22 let na trhu autoopravárenství

Filtr částic: I pro vaše zdraví

Pokračování článku najdete v časopisu AutoEXPERT 12/2019

<prosim razitko Téma měsíce>

 

<cervena>

 

Na aktuální téma

Emisní systémy

 

Text: Michal Vojtíšek

Foto: autor a IHR-technika

 

Filtr částic: I pro vaše zdraví

 

Většina naftových motorů vyrobená v tomto desetiletí má filtr částic. Ten obvykle pracuje bezchybně a téměř o něm nevíme. U menšího počtu se vyskytnou závady, které motoristé řeší různými způsoby. Vytloukání filtru by ale nemělo být jedním z nich. Nejnovější informace podložené reálnými měřeními přináší v tomto článku doc. Michal Vojtíšek, M.S., Ph.D., z Centra udržitelné mobility při Strojní fakultě ČVUT v Praze.

 

Při vysokoteplotních procesech, jako je i ten ve spalovacím motoru, vznikají dvě skupiny látek, které nejsou zrovna prospěšné našemu zdraví. Tou horší jsou nanočástice, v případě spalování uhlíkatých paliv uhlíkaté, o něco méně špatnou pak oxidy dusíku, známé jako NOx.

 

Útok z výfuku na naše zdraví

Proti nanočásticím nemá náš organismus obranné mechanismy. Nevidíme je, nezachytí se nám v nose jako hrubý prach, naopak se s vysokou účinností zachycují v plicních sklípcích (tato účinnost je nejvyšší pro částice o průměru 10–20 nm, tedy ani ne tisícina průměru lidského vlasu), pronikají do krevního oběhu, usazují se v těle, a v nich obsažené rakovinotvorné a mutagenní látky působí škodu nejen v plicích, ale i v mozku, srdci, a dalších orgánech. Jedna z látek s nejvyšší mutagenitou (tedy schopností poškozovat genetickou informaci a vést k mutacím), která kdy byla zjištěna, 3-nitro-benzantron, byla nalezena ve výfukových plynech naftových motorů.

 

Cesty ke snižování emisí částic

Jsou na to dvě řešení. Buď radikálně omezit počet automobilů na silnicích, nebo radikálně snížit emise na vozidlo a ujetý kilometr. My inženýři se snažíme o to druhé. Ne vždy to funguje. Je však potřeba si uvědomit, že emisní limity jsou proto, aby se úměrně snížily emise v běžném provozu. Nelehká situace s částicemi z výfuků vozidel je i v Praze, jejichž koncentrace je třeba, zejména během smogových situací, snížit. Jako alternativu návrhu, že při smogových situacích by jeden den mohla jezdit jen auta s „lichými“ registračními značkami, a další den jen se „sudými“, jsem navrhl, aby z měst vykázali jen pět až deset procent automobilů, které ty emise mají nejvyšší, a dohromady přispívají k celkovým emisím částic celou polovinou. A nemusí čekat na smogovou situaci. Mohou je kontrolovat a hříšníkům odebírat technická osvědčení průběžně. Myslím, že je to férovější řešení pro všechny.

 

Technické řešení – DPF

Filtr částic je těleso z porézní keramiky, například karbidu křemíku, ze kterého se dělají brusné kotouče a smirkový papír. Je to voština s kanálky, zpravidla čtvercového průřezu, které jsou zaslepeny střídavě na jednom nebo na druhém konci, pohled připomíná šachovnici. Jednou sadou kanálků vchází výfukové plyny dovnitř, porézní stěnou prochází do jednoho ze sousedních kanálků, kterými vycházejí ven. Pod elektronovým mikroskopem vypadá stěna jako houba na mytí nádobí, ano, taková, jakou někteří vkládají do potrubí k opacimetru používanému ve stanicích měření emisí, aby vychytala část sazí a motorista tak dostal příznivější výsledek, místo aby byl vyhozen a musel si motor nechat opravit, v horším případě sešrotovat. Póry nejsou menší než částice, ale zhruba stokrát, tisíckrát větší. Částice se nezachytávají jen v nich. Na povrchu stěny se začne tvořit vrstva částic, které jsou tak jemné, že fungují jako prakticky absolutní filtr, kterým nic neprojde. Asi jako když sněží na mříž kanálu. Po většinu doby jízdy jsou tak koncentrace částic ve výfukových plynech nižší než v okolním ovzduší. Dalo by se tak říci, že auta čistí vzduch. Sečteno za celý vozový park a celou dobu provozu tomu tak samozřejmě není. Když je filtr regenerován, lidově řečeno vypalován, a nějakou dobu poté jsou emise částic výrazně vyšší, stále ale ještě ne tolik, jako kdyby motor žádný filtr neměl, ale dost na to, aby již neplatilo, že auto čistí vzduch.

 

Jak to funguje

Většinu hmoty částic tvoří elementární uhlík, černé saze, ty pod mikroskopem připomínají shluky sněhových vloček, a různé polotěkavé organické látky, můžete si je představit jako kapičky oleje a asfaltu. Saze běžně shoří při teplotě kolem šesti set stupňů, případně nižší, pokud je k dispozici oxid dusičitý nebo pokud je k dispozici nějaký katalyzátor. Ten je buď nanesen na povrchu filtru, nebo je obsažen v částicích samotných, kam se dostane tím, že se do paliva přidávají organokovové sloučeniny například železa nebo ceru, jejichž spálením vznikají velmi malé částice oxidů kovů, a ty dokážou spalovat saze při teplotách již kolem čtyř set stupňů. Oxid dusičitý lze vyprodukovat z oxidu dusnatého v oxidačním katalyzátoru, což větší část naftových motorů dělá. Nejlevnějším způsobem z hlediska výrobních nákladů je ohřívat filtr během regenerace palivem, které je vstříknuto relativně pozdě během expanze, tudíž větší než malá část skončí v motorovém oleji a dohořívá v oxidačním katalyzátoru. Ne všechny částice jsou spalitelné, například kovové částice z otěrů motoru, minerální látky jako například krystalky soli hojně rozsypávané po silnicích v zimě, a popel z paliva a oleje, proto v naftě popel být prakticky nesmí, obecně, a oleje musí být s nízkým obsahem popela.

 

Je fér vytloukání filtrů částic?

Nespalitelné částice se hromadí ve filtru a je třeba je průběžně odstraňovat. Zabírají místo a filtr pak pracuje s vyšší tlakovou ztrátou, tím i vyšší spotřebou paliva a má menší kapacitu, takže je třeba jej regenerovat častěji. Někteří výrobci to řeší tím, že částice postupně procházejí póry filtru a ty nespalitelné odejdou výfukem. Jiní to řeší tak, že filtr lze snadno vyjmout, vyčistit, a vrátit. Někteří to neřeší vůbec a pro jistotu oxidační katalyzátor, filtr a další dodávají jako nerozebíratelný celek. Tam doporučuji těm, kdo na nový celek nemají, sestavu opatrně rozříznout (mezi oxidačním katalyzátorem a filtrem částic je mezera, ta se dá přinejhorším najít například rentgenem, ať již na skenování zavazadel, nemocničním, nebo veterinárním), filtr vyčistit a ještě opatrněji zase svařit. Vyžaduje to určitou zručnost, ale to u moderních motorů vyžaduje více úkonů, jako například výměna trysek u vstřikovačů. Je to stále lepší než filtr vytloukat nebo provrtávat (a vysvětlovat rakouské policii, že se vám asi filtr zrovna teď musel nějak sám zničehonic vysypat, čemuž lze těžko uvěřit v případě, že jsou ve filtru pravidelné válcovité díry). Samotné čištění se provádí v přístrojích, kde je filtr hermeticky uzavřen, aby částice nelétaly po dílně. Zde připomínám, že ty nejhorší pro lidské zdraví jsou ty, co jsou tak malé, že nejsou okem vidět. Přístroj filtr vyfouká vzduchem, a je-li stále zanesený, vypálí jej v peci. Používání tlakové vody a manuální čištění nástroji, nejde-li o precizně konstruované a seřízené speciální zařízení, nedoporučuji, filtr je poměrně křehký. Většinou po vyčištění má filtr podobné vlastnosti jako nový. V malém procentu případů je filtr zanesen beznadějně, například částice jsou v pórech rozteklé jako sýr ve špagetách, a je nutné těleso dát nové.

 

Příčina selhání filtru bývá jinde

Při selhání filtru částic je namístě klást si otázku, proč k němu došlo. Příčin může být několik. Motor může být nadměrně opotřebený, může spalovat větší množství oleje, vstřikovače mohou být zanesené, netěsné nebo nesprávně seřízené, nespalitelné částice mohou vzniknout použitím paliva nebo oleje jiných než předepsaných vlastností (použitý fritovací olej, hydraulické oleje a podobné prosím spalovat v motorech, které taková i daleko horší paliva dokážou spalovat bez následků, například hlavní motory zaoceánských lodí). Motor může být také nesprávně seřízen, například neuváženým přeprogramováním řídicí jednotky, kdy se vyššího výkonu motoru dosáhne zvýšením dávky paliva bez většího ohledu na to, kolik z „přidaného“ paliva skutečně shoří, praktika, kterou příliš nedoporučuji, zvláště pokud má motor vydržet více než několik závodů (závodní motory se vytříbeně a pečlivě ladí, což mám za opravdový „tuning“, to ale není záležitost za pár tisíc korun). Zde upozorňuji, že rezervy, které byly u starších motorů, jsou u nových motorů ve velké části případů víceméně rozebrány a využity například na dosažení vyššího výkonu z daného zdvihového objemu. Může být také deaktivovaný nebo nenávratně poškozený oxidační katalyzátor. Nafta, která se v něm má spálit, tak v různých formách putuje výfukem ven a k regeneraci nedojde. Oxidační katalyzátor je pak třeba vyměnit, samozřejmě i zde je namístě otázka, proč k poškození došlo.

 

Obecně vzato, zvýšené emise částic jsou jedním z prvních příznaků závady nebo opotřebení motoru a selhání filtru částic je zpravidla druhotným problémem, vzniklým až v důsledku prvotního problému s motorem. Tomu odpovídá i zjištění, že vozidla s nefunkčním filtrem částic mají v průměru vyšší emise částic než vozidla, jejichž motory z výroby filtr částic neměly.

 

Jednoduchá detekce nefunkčního filtru

S tím je spojena i otázka, jak vozidlo s nefunkčním filtrem částic odhalit. Dle našich měření v Praze jich před dvěma lety bylo mezi novějšími automobily necelých deset procent. Jedinou legislativně podloženou metodou je měření kouřivosti tak, jako se provádí ve stanicích měření emisí. Protože okem i kouřoměrem (opacimetrem) jsou pozorovatelné pouze shluky částic o průměru stovek a více nanometrů, může se motor s chybějícím filtrem „vejít“ do dnes již zastaralé „tolerance“ 0,5 v hodnotě absorpčního koeficientu, proto byl nově na motory vybavené filtrem aplikován nový limit 0,24. Měření počtu částic je v tomto případě přesnější a lze očekávat, že bude v dohledné době, tj. několika let, zavedeno. Prozatím se plánuje alespoň provádění kontrolních měření kouřivosti na silnici s tím, že ti, kdo se uchylují k provrtání, vytlučení nebo jiné formě narušení filtru, tak činí zpravidla proto, že na motoru je primární závada, která zvyšuje jeho emise a filtr se nadměrně zanáší. Motory s touto primární závadou by již měly být prokazatelné opacimetrem a v mnoha případech ostatně i pouhým okem. A těm, kdo se chtějí pouze přesvědčit, že jejich filtr částic tam je a je funkční, stačí prostý pohled do výfukového potrubí. Nánosy sazí poukazují na to, že filtr nefiltruje tak, jak má, zatímco u perfektně pracujícího filtru na vnitřku nánosy vidět nejsou a má stejnou kovovou barvu jako vnější strana.

 

Obr. 1: Nejhorších X % vozidel má Y% podíl na celkových emisích částic měřených dle celkové hmoty (PM, v mg na km) a počtu (PN, v částicích na km). Data: Jan Skácel a Michal Vojtíšek, ČVUT v Praze.

 

Obr. 2: Ze všech námi změřených vozidel v roce 2017 v Praze podél silnice (měřeno ve spolupráci s UAMK pro Magistrát hl. m. Prahy) měla třetina benzinové motory a dvě třetiny naftové motory, přibližně polovina naftových motorů byla kategorie Euro 5b nebo Euro 6. Z vozidel kategorie Euro 5b a Euro 6, vybavených z výroby filtry částic, jsme při měření v Praze zaznamenali, že necelých 10 % filtrů není funkčních. Vozidla s nefunkčním DPF (3 % vozidel celkem, cca 5 % vozidel s naftovými motory) se podílela 12 % na celkové hmotě a 55 % na celkovém počtu částic emitovaných všemi naftovými motory. Vozidla Euro 5b/6 s nefunkčním DPF tak mají v průměru vyšší emise částic než starší vozidla s naftovým motorem. Data: Jan Skácel a Michal Vojtíšek, ČVUT v Praze.

 

Obr 3: U kompletu oxidačního katalyzátoru s filtrem lze sestavu opatrně rozříznout, filtr vyčistit a ještě opatrněji zase svařit.

 

Obr 4: Těžko budete vysvětlovat rakouské policii, proč jsou ve filtru pravidelné válcovité díry.