DPF i rozwiązania konstrukcyjne zastosowane w jego budowie.

DPF w samochodzie

Wśród całej gamy najróżniejszych filtrów w samochodzie, których niepodważalnej przydatności nie da się zaprzeczyć, stosunkowo niedawno, biorąc pod uwagę historię motoryzacji, pojawił się taki, którego nikt nie lubi. Głównie ze względu na fakt jak ważną, trudną i przydatną pracą się trudni. Mowa oczywiście o najszlachetniejszym z filtrów, nieocenionym i niedocenionym filtrze cząstek stałych – filtrze FAP/DPF. Jakie miejsce zajmuje, skąd się wziął i jakie zadanie ma DPF w samochodzie.

Filtr, filtrowi nierówny

Dlaczego najszlachetniejszy? Ponieważ filtr DPF jest zbudowany między innymi z platyny, co tłumaczy jego wysoką cenę. W porównaniu do półprzepuszczalnych papierowych albo syntetycznych błonek pełniących funkcję filtrów w samochodzie DPF to prawdziwy gigant. Znaleźć go można w układzie wydechowym, pomiędzy reaktorami katalitycznymi – utleniającym i SCR. Zbudowany jest z metalowej, odpornej na wysoką temperaturę obudowy i ceramicznego wkładu filtrującego. Wkład ten przyjmuje formę jednostronnie zaślepionych kanalików, zbudowanych z węglika krzemu. Dzięki zaślepianiu wlotów lub wylotów kanalików niemożliwy jest swobodny przepływ przez filtr i spaliny przetłaczane są przez porowate ścianki kanalików. Ponieważ średnica cząstek stałych zatrzymywanych przez pory węglika krzemu nie spada poniżej 0,09 mikrometra, można powiedzieć, że skuteczność filtra DPF jest w zasadzie stuprocentowa (a przynajmniej tak długo, póki filtr nie utraci swoich właściwości). Dodatkowo w ścianki wbudowane są cząsteczki wspomnianej platyny i tlenku ceru (czasem również glinu (III)), co sprawia, że DPF posiada również właściwości katalityczne i wychwytuje tlenki, niespalone węglowodory i ułatwia pracę SCR.

Budowa DPF

Filtr DPF instalowany jest w samochodzie zazwyczaj zaraz za kolektorem, ponieważ jak najwyższa temperatura spalin wpadających do filtra jest jak najbardziej pożądana – z jakiego powodu, wrócimy przy zagadnieniu regeneracji filtrów DPF. Zbudowany jest w sposób taki, by spalinom zapewnić jak najdłuższą drogę od dolotu do wylotu z filtra. Mianowicie wygląda to tak, że kanalik, którym do filtra trafiają spaliny, ma zaślepiony wylot. Z kolei kanalik, którym mogą wydostać się z filtra za zaślepiony wlot. Spaliny przetłaczane są przez ściany kanalików, które zbudowane są z węglika krzemu. Nie ma w zasadzie różnicy w budowie samego filtra pomiędzy mokrą i suchą wersją filtra cząstek stałych. Znaczącą różnicą pomiędzy suchym i mokrym DPF-em jest natomiast w regeneracji pasywnej, czyli w wypalaniu DPF-a.

Dopalanie sadzy

Pierwsze filtry cząstek stałych instalowane były stosunkowo daleko od silnika, co sprawiało, że trafiające do DPF spaliny były relatywnie bardzo wychłodzone. Odporność na wysoką temperaturę, zastosowanie ceramiki i inne rozwiązania nie wymagały chłodnych spalin, co więcej proces czyszczenia DPF, odbywający się automatycznie (prawie), potrzebował ich w naprawdę wysokiej temperaturze. Powinno na to być zwrócona uwaga, jednak aspekt ten został pominięty a ze skutkami tego niedopatrzenia, niektórzy kierowcy borykają się do dziś. Co to oznacza? Aby dopalić sadzę, która jeszcze niedawno była naszym paliwem, potrzebna jest wysoka temperatura. Osiągnięcie jej na poziomie 600 stopni Celsjusza możliwe jest tylko dzięki specjalnej procedurze inicjowanej przez sterownik silnika na podstawie danych z czujników w układzie wydechowym. Przeprowadzana jest w trzech etapach: rozgrzewanie, dopalanie, wygaszanie. W pierwszym, kierowca ma za zadanie osiągnąć pułap około 3-4 tysięcy obrotów na minutę i utrzymywać go do momentu osiągnięcia temperatury potrzebnej do rozpoczęcia wypalania. Sytuacja taka możliwa jest dzięki dodatkowemu wtryskowi paliwa, realizowanemu w cyklu pracy tłoka w czasie czwartego suwu – suwu wydechu. Silnik wysokoprężny do spalenia oleju napędowego potrzebuje prócz temperatury, również wysokiego ciśnienia – z tego też powodu, przy otwartym zaworze, nie dochodzi do spalenia oleju w komorze, tylko wraz ze spalinami wędruje on do wydechu. Poza komorowe spalanie oleju napędowego skutkuje intensywnym wzrostem temperatury w niechłodzonym niczym filtrze DPF. Jeśli uda się utrzymać kierowcy wysokie obroty przez około 15 minut zazwyczaj można dopalić sadzę w DPF-ie do końca. Warto tu zaznaczyć, że pozwala to na usunięcie z filtra nagromadzonej sadzy, a nie wszystkich znajdujących się tam zanieczyszczeń.

Regeneracja filtra

Skąd popiół w filtrze?

W wyniku utleniania się węgla powstaje para wodna i dwutlenek węgla – obojętne związki, które bez większego problemu wydostają się przez porowate ścianki filtra na zewnątrz. Jednak nie tylko sadza spalana jest wewnątrz filtra. Prócz tego w wysokiej temperaturze w procesie utleniania, tworzą się popiołu substancji takich jak właśnie tlenek ceru (charakterystyczny brązowy osad, najbardziej typowy w mokrych FAP-ach), tlenki siarki czy metali, których niestety nie da się ani wypalić, ani pozbyć się w inny sposób bez demontażu filtra. Nawet wtedy jednak, bez większego problemu za dziesiątą część ceny nowego, można zregenerować filtr cząstek stałych. Jednak z racji tego, że sporo zakładów zajmuje się w ramach procesu regeneracji DPF czynnościami powszechnie uznanymi za nieakceptowalne. Doskonałym przykładem jest wypalanie DPF w piecu, gdzie jak już dobrze wszyscy wiemy, podobna praktyka jest nieskuteczna, a dodatkowo może doprowadzić do stopienia się katalitycznych dodatków, zatkanie porów i zniszczenie ceramicznego wkładu filtra. Dlatego też polecam korzystanie jedynie z zakładów, które posiadają odpowiedni do tego sprzęt i wystawiają gwarancję.

Żywotność DPF-a

Katalizatory

Katalizatory są nierozerwalnie związane z konstrukcją układu wydechowego w nowoczesnych dieslach. Ponieważ nie ma możliwości, aby filtr cząstek stałych, przy zachowaniu wysokiej skuteczności w wykonywanej pracy cechował się również wysoką wydajnością w pracy katalitycznej, zadanie to pełnią reaktory katalityczne popularnie zwane katalizatorami. Budowa katalizatora jest bardzo podobna do budowy filtra DPF, ponieważ katalizatory również cechują się strukturą plastra miodu która uniemożliwia swobodny przepływ spalin i wymusza tłoczenie ich przez reaktywne porowate kanaliki wewnątrz swojej konstrukcji. Współczesne katalizatory (zwłaszcza TWC - three way catalyst) coraz częściej dzielone są na układy reaktorów, co pozwala na odciążanie poszczególnych segmentów, poprzez maksymalną ich specjalizację. Dobrym przykładem jest układ katalizatorów w nowoczesnych dieslach - osobno instalowane są oksydacyjne i osobno katalizatory SCR. Funkcje reaktywnej powłoki w katalizatorach pełnią związki ceru, cyrkon oraz metale szlachetne.