Ocena stanu filtrów cząstek stałych pojazdów osobowych

ŁUKASIEWICZ Marcin 1 KAŁACZYŃSKI Tomasz 2 LISS Michał 3 WILCZARSKA Joanna 4 SOŁTYS Krzysztof 5 Ocena stanu filtrów cząstek stałych pojazdów osobowych WSTĘP Postępujący wzrost zanieczyszczeń i degradacja środowiska zmusza konstruktorów pojazdów do projektowania i wprowadzania w życie co raz to bardziej nowoczesnych i skuteczniejszych rozwiązań wpływających na zmniejszenie emisji szkodliwych składników spalin. Głównym organem na terenie Europy odpowiedzialnym za dopuszczalne normy emisji spalin jest Unia Europejska, która dbając o dobro środowiska narzuca specjalne ograniczenia zarówno dla silników z zapłonem samoczynnym jak i dla silników z zapłonem iskrowym. Istotnym zagrożeniem dla ludzi jest emisja cząstek stałych, stanowiąca barierę rozwoju współczesnych silników spalinowych, a w szczególności silników wyposażonych w bezpośredni wtrysk paliwa. Wyzwaniem dla producentów samochodów jest monitorowanie i tworzenie nowych norm toksyczności zgodnie, z którymi emisja cząstek stałych winna być wielokrotnie mniejsza od stanu obecnego. Wprowadzane już od 1993 roku normy emisji spalin zapoczątkowały stosowanie w pojazdach rozwiązań wpływających na ich ograniczenie. Rozwiązania te dotyczyły zarówno ingerencji w układ zasilania paliwami jak i zastosowania dodatkowych podzespołów odpowiedzialnych za oczyszczanie spalin. Jednym z tych rozwiązań ostatecznie stał się również tzw. filtr cząstek stałych znany również pod nazwą FAP (fr. filtre à particules), bądź DPF (ang. Diesel Particulate Filter). 1. FILTR CZĄSTEK STAŁYCH Głównym przesłaniem zastosowania tej metody redukcji spalin, było wyeliminowanie przedostawania się sadzy ze spalin do atmosfery na terenie miast i terenów zabudowanych. Na tych obszarach poprzez ograniczenia prędkości, liczne skrzyżowania i manewry wykonywane na ulicach i parkingach powodują, że pomimo przejechania niewielkich odległości do otoczenia emitowana jest znacznie większa masa szkodliwych składników spalin w tym sadzy niż w przypadku jazdy po np. drogach szybkiego ruchu. Dlatego też wprowadzono filtr cząstek stałych, który podczas pracy silnika spalinowego zbiera niemalże całą sadzę powstałą podczas spalania. 1.1 Budowa i zasada działania Filtr cząstek stałych znany również pod nazwą DPF - (ang. Diesel Particulate Filter) lub FAP (fr. filtre à particules) jest szczególnym typem urządzenia, które jest stosowane w silnikach z zapłonem samoczynnym w celu zmniejszenia zanieczyszczania środowiska cząstkami sadzy PM (ang. particulates matters) i popiołu. Pojęcie cząstek stałych PM wprowadzono już w roku 1970 i oznaczało ono najczęściej w pomiarach silników spalinowych całą materię stałą lub ciekłą, organiczną lub nieorganiczną, która gromadzona jest w filtrze po przejściu strumienia spalin rozcieńczonych powietrzem w temperaturze 52±3 o C [3,4,6]. 1 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Pojazdów i Diagnostyki; Al. prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz; Tel: + 48 52 340 82 62, mlukas@utp.edu.pl 2 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Pojazdów i Diagnostyki; Al. prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz; Tel: + 48 52 340 86 58, kalaczynskit@utp.edu.pl 3 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Pojazdów i Diagnostyki; Al. prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz; Tel: + 48 52 340 84 62, michal.liss@utp.edu.pl 4 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Pojazdów i Diagnostyki; Al. prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz; Tel: + 48 52 340 82 83, joanna.wilczarska@utp.edu.pl 4577

Filtr cząstek stałych jest umiejscowiony w układzie wylotowym pojazdu samochodowego w otoczeniu kilku niezbędnych elementów do jego prawidłowego funkcjonowania. Kształtem i budową bardzo przypomina reaktor katalityczny. Jego szczegółową i pozornie prostą budowę przedstawiono na rysunkach 2 i 3. Rys. 2. Budowa filtra cząstek stałych [8] Wszystko się zmienia w sytuacji, gdy bliżej przyjrzymy się rdzeniowi filtra. Całość składa się z korpusu ceramicznego o strukturze makrokomórkowej z węglika krzemu, znajdującego się w obudowie metalowej. Korpus ceramiczny jest podzielony na bardzo dużą ilość równolegle przebiegających małych kanalików, które są naprzemiennie zamknięte. W ten sposób utworzone zostały kanały wlotowe i wylotowe, które są oddzielone od siebie ścianami filtra [9]. Rys. 3. Struktura poszczególnych kanalików wewnątrz rdzenia filtra cząstek stałych [9] Ścianki filtra cząstek stałych wykonane są z jak już wcześniej wspomniano, węglika krzemu. Struktura ta w znacznym przybliżeniu jest porowata (rys. 3). Bryła z węglika krzemu pokryta jest mieszaniną z tlenku glinu i tlenku ceru. Jest ona swego rodzaju warstwą nośną dla katalizatora, który jest pokryty metalem szlachetnym (np. platyną), który służy jako katalizator. Katalizatorem nazywa się materiał, który wymaga reakcji chemicznej lub spowalnia ją nie zmieniając się przy tym [9]. Wytworzone przez silnik spaliny wnikają w poszczególne naprzemiennie zamknięte w kierunku wylotu i wlotu kanaliki, w których to w porowatej strukturze ścianki filtra pozostawiane są stałe 4578

składniki spalin takich jak: sadza. Cząstki sadzy w przeciwieństwie do składników gazowych są zatrzymywane w kanałach wejściowych. 1.2 Diagnozowanie i regeneracja filtra cząstek stałych Podstawową metodą diagnozowania silników wysokoprężnych będącą standardem wszelkich warsztatów mechanicznych jest sprawdzenie zadymienia spalin specjalnym analizatorem dymomierzem. Porównując wyniki stopnia zadymienia silników wysokoprężnych bez filtra cząstek stałych z silnikami, które je posiadają, można zauważyć bardzo wyraźną różnicę. Rys. 4. Filtr cząstek stałych w otoczeniu najistotniejszych elementów [9] (1 komputer sterujący zestawem wskaźników tablicy przyrządów, 2 komputer sterujący silnikiem, 3 miernik masy powietrza, 4 silnik wysokoprężny, 5 czujnik temperatury turbosprężarki, 6 turbosprężarka, 7 czujnik temperatury przed filtrem cząstek stałych, 8 sonda lambda, 9 filtr cząstek stałych, 10 czujnik ciśnienia spalin, 11 czujnik temperatury za filtrem cząstek stałych, 12 tłumik) Znacznie prostszym sposobem diagnozowania stanu filtra cząstek stałych jest obserwowanie informacji podawanych przez system pokładowy samochodu. Rysunek 4 przedstawia schemat zbieranych informacji istotnych do określenia przez system pokładowy pojazdu stopnia zapełnienia filtra. Stopniowa eksploatacja filtra cząstek stałych sprawia, że z czasem wzrasta jego zapełnienie a tym samym spada skuteczność oczyszczania spalin ze szkodliwych składników. Obserwuje się to poprzez to jak zmienia się wartość natężenia przepływu strumienia spalin przechodząca przez filtr. Określenie natężenia przepływu strumienia spalin bazuje na pomiarze natężenia przepływu masy powietrza w kanale spalin i temperatury spalin przed filtrem cząstek stałych. Masa strumienia spalin odpowiada w przybliżeniu masie strumienia powietrza w kanale zasysania, która określana jest za pomocą miernika masy powietrza [8]. Objętość masy spalin zależy od jej temperatury w danej chwili. Jest ona ustalana przez czujniki temperatury przed i za filtrem cząstek stałych. Komputer sterujący silnikiem określa stosunek różnicy ciśnień za pomocą natężenia przepływu strumienia spalin, jako współczynnik i otrzymuje z tego wartość oporów przepływu filtra cząstek stałych. Na podstawie oporów przepływu komputer sterujący silnikiem rozpoznaje stan nagromadzenia sadzy w filtrze i w przypadku jej nadmiernej ilości podaje komunikat ostrzegawczy użytkownikowi pojazdu w postaci podświetlenia odpowiedniej lampki kontrolnej na tablicy wskaźników. Kontrolka ta informuje użytkownika pojazdu o wzroście zapełnienia filtra cząstkami stałymi i sugeruje wszczęcie procedury jego regeneracji. W zależności od producenta samochodu istnieje drobna różnica w wyglądzie ostrzegawczego komunikatu na pulpicie licznika. Jej trzy częste formy przedstawiono na rysunku 5. Rys. 5. Komunikaty ostrzegawcze o zapełnieniu bądź awarii filtra cząstek stałych [8] 4579

Sytuację zapełnionego i pustego filtra cząstek stałych przedstawiono na rysunku 6. Zamieszczony na rysunku 7 schemat przedstawia podział filtrów cząstek stałych ze względu na metodę ich regeneracji. Rys. 6. Dwa odmienne stany pracy filtra cząstek stałych [9] Rys. 7. Schemat podziału filtrów cząstek stałych ze względu na możliwości ich regeneracji [8] 4580

W większości pojazdach samochodowych stosuje się filtry umożliwiające poddania ich procesowi regeneracji. Obecne są różne możliwości samooczyszczania się polegające na wypaleniu sadzy poprzez osiągniecie wysokiej temperatury w filtrze za pomocą dodatkowego wtrysku czy też dodatkowego podgrzewacza, a także utrzymywania przez dłuższy czas podwyższonych obrotów silnika podczas jazdy. Istnieją również metody wymagające ingerencji zewnętrznej polegające na mechanicznym bądź chemicznym czyszczeniu filtra dostępnymi na rynku środkami. Pasywna regeneracja filtrów polega na dodaniu specjalnych środków czyszczących do paliwa poprzez wlanie odpowiedniej ilości danego środka do baku z paliwem, bądź wprowadzeniu bezpośrednio do filtra (np. przez czujnik ciśnienia) specjalnych środków czyszczących. Prowadzi to do powstania reakcji chemicznych, które odrywają sadzę bądź prowadzą do jej wypalenia i usunięcia z filtra przywracając jego sprawność. Regeneracja pasywna oczyszcza filtr na okres około od 1 000 do 30 000 kilometrów. Na zamieszczonym rysunku 8 przedstawiono proces regeneracji pasywnej przy użyciu specjalnego środka czyszczącego wprowadzanego bezpośrednio do komory filtra cząstek stałych [5,8]. Rys. 8. Proces czyszczenia zapełnienia filtra na skutek działania preparatu [8] Regeneracja aktywna wywoływana jest poprzez sterownik silnika przy współpracy z użytkownikiem pojazdu. Sposób przeprowadzania takiej regeneracji może przebiegać zarówno podczas postoju jak i podczas jazdy z utrzymaniem odpowiednio wysokich obrotów silnika pozwalających na osiągniecie wysokiej temperatury w filtrze. Przy regeneracji aktywnej, w zależności od marki auta, w celu poprawy jakości wypalenia sadzy, mogą być stosowane dodatkowe grzałki zwiększające temperaturę filtra jak również dodatkowe wtryskiwacze paliwa umieszczone przed filtrem, prowadzące do powstania zapłonu sadzy bezpośrednio w miejscu jej gromadzenia [1,8]. W przypadku tego typu regeneracji podczas postoju silnik po osiągnieciu optymalnej temperatury 90 C, przechodzi w specjalny tryb znacznie zwiększający zużycie chwilowe paliwa oraz wysokość obrotów silnika do około 1000 1200 obr/min. Wprowadzanie silnika w ten stan może odbyć się poprzez uruchomienie regeneracji przez użytkownika, bądź też wymaga wizyty w specjalistycznym serwisie, który za pomocą interfejsu diagnostycznego uruchamia proces regeneracji. Przed rozpoczęciem tego typu regeneracji silnik musi być zaopatrzony w co najmniej 8-10l paliwa. Znacznie oszczędniejszym typem regeneracji aktywnej jest wypalanie filtra podczas jazdy. Jedynym wymaganiem jest ciągła jazda przez okres czasu wymagany do oczyszczenia filtra, zależny od stopnia jego zapełnienia, z obrotami w granicach od 2000 do nawet 3000 obr/min na 4 lub 5 przełożeniu skrzyni biegów. Aby uruchomić ten tryb wystarczy w wielu przypadkach tylko osiągnąć podane wyżej wymagania a sterownik sam rozpocznie ten proces, bądź niezbędne jest własnoręczne uruchomienie procedury w menu licznika. W tym wypadku pomimo regenerowania filtra możemy przemieszczać się do celu bez zbędnego oczekiwania na postoju. Zaleca się również aby tą metodę stosować poza terenami zamieszkałymi [1,8]. W zależności od tego czy poruszamy się głównie po drogach szybkiego ruchu czy też wyłącznie po terenie zwartej miejskiej zabudowy, dynamiki jazdy, długości przebytych odcinków, temperatury silnika z jaką pokonujemy najwięcej kilometrów czy jakości tankowanego paliwa i sprawności 4581

zainstalowanych w aucie rozwiązań redukujących szkodliwe składniki spalin, żywotność filtra jest bardzo zróżnicowana. Najmniej korzystne dla filtra jest poruszanie się tylko po terenach zabudowanych. Wówczas w skrajnych wypadkach nasz filtr może wymagać regeneracji nawet co 300-400km. Powoduje to również nieodwracalną stopniową utratę drożności, która skutkuje koniecznością wymiany filtra co wiąże się z kosztami sięgającymi w niektórych przypadkach nawet 10 000 zł. Najbardziej optymalne warunki pracy filtra występują w przypadku aut, które pokonują duże odległości. Wówczas silnik pracujący na wysokich obrotach zapewnia wysoką temperaturę i ciśnienie w układzie wydechowym, które sprzyja samoczynnemu wypalaniu się sadzy. W tak eksploatowanych autach bardzo rzadko wymagana jest regeneracja. 2. STANOWISKO DO BADANIA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH W celu dokładniejszego określenia zjawisk zachodzących w przypadku stopniowego zapełniania się filtra cząstek stałych, stworzono stanowisko umożliwiające zaobserwowanie zmian ciśnienia przed i za filtrem w zależności od stanu zapełnienia rdzenia. Stanowisko badawcze przedstawiono na rysunku 9. Rys. 9. Stanowisko badawcze do badania filtrów cząstek stałych [8] Stanowisko badawcze umożliwia wprowadzanie rdzeni filtrów cząstek stałych o różnym stopniu zapełnienia. Filtry cząstek stałych posiadają bardzo dużo różnych kształtów stąd też w przypadku tworzenia stanowiska badawczego ograniczono się jedynie to jednej formy. Na potrzeby badań uzbierano 10 rdzeni filtrów cząstek stały o różnym stopniu zapełnienia, które to określono w wartościach procentowych. Pusty i częściowo zapełniony filtr cząstek stałych przedstawiono na rysunku 10. Rys. 10. Pusty i uszkodzony rdzeń filtra cząstek stałych [8] 4582

Ustalono, że ciśnienie przepływu strumienia spalin w rzeczywistych układach wylotowych kształtuje się na poziomie od 1,1 do 1,2 bar. W związku z tym do realizacji badań na stanowisku badawczym przyjęto, że ciśnienie wejściowe symulującym jednocześnie przepływ strumienia spalin będzie podawane w sposób stały o wartości 1,2 bar. Ciśnienie na wejściu generowano za pomocą kompresora. Na rysunku 11 przedstawiono schematycznie stanowisko badawcze. Rys. 11. Schemat kompletnego stanowiska badawczego [źródło własne] 3. WYNIKI I ICH ANALIZA Do stanowiska badawczego wprowadzono 10 rdzeni filtrów o różnym stopniu zapełnienia. Po czym każdy z nich był poddawany ciśnieniu wejściowemu ustalonemu w taki sposób by jak najdokładniej odzwierciedlał ciśnienie spalin w rzeczywistym układzie wylotowym. W tabeli 1 przedstawiono wyniki odczytów z manometrów przed i za filtrem cząstek stałych. Uzyskane wyniki przedstawiono w formie wykresu na rysunku 12. Rys. 12. Wartości ciśnienia strumienia spalin w zależności od stopnia zapełnienia rdzenia filtra [źródło własne] Tab. 1. Wyniki pomiarów ciśnień za i przed filtra w funkcji stopnia zapełnienia [źródło własne] Ciśnienie spalin przed filtrem [bar] Ciśnienie spalin za filtrem [bar] Symulacja zapełnienia filtra 1,22 1,18 0% 1,22 1,17 10% 1,22 1,20 20% 1,25 1,21 30% 1,29 1,17 40% 1,36 1,16 50% 1,40 1,19 60% 1,63 1,12 70% 1,89 1,21 80% 1,94 1,18 90% 2,01 1,17 100% 4583

Uzyskane wyniki pomiarów wyraźnie wskazują, że stopień zapełnienia rdzenia filtra powoduje stopniowy wzrost ciśnienia spalin przed filtrem. Można również zauważyć, że stopień zapełnienia nie wpływa w żaden sposób na ciśnienie spalin za filtrem, które w każdym przypadku uzyskiwano na podobnym poziomie. Na podstawie otrzymanych wyników można również ustalić pewien stan graniczny poprawnego funkcjonowania rdzenia filtra cząstek stałych, który w przypadku tych badań mieści się przy około 40 50% zapełnienia filtra cząstkami stałymi, wtedy to też następuje wyraźny wzrost ciśnienia spalin. PODSUMOWANIE Współczesne restrykcyjne normy ochrony środowiska są nieubłagane zarówno dla producentów samochodów jaki i samych użytkowników. Wynika to ze znacznych kosztów eksploatacji samochodów wyposażanych w filtry cząsteczek stałych, których nieco skomplikowana regeneracja nie zawsze spełnia swoje zadanie i w ostateczności zazwyczaj prowadzi do konieczności wymiany tego podzespołu. Nie mniej jednak z punktu widzenia ochrony środowiska jest to proces niezwykle skuteczny. Głównym problemem filtrów cząstek stałych jest to, że nieprawidłowo eksploatowane odbijają się na stanie zdatności silników a w konsekwencji całego pojazdu. W niniejszej publikacji poprzez bardzo ogólną symulację zjawisk zachodzących w przypadku filtrów o różnym stopniu zapełnienia można zauważyć w jakim stopniu wzrasta ciśnienie spalin przed filtrem blokując tym samym przepływ strumienia spalin a tym samym powodując znacznie gorszą kulturę pracy silnika. Przewiduje się, że silniki spalinowe użytkowane będą nawet do około roku 2050, więc do tego czasu na pewno pojawią się rozwiązania, które znacznie ułatwią eksploatację pojazdów z filtrami cząstek stałych. Streszczenie Współczesnym zagrożeniem dla ludzi, na które obecnie bardzo mocno skupia się uwagę, jest emisja cząstek stałych, stanowiąca barierę rozwoju współczesnych silników spalinowych, a w szczególności silników wyposażonych w bezpośredni wtrysk paliwa. Wyzwaniem dla producentów samochodów jest monitorowanie i tworzenie nowych norm toksyczności zgodnie, z którymi emisja cząstek stałych winna być wielokrotnie mniejsza od stanu obecnego. Wprowadzane już od 1993 roku normy emisji spalin zapoczątkowały stosowanie w pojazdach rozwiązań wpływających na ich ograniczenie. Rozwiązania te dotyczyły zarówno ingerencji w układ zasilania paliwami jak i zastosowania dodatkowych podzespołów odpowiedzialnych za oczyszczanie spalin. Jednym z tych rozwiązań ostatecznie stał się również tzw. filtr cząstek stałych znany również pod nazwą FAP (fr. filtre à particules), bądź DPF (ang. Diesel Particulate Filter). Niniejszy artykuł przedstawia tematykę związaną z budową i zasadą działania filtrów cząstek stałych. Przedstawia również proste badania obrazujące zjawiska zachodzące w sytuacji stopniowego zapełniania się rdzenia filtra cząstek stałych. The assessment of the vehicle Diesel Particulate Filters (DPF) Abstract Modern threat for humans, which are currently very much focused their attention, is the emission of particulate matter, which is a barrier to the development of modern internal combustion engines, in particular engines equipped with direct injection. The challenge for automakers is to monitor and the creation of new standards toxicity according to which the emissions of particulates should be many times smaller than the status quo. Introduced since 1993, emission standards initiated use vehicles solutions affecting their limit. These solutions related both to interference fuel supply system and the use of additional components responsible for the cleaning of exhaust gases. One of these solutions eventually became well known. particulate filter also known as FAP (fr. filtre à particules) or DPF (ang. Diesel Particulate Filter). This article presents the issues related to the design and function of particle filters. It also presents a simple imaging study phenomena in the situation of a gradual filling of the core of the particle filter. 4584

BIBLIOGRAFIA 1. Cieślikowski B.: Ocena procesu aktywnej regeneracji układu DPF pojazdu dostawczego, Inżynieria Rolnicza, 5 (130), s. 47-54, 2011, 2. Kasedorf J.: Układy wtryskowe i katalizatory, WKŁ, Warszawa 1995, 3. Mazanek A.: Tendencje rozwoju silników o zapłonie samoczynnym w ujęciu proekologicznym, NAFTA GAZ, rok LXX, nr 6, s. 390-394, 2014, 4. Merkisz J., Pielecha J.: Emisja cząstek stałych ze źródeł motoryzacyjnych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2014, 5. Oleksiak S., Stępień Z., Szczerski B.: Możliwości i perspektywy wykorzystania pasywnej regeneracji filtrów cząstek stałych w silnikach z zapłonem samoczynnym, Jurnal of KONES Internal Combustion Engines, vol. 10, nr 3-4, 2003, 6. Postrzednik S., Żmudka Z.: Termodynamiczne oraz ekologiczne uwarunkowania eksploatacji tłokowych silników spalinowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007, 7. Smoliński F.: Filtry cząstek stałych, Autonaprawa, nr 77, s. 34-36, grudzień 2013, 8. Sołtys K.: Analiza metod oceny stanu filtrów cząstek stałych w pojazdach samochodowych, Praca inżynierska, Bydgoszcz 2015, 9. Zeszyty do samodzielnego kształcenia nr 336, Katalityczny warstwowy filtr cząstek stałych budowa i zasada działania, Volkswagen Group. 4585