Obecnie w krajach Unii Europejskiej w zakresie samochodów osobowych obowiązuje jeszcze norma Euro 5. Zgodnie z normą Euro 4 silnik wysokoprężny mógł emitować tylko 0,025 g cząstek stałych na kilometr. W 200 1r. norma Euro 5 obniżyła tę wartość do poziomu 0,005 g. W porównaniu do 1985 r. jest to ograniczenie o ponad 90%. Sytuacja wygląda podobnie w przypadku innych składników spalin, takich jak tlenek węgla (CO), węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NO_X), które w poprzednich latach zostały wyraźnie zmniejszone.

Czym są cząstki stałe
Cząstki stałe powstają w silniku wysokoprężnym (oraz w benzynowym), kiedy podczas spalania dochodzi do miejscowego lub czasowego braku powietrza, a dokładniej tlenu. W konwencjonalnych silnikach benzynowych z lambda = 1 cząstki występują tylko w nieznacznym stopniu, ponieważ spalanie przebiega jednorodnie. W przypadku silników benzynowych z uwarstwieniem mieszanki występuje więcej cząstek, jednak wyraźnie mniej niż w silniku wysokoprężnym.
Cząstki stałe wytwarzane w silniku Diesla składają się nie tylko z sadzy lub - używając prawidłowej nomenklatury chemicznej - węgla, lecz także z niespalonych resztek paliwa i oleju silnikowego oraz z wody, siarczanów (związków siarki) i popiołu. Cząstki znacznie różnią się kształtem i średnicą. Najczęściej spotykana średnica w spalinach silników wysokoprężnych to ok. 100 nanometrów (100 nm - 0,0001 mm). Sklejanie się cząstek stałych i różne połączenia zmieniają ich masę. Do tej pory nie udowodniono jednoznacznie, że cząsteczki te naprawdę mogą wywoływać zachorowania na raka. Badanie przeprowadzone na zlecenie niemieckiego federalnego urzędu ds. środowiska i opublikowane przez tenże urząd stwierdziło co prawda, że rocznie na raka wywołanego cząstkami stałymi umiera 14 tys. osób.
Jednak wyniki badania przeprowadzonego przez prof. Ericha Wichmanna są kwestionowane i istnieje kilka ekspertyz, które dochodzą do innego wniosku. U chomików nawet bardzo wysokie dawki nie wywołały raka, a testy przeprowadzone na myszach nie dały jednoznacznych rezultatów. Tylko w przypadku szczurów naukowcom udało się udowodnić związek między powstawaniem nowotworów a cząstkami stałymi z silników Diesla – jednak tylko w stężeniach 100 do 1000 razy większych niż te występujące na drogach o wysokim zagęszczeniu ruchu. Bez względu na to, kto ma rację – spaliny, a w szczególności cząstki stałe nie wpływają pozytywnie na zdrowie i dlatego każde ograniczenie jest dobre.

Oczyszczanie spalin
Od wielu lat w samochodach osobowych z silnikami wysokoprężnymi stosuje się katalizatory oksydacyjne. Pod pojęciem oksydacji (utleniania) chemicy rozumieją wiązanie się substancji z tlenem (O). W strumieniu spalin proces ten prowadzi do zmiany węglowodorów (HC) i tlenku węgla (CO) w dwutlenek węgla (CO₂) i wodę (H₂O). Ze względu na wysokie stężenie tlenu katalizator oksydacyjny w układzie wydechowym ma bardzo niską temperaturę aktywacji – ok. 180°C. Warunkiem wysokiego stopnia przemiany jest niski udział siarki w paliwie. Katalizator oksydacyjny umieszczony jest albo w pobliżu silnika, albo w okolicy podłogi. Nośnik warstwy aktywnej katalitycznie wykonany jest z metalu lub materiału ceramicznego.

Środki stosowane w silnikach
W zakresie eliminowania cząstek stałych niemiecki przemysł motoryzacyjny najpierw stawiał na udoskonalenia wewnątrz silników. Próbowano tak kształtować proces spalania w silniku, aby powstawała mniejsza ilość cząstek stałych.
Możliwości takie daje ciśnienie i przebieg wtrysku w nowoczesnych wtryskiwaczach piezoelektrycznych oraz geometria dysz wtryskowych. Także dopływ powietrza przez turbosprężarkę umożliwia zmniejszenie ilości cząstek stałych. Poza tym zawartość siarki w paliwie, obniżona w Niemczech od początku 2003 r. do maksymalnie 10 ppm (parts per million = cząsteczek na milion), prowadzi - według ekspertów - do redukcji emisji cząstek stałych o 5-10%. Średnioterminowo można by zastosować dwie inne optymalizacje w obrębie silnika.
Jedną z nich jest tzw. dysza zmienna, która przy zmiennym przekroju i przy stałym ciśnieniu wtrysku powinna prowadzić do mniejszego wytwarzania substancji szkodliwych. Specjaliści pracują także nad jednorodnym procesem spalania. Skomplikowane tworzenie mieszanki ma zagwarantować równomierną mieszankę powstającą w całej przestrzeni spalania. Mieszanka taka mogłaby się spalać praktycznie bez skoków temperatury i prawie bez wytwarzania związków azotu (NO_x) i cząstek stałych.
Termin wprowadzenia tego rozwiązania jest nieznany, ponieważ na razie jednorodne spalanie działa tylko w wąskim zakresie pracy silnika. W codziennej eksploatacji parametry są jednak różne i wymagają elastycznej i szybkiej regulacji wtrysku. Skuteczność tej strategii trzeba byłoby wykazać, chociaż coraz więcej modeli – także starszych – bez filtrów cząstek stałych spełnia wymagania normy Euro 4.
Na przykład silniki grupy Volkswagen z pompowtryskiwaczami lub silniki common rail Opla (pojemność 1,7 l) i Fiata (1,3 l), wszystkie z systemem wtrysku marki Bosch. Na uwagę zasługiwało też Audi A6 z silnikiem V6 2,5l, z pompą Bosch VP 44, któremu sporo brakowało do magicznej granicy – mimo że A6 osiągnął „masę krytyczną“. Oznaczało to, że obowiązujące wówczas limity normy Euro 4 można było osiągnąć bez użycia filtrów. Jednak dotyczy to tylko pojazdów o wadze do ok. 1800 kg. Obok konstrukcji silników (pojemności, wtrysku itd.) to właśnie masa całkowita pojazdu odgrywa ważną rolę. Jednak od kiedy dyskusja na ten temat stała się mocno polityczna, nie chodziło już o spełnienie wymogów normy, lecz całkowitą ilość emitowanych cząstek. Dlatego też filtry stały się tak popularne.

Z filtrem jeszcze czyściej
Filtr cząstek stałych nie zapobiega powstawaniu cząstek, lecz pobiera je ze spalin, gromadzi i dopala. W badaniu długoterminowym ADAC na ponad 80 000 km Peugeot 607 – pierwszy samochód osobowy wyposażony w filtr cząstek – emitował tylko 0,001 g cząstek na kilometr; była to 1/25 wartości współczesnych silników według normy Euro 4. Tutaj technika pomiarowa osiąga swoje granice i za ADAC można powiedzieć: „Samochody osobowe z filtrami cząstek praktycznie nie wytwarzają cząstek stałych".
Wymagania stawiane filtrom są różne. Powinien on oczywiście wyłapywać ze strumienia spalin jak najwięcej cząstek, jednak nie powinien być za duży, ponieważ w konstrukcji samochodu miejsca zawsze jest mało. Także opór stawiany przeciwciśnieniem spalin nie powinien być za wysoki, w przeciwnym razie wzrasta zużycie paliwa, a moc silnika spada. Filtr musi być odporny na wysokie temperatury, drgania i inne obciążenia przez wiele tysięcy kilometrów. Poza tym cząstki powinny być likwidowane w prosty i szybki sposób (regeneracja filtra).
Korpus filtra może być zbudowany z materiału ceramicznego – węglika krzemu (SiC) lub kordierytu – oraz metalu. Do tej pory większość filtrów wytwarzano z węglika krzemu. Kordieryt, z którego produkuje się także filtry do silników benzynowych, nie nadaje się tak dobrze na filtry cząstek stałych. Stal i spieki metalowe mogą być częściej używane w przyszłości. Wszystkie materiały wymagają bardzo dużej powierzchni filtra i dużej pojemności. Filtry metalowe są zwijane podobnie jak metalowe katalizatory w silnikach benzynowych. Struktura kanałowa jest jednak otwarta i dlatego przeciwciśnienie spalin w porównaniu do filtrów ceramicznych jest mniejsze. W przypadku wariantów ceramicznych korzystna okazała się struktura komórkowa.

Bierne i aktywne działania w zakresie silnika
Kanały ceramiczne są szczelnie zamknięte po obu stronach. Wymusza to przepływ spalin przez ściany kanałów. Cząstki pozostają w porach ścian materiału ceramicznego i na powierzchni. W przypadku filtra ze spieków metalowych sadza osadza się także w porach i na powierzchni. Zamiast kanałów filtr ten składa się z kieszeni. Osadzone cząstki stałe są spalane po określonym czasie. Wówczas sadza zmienia się głównie w dwutlenek węgla (CO₂) i wodę (H₂O). Poza tym z sadzy i oleju silnikowego powstaje popiół. Aby sadza mogła się spalić, temperatura spalin musi być wyższa niż jej temperatura zapłonu 550^oC. Problem, jaki pojawia się w codziennym ruchu polega jednak na tym, że spaliny nie zawsze mają odpowiednią temperaturę. Aby wyrównać ten deficyt, temperatura musi być okresowo podnoszona albo też obniżana. Często obie możliwości łączą się ze sobą. Można przy tym wykorzystać kilka systemów:

• bierny – dodatki, powłoka katalityczna,
• aktywny – środki podejmowane w zakresie silnika, takie jak wtrysk dodatkowy.

Pionierski Peugeot
Peugeot 607 był w połowie 2000 r. pierwszym samochodem osobowym z filtrem cząstek stałych. Do dziś PSA Citroën i Peugeot stawia na dodatki i posiada już doświadczenie oparte na kilku milionach systemów. Zawarte w spalinach cząstki stałe są zbierane w filtrze znajdującym się za zwykłym katalizatorem oksydacyjnym. W regularnych odstępach czasu wynoszących ok. 700 km następuje ich spalanie.
Jeżeli temperatura spalin nie jest wystarczająca, jej wzrost o ok. 100^oC osiąga się najpierw za pomocą układu wtryskowego, poprzez wtrysk dodatkowy na końcu suwu roboczego. Węglowodory niespalone przy wtrysku dodatkowym ulegają przemianie w katalizatorze oksydacyjnym, który podnosi przy tym jeszcze raz temperaturę spalin o taką samą wartość. W ten sposób osiąga się poziom 450^oC, który wciąż jednak nie jest wystarczający do spalania sadzy.
W pięciolitrowym zbiorniku w samochodach PSA przewożony jest dodatek Eolys, który dodawany jest do oleju napędowego przy każdym tankowaniu, w ilościach liczonych w ppm. Dodatek ten zapewnia, że cząstki stałe już w momencie powstania w komorze spalania są tak kondycjonowane, że spalają się w temperaturze 450^oC. Pięć litrów Eolys wystarcza na przebieg wynoszący około 120 000 km.
Podczas typowego przeglądu przy takim przebiegu filtr zostaje zdemontowany i oczyszczony, i jako część zamienna stosowany ponownie. Wymiana jest konieczna, ponieważ poza popiołem z sadzy powstają także pozostałości spalania dodatku i oleju silnikowego. Kosztowny proces czyszczenia i coraz bardziej wzrastające przeciwciśnienie spalin spowodowane popiołem to powody, dla których większość niemieckich producentów zdecydowała się na bezobsługowe rozwiązanie niewymagające użycia dodatków.

Bezobsługowo i z dodatkiem
W międzyczasie PSA opracowała także system bezobsługowy, który wciąż jednak wykorzystuje dodatek. Silnik wysokoprężny V6 o pojemności 2,7 l w Peugeocie 407 i Citroenie C 6 posiada filtr z większymi kanałami spalin i inną strukturą powierzchni oraz ulepszony dodatek. Według informacji PSA można na nim przejechać 250 000 w ruchu ciągłym.

"Autofachmann"