eksploatacji pojazdów, temperatura gazów spalinowych rzadko osiąga wartość powyżej 250-350°C, co znacznie utrudnia skuteczną regenerację filtra cząstek stałych. W związku z tym, samoczynną regenerację filtrów przeprowadza się na 2 sposoby: regenerację aktywną i regenerację pasywną.
Regeneracja aktywna
Regeneracja aktywna jest procesem, który wymaga podniesienia temperatury spalin do ok. 600°C, co umożliwia inicjację procesu utleniania i spalania zgromadzonych cząstek stałych w filtrze. Najczęściej stosowaną metodą aktywnej regeneracji jest modyfikacja parametrów wtrysku paliwa. Zwiększenie ilości paliwa podawanego do komory spalania bezpośrednio wpływa na podwyższenie temperatury spalin. Ta metoda może być precyzyjnie kontrolowana przez odpowiedni system zarządzania silnikiem, co umożliwia dostosowanie procesu regeneracji do konkretnych potrzeb.
Innym sposobem na aktywną regenerację jest zwiększenie obciążenia silnika. Praca na wyższych obrotach i pod większym obciążeniem generuje większą ilość ciepła w cylindrach, co prowadzi do wzrostu temperatury spalin. Dodatkowym rozwiązaniem jest zastosowanie urządzeń podnoszących temperaturę gazów wylotowych. W niektórych samochodach stosuje się również grzejniki elektryczne, które zamontowane są bezpośrednio przed filtrem. Wprowadzenie dodatkowego ciepła do spalin jest również możliwe dzięki wykorzystaniu zapłonu sadzy za pomocą elektrycznych świec zapłonowych lub poprzez promieniowanie ciepła.
Skuteczną metodą podwyższania temperatury gazów spalinowych jest również dławienie przepływu powietrza w układzie dolotowym silnika lub zmniejszenie przepływu spalin przed filtrem DPF. Te metody pozwalają na zwiększenie temperatury spalin w filtrze, co umożliwia skuteczną regenerację filtrów cząstek stałych. Wprowadzenie dodatkowego ciepła do spalin pomaga osiągnąć wymaganą temperaturę, szczególnie podczas jazdy w niskich temperaturach lub na krótkich odcinkach, kiedy naturalnie trudniej jest osiągnąć wysoką temperaturę spalin.
Regeneracja pasywna
Regeneracja pasywna to proces, który wykorzystuje temperaturę gazów spalinowych, aby cząstki stałe w spalinach osiągnęły punkt zapłonu i spaliły się, tworząc nieszkodliwe H2O i CO2. W przypadku tradycyjnej regeneracji pasywnej, gazom spalinowym trudno jest naturalnie osiągnąć wystarczająco wysoką temperaturę spalania cząstek. W takich sytuacjach, w celu przeprowadzenia regeneracji, często stosuje się katalizatory chemiczne, które obniżają temperaturę utleniania organicznych składników cząstek stałych, umożliwiając skuteczną regenerację nawet w przeciętnych warunkach pracy silnika.
W regeneracji pasywnej, efektywność procesu jest w dużej mierze uzależniona od temperatury spalin. Dlatego istotne jest, aby regularnie przeprowadzać jazdę na trasach, które umożliwiają osiągnięcie odpowiednio wysokiej temperatury gazów spalinowych. Jazda na dłuższych odcinkach autostrad lub innych trasach z większym obciążeniem silnika może pomóc w utrzymaniu optymalnej temperatury spalin, co wspomaga naturalną regenerację pasywną filtrów cząstek stałych.
O Autorze
