Motorna komponenta, ki služi zgolj varovanju okolja - ne pa tudi delovanju avtomobila

Filter trdnih delcev, ki prečiščuje izpuste dizelskih in tudi nekaterih novejših bencinskih motorjev, velja za enega najbolj motečih elementov sodobnih avtomobilov. Kako je izdelan in kako deluje ta pomemben (in drag) element filtriranja škodljivih delcev, ki bi sicer ušli v ozračje? Kakšen režim vožnje je primeren, da bi se izognili okvaram, in kako zaščititi filter pred zamašitvijo?

Motorna komponenta, ki služi zgolj varovanju okolja - ne pa tudi delovanju avtomobila (foto: Matjaž Gregorič) Matjaž Gregorič
11. 5. 2022

Po mnenju okoljevarstvenikov in glede na rezultate številnih analiz je cestni promet eden glavnih vzrokov za onesnaževanje ozračja in podnebne spremembe. Škodljive izpuste toplogrednih plinov, drobnih delcev in hlapov, ki so nevarni za zdravje, v sodobnih dizelskih motorjih skušajo omiliti filtri trdnih delcev, ki so jih avtomobilski proizvajalci začeli vgrajevati zaradi vse bolj zaostrene okoljske zakonodaje, ki postopno vodi v celovito elektrifikacijo mobilnosti.

V nobenem sodobnem dizelskem motorju procesa mešanja goriva in zraka ter zgorevanja nista povsem celovita in »nepredelano« gorivo je v kombinaciji z zrakom vzrok za saje, torej trdne delce, ki so sestavljeni iz ogljika, ogljikovodikov, sulfatov, žveplovih in kovinskih oksidov ter vode. Prvi filtri za trdne delce so se v avtomobilih z dizelskimi motorji pojavili že v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, omogočili pa so predvsem odstranitev tipičnega črnega dima, ki se je valil iz izpušnih cevi.

Nepogrešljiv element sodovnih dizlov

Leta 2006 je v Evropski uniji začel veljati emisijski standard Euro 4, ki je predstavljal prelomnico pri nadaljnjem razvoju dizelskih motorjev, saj je drastično omejil izpuste trdnih delcev – z 0,05, kolikor je dovoljeval Euro 3, na 0,009 gramov na kilometer. In to je pravzaprav prisililo avtomobilske proizvajalce, da so se zatekli k vgradnji filtrov trdnih delcev, ki so postali nepogrešljiv element dizelskih motorjev. Filtre za trdne delce GPF (Gasoline Particulate Filter) uporabljajo tudi številni bencinski motorji z neposrednim vbrizgom goriva, a se tokrat osredotočamo na dizelske motorje, ki v ozračje izpuščajo več škodljivih snovi.

Tehnične rešitve za filtre trdnih delcev pri dizelskih motorjih so šle v dve smeri. Večina avtomobilskih proizvajalcev je začela uporabljati standardne filtre DPF (Diesel Particulate Filter), predvsem francoski pa so uvedli filtre s tako imenovanim mokrim postopkom, ki so znani pod kratico FAP (Filtres Particules). Obe vrsti filtrov opravljata enako nalogo, torej zadrževanje trdnih delcev, ki nastajajo pri zgorevanju, vendar je med njima bistvena razlika: FAP namreč zahteva dodatek, ki se samodejno meša z dizelskim gorivom, da olajša zbiranje in odstranitev delcev. Gre za delce z oznako PM10, ki nastajajo predvsem pri dizelskih motorjih, ko kapljice plinskega olja ob dovodu kisika ne zgorijo do konca, njihov notranji del pa se pretvori v ogljik. Ta ogljik se v obliki delcev PM10 odlaga v bronhijih in zgornjih dihalnih poteh, kar povzroča draženje in v najslabših primerih okužbe.

Kako delujeta in v čem sta si različna DPF in FAP?

Dizelski filter trdnih delcev je del izpušnega sistema; nameščen je v okroglo ali ravno kovinsko pločevinko in je videti kot katalizator pri bencinskih motorjih. Med dolgotrajnim delovanjem številnih avtomobilov z dizelskimi motorji se je izkazalo, da bližje ko je filter motorju, počasneje se zamaši, ker se nanj bolj usmerjajo hlapi z višjo temperaturo. Delovanje filtra nadzira elektronska kontrolna enota, ki zbira informacije tipal diferenčnega tlaka izpušnih plinov pred in za filtrom, kjer so tudi temperaturna tipala.

V notranjosti filtra je keramični vložek z zapleteno strukturo vzporednih dovodnih in izpušnih kanalov. Med kanali so stene s poroznimi mikrokanali, ki so zadolženi za lovljenje trdnih delcev. Njihova velikost je izbrana tako, da ujamejo trdne delce. Za lažje zgorevanje nakopičenih delcev so na stenah filtra plemenite kovine (največkrat platina), ki delujejo kot katalizatorji. Te so skupaj z zapleteno konstrukcijo glavni krivec, da so filtri precej dragi. Telo filtra je porozno in zato čezenj prehajajo izpušni plini, pri čemer zadržujejo trdne delce, ki med delovanjem motorja povsem zgorijo pri visokih temperaturah med 600 in 650 stopinj.

Filter za trdne delce FAP za delovanje uporablja cerijev dioksid, ki tvori večje skupke delcev, da ti ne uidejo lovilcem, proces pa poteka pri nekoliko nižji temperaturi kot pri DPF, in sicer pri 450 stopinjah. Cerijev oksid se nahaja v posebnem rezervoarju in se meša s plinskim oljem neposredno v rezervoarju za gorivo. Običajno v nove avtomobile natočijo pet litrov goriva, kar zadostuje za prvih 70.000 do 80.000 kilometrov, nato ga je treba doliti, kar lahko opravijo samo na pooblaščenih servisih.

Prednost FAP je, da deluje pri nižjih temperaturah in ustvarja nižji protitlak izpušnih plinov, pomanjkljivost pa je potreba po dodatku cerijevega oksida in krajši čas delovanja kot pri DPF. Slednji je tudi manj zapleten kot FAP, tudi zaradi delovanja brez dodatkov, a se aktivira pri višjih temperaturah in lahko povzroči redčenje motornega olja.

Za zmanjšanje dušikovih spojin je zadolžen katalizator

Visoke temperature zgorevanja dizelskih motorjev povzročajo reakcijo dušika v zraku, zato so v izpušnih plinih dušikovi oksidi. Zaradi zelo strogih omejitev, ki jih zanje določajo predpisi Euro 6, je za številne avtomobile z dizelskimi motorji potrebna uporaba katalizatorjev SCR (Selective Catalyst Reduction), ki z vbrizgavanjem dodatka AbBlue in keramične porozne pregrade, prevlečene z vanadijem, zmanjšujejo izpuste dušikovih oksidov in jih pretvorijo v dušik ter vodno paro. AdBlue je 32,5-odstotna raztopina sečnine, kar naj bi v polnem (običajno 15- do 20-litrskem) rezervoarju zadostovalo za približno 15.000 prevoženih kilometrov.

A ob višji porabi goriva se zvišuje tudi raven izpušnih emisij in poraba AdBlue, zato je lahko ta razdalja ob večjem obremenjevanju motorja bistveno krajša, kot znaša servisni interval. Na porabo AdBlue, ki v normalnih razmerah znaša od tri do pet odstotkov porabe goriva, vpliva več dejavnikov, med drugim težnostna obremenjenost avtomobila, vremenski vplivi, konfiguracija ceste in ne nazadnje tudi slog vožnje. Poraba je nižja med mestno vožnjo kot pri vožnji na daljše razdalje po avtocestah.

Večina avtomobilov nima posebnega indikatorja, ki bi prikazoval raven tekočine AdBlue, vsekakor pa voznika na kritično zmanjšanje količine opozarjajo kontrolne lučke z dopolnilnim opozorilom, kolikšno razdaljo je mogoče še prevoziti. Neupoštevanje tega opozorila lahko privede do resnih težav; ob minimalni količini motor prestavi režim delovanja na zasilni program z omejitvami, ko pa tekočine zmanjka, zagon motorja enostavno ni več mogoč.

Novejši avtomobili imajo ustje za točenje AdBlue ob grlu za točenje goriva, nekaj let starejši pa v prtljažnem prostoru ali celo pod prtljažnim dnom. V teh primerih je treba tekočino nalivati s posebnimi cevmi. Pri točenju je treba paziti tudi, da se tekočina ne razlije po tekstilnih oblogah ali plastiki, saj lahko pride do poškodb, še bolj pomembna pa je zaščita rok in oči. AdBlue je blagovna znamka in ustrezna naj bi bila vsaka tekočina, ki izpolnjuje predpisane standarde.

Najprej regeneracija, občasno čiščenje

Filter trdnih delcev je občutljiv element, ki zahteva skrbno in stalno vzdrževanje za preprečevanje morebitnih okvar. Med glavnimi težavami je nedvomno zamašitev, in da do nje ne pride, filter med delovanjem motorja opravlja regeneracijo. Voznik na instrumentni plošči običajno dobi obvestilo o začetku tega procesa, ki ga zažene nadzorna enota, če zazna, da se je filter začel mašiti. Med normalnimi pogoji vožnje poteka pasivna regeneracija, ki sproži oksidacijo in zgorevanje delcev, in filter se tako izprazni.

Pri majhnih hitrostih ali večkratnih hladnih zagonih motorja pri nizkih zunanjih temperaturah je občasno treba opraviti aktivno regeneracijo. Pomembno je, da regeneracija poteka pri večjih hitrostih oziroma večji konstantni bremenitvi motorja. Regeneracija filtra trdnih delcev se sproži samodejno in običajno traja od 10 do 20 minut, v tem času pa se lahko zviša poraba goriva.

V praksi aktivna regeneracija z dodatnim vbrizgavanjem goriva ni vselej dovolj učinkovita. Za pravilno delovanje filtra trdnih delcev mora motor delovati brezhibno, brez udarcev, brez porabe motornega olja zaradi puščanja tesnil ventilov ali puščajočih injektorjev, kar povzroča pospešeno zamašitev filtra. Nekateri proizvajalci so želeli odpraviti problem zamašitve s konstrukcijskimi nadgradnjami, na primer z dodatnim injektorjem, ki neposredno vbrizga gorivo v filter, da bi saje v njem zgorele hitreje. Ta rešitev je omogočila znatno podaljšanje življenjske dobe filtra, vendar zamašitve ni povsem odpravila. Poleg tega je bil takšen filter še dražji od običajnega in v motorjih so se pojavile dodatne težave.

Ali je treba filter trdnih delcev vzdrževati, je vprašanje, na katerega ni povsem enostavnega odgovora. Načelno ne, ker mu ni treba ničesar dodati, razen dodatka v posebnem rezervoarju za znižanje temperature samovžiga, vsaj pri filtru FAP. Hkrati pa filter zahteva vzdrževanje motorja v polnem delovnem stanju, uporabo posebnih motornih olj, pa tudi pravilno delovanje elektronskih komponent avtomobila.

Tudi za povsem zamašen filter obstaja rešitev, ki pa ni ravno poceni. S posebnimi instrumenti in stroji je mogoča obnova, ki zagotovi tudi do 95 odstotkov izkoristka v primerjavi z novim. Gre za postopek termičnega čiščenja pod tlakom, s katerim celovitost filtra ostane nespremenjena in na istem filtru se cikel regeneracije lahko večkrat ponovi.

Filtri pri bencinskih motorjih

Sistem neposrednega vbrizgavanja pri bencinskih motorjih zagotavlja več moči z manjšo porabo goriva, hkrati pa bolj obremenjuje okolje. Pri neposrednem vbrizgavanju se stiskanje goriva v zgorevalnih komorah odvija pri zelo visokih tlakih, kar vpliva na količino izpuščenih delcev v okolje, ki je lahko tudi do tisočkrat večja kot pri dizelskih motorjih. Vgradnja filtra za trdne delce je torej ustrezna rešitev za izpolnjevanje vse strožjih predpisov o izpustih, ki jih povzročajo avtomobilski motorji.