Het DPF roetfilter


Bij de verbranding van koolstof houdende brandstoffen ontstaat roet. Zichtbaar als grijzige tot zwarte rook. Dat is al jaar en dag zo en kan eigenlijk niet voorkomen worden. Roet ontstaat wanneer deze verbranding niet volledig is. Ook bij de verbranding van hout ontstaat roet. Niets ongewoons dus. Echter bij de verbranding van diesel is de roetvorming nog meer ongewenst omdat deze ongezond zou zijn vanwege de afmeting van de deeltjes. Zogenaamd fijnstof. 

Het scheikundige optimum voor de verbranding van diesel is wanneer er 14.5 kg lucht samen met 1 kg dieselbrandstof verbrand wordt. Alle deeltjes raken dan betrokken bij de verbranding en er blijft geen rest dus ook geen roet over. Echter om dat voor elkaar te krijgen moet de menging optimaal zijn. En dat lijkt een utopie te zijn. Motoren ontwikkelaars doen hun uiterste best om de diesel zo goed mogelijk met de beschikbare lucht te vermengen. Ook doen ze hun best de dieselbrandstof zo goed mogelijk te vernevelen. Alles om de vermenging zo moeiteloos mogelijk te laten verlopen. Het common rail principe heeft hier een grote bijdrage aan geleverd. Door de zeer fijne verstuiving van de brandstof door 7 minuscule gaatjes in de injector wordt de brandstof in zeer korte tijd (100-900 microseconde) onder hoge druk (300-1800 bar) in soms wel 5 fases tijdens de compressieslag ingespoten en zo vermengd met de aangezogen lucht. Ook worden er allerlei principes bedacht om de aangezogen lucht al wervelend de verbrandingskamer in te zuigen. De vorm van het inlaatkanaal en de zuiger zijn daarbij zeer belangrijk.

Ondanks alle inspanningen lukt het maar niet de roet en dus het fijnstof uit te bannen, daarom heeft men iets nieuws bedacht. Het zogenaamde roetfilter. Het roetfilter is een puur mechanisch filter welke door z’n structuur in staat is roetdeeltjes en fijnstof vast te houden terwijl de uitlaatgassen wel door kunnen stromen. Er bestaan diverse soorten roetfilters. Vanaf 2005 worden bij de merken van Fiat Auto S.P.A. de zogenaamde actieve roetfilters toegepast. Ook wel DPF genoemd. DPF staat voor Diesel Partikel Filter. Wij beperken ons in dit artikel tot dit type roetfilter. Het DPF is in staat de uitlaatgassen tot 99.9% te ontdoen van de vervuiling. Kortom, slechts 0.1% van de aanwezige roet voor het roetfilter bereikt het einde van de roetfilter.

Echter het roetfilter raakt op een gegeven moment verzadigd van roet en zal gereinigd moeten worden. Dit reinigen noemt men regenereren. Het regeneratieproces is een procedure welke door het motormanagement systeem zelf geregeld wordt. Daarvoor is een strategie ontwikkeld. Bij het regeneratieproces is het de bedoeling dat het roetfilter op een dusdanige temperatuur wordt gebracht dat de aanwezige roet alsnog wordt verbrand. Terloops willen we daarbij aangeven dat onduidelijk is hoe klein het fijnstof is dat dan de uitlaat verlaat….. Dit moet gebeuren bij een temperatuur tussen 600 en 750 graden. Deze hoge temperatuur wordt bewerkstelligd door tijdens het normale functioneren van de motor een kleine beetje dieselbrandstof tijdens de uitlaatslag te injecteren. Deze brandstof verbrand mee en doet de uitlaatgastemperaturen flink stijgen. Het roetfilter beschikt over 2 temperatuur sensoren. Eén voor het roetfilter en één in het roetfilter. Zo kan het motormanagement exact te gewenste temperatuur van het roetfilter regelen. Zo’n regeneratieproces duurt gemiddeld 10 minuten. Niet alleen de hoeveelheid extra in te spuiten brandstof wordt gebruikt om de roetfiltertemperatuur te regelen maar ook de hoeveelheid lucht. Dit gebeurd met een motorgestuurde gasklep.

Euro 4 DPF systeem bijvoorbeeld Alfa 159 .

1) Motormanagementcomputer
2) Luchtmassameter
3) Gasklepactuator
4) EGR klep
5) Injectoren
6) Turbo
7) Voor katalysator
8) Temperatuursensor vóór roetfilter
9) Motor
10) Drukverschilsensor
11) Centrale katalysator
12) Temperatuursensor in roetfilter
13) Roetfilter
14) Intercooler
15) EGR uitlaatgaskoeler

Hoe weet het motormanagementsysteem nu wanneer het roetfilter vervuild is? Het roetfilter beschikt naast de 2 temperatuursensoren ook over een drukverschilsensor. Deze meet de verschildruk over het filter. Het zou dus zeer aannemelijk zijn dat het systeem aan de hand van het drukverschil bepaald in welke mate het filter vervuild is Dat doet hij wel maar het gegeven wordt niet gebruikt om het regeneratieproces te starten. In het motormanagement is een algoritme gedefinieerd welke vooral afhankelijk is van toeren en belasting. Daarmee kan het systeem berekenen wanneer het filter verzadigd zal zijn.

Het roetfilter

1) Uitlaatgastoevoer
2) Roetfilter
3) Afvoer en gefilterd uitlaatgas
4) Meetpunt drukverschil
5) Uitlaatgastemperatuursensor

Via de diagnose apparatuur (Examiner) kan men diverse gegevens over het roetfilter en het regeneratieproces uitlezen. Aan de hand daarvan kan een goed geoefende diagnosetechnicus beoordelingen maken.

De regeneratiefrequentie hangt vooral af van de afmetingen van het roetfilter en het type motor. Een Alfa 159 1.9 JTDm 8v 115/120 pk doet het gemiddeld iedere 800-1200 km. Een Alfa 159 2.4 JTDm 20v 210 pk gemiddeld om de 350 km. Een MiTo 1.3 JTDm 16v 85 pk iedere 400 km. Ook zijn de rijomstandigheden erg bepalend. Veel stadsverkeer zal resulteren in vaker regenereren. Veel rustig gereden snelweg kilometers resulteert in minder vaak regenereren Helaas kan men niet goed zien wanneer dit regeneratieproces aan de gang is. Het enige aanknopingspunt is het feit dat het brandstofverbruik tijdens het regenereren 30-40% hoger is dan normaal. Een berijder die z’n auto goed kent zou het kunnen merken aan iets andere rijeigenschappen. De turbodruk reageert anders dan normaal en het uitlaatgeluid kan net iets anders zijn. Buiten de auto merkt men vooral de zeer hete uitlaatgassen op en soms een verbrande rubberlucht van de uitlaatrubbers of zelfs wat bodembescherming.

DPF systeem Euro 5 motoren bijvoorbeeld Giulietta

1) Motormanagementcomputer
2) Drukverschilsensor
3) Lambdasonde
4) Turbo
5) Luchtmassameter
6) Voorste katalysator
7) Uitlaatgastemperatuursensor
8) Roetfilter
9) Injectoren
10) EGR uitlaatgaskoeler
11) EGR klep
12) Gasklepactuator
13) Intercooler

Dat het starten van het regeneratieproces niet afhankelijk is van het drukverschil toont het volgende voorbeeld aan. Een Alfa 159 1.9 JTDm 8v gaf aan nog lang niet vervuild te zijn. Vervuiling roetfilter was slechts 56%. Maar het drukverschil stationair was al ruim 50 mBar. Het regeneratieproces werd niet gestart maar gaf wel een foutmelding over een verzadigd roetfilter. Een andere Alfa 159 1.9 TDm 8v was ruim over z’n moment van regenereren heen en gaf 120% aan. Maar was volgens het drukverschil, welke stationair onder de 10 mBar was, nog lang niet verzadigd. Echter de regeneratie werd steeds onbewust onderbroken door de bestuurder. Simpelweg omdat er te korte ritjes met de auto gemaakt werd. Uiteindelijk vond bij een wat langere rit toch een regeneratie plaats en geen foutmeldingen. In dit laatste geval kon men spreken van wat geluk. Wanneer een regeneratieproces namelijk 6 maal onderbroken wordt zal het motormanagement een foutmelding geven met de boodschap de dealer te bezoeken.

Deze dient dan een geforceerde regeneratie uit te voeren. Daarbij staat de auto stil en draait het motormanagement een speciaal programma waarbij de motor zo’n 8 minuten lang 3500 toeren draait. Dit is echter niet het complete geforceerde proces. Dit is iets wat heel veel dealers niet weten. Na een geforceerd regeneratieproces wordt “vervuiling roetfilter” namelijk op 70% gezet. Dicht bij het moment van nog een “geregelde regeneratie”. De geregelde regeneratie wordt namelijk uitgevoerd wanneer het roetfilter volgens berekening voor 80% vervuild is. Na een geregelde regeneratie is de beginwaarde meestal 10 of 15% afhankelijk van de motoruitvoering.

Bij de laatste generaties (Alfa Giulietta en MiTo) heeft men het probleem wat ontstaat na het voor de 6e onderbreken van het regeneratieproces ondervangen. Wanneer het systeem voor de 4e maal onderbroken is komt er een waarschuwing in beeld dat er door moet worden gereden tot het regeneratieproces voltooid is.

Er wordt in sommige schaarse documentatie over het regeneratieproces ook gesproken over een spontane regeneratie. Dit zou kunnen optreden bij langdurig hardrijden. De temperaturen in het roetfilter lopen dan vanzelf naar waarden boven 650 graden waarbij het roet direct verbrandt.

Zoals gezegd voert Fiat Auto S.P.A. vanaf 2005 actieve roetfilters. Voor ons was het in het begin uiteraard even spannend om te zien hoe onze chiptuning met dit roetfilter en het regeneratieproces om zou gaan. Uiteraard was het daarbij zeer belangrijk vooraf te begrijpen hoe het geheel werkte. In het begin was er maar weinig over bekend en werd er weinig documentatie over uitgegeven. Veel hebben we vanuit de praktijk moeten ontdekken. Later verscheen er meer waardevolle informatie. Tot nu toe (2011) hebben we zeer veel JTDm modellen met roetfilter voorbij zien komen en kunnen daardoor intussen uit een ruime ervaring putten met betrekking tot wat normaal en wat niet normaal is en wat voor kan komen. Het belangrijkste voor ons is dat onze chiptuning het proces en de algoritme voor de bepaling van het regeneratiemoment niet in de war zou brengen. Hier kun je alleen maar achterkomen door getunde auto’s in de gaten te blijven houden. Dat hebben we gedaan en alles bleek uitstekend te verlopen. Maar uiteraard komen er altijd wel eens problemen voor.

Met het stijgen van de leeftijd van de auto's met DPF roetfilter worden steeds meer problemen met het roetfilter vermeld. Meestal ontstaan de problemen wanneer er meer roet geproduceerd wordt dan dat het systeem verwacht. Oftewel het algoritme raakt van slag. Dat kan komen door een storing van buitenaf. Bijvoorbeeld een slecht werkende EGR klep. Er wordt dan meer roet gevormd en het filter raakt eerder verstopt dan het systeem rekening mee houdt. Het kan ook komen door foute tuning of door een powerbox. Dan wordt er meer brandstof ingespoten dan het systeem denkt en er is dus ook meer roetvorming. Een ander vaker voorkomend probleem is als het regeneratieproces vaker achter elkaar onderbroken wordt. Dan is er feitelijk geen technisch probleem. Toch denken wij dat vele denken dat er een technisch probleem is. In theorie kan het ook mis gaan wanneer de werking van thermostaat van de motor verslechterd. De motortemperatuur zakt dan onder de 80 graden. Terwijl het systeem rekening houdt met 88 graden. Wij komen echter vaak defecte thermostaten tegen maar geen roetfilter problemen met deze zelfde auto’s. De luchtmassameter kan ook letterlijk roet in het eten gooien. Bij een afwijkende werking kan het zeker fout gaan. Echter in de praktijk komen wij dit niet tegen.

Aan roetfilterproblemen ligt dus meestal een andere oorzaak dan een defect roetfilter. Met het verwijderen van het roetfilter wordt wel het gevolg, maar niet de oorzaak van de klacht weggenomen. Helaas ontbreekt het veel bedirjven aan kennis om een goede diagnose te stellen.

Er wordt ons steeds vaker gevraagd of het roetfilter ook verwijderd kan worden. Dat kan maar het motormanagement systeem zal fouten geven. Ook daar is weer een oplossing voor. In chiptuningsland zijn er bedrijven/aanbieders die zich bezig hebben gehouden software te ontwikkelen om deze foutmeldingen te voorkomen. Die aanpassing kan dan opgenomen worden in de getunde software. Wij kunnen deze modificatie ook uitvoeren, echter zijn wij hier geen voorstander van. Behalve dat de auto weer zichtbaar zal gaan roeten en weer als een diesel gaat stinken vinden wij het een stap te ver gaan. Het filter verlaagd de uitstoot van fijnstof dusdanig veel dat we het ethisch niet verantwoord vinden het weg te laten. Ook kunnen in de toekomst problemen ontstaan bij de APK. Vermoedelijk zullen de APK eisen in 2016/2017 veranderen. Op dit moment voert TNO in samenwerking met de RDW iov het ministerie Infrastructuur en Milieu een onderzoek uit. Zij heeft de 2e kamer hierover geïnfomeerd met deze brief.

Tenslotte is er één speciaal geval aan de hand welke betrekking heeft op het regenereren in samenhang met de EGR klep. Met name de 2.4 JTDm 20v blijkt daar erg gevoelig voor te zijn. Als gevolg van overmatige roetvorming tijdens het rijden vervuilen de uitlaatkleppen dusdanig dat tijdens het regenereren de motorprestaties  worden beïnvloed. Tijdens het regeneren begint de motor  hevig te schokken. Meestal gaat dit ook gepaard met een slechte koude start in de vorm van slecht lopen na de koude start. Er slaat dusdanig veel roet op de klepstelen neer dat de kleppen niet meer 100% afsluiten waardoor er compressieverlies optreed.
We kunnen het slecht presteren tijdens regenereren in 95% van de gevallen verhelpen door de EGR klep geheel buiten werking te stellen. Er vind dan minder roetvorming plaats en de verbrandingstemperatuur neemt in deellast toe waardoor de uitlaatkleppen beter schoon branden. De fabriek moet het probleem ook hebben erkent aangezien men vanaf productie 15 mei 2008 anders gevormde uitlaatkleppen met tevens een speciale coating monteert.