Do czego służy filtr cząstek stałych?

Filtry cząstek stałych spełniają dwie zasadnicze funkcje. Pierwszą jest zatrzymywanie cząstek stałych wydobywających się z silnika, a drugą ich wypalanie wewnątrz filtra. Dzięki wypalaniu cząstek, filtr ma dłuższą trwałość, niż gdyby ten proces nie zachodził. Właśnie przez brak wypalania jest tak wiele problemów z eksploatacją tego urządzenia.

FAP (z fr. filtre à particules) i DPF (z ang. diesel particulate filter) to dwa najpopularniejsze skróty używane zamiennie jako nazwa filtra cząstek stałych. Obecnie jest to także GPF, czyli gasoline particulate filter.

Jest to zasadniczo proste urządzenie stanowiące część układu wydechowego, zamontowane za katalizatorem. Puszka, w której znajduje się filtr, wykonana jest zwykle z wysokiej jakości stali nierdzewnej. Wewnątrz niej jest już ceramiczny korpus filtra. Wnętrze korpusu to bardzo zagęszczone kanały, ustawione równolegle względem siebie, tworzące siatkę. Kanały są zamknięte z jednej strony, naprzemiennie od strony dolotowej i wylotowej. Dzięki temu spaliny są zmuszone do przebijania się przez ścianki kanałów wlotowych, by przedostać się do wylotowych, zostawiając na ściankach cząstki sadzy.

Ściany kanałów zrobione są z węglika krzemu pokrytego tlenkiem glinu i tlenkiem ceru, a na nich osadzone są cząstki platyny. Platyna to materiał bardzo drogi i niestety niszczy się pod wpływem wysokiej temperatury, stąd biorą się czasami abstrakcyjne ceny filtrów cząstek stałych. Firma Bosch zaprojektowała nieco inny filtr, w którym zamiast ceramiki użyto spieków metalowych. Według deklaracji producenta ma on wytrzymać tyle, co całe auto.

Budowa DPF

Filtr cząstek stałych (DPF) usuwa cząstki stałe ze spalin silników Diesla poprzez filtrację fizyczną. Dostępnych jest wiele rodzajów filtrów, ale najczęściej spotykany jest monolit ceramiczny (kordieryt lub węglik krzemu) o strukturze plastra miodu.

Filtr cząstek stałych jest podobny do wkładów w katalizatorach (przekrój – plaster miodu). Jednakże kanaliki we wkładzie mają większą średnicę i porowate ścianki. Ponadto pokryte są powłoką katalityczną , stanowiącymi fundament dla cząstek metali katalitycznych.
Kanały zatkane po stronie wylotowej, nazywane są kanałami wlotowymi — to nimi spaliny wpadają do filtra. Natomiast kanały z zamkniętymi końcami po stronie dolotowej, to kanały wylotowe, którędy wydostają się spaliny.
Spaliny chcąc przejść przez taką przeszkodę muszą przecisnąć się przez pory zostawiając większe cząsteczki uwięzione wewnątrz zaślepionych kanalików.

Monolity

Wykonane są z kordierytu, węglika krzemu, lub tytanianu aluminium.

Ściany wkładu filtra ( monolitu ) mają rozkład drobnych porów, które są dokładnie kontrolowane w procesie produkcyjnym. Całkowita porowatość materiału wynosi zwykle od 45 do 50% lub więcej, podczas gdy średnie rozmiary porów wynoszą zwykle od 10 do 20 μm. Mechanizm filtracji w monolitycznych filtrach ściennych jest kombinacją filtracji penetracji i zbrylowania sadzy. Filtracja penetracji jest dominującym mechanizmem, ponieważ cząstki stałe osadzają się w sieci porów wewnątrz materiału ścianki. Wraz ze wzrostem ładunku sadzy warstwa cząstek tworzy się wzdłuż powierzchni ściany w kanałach wlotowych, a dominującym mechanizmem staje się wtedy filtracja zbrylowania sadzy. Zazwyczaj filtry monolityczne mają wydajność filtracji między około 70 a 95% wszystkich cząstek stałych.

Powłoka katalityczna

Główną funkcją powłoki katalitycznej jest zapewnienie podłoża dla metali katalitycznych ( szlachetnych ). Ponadto powłoka katalityczna może fizycznie oddzielać się i zapobiegać niepożądanym reakcjom między składnikami złożonego układu katalitycznego.

Materiały powłoki katalitycznej obejmują nieorganiczne tlenki metali nieszlachetnych, takie jak tlenek glinu, tlenek krzemu, tlenek ceru, dwutlenek tytanu, tlenek cyrkonu, i zeolity.

Niektóre z nich są stosowane jako nośniki katalizatorów, inne dodaje się do powłoki katalitycznej jako promotory lub stabilizatory, jeszcze inne wykazują aktywność katalityczną.

Dobre materiały powłoki katalitycznej charakteryzują się wysoką stabilnością termiczną.

Powłokę katalityczną nakłada się monolit z zawiesiny na bazie wody.

Metale katalityczne ( szlachetne )

Katalizator (y) metali szlachetnych mogą być obecne w zawiesinie powłoki katalitycznej, albo też są stosowane w drugim etapie nazywanym impregnacją. Podczas impregnacji, powleczony powłoką katalityczną monolit jest zanurzony w roztworze wodnym zawierającym katalityczne prekursory. Podsuszony katalizator suszy się i kalcynuje do ostatecznej postaci. Podczas kalcynacji prekursory katalizatora rozkładają się tworząc ostateczny katalizator, zwykle metal lub tlenek metalu. Najpowszechniejszymi katalizatorami są metale z grupy platyny (PGM), takie jak sama platyna (Pt), pallad (Pd) i ród (Rh).

Mata ceramiczna

Owinięta jest wokół monolitu. Zapewnia izolację termiczną, ochronę przed wstrząsami mechanicznymi i drganiami pojazdu.