Jak działa i jak jest zbudowany filtr cząstek stałych

Filtr cząstek stałych - budowa i zasada działania filtra DPF/FAP

Filtr cząstek stałych (DPF, FAP) jest to element w układzie wydechowym służący do usuwania szkodliwych cząstek sadzy. Budowa filtra DPF nie jest skomplikowana, składa się on z ceramicznego wkładu i metalowej obudowy. Filtr cząstek stałych DPF jest trochę podobny do katalizatora, budowa przypomina plaster miodu,ale liczba kanalików jest większa, są one częściowo zatkane i są porowate. 

  
Rys. 2.1.  Przekrój poprzeczny, struktura filtra DPF (trzy kanaliki). [1]

Cząstki sadzy są większe niż pory, dzięki czemu zatrzymują się w filtrze i sa później usuwane w procesie regeneracji.


Rys. 2.2. Pory w ściankach kanalików DPF. [1]

Spaliny przepływają przez otwarte kanaliki, w których małe cząsteczki przedostają się przez pory i wylatują z układu wydechowego, a duże (cząstki sadzy) zatrzymują się w środku. 

  
Rys. 2.3. Przepływ spalin przez DPF. [1]


Rozróżniamy dwa główne rodzaje rodzaje systemów oczyszczania spalin:

2.1.    SUCHY DPF

W suchym filtrze DPF na powierzchni porowatych ścianek znajdują się cząsteczki tlenku glinu i ceru oraz platyny (utleniają CO-CO2, NO-NOx).

  
Rys. 2.4. Filtr DPF „suchy” sadza wypalana jest non stop w temperaturze przynajmniej 350C. [2]

2.2.    MOKRY FAP

W przypadku mokrego filtra DPF/FAP stosowany jest dodatek do paliwa (tzw. płyn kataliczny).


Rys. 2.5. „Mokry” układ oczyszczania spalin z zastosowaniem FAP i płynu katalicznego. [2]


3. REGENERACJA FILTRA DPF

Wyróżnamy trzy główne tryby regeneracji/oczyszczania DPF.

3.1.    REGENERACJA PASYWNA

W przypadku regeneracji pasywnej sadza neutralizowana jest samoczynnie(reakcja termo-chemiczna)

3.2.    REGENERACJA AKTYWNA

Regeneracja aktywna aktywowana jest przez sterownik silnik, który zwiększa temperature spalin poprzez dodatkowy dotrysk paliwa w fazie wydechowej, ECU opóźnia kąt wtrysku i zamyka zawór EGR. Regeneracje można rozpoznać po zmienionym dźwięku silnika i zwiększonym spalaniu chwilowym pokazywanym na komputerze pokładowym samochodu. Czujnik różnicy ciśnień sprawdza różnicę ciśnienia spalin pomiędzy wejściem a wyjściem z filtra, dzięki czemu ECU może oszacować stopień zapchania filtra sadzą. Im ilość sadzy jest większa, 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. 

3.3.    REGENERACJA WYMUSZONA

Można wydzielić kilka stopni mówiących o tym jak mocno jest zapełniony filtra DPF. Przekroczenie stopnia nr1 powoduje rozpoczęcie regeneracji aktywnej. Stopień nr2 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 nr3 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 uruchomienie serwisowej procedury wypalania DPF’a za pomocą urządzenia serwisowego. W sytuacji, gdy sterownik stwierdzi, że sadzy jest zbyt dużo, to może nie wykonać regeneracji wymuszonej ze względu na bezpieczeństwo. Gdy filtr DPF jest bardzo mocno zapchany sadzą to istnieje zbyt duże ryzyko niekontrolowanego zapalenia się sadzy, które może wywołać pożar pojazdu. W takiej sytuacji filtr należy zdemontować i wyczyścić, zregenerować lub wymienić filtr DPF na nowy.


4.    CZUJNIKI KONTROLUJĄCE PRACĘ FILTRA CZĄSTEK STAŁYCH FAP/DPF

Praca filtrów cząstek stałych nadzorowana jest przez kilka niezależnych czujników. Ich rodzaj oraz umiejscowienie w układzie zależy od marki pojazdu. Przykładowe(VW 1.9/2.0TDI) 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 (G450)

Są to najważniejsze sensory w całym układzie oczyszczania spalin. Możemy wyróżnić dwa rodzaje czujników, w pierwszym przypadku mierzą tylko ciśnienie przed filtrem, porównując je do ciśnienia wzorcowego zapisanego w sterowniku silnika, natomiast w drugim przypadku dokonują sprawdzenia ciśnienia przed filtrem i za filtrem DPF i je porównują. Są to tensometryczne czujniki ciśnienia, które 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 spalin z filtra DPF podawane jest do czujników poprzez przewody metalowo-gumowe, oddziałuje ono na powłokę piezoelektryczną, a jego wartość zostaje przetworzona na sygnał elektryczny. Układem aktywnym, który mierzy zmiany ciśnienia, jest niedużych rozmiarów płytka w którą wklejone są niedużej wielkości mikro-piezo rezystory, które reagują 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 sterownik silnika. Czujnik działa tak samo, jak tensometr mierzący naprężenie odkształcalnych elementów, które jest miarą różnicy ciśnień przed DPF’em, a próżnią w komorze odniesienia. Podniesienie ciśnienia skutkuje proporcjonalny wzrost napięcia sygnału. Przy czujnikach do których doprowadzone jest ciśnienie z przed i z za filtra następuje reakcja warstwy ochronnej 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, dzięki czemu ogranicza się wystąpienie awarii oraz zjawiska tętnienia ciśnienia, czy możliwości wystąpienia różnicy ciśnień w samym przewodzie. Należy mieć na uwadze, że po każdej wymianie czujnika, powinno się zrobić jego dopasowanie przy użyciu urządzenia serwisowego, po to żeby sterownik silnika "wiedział", że czujnik jest nowy i stosował inny algorytm wyliczał zapełnienie filtra. Jest to spowodowane tym że ECU(algorytm) bierze poprawkę na zużycie sensora, które jest wyliczane na podstawie przebiegu i zakładanego dla niego zużycia czujnika(odkształcenia membrany).


  
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 znajduje się jest w układzie dolotowym, za filtrem powietrza, a przed turbiną. Czujnik mierzy ilości powietrza zasysanego do silnika. Przepływomierz składa się 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

Sensory temperatury spalin w systemach oczyszczania spalin mają za zadnie kontrolować temperaturę spalin podczas procesów regeneracji filtra DPF’a. Sterownik silnika zbiera informacje z czujników i odpowiednio kontroluje akcją regeneracji filtra, ustala tryb regeneracji, ilość wtryskiwanego paliwa ściśle w oparciu o dane dostarczone z czujników. Z reguły stosuję się dwa czujniki, jeden na początku filtra, a drugi na końcu (np. VW Golf 1.9TDI) , istnieją też bardziej skomplikowane układy gdzie montuje się 3 czujniki (np. Mazda 2.0 143KM ), 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