Fot. Autor, DieselNet, Emitec, HJS, MAHA, Szwajcarski Związkowy Urząd Ochrony Środowiska

Cząstki stałe emitowane przez układy wydechowe silników szkodzą nam i naszemu otoczeniu. Dlatego kolejne, ostrzejsze normy toksyczności spalin wymusiły montaż zatrzymujących je filtrów w silnikach ZS, a teraz również ZI.

Niestety, nie wszystkie te układy filtracji spalin są dostatecznie dopracowane. Często też padają ofiarą różnych uszkodzeń silnika ZS i jego układów. Jednak tych problemów nie rozwiązują pojawiające się na rynku usługi usuwania uszkodzonych, a często również całkowicie sprawnych filtrów cząstek stałych.

Wykonawcy takich usług przekonują potencjalnych klientów, że cząstek stałych praktycznie już nie ma w spalinach, bo ich nie widać "gołym okiem", a one i filtry to wymysł ekologów. Spróbujmy zatem wyjaśnić związane z tym nieporozumienia.

Cząstki stałe

Oznaczamy je PM (particulate matter). Według prostej definicji, zaliczamy do nich te składniki spalin, które opuszczają układ wylotowy silnika w stanie innym niż gazowy.

Inna definicja obowiązuje w badaniach homologacyjnych pojazdów, gdzie emisja cząstek stałych jest mierzona metodą grawimetryczną. Za całkowitą masę cząstek stałych uważa się w tym ujęciu sumę mas wszystkich substancji, w stanie stałym lub ciekłym, organicznych lub nieorganicznych, które gromadzą się na filtrze absolutnym po przejściu przez niego rozcieńczonego powietrzem strumienia spalin, w temperaturze 52±3°C.

Filtr absolutny zatrzymuje 99% cząstek o średnicach większych niż 0,0003 mm (0,3 µm). Waży się go precyzyjnie przed i po pomiarze zawartości cząstek stałych. Różnica wyników odpowiada ilości zgromadzonych cząstek. Spaliny przepływające przez ten filtr są uprzednio rozcieńczane powietrzem o temperaturze od 20 do 30°C, aby na odcinku pomiędzy końcówką układu wylotowego a urządzeniami pomiarowymi skład spalin uległ jak najmniejszym zmianom. Ustalona temperatura pomiaru pozwala na zbliżenie jego warunków do tych, w których cząstki stałe przeważnie przedostają się do atmosfery.

Cząstki stałe są emitowane zarówno przez silniki ZS, jak i nowoczesne silniki ZI z układem bezpośredniego wtrysku benzyny. Silniki ZI zawsze je emitowały, ale w starszych konstrukcjach (gaźnikowych lub z pośrednim wtryskiem paliwa) było ich tak niewiele, że nie stanowiły problemu.

Cząstki stałe emitowane przez silnik ZS są zwykle utożsamiane z sadzą, ponieważ 50 do 80% spośród nich zbudowanych jest na jej bazie. Sadza tworzy się z cząsteczek węgla, które nie uczestniczyły w procesie spalania, a z niej z kolei powstaje tzw. rdzeń węglowy cząstki stałej (rys. 1).

Rys. 1. Większość cząstek stałych emitowanych przez silniki ZS składa się z: rdzenia węglowego oraz związanych z nim substancji stałych, ciekłych i gazowych. Niektóre z nich, np. siarczany, rozpuszczają się w wodzie zawartej w cząstce sadzy

Sadza posiada bardzo rozwiniętą powierzchnię właściwą. W temperaturze panującej w komorze spalania wynosi ona nawet 100 m²/g (czyli 1 g sadzy miałby po "rozwinięciu" powierzchnię 100 m²). Dlatego sadza ma dużą zdolność do adsorpcji innych substancji, czyli gromadzenia ich bezpośrednio przy swojej powierzchni. Mówiąc bardziej obrazowo – nasiąka nimi jak gąbka.

Do najbardziej szkodliwych substancji towarzyszących cząstkom stałym należą wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, oznaczane PAH (polycyclic aromatic hydrocarbons). Powstają one równolegle z sadzą w komorze spalania silnika i wraz z nią opuszczają układ wylotowy. Emitowana przez silnik cząstka stała zbudowana na rdzeniu węglowym nie jest więc chemicznie czystym węglem, jak kiedyś sądzono.

Większość cząstek stałych powstających w komorach spalania nowoczesnych silników ZS ma średnicę od 0,01 do 0,09 µm (od 0,00001 do 0,00009 mm). Ich sumaryczna masa jest niewielka. Po powstaniu ulegają one aglomeracji, tzn. łączą się w większe. Porównanie wymiarów cząstek stałych i ludzkiego włosa przedstawia rys. 2.

Rys. 2. Porównanie cząstek stałych o trzech charakterystycznych średnicach: PM10, PM2,5 i PM0,25 z przekrojem poprzecznym ludzkiego włosa. W jednym centymetrze sześciennym spalin jest więcej niż milion cząstek stałych o tych charakterystycznych średnicach (1 nm = 0,000001 mm; 1 µm = 0,001 mm

Jeśli nowoczesny silnik ZS jest sprawny, spaliny są niewidoczne dla oka. Dopiero gdy rdzenie węglowe cząstek stałych stają się odpowiednio duże, np. wskutek uszkodzenia, zużycia silnika lub jego układów, spaliny te nabierają wyraźnego szarego lub czarnego zabarwienia.

Rys. 3. Zagrożenie układu oddechowego człowieka szkodliwym działaniem cząstek stałych. Głębokość ich wnikania zależy od średnicy

Niewidoczne gołym okiem spaliny nowoczesnego silnika ZS to sukces raczej połowiczny, gdyż im cząstki stałe są mniejsze, tym głębiej wnikają do naszego organizmu, omijając zabezpieczenia fizjologiczne układu oddechowego (rys. 3). Następnie przedostają się one do krwiobiegu, który "transportuje" je po organizmie. Ponadto najdrobniejsze cząstki stałe mogą wnikać do krwiobiegu bezpośrednio przez skórę. Z powyższych powodów, najbardziej niebezpieczne są liczne, małe cząstki stałe, mimo że ich sumaryczna masa jest niewielka.

Oddziaływanie cząstek stałych

Lokalne wartości zanieczyszczeń powietrza przez pojazdy (np. średnie dla miasta) nie informują dokładnie o skali miejscowych emisji, ponieważ mieszkańcy terenów położonych przy ruchliwych traktach mogą być znacznie bardziej narażeni na szkodliwe działanie tych zanieczyszczeń niż ludzie mieszkający na obrzeżach miast lub na obszarach wiejskich.

Wprawdzie pojazdy nowszych generacji emitują mało szkodliwych składników spalin (również cząstek stałych), ale jednocześnie jest ich coraz więcej, dlatego czystość powietrza nie ulega oczekiwanej poprawie.

Emisja cząstek stałych przez pojazd przybiera dwie formy: pierwotną przez układ wylotowy i hamulce, a także wtórną poprzez podnoszenie kołami z drogi cząstek, które już wcześniej na nią opadły. Emisja cząstek stałych PM10 (o średnicy 10 µm) i PM2,5 (o średnicy 2,5 µm) pochodząca z pojazdów wynosi przeciętnie w naszym kraju od 15 do 18%. W miastach jest ona zróżnicowana – w Krakowie ok. 17%, ale w Warszawie aż 60%. To pokazuje skalę problemu zanieczyszczenia powietrza przez pojazdy w dużych aglomeracjach miejskich.

Cząstki stałe i substancje im towarzyszące powodują u człowieka choroby:

• kardiologiczne, w tym zawały serca i arytmię,
• centralnego układu nerwowego,
• układu rozrodczego,
• nowotworowe.

Szczególnie węglowodory wielopierścieniowe (PAH) towarzyszące cząstkom stałym mogą być przyczyną nowotworów, zwłaszcza układu oddechowego, nazywanych potocznie "rakiem kominiarzy".

W podobny, negatywny sposób cząstki stałe działają na zwierzęta. Hamują również wzrost roślin, brudzą, uszkadzają budynki i ograniczają przejrzystość powietrza.

Oczyszczanie spalin

Są dwa rodzaje filtrów montowanych w układzie wylotowym silnika:

• o częściowym przepływie – oczyszczające tylko część spalin,
• pełnoprzepływowe – oczyszczające całość spalin.

Filtry o częściowym przepływie usuwają ze spalin do 60% cząstek stałych, a pełnoprzepływowe nawet do 90%. Wybór jednego z tych rodzajów zależy od homologacyjnej normy emisji spalin dotyczącej danego pojazdu.

Rys. 4. Podział filtrów cząstek stałych wielokrotnego użytku ze względu na proces regeneracji (Źródło: DieselNet)

Filtry o częściowym przepływie spalin są również stosowane jako dobrowolne doposażenie pojazdów będących już w eksploatacji. Zachęca się do tego użytkowników samochodów przez obniżki podatków (tzw. tuning podatkowy).

W pojazdach komunalnych były kiedyś próby stosowania jednorazowych filtrów cząstek stałych – w bazach były one wymieniane na czyste, a zanieczyszczone poddawano regeneracji. Obecnie w pojazdach i maszynach roboczych są stosowane tylko filtry cząstek stałych wielokrotnego użytku. Wymagają one regeneracji (oczyszczenia z cząstek stałych) wykonywanej podczas eksploatacji, bez udziału kierowcy.

Rys. 5. Wkład filtra cząstek firmy HJS – widok od strony wlotu spalin (Źródło: HJS)

Usuwanie cząstek stałych przez spalanie jest utrudnione. Ich samoczynny zapłon następuje w temperaturze 550°C, a spaliny silników samochodów osobowych w warunkach ruchu miejskiego osiągają temperaturę ok. 150 do 200°C. Jest ona wyższa tylko podczas jazdy z większymi obciążeniami silnika (drogi między miastami, szybkiego ruchu, autostrady). Spaliny o wyższych temperaturach emitują silniki ciężarówek i maszyn roboczych – ok. 300 do nawet 450°C, ponieważ pracują one przeważnie w warunkach bliskich maksymalnemu obciążeniu.

Rys. 6. Pojedyncza sekcja filtrująca filtra cząstek stałych firmy HJS

Stosowane są dwie metody usuwania cząstek stałych ze spalin:

• obniżanie temperatury ich samozapłonu,
• zwiększanie temperatury spalin.

Obie metody wykorzystują procesy pasywnej lub aktywnej regeneracji filtrów cząstek stałych (rys .4). Jednak nie zawsze silnik pracuje w warunkach umożliwiających skuteczną regenerację. Filtry o częściowym przepływie spalin nawet w przypadku zgromadzenia w nich zbyt dużej ilości cząstek stałych nie hamują przepływu spalin w stopniu ograniczającym osiągi silnika. Jedynie większa część spalin przepływa przez filtr jako nieoczyszczona.

Filtr o częściowym przepływie spalin firmy HJS

Jest to mało znana w Polsce firma niemiecka. Produkowany przez nią wkład filtra (rys. 5) składa się z wielu sekcji filtrujących, zamontowanych promieniowo względem osi tego podzespołu (rys. 6). Sekcja filtrująca jest zbudowana ze spieku metali. Część spalin podlegająca czyszczeniu:

1. napływa od strony zamkniętej sekcji filtrującej (widok A),

2. przepływa przez warstwę spieku metali do środka sekcji – cząstki stałe są separowane,

3. wypływa oczyszczona z otwartej strony sekcji (widok B).

Spaliny nieoczyszczane płyną kanałem położonym w osi filtra (2, rys. 7). Ich ilość może być wyznaczana przez dobór liczby i średnicy otworów wykonanych w drążonej śrubie (1) zamykającej kanał 2.

Rys. 7. Widok filtra cząstek stałych HJS od strony wylotu spalin: 1 – drążona śruba z otworami; 2 – kanał przepływu spalin w osi filtra

Filtr firmy HJS jest regenerowany w procesie pasywnym, oznaczanym skrótem CRT (continuously regenerating trap). Przebiega to (rys. 8) w następujący sposób:

1. Z silnika napływają spaliny zawierające następujące składniki szkodliwe: tlenek węgla (CO), węglowodory (HC), tlenek azotu (NO – z grupy związków oznaczonej NOX) i cząstki stałe (PM).

2. W utleniającym konwerterze katalitycznym (zamontowany przed filtrem cząstek stałych) następuje "dopalanie" tlenku węgla (CO) i węglowodorów (HC) – produktami są: dwutlenek węgla (CO₂) i para wodna (H₂O). Jednocześnie tlenek azotu (NO) utlenia się do dwutlenku azotu (NO₂). Reakcje utleniania podnoszą temperaturę spalin o ok. 100°C.

3. W filtrze cząstki stałe (PM) zbudowane w większości na bazie węgla są utleniane przez dwutlenek azotu (NO₂). Produktami są: tlenek azotu (NO) oraz dwutlenek węgla (CO₂). Z oczyszczanej części spalin usuwana jest zdecydowana większość cząstek stałych (PM), ale pozostaje niestety szkodliwy tlenek azotu (NO). W niektórych nowoczesnych silnikach ZS jest on usuwany przez reaktor katalityczny do selektywnej redukcji tlenków azotu, montowany na końcu układu wylotowego.

Rys. 8 Reakcje zachodzące podczas pasywnej regeneracji filtra cząstek stałych oraz składy spalin w charakterystycznych przekrojach układu wylotowego

To firma niemiecka specjalizująca się w projektowaniu i produkcji metalowych konwerterów katalitycznych dla takich marek samochodów, jak np. Porsche czy BMW. Ma w ofercie również filtr cząstek stałych PM-Metali o częściowym przepływie spalin (rys. 9).

Rys. 9. Filtr cząstek stałych PM-Metalit firmy Emitec: a) przekrój; b) powiększenie wycinka filtra wraz z drogami przepływu spalin. Filtr ten posiada dodatkowe utleniające pokrycie katalityczne, więc nie montuje się przed nim utleniającego konwertera katalitycznego

Spaliny (1, rys. 10) z silnika zanieczyszczone cząstkami stałymi płyną kanałami ukształtowanymi z folii metalowej. Część strumienia spalin (3) płynąca pojedynczym kanałem jest odchylana przez kierownicę (2). Wymusza ona przepływ odchylonego strumienia spalin (3) przez matę filtracyjną (4). Oczyszczone z cząstek stałych spaliny (5) płyną w kierunku końca układu wylotowego. Część strumienia spalin (6) nieodchylona przez kierownicę (2) pozostaje nieoczyszczona z cząstek stałych.

Rys. 10. Przepływ spalin przez kanał filtra cząstek stałych PM-Metalit, firmy Emitec; 1 – strumień spalin z silnika zanieczyszczony cząstkami stałymi; 2 – kierownica odchylająca; 3 – część strumienia płynąca przez matę filtracyjną po odchyleniu kierownicą; 4 – mata filtracyjna; 5 – część strumienia oczyszczona z cząstek stałych; 6 – część strumienia, która nie została odchylona przez kierownicę i nie uległa oczyszczeniu

Kanały tego filtra są dodatkowo pokryte utleniającą warstwą katalityczną, dlatego cały pasywny proces regeneracji filtra przebiega w jego wnętrzu. Są również wersje bez pokrycia utleniającego, co wymaga obecności utleniającego konwertera katalitycznego przed filtrem.

Rys. 11. Tłumik samochodu ciężarowego z zamontowanymi w nim filtrami cząstek stałych PM-Metalit firmy Emitec

Filtry PM-Metalit są montowane w tłumikach układów wylotowych silników ciężarówek lub maszyn roboczych (rys. 11) pracujących przeważnie z dużymi obciążeniami, więc:

• wyższa jest temperatura ich spalin,
• większa jest ilość tlenku azotu (NO) powstającego w komorach spalania (jest on niezbędny do procesu pasywnej regeneracji).

Są to filtry o częściowym przepływie spalin, więc nie powodują nadmiernego wzrostu oporów wewnętrznych w przypadku zgromadzenia się nadmiernej ilości cząstek stałych.

Pełnoprzepływowy filtr cząstek stałych

Spaliny płynące kanałami konwertera katalitycznego, np. trójfunkcyjnego lub utleniającego nagrzanego do temperatury pracy, muszą mieć jedynie kontakt z warstwą katalityczną (rys. 12), aby zachodziły odpowiednie reakcje chemiczne. Przepływ spalin nie jest hamowany, lecz konwertery katalityczne usuwają tylko szkodliwe składniki spalin w formie gazowej.

Rys. 12. Przekrój konwertera katalitycznego wykonanego z materiału ceramicznego lub folii metalowej

Usunąć ze spalin zdecydowaną większość cząstek stałych pozwala natomiast pełnoprzepływowy filtr cząstek stałych (rys. 13). Jego kanały są naprzemiennie zaślepione po stronie dolotu i wylotu spalin, co wymusza ich przepływ przez ściankę z porowatego materiału ceramicznego (węglik krzemu). Cząstki stałe są zatrzymywane na powierzchni kanałów oraz w objętości materiału filtra. Pokrycie katalityczne kanałów umożliwia regenerację pasywną i aktywną filtra cząstek stałych. Ta druga jest konieczna wówczas, gdy w filtrze cząstek stałych zgromadzi się tyle, że dalszy wzrost ich ilości powoduje przekroczenie dopuszczalnego oporu przepływu (spaliny nie mają innej drogi przepływu). Może to zmniejszyć osiągi silnika.

Rys. 13. Przekrój pełnoprzepływowego filtra cząstek stałych wykonanego z materiału ceramicznego

Pełnoprzepływowe filtry cząstek stałych stosowane np. w samochodach osobowych są regenerowane obiema metodami. Podczas jazdy po autostradach dłuższe są okresy regeneracji pasywnej, a częstotliwość regeneracji aktywnej jest mniejsza. Odwrotnie jest w warunkach ruchu miejskiego. Cdn.

Tweet

Stefan Myszkowski
Studio Konstrukcyjno-Konsultacyjne