DPF aneb past na peníze pro masy

Nejprve bychom se měli podívat na ty „saze“. Čeština pro to, co lítá dieselu z roury, nemá adekvátní jediné slovo. Dokonce ani Vratislav Filler nebo Stanislav Huml by to nevěděl. Používá se termín PM + číslo, PM znamená Particle Matter, česky pevné částice, číslo jejich velikost. Když se řekne „saze“, ukazuje to pouze na produkt spalování a to ponejvíce uhlík. Ve skutečnosti je problematika širší.

Kdekoli se cokoli láme, tře, eroduje, spaluje, tedy narušují se vazby mezi částicemi jakéholi materiálu, jsou uvolněné částice emitovány do ovzduší. Ano, jízdní kolo také produkuje částice.

V případě vznětového motoru, v důsledku nedokonalého spalování vznikají saze, které nejsou chemicky homogenní. Každá automobilka disponuje nějakou abstrakcí, jak ty „její typické saze“ vypadají. Saze obsahují složky, které jsou neškodné (voda), které jsou zdraví škodlivé (uhlovodíky, sloučeniny síry) a složky, o kterých zatím nedovedeme nic říct. Tím je třeba uhlík. Sám o sobě je neškodný, ale existují určité domněnky, že velmi malé částice mohou proniknout do krevního oběhu a hromadit se v určitých orgánech, vyvolávat vznik nádorů apod. Doloženo to nebylo, ačkoli objektů ke zkoumání – tedy zemřelých – je dostatek. Další teorie říká, že částice z motorů fungují jako nosič pro jiné částice, viry a bakterie, jiné teorie si zase všímají oxidačního potenciálu částic, tedy schopnosti reagovat s jinými částicemi, například tkáněmi lidského těla, a tím narušovat jeho imunitu. Tato poslední úvaha se mi zdá asi nejvíce reálná. Všechny tyto teorie je si třeba vychutnat s rezervou, neboť dopravních expertů je mnoho a každý se snaží vyvinout si nějakou vlastní strašidelnou show, se kterou by oslnil své publikum a vzbudil v něm obavy, rezultující v konkrétní regulační kroky, na jejichž mnohdy nečekaném zakončení jsou tučné zisky.

Produkce sazí nesouvisí přímo s tím, jak moc se podaří palivo rozprášit. Původní idea byla taková, že se zvýšením vstřikovacích tlaků a zkrácením reakční doby vstřikovačů podaří palivo ve válci rozptýlit tak dokonale, že pomyslné kapičky paliva shoří na neměřitelné saze. Bohužel to takhle nefungovalo, protože příčinou vzniku sazí jsou lokální „poruchy“ v rozložení směsi uvnitř válce. Vznikne tedy místo, kde se nahromadí sytá směs a tam je iniciován vznik sazí. Toto zjištění rezultovalo v instalaci různých vířících klapek do sání, které se přivírají v malých otáčkách a také poněkud přispívají ke zlepšení kouřivosti.

Dieselový motor osobního auta odpovídající normě EURO4 vyprodukuje maximálně 0,025 g částic na 1 km, totéž vozidlo s DPF plnící EURO5 pak maximálně 0,005 g/km. Za životnost motoru tedy DPF zachytí asi 8 kg sazí, což je něco jako kbelík uhlí. Požadavky normy EURO5/6 již nelze splnit bez částicového filtru (resp. šlo by to, ale motor by se nedal uplatnit na současném trhu). Dobrý motor s dobrým filtrem se dostane někam k 0,001 g/km sazí na km, v laboratorních podmínkách se lze dostat ještě o řád niže.

Částicový filtr je ze své povahy mechanický filtr tvořený filtrační vložkou umístěnou ve výfuku. Filtrační vložkou je nejčastěji keramický monolit. Kromě keramických filtrů (porézní cordierit) se uplatnily také filtry papírové, textilní (např. u stavebních strojů a stacionárních motorů) nebo filtry z kovových vláken. Filtrační vložka má voštinovou strukturu, tvořenou mnoha kanálky čtvercového průřezu, které jsou střídavě uzavřeny. Výfukové plyny a částice sazí procházejí porézními přepážkami z karbidu křemíku mezi kanály. Mechanismus filtrace je v podstatě dvojí: saze se zachytávají v kanálkách, zatímco výfukové plyny proudí skrze porézní stěny, pokud se filtr zaplňuje, ulpívají rovněž na porézních stěnách. Účinnost filtrace je asi 95%.

Pokud budeme uvažovat moderní tzv. CDPF, je povrch kanálků v monolitu navíc pokrytý oxidem hliníku. Tato vrstva slouží jako nosič pro další vrstvu obsahující platinu. Platina funguje jako katalyzátor a její rozmístění uvnitř filtru není stejnoměrné. Proč, povíme si za chvíli. Keramická vložka je uzavřena v pouzdru podobnému běžnému třícestnému katalyzátoru. Pouzdro zajišťuje proudění výfukových plynů a drží to celé pohromadě.

Když začneme do pouzdra pouštět směs výfukových plynů a sazí, saze se začnou zachytávat a činí tak tak dlouho, dokud není spotřebována kapacita filtru. Pneumatický odpor filtru přitom narůstá. To znamená, že filtr musí být nějak velký, aby měl příslušnou kapacitu. O tom, za jak dlouho se filtr zanese, rozhoduje největší měrou styl jízdy a konstrukce motoru. Kombinace motoru, který produkuje hodně sazí (např. VW Pumpe-Düse) s DPF nedopadá dobře, protože je nutné filtr často regenerovat a jeho životnost je nevelká.

To, co majitele dieselových vozidel tak vytáčí, je „venčení auta“. Lidově známá „regenerace“ je tzv. aktivní regenerace, kdy elektronika motoru usoudí, že filtr je zaplněný a musí filtr vyprázdnit, tedy nutit řidiče, aby jezdil po dobu zhruba deseti minut vyššími otáčkami. Existuje však řešení, který dovede intervaly mezi těmito otravnými akcemi prodloužit na únosnou mez.

Tzv. CRT-DPF (Continuously regenerating trap) má filtr má pasivní regenerační mechanismus. Pasivní regenerace je proces, který se spouští za částečného zatížení motoru a může probíhat kontinuálně. Lze jej uplatnit v případě, kdy filtr není příliš zaplněný a teplota výfukových plynů je někde mezi 350 a 450°C. V tom případě lze nastartovat reakci spočívající v průběžném rozkladu sazí. K rozložení částic se využívá se těchto reakcí:

NOx + O2 = NO2
NO2 + C = CO + NO
CO + NO + O2 = NO2 + CO2

Jistě jste zaznamenali, že z moderních dieselů vychází při mírně vyšším zatížení pořád takovej kyselej smrádek. Inu, to je právě tohle – pasivně regenerační procesy ve filtru. Provedení celé reakce totiž vyžaduje poměr NO2 k PM asi 8:1.

Aktivní regenerace je nevyhnutelná, pokud vozidlo jezdí ve městě, nelze dosáhnout teplot pro pasivní regeneraci a filtr se postupně naplní sazemi. V tomto případě je zapotřebí je vypálit stejnou cestou, jako se pálí uhlí v kamnech. Probíhající chemická reakce je

C + O2 = CO2

Proces aktivní regenerace pozestává z těchto aktivit:
– recirkulaci spalin zastavit (aby se zvýšila teplota spalin)
– otevřít bypass intercooleru
– do válců se začne vstřikovat více paliva. Toto palivo ve válci neshoří a vznítí se až v částicovém filtru (tzv. dovstřik)
– množství vzduchu vcházejícího do sání se začne regulovat škrtící klapkou
– zvýšit otáčky turba a tím kompenzovat úbytek točivého momentu, aby se s autem dalo normálně jet

Výsledkem těchto akcí je, že se teplota výfukových plynů zvýší na 600 – 650°C. Jinak řečeno, použijeme palivo, abychom ohřáli částicový filtr na teplotu, kdy začne uhlík hořet. Je jasné, že taková akce zvyšuje teplotní zatížení nejen filtru, ale také dalších komponent, například turba.

Průběh reakce tak, jak je popsaný, je značně idealizovaný. Ve skutečnosti vznikají různé problémy, způsobené například teplotními rozdíly mezi vstupní a výstupní částí filtru. Na začátku procesu se nahřeje přední část, ale protože sám proces spalování uhlíku je exotermický („kamna“), na konci se silně zahřívá část zadní. Proto není přídavek platiny všude stejný, v některých částech filtru potřebujeme reakci spíše brzdit nežli urychlovat. Účinnost tohoto čistícího procesu bývá také předmětem kritických úvah, protože někdy filtr po spuštění regenerace určité procento částic ze sebe „vyvrhne“, aniž by je spálil. Udávaná účinnost filtrace je tedy snižována vedlejšími efekty regenerace. Dále, což je obzvlášť funny, ať pasivní nebo aktivní regenerace vede k zvýšení emisí a není mi zcela jasné, jak je toto zohledněno při měření emisí a spotřeby v rámci NEDC cyklu.

Dalším problémem je, že nelze spálit minerální usazeniny (popel), kovové částice a zbytky spáleného motorového oleje, které filtr během provozu od počátku znehodnocují. Sporné je i „lití“ paliva do motoru, protože se část paliva vždy dostává do oleje, což není dobrý a už vůbec ne v kombinaci s biopalivy. Někdy se proto používá separátní vstřikovací ventil zamontovaný na do výfuku. Ekologická perverze tím dosahuje maxima.

Aktivní regenerace filtru není proces, který by si běžný řidič přál ve svém autě mít. Vzhledem k výše popsanému jej nelze provést kdykoli (například v městském provozu) a proto je nutné počítat s případem, že filtr je sice zanesený a měl by se regenerovat, ale momentálně to nejde a je třeba celou akci odložit, dokud se provozní podmínky vozidla nezlepší. Pro regeneraci filtru je třeba je otáčkami kolem 2000 rpm na čtyřku nebo pětku po dobu asi 10 min, což je v běžném provozu čím dál méně reálné. Ve skutečnosti se to řeší tak, že se regenerace spouští, když je filtr zaplněn například do jedné třetiny nebo poloviny. V případě, že se regenerace filtru nepodaří ani tak, dojde v lepším případě k jeho ucpání nebo v horším propálení.

Monitorování stavu filtru se děje dvěma nezávislými mechanismy. První je založen na fyzickém měření a používá se k němu dvojice tlakových snímačů před a za filtrem. Druhý je čistě výpočetní a vychází z předpokládané produkce sazí motorem a předpokládaného množství sazí redukovaných pasivním procesem a to vše pro zjištěný uživateský profil. Rozhodnutí o tom, kdy se regenerace spustí, činí softwarový koordinační mechanismus v řídící jednotce. Kromě toho je zapotřebí ještě několik teplotních čidel, které fungují jako prvek ochrany filtru a turba a jejich signál slouží k řízení regeneračních procesů filtrů.

Snad majitelům vozidel s CDPF osladí život, že ta jejich popelnice smradlavá nemusí mít katalyzátor. Jak plyne z popisu funkce výše, přejímá CDPF funkci katalyzátoru a kat lze proto vynechat. V tom případě proběhnou v tomto filtru ještě tyto reakce:

2CO + O2 = 2CO2
[HC] + O2 = CO2 + H2O

Auta bez CDPF mají katalyzátor a klasický DPF. Výhodou tohoto řešení je, že výměna DPF nebo katalyzátoru u takového řešení vyjde podstatně levněji.

Mezi veřejností jsou známy také starší filtry spojené se vstřikováním aditiva. Tento první široce rozšířený typ filtrů se konstrukčně zásadně nelišil od výše popsaného DPF. Byl umístěn dále od motoru a k aktivní regeneraci bylo zapotřebí přidávat do nafty speciální aditivium, které snižovalo teplotu vznícení sazí na zhruba 500°C. Aditivum se přidávalo dávkovacím čerpadlem na základě informace, že byla otevřena a zavřena nádrž a signálu ze snímače hladiny paliva, aditivum bylo ve zvláštní nádrži o obsahu několika litrů umístěné v kufru. Nejrozšířenejším aditivem je EOLYS 176 nebo DPX 42, litr bratru za 1300 Kč, při manipulaci nezapomeňte na brýle, rukavice a ideálně dýchací přístroj.

Částicový filtr není lifetime komponent. Jeho výměna není sice vyžadována v pravidelných intervalech podobně jako např. výměna vzduchového filtru, protože jeho životnost silně závisí na způsobu používání vozidla. Hovoří se o životnosti 120.000 km, pak je nutné jej vyměnit nebo vyčistit mechanicky. Vlivem tepelného namáhání a teplotních rozdílů na samotném filtru dochází k různým poruchám monolitu, jako například lámání keramického tělesa nebo odlupování hliníkové vrstvy, které výkon filtru snižují. „Vypálení“ také nemá 100% účinnost. Některé automobilky deklarují DPF jako opotřebitelný díl a nelze na něj uplatnit záruku. Existují určité zlidovělé postupy čištění DPF involvující vysokotlaký vodní čistič (wapka). Typický vopruz s DPF je popsán například zde.

Problém pro DPF představují minerální usazeniny, zejména popel. Proto je potřeba používat motorový olej, který takové složky neobsahuje. U prvních DPF také docházelo k enormnímu nárůstu teploty a hrozbě požáru interiéru.

Vzhledem k popsaným vlastnostem DPF se hodně uživatelů rozhoduje nechat jej „deaktivovat“. Filtr je nahrazen atrapou, která vypadá jako filtr. To může být emulátor způsobující pneumatickou ztrátu nebo originální pouzdro, ze kterého byl předtím vyjmut filtr, anebo ma hulváta kus trubky. Je třeba se vypořádat s tlakovými senzory, které detekují přítomnost filtru (i regenerovaný filtr má pneumatický odpor, nulový pneumatický odpor je hodnocen jako závada). Popsanou úpravu lze poznat i jinak než vizuálně. U STK/EM by takové auto mělo propadnout (zásah do emisního systému), ale pokud to není vidět, tak to většinou nikoho nezajímá, přičemž emisní test vozidlo jako takové zvládne (pokud u něj není jiný problém). Je třeba upozornit na to, že vozidlo s mrtvým nebo odstraněným CDPF přijde také o katalyzátor, emisně je tedy na tom stejně mizerně nebo spíš ještě hůř než třicet let starý chrochtáky. Dál je třeba mít na paměti, že z některých motorů nejde DPF vyndat, protože mají nízkotlakou recirkulaci spalin a výfukové plyny jsou odebírány za filtrem. Když je filtr nefunkční nebo odstraněný, dojde k zablokování EGR ventilu sazemi a následným nepříjemnostem. Obecně pokládám vyjmutí DPF za rizikovou operaci, protože je například třeba softwarově vyřadit regeneraci, která jak výše uvedeno není spouštěna jen na základě tlakových čidel. Když se s tím úpravce nevypořádá, začne v autě „nevysvětlitelně“ přibývat „olej“ a na konci je zadření nebo runaway diesel.

Proč auto bez DPF projde emisním testem? Protože zkušební metodika u měření emisí je jiná než emisní zkouška při schvalování vozidla. Měří se jiné veličiny jiným způsobem, mají jiné tolerance mimojiné s ohledem na přesnost měřícího zařízení.

Opačným procesem je doplnění filtru do existujícího dieselu. V tom případě se používá tzv. otevřený filtr, který má bypass a při zaplnění filtru jdou výfukové plyny mimo něj. Účinnost takového filtru je proměnlivá v čase mezi 30-80% a k regeneraci se používá výše popsaný CRT efekt. Kocourkovské předpisy retrofit filtru neumožňují a i kdyby se někdo dobrovolně rozhodl se svým dieselem nehulit, tak má smůlu.

Staré dieselové motory s předkomůrkou sice měly svoje mouchy, zejména emise uhlovodíků, ale pokud jde o produkci sazí, nebyly zase až tak marný. Palivo bylo vstřikováno do předkomory, kde se hezky vypařilo a odtud bylo „vcucnuto“ do válce, což napomáhalo jeho rovnoměrnému prohoření a spálení. V případě přímého vstřiku bylo sice dosaženo určitých technických výhod zvyšujících výkon a životnost motoru, ale výměnou za vyšší produkci sazí nižších frakcí. Postupně se uplatnila dvojí cesta, jak emise sazí snižovat. Francouzské automobilky sázely na filtraci, německé na to, že se podaří naftu spálit tak, aby z ní žádné saze nezbývaly. Tato druhá cesta vedla ke vzniku systému Pumpe-düse, který později narazil na emisní strop a nebyl dále rozvíjen, z dlouhodobého hlediska tedy filtr zvítězil.

Saze nejsou spojeny pouze s naftou. Benzínové motory s přímým vstřikem umějí také velmi hezky hulit, zvláště při extrémně krátkých dobách vstřiku. V době, kdy nebyl ještě přesně znám limit na PM v EURO6, se uvažovalo o jejich dovybavení o DPF.

Existuje názor, který pokládám za přinejmenším relevantní a který říká, že ekologický přínos DPF je spolehlivě anulován zvýšením spotřeby paliva nutného k regeneraci a na zvýšenou hmotnost celého vozidla. Ještě bych k tomu přihodil ztráty výkonu (v nepracovním zdvihu musí motor překonat odpor filtru ve výfuku) a nutnost filtr vyrobit, dopravit, případně vyměnit a recyklovat. To vše výměnou za kbelík uhlí, který uletí do vzduchu někde, kde to možná vadí, možná nevadí. Vrátím se k tomu prvotnímu výpočtu – za životnost motoru, což je optimisticky vzato nějakých 400.000 km, zachytí filtr nějakých 8 kg uhlí. Odhad zvýšení spotřeby paliva je 0,3 l/100km, vyměnili jsme tedy kýbl uhlí za 1.200 litrů nafty. Nezmiňuji environmentální aspekty energeticky a materiálově náročné výroby samotného filtru ani jeho pozdější recyklace, která také nebude triviální.

Celý byznys s DPF je na vzestupu společně s technologií přímého vstřikování nafty a není to žádná technologická novinka. První pokusy s keramickými filtry začaly před více než 25 lety přibližně v době, kdy německá vláda nechtěla technicky schvalovat auta s dieselovými motory právě z obav z produkce sazí. Mezitím se legislativní prostředí změnilo a politické prostředí také, neboť zemskou vládou spoluvlastněná automobilka VW investovala obrovské peníze do dieselové technologie a před politiky stála Sofiina volba, zda vyměnit zaměstnanost za nějaké ty saze. Výsledkem je současný kompromis.

Budoucnost spočívá v tom, přidat do DPF energii jinak, než spalováním nafty. Prohánění paliva skrz motor a topení s ním „v kamnech“ není energeticky příliš výhodné a znamená nutnost „venčení“. Ve stádiu testů jsou elektrická topná tělesa, elektricky vyhřívané filtry z metalických vláken a konečně filtry ohřívané mikrovlnami. Problém je především v kompatibilitě se současnou elektrickou sítí. Také vystupuje do popředí otázka dostupnosti takové technologie za přijatelnou cenu.

Osobně pokládám DPF za projev marketingového a technického zoufalství. Je to jeden z mnoha argumentů – nikoli ten hlavní – proč bych si auto na naftu nikdy nekoupil. Celá technologie se dostala na trh v ne úplně dotaženém stavu a náklady spojené s omezenou životností jsou přeneseny na zákazníka. Ten si většinou neuvědomuje, co je to za dáreček, protože vidí jen tu nízkou spotřebu (která navíc u moderních dieselů není až tak nízká) a dojde mu to, až když je za ním vystaven mastný účet na nějakou opravu. Myslím, že zájemce o vozidlo se vznětovým motorem by si měl dobře rozmyslet co dělá a zda skutečně deklarovaná nižší spotřeba ovlivní jeho TCO tak dalece, jak si myslí. Celý marketing dieselových technologií mi připomíná jízdu na kole, kde také musíte počínaje okamžikem začátku jízdy šlapat, jinak spadnete, jízda skončí a ostatní vám ujedou. Automobilky a jejich dodavatelé nacpaly prachy do vývoje vznětových motorů a nyní musí udržovat pomyslný bicykl v pohybu, aby dostaly své investice zpátky, a to i za cenu dalších investic do dalších a ještě komplikovanějších emisních systémů.

24.05.2013 D-FENS

Související články: