Filtr cząstek stałych (DPF, FAP) to urządzenie służące do zatrzymywania i neutralizowania cząstek sadzy. Jest to nieskomplikowane urządzenie, składające się z ceramicznej struktury i metalowej obudowy, wizualnie przypominającej tłumik środkowy.
Filtr cząstek stałych, podobnie jak katalizator, ma budowę plastra miodu, z tą różnicą że średnica jego kanalików jest większa, a ich ścianki są porowate. Cześć kanalików zaślepiona jest na wlocie, pozostałe na wylocie z filtra.
Rys. 2.1. Przekrój poprzeczny, struktura filtra DPF (obraz trzech kanalików). [1]
Pory są mniejsze niż cząstki sadzy, dzięki czemu zatrzymują ją wewnątrz filtra, aby później ja dopalić w procesie inicjowanym przez ECU.
Rys. 2.2. Pory w ściankach kanalików DPF. [1]
Spaliny trafiają do otwartych kanalików, gdzie mniejsze cząsteczki przedostają się przez pory i wylatują z układu wydechowego, a większe (cząstki sadzy) zostają zatrzymane wewnątrz.
Rys. 2.3. Przepływ spalin przez DPF. [1]
Ze względu na sposób działania można rozróżnić dwa rodzaje systemów oczyszczania spalin:
2.1. SUCHY FILTR DPF
W filtrze suchym na powierzchni porowatych ścianek znajdują się cząsteczki tlenku glinu i ceru oraz platyny (utleniają CO-CO2, NO-NOx).
Rys. 2.4. Układ oczyszczania spalin, filtr DPF „suchy” sadza wypalana jest non stop w temperaturze co najmniej 350oC. [2]
2.2. MOKRY FILTR FAP
Filtr mokry wymaga zastosowania dodatku do paliwa (tzw. płynu katalicznego), który powoduje neutralizację sadzy w niższej temperaturach.
Rys. 2.5. „Mokry” układ oczyszczania spalin z zastosowaniem FAP i płynu katalicznego. [2]
3. REGENERACJA FILTRA DPF
Istnieją trzy tryby regeneracji/wypalania FAP/DPF:
3.1. REGENERACJA PASYWNA
Regeneracja pasywna następuje samoczynnie (bez ingerencji ze strony ECU) podczas normalnej eksploatacji pojazdu, gdy temperatura spalin osiąga wartość ok. 400OC. W katalizatorze i filtrze zachodzi wówczas szereg reakcji termochemicznych w wyniku których sadza zostaje zneutralizowana.
3.2. REGENERACJA AKTYWNA
Regeneracja aktywna inicjowana jest poprzez ECU w sytuacji gdy nie zostaną wytworzone w sposób „naturalny” odpowiednie warunki niezbędne do procesu regeneracji filtra. Cała procedura ma za zadanie zwiększyć temperaturę spalin. Uzyskuje się to dzięki dotryskowi dodatkowej dawki paliwa w fazie „wydechu’’, w tym czasie kąt wtrysku zostaje opóźniony a zawór EGR (ang. Exhaust Gas Recirculation) zamknięty. Regeneracja zachodzi bez udziału użytkownika, który poza głośniejszą praca silnika, czy zwiększonym zużyciem paliwa wyświetlanym na komputerze pokładowym nie odczuwa żadnego dyskomfortu. O rozpoczęciu regeneracji aktywnej decyduje sterownik silnika, który na podstawie odczytów z czujnika różnicy ciśnień rozróżnia w jakimi stopniu zapchany jest filtr. Czujnik mierzy różnice ciśnienia spalin pomiędzy wejściem a wyjściem z filtra, co pozwala oszacować stopień zapełnienia filtra sadzą. Im sadzy jest więcej tym przelot spalin jest utrudniony. To powoduje zwiększenie równicy między ciśnieniami – w wyniku zapchania filtra ciśnienie przed filtrem jest wyższe od ciśnienia za filtrem. W zależności od tego jaka duża jest ta różnica zmienia się rezystancja czujnika. W niektórych modelach samochodów (np. OPEL 1.9CTDI/1.7CTDI produkowany po 2007r. ) montowany jest czujnik ciśnienia spalin, który mierzy jedynie ciśnienie przed filtrem.
Czujnik różnicy ciśnień nie jest jednak jedynym wyznacznikiem aktywującym procedurę wypalania filtra. W większości samochodów nawet przy prawidłowym odczycie z czujnika różnicy ciśnień (świadczy to o niewielkiej ilości sadzy) i tak co pewien czas FAP/DPF zostaje profilaktycznie regenerowany. Decyduje o tym algorytm, który wylicza kiedy ma nastąpić kolejna regeneracja. Bierze on pod uwagę parametry czujnika różnicy ciśnień, czujników temperatur, czy nawet czujników pedału przyspieszenia i pedału sprzęgła. Informacje te wykorzystywane są do określenia w jakich warunkach jeździł pojazd, czy były to krótkie odcinki w ruchu miejskim, czy może pokonywał długie trasy poza miastem, czy jeździł z dużymi prędkościami, czy też „żółwim” tempem. Komputer nie posiada inteligencji, ale na podstawie wielu zapamiętywanych i analizowanych parametrów potrafi obliczyć jaka ilość sadzy mogła się zgromadzić w konkretnych warunkach eksploatacyjnych.
3.3. REGENERACJA WYMUSZONA
W zależności od tego jaka jest strategia sterowania pracą silnika (mapy pracy silnika, stopień autokorekcji), rozróżnia się kilka stopni określających zapełnienie filtra (z reguły trzy).
Przekroczenie pierwszego stopnia powoduje rozpoczęcie regeneracji aktywnej. Drugi stopień to stan przejściowy pomiędzy regeneracją aktywna a wymuszoną. Ten stopień zapełnienia daje użytkownikowi ostatnią szansę na stworzenie warunków odpowiednich do wypalenia filtra, jeśli tego nie zrobi, a ilość sadzy się zwiększy, to tym samym następuje przejście do stopnia trzeciego. Stopień trzeci blokuje możliwość regeneracji aktywnej, a jedyną możliwością pozbycia się jej nadmiaru jest inicjowanie regeneracji wymuszonej. Regeneracja ta nie może być wykonana samodzielnie przez użytkownika. Do jej przeprowadzenia konieczne jest podłączenie, odpowiedniego dla danej marki, urządzenia diagnostycznego i uruchomienie serwisowej procedury wypalania DPF’a. W niektórych modelach samochodów jeśli sterownik stwierdzi, że sadzy jest zbyt dużo może „odmówić” inicjowania regeneracji wymuszonej. Powodem tego jest zbyt duże ryzyko niekontrolowanego zapalenia się sadzy, które może wywołać pożar pojazdu. W takiej sytuacji filtr należy wymontować i dostarczyć do firmy, która dysponuje odpowiednimi maszynami do regeneracji filtrów DPF, bądź wymienić filtr na nowy.
4. CZUJNIKI KONTROLUJĄCE PRACĘ FAP/DPF
Prawidłowa praca filtrów cząstek stałych kontrolowana jest przez kilka niezależnych elementów zwanych czujnikami. Rodzaj zastosowanych czujników oraz ich umiejscowienie w układzie zależy od marki pojazdu. Przykładowe rozmieszczenie czujników zostało przedstawione na rysunku 4.1.
Rys. 4.1. Układ DPF w samochodzie VW Passat 2.0TDI 140KM, umiejscowienie czujników kontrolujących DPF. [3]
4.1. CZUJNIK RÓŻNICY CIŚNIEŃ (CZUJNIK CIŚNIENIA SPALIN G450)
Jest to najważniejszy czujnik w całym układzie oczyszczania spalin. Rozróżniamy dwa rodzaje czujników, jedne mierzą tylko ciśnienie przed filtrem, a drugie wykonują pomiar i porównanie ciśnienia przed i za filtrem.
Tensometryczne czujniki ciśnienia DPF działają w oparciu o układ tensometrycznego pomiaru odkształcenia membrany. Mierzą one różnicę ciśnień po obu stronach membrany, różnica ciśnień powoduje jej odkształcenie i wysłanie sygnału napięciowego do wzmacniacza.
Rys. 4.2. Przykładowe podłączenie czujnika ciśnienia firmy Bosch w instalacji samochodu. [4]
Ciśnienie z filtra DPF podane jest do czujnika za pomocą przewodu metalowo-gumowego, oddziałuje ono na powłokę piezoelektryczną, gdzie jego wartość zostaje przetworzona na sygnał elektryczny. Układ aktywny, mierzący zmiany ciśnienia, to niewielkich rozmiarów płytka w którą wklejone są miniaturowe piezorezystory reagujące na zmianę ciśnienia. [6] Kolejnym elementem układu jest niewielkich rozmiarów komora próżniowa pełniąca rolę przepony, która ugina się pod wpływem ciśnienia. Komora umiejscowiona jest na ściance czujnika i pokryta silikonową warstwą ochronną. Z drugiej strony komora jest zakryta płytka szklaną. Zmiany ciśnienia w filtrze DPF powodują zmianę rezystancji piezoelementu, co zmienia napięcia w obwodzie, które zostaje wykryte przez ECU. Czujnik działa jak tensometr mierzący naprężenie odkształcalnych elementów, które jest miarą różnicy ciśnień przed DPF’em, a próżnią w komorze odniesienia. Wzrost ciśnienia powoduje proporcjonalny wzrost napięcia sygnału. W przypadku czujników do których doprowadzone jest ciśnienie z przed i z za filtra warstwa ochronna reaguje na odkształcenie przepony wynikające z dostarczonych ciśnień po obu jej stronach. W zależności od odkształcenia membrany zmienia się wartość sygnału czujników piezoelektrycznych (0,5 – 5 V), na tej podstawie ECU rozpoznaje stopień zapełnienia filtra. Jeśli obwód jest przerwany lub czujnik uszkodzony to regeneracja aktywna zostaje zablokowana.
Czujnik najczęściej montuje się w komorze silnika w bliskiej odległości od DPF’a tak, aby ciśnieniowe przewody elastyczne były jak najkrótsze, co ogranicza prawdopodobieństwo awarii oraz ograniczanie zjawiska tętnienia ciśnienia i możliwości wystąpienia różnicy ciśnień w samym przewodzie.
Rys. 4.3. Schemat montażu G450 (1- czujnik różnicy ciśnień, 2 - przewody ciśnieniowe, 3 - DPF, 4 - turbosprężarka). [5]
Rys. 4.4. Umiejscowienie czujnika różnicy ciśnień.
Rys. 4.5. Czujnik różnicy ciśnień do VW Golfa 1.9TDI.
Rys. 4.6. Wnętrze czujnika różnicy ciśnień (1 - komora ciśnieniowa a, 2 - mikr. układ tensometryczny, 3 - Membrana w warstwie ochronnej, 4 – Komora ciśnieniowa b umieszczona pod układem).
Rys. 4.7. Praca membrany. [3]
4.2. PRZEPŁYWOMIERZ POWIETRZA G70
Przepływomierz powietrza umiejscowiony jest w układzie dolotowym, za filtrem powietrza, przed turbiną. Czujnik ten oblicza ilości powietrza zasysanego do silnika. Przepływomierz zbudowany jest z kilku elementów:
- Tunelu pomiarowego - średnicy rury dolotowej bądź trochę mniejszej.
- Czujnika pomiarowego - wykonany z płytki szklanej, elementu grzewczego i rezystorów pomiarowych.
Przy braku przepływu powietrza, powietrze o identycznej temperaturze wytwarzane przez element grzewczy przekazywane jest do obu oporników. Podczas przepływu, powietrze opływa płytkę i odbiera ciepło z przedniego rezystora. Temperatura drugiego rezystora jest stała (waha się w granicach 1-2%). Zmian kierunku przepływu jest automatycznie wychwytywana przez układ, ponieważ przepływające powietrze spowoduje schłodzenie drugiego rezystora przy zachowanej stałej temperaturze na rezystorze pierwszym.
Rys. 4.8. Budowa G70. [6]
Rys. 4.9. Schemat elektryczny G70 (RH, RS, RT , R1, R2, R3, R5 – rezystory pomiarowe). [4]
4.3. CZUJNIKI TEMPERATURY SPALIN
Czujniki temperatury spalin w układach oczyszczania spalin służą do kontroli procesów regeneracji DPF’a. ECU analizuje informacje z czujników i odpowiednio steruje akcją regeneracji filtra, dostosowuje tryb regeneracji, dawkę dotryskowego paliwa ściśle w oparciu o dane z czujników. Z reguły stosuję się dwa czujniki, jeden na początku filtra, a drugi na końcu (np. Opel Zafira 1.9CTDI) , istnieją też bardziej skomplikowane układy gdzie montuje się 3 czujniki (np. VW Passat 2.0 140KM TDI), w prostych układach stosowany jest tylko jeden czujnik temperatury (np. Ford Focus 1.6TDCI). Czujnik jest stosunkowo prostym urządzeniem, w jego obudowie znajduje się jeden z dwóch rodzajów termistora:
- NTC (Negative Temperature Coefficient), element półprzewodnikowy, którego rezystancja maleje wraz ze wzrostem temperatury (np. Opel Vectra1.9CDTI),
- PTC (Positive Temperature Coefficient), element półprzewodnikowy którego rezystancja rośnie wraz ze wzrostem temperatury (np. Honda Accord 2.2CTDI).
W układzie instalowanych jest od 1 do 4 czujników temperatury, najczęściej 2, jeden przed, a drugi za filtrem cząstek stałych. W przypadku awarii któregoś z nich możliwość regeneracji aktywnej zostaje zablokowana.
Rys. 4.10. Budowa czujnika temperatury spalin (1 - złącze elektryczne, 2 - obudowa, 3 - rezystor).
[1] www.topsoe.com
[2] ec.europa.eu
[3] forum.tdi-tuning.pl/viewtopic.php?t=3318
[4] www.ontronic.com
[5] ETOS program serwisowy
Kopiowanie i publikowanie tekstu i rysunków bez mojej zgody zabronione.
