GPF در خودروهای بنزینی: برادر خاموش DPF در دیزل

در تقریباً هر خودروی بنزینی توربوشارژی که امروز فروخته می‌شود، یک فیلتر ذرات به‌آرامی کار می‌کند که بیشتر راننده‌ها هرگز از وجود آن خبر ندارند.
در تقریباً هر خودروی بنزینی توربوشارژی که امروز فروخته می‌شود، یک فیلتر ذرات به‌آرامی کار می‌کند که بیشتر راننده‌ها هرگز از وجود آن خبر ندارند.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

GPF سیستمی فیلتری است که دوده و ذرات ریز خروجی از اگزوز موتورهای بنزینی را بدون فرار به بیرون به دام می‌اندازد؛ نسخه‌ای سازگارشده با موتور بنزینی از فیلتر ذرات دیزلی (DPF) است و همراه با استاندارد یورو 6d به تجهیزات استاندارد بالفعل در خودروهای بنزینی با انژکسیون مستقیم تبدیل شده است. اگرچه به اندازه DPF در سمت دیزل شناخته شده نیست، اما امروزه در بیشتر خودروهای بنزینی توربوی موجود در بازار بی‌صدا کار می‌کند.

نکات برجسته

  • نخستین کاربرد در تولید انبوه 2014 در سال Mercedes-Benz S500 مشاهده شد.
  • محدودیت شمارش ذرات یورو 6c: 6×10¹¹ ذره/کیلومتر; محدودیت جرمی 0,0045 گرم/کیلومتر.
  • GPF معمولاً حدود 60 تا 80 درصد ذرات را به دام می‌اندازد؛ در فیلترهای نسل جدید این نرخ بیش از 95 درصد گزارش شده است.
  • بازسازی غیرفعال زمانی خودبه‌خود رخ می‌دهد که دمای اگزوز از حدود 600 درجه سانتی‌گراد فراتر رود.
  • برخلاف DPF، به دلیل تخلخل بیشتر GPF، خطر گرفتگی در استفاده روزانه به‌طور محسوسی کمتر است.

چرا GPF ضروری شد: مشکل ذرات در انژکسیون مستقیم

موتورهای بنزینی پس از دهه‌ها استفاده از معماری‌های انژکسیون قدیمی که به پورت‌های مکش پاشش می‌کردند، به انژکسیون مستقیم (GDI) روی آوردند که سوخت را مستقیماً و با فشار وارد سیلندر می‌کند. دلیل آن ساده است: مزیت مصرف سوخت و CO₂. اما هر انتخاب مهندسی بهایی دارد. زمان در دسترس سوخت برای مخلوط شدن با هوا درون سیلندر کوتاه می‌شود، نواحی موضعی غنی ایجاد می‌شود و این امر تعداد زیادی ذره ریز، یعنی دوده در رده PM2.5 تولید می‌کند. نتیجه‌ای طنزآمیز اما قابل اندازه‌گیری: موتورهای بنزینی جدید با انژکسیون مستقیم از نظر انتشار ذرات به رقیب دیزل‌های مدرن تبدیل شده بودند.

قانون‌گذاران این موضوع را بدون اندازه‌گیری نپذیرفتند. در اروپا خانواده یورو 6 و در چین China 6 برای نخستین بار محدودیت شمارش ذرات برای اگزوز بنزینی وضع کردند. محدودیت تعریف‌شده با یورو 6c در شرایط صدور گواهینامه به ازای هر کیلومتر 6×10¹¹ ذره; و محدودیت جرمی 0,0045 گرم/کیلومتر. پاسخ به این حد عددی با مبدل کاتالیستی ممکن نبود، زیرا مبدل گازها را پردازش می‌کند، نه ذرات جامد. راه‌حل، انتقال فناوری فیلتراسیون جریان دیواری که در سمت دیزل پیش‌تر اثبات شده بود به اگزوز بنزینی بود. بدین ترتیب GPF متولد شد.

GPF چگونه کار می‌کند: فناوری جریان دیواری به ارث‌رسیده از DPF

Benzinli egzoz dizelinkinden çok daha az kurum taşıdığı için GPF, filtrasyon veriminden ödün vermeden daha gözenekli ve hafif üretilebiliyor.

درون GPF، ساختاری لانه‌زنبوری (honeycomb) سرامیکی وجود دارد که انتهایشان به‌صورت متناوب مسدود شده است. هنگام عبور گاز از دیواره‌ها، ذرات درون باقی می‌مانند؛ به این فیلتراسیون جریان دیواری می‌گویند. ذرات با سه مکانیزم به دیواره می‌چسبند: ذرات بزرگ‌تر با برخورد به دیواره در مسیر جریان (برخورد)، ذرات متوسط با سایش روی سطح دیواره (به دام افتادن) و کوچک‌ترین‌ها از طریق حرکت مولکولی با پخش شدن به دیواره به دام می‌افتند. این سه با هم کار می‌کنند و دقیقاً همان مکانیزم موجود در DPF است.

تفاوت از جنس ماده و ریزساختار آغاز می‌شود. GPF کاملاً از سرامیک کوردیریت تولید می‌شود و ساختار دیواره‌ی آن به‌طور محسوسی متخلخل‌تر از DPF است. این دو نتیجه دارد: گاز راحت‌تر عبور می‌کند، یعنی فشار برگشتی کمتر است، و فیلتر سبک‌تر است. از آنجا که اگزوز بنزینی ذاتاً ذرات کربنی بسیار کمتری نسبت به اگزوز دیزلی حمل می‌کند، این تخلخل بدون قربانی کردن راندمان فیلتراسیون امکان‌پذیر است. فیلترها همچنین برای تحمل دمای بالای 1100 درجه سانتی‌گراد و مقاومت در برابر شوک حرارتی طراحی می‌شوند تا گرم شدن سریع در هوای سرد ممکن باشد. ذرات هدف PM2.5 و کوچک‌تر هستند؛ یعنی دقیقاً همان بخش ریز قابل استنشاق که در اگزوز بنزینی غالب است.

تفاوت‌های GPF و DPF: جدول مقایسه‌ای

پرسشی که رانندگان بیش از همه می‌پرسند این است: «مثل DPF دردسرساز است؟» پاسخ باید نه با یک اطمینان دلخواه، بلکه با تفاوت‌های قابل اندازه‌گیری دو سیستم داده شود. موتور دیزل به‌واسطه‌ی اصل کارش بسیار دوده‌ی بیشتری نسبت به موتور بنزینی تولید می‌کند؛ به همین دلیل DPF باید چرخه‌ی بازسازی مکررتر و تهاجمی‌تری را مدیریت کند. در GPF بار کمتر است و در نتیجه نیاز به مداخله نیز کمتر است.

ویژگیDPF (دیزلی)GPF (بنزینی)
تخلخل دیوارهمتراکم‌ترمتخلخل‌تر و سبک‌تر
راندمان فیلتراسیون85 تا 95 درصدمعمولاً 60 تا 80 درصد؛ در نسل جدید بالای 95 درصد
نوع بازسازیفعال مکرر + غیرفعالعمدتاً غیرفعال، نادر
دمای بازسازیحدود 600 درجه سانتی‌گراد و بالاترغیرفعال حدود 600 درجه؛ حدود 650 درجه برای سوزاندن دوده
خطر گرفتگیبالا، مشکل شناخته‌شدهکمتر؛ پروفایل پرخطر عمدتاً استفاده‌ی کوتاه درون‌شهری است
مداخله‌ی رانندهممکن است اغلب لازم باشدمعمولاً لازم نیست، سیستم به‌طور خودکار کار می‌کند

گستره‌ی وسیع در ردیف راندمان تصادفی نیست. GPF با افزایش کیلومتر و با تجمع لایه‌ی نازکی از خاکستر در دیواره‌هایش کارآمدتر می‌شود؛ مقدار بالای 95 درصد اعلام‌شده برای فیلتر نو و بازه‌ی 60 تا 80 درصد به‌عنوان میانگین طول عمر، حاصل نقاط اندازه‌گیری متفاوت هستند و تناقضی ندارند.

بازسازی: GPF چگونه خودش را تمیز می‌کند؟

سوزاندن دوده‌ی انباشته‌شده در فیلتر، یعنی بازسازی، در GPF عمدتاً به‌روش غیرفعال انجام می‌شود. هنگام قطع سوخت (deceleration fuel cut-off)، مثلاً وقتی پدال گاز را رها می‌کنید، اکسیژن وارد اگزوز می‌شود؛ وقتی دما از حدود 600 درجه سانتی‌گراد فراتر می‌رود، دوده به‌طور خودبه‌خودی اکسید و سوزانده می‌شود. چرخه‌های بازسازی فعال منظم مثل دیزل در موتور بنزینی نادر است، زیرا غنی‌سازی عمدی مخلوط و اجبار به افزایش دما خطر افزایش انتشار NOx را دارد.

با این حال ECU غیرفعال نمی‌ماند. حسگرهای فشار، اختلاف فشار روی فیلتر را پایش می‌کنند؛ در شرایط دور کم، تأخیر جزئی در جرقه (spark retard) اعمال می‌شود تا دمای اگزوز به‌اندازه‌ای که راننده متوجه نشود، حدود 50 درجه سانتی‌گراد افزایش‌پذیر است. بنابراین، کلیدی که بازتولید (رژنراسیون) را فعال می‌کند وجود ندارد، بلکه خود سیستم مدیریت موتور این کار را انجام می‌دهد. مشکل از نوعی استفاده آغاز می‌شود که هرگز فرصتی برای عملکرد این مکانیزم فراهم نمی‌کند: الگویی از سفرهای کوتاه ده-پانزده دقیقه‌ای که موتور هرگز به دمای کاری نمی‌رسد، باعث می‌شود تجمع ذرات سریع‌تر از بازتولید انجام شود. حتی در سرعت پایین گرم بودن موتور و یک مسیر متوسط منظم که حداقل 80 km/h در آن بتوان رانندگی کرد، شرایط کافی برای خودمحافظتی فیلتر را فراهم می‌کند.

گرفتگی، علائم خرابی و تشخیص آن

اینکه GPF کمتر از DPF گرفتگی می‌شود به معنای این نیست که هرگز گرفتگی پیدا نمی‌کند. خودروهای سواری کیلومتر کمتری می‌پیمایند و موتورهای بنزینی دوده کمتری تولید می‌کنند؛ این دو عامل GPF را در عمل به قطعه‌ای کم‌مشکل تبدیل می‌کند. اما سناریوهایی وجود دارد که در آنها تجمع ذرات بر بازتولید غلبه می‌کند: خودروهایی که فقط در مسافت‌های کوتاه استفاده می‌شوند، الگوی رفت‌وآمد شهری ترافیک سنگین با توقف‌وحرکت که اجازه گرم شدن صحیح موتور را نمی‌دهد و داده‌های نادرست ناشی از سنسورها مانند سنسور فشار اگزوز معیوب.

علائم شبیه به وضعیت DPF است:

  • روشن شدن چراغ هشدار فیلتر ذرات یا سیستم انتشار در صفحه کیلومتر.
  • افت محسوس عملکرد به دلیل فشار برگشتی بالا.
  • در موارد پیشرفته، ورود ECU به حالت محافظت از موتور، یعنی حالت ایمنی (limp mode).
  • کدهای مربوط به مدار فشار تفاضلی در دستگاه عیب‌یاب، برای مثال P2452.

در یک گرفتگی واقعی، مؤثرترین راه‌حل این است که فیلتر برداشته و با روش حرفه‌ای تمیز شود؛ خارج کردن GPF هم با مقررات انتشار هم‌سو نیست و هم اعتبار معاینه فنی را زیر سؤال می‌برد و اگرچه در دنیای تیونینگ بحث‌برانگیز است، یک گزینه قانونی نیست.

روغن، سوخت و معاینه فنی در خودروی دارای GPF: آنچه راننده باید بداند

چرا انتخاب روغن باید از نوع کم‌خاکستر (low SAPS) باشد

بخشی از روغن موتور به محفظه احتراق نفوذ می‌کند و به عنوان محصول احتراق، خاکستری بر دیواره‌های فیلتر رسوب می‌کند. این خاکستر با بازتولید نمی‌سوزد و به طور دائمی در فیلتر فضا اشغال می‌کند. به همین دلیل در خودروهای دارای GPF، استفاده از روغن‌های با خاکستر سولفاته کم، یعنی فرمولاسیون SAPS پایین، ضروری است. روغن‌های کم SAPS مدت‌ها با دیزل‌های دارای DPF مرتبط بودند؛ GPF این نیاز را به سمت موتورهای بنزینی نیز آورد. مشخصات روغن ILSAC GF-7 با کاهش حداکثر مجاز خاکستر سولفاته به 0.9% از نظر جرم، سازگاری با GPF را بهبود بخشید. نتیجه عملی ساده است: خارج نشدن از روغن تأییدشده با سطح خاکستر پایین که سازنده تعیین کرده، ارزان‌ترین بیمه عمر طولانی فیلتر است.

تأثیر بر مصرف سوخت و عملکرد

GPF مانند هر قطعه اضافی دیگر در اگزوز، مقداری فشار برگشتی ایجاد می‌کند؛ این می‌تواند راندمان موتور را اندکی کاهش و مصرف را افزایش دهد. با گذر زمان، تجمع دوده و خاکستر فشار برگشتی را بالا می‌برد و هر چرخه بازتولید نیز مصرف را به طور موقت افزایش می‌دهد. فعال‌شدن مکرر بازتولید در استفاده شهری به این معناست که این اثر در ترافیک شلوغ کمی محسوس‌تر خواهد بود. یک جریمه مرگبار نیست، اما قلم هزینه‌ای است که باید بدانید.

آیا در معاینه فنی اگزوز، GPF آزمایش می‌شود؟

خود GPF بند بازرسی جداگانه ای ندارد؛ در بازرسی، گازهای خروجی اگزوز طبق حدود کلی اندازه گیری می شود. با این حال، خودرویی که فیلتر آن معیوب، جدا شده یا به شدت مسدود شده باشد، چون بر مقادیر emissions و تست دود تاثیر می گذارد، ممکن است از بازرسی قبول نشود. بنابراین نگه داشتن فیلتر در سیستم و سالم نگه داشتن آن، نه فقط یک الزام زیست محیطی، بلکه یک الزام اداری نیز هست.

بعد از Euro 6d: GPF در جهان به کدام سو می رود؟

تست Euro 6d و RDE وابسته به آن (emissions رانندگی واقعی)، حد شمارش ذرات را دیگر خارج از آزمایشگاه و در جاده اندازه گیری می کند. پاسخ سازندگان به این آزمون صدور گواهی، GPF بود؛ تا سال 2018، بیشتر موتورهای بنزینی و تمام موتورهای انژکتوری مستقیم برای انطباق با استانداردهای Euro 6 به این فیلتر مجهز شده بودند. در سمت آمریکای شمالی وضعیت متفاوت پیش می رود: حد فدرالی برای شمارش ذرات وجود ندارد، اما استاندارد PM مبتنی بر جرم، GPF را اجتناب ناپذیر می کند و در بازار آمریکای شمالی فیلترها هم اکنون در حال رایج شدن هستند؛ مقررات اجرایی نیز در راه ارزیابی می شوند.

در نتیجه، GPF اگرچه در سایه DPF مانده، اما تجهیزی نیست که همان کار را انجام دهد؛ نسخه ای است که بر اساس شرایط خاص اگزوز بنزینی تعدیل شده و به همین دلیل در استفاده روزمره بسیار کمتر مشکل زاست. روغن مناسب، موتور گرم شده به طور منظم و هر از گاهی یک مسیر طولانی؛ از نظر مهندسی همین سه چیز است که سیستم می خواهد.

منابع