GPF w samochodach benzynowych: Cichy brat DPF w dieslach

GPF to system filtracyjny, który wychwytuje drobną sadzę i cząstki stałe z wydechu silników benzynowych, nie pozwalając im wydostać się na zewnątrz; jest to adaptacja filtra cząstek stałych (DPF) do silników benzynowych i wraz z normą Euro 6d stała się faktycznie standardowym wyposażeniem benzynowych aut z wtryskiem bezpośrednim. Choć nie jest tak znany jak DPF po stronie dieselowej, cicho pracuje w większości turbo-benzynowych aut sprzedawanych obecnie.

Dlaczego GPF okazał się konieczny: Problem cząstek stałych przy wtrysku bezpośrednim

Silniki benzynowe od dziesięcioleci przeszły ze starszych architektur wtrysku, w których paliwo wtryskiwano do portów dolotowych, do wtrysku bezpośredniego (GDI), tłoczącego paliwo bezpośrednio do cylindra pod ciśnieniem. Powód jest prosty: oszczędność paliwa i przewaga w emisji CO₂. Ale każdy wybór inżynierski ma swoją cenę. Czas, jaki paliwo ma na odparowanie przed spalaniem wewnątrz cylindra, ulega skróceniu, powstają lokalne strefy wzbogacone, a to generuje dużą liczbę drobnych cząstek, czyli sadzę klasy PM2.5. Ironia losu, ale zmierzalny skutek: nowe silniki benzynowe z wtryskiem bezpośrednim zaczęły dorównywać pod względem emisji cząstek nowoczesnym dieslom.

Regulatorzy nie przeszli obok tego obojętnie. W Europie rodzina Euro 6, a w Chinach China 6 po raz pierwszy wprowadziły limit liczby cząstek dla wydechu benzynowego. Limit określony przez Euro 6c w warunkach certyfikacji wynosi 6×10¹¹ cząstek na kilometr; limit masy to natomiast 0,0045 g/km. Tego rodzaju limitu liczbowego nie dało się spełnić za pomocą katalizatora, bo katalizator przetwarza gazy, a nie cząstki stałe. Rozwiązaniem było przeniesienie technologii filtrowania ściankowego, już sprawdzonej po stronie dieselowej, do wydechu benzynowego. Tak narodził się GPF.

Jak działa GPF: Technologia ściankowa odziedziczona po DPF

Wewnątrz GPF znajduje się ceramiczna struktura plastra miodu (honeycomb), w której kanały są na przemian zatykane. Gdy gazy przechodzą przez ścianki, cząstki pozostają w środku; nazywa się to filtrowaniem ściankowym. Cząstki zatrzymywane są na ściankach trzema mechanizmami: większe cząstki uderzają w ściankę na kierunku przepływu (impakcja), średnie ocierają się o powierzchnię ścianki (intercepcja), a najmniejsze są wychwytywane, dyfundując na ściankę ruchem molekularnym. Wszystkie trzy działają razem i są dokładnie takie same jak w DPF.

Różnica zaczyna się na poziomie materiału i mikrostruktury. GPF jest produkowany w całości z ceramiki kordierytowej, a jego struktura ściankowa jest wyraźnie bardziej porowata niż w DPF. Ma to dwa skutki: gaz przechodzi łatwiej, czyli ciśnienie wsteczne jest niższe, a filtr jest lżejszy. Skoro spaliny benzynowe zawierają znacznie mniej cząstek węgla niż spaliny diesla, ta porowatość jest możliwa bez uszczerbku dla skuteczności filtracji. Filtry projektuje się również pod kątem odporności na szok termiczny, tak aby wytrzymywały temperatury powyżej 1100 °C i umożliwiały szybkie nagrzewanie w zimnej pogodzie. Docelowy zakres cząstek to PM2.5 i mniejsze; czyli dokładnie ta frakcja drobna, wdychalna, dominująca w spalinach benzynowych.

Różnice między GPF a DPF: Tabela porównawcza

To pytanie, które kierowcy zadają najczęściej: "Czy to przypadkiem nie to samo co DPF?" Odpowiedź trzeba dać nie za pomocą przypadkowych zapewnień, lecz na podstawie mierzalnych różnic między oboma systemami. Silnik diesla ze względu na zasadę działania wytwarza znacznie więcej sadzy niż silnik benzynowy; dlatego DPF musi zarządzać częstszym i bardziej agresywnym cyklem regeneracji. W GPF obciążenie jest niskie, więc potrzeba interwencji również jest niska.

Szeroki zakres w wierszu skuteczności nie jest przypadkiem. GPF staje się coraz skuteczniejszy wraz ze wzrostem przebiegu, gdy na ściankach osadza się lekka warstwa popiołu; wartość ponad 95% podawana dla nowego filtra i średnia z całego okresu eksploatacji w przedziale 60–80% to wyniki różnych punktów pomiarowych, a nie sprzeczność.

Regeneracja: Jak GPF czyści się sam?

Wypalanie sadzy nagromadzonej w filtrze, czyli regeneracja, w GPF odbywa się przede wszystkim w sposób pasywny. Podczas odcinania paliwa przy hamowaniu silnikiem (deceleration fuel cut-off), na przykład gdy zdjęjesz nogę z gazu, do układu wydechowego dostaje się tlen; gdy temperatura przekroczy około 600 °C, sadza samoczynnie się utlenia i wypala. Regularne aktywne cykle regeneracji jak w dieslu są w silnikach benzynowych rzadkie, ponieważ celowe wzbogacanie mieszanki i forsowanie temperatury niepotrzebnie podnosi emisję NOx.

Mimo to ECU nie pozostaje bierny. Czujniki ciśnienia monitorują różnicę ciśnienia na filtrze; przy niskich prędkościach można zastosować lekkie opóźnienie zapłonu (spark retard), podnosząc temperaturę spalin o około 50 °C w stopniu niezauważalnym dla kierowcy. To zatem nie przycisk ostrzegawczy uruchamia regenerację, lecz sama praca zarządzania silnikiem. Problem zaczyna się przy użytkowaniu, które nigdy nie daje temu mechanizmowi szansy na zadziałanie: profil składający się z krótkich piętnastominutowych tras, podczas których silnik nigdy nie osiąga temperatury roboczej, powoduje szybsze nagromadzenie osadów niż regeneracja. Regularna trasa średniej długości, podczas której silnik jest rozgrzany nawet przy niskiej prędkości i można jechać z prędkością około 80 km/h, zapewnia wystarczające warunki do samoobrony filtra.

Zatykanie, objawy awarii i diagnostyka

Mniejsze zatykanie się GPF niż DPF nie oznacza, że nie zatyka się wcale. Samochody osobowe przejeżdżają mniej kilometrów, a silniki benzynowe wytwarzają mniej sadzy; te dwa powody sprawiają, że GPF w praktyce nie jest problematycznym wyposażeniem. Istnieją jednak scenariusze, w których nagromadzenie przewyższa regenerację: pojazdy użytkowane wyłącznie na krótkich dystansach, miejski profil stop-and-go uniemożliwiający właściwe rozgrzanie silnika oraz błędne dane pochodzące od czujników, takie jak uszkodzony czujnik ciśnienia spalin.

Objawy przypominają obraz znany z DPF:

• kontrolka filtra cząstek stałych lub układu emisji na desce rozdzielczej.
• Wyraźny spadek osiągów związany z wysokim ciśnieniem wstecznym.
• Dlatego w pojazdach z GPF konieczne są oleje o niskiej zawartości siarczanowego popiołu, czyli o formule low SAPS.
• Kody w testerze diagnostycznym dotyczące obwodu czujnika ciśnienia różnicowego, na przykład P2452.

Przy rzeczywistym zatykaniu najskuteczniejszym rozwiązaniem jest demontaż filtra i profesjonalne czyszczenie; usunięcie GPF to rozwiązanie sprzeczne zarówno z przepisami dotyczącymi emisji, jak i z ważnością przeglądu technicznego i, choć bywa omawiane w świecie tuningu, nie jest opcją legalną.

Olej, paliwo i przegląd w pojeździe z GPF: co kierowca powinien wiedzieć

Dlaczego olej musi mieć niską zawartość popiołu (low SAPS)

Część oleju silnikowego przedostaje się do komory spalania, a produktem spalania jest popiół osadzający się na ściankach filtra. Tego popiołu nie da się spalić podczas regeneracji; trwale zajmuje miejsce w filtrze. Dlatego w pojazdach z GPF niezbędne są oleje o niskiej zawartości popiołów siarczanowych, czyli formuły low SAPS. Oleje low SAPS od dawna kojarzone były z dieslami wyposażonymi w DPF; GPF przeniósł to wymaganie na stronę benzynową. Aktualna specyfikacja olejów ILSAC GF-7 obniżyła maksymalny limit popiołu siarczanowego do 0,9% masowych, poprawiając kompatybilność z GPF. Praktyczny wniosek jest prosty: nierozstawanie się od zatwierdzonego przez producenta oleju o niskiej zawartości popiołu to najtańsze ubezpieczenie długiej żywotności filtra.

Wpływ na ekonomiczność paliwa i osiągi

Jak każdy dodatkowy element układu wydechowego, GPF tworzy pewien opór wsteczny; może to nieznacznie obniżyć sprawność silnika i zwiększyć zużycie paliwa. Z czasem nagromadzenie sadzy i popiołu podnosi ciśnienie wsteczne; każdy cykl regeneracji również tymczasowo zwiększa zużycie. Częstsze uruchamianie regeneracji w ruchu miejskim oznacza, że ten efekt będzie nieco bardziej widoczny w zatłoczonym ruchu. To nie jest karą śmiertelną, ale pozycją kosztową, o której warto wiedzieć.

Czy GPF jest badany podczas przeglądu układu wydechowego?

Dla samego GPF nie ma osobnej pozycji przeglądu; podczas przeglądu emisje spalin mierzone są według ogólnych limitów. Jednak pojazd z uszkodzonym, zdemontowanym lub mocno zatkany filtrem może nie przejść przeglądu, ponieważ wpłynie na wartości emisji i test CO. Pozostawienie filtra w układzie i dbanie o jego sprawność to zatem nie tylko wymóg środowiskowy, ale i administracyjny.

Po Euro 6d: dokąd zmierza GPF na świecie?

Euro 6d i powiązany z nim test RDE (emisje w rzeczywistych warunkach jazdy) sprawiły, że limity liczby cząstek stałych są teraz mierzone poza laboratorium, na drodze. Odpowiedzią producentów na ten egzamin certyfikacyjny był GPF; do 2018 roku większość silników benzynowych i wszystkie silniki z wtryskiem bezpośrednim zostały wyposażone w ten filtr, aby spełnić normy Euro 6. Po stronie Ameryki Północnej sytuacja wygląda inaczej: nie ma federalnego limitu liczby cząstek stałych, ale standard PM oparty na masie czyni GPF nieuniknionym, a na rynku Ameryki Północnej filtry są już powszechne; oczekuje się, że regulacje prawne również są w drodze.

Konsekwentnie rzecz biorąc, GPF to nie urządzenie, które pozostaje w cieniu DPF, ale robi to samo; to wersja złagodzona ze względu na warunki właściwe dla wydechu benzynowego, dlatego w codziennym użytkowaniu jest znacznie mniej problematyczna. Właściwy olej, regularne rozgrzewanie silnika i od czasu do czasu dłuższa trasa; to wszystko, czego inżyniersko wymaga ten system.

Źródła

• What is a Gasoline Particulate Filter (GPF)?
• Gasoline Particulate Filters - DieselNet
• GPF Regeneration – Diagnose, Test, and Repair with Confidence
• Impact of Gasoline Particulate Filters on Fuel Economy
• Gasoline particulate filter (GPF) - AECC Technical Summary
• Gasoline Particulate Filter - an overview
• Diesel Particulate Filter vs Gasoline Particulate Filter
• The Right Engine Oil for GPF equipped Vehicles
• Gasoline Particulate Filters - ScienceDirect
• Particle Number Emissions of a Euro 6d-Temp Gasoline Vehicle
• Gasoline Particulate Filters
• Answering Three Questions About Gasoline Particulate Filters
• GPF filter - how it works, common problems, maintenance
• GPF filter: what it is and how to maintain it
• All you need to know about the GPF