Opis jak tytuł

Obecnie, a w zasadzie już od około dziesięciu lat, większość samochodów osobowych, ciężarowych, autobusów, a nawet od niedawna maszyn budowlanych i rolniczych, które napędzane są silnikiem wysokoprężnym posiada w układzie wydechowym silnika filtr cząstek stałych – DPF. Rozwiązanie to wprowadzono ze względu na zanieczyszczenia jakie generowały starszej konstrukcji silniki diesla do atmosfery, a dokładniej cząstki węgla (sadzy) wraz z dołączonymi do nich innymi pierwiastkami i związkami (węglowodory aromatyczne, tlenki metali itd.). Są one jednym z czynników odpowiedzialnym za smog w miastach, a same w sobie są rakotwórcze, dlatego postanowiono je wyeliminować ze spalin silników samochodowych. W najbliższych latach najprawdopodobniej filtry cząstek stałych pojawią się także powszechnie w silnikach benzynowych. Jednak powszechność tego rozwiązania nie zawsze idzie w parze ze świadomością tego czym jest i jak działa taki filtr.

Co to jest filtr cząstek stałych – DPF?

DPF (diesel particulate filter)  to, jak już było powiedziane, wbudowany w układ wydechowy silnika wysokoprężnego filtr odpowiedzialny za eliminację stałych cząstek sadzy ze spalin silnika. Składa się z bardzo licznych mikroskopijnych kanalików, których przekrój jest jednostronnie zamknięty. Kanały naprzemiennie otwarte są od przodu lub od tyłu, tworząc siatkę. Wkład filtra wykonany jest ze specjalnego materiału ceramicznego, który posiada niewielkie pory. Spaliny wpadają do kanałów otwartych od przodu (od strony wlotowej), przepływają przez pory materiału filtra do kanałów otwartych od tyłu (od strony wylotowej). Cząstki stałe są większe od porów w materiale filtra, dlatego zostają na ściankach od strony wlotowej i nie przedostają się do atmosfery.
Jak widać rozwiązanie to ma bardzo prostą zasadę działania, jednak zasadniczym problemem jest pozbycie się z kanałów sadzy, która jeżeli nie zostanie usunięta, może doprowadzić do zapchania filtra, co początkowo objawia się spadkiem mocy, a ostatecznie może doprowadzić do unieruchomienia samochodu. Cząsteczki sadzy zamieniają się w dwutlenek węgla (czyli po prostu są spalane), gdy temperatura spalin przekracza około 500 stopni Celsjusza, następuje to w warunkach dużego obciążenia i wysokich obrotów silnika. Wiele pojazdów jednak eksploatowanych jest w warunkach w których stany dużego obciążenia są zbyt krótkie, dlatego producenci stosują kilka rozwiązań które pomagają osiągnąć taki stan.
Niektóre układy, gdy wykryją duże nagromadzenie sadzy w filtrze zwiększają obciążenie silnika (np. uruchamiając obciążenia elektryczne, zmieniając charakterystykę pracy wtryskiwaczy czy systemu recyrkulacji spalin). Inne pojazdy mają dodatkowy wtryskiwacz paliwa, który podaje dawkę oleju napędowego do filtra, a ta spalając się podnosi temperaturę do pożądanej, tym samym wypalając. Procesy takie zachodzą co kilkaset kilometrów w każdym pojeździe wyposażonym w DPF, jednak nie zawsze są one wystarczające, z czasem może filtr może się zapchać zbyt mocno by takie rozwiązania wystarczały.

Zapchany filtr DPF – co dalej?

Jeżeli filtr DPF zapcha się na tyle mocno, że fabryczne systemy wypalania sadzy nie są w stanie jej z niego usunąć, wówczas niezbędna jest regeneracja serwisowa. Objawami takiego stanu będzie zmniejszona moc silnika, którą możemy zauważyć jako problem z przyspieszeniem i osiąganiem wyższych prędkości jazdy, oraz częste przechodzenie samochodu w tryb awaryjny (zwykle także owocujący obniżoną mocą). Współczesne samochody powinny także, po prostu, wyświetlić nam komunikat o awarii DPF.
Problem z zapychającymi się filtrami szybko został zauważony zarówno przez kierowców, jak i przez sektor usług motoryzacyjnych, dlatego z czasem pojawiły się metody regeneracji filtra, które znacznie obniżają koszty przywrócenia sprawności pojazdu z niedrożnym DPF. Na początku stosowania tej technologii, zapchany filtr musiał być wymieniony na nowy, którego cena oscylowała w granicach 5 – 6 tysięcy zł.
Każda metoda (oprócz wypalania w trybie serwisowym) regeneracji musi zacząć się od demontażu i diagnozy filtra. Znajduje się on zwykle w jednej puszce wraz z katalizatorem, albo za kolektorem wydechowym, albo w dalszej części układu. Umiejscowienie blisko kolektora jest bardziej korzystne, ponieważ spaliny mają tam wyższą temperaturę.
Diagnoza zwykle odbywa się za pomocą endoskopu, jeżeli filtr jest zniszczony (może się stopić, lub pokruszyć z powodu uszkodzenia mechanicznego) niestety należy wymienić go na nowy. Zwykle jednak filtr jest po prostu ekstremalnie zabrudzony, wówczas można go zregenerować na jeden z dostępnych na rynku sposobów.

Wypalanie w trybie serwisowym

Często w przypadku gdy wcześniej opisane procesy fabrycznego wypalania sadzy były przerywane przez użytkownika (np. poprzez wyłączenie silnika), sterownik silnika (ECU) może nie inicjować kolejnych cykli czyszczenia. Wówczas dochodzi do zapchania się DPF, jednak jeżeli zauważymy problem odpowiednio wcześnie, możemy wypalić sadzę w trybie serwisowym. Metoda ta polega na wymuszeniu fabrycznych procedur wypalania poprzez urządzenia diagnostyczne podpięte przez magistralę CAN. Proces taki zwykle prowadzi się przy ustalonym (wysokim) obciążeniu i jest on monitorowany przez to samo urządzenie diagnostyczne.
Zaletą takiego rozwiązania jest jego prostota i szybkość, nie wymaga ono demontażu elementów silnika, ani innych ingerencji. Nadaje się ona jednak tylko do stosunkowo słabo zapchanych filtrów. Należy także pamiętać, że blokadę procedury wypalania sadzy może powodować także awaria któregoś z podzespołów silnika, dlatego przy przeprowadzaniu tej procedury zaleca się także diagnostykę jednostki napędowej.

Czyszczenie chemiczne

Regeneracja środkami chemicznymi zachodzi najczęściej już poza pojazdem, chociaż niektóre z rozwiązań pozwalają na tylko częściowy demontaż elementów (potrzebne tylko do aplikacji środków chemicznych). Metoda, jak łatwo się domyślić polega na podaniu do filtra chemicznych środków, które mają rozpuścić sadzę i usunąć ją z filtra. Zwykle stosuje się dwa płyny o różnych właściwościach, jeden ma rozpuścić zanieczyszczenia, jest to zwykle dość agresywny ług, a drugi wypłukać zanieczyszczenia i zneutralizować wcześniej podany płyn rozpuszczający. Istnieją też specjalne maszyny, które przepłukują filtr substancjami chemicznymi (wielokrotnie), dzięki czemu można zastosować mniej agresywne substancje, jednak są one w Polsce rzadkością.
Jest to dość prosta procedura, nie wymaga w swojej podstawowej wersji specjalnego osprzętu, ani wyjątkowych kwalifikacji, co jest jej zaletą. Jednak mechanicy zwracają uwagę, że nie jest ona zbyt skuteczna, że rozpuszczone substancje osadzają się w innym miejscu, zamiast zostać usunięte z silnika, a agresywne płyny stosowane do tego zabiegu mogą uszkadzać aktywne warstwy naniesione na powierzchnię kanalików filtra.

Obróbka pneumatyczna

Inną metodą jest zastosowanie powietrza pod ciśnieniem. Do wykonania regeneracji tą metodą wymagana jest już specjalna maszyna, a wkład filtra musi zostać wyjęty z obudowy. Wkład taki umieszczany jest w maszynie, w której w każdy z kanalików wdmuchuje się powietrze pod dużym ciśnieniem, które ma za zadanie oderwać i wydmuchać z jego wnętrza zanieczyszczenia.
Metoda ta nie jest zbyt popularna, metoda wymaga drogich maszyn, a dodatkowo wyjęcia wkładu z obudowy, jest to problematyczne technicznie i pracochłonne, wymaga specjalnie wykwalifikowanych pracowników, którzy odpowiednio rozetną, a po skończonej procedurze zaspawają obudowę filtra. Metoda wykazuje też niską skuteczność jeśli filtr został zanieczyszczony olejem (co zdarza się w przypadku awarii turbosprężarki). Zaletą jest małe prawdopodobieństwo uszkodzenia wkładu podczas czyszczenia, jest dość delikatna. Metoda ma skuteczność około 70%.

Obróbka termiczna

Historycznie najstarszą metodą regeneracji DPF jest obróbka termiczna. Polega ona na wyprażaniu wkładu filtra w piecu indukcyjnym do czasu literalnego wypalenia się sadzy która nagromadziła się w jego wnętrzu.
Metoda ta dziś jest coraz rzadziej stosowana, wymaga wyjęcia wkładu z obudowy (czego konsekwencje były opisane przy omawianiu obróbki pneumatycznej), oraz może powodować uszkodzenia filtra, który przy zbyt gwałtownej zmianie temperatury może pękać. Ponadto metoda ta usuwa z wnętrza filtra wyłącznie sadzę, nie usuwa popiołów i innych frakcji niepalnych.

Obróbka ultradźwiękowa

Metoda oczyszczania ultradźwiękami jest od wielu lat już stosowana w nauce i wielu rozwiązaniach technologicznych. Stosuję się ją także do oczyszczania filtrów cząstek stałych. Metoda ta polega na umieszczeniu zdemontowanego filtra w wannie myjki ultradźwiękowej, która wypełniona jest odpowiednim roztworem lub wodą, a następnie generowaniu w cieczy ultradźwięków (fal dźwiękowych o bardzo wysokiej częstotliwości, powyżej granicy słyszenia ludzkiego ucha), które generują w niej powstawanie pęcherzyków o dużej energii wewnętrznej, prowadzącej do ich implozji, a ona z kolei do odrywania i wypłukiwania zanieczyszczeń z wnętrza filtra.
Metoda ta jest skuteczna i bezpieczna dla filtra, jednak ma pewne ograniczenie, działa tylko tam gdzie dopływa woda, a więc jeżeli filtr jest bardzo mocno zanieczyszczony, wymagane jest kilka cyklów czyszczenia, co znacząco zwiększa czas potrzebny na taką operację.

Czyszczenie hydrodynamiczne

To najnowsza metoda regeneracji DPF, coraz popularniejsza i szerzej stosowana. Polega ona na oczyszczaniu filtra za pomocą wody. Filtr umieszczany jest wewnątrz specjalnej maszyny, która w ustalonej procedurze oczyszcza go ze wszelkich zanieczyszczeń. Woda jest wprowadzana do filtra z niewielką prędkością, następnie przeprowadzany jest cykl roboczy składający się określonej liczby uderzeń hydrodynamicznych o ciśnieniu około 5 barów, które wypłukują z wnętrza zanieczyszczenia. Po cyklu roboczym maszyna filtr obraca i cały proces się powtarza. Etapy wolnego przepływu między cyklami roboczymi mają za zadanie wypłukanie zanieczyszczeń także z obudowy. Urządzenie ma także możliwości diagnostyczne, dlatego kolejne procedury przeprowadzane są do skutku, czyli osiągnięcia parametrów filtra zbliżonych do fabrycznych (według norm prędkość przepływu powietrza ok. 400 m3/h i ciśnienie różnicowe ok. 30 milibarów).
Brak jest znaczących wad tego rozwiązania, pozwala ono na dokładne oczyszczenie DPF w mniej więcej 30 minut, pozbywamy się wszelkich zanieczyszczeń, maszyny czyszczą filtr zamontowany w obudowie, a wkład jest niezagrożony uszkodzeniem. Wydaje się być ona optymalną metodą regeneracji filtrów cząstek stałych.

Wyciąć czy regenerować filtr DPF?

W obliczu tak zróżnicowanych metod regeneracji filtra DPF, wydaje się, że popularne na początku powszechnego stosowania tej technologii „wycinanie”, zwyczajnie traci sens. Jednorazowe wycięcie filtra to koszt około 1000 zł, należy pamiętać jednak, że jest to działanie nielegalne, a samochód z wyciętym DPF-em nie spełnia norm i warunków homologacji. Trzeba pamiętać, także o środowisku i zanieczyszczeniach powietrza. Filtry DPF nie są montowane w samochodach bez przyczyny, wyraźne zmniejszenie emitowanych przez diesle zanieczyszczeń jest korzyścią dla wszystkich.
Regeneracja filtra obecnie nie jest znaczącym kosztem, za około 800-900 zł możemy dokonać czyszczenia hydrodynamicznego (a ceny z czasem pewnie jeszcze zmaleją), które wystarczy na około 150 tysięcy kilometrów. Mniej zaawansowane metody bywają jeszcze tańsze. Dlatego przy odpowiednim traktowaniu samochodu wyposażonego w DPF, jego wycinanie jest nie tylko nielegalne, ale także bardzo nierozsądne.

Jak dbać o filtr DPF?

Samochody z silnikami z DPF wymagają pewnej uwagi, by zapewnić sobie długotrwałą drożność filtra po pierwsze powinniśmy dbać o ogólny stan techniczny pojazdu. Najczęstszą przyczyną problemów z DPF wcale nie jest wadliwa konstrukcja filtra, czy jego idea, jak sądzą osoby które pozbywają się filtrów, tylko niesprawności silnika. Do szybkiego zanieczyszczenia DPF może doprowadzić przede wszystkim niewłaściwa mieszanka paliwowo-powietrzna w silniku, której niewłaściwy skład może być spowodowany tak trywialną awarią jak niesprawny przepływomierz. Taki sam efekt będzie, jeżeli niesprawne są wtryskiwacze (np. „leją” czyli przepuszczają ponadnormatywne dawki oleju napędowego). Innym poważnym problemem mogą być nieszczelności w układzie korbowo-tłokowym i głowicy, które powodują spalanie oleju. Sytuacją która dramatycznie szybko może zanieczyścić DPF jest także awaria turbosprężarki, która często prowadzi do tego, że olej silnikowy dostaje się do układu wydechowego i błyskawicznie zalepia kanaliki filtra. Dlatego podstawą jest dbanie o stan silnika, regularne przeglądy i naprawy.

Poza tym ważne jest by dać możliwość wypalenia się sadzy z filtra, głównie poprzez jazdę z większymi obciążeniami. Permanentna jazda na krótkich odcinkach lub z małymi prędkościami nie pozwala filtrowi na samoczynne oczyszczenie się, nawet przy pomocy dodatkowych procedur. Jeżeli mamy więc samochód z silnikiem wyposażonym w DPF, powinniśmy od czasu do czasu przejechać nim dłuższy odcinek z większą prędkością (np. po trasie szybkiego ruchu lub autostradzie). Jeżeli zachowamy się w ten sposób, to filtr może być wystarczająco drożny nawet do 250 tysięcy kilometrów.