Systemy oczyszczania spalin – co to jest DPF, FAP, GPF, EGR, katalizator?

Układ wydechowy w samochodzie pełni trzy podstawowe funkcje. Pierwsza, to usuwanie spalin z silnika poza obręb kabiny samochodu. Druga, to wyciszenie pracy układu wydechowego. O tym, jak głośny może być układ wydechowy, możemy się czasami przekonać na własne uszy. Wtedy, gdy na naszej drodze, albo w pobliżu naszego domu pojawi się domorosły fan tuningu z pseudo tłumikiem. Trzecia funkcja układu wydechowego to oczyszczanie spalin z toksycznych związków.

Rozwój systemów oczyszczania spalin jako odpowiedź na nowe normy Euro

Normy emisji spalin Euro spowodowały konieczność spełnienia dodatkowych norm homologacyjnych, przez co producenci aut musieli wdrożyć nowe rozwiązania technologiczne. W 1993 roku wprowadzono normę emisji spalin Euro 1 i producenci musieli zacząć wyposażać auta w katalizatory. Każda kolejna norma emisji spalin zaostrzała obowiązujące przepisy i ograniczała możliwość emisji konkretnych zanieczyszczeń. W 2014 roku wprowadzono normę emisji spalin Euro 6. Aby móc spełnić jej wymagania, producenci samochodów zaczęli montować w dieslach i benzyniakach filtry cząstek stałych. Jej kolejne wersje, Euro 6c i 6d spowodowały konieczność montowania układów SCR w dieslach.

Obecnie trwają prace nad normą emisji spalin Euro 7. Niestety, w tym przypadku oczekiwania urzędników rozminęły się z możliwościami technicznymi przemysłu motoryzacyjnego. Wprowadzenie Euro 7 może oznaczać wcześniejszy koniec silników spalinowych.

Jak jest zbudowany układ wydechowy we współczesnym samochodzie?

Układ wydechowy współczesnego auta składa się z następujących elementów:

• Kolektor wydechowy – element zamontowany za silnikiem, który gromadzi spaliny ze wszystkich cylindrów i prowadzi je do rury wydechowej.

• Rura wydechowa prowadzi spaliny z kolektora wydechowego, pod autem, aż do samego końca auta, gdzie znajduje się jej wylot. Wszystkie podzespoły układu wydechowego są zamontowane na rurze wydechowej.

• Zawór recyrkulacji spalin EGR (jeśli występuje w danym aucie).

• Katalizator występuje w każdym samochodzie.

• Filtr cząstek stałych (jeśli występuje w danym samochodzie).

• Układ selektywnej redukcji katalitycznej (jeśli występuje w danym aucie).

• Tłumik – element odpowiedzialny za wyciszenie pracy układu wydechowego.

• Rura wydechowa – usuwa spaliny poza obręb nadwozia, za samochodem.

Systemy oczyszczania spalin we współczesnym samochodzie

Zawór recyrkulacji spalin EGR to element układu wydechowego, który ma za zadanie zapobiec powstawaniu szkodliwych tlenków azotu. Powstają one w bardzo wysokiej temperaturze i przy dużej ilości tlenu. Zawór recyrkulacji spalin EGR to rura o odpowiednim kształcie, która łączy układ wydechowy i dolotowy. Znajduje się na niej zawór, który pracuje w pozycji otwartej albo zamkniętej. W nowszych rozwiązaniach dodatkowo stosowana jest chłodnica spalin. Jest ona chłodzona za pomocą płynu chłodniczego.

Przy określonych warunkach (odpowiednia prędkość obrotowa, odpowiednia temperatura silnika – silnik musi być rozgrzany) zawór EGR otwiera się. Wówczas część spalin zawraca z kolektora wydechowego i trafia z powrotem do kolektora dolotowego. Tutaj miesza się ze świeżo zassanym powietrzem i trafia do cylindrów. Jaki ma to cel? „Dodatek” spalin do zasysanego powietrza sprawia, że jest w nim mniej tlenu.

Zawór EGR nie sprawdził się w praktyce. Jest kłopotliwy. Zawracanie spalin powoduje brudzenie przepustnicy i kolektora dolotowego.

Katalizator (reaktor katalitycznych) jest montowany zaraz za silnikiem samochodu. W niektórych, na szczęście nielicznych autach, jest montowany wewnątrz kolektora dolotowego. To nie lada problem dla mechaników, przy wymianie.

Katalizator ma formę walca, przez którego środek przebiega rura wydechowa. Wewnątrz znajduje się specjalna struktura o budowie plastra miodu. Jej kanaliki są pokryte metalami szlachetnymi, takimi jak platyna, rod, czy pallad. Szkodliwe związki w spalinach reagują z metalami szlachetnymi. Dochodzi do reakcji utleniania, które w silnikach diesla prowadzą do przemiany węglowodorów do postaci wody (pary wodnej) i tlenków węgla do dwutlenku węgla. W silnikach benzynowych (gdzie stosuje się tak zwane katalizatory trójdrożne) reakcje utleniania dodatkowo rozbijają tlenki azotu do tlenu i azotu.

Katalizator trójdrożny jest kontrolowany przez sondy lambda, montowane przed i za nim. Mają one wpływ na dobór mieszanki paliwowo – powietrznej, a także na temperaturę spalin.

Katalizator trójdrożny i utleniający (w dieslach) powinien się oczyszczać sam podczas dynamicznej jazdy po mieście. Podzespół zużywa się i może wymagać wymiany po ok. 200 – 250 tys. km przebiegu.

Filtr cząstek stałych ma za zadanie zatrzymywać i równocześnie, neutralizować cząstki stałe. Podczas spalania mieszanki paliwowo – powietrznej powstaje sadza. Ma ona wpływ na powstawanie smogu i jest szkodliwa. Filtr ma postać metalowego walca, zamontowanego na rurze wydechowej. Wygląda tak samo, jak katalizator. We wnętrzu znajduje się struktura ceramiczna, z bardzo cieniutkimi kanalikami. Polowa z tych kanalików jest zaślepiona od strony silnika. Druga połowa kanalików jest zaślepiona od strony wydechu. Na ściankach kanalików są niewielkie otworki. Ich średnica jest mikroskopijna. Dobrano ją tak, aby gazy spalinowe mogły się przecisnąć. Ale aby cząsteczki sadzy zostały na nich zatrzymane. Jak filtr cząstek stałych oczyszcza się ze zgromadzonych cząstek sadzy?

• Na drodze regeneracji pasywnej. Wystarczy wysoka temperatura spalin, uzyskiwana podczas dynamicznej jazdy poza miastem, aby spalić zalegającą sadzę.

• Na drodze regeneracji aktywnej. Jeśli kierowca nie wyjeżdża poza miasto, tylko ciągle jeździ z niewielką prędkością po mieście, komputer sterujący pracą jednostki napędowej generuje dodatkowy wtrysk paliwa, zwiększa obroty silnika, uruchamia dodatkowe układy.

Stopień zapełnienia filtra jest kontrolowany przez czujnik ciśnienia różnicowego.

Wyróżnia się trzy rodzaje filtrów cząstek stałych:

• Filtr DPF – suchy filtr cząstek stałych, stosowany w dieslach, najpopularniejsze rozwiązanie.

• Filtr FAP – mokry filtr cząstek stałych, stosowany w dieslach i benzyniakach. Dodatkowy element tego filtra to zbiornik z płynem katalitycznym, który jest wtryskiwany do wnętrza filtra. Jego zadaniem jest obniżenie temperatury samozapłonu sadzy. Teoretycznie, powinien oczyścić filtr z zalegającej w nim sadzy przy niższych prędkościach jazdy.

• Filtr GPF – filtr cząstek stałych, stosowany w silnikach benzynowych. Nie stosuje się w nim regeneracji aktywnej, albowiem temperatura spalin w benzyniakach jest wysoka.

Co to jest układ selektywnej redukcji katalitycznej SCR?

Wróćmy na chwilę do opisu katalizatora utleniającego, stosowanego w dieslach. W przeciwieństwie do katalizatora trójdrożnego (stosowanego w autach z silnikami benzynowymi), nie ma on możliwości redukcji tlenków azotu. Dlatego konieczne było zastosowanie kolejnego podzespołu, skoncentrowanego na usuwaniu toksycznych tlenków azotu.

Producenci samochodów nie wymyślili tego podzespołu. Sięgnęli oni do rozwiązania, stosowanego od ponad 50 lat w przemyśle. Na jego bazie opracowali układ SCR. Składa się on z kolejnego elementu o budowie walca, zamontowanego na rurze wydechowej, za filtrem cząstek stałych. To tzw. mieszalnik. Poza tym w skład układu SCR wchodzi zbiornik płynu AdBlue (mieszanina granulowanego mocznika 37,5% i wody zdemineralizowanej), pompa elektryczna, wtryskiwacz, przewód oraz czujniki i przewody elektryczne. Płyn AdBlue jest wtryskiwany do spalin. Dochodzi do reakcji chemicznej, która powoduje rozbicie szkodliwych, toksycznych tlenków azotu na tlen i azot. Układ SCR jest bardzo skuteczny, potrafi zneutralizować do 90 procent tlenków azotu, znajdujących się w spalinach.

Nowoczesne podzespoły mające za zadanie oczyszczanie spalin sprawiają, że współczesne samochody z silnikami spalinowymi są przyjazne dla środowiska. Niestety, są też zdecydowanie droższe, cięższe i co najgorsze, skomplikowane w eksploatacji. Nie bez powodu filtry cząstek stałych i układy SCR są uznawane przez kierowców za najbardziej znienawidzone części samochodu. Wprowadzenie normy emisji spalin Euro 7 spowoduje zapewne wprowadzenie nowego filtra. Może być też tak, że nikt już nie będzie tworzyć nowych rozwiązań, przestawiając się całkowicie na elektromobilność. Kiedy w salonach będą tylko elektryczne samochody, dwa albo dwa i pół raza droższe od obecnie produkowanych spalinowców, kierowcy zatęsknią za filtrami DPF, zaworami EGR, układami SCR i płynem AdBlue.

Michał Lisiak