Filtry pevných částic: Jak vlastně fungují? A regenerují? (1. díl)

Problematiku filtrů pevných částic rozdělíme na více částí. V té první si řekneme něco o konstrukci filtru pevných částic, k čemu přesně slouží a jaké jsou jeho jednotlivé verze. V následujícím díle přijde na řadu servisní problematika, a to napříč automobilovými výrobci.

Avie přece taky kouří

Mnozí motoristé dodnes ne zcela chápou důvod zavádění filtrů pevných částic. Jejich smyslem je (jak ostatně název napovídá) zachytávat pevné částice, které mimo jiné vznikají při spalování nafty. Proč vlastně tyto částice vznikají? Důvodem je chemická reakce při spalování.

Tu ovlivňuje hned několik faktorů. Kromě použitého paliva je to zejména provozní teplota motoru, tvar spalovacích prostorů, aktuální provozní podmínky a také systém vstřikování paliva. Obecně platí, že čím je vstřikovací tlak vyšší, tím je dávka nafty dopravovaná do spalovacího prostoru a následně vznícená kompresním teplem rozprášena na menší částice. Třeba u původních systémů motorů TDI generovalo rotační čerpadlo s rozdělovačem vstřikovací tlak 200 barů. Dnes je u common-railů s piezo-vstřikovači tlak 2000 barů, u systému čerpadlo-tryska dokonce až 2500 barů. To je o celý řád více.

Při vstřikování dochází k rozprášení dávky paliva na mikroskopické kapičky. Jejich velikost klesá s rostoucím vstřikovacím tlakem. Pokud stará Avia kouří, produkuje nadměrné množství pevných částic. Ty jsou však natolik velké, že je ze značné části zachytí sliznice člověka. To řádově menší částice produkované při spalování nafty se vstřikováním common-rail (případně PD) již sliznice nezachytí. Dostávají se tedy dále do plic, což podporuje vznik rakoviny plic.

Voda a ty další

Je-li spalování u vznětového motoru správné, vznikají při něm jednak neškodné sloučeniny, jimiž jsou voda a oxid uhličitý, a dále nežádoucí produkty. Sem patří oxid uhelnatý, nespálené uhlovodíky, oxidy dusíku a také pevné částice, tedy saze. Ty se dále skládají z čistého uhlíku, polycyklických aromatických uhlovodíků, síranů včetně vody, kovových třísek a konečně z popela.

Saze produkované při spalování nafty vznětovými motory mají svoji klasifikaci. Za pevnou částici je obecně považován prvek, jehož rozměry jsou menší než 10 mikrometrů, nebo takové, které se mohou volně rozptýlit v ovzduší a nemají žádné zábrany při volném pohybu v atmosféře. Klasifikace je označena PM10 – to je částice, jejíž velikost je menší než 10 mikrometrů. Dále se lze setkat s částicemi PM2,5, PM1 a výjimečně také s PM0,1. Vývoj emisních standardů jednotlivých euro norem ukazuje připojená tabulka.

Z ní je zřejmé, jak se vyvíjely nároky na množství jednotlivých složek emisí (třeba právě pevné částice). Zatímco při přechodu z normy Euro 3 na Euro 4 se snížily o polovinu, při obměněn z Euro 4 na Euro 5 klesly dokonce na pouhou pětinu.

Bez „katu“ to nejde

Filtr pevných částic, aby mohl dobře plnit svoji funkci, je v řetězci toku výfukových plynů umístěn až za oxidačně-redukčním katalyzátorem. Ten používají vznětové motory už od dob normy Euro 1. Jeho smyslem je měnit oxid uhelnatý, který je toxický, a nespálené uhlovodíky, jež jsou pro změnu karcinogenní, na oxid uhličitý a vodu ve formě páry.

Jelikož při popsané chemické rekci dochází ke zvyšování teploty výfukových plynů, musí být výfukové potrubí vybaveno snímači teploty. Ty jsou zde dva. První se nachází v místě před vstupem plynů do katalyzátoru, obyčejně hned za turbodmychadlem. Druhý snímač teploty je za katalyzátorem.

Aby mohl oxidačně-redukční katalyzátor fungovat, musí být jeho teplota alespoň 140 stupňů Celsia. Jen tak může začít katalytická konverze a přeměna uhlovodíků. Katalyzátor se skládá z obalu z nerezového plechu, pod nímž je umístěna tepelná izolace zabraňující rozšíření tepla do okolí. Jádro tvoří keramická mřížka potažená ušlechtilými kovy, zpravidla platinou, nebo paládiem.

Čistí vzduch

Filtr pevných částic je umístěn hned za katalyzátorem. V takovém případě s ním tvoří jedno těleso. U starších motorů, řekněme z první dekády 21. století, byl filtr pevných částic situován mnohem dále, tedy až pod autem. Takto to měl třeba motor Honda 2.2 CTDi (řada N22A) nebo Suzuki 1.9 DDiS, což je původně agregát Fiat 1.9 JTD. Značná vzdálenost od motoru vedla k obtížné regeneraci. S novými motory přišlo také otočení sacího a výfukového potrubí, čímž se částicový filtr dostal do těsné blízkosti motoru.

Vlastností filtru pevných částic je extrémně vysoká filtrovací kapacita. Ta se uvádí velikostí částice, kterou filtr dokáže ještě zadržet. Její velikost je v tomto případě pouhých 0,1 mikrometru. Díky tomu správně fungující DPF sníží emise částic a pevných látek z výfukových plynů až o 99 %.

Aby filtr plnil svou funkci, musí umět skladovat saze, které jsou následně spalovány bez poškození filtru, a to po dostatečně dlouhou dobu. Co si pod tím představit? První filtry pevných částic na vozech koncernu PSA (Citroën C5 Mk1 a Peugeot 607 z roku 200) vyžadovaly dle výrobce výměnu po ujetí 80.000 km. Dnes vydrží běžně kolem 200.000 km v případě systému s aditivy. V bezaditivním provedení i více, klidně 250.000 km.

Dvě cesty ke společnému cíli

Filtr pevných částic s aditivy

Jak jsme už napsali, jako první na světě zavedl filtry pevných částic koncern PSA. A jako jediný se dodnes drží řešení, které vyžaduje údržbu (více příště). V minulosti toto využíval také Ford u motoru 1.6 TDCi, případně Mazda u 1.6D (motor řady DV). Jde o takzvaný částicový filtr s aditivy. Aditivum obsahuje aktivní látku, která se váže na saze. Tím dochází ke snižování přirozené teploty jejich hoření na přibližně 450 stupňů.

Při každém tankování je do palivové nádrže vstříknuta dávka aditiva ze speciální nádrže. Aditivum se dostává mezi částice, přičemž se z něj uvolňuje kyslík, který tak saze vlastně „nakrmí“. Kromě snížení teploty hoření sazí je smyslem snížit také dobu, během níž probíhá regenerace filtru. PSA uvádí, že 30 g sazí se při teplotě hoření 450 stupňů vypálí za přibližně 5 minut, a to aktivací dodatečných vstřiků nafty, které jsou ovšem výrazně kratší než u verze bez aditiv.

U starších systémů (konkrétně ve spojení s původním 1.6 HDi/TDCi), tedy se dvěma vačkovými hřídeli, která plnila Euro 4, činil objem nádrže na aditiva 1,8 litru. Ford tehdy uváděl, že vystačí asi na 60.000 km.

Systém s aditivy má ale také nevýhody. Kromě toho, že je musíte doplňovat, což něco stojí (více příště), je zde ještě jedno negativum. Jejich spalování přímo zanáší filtr, takže od proběhu 160.000 km je součástí každé servisní prohlídky také kontrola diagnostikou, jak moc je filtr zanesený. V případě vozů Peugeot a Citroën je praxe taková, že po ujetí 180.000 km se filtr běžně mění. U první generace to bylo jen 80.000 km (Peugeot 607, Citroën C5 Mk1), u druhé 120.000 km (Peugeot 407, Citroën C5 Mk2).

Filtr pevných částic bez aditiv (bezúdržbový)

Všechny ostatní automobilky používají částicový filtr bez aditiv. V tomto případě musí dávka kyslíku prostupovat sazemi. K tomu, aby došlo k jeho reakci s uhlíkem, je třeba vysoká teplota. Samotná regenerace trvá mnohem déle, zhruba 30 minut, přičemž teplota potřebná k zapálení částic sazí je 500 až 550 stupňů (Ford). Třeba koncern Fiat uvádí teplotu, při níž začíná regenerace filtru pevných částic, 600 až 700 stupňů. Střední teplota filtru je u motorů koncernu Fiat 700 až 800 stupňů. Kritická je pro částicový filtr teplota přes 1000 stupňů, kdy už hrozí jeho popraskání vinou teplotních šoků. Filtr bez aditiv nemá na rozdíl od toho s aditivy stanovou omezenou životnost.

Aby došlo k regeneraci, musí být spuštěn program takzvaných dodatečných vstřiků nafty ve fázi výfuku. Lidově se říká, že filtr se regeneruje „zášlehem plamene do výfuku“. V praxi to tak skutečně vypadá. Dodatečné vstřiky nafty ale mají také svá úskalí. Zejména, pokud je dodatečně vstřikovaná dávka nafty příliš velká (ve snaze dosáhnout teploty hoření sazí co možná nejrychleji). To pak dochází k průniku nafty do oleje, neboli k takzvanému ředění oleje naftou. Nejen majitelé starších vozů Mazda (motor 2.0 RF Turbo) či Mitsubishi (4N13 a 4N14) jistě vědí, o čem mluvíme. Jde o nežádoucí jev, kvůli němuž tito výrobci zavedli na olejové měrce kromě rysky maxima a minima také takzvanou hodnotu „X“. Pokud k ní olej dostoupal, bylo třeba jej neprodleně vyměnit. Pokud hladina oleje vystoupala ještě výše, hrozila destrukce motoru z důvodu nasátí naftou ředěného oleje motorem přes odvětrávání klikové skříně s odlučovačem oleje. Systémy s aditivy tento jev prakticky neznají, jakkoliv samozřejmě také pracují také s dodatečnými vstřiky.

V souvislosti s tímto existuje ještě jeden koncept, jak částicový filtr regenerovat. Najdete jej třeba u motorů Toyota série AD (2.2 D-CAT), případně u motoru Renault/Nissan 2.0 dCi (M9R). Tady se k regeneraci filtru pevných částic využívá pátého vstřikovače, který ústí do výfukového potrubí, podobně jako u systému se vstřikováním kapaliny AdBlue. Tady k ředění oleje naftou nedochází a ani nejsou potřeba žádná aditiva, jež by navíc zanášela částicový filtr.

Regenerace filtru pevných částic. Co je k tomu potřeba?

O nutnosti regenerace rozhoduje hned několik skutečností. U systémů bez aditiv je spouštěcím faktorem takzvaný tlakový spád na filtru. Tedy takzvaný diferenční tlak, což je rozdíl tlaku na vstupu do filtru a jeho výstupu. U nového čističe je tato diference maximální, u zcela ucpaného minimální. Diagnostika zobrazuje stav zaplnění filtru v procentech a ve skutečnosti se jedná o poměrnou míru zaplnění čističe vzhledem k limitnímu stavu.

Limitní stav musí být nastaven tak, aby nedošlo k úplnému ucpání filtru nebo lépe řečeno k negativnímu vlivu na chod motoru. Pokud je limitní hodnota zanesení filtru překročena, je řidič o této skutečnosti informován příslušnou kontrolkou. Pokud na to řidič nereaguje a nepřizpůsobí jízdu, aby mohlo dojít k vypálení filtru (ustálená minimální rychlost po určitou dobu – může se lišit výrobce od výrobce), dojde k překročení druhé kontrolní hodnoty, na což řídicí jednota zareaguje rozsvícením kontrolky elektroniky motoru („pečené kuře“, EPC, MIL, ECU apod.) a současně omezením výkonu motoru. Nastaví se takzvaný „limp-mode“ neboli program pro nouzové dojetí do servisu. V tuto chvíli má majitel vozidla jedinou možnost, jak částicový filtr zachránit. A to nechat provést nucenou regeneraci v servisu za pomoci diagnostiky.

U systémů s aditivy není tlakový spád mezi vstupem a výstupem filtru určujícím faktorem pro provedení regenerace. Pro stejné množství zbytkových částic ve filtru totiž může existovat rozdílný diferenční tlak. Jeho změny závisí zejména na spotřebě paliva s aditivy, dále na jízdních podmínkách vozidla, teplotě výfukových plynů a rychlosti výfukových plynů ve filtru. Cílem je zejména co nejpřesnější určení, jaké množství sazí je ve filtru. Důležité je, jaký má řidič auta jízdní styl, což elektronika vozu sleduje. Třeba druhá generace systému PSA s aditivy rozlišuje pět jízdních stylů. K regeneraci tak stačí jet alespoň tři minuty ustálenou rychlostí 50 km/h. Zajímavé je, že systém dokáže dokonce vyčkávat, a to asi jednu minutu - jedete např. jen dvě minuty padesátkou a pak třeba zastavíte na semaforech. Systém tedy regeneraci na minutku odloží. Třetí a tedy současná generace umí nasbírat nutné regenerační minuty už úplně průběžně.

Při regeneraci částicového filtru dochází ke specifické činnosti systému EGR. Třeba u koncernu PSA je ventil zavřený, a tedy nedochází k recirkulaci výfukových plynů. Tento stav může nastat i u bezaditivních systémů. V takovém případě je ale třeba k dosažení odpovídající teploty pro regeneraci větší dodatečné vstřikování nafty. Naopak je-li ventil pouze částečně otevřený, není tak velké dodatečné množství vstřikované nafty třeba, neboť nezbytné dosažení vysoké teploty se docílí teplými výfukovými plyny. Tímto se samozřejmě omezuje již zmíněné ředění oleje naftou.

Při regeneraci je třeba také omezit proudění nasávaného vzduchu do motoru, k čemuž slouží dieselová škrticí klapka, která se během regenerace přivírá. Dále je třeba navodit specifický režim turbodmychadla. V průběhu regenerace jsou výfukové plyny teplejší, čímž rychleji roztáčí turbínu. V tu chvíli je třeba nastavit ventil obtoku, případně rozváděcí lopatky statoru turbíny tak, aby se při regeneraci nezměnilo chování motoru.

Dále se mohou přidat doplňkové stavy. Třeba u vozů koncernu PSA se zapne vyhřívání zadního skla (tím se zvýší zátěž alternátoru a výfukové plyny pak mají vyšší teplotu), sníží se rychlost otáčení ventilátoru chladiče či se aktivují žhavicí svíčky. A dále je vyřazen chladič stlačeného vzduchu (intercooler). A vždy dochází k dodatečnému vstřikování nafty.

V dalším díle si řekneme něco o servisních nárocích částicových filtrů, co je poškozuje a jak se k nim chovat, aby vydržely co možná nejdéle.