Išmetamųjų dujų valymo sistemos. Kas tai yra DPF, FAP, GDP, EGR ?

Išmetamųjų dujų emisijos normos kelia daug ginčų, nes automobilių pramonės koncernus tai verčia prisitaikyti prie naujų reikalavimų, o tai reiškia didžiules papildomas išlaidas. Ši našta perkeliama ir vartotojams: jie turi mokėti aukštesnes kainas už naujus automobilius. Be abejo, yra ir kita medalio pusė: vidaus degimo variklių išmetamos dujos turi neigiamą poveikį aplinkai bei žmonių sveikatai. Europos Sąjungos teisės aktai riboja toksiškiausių dujų, tokių kaip azoto oksidai (NOx), angliavandeniliai (HC), anglies oksidai (CO) ir kietosios dalelės (PM), emisiją. Kokią įtaką aplinkai turi išmetamosios dujos? Už maždaug 32 proc. azoto oksidų emisijos atsakingas būtent kelių transportas. Būtent dėl to jau daugelį metų išmetamųjų dujų valymas – vienas didžiausių iššūkių automobilių pramonei.

Išmetamųjų dujų valymo sistemos šiuolaikiškuose automobiliuose

Kas tai yra išmetamųjų dujų valymo sistema? Taip vadinamos mechaninių transporto priemonių sistemos, mažinančios kenksmingų medžiagų, kurios yra šalutinis degalų deginimo proceso produktas, emisiją į atmosferą. Pats valymo procesas yra pagrįstas šių kenksmingų medžiagų pavertimu neutraliomis. Taip neutralizuoti galima kataliziniu arba cheminiu būdu.

Poreikis mažinti automobilių išmetamųjų dujų kiekį buvo pastebėtas jau prieš daugelį metų. NOx, HC ir CO kiekiai yra veiksmingai mažinami nuo 1990-ųjų metų, kai buvo pradėti naudoti katalizatoriai. Kiek vėliau atsirado išmetamųjų dujų recirkuliacijos vožtuvai ir kietųjų dalelių filtrai. Išmetimo sistemose turėjo įvykti daug pokyčių, o vis modifikuojami ribojimai reikalavo naujų sprendimų.

ES išmetamųjų dujų emisijos normos

Europos teisės aktai, nustatantys išmetamųjų teršalų emisijos normas, yra taikomi naujiems automobiliams, parduodamiems ES ir Europos ekonominėje erdvėje. Jos yra skirtingos įvairioms transportų priemonių rūšims. Transporto priemonėms taikomos šios normos:

„Euro 1“ – nuo 1992 m.; skirta lengviesiems automobiliams ir lengviems sunkvežimiams;
„Euro 2“ – nuo 1997 m.; praplėtė ribojimus dviratėms ir triratėms transporto priemonėms su vidaus degimo varikliais;
„Euro 3“ – nuo 2001 m.; nevienodai taikoma benzininiams ir dyzeliniams varikliams (dyzeliniai buvo vertinami švelniau azoto oksidų atžvilgiu, bet griežčiau anglies oksido atžvilgiu);
„Euro 4“ – nuo 2004 m.; įvestos lengvatos kietųjų dalelių išmetimui iš benzininių variklių;
„Euro 5“ – nuo 2011 m.; atsirado prievolė montuoti kietųjų dalelių filtrus automobiliuose su dyzeliniais varikliais;
„Euro 6“ – nuo 2014 m.; pagal ją lengvosios transporto priemonės negali išmesti daugiau nei 400 mg/kWh azoto oksidų ir 10 mg/kWh kietųjų dalelių;
„Euro 6D“ – nuo 2021 m.; įpareigojo gamintojus, kad jų automobilių modeliuose, naudojamuose ES teritorijoje, vidutinė anglies dioksido emisija neviršytų 95 g/km vertės.

Šiuo metu aktuali norma „Euro 6D“ taip pat įpareigojo gamintojus atlikti kelių testus, nes paaiškėjo, kad laboratoriniai tyrimų rezultatai parodė net dvigubai mažesnę anglies oksido emisiją nei kasdienės eksploatacijos metu. Taip pat atsirado nauji kietųjų dalelių emisijos matavimo metodai. Nuo 2025 m. turi įsigalioti nauja norma „Euro 7“. Prognozuojama, kad ribojimai bus dar griežtesni.

Išmetimo sistemos sandara

Toksinių junginių pašalinimas iš išmetamųjų dujų – viena pagrindinių išmetimo sistemos funkcijų. Todėl kartu su naujų normų „Euro“ įvedimu prireikė ir šiuolaikiškų išmetamųjų dujų valymo sistemų.

Taigi, kaip atrodo šiuolaikiško automobilio išmetimo sistema? Pagrindiniai jos elementai:

išmetimo kolektorius (surenka išmetamas dujas ir nukreipia į išmetimo vamzdį);
duslintuvai (priekinis, vidurinis ir galinis);
katalizatorius (katalizinis keitiklis);
trišakis (pagreitina dujų išmetimą iš V tipo variklių);
išmetamųjų dujų recirkuliacijos vožtuvas EGR;
kietųjų dalelių filtras;
išmetimo vamzdis ir jungiantieji vamzdžiai.

Elementų išdėstymas ir rūšis skiriasi priklausomai nuo automobilio modelio, variklio tipo, taip pat gamintojo taikomų sprendimų.

EGR, arba išmetamųjų dujų recirkuliacijos vožtuvas

Pagrindinė išmetamųjų dujų recirkuliacijos vožtuvo (Exhaust Gas Recirculation), arba EGR, funkcija yra mažinti azoto dioksidų (NOx) emisiją. Kaip tai įmanoma? Azotas įeina į benzino ir dyzelino sudėtį, taip pat patenka į variklio kameras kartu su įsiurbiamu oru. Dėl aukštos temperatūros ir slėgio cilindruose azotas reaguoja su deguonimi ir sudaro azoto oksidus. EGR vožtuvas sumažina temperatūrą ir tiekiamo deguonies kiekį, todėl susidaro mažiau azoto oksidų NOx (skirtumas gali siekti net 60 proc.).

EGR veikia tik tuomet, kai yra tam tinkamos sąlygos, o variklis veikia vidutinių sūkių diapazonu. Tuomet vožtuvas atgauna iš kolektoriaus dalį išmetamųjų dujų, praleidžia jas pro aušintuvą, o po to nukreipia į įsiurbimo kanalą. Į cilindrus patenka mažiau deguonies, o degimo procesas vyksta palankesnėmis sąlygomis.

Šalutinė EGR vožtuvo veikimo pasekmė – variklio galios sumažėjimas. Būtent dėl to vairuotojai nėra sužavėti šiuo sprendimu. Be to, šis vožtuvas yra brangus, dažnai genda ir gali užteršti sklendę ir įsiurbimo kolektorių. Išradingi automobilių savininkai rado būdą tai apeiti: sandarina vožtuvą, tačiau tai prieštarauja įstatymams. Išmetamųjų dujų recirkuliacijos vožtuvas yra privalomas automobilio elementas nuo normos „Euro 3“ įvedimo momento.

Kietųjų dalelių filtrai: DPF, FAP ir GPF

Masinė kietųjų dalelių filtrų gamyba dyzeliniams varikliams prasidėjo įvedus normą „Euro 4“. Automobiliams su benzininiais varikliais gana ilgai nebuvo tokios prievolės: tik 2018 m. ES nurodė gamintojams montuoti filtrus kiekviename naujame automobilyje. Dėl ko taip vėlai? Degimo temperatūra benzininiuose varikliuose yra gerokai aukštesnė, todėl susidaro mažiau kietųjų dalelių.

Filtro vaidmuo – neutralizuoti šalutinius degalų degimo produktus. Jis yra cilindro formos ir montuojamas išmetimo vamzdyje. Jo viduje yra keraminė struktūra su labai plonais kanalais, pagamintais iš silicio karbido. Kiekvieno jų vienas galas yra užkimštas (iš išmetimo arba įsiurbimo pusės). Kanalų sienelėse yra mikroskopinės kiaurymės, pro kurias prasiskverbia išmetamos dujos, bet sulaikomi suodžiai.

Kietųjų dalelių filtrai buvo naudojami daugelio gamintojų dar prieš ES reikalavimą juos montuoti (pvz., „Mercedes“, S klasės). Filtro rūšis priklauso nuo variklio tipo.

Dyzeliniai varikliai: DPF ir FAP

Koncernai, gaminantys automobilius su dyzelinais varikliais, naudoja dviejų tipų kietųjų dalelių filtrus:

sausuosius DPF (diesel particulate filter);
šlapiuosius FAP (filtre à particules).

Abiejų tipų filtrų veikimo principas yra vienodas: jie privalo išvalyti išmetamas dujas, kad jose neliktų suodžių dalelių, anglies, metalų oksidų, nitratų ir angliavandenilių. Dažniau naudojami DPF filtrai. Šią technologiją sukūrė prancūzų koncerno PAS inžinieriai, todėl pirmiausia ji buvo naudojama „Peugeot“ ir „Citroën“ automobiliuose. Šiuo metu juos taip pat naudoja „Ford“, „Volvo“ ir „Renault“.

Kuo skiriasi dyzeliuose naudojami filtrai? DPF yra pagamintas iš porėtos struktūros keraminės medžiagos, kuri sulaiko teršalus, o FAP turi papildomą elementą: bakelį su kataliziniu skysčiu, kuris įpurškiamas į filtro vidų. Kiekviena filtravimo rūšis turi užtikrinti savaiminio išsivalymo galimybę, t. y. suodžių išdeginimą. Šlapiuosiuose filtruose dėl naudojamo skysčio suodžių savaiminio užsiliepsnojimo temperatūra yra sumažinama nuo 600 iki maždaug 450 °C (DPF atveju tai 550°C). Skysčio lygis turi būti reguliariai papildomas kas 80–240 kilometrų (priklausomai nuo automobilio modelio). Efektyvumo tyrimai rodo nedidelę FAF technologijos persvarą. Šlapieji filtrai sugeba sulaikyti iki 99,7 proc. teršalų, o DPF – iki 95 proc.

Benzininiai varikliai: GPF

Kietųjų dalelių filtrai benzininiuose varikliuose yra vadinami GPF (Gasoline Particulate Filter). Panašiai kaip ir dyzelinių variklių, jų funkcija yra sulaikyti suodžius. Įdomu tai, kad benzininiuose varikliuose per daug suodžių pradėjo susidaryti kartu su tiesioginio įpurškimo sistemų įvedimu. Tradicinio įpurškimo atveju tai nebuvo pastebima, todėl ES teisės aktai nereikalavo montuoti kietųjų dalelių filtrus.

Pagrindinis skirtumas tarp filtrų, naudojamų dyzeliniuose ir benzininiuose varikliuose, yra degalų degimo metu generuojamų kenksmingų teršalų kiekis. Benzininiuose varikliuose šis procesas vyksta aukštesnėje temperatūroje, todėl daugiau kietųjų dalelių sudeginama natūraliai.

Benzininių automobilių atveju suodžių išdeginimo sąlygos yra palankesnės, o filtro savaiminės regeneracijos procesas paprastesnis. Dyzeliniuose varikliuose tam reikia pakelti degimo temperatūrą didinant tiekiamų degalų dozes. Benzininiams varikliams to nereikia, o suodžiams išdeginti pakanka keliasdešimties minučių važiavimo miesto sąlygomis.

Kokių problemų gali kelti filtrai DPF, FAP ir GPF?

Anot gamintojų, dyzelinių variklių kietųjų dalelių filtrai gali pasiekti net 150 tūkst. km ridą, tačiau filtras gali užsikimšti kur kas anksčiau. Dažniausiai tai nutinka dėl automobilio eksploatacijos vien trumpais atstumais (variklis neįkaista iki darbinės temperatūros ir išskiria daugiau suodžių) arba dėl netinkamos variklio alyvos naudojimo. Teoriškai ši problema nėra būdinga GPF filtrams, kuriuose išdeginimas vyksta paprasčiau. O kaip tai atrodo iš tikrųjų?

„Automobilį eksploatuojant vien trumpais atstumais filtras gali užsikimšti ir benzininiuose varikliuose. Jo užsikimšimas turi įtakos kietųjų dalelių sulaikymo gebėjimui, ir tai visiškai natūralus dalykas. Pats filtro užsikimšimas dar nereiškia, kad jis turi būti keičiamas. Jei savaiminis išvalymas neduoda efekto, galima sukelti suodžių išdeginimą prijungus automobilį prie diagnostikos kompiuterio. Kitas būdas – tai hidrodinaminis valymas, t. y. filtro regeneracija, atliekama automobilių servise. Jei ir tai neduoda rezultato, tuomet būtina pakeisti filtrą. Jų kainos yra gana aukštos, todėl kai kurie vairuotojai nusprendžia pašalinti filtrą“, – įspėja ekspertas iš „Inter Cars“.

Išmetamųjų dujų valymo sistemoms reikia dėmesio. Ką siūlo „Inter Cars“?

Šiuolaikiškos išmetamųjų dujų valymo sistemos turi didelę reikšmę aplinkos apsaugai. Tuo pat metu jos kelia vairuotojams naujų rūpesčių, susijusių su šių sistemų regeneracija, remontu arba keitimu. Lankytis automobilių servisuose prireiks rečiau ir tai kainuos pigiau, jei tinkamai pasirūpinsite visais išmetimo sistemos elementais. Pavyzdžiui, EGR atveju būtina reguliariai valyti vožtuvą, o štai kietųjų dalelių filtrai ilgiau atliks savo funkcijas, jei naudosite tinkamas, mažai pelenų turinčias alyvas.

Išmetamųjų dujų valymo sistemos rūpinasi aplinkos švara

Automobilių išmetamų teršalų lygio ribojimas yra vis sudėtingesnis ir brangesnis. Dėl nuolatinio normų atnaujinimo ir griežtinimo automobilių gamintojai priversti kurti naujas modifikacijas. Išmetamųjų dujų valymo sistemos reikalauja iš automobilių savininkų didesnių eksploatacinių išlaidų. Tačiau pokyčiai yra neišvengiami, o vairuotojams telieka prie jų prisitaikyti.

Pagal europietišką klimato politiką taip pat priimtas nutarimas dėl vidaus degimo variklių ateities. Filtrai bei kitos techninės modifikacijos nebegali atitikti griežtų reikalavimų, todėl nuo 2035 m. nauji automobiliai, parduodami Europos Sąjungos teritorijoje, privalės turėti nulinę teršalų emisiją. Žinoma, naudoti automobiliai su vidaus degimo varikliais nedings iš rinkos, o jų eksploatacijai, panašiai kaip ir dabar, bus būtini išmetamųjų dujų teršalų valymo komponentai.