Jednym z zadań układów wydechowych jest też wyłapywanie cząstek stałych, które powstają przy spalaniu oleju napędowego oraz benzyny. Ta ostatnia tworzy znaczne ilości cząstek stałych w silnikach z bezpośrednim wtryskiem paliwa i wysokim ciśnieniem wtrysku.

W silnikach  benzynowych z uwarstwieniem mieszanki powstaje dużo cząstek, jednak wyraźnie mniej niż w silniku wysokoprężnym. Cząstki stałe wytwarzane w silniku Diesla składają się nie tylko z sadzy lub – posługując się prawidłową nomenklaturą chemiczną – węgla, lecz także z niespalonych resztek paliwa i oleju silnikowego oraz wody, siarczanów (związków siarki) i popiołu. Cząstki te znacznie różnią się kształtem i średnicą. W spalinach silników wysokoprężnych powstają najczęściej cząstki o średnicy ok. 100 nanometrów (100 nm=0,0001 mm). Sklejanie się cząstek stałych i różne połączenia zmieniają ich masę. Badanie przeprowadzone na zlecenie Niemieckiego Federalnego Urzędu ds. Środowiska dowiodło, 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 innych wniosków. 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 100–1000 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 ich ilości jest dobre.

Oczyszczanie spalin

Od wielu lat w samochodach osobowych z silnikami wysokoprężnymi stosuje się katalizatory utleniające. Pod pojęciem tym 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 utleniający w układzie wydechowym ma bardzo niską temperaturę aktywacji – ok. 180°C. Warunkiem efektywnej 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.

Warto wiedzieć
Jak powstają cząstki stałe

Cząstki stałe powstają podczas spalania paliwa w silniku, jeżeli występuje miejscowy lub czasowy brak tlenu. Istnieją dwa sposoby na ograniczenie emisji cząstek stałych: zmiany wewnątrz silnika lub filtry. W filtrze cząstki są zbierane a sam filtr jest później regenerowany (cząstki zostają spalone). Ponieważ spaliny nie zawsze osiągają temperaturę zapłonu cząstek stałych wynoszącą 550°C, obniża się ją na różne sposoby. Przykładem są dodatki do paliwa lub filtry z powłoką katalityczną. Wtrysk dodatkowy podnosi natomiast temperaturę spalin, aby zapewnić wypalanie sadzy także przy niewielkim obciążeniu.

Frakcja cząstek stałych określana jako „TSP” (Total Suspended Particulates) lub zamiennie jako PM10 (ponieważ wielkość cząsteczek nie przekracza 10 mikrometrów) jest zdolna do swobodnej penetracji układu oddechowego człowieka. Badania wykazują, że ryzyko zachorowań na raka układu oddechowego rośnie z 20 do 50% u osób przebywających stale w otoczeniu pracujących silników z zapłonem samoczynnym. W miastach ryzyko to dotyczy nie tylko osób pracujących bezpośrednio przy silnikach, ale także osób stykających się z ruchem miejskim.

Specyficznie mutagennymi środkami chemicznymi zawartymi w cząstkach stałych są 1-nitropiren oraz benzo(a)piren, który jest stosowany do oznaczania wartości wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych. Z cząstkami stałymi ze spalin związany jest także problem natury estetycznej. Zawarte w powietrzu cząstki pochodzące od spalin bardzo łatwo przylegają do elementów zewnętrznych, takich jak elewacje budynków. Dzieje się tak za sprawą zjawiska adsorpcji. Ponadto cząstki w powietrzu redukują jego przejrzystość.

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 niska 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%.

Cząstki stałe w spalinach silników wysokoprężnych składają się nie tylko z węgla, lecz także z resztek paliwa, oleju, wody, związków siarki i popiołu.

Rozwój ustawodawstwa dotyczącego spalin w Europie i USA.

Metoda stosowana w Peugeotach i Citroënach wykorzystuje dodatek Eolys obniżający temperaturę regeneracji filtra.

Zwykle temperatura spalin w silniku Diesla wynosi 180–250°C.

Zasada działania filtra ceramicznego: wyraźnie widać bocznie zamknięte kanały spalinowe.

Średnioterminowo można 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 jej stały skład w całej przestrzeni spalania. Mieszanka taka mogłaby się spalać praktycznie bez skoków temperatury i prawie bez wytwarzania związków azotu (NOX) i cząstek stałych.
Termin wprowadzenia tego rozwiązania nie jest znany, ponieważ na razie jednorodne spalanie działa tylko w wąskim zakresie pracy silnika. W codziennej eksploatacji parametry te są jednak różne i wymagają elastycznej i szybkiej regulacji wtrysku. Skuteczność tej strategii trzeba by było dopiero wykazać, chociaż o jej słuszności może świadczyć fakt, że wiele modeli – także starszych – bez filtrów cząstek stałych spełniało wymagania normy Euro 4. Przykładem mogą być 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 2,5 l i pompą Bosch VP 44, któremu niewiele brakowało do magicznej granicy – mimo że A6 osiągnął „masę krytyczną”. Oznacza 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. Oprócz konstrukcji silników (pojemności, wtrysku itd.) to właśnie masa całkowita pojazdu istotnie wpływa na ilość generowanych cząstek. Jednak od kiedy dyskusja na ten temat mocno się upolityczniła, jej celem przestało być spełnienie wymogów normy, lecz ograniczenie całkowitej ilości 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 dystansie 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 generowanej przez silniki spełniające normę Euro 4. Tutaj technika pomiarowa osiąga swoje granice i – cytując ADAC – można stwierdzić, że samochody osobowe z filtrami cząstek praktycznie nie wytwarzają cząstek stałych.

Wymagania stawiane filtrom są różne. Powinny one oczywiście wyłapywać ze strumienia spalin jak najwięcej cząstek, jednak nie powinny być za duże, 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 – i to 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 wytwarza się także filtry do silników benzynowych, nie nadaje się tak dobrze do produkcji filtrów cząstek stałych. Wszystkie materiały filtra muszą mieć bardzo dużą powierzchnię i pojemność. Filtry metalowe są zwijane podobnie jak metalowe katalizatory w silnikach benzynowych. Struktura kanałowa jest jednak otwarta i dlatego przeciwciśnienie spalin jest mniejsze niż w filtrach ceramicznych. W przypadku wariantów ceramicznych korzystna okazała się struktura komórkowa.

Bierne i aktywne

Kanały ceramiczne są szczelnie zamknięte po obu stronach. Wymusza to przepływ spalin przez ich ściany. Cząstki pozostają w porach ścian materiału ceramicznego i na jego powierzchni. W przypadku filtra ze spieków metalowych sadza osadza się także w porach i na powierzchni. Zamiast kanałów filtr ten ma kieszenie. 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, czyli musi wynosić około 550°C. Problem, jaki pojawia się w codziennym ruchu, polega na tym, że spaliny nie zawsze mają odpowiednią temperaturę. Aby wyrównać ten deficyt, temperatura musi być okresowo podnoszona albo też obniżana. Często obie możliwości są ze sobą łączone. Można przy tym wykorzystać kilka systemów:

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

Zwykle systemy bierne uzupełniane są wtryskiem dodatkowym.

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 ma już doświadczenie poparte produkcją kilku milionów systemów. Zawarte w spalinach cząstki stałe są zbierane w filtrze znajdującym się za zwykłym katalizatorem utleniającym. W regularnych odstępach czasu wynoszących ok. 700 km następuje ich spalanie. Jeżeli temperatura spalin nie jest wystarczająca, jej wzrost o ok. 100°C osiąga się z wykorzystaniem układu wtryskowego przez wtrysk dodatkowy na końcu suwu roboczego. Węglowodory niespalone przy wtrysku dodatkowym ulegają przemianie w katalizatorze utleniającym, który podnosi przy tym jeszcze raz temperaturę spalin o taką samą wartość. W ten sposób osiągają one temperaturę 450°C, która wciąż jednak nie jest wystarczająca do spalania sadzy. W dodatkowym zbiorniku w samochodach PSA zgromadzony jest dodatek Eolys, który dodawany jest do oleju napędowego przy każdym tankowaniu. Podstawą chemiczną tego płynu jest tlenek ceru, a ilość domieszkowana do paliwa wynosi 37,5 ml dodatku na 60 l oleju napędowego.  
Dodatek ten pełni funkcję utleniacza, który obniża temperaturę aktywacji filtra cząstek stałych, a dodatkowo uzupełnia spaliny o odpowiednią do utleniania węgla w filtrze ilość tlenu. Wadą tego rozwiązania jest fakt, że w filtrze akumulowane są cząsteczki ceru, który z czasem przyczynia się do jego zatykania. Oprócz tego zapychaniu się filtra sprzyjają typowe zjawiska, czyli obecność popiołów powstałych ze spalania paliwa i oleju oraz resztek sadzy zalegających po regeneracji. Kolejne generacje mokrych filtrów cząstek stałych mają jednak zmodyfikowaną strukturę i korzystają z nowego rodzaju płynu aktywacyjnego, dzięki czemu filtry te z powodzeniem osiągają przebiegi przekraczające 250 tysięcy kilometrów.