Filtry cząstek stałych DPF/FAP

Filtr cząstek stałych (FAP/ DPF) jest urządzeniem stosowanym we współcześnie produkowanych samochodach z silnikami wysokoprężnymi. FAP (z fr. filtre à particules) i DPF (z ang. diesel particulate filter) są to dwa najczęściej używane skróty używane zamiennie jako nazwa filtra cząstek stałych.

W pierwszej kolejności filtry te zaczęli stosować Francuzi w latach 90. Przykładem może być Peugeot, czy Citroen który montował silniki HDi, które opcjonalnie były wyposażane w FAP.
W 2005r, kiedy została wprowadzona norma Euro 4 zostało wymuszone stosowanie filtrów cząstek stałych na większości producentów. Ci, którym udało spełnić tą normę bez stosowania wspomnianych filtrów ponieśli klęskę w 2009r, kiedy wprowadzona została norma Euro 5.

Samochody z silnikami wysokoprężnymi cieszą się dużo popularnością na naszych drogach. Aby ograniczyć szkodliwe i trujące cząstki stała emitowane przez silniki Diesla zaczęto stosować filtry DPF/ FAP. Ma to na celu poprawę jakości powietrza, głównie w miastach. Cząstki stałe mają mikroskopijne rozmiary, przez co bez trudu mogą przedostawać się do naszego układu oddechowego, przenikać przez pęcherzyki płucne i dostać się do układu krwionośnego. Jedna cząstka po dostaniu się do krwioobiegu może być przyczyną zgonu (zawału serca). Mimo, że nie jest to częsty przypadek, to musimy mieć świadomość, że może spotkać każdego z nas. W miastach, gdzie jeździ i stoi w korkach dziesiątki tysięcy samochodów, gdzie większość z nich, to samochody z silnikami Diesla bardzo wzrasta ryzyko zachorowania na raka. Norma emisji spalin ograniczyła pięciokrotnie ilość sadzy wydobywającej się z układów wydechowych silników Diesla.
Cząstki stałe są mieszaniną sadzy i rozpuszczonej frakcji organicznej, a także węglowodorów w postaci resztek niespalonego paliwa. Największa emisja sadzy następuje w warunkach rozruchu zimnego silnika, jego pracy w niskiej temperaturze, przy każdym mocniejszym wciśnięciu pedału przyspieszenia, kiedy następuje zwiększenie dawki paliwa.
Filtry cząstek stałych mają dwa zadania. Pierwszym z nich jest zatrzymywanie cząstek stałych wydobywających się z silnika, a drugim wypalanie ich wewnątrz filtra. Dzięki regularnemu wypalaniu trwałość filtra wzrasta.
Filtr FAP/ DPF jest prostym w budowie urządzeniem zamontowanym za katalizatorem. Puszka, w której znajduje się DPF jest wykonana z wysokiej jakości stali nierdzewnej. Wewnątrz niej znajduje się ceramiczny korpus filtra. Wnętrze filtra to zagęszczone kanały, ustawione równolegle względem siebie w taki sposób, że ich wygląd przypomina siatkę. Kanały te są zamknięte z jednej strony, naprzemiennie od strony dolotowej i wylotowej. Dzięki temu spaliny nie mając ujścia muszą przepływać przez ścianki kanałów wlotowych, by mogły przedostać się do wylotowych, a w konsekwencji zostawiają na ściankach cząstki sadzy. Ściany kanałów wykonane są z węglika krzemu pokrytego tlenkiem glinu i tlenkiem ceru, a na nich osadzone są cząstki platyny – bardzo drogiego pierwiastka, który degraduje się pod wpływem działania wysokiej temperatury. Stąd też wysokie ceny filtrów cząstek stałych.
Koncepcja firmy BOSCH jest nieco inna. Firma ta zaprojektowała filtr, w którym zamiast ceramiki użyto spieków metalowych. Firma deklaruje, że powinien on wytrzymać bez wymiany do końca dni pojazdu.

Należy wspomnieć, że oczyszczanie spalin z cząstek stałych, to nie tylko filtr, ale cała odpowiednia aparatura, która będzie nim w odpowiedni sposób zarządzać. Dlatego też wymagane jest stosowanie szerokopasmowych sond lambda, które informują o jakości spalin wydobywających się z DPF oraz czujników temperatury zarówno przed jak i za filtrem. Za filtrem znajduje się również czujnik ciśnienia wskazujący stopień napełnienia filtra sadzą.

Większość filtrów FAP/ DPF wymienia się po ich nadmiernym zanieczyszczeniu. Filtry te da się regenerować bez demontażu z samochodu. Wszystko zależy od tego, z jakim typem filtra mamy do czynienie i czy filtr jest jednorazowy, czy też nie.
Na szczęście w większości przypadków mamy do czynienia z filtrami podlegającymi regeneracji. Może się ona różnić zależnie od tego, czy filtr jest mokry, czy suchy.

Kanały wlotowe filtra mają określoną objętość i nie są w stanie zgromadzić nieskończonej ilości cząstek sadzy. Aby filtr działał poprawnie muszą być one systematycznie usuwane – wypalane. Dzięki temu wydajność filtra będzie mieścić się w przedziale 85 – 100%. Oznacza to, że filtr cząstek stałych opuszcza co najwyżej 15% pierwotnej zawartości zanieczyszczeń w fazie stałej. Usuwanie nagromadzonych cząstek stałych następuje w procesie ich regeneracji. Wyróżniamy dwa rodzaje regeneracji – aktywną i pasywną. W regeneracji pasywnej nie bierze udziału sterownik silnika. Ma on za zadanie sterować regeneracją aktywną.

Regeneracja pasywna zachodzi, gdy spaliny osiągają temperaturę 350 – 500 st.C bez ingerencji sterownika silnika. W tej temperaturze sadza wchodzi w reakcję z materiałem filtra. Dwutlenek azotu ze spalin reaguje z węglem cząstek sadzy, z czego powstają tlenek węgla oraz tlenek azotu. Te natomiast łączą się z tlenem, tworząc dwutlenki węgla i dwutlenki azotu wydostające się kanałami wylotowymi do atmosfery.

Regeneracja aktywna wymaga wyższej temperatury, bo aż 600 st. C, w której to cząstki sadzy nagromadzone w filtrze są spalane. Taka temperatura osiągana jest jednak tylko dzięki ingerencji sterownika silnika. Po wykryciu poziomu nasycenia przekraczającego 50% sterownik silnika dokonuje zmian w parametrach pracy silnika. W większości przypadków jest to np. wyłączenie recyrkulacji spalin w celu zwiększenia ilości tlenu i podwyższenia temperatury spalania, opóźnienie kąta wtrysku i dokonywanie wtrysku dodatkowego, zwiększenie ciśnienia doładowania aby kierowca nie odczuł spadków mocy itp.

Czas trwania regeneracji aktywnej to 5 – 10 minut, a wykonywana jest ona co 200 – 600 km w zależności od trybu jazdy kierowcy. Co dzieje się, gdy nie ma odpowiednich warunków do wykonania tego typu operacji, czyli np. w jeździ miejskiej. Kiedy będzie zdarzać się to w sposób ciągły, a nasycenie filtra będzie bardzo duże to wtedy zaczną się problemy. Najpierw zapali się kontrolka filtra cząstek stałych, co wymusza na nas zapewnienie odpowiednich warunków do przeprowadzenia regeneracji aktywnej, np. ciągła jazda pod obciążeniem na autostradzie. Niestety w takiej sytuacji jest już za późno i powinniśmy udać się do serwisu. Jeśli filtr zapełni się w 80%, to jesteśmy skazani na zakup nowego, którego wydatek oscyluje w granicach od 1400 do nawet 10 000 zł w zależności od marki i modelu samochodu.
Jeśli chodzi o regenerację mokrych filtrów cząstek stałych, to wykorzystują one specjalny płyn, który regularnie dodawany jest do paliwa. Obniża on temperaturę spalanie się sadzy dzięki temu możliwa jest regeneracja. Zbiorniki z płynem mają objętość około 5 litrów i wystarcza go na 80 – 240 tys kim przebiegu w zależności od marki i modelu samochodu. W starszych są to przebiegi oscylujące w okolicach dolnej granicy.