Jak to działa: wstęp do systemów oczyszczania spalin

W ostatnim czasie systemów oczyszczania spalin jest już tak dużo, że zaczęły się mylić i mieszać. Spróbuję wyjaśnić zupełne podstawy – dla osób, które do tej pory nie próbowały bardziej zgłębiać tego ciekawego tematu.

Ogólnie sprawa jest bardzo prosta: w silniku dochodzi do reakcji spalania się różnych frakcji ropy naftowej, które w teorii powinny zamienić się w parę wodną i dwutlenek węgla. Ale procesowi spalania się paliwa w cylindrze daleko jest do idealnego spalania, dlatego para wodna i dwutlenek węgla owszem powstają, tyle że część paliwa spala się w sposób niepełny. Powstają wówczas trujące związki – tlenek węgla (CO) lub zwykła sadza, czyli „C” jak Carbo – węgiel. Trujących związków w spalinach jest oczywiście znacznie więcej. Wśród nich najgroźniejsze są tlenki azotu i cząstki stałe (PM – od Particulate Matter), a do mniej zabójczych zaliczamy np. węglowodory HC. Nie będę się na ten temat dalej rozwodził, bo nie to jest tematem tego wpisu.

Kiedyś wszystko było prostsze

Do samochodu wlewałeś paliwo, on je spalał i jechał. Co leciało z rury wydechowej, nikogo już nie obchodziło. Mój ojciec opowiadał, że stojąc przy ruchliwej ulicy w latach 70. można było naprawdę stracić przytomność od trujących spalin. Dziś, mimo że spaliny są nieporównanie czystsze, nieustannie krzyczy się że samochody trują i zabijają śmiercionośnymi cząstkami stałymi, choć emisja tych akurat cząstek gwałtownie spadła po wprowadzeniu obowiązkowych filtrów w 2010 r.

Nikogo nie powinno dziwić, że pierwsze obowiązki związane ze zmniejszaniem emisji spalin w silnikach spadły na producentów amerykańskich. W Stanach Zjednoczonych zanieczyszczenie powietrza spowodowane boomem motoryzacyjnym lat 50. było ogromne. Zauważono, że szczególnie negatywny wpływ na środowisko ma otwarte odpowietrzenie skrzyni korbowej. Idące w dół tłoki wypychały brudne powietrze przez odmę, wymyślono więc system PCV – positive crankcase ventilation, czyli powietrze z odmy idzie w dolot. Stał się on obowiązkowy od 1964 r. w niektórych stanach. W Europie jeszcze wtedy o tym nie myślano. W 1966 r. zaostrzono normę w Stanach, wymagając pełniejszego spalania gazów opuszczających cylindry, co wymusiło na producentach stosowanie systemu o nazwie Secondary Air Injection. Dodatkowa pompa powietrza („vane pump” albo „smog pump”) pompowała gorące powietrze w wydech, żeby dopalić spaliny. System był dość awaryjny i czasem kończyło się to pożarem auta.

Już w 1974 r. Amerykanie uznali, że to nie wystarczy i trzeba wprowadzić ostrzejsze normy emisji spalin. Na rok 1975 zaordynowano wycofanie benzyny ołowiowej (czteroetylek ołowiu służył zatrzymywaniu spalania detonacyjnego) i obowiązkowy montaż katalizatorów spalin. W Polsce katalizatory spalin w silnikach benzynowych stały się obowiązkowe dopiero w 1995 r. Katalizator składa się z mnóstwa płytek zamkniętych w metalowej lub ceramicznej puszce i pokrytych metalami szlachetnymi – rodem, palladem, platyną. Gazy spalinowe wchodzą z nimi w reakcję i wychodzą „oczyszczone”. Nie wgłębiajmy się – dość na tym, że katalizatory są obowiązkowe, nie wolno ich wycinać, a ostatnio najczęściej montuje się je razem z kolektorem wydechowym, żeby szybciej się nagrzewały.

Obieg zamknięty

Pierwsze układy recyrkulacji spalin pojawiły się już w początkach lat 70., ale obowiązkowe stały się w Europie dopiero na początku obecnego wieku. Rzecz jest prosta i niezbyt szkodliwa: spaliny z wydechu wpuszcza się z powrotem do dolotu, żeby je dopalić. Potrzebny jest do tego zawór, bo na wolnych obrotach system nie działa, otwiera się dopiero przy wyższych obciążeniach. Dzięki wielokrotnemu obiegowi gazów spalinowych można lepiej dopalić pozostałości i zmniejszyć emisję cząstek stałych. W dieslach ilość spalin wpadających z powrotem do cylindrów jest nawet dwa razy większa niż w silnikach benzynowych i sięga 50%. W celu schłodzenia spalin stosuje się chłodnice do EGR. Polacy, sprytni jak mało kto, zaślepiają EGRy – niektóre silniki jakoś to znoszą, inne po zaślepieniu EGR przestają działać. Znam przypadek w którym „mądry właściciel” zaślepił EGR w dużej, japońskiej terenówce znanej pod skrótem TLC. Skończyło się trybem awaryjnym i lawetą do serwisu.

EGR nie jest zupełnie nieszkodliwy dla silnika, bo w dieslu cząstki stałe ze spalin wpadają do cylindrów i zanieczyszczają olej. Bywa też, że do silnika wpada tak dużo syfu przez EGR i wspomniany już PCV, że traci on osiągi. EGR obniża temperaturę w cylindrach, co zmniejsza emisję cząstek stałych, ale pogarsza efektywność.

Niektórzy producenci w ostatnich latach podjęli próby stworzenia silników bez EGR, spełniających i tak normy emisji spalin. Na przykład silnik 3.6 Pentastar z Chryslera w ogóle nie ma EGR. Spaliny opuszczające silnik (oczyszczone przez katalizator) są już tak czyste, że nie ma potrzeby ich dopalać. Czyli – da się.

Filtry sadzy

To ulubiony temat Polaków rozmawiających o dieslach. Nic nie jest ważne, tylko czy ma DPF – Diesel Particulate Filter. Po francusku nazywany FAP – Filtre a Particules. Nie ustają dyskusje o tym, który model wyposażono w DPF, a który nie.

DPF to „katalizator z diesla”, tylko że bardziej zaawansowany technicznie. Działa na podobnej zasadzie – w płytkach o strukturze plastra miodu znajdują się liczne kanaliki pokryte związkami ceru i platyną. Tam zatrzymują się cząsteczki sadzy, które później są wypalane przez podniesienie temperatury. I tak, to prawda, że wczesne diesle z DPF bywają bardzo kłopotliwe. Czasem filtr w ogóle nie pozwala normalnie jeździć – zwłaszcza jeśli silnik jest zużyty, emituje dużo sadzy, albo nieudolnie poddano go cziptuningowi. Wtedy filtr będzie się ciągle zapełniał w błyskawicznym tempie.

Tyle że DPF DPFowi nierówny. Producenci testowali wiele sposobów działania tych filtrów. Niektóre są mniej zawodne niż inne. Z moich dotychczasowych doświadczeń i zebranych opinii wynika, że najgorzej sprawują się filtry, w których podnoszenie temperatury spalin w obudowie (konieczne do dopalenia cząstek PM) odbywa się przez sztuczne zwiększenie obciążenia silnika. Komputer podnosi obroty, uruchamia różne elektryczne odbiorniki prądu i tym sposobem podnosi temperaturę. Jest to mało skuteczne i jeśli ktoś nie jeździ regularnie poza miastem ze stałą prędkością, w końcu wyląduje z zatkanym filtrem. Takie rozwiązanie stosowało wielu producentów, w tym Opel, Nissan, BMW, Audi i inni.

Filtr typu mokrego

Inna koncepcja to filtr typu mokrego. Niewielka dawka płynu pod nazwą Eolys lub Infineum pozwala podnieść temperaturę spalin do poziomu, w której da się dopalić cząstki stałe. Ten filtr stosowali głównie producenci francuscy, więc jeśli masz Peugeota lub Citroena (albo auto z silnikiem pochodzącym z koncernu PSA), to jest duża szansa, że masz filtr z zasobnikiem płynu. Ale niekoniecznie, bo Mazda w dieslu 1.6 nie stosowała filtra typu mokrego, choć sama konstrukcja silnika pochodzi przecież od Peugeota. Taki filtr jest najtańszy w wymianie i najmniej kłopotliwy, pomijając konieczność dolewania płynu. Niestety, odkąd w Peugeocie weszły diesle BlueHDi, to filtry typu mokrego zostały wycofane.

Ostatni typ DPF-u to tzw. dodatkowy wtryskiwacz. Stosuje go np. Renault w 1.5 dCi. Dodatkowy wtryskiwacz podaje paliwo do filtra podczas przepływu spalin, co podnosi temperaturę w środku i pozwala lepiej wypalać sadzę.

DPF-y można czyścić. Niektórzy kombinują, że da się wypalać ich zawartość, poddając je wielogodzinnemu działaniu wysokiej temperatury. To trochę działa, ale nie zawsze. Natomiast byłem na targach warsztatowych i tam ogłaszano supernowoczesny, rewolucyjny system oczyszczania DPF wodą pod wysokim ciśnieniem. Napiszemy o tym niedługo.

Od niedawna silniki benzynowe muszą być wyposażane w GPF: Gasoline Particulate Filter. Okazało się, że wysoka temperatura zapłonu w silnikach z bezpośrednim wtryskiem paliwa powoduje powstawanie wielu cząstek stałych także w jednostkach benzynowych. Zamiast zrezygnować z tego kłopotliwego rozwiązania jakim jest wtrysk bezpośredni i obniżyć temperaturę spalin, producenci postanowili pchać GPF do silników benzynowych, podwyższając koszt produkcji i masę pojazdu. W ten sposób kreatywnie rozwiązano problem, który samodzielnie stworzono.

Wtrysk mocznika

I na koniec – rozwiązanie znane od lat, ale ostatnio spotykane coraz powszechniej z powodu normy Euro 6 w dieslach, która obniża dopuszczalną emisję tlenków azotu niemal do zera. Aby pozbyć się tlenków azotu, stosuje się katalizator selektywny SCR. Dotyczy to tylko silników wysokoprężnych. Początkowo występował on tylko w ciężarówkach, ale w drugiej połowie I dekady tego wieku przeszedł do osobówek. Dziś spotyka się go nawet w najmniejszych dieslach, jak 1.5 dCi. Do spalin opuszczających silnik i trafiających do katalizatora wtryskuje się roztwór mocznika z wodą destylowaną (tzw. AdBlue), co sprawia, że niebezpieczne tlenki azotu zamieniają się w nieszkodliwy azot i wodę. Jeśli nowoczesny diesel ma niebieski korek obok korka wlewu paliwa, to znaczy że trzeba do niego dolewać AdBlue. Bez AdBlue się nie pojedzie – komputer monitoruje czystość spalin i nie pozwoli dojechać „tylko ten mały kawałek” na brudniejszych spalinach. Tak jak z wycinaniem DPF, tak pojawiły się już oferty firm proponujących zastąpienie katalizatora SCR „emulatorem SCR”. Dotychczasowe doświadczenia z dieslami z AdBlue w autach osobowych są takie, że te diesle zużywają więcej AdBlue niż można by się spodziewać i jeżdżenie bez zapasowej butelki mocznika w bagażniku jest proszeniem się o kłopoty.

Podsumowując:

• jeśli masz nowoczesne auto benzynowe, to na pewno masz katalizator. Niekoniecznie EGR, ale raczej tak. Jeśli masz supernowoczesne auto benzynowe (drogi model z aktualnego rocznika), to możesz mieć już filtr cząstek stałych GPF.
• jeśli masz diesla sprzed 2010 r., to możesz nie mieć DPF, a niemal na pewno nie masz SCR (są wyjątki – Mazda 2.2 MZR-CD)
• jeśli masz diesla po 2010 r., to na pewno masz DPF (ostatni silnik bez DPF – Ford 1.8 TDCi)
• jeśli masz diesla po 2016 r., to możesz mieć SCR, ale nie musisz – rozpoznasz po niebieskim korku przy wlewie paliwa.

Podsumowując po raz drugi:

Jeśli urządzenia służące do poprawy jakości spalin działają, to nie wycinaj ich bez sensu jak cebulak, bo one sprawiają, że powietrze, którym oddychasz jest lepsze. A gdy się zużyją, to można je wymienić, tak jak nie usuwasz z auta tarcz hamulcowych, jak się zetrą.

Wkrótce odcinek 2.