Filtr cząstek stałych silników benzynowych (GPF)

Filtr cząstek stałych silników benzynowych, skracany do GPF i nazywany czasem benzynowym filtrem cząstek stałych (PPF), to element układu wydechowego, który wychwytuje mikroskopijne cząstki sadzy wytwarzane przez nowoczesne silniki benzynowe. Jest on benzynowym odpowiednikiem filtra cząstek stałych montowanego w samochodach z silnikiem Diesla od wielu lat. Jego pojawienie się odzwierciedla pewną niewygodną prawdę o współczesnych jednostkach benzynowych: choć spalanie benzyny przez długi czas uchodziło za wolne od sadzy, przejście na wtrysk bezpośredni przywróciło problem cząstek stałych, który teraz trzeba kontrolować.

Potrzeba ta wynikła konkretnie z benzynowego wtrysku bezpośredniego. Gdy paliwo wtryskiwane jest prosto do komory spalania, a nie do kanału dolotowego, ma mniej czasu na równomierne wymieszanie z powietrzem, a część kropli spala się w lokalnie przebogaconych obszarach. To niepełne spalanie wytwarza drobną sadzę, w tym bardzo małe cząstki ultradrobne, budzące niepokój organów odpowiedzialnych za zdrowie. W miarę jak wtrysk bezpośredni upowszechniał się ze względu na korzyści dla sprawności i osiągów, silniki benzynowe zaczęły emitować takie liczby cząstek, jakich nie wytwarzały wcześniejsze jednostki z wtryskiem pośrednim, co wywołało reakcję prawodawcy.

Sam filtr ma strukturę plastra miodu, zwykle z kordierytu lub węglika krzemu, z dużą liczbą drobnych równoległych kanalików. Sąsiednie kanaliki są zaślepione na przeciwległych końcach, co zmusza spaliny do przenikania przez porowate ścianki kanałów. Ścianki przepuszczają gaz, lecz zatrzymują stałe cząstki sadzy, często osiągając ponad 90-procentowe ograniczenie liczby cząstek. Wychwycona sadza gromadzi się z czasem i musi być okresowo wypalana w procesie zwanym regeneracją.

Istotna przewaga GPF nad jego odpowiednikiem w silnikach Diesla dotyczy właśnie regeneracji. Silniki benzynowe pracują znacznie goręcej, a temperatury spalin często bywają na tyle wysokie, by wypalać nagromadzoną sadzę w sposób ciągły i bierny podczas zwykłej jazdy, więc filtr oczyszcza się sam, bez specjalnej ingerencji w większości warunków. Pozwala to uniknąć wielu kłopotów z regeneracją aktywną, znanych z filtrów w silnikach Diesla, gdzie krótkie, chłodne trasy mogą uniemożliwić filtrowi osiągnięcie temperatury potrzebnej do oczyszczenia, prowadząc do zatkania. GPF często bywa też zintegrowany w jednej obudowie z katalizatorem, aby zaoszczędzić miejsce i wykorzystać obecne tam już ciepło.

Filtry cząstek stałych silników benzynowych upowszechniły się od etapu Euro 6d europejskich norm emisji, gdy do samochodów benzynowych zastosowano surowsze limity liczby cząstek, by zrównać je z silnikami wysokoprężnymi. W codziennym użytkowaniu są w dużej mierze bezobsługowe, choć jak każde zwężenie układu wydechowego powodują niewielki spadek przepływu, a uszkodzony lub zanieczyszczony filtr może z czasem wymagać wymiany.

GPF należy do rodziny układów oczyszczania spalin i najlepiej rozumieć go przez porównania i powiązania. Jest bezpośrednim odpowiednikiem filtra cząstek stałych z silnika Diesla, istnieje głównie po to, by zapanować nad sadzą z wtrysku bezpośredniego, współpracuje z katalizatorem zajmującym się zanieczyszczeniami gazowymi i upowszechnił się za sprawą normy emisji Euro 6.