DPF zatrzymuje cząstki stałe obecne w spalinach silnika Diesla, przede wszystkim sadzę. Jest częścią układu oczyszczania spalin, a jego działanie obejmuje zarówno filtrowanie, jak i okresowe usuwanie nagromadzonej sadzy. Nie wszystkie osady da się jednak wypalić. To rozróżnienie ma znaczenie dla trwałości filtra, diagnostyki i kosztów obsługi.
DPF jako element ograniczania emisji spalin
Skrót DPF pochodzi od angielskiego określenia Diesel Particulate Filter. Oznacza filtr cząstek stałych przeznaczony do silników wysokoprężnych. Jego zadaniem jest zatrzymywanie drobnych cząstek powstających podczas spalania paliwa i zużywania oleju silnikowego, zanim wydostaną się z układu wydechowego.
Cząstki emitowane przez diesle mają niewielkie rozmiary i mogą docierać głęboko do układu oddechowego. Na ich powierzchni znajdują się także inne substancje powstające podczas spalania. Ograniczenie tej emisji ma znaczenie dla zdrowia ludzi i jakości powietrza, szczególnie przy drogach o dużym natężeniu ruchu. Brak widocznego dymu nie oznacza braku cząstek w spalinach.
Filtry pojawiały się w samochodach stopniowo, wraz z rozwojem technologii i zaostrzaniem norm emisji. Upowszechnienie DPF w europejskich autach osobowych wiązało się przede wszystkim z wymaganiami Euro 5. Nie istnieje jednak jedna data, od której każdy diesel ma taki filtr. Wyposażenie zależy od modelu, wersji silnikowej i rynku, na który samochód trafił.
Fabryczny DPF jest elementem konfiguracji, w której pojazd spełniał wymagania emisyjne. Jego usunięcie nie jest równoważne z naprawą. W Polsce użytkowanie auta z wyciętym wymaganym filtrem narusza wymagania dotyczące wyposażenia i emisji, a wykrycie takiej ingerencji podczas badania technicznego oznacza wynik negatywny. Wyłączenie kontroli filtra w sterowniku nie przywraca zgodności samochodu z tymi wymaganiami.
Budowa filtra DPF i mechanizm zatrzymywania cząstek
Filtr znajduje się w układzie wydechowym. Może być zamontowany blisko silnika, gdzie łatwiej utrzymać wysoką temperaturę spalin, albo dalej pod podłogą pojazdu. W zależności od konstrukcji występuje jako osobny podzespół lub jest połączony w jednej obudowie z katalizatorem. Są też rozwiązania, w których wkład filtracyjny ma powłokę realizującą funkcję SCR.
W metalowej obudowie umieszczony jest porowaty wkład, wykonany między innymi z kordierytu lub węglika krzemu. Tworzy on sieć kanałów zamkniętych naprzemiennie od strony wlotu i wylotu. Spaliny nie mogą więc przepłynąć przez filtr prostą drogą. Przechodzą przez porowate ścianki, na których zatrzymują się cząstki.
W miarę gromadzenia osadów rośnie opór przepływu. Filtr zbiera zarówno sadzę, którą można utlenić podczas regeneracji, jak i popiół pozostający po spalaniu składników oleju oraz niektórych dodatków. Nadmierne zapełnienie zwiększa przeciwciśnienie w wydechu i utrudnia odprowadzanie spalin z silnika.
Nadzór nad pracą DPF sprawuje sterownik silnika. Korzysta z czujników temperatury spalin, czujnika różnicy ciśnień oraz obliczeń uwzględniających warunki pracy jednostki. Różnica ciśnień przed filtrem i za nim pomaga ocenić jego opór, ale sam odczyt nie mówi jeszcze, ile sadzy znajduje się we wkładzie. Zależy również od przepływu spalin, dlatego wynik na biegu jałowym nie jest bezpośrednio porównywalny z pomiarem pod obciążeniem.
DPF nie zastępuje pozostałych elementów oczyszczania spalin. Filtr zatrzymuje cząstki, katalizator utleniający ogranicza emisję tlenku węgla i niespalonych węglowodorów, a układ SCR redukuje tlenki azotu. Podzespoły mogą współpracować lub znajdować się we wspólnej obudowie, lecz ich zadania pozostają różne.
DPF, FAP i GPF: nazewnictwo oraz odmiany filtrów
Nazwa FAP wywodzi się z francuskiego określenia filtre à particules. Podobnie jak DPF oznacza filtr cząstek stałych. W języku warsztatowym FAP bywa utożsamiany z układem wykorzystującym dodatek do paliwa, a DPF z filtrem działającym bez niego. To uproszczenie. Sama nazwa nie wystarcza do ustalenia konstrukcji układu w konkretnym samochodzie.
Systemy z dodatkiem mają osobny zbiornik lub zasobnik i układ dozujący preparat do paliwa. Zawarte w nim związki wspomagają utlenianie sadzy, dzięki czemu regeneracja może zachodzić przy niższej temperaturze niż w układzie bez takiego dodatku. Preparat wymaga okresowego uzupełniania zgodnie z wymaganiami danej konstrukcji, a jego pozostałości uczestniczą w tworzeniu trwałych osadów.
Dodatek do filtra nie jest płynem AdBlue. AdBlue to wodny roztwór mocznika stosowany w układzie SCR i dozowany do wydechu, nie do paliwa. Oba płyny mają inne przeznaczenie, odrębne zbiorniki i nie są zamienne.
W silnikach benzynowych stosuje się filtry GPF, czyli Gasoline Particulate Filter. Ich rozpowszechnienie jest związane między innymi z emisją cząstek przez jednostki z bezpośrednim wtryskiem benzyny. Wyższa temperatura spalin w wielu warunkach pracy silnika benzynowego sprzyja utlenianiu sadzy, ale proces potrzebuje także tlenu. Ilość zatrzymywanych osadów i sposób sterowania regeneracją różnią się od rozwiązań stosowanych w dieslach.
Regeneracja DPF i granice samooczyszczania
Regeneracja polega na utlenianiu sadzy zgromadzonej we wkładzie. Zmniejsza jej ilość i przywraca część zdolności filtra do przyjmowania kolejnych cząstek. Nie usuwa jednak wszystkich zanieczyszczeń. Określenie filtra jako samooczyszczającego nie oznacza, że pozostaje on wolny od osadów przez cały okres eksploatacji.
Regeneracja pasywna i aktywna
Pasywna regeneracja zachodzi wtedy, gdy temperatura i skład spalin pozwalają na utlenianie sadzy bez uruchamiania przez sterownik dodatkowej procedury podgrzewania. Znaczenie mają obciążenie silnika, czas pracy oraz działanie katalizatora. Proces może przebiegać podczas jazdy bez wyraźnych objawów odczuwalnych dla kierowcy.
Aktywną regenerację inicjuje sterownik, gdy obliczone zapełnienie i warunki pracy uzasadniają jej rozpoczęcie. Układ podnosi temperaturę spalin, wykorzystując zależnie od konstrukcji dodatkowe dawki paliwa, zmianę sterowania silnikiem lub osobny wtryskiwacz w wydechu. W wielu rozwiązaniach temperatura w rejonie filtra podczas takiego procesu osiąga 550-650 stopni Celsjusza. Dokładny przebieg zależy od zastosowanego systemu.
Podczas wypalania mogą wzrosnąć obroty biegu jałowego i chwilowe zużycie paliwa, może też pracować wentylator chłodnicy lub zostać czasowo wyłączona funkcja start-stop. Nie każdy samochód sygnalizuje regenerację osobną kontrolką. Na postoju uwagę zwraca czasem zmieniony dźwięk silnika, choć sam taki objaw nie potwierdza wypalania.
Wyłączenie silnika kończy bieżącą regenerację. Jedno przerwanie nie oznacza uszkodzenia filtra, ale powtarzanie tej sytuacji utrudnia obniżenie ilości sadzy. W ruchu miejskim kolejna próba może zacząć się tuż przed końcem krótkiego przejazdu. Wówczas proces znów nie zostaje dokończony, mimo że samochód jest używany codziennie.
Regeneracja serwisowa i trwałe osady
Wymuszona regeneracja jest procedurą uruchamianą przy użyciu urządzenia diagnostycznego, na postoju lub podczas jazdy, zależnie od wymagań producenta. Przed jej rozpoczęciem potrzebna jest ocena zapełnienia, stanu układu i usterek blokujących wypalanie. Przy nadmiernej ilości sadzy gwałtowny wzrost temperatury może uszkodzić wkład. Sterownik może z tego powodu nie dopuścić do uruchomienia procedury.
Popiół pozostaje w filtrze także po prawidłowej regeneracji. Z czasem zajmuje przestrzeń przeznaczoną na sadzę i zmniejsza użyteczną pojemność wkładu. Kolejne wypalanie tego nie zmieni.
Czyszczenie filtra po demontażu jest inną czynnością niż regeneracja w samochodzie. Ma usunąć osady, w tym popiół, z kanałów wkładu. Ocena skuteczności powinna obejmować kontrolę przepływu lub oporu filtra oraz sprawdzenie jego integralności. Samo podgrzanie wymontowanego elementu nie jest dowodem usunięcia trwałych pozostałości.
Warunki eksploatacji wpływające na obciążenie i trwałość DPF
Krótkie przejazdy ograniczają czas, przez który silnik i wydech pracują w temperaturze sprzyjającej regeneracji. Zimna jednostka wytwarza też inne warunki spalania niż silnik rozgrzany. Seria dojazdów po 2-3 km może więc obciążać filtr inaczej niż jeden dłuższy przejazd o tej samej łącznej długości. Liczy się nie tylko dystans.
Nie ma jednej prędkości ani jednej wartości obrotów gwarantującej wypalenie każdego DPF. Sterownik uwzględnia temperaturę, obciążenie, poziom paliwa i stan układu. Niesprawny termostat, który nie pozwala silnikowi osiągnąć wymaganej temperatury, może utrudniać regenerację również podczas jazdy poza miastem. Sama zmiana trasy nie usuwa usterki.
Na ilość sadzy wpływa kondycja silnika. Nieprawidłowo działające wtryskiwacze, nieszczelności dolotu, problemy z doładowaniem i usterki EGR mogą zaburzać spalanie. DPF przejmuje wtedy skutki problemu powstającego wcześniej. Po oczyszczeniu filtra nadmierne zapełnienie może szybko wrócić, jeżeli silnik nadal wytwarza zbyt dużo cząstek.
Zużywanie oleju zwiększa dopływ substancji tworzących popiół. Znaczenie ma również właściwa specyfikacja środka smarnego, w tym wymagania dotyczące zawartości składników popiołotwórczych. Sama lepkość, taka jak 5W-30, nie określa zgodności oleju z silnikiem i jego układem oczyszczania spalin.
Żywotności filtra nie wyznacza jeden przebieg wspólny dla wszystkich samochodów. Zależy ona od pojemności wkładu, zużycia oleju, sprawności jednostki, warunków jazdy i historii obsługi. Wysoki przebieg nie jest samodzielnym dowodem konieczności wymiany, tak jak niski nie wyklucza uszkodzenia.
Objawy nieprawidłowej pracy DPF i zakres diagnostyki
Kontrolka filtra lub silnika, ograniczenie mocy, tryb awaryjny i coraz częstsze regeneracje mogą sygnalizować problem z DPF. Żaden z tych objawów nie wskazuje jednak samodzielnie przyczyny. Podobne zachowanie auta może wynikać z usterki doładowania, układu wtryskowego lub czujnika, mimo że wkład filtracyjny pozostaje sprawny.
Diagnostyka obejmuje odczyt kodów błędów oraz analizę różnicy ciśnień, temperatur spalin, obliczonej masy sadzy i szacowanego nagromadzenia popiołu. Przydatne są także dane o odstępach między regeneracjami i powodach ich przerwania. Wartości wyświetlane przez sterownik są częściowo wynikiem obliczeń, a nie bezpośrednim pomiarem zawartości filtra.
Kontrola musi uwzględniać czujniki i przewody doprowadzające ciśnienie do czujnika różnicowego. Zatkany lub uszkodzony przewód może powodować błędne wskazania. Z kolei pęknięty wkład potrafi przepuszczać cząstki mimo niewielkiego oporu przepływu. Niska różnica ciśnień nie zawsze świadczy więc o dobrym stanie DPF.
Dalsza jazda z silnie zapełnionym filtrem zwiększa przeciwciśnienie i może obciążać silnik oraz turbosprężarkę. W konstrukcjach wykorzystujących późny wtrysk paliwa do cylindrów powtarzane próby regeneracji mogą prowadzić do przedostawania się paliwa do oleju. Wzrost poziomu oleju na bagnecie nie musi oznaczać, że ktoś dolał go za dużo. Rozcieńczenie paliwem pogarsza właściwości smarne i wymaga usunięcia przyczyny.
Obsługa serwisowa DPF i czynniki kształtujące koszty
Zakres naprawy zależy od ustalonej przyczyny. Przy nadmiarze sadzy i sprawnym wkładzie możliwa jest regeneracja serwisowa, jeśli dopuszczają ją warunki określone przez producenta. Nagromadzenie popiołu może uzasadniać demontaż i czyszczenie. Uszkodzenie mechaniczne lub termiczne wymaga innego podejścia, w tym wymiany filtra.
Pękniętego lub stopionego wkładu nie da się przywrócić do prawidłowego działania przez wypłukanie osadów. Czyszczenie ma sens wtedy, gdy zachowana jest struktura odpowiedzialna za filtrowanie. Ocena samej drożności nie wystarcza, ponieważ filtr musi również skutecznie zatrzymywać cząstki.
Koszt zależy od modelu auta, dostępu do podzespołu i konstrukcji wydechu. Osobny filtr, który można łatwo zdemontować, oznacza inny zakres pracy niż rozbudowany moduł łączący kilka funkcji oczyszczania spalin. Znaczenie mają także dostępność części oraz wybór elementu oryginalnego lub odpowiedniego zamiennika.
Do ceny samego czyszczenia albo nowego filtra dochodzą diagnostyka, demontaż i montaż, materiały uszczelniające oraz ewentualna wymiana czujników. W układach z dodatkiem osobnym wydatkiem jest jego uzupełnienie i wykonanie wymaganych czynności diagnostycznych. W niektórych naprawach konieczna jest również wymiana oleju rozcieńczonego paliwem.
Usunięcie osadów nie kończy naprawy, jeśli źródłem problemu pozostaje niesprawny wtryskiwacz, zużywająca olej turbosprężarka lub błędny pomiar temperatury. Nowy filtr także będzie pracował w tych samych nieprawidłowych warunkach. Trwały efekt wymaga usunięcia przyczyny, a nie tylko przywrócenia drożności wydechu.
