Fot. A. Mayer, Citroen, Delphi, TTM, Volkswagen, Wydawnictwo Springer

Dążenie do większej czystości spalin sprawiło, iż ich filtry o częściowym przepływie zastąpione zostały pełnoprzepływowymi. Te jednak po przekroczeniu dopuszczalnego zapełnienia zatykają układ wylotowy silnika.

W takiej sytuacji konieczne stało się wymuszanie regeneracji filtra. Dodatkowy, wciąż jeszcze nierozwiązany problem stanowi ocena sprawności filtra pełnoprzepływowego (np. podczas okresowego badania technicznego pojazdu), a nawet sprawdzenie, czy nie został on z samochodu wymontowany.

Zobacz także:

Filtry cząstek stałych (cz. I)

"Mokry" filtr cząstek stałych

Rozwiązanie to (rys. 1) stosowane jest w samochodach marki Citroën. Polega ono na obniżeniu temperatury samoczynnego zapłonu cząstek stałych, a ściślej – ich rdzeni węglowych, wynoszącej ponad 550°C i na ogół niedostępnej w układach wylotowych małych i średnich silników ZS. Łatwiejszy samozapłon, a więc możliwość spalania cząstek stałych w niższych temperaturach, uzyskuje się przez wprowadzenie do paliwa płynnego katalizatora.

Rys. 1. Układ oczyszczania spalin pierwszej generacji z tzw. mokrym filtrem cząstek stałych stosowany przez firmę Citroën. 1 – zespół utleniającego konwertera katalitycznego (7) i filtra cząstek stałych bez pokrycia katalitycznego (8), 2 – czujnik różnicowy ciśnienia, 3 – sterownik silnika, 4 – zbiornik dodatku katalitycznego i dozownik (5) dodający go do paliwa, 6 – system wtryskowy Common Rail

Pierwszym stosowanym dodatkiem o takim działaniu był płyn Eolys, wytwarzany na bazie tlenku ceru jako substancji czynnej. Specjalny dozownik wtryskiwał go do paliwa w zbiorniku w proporcji 37,5 ml dodatku na 60 l oleju napędowego. Zapas dodatku mieścił się w zbiorniku o pojemności 5 l, co było ilością wystarczającą do przejechania ok. 80 000 km.

W układzie z mokrym filtrem cząstek stałych (wersja z płynem Eolys) regeneracja pasywna jest możliwa w dwóch zakresach temperatur:

• od 250 do 400°C, gdy dwutlenek azotu powstający w utleniającym konwerterze katalitycznym utlenia cząstki stałe w filtrze (przebieg tych reakcji przedstawiono w pierwszej części tego artykułu);
• powyżej 450°C, gdy tlen zawarty w spalinach utlenia (spala) cząstki stałe.

Jeśli ze względu za niskie temperatury spalin w filtrze zgromadzi się zbyt dużo cząstek stałych, następuje przejście do regeneracji aktywnej. Wymaga ona okresowego zwiększenia temperatury spalin w filtrze cząstek stałych. Przyrost temperatury spalin przebiega następująco:

• pierwszy powtrysk paliwa (rys. 2) do komory spalania powoduje jej zwiększenie o 200 do 250°C;
• reakcje zachodzące w utleniającym konwerterze katalitycznym zwiększają ją dodatkowo o ok. 100°C.

W wyniku obu tych procesów, nawet przy małym obciążeniu silnika, temperatura spalin przekracza granicę samozapłonu cząstek stałych wynoszącą 450°C dzięki zastosowaniu dodatku do paliwa.

Rys. 2. Dawki paliwa wtryskiwane w systemie Common Rail w trakcie jednego cyklu pracy silnika ZS: 1 – pierwsza pilotująca, wtryskiwana przed GMP; 2 – druga pilotująca, wtryskiwana przed GMP; 3 – główna, wtryskiwana w okolicy GMP; 4 – pierwszy powtrysk, wtryskiwany po GMP; 5 – drugi powtrysk, wtryskiwany po GMP (GMP – górny martwy punkt, DMP – dolny martwy punkt tłoka w cylindrze)

Podczas regeneracji aktywnej wyłączony jest układ recyrkulacji spalin. Sterownik silnika tak wówczas steruje wielkościami dawek: pilotującej, głównej i powtrysku oraz wysokością ciśnienia doładowania, aby kierowca nie odczuł wpływu tego procesu na osiągi pojazdu. Według firmy Citroën, regeneracja aktywna jest powtarzana co 400 do 500 km i trwa ok. 2 do 3 minut.

Firmy Citroën i Peugeot rozwijały konstrukcje "mokrych" filtrów cząstek stałych. Wprowadzono kolejne dodatki do paliwa, bazujące najpierw na tlenku ceru i tlenku żelaza, a później już tylko na tlenku żelaza. Dodaje się je do oleju napędowego w różnych proporcjach. Mają też one różne właściwości. Niektóre są wzajemnie mieszalne, a niektóre nie. Najskuteczniejsze obniżają temperaturę samozapłonu cząstek stałych nawet do 400°C.

Mokry filtr cząstek stałych stosowała również firma Volkswagen w niektórych wersjach modelu Passat z dwulitrowym silnikiem TDI. Dodatek miał nazwę Satacen i był wytwarzany na bazie tlenku żelaza.

"Suchy" filtr cząstek stałych

W tego rodzaju konstrukcjach do uzyskania samozapłonu cząstek stałych wykorzystuje się tylko zwiększenie temperatury spalin bez stosowania jakichkolwiek dodatków do paliwa.

Rys. 3. Jedna z wersji układu oczyszczania spalin z tzw. suchym filtrem cząstek stałych, stosowanego przez firmę Volkswagen: 1 – silnik ZS, 2 – system Common Rail, 3 – zespół wskaźników, 4 – sterownik silnika; 5 – zawór recyrkulacji spalin, 6 – sterowana elektrycznie przepustnica w układzie dolotowym, 7 – masowy przepływomierz powietrza, 8, 12 i 14 – czujniki temperatury spalin, 9 – filtr cząstek stałych z utleniającym pokryciem katalitycznym, 10 – czujnik różnicowy ciśnienia; 11 – szerokopasmowy czujnik zawartości tlenu w spalinach, 13 – turbosprężarka

Układ z suchym filtrem stosowany przez firmę Volkswagen przedstawia rys. 3. W tym wykonaniu filtr cząstek stałych ma utleniające pokrycie katalityczne i jest zamontowany bezpośrednio za turbosprężarką. Są rozwiązania, w których w jednej obudowie mieszczą się: utleniający konwerter katalityczny i filtr cząstek stałych, a w pozostałych oba te elementy są montowane oddzielnie.

W układzie z suchym filtrem cząstek stałych regeneracja pasywna jest możliwa w dwóch zakresach temperatur:

• od 350 do 500°C, gdy dwutlenek azotu powstający dzięki warstwie utleniającej filtra utlenia cząstki stałe (przebieg reakcji przedstawiono w pierwszej części artykułu);
• powyżej 550°C, gdy tlen zawarty w spalinach utlenia (spala) cząstki stałe.

Jeśli regeneracja pasywna filtra nie jest w stanie usunąć z niego zgromadzonych cząstek stałych, konieczna staje się regeneracja aktywna przebiegająca następująco:

• zawór recyrkulacji spalin zostaje zamknięty dla podniesienia temperatury procesu spalania;
• układ zasilania wtryskuje do komór spalania silnika: mniejszą dawkę główną paliwa oraz pierwszy lub pierwszy i drugi powtrysk celem zwiększenia temperatury spalin;
• w trudnych warunkach ruchu miejskiego, gdy częste jest hamowanie silnikiem, wtryskiwana jest mała dawka powtrysku, która nie spala się w komorze spalania, lecz odparowuje, a dawka główna nie jest wówczas w ogóle wtryskiwana, czyli proces spalania nie przebiega;
• temperaturę spalin dodatkowo zwiększa utleniająca warstwa katalityczna filtra cząstek stałych.

W powyższy sposób można w filtrze cząstek stałych uzyskać temperaturę spalin ok. 650°C. Nawet w niesprzyjających warunkach jej wzrost może wynosić ok. 300°C. Analogicznie jak w układzie z mokrym filtrem, również układ sterowania silnika tak steruje jego pracą, aby regeneracja aktywna była możliwie niewyczuwalna dla kierowcy.

Rys. 4. Filtr cząstek stałych z utleniającym pokryciem katalitycznym

Są też układy z suchym filtrem cząstek stałych, który ma pokrycie katalityczne tlenkiem ceru. Jego zadaniem jest obniżenie temperatury zapłonu cząstek stałych. Taki filtr cząstek stałych może być w ciągu elementów układu wylotowego poprzedzony jednym lub dwoma utleniającymi konwerterami katalitycznymi. Rozwiązaniem alternatywnym jest wewnętrzne pokrycie filtra cząstek stałych warstwami katalitycznymi: utleniającą oraz obniżającą temperaturę zapłonu cząstek węglowych.

Rys. 5. Utleniający konwerter katalityczny (1) i filtr cząstek stałych (2) we wspólnej obudowie (pozostałe elementy rysunku: 3 – przyłącze różnicowego czujnika ciśnienia; 4 i 6 – czujniki temperatury spalin za i przed filtrem cząstek stałych; 5 – przepływ spalin; 6, szerokopasmowy czujnik tlenu)

Tu dodatkowa uwaga. W książkach i materiałach szkoleniowych autorzy piszą o katalizatorze lub warstwie katalitycznej bez podawania jej rodzaju – utleniająca, redukująca, absorpcyjna itp. Brak takiej informacji utrudnia gruntowne poznanie pracy katalitycznego układu oczyszczania spalin.

Filtracja a regeneracja

W filtrze cząstek stałych przebiegają dwa przeciwstawne procesy:

• filtracji zachodzącej przy każdych warunkach pracy silnika;
• regeneracji pasywnej lub aktywnej, które zachodzą tylko w warunkach szczególnych.

Masa cząstek stałych w filtrze rośnie lub maleje w zależności od tego, który z tych procesów przeważa (rys. 6). Jeśli mimo trwającej regeneracji pasywnej ilość zgromadzonych cząstek stałych rośnie, przekraczając wartość dopuszczalną, rozpoczyna się regeneracja aktywna. Decyzję o tym podejmuje sterownik silnika na postawie:

• pomiaru oporu przepływu spalin przez filtr za pomocą tzw. różnicowego czujnika ciśnienia;
• symulacji zanieczyszczenia filtra (model matematyczny);
• przebiegu samochodu i ilości zużytego paliwa.

Regeneracja aktywna może być wykonana również, gdy nie jest ona jeszcze niezbędna, ale warunki do jej przeprowadzenia są sprzyjające (na przykład podczas jazdy autostradowej, czyli przy dużym obciążeniu silnika i wysokiej temperaturze spalin).

Dopuszczalna długość przebiegów samochodu pomiędzy regeneracjami aktywnymi zależy od:

• objętości filtra cząstek stałych (im większa, tym przebiegi dłuższe);
• stylu jazdy kierowcy, gdyż skraca te przebiegi praca silnika z intensywnymi przyspieszeniami i duże jego obciążenie przy małych prędkościach obrotowych, czyli w zakresach bliskich tzw. granicy dymienia;
• uszkodzeń zwiększających emisję cząstek stałych (np. zużycie wtryskiwaczy);
• zużycia oleju silnikowego, ponieważ większe powoduje wzmożone wydzielanie nieusuwalnych tzw. popiołów zalegających w filtrze, wskutek czego coraz mniej cząstek stałych może być na bieżąco zatrzymywanych, a więc przebiegi między regeneracjami maleją.

Jeśli zawodzi regeneracja aktywna, sterownik silnika włącza kontrolkę układu filtracji spalin. Jest to polecenie dla kierowcy, aby stworzył korzystniejsze warunki do regeneracji aktywnej, które na przykład w wymaganiach firmy Audi są określane następująco:

• dłuższa jazda odcinkiem drogi, najlepiej bez skrzyżowań wymuszających zatrzymywanie, bo regeneracji nie należy przerywać;
• poruszanie się w czasie od 5 do 10 min z prędkością obrotową silnika od 2200 do 2500 obr./min na 4. lub 5. biegu przy jednoczesnym utrzymywaniu prędkości pojazdu powyżej 60 km/h.

Rys. 6. Zależność masy cząstek stałych w filtrze od czasu pracy silnika, czyli trwania procesów filtracji spalin silnika ZS i różnych rodzajów regeneracji filtra

Zalecenia innych firm mogą się różnić od powyższego przykładu, więc trzeba zawsze postępować zgodnie z zaleceniami podanymi w instrukcji obsługi danego samochodu. Zgaśnięcie kontrolki układu filtracji spalin poinformuje o zakończeniu regeneracji.

Gdy żądanie wymuszenia regeneracji zostanie przez kierowcę zignorowane, to dodatkowo zapali się kontrolka informująca o uszkodzeniu w układzie sterowania silnika lub kontrolka świec żarowych. Oznacza to konieczność wykonania tzw. regeneracji serwisowej, kontrolowanej przez tester diagnostyczny. Przeważnie producent samochodu wymaga jeszcze wcześniejszego wykonania regeneracji drogowej.

W przypadku niepowodzenia regeneracji serwisowej lub jej zignorowania konieczna staje się wymiana filtra.

Pożytki i kłopoty wynikające ze stosowania filtrów

Do największych korzyści związanych z użytkowaniem filtrów cząstek stałych należy ograniczanie zanieczyszczeń miast i głównych ciągów komunikacyjnych. Z punktu widzenia zagrożeń dla ludzkiego zdrowia istotna jest tu bowiem w pierwszej kolejności nie ilość emitowanych szkodliwych substancji, lecz ich stężenie. Wszyscy użytkownicy dróg, zarówno piesi, jak rowerzyści lub kierowcy, potrzebują czystego powietrza, więc jest to wspólne dobro nadrzędne.

Uzyskuje się je, niestety, kosztem pewnych trudności eksploatacyjnych, dotkliwych zwłaszcza w przypadku silników ZS z niedopracowanymi układami filtracji cząstek stałych. Przy eksploatacji samochodu głównie w warunkach miejskich rzadko występują korzystne warunki do regeneracji pasywnej, a wymuszane przez układ sterowania silnika procedury regeneracji aktywnej też często nie przynoszą pomyślnych efektów. Zalecane wówczas tworzenie specjalnych warunków sprzyjających regeneracji oznacza w praktyce konieczność dodatkowych wyjazdów poza miasto. Poza tym niedokończone, czyli przerywane regeneracje aktywne, mogą skutkować szkodliwym przedostawaniem się oleju napędowego do silnikowego.

Rys. 7. Konwerter katalityczny zniszczony wskutek nadmiernych naprężeń termicznych będących efektem przegrzania

Niewątpliwie rozwój techniki pozbawił przynajmniej część samochodów z silnikiem ZS wspomnianych tu eksploatacyjnych uciążliwości, lecz zawsze warto "zasięgnąć języka" o specyficznych właściwościach określonych pojazdów. Jako współpracownik poczytnego miesięcznika motoryzacyjnego jeżdżę wieloma modelami samochodów i na tej podstawie stwierdzam, że nie ma już kłopotów z najnowszymi filtrami cząstek stałych, ale... dotyczy to pojazdów eksploatowanych zarówno w mieście, jak i poza nim.

Przy korzystaniu z samochodu głównie w ruchu miejskim warto rozważyć zakup nowoczesnego modelu z silnikiem o bezpośrednim wtrysku benzyny i nauczyć się wykorzystywać jego zalety (duży moment przy niskiej prędkości obrotowej).

W przypadku silników wysokoprężnych regeneracja aktywna wymaga zużycia dodatkowej ilości paliwa – to prawda. Taki jest koszt uzyskania bardziej czystych spalin. Podobnie jest jednak i w silnikach ZI z trójfunkcyjnymi konwerterami katalitycznymi, które zużywają trochę dodatkowej benzyny w tym samym celu. Podawane np. w piśmie "Auto Świat" wiadomości na temat szokująco wielkiego zużycia paliwa przez samochody z filtrami cząstek stałych są po prostu nieprawdziwe. Prawdopodobnie chodzi tu o wartości chwilowe, podawane przez komputer pokładowy podczas regeneracji aktywnej. Podobne wysokie, chwilowe wartości zużycia paliwa występują przy przyspieszaniu, szczególnie gdy silnik jest nienagrzany.

Sam filtr cząstek stałych nie ulega awaryjnym uszkodzeniom, chyba że w następstwie awarii innych urządzeń. Szczególnie szkodzą mu wszelkie ich niedomagania zwiększające emisję cząstek stałych lub wpływające na przebieg procesów aktywnej regeneracji. Dotyczy to np. masowego przepływomierza powietrza, przepustnicy, czujnika tlenu lub wtryskiwaczy. Z tego powodu użytkownicy nie powinni bagatelizować świecących kontrolek lub nienormalnych zachowań silników. Do pracowników warsztatów i serwisów należy natomiast prawidłowe diagnozowanie i naprawy tych usterek. Cdn.

Tweet

Stefan Myszkowski
Studio Konstrukcyjno-Konsultacyjne