Systemy oczyszczania spalin. Co to jest DPF, FAP, GPF, EGR?

Normy emisji spalin budzą sporo kontrowersji. Dla koncernów motoryzacyjnych oznacza to bowiem konieczność dostosowania się do nowych przepisów, a co za tym idzie: ogromne, dodatkowe koszty. A to odbija się z kolei na konsumentach, którzy płacą wyższą cenę za nowe samochody. Oczywiście jest też druga strona medalu: związki wydzielane przez silniki spalinowe wywierają szkodliwy wpływ na środowisko oraz ludzkie zdrowie. Unijnym regulacjom podlegają najbardziej toksyczne gazy, czyli tlenki azotu (NOx), węglowodory (HC), tlenki węgla (CO) i cząstki stałe (PM). Jak duży wpływ na środowisko mają spaliny? Za ok. 32 proc. emisji tlenku azotu odpowiada właśnie transport drogowy (tlenku węgla: 20 proc. a pyłu zawieszonego ok. 5 proc.). Między innymi z tego powodu, oczyszczenie spalin od wielu lat jest jednym z większych wyzwań branży motoryzacyjnej. 

Z poniższego artykułu dowiesz się między innymi:

• Jakie są unijne normy emisji spalin samochodowych?
• Do czego służy zawór recyrkulacji spalin?
• Czym różni się filtr DPF od FAP?
• Jakie problemy można napotkać podczas używania filtrów?

Systemy oczyszczania spalin we współczesnych samochodach

Co kryje się pod pojęciem systemów oczyszczania spalin? Nazywa się w ten sposób rozwiązania wykorzystywane w pojazdach mechanicznych, które służą zmniejszeniu emisji szkodliwych substancji  do atmosfery. Substancji, które  są produktem ubocznym procesu spalania paliwa. Samo oczyszczanie polega natomiast  na przekształcaniu tych zanieczyszczeń w substancje naturalne. Może ono odbywać się katalitycznie lub chemicznie.

Konieczność zmniejszenia ilości gazów wydzielanych przez samochody dostrzeżono już wiele lat temu. NOx, HC i CO są skutecznie redukowane od lat 90. XX wieku, kiedy to wprowadzono katalizatory. Niedługo później pojawiły się też zawory recyrkulacji spalin i filtry cząstek stałych. Układy wydechowe musiały przez to przejść wiele zamian, a kolejne modyfikacje przepisów wymuszały wdrażanie nowych rozwiązań.

Unijne normy emisji spalin

Europejskie regulacje wprowadzające ograniczenia emisji spalin dotyczą nowych samochodów sprzedawanych na terenie UE i Europejskiego Obszaru Gospodarczego. Są one różne w zależności od rodzaju pojazdu. Kolejne normy wprowadzane na przestrzeni lat to m.in.:

• Euro 1 – od 1992 r., obejmowała auta osobowe i lekkie ciężarówki,
• Euro 2 – od 1997 r., rozszerzyła ograniczenia o pojazd dwukołowe i trójkołowe z silnikiem spalinowym,
• Euro 3 – od 2001 r., dokonała rozróżnienia między silnikami benzynowymi i wysokoprężnymi (diesla traktowano łagodniej w przypadku tlenku azotu i surowiej w odniesieniu do tlenku węgla),
• Euro 4 – od 2004 r., wprowadziła ulgę dla emisji cząstek stałych w silnikach benzynowych,
• Euro 5 – od 2011 r., pojawił się obowiązek wyposażania aut z silnikami diesla w filtry cząstek stałych,
• Euro 6 – od 2014., zgodnie z nią lekkie pojazdy nie mogą emitować więcej niż 400 mg/kWh tlenku azotu i 10 mg/kWh cząstek stałych,
• Euro 6d – od 2021 r., zobowiązała producentów, aby w ich gamie modelowej dostępnej na terenie Unii średnia emisja dwutlenku węgla nie przekraczała wartości 95 g/km.

Aktualna norma, 6D, zobligowała producentów także do przeprowadzania testów drogowych. Okazało się bowiem, że badania laboratoryjne wykazywały nawet dwukrotnie niższą emisję tlenku węgla, niż wynikało to z codziennego użytkowania.  Pojawiły się też nowe metody pomiaru emisji cząstek stałych. W 2025 r. ma zacząć obowiązywać kolejna norma: Euro 7. Zgodnie z zapowiedziami, restrykcje będą jeszcze większe.

Budowa układu wydechowego

Oczyszczanie spalin z toksycznych związków to jedna z podstawowych funkcji układu wydechowego. Dlatego, razem z wprowadzaniem kolejnych norm Euro, konieczne było wyposażanie go  w nowoczesne systemy oczyszczania spalin.

Jak więc wygląda układ wydechowy współczesnego auta? Podstawowe elementy to:

• kolektor wydechowy (gromadzi spaliny i prowadzi je do rury wydechowej),
• tłumik (przedni, środkowy i końcowy),
• katalizator (konwerter katalityczny),
• trójnik (przyspiesza wylot spalin w silnikach typu V),
• zawór recyrkulacji spalin EGR,
• filtr cząstek stałych,
• rura wydechowa i rury łączące.

Rozmieszczenie i rodzaj elementów będą się od siebie różnić w zależności od modelu samochodu, typu silnika, a także rozwiązań stosowanych przez producenta. Przeczytasz na ten temat więcej na blogu Inter Cars: Układ wydechowy – norma hałasu, budowa, tuning.

EGR, czyli zawór recyrkulacji spalin

Głównym zadaniem zaworu recyrkulacji spalin (Exhaust Gas Recirculation), czyli EGR, jest zmniejszenie emisji tlenków azotu (NOx). Jak to możliwe? Azot jest składnikiem benzyny i oleju napędowego, który trafia do komory silnika również razem z zasysanym powietrzem. Pod wpływem panujących w cylindrach wysokich temperatur i ciśnienia, azot wchodzi w reakcję z tlenem, czego efektem jest tlenek azotu. Zawór EGR obniża temperaturę oraz ilość dostarczanego tlenu, dzięki czemu powstaje mniej NOx (różnica może wynosić nawet 60 proc.).

EGR działa tylko wtedy, kiedy ma do tego odpowiednie warunki, a silnik pracuje w średnim zakresie obrotów. Zawór odzyskuje wówczas część spalin z kolektora, przepuszcza je przez chłodnicę, a następnie kieruje do kanału dolotowego. Do cylindrów trafia mniej tlenu, a proces spalania przebiega w korzystniejszych warunkach.

Skutkiem ubocznym działania zaworu EGR jest zmniejszenie mocy silnika. I między innymi z tego powodu, kierowcy zazwyczaj nie przepadają za tym rozwiązaniem.  Poza tym jest drogi, awaryjny i może powodować brudzenie przepustnicy oraz kolektora dolotowego. Pomysłowi właściciele aut znaleźli na to sposób: zaślepianie zaworu. Jest to jednak niezgodne z prawem. Zawór recyrkulacji spalin jest obowiązkowym elementem auta od momentu wprowadzenia normy Euro 3. Jazda samochodem, który nie spełnia wymagań emisyjnych (np. z zaślepionym EGR) może skończyć się mandatem w wysokości 5 000 złotych.

Filtry cząstek stałych: DPF, FAP i GPF

Masowa produkcja filtrów cząstek stałych w silnikach wysokoprężnych była efektem wprowadzenia normy Euro 4. Samochody benzynowe dość długo były z tego zwolnione: dopiero w 2018 r. UE nałożyła na producentów obowiązek montowania filtrów w każdym, nowym aucie. Dlaczego nastąpiło to tak późno? Temperatura spalania w silnikach benzynowych jest znacznie wyższa, dzięki czemu powstaje mniej cząstek stałych.

Rolą filtra jest neutralizacja produktów ubocznych spalania paliwa. Ma on kształt walca i jest umieszczany w rurze wydechowej. W jego wnętrzu znajduje się ceramiczna struktura z bardzo cienkimi kanalikami, wykonanymi z węglika krzemu. Każdy z nich ma zatkany jeden z końców (od strony wylotowej lub dolotowej). Na ściankach kanalików znajdują się mikroskopijne otwory, przez które przedostają się gazy spalinowe, ale zatrzymuje się sadza.

Filtry cząstek stałych były wykorzystywane przez wielu producentów jeszcze zanim UE nałożyła na nich taki obowiązek (np. przez markę Mercedes w klasie S). Rodzaj filtra zależy przede wszystkim od typu silnika.

Silniki wysokoprężne: DPF i FAP

Koncerny produkujące auta z silnikiem Diesla wykorzystują dwa typy filtrów cząstek stałych:

• DPF (diesel particulate filter): filtr suchy,
• FAP (filtre à particules): filtr mokry.

Zasada ich działania jest taka sama: mają oczyścić spaliny z cząsteczek sadzy, takich jak węgiel, tlenki metali, azotany i węglowodory. Znacznie częściej spotykane są filtry DPF. Za technologię FAP odpowiadają inżynierowie z francuskiego koncernu PSA, dlatego na początku była wykorzystywana przede wszystkim w Peugeotach i Citroenach. Obecnie stosują ją też m.in. Ford, Volvo i Renault.

Czym różnią się od siebie filtry stosowane w dieslach? DPF jest zbudowany z ceramicznej substancji o porowatej strukturze, która zatrzymuje zanieczyszczenia. FAP są natomiast  wyposażone w dodatkowy element: zbiornik z płynem katalitycznym, który jest wtryskiwany do wnętrza filtra. Każdy rodzaj filtrowania musi poradzić sobie z samoczyszczeniem, czyli wypaleniem sadzy. W filtrach mokrych, dzięki obecności płynu, temperatura samozapłonu sadzy jest obniżona do ok. 450 stopni Celsjusza (w przypadku DPF jest to 550 st. C). Płyn wymaga regularnego uzupełniania co 80-240 tys. km (w zależności od modelu auta). Badania skuteczności wskazują na delikatną przewagę technologii FAP. Filtry mokre są w stanie zatrzymać do 99,7 proc. zanieczyszczeń, a DPF do 95 proc. .

Silniki benzynowe: GPF

Filtry cząstek stałych w silnikach benzynowych są znane pod nazwą GPF (Gasoline Particulate Filter). Podobnie jak w dieslach, ich funkcja to wyłapywanie sadzy. Co ciekawe problem produkcji nadmiernych ilości cząstek stałych w autach zasilanych benzyną, pojawił się razem z upowszechnieniem wtrysku bezpośredniego. W przypadku tradycyjnego wtrysku nie było to zauważalne, dlatego UE nie widziała potrzeby wcześniejszego montażu filtrów.

Podstawową różnicą między filtrami stosowanymi w autach z jednostkami wysokoprężnymi i benzynowymi jest ilość szkodliwych substancji, które są produkowane podczas spalania paliwa. W silnikach benzynowych proces ten odbywa się w wyższej temperaturze, dzięki czemu więcej cząstek stałych ulega naturalnemu wypaleniu.

Warunki wypalania sadzy w przypadku samochodów benzynowych są korzystniejsze, a proces autoregeneracji filtra prostszy. W przypadku diesli niezbędne było do tego podniesienie temperatury spalania poprzez podanie większej dawki paliwa. W silnikach benzynowych nie ma takiej potrzeby, a do wypalenia sadzy wystarczy kilkadziesiąt minut jazdy w warunkach miejskich.

Jakie problemy mogą sprawiać filtry DPF, FAP i GPF?

Według zapewnień producentów, filtry cząstek stałych w dieslach mogą osiągnąć przebieg nawet 150 tys. km. Do zatkania filtra może dojść jednak znacznie wcześniej. Zazwyczaj jest to efekt pokonywania autem wyłącznie krótkich tras (silnik nie nagrzewa się do odpowiedniej temperatury i wydala więcej sadzy) lub stosowania nieodpowiedniego oleju silnikowego. Teoretycznie, problem ten nie powinien dotyczyć filtrów GPF, w których proces wypalania jest prostszy. Jak to wygląda w praktyce?

Eksploatacja auta wyłącznie na krótkich dystansach może powodować zapychanie filtra również w pojazdach z silnikiem benzynowym. Zanieczyszczenie filtra wiąże się z określoną zdatnością do przechwytywania cząstek stałych, co jest zupełnie naturalną sprawą. Samo zapchanie filtra wcale nie oznacza konieczności jego wymiany. Jeśli samoczyszczenie nie daje efektów, można wymusić wypalenie sadzy poprzez podpięcie auta do komputera diagnostycznego. Inny sposób to czyszczenie hydrodynamiczne, czyli regeneracja filtra, którą wykonuje się w warsztacie. Jeśli i to nie przyniesie rezultatu, wtedy konieczna może być jego wymiana. Ceny są dość wysokie, dlatego niektórzy kierowcy decydują się na usunięcie filtra. I mimo że sam demontaż DPF lub GPF jest legalny, to już poruszanie się takim autem może skończyć się mandatem. Nie spełnia ono wtedy norm emisji spalin, za co grozi grzywna do 5 tys. zł. – odpowiada ekspert Inter Cars.

Systemy oczyszczania spalin wymagają ochrony. Rozwiązania od Inter Cars

Nowoczesne systemy oczyszczania spalin mają duże znaczenie dla ochrony środowiska. Jednocześnie nakładają na kierowców nowe obowiązki ponieważ ich eksploatacja wiąże się z koniecznością regeneracji, naprawy lub wymiany. Wizyty w zakładzie mechanicznym będą rzadsze i mniej kosztowne, jeśli zadbasz o wszystkie elementy układu wydechowego. Np. w przypadku EGR niezbędne jest regularne czyszczenie zaworu. Z kolei filtry cząstek stałych dłużej spełnią swoją funkcję, jeśli będziesz m.in. stosować odpowiednie, niskopopiołowe oleje. 

Nowoczesne systemy oczyszczania spalin w trosce o czystość środowiska

Ograniczenie poziomu zanieczyszczeń emitowanych przez auta jest coraz bardziej skomplikowane i kosztowne. Ciągłe uaktualnianie norm Euro powoduje natomiast  konieczność wprowadzania kolejnych modyfikacji przez producentów aut. Systemy oczyszczania spalin wiążą się też ze wzrostem kosztów eksploatacji dla właścicieli samochodów. Zmiany są jednak nieuniknione, a kierowcom pozostaje jedynie się do nich dostosować. Europejska polityka klimatyczna zadecydowała również o przyszłości aut spalinowych. Filtry oraz inne techniczne modyfikacje nie są w stanie spełnić wyśrubowanych wymagań, dlatego od 2035 r. nowe auta sprzedawane na terenie Unii mają być całkowicie bezemisyjne. Oczywiście, używane samochody spalinowe nie znikną z rynku, a do ich użytkowania, podobnie jak i teraz, będą potrzebne podzespoły zajmujące się oczyszczaniem spalin.