Сажевый фильтр, DPF, FAP – назначение, устройство, принцип действия, регенерация сажевого фильтра
На легковых автомобилях с дизельным двигателем в составе выпускной системы с 2000 года применяется сажевый фильтр. С введением норм Евро-5 в январе 2011 года применение сажевого фильтра на легковых автомобилях с дизельным двигателем является обязательным.
Дизельный сажевый фильтр (в английском варианте Diesel Particulate Filter, DPF, в французском варианте Filtre a Particules, FAP, в немецком варианте RubPartikelFilter, RPF) предназначен для снижения выброса сажевых частиц в атмосферу с отработавшими газами. Применения фильтра позволяет добиться снижения частиц сажи в отработавших газах до 99,9 %.
В дизельном двигателе сажа образуется при неполном сгорании топлива. Частицы сажи имеют размер от 10 нм до 1 мкм. Каждая частица состоит из углеродного ядра, с которым соединены углеводороды, оксиды металлов, сера и вода. Конкретный состав сажи определяется режимом работы двигателя и составом топлива.
В выпускной системе сажевый фильтр располагается за каталитическим нейтрализатором. В ряде конструкций сажевый фильтр объединен с каталитическим нейтрализатором окислительного типа и располагается сразу за выпускным коллектором там, где температура отработавших газов максимальна. Он называется сажевый фильтр с каталитическим покрытием.
Основным конструктивным элементом сажевого фильтра является матрица, которая изготавливается из керамики (карбида кремния). Матрица помещена в металлический корпус. Керамическая матрица имеет ячеистую структуру, состоящую из каналов малого сечения, попеременно закрытых с одной и с другой стороны. Боковые стенки каналов имеют пористую структуру и играют роль фильтра.
В сечении ячейки матрицы имеют квадратную форму. Более совершенными являются входные ячейки восьмиугольной формы. Они имеют большую площадь поверхности (по сравнению с выходными ячейками), пропускают больше отработавших газов и обеспечивают больший срок службы сажевого фильтра.
В работе сажевого фильтра различается два последовательных этапа: фильтрация и регенерация сажи. При фильтрации происходит захват частиц сажи и оседание их на стенках фильтра. Наибольшую сложность для задержания представляют частицы сажи малого размера (от 0,1 до 1 мкм). Их доля невелика (до 5%), но это самые опасные для человека выбросы. Современные сажевые фильтры задерживают и эти частицы.
Скопившиеся при фильтрации частицы сажи создают препятствие для отработавших газов, что приводит к снижению мощности двигателя. Поэтому периодически требуется очистка фильтра от накопившейся сажи или регенерация. Различают пассивную и активную регенерацию сажевого фильтра. В современных фильтрах используется, как правило, пассивная и активная регенерация.
Пассивная регенерация сажевого фильтра осуществляется за счет высокой температуры отработавших газов (порядка 600°С), которая достигается при работе двигателя с максимальной нагрузкой. Другим способом пассивной регенерации является добавление в топливо специальных присадок, которые обеспечивают сгорание сажи при более низкой температуре (450-500°С).
При определенных режимах работы двигателя (небольшая нагрузка, движение в городе и др.) наблюдается недостаточно высокая температура отработавших газов и пассивная регенерация происходить не может. В этом случае осуществляется активная (принудительная) регенерация сажевого фильтра.
Активная регенерация сажевого фильтра производится путем принудительного повышения температуры отработавших газов в течение определенного промежутка времени. Накопленная при этом сажа окисляется (сгорает). Различают несколько способов увеличения температуры отработавших газов при активной регенерации:
- поздний впрыск топлива;
- дополнительный впрыск топлива на такте выпуска;
- использование электрического нагревателя перед сажевым фильтром;
- впрыск порции топлива непосредственно перед сажевым фильтром;
- нагрев отработавших газов микроволнами.
Конструкция сажевого фильтра и систем, обеспечивающих его работу, постоянно совершенствуется.
В настоящее время наиболее востребован сажевый фильтр с каталитическим покрытием и сажевый фильтр с системой ввода присадок в топливо.
Сажевый фильтр с каталитическим покрытием
Сажевый фильтр с каталитическим покрытием применяется на автомобилях концерна Volkswagen и ряда других производителей. В работе сажевого фильтра с каталитическим покрытием различают активную и пассивную регенерацию.
При пассивной регенерации происходит непрерывное окисление сажи за счет действия катализатора (платины) и высокой температуры отработавших газов (350-500°С). Цепочка химических преобразований при пассивной регенерации имеет следующий вид:
- оксиды азота вступают в реакцию с кислородом в присутствии катализатора с образованием диоксида азота;
- диоксид азота вступает в реакцию с частицами сажи (углеродом) с образованием оксида азота и угарного газа;
- оксид азота и угарный газ вступают в реакцию с кислородом с образованием диоксида азота и углекислого газа.
Активная регенерация происходит при температуре 600-650°С, которая создается при помощи системы управления дизелем. Необходимость активной регенерации определяется на основании оценки пропускной способности сажевого фильтра, которая осуществляется с помощью следующих датчиков системы управления дизелем: расходомера воздуха; температуры отработавших газов до сажевого фильтра; температуры отработавших газов после сажевого фильтра; перепада давления в сажевом фильтре.
На основании электрических сигналов датчиков электронный блок управления производит дополнительный впрыск топлива в камеру сгорания, а также снижает подачу воздуха в двигатель и прекращает рециркуляцию отработавших газов. При этом температура отработавших газов поднимается до требуемой для рециркуляции величины.
Сажевый фильтр с системой ввода присадок в топливо
Сажевый фильтр с системой ввода присадок в топливо является разработкой концерна PSA (Peuqeot-Citroen).
Так как первопроходцами использования присадок для регенерации являются французы, за фильтром закрепилось название FAP-фильтр (от французского Filtre a Particules). Аналогичный подход реализован в сажевых фильтрах других автопроизводителей (Ford, Toyota).
В системе используется содержащая церий присадка, которая добавляется в топливо и обеспечивает сжигание сажи при более низкой температуре (450-500°С). Но и эта температура отработавших газов не всегда может быть достигнута, поэтому в системе периодически выполняется активная регенерация сажевого фильтра. Сажевый фильтр устанавливается, как правило, отдельно за каталитическим нейтрализатором.
Присадка хранится в отдельном бачке, емкостью 3-5 л, которой хватает на 80-120 тыс. км пробега (срок службы фильтра). Конструктивно бачок может находиться в топливном баке или вне его. Уровень присадки в бачке контролируется с помощью датчика поплавкового типа. В топливный бак присадка подается с помощью электрического насоса. Подача присадки осуществляется при каждой заправке топливного бака пропорционально заправляемому объему топлива.
Начало и продолжительность подачи присадки регулируется блоком управления двигателем (в некоторых конструкциях отдельным электронным блоком).
Побочным эффектом применения присадки является то, что при сгорании она оседает в виде золы на стенки фильтра и не выводится из него, что сокращает ресурс устройства. Срок службы современного сажевого фильтра составляет 120000 км пробега. Производители декларируют выпуск в ближайшее время фильтра с ресурсом 250000 км.
Ввиду высокой стоимости сажевые фильтры, выработавшие ресурс, автовладельцами, как правило, не заменяются, а удаляются с последующей перепрошивкой системы управления двигателем.
Как работает сажевый фильтр в автомобиле?
К современному транспортному средству предъявляется множество требований, среди которых выделяют соблюдение экологических норм и стандартов. На самом деле это очень важный вопрос, ведь загрязнение планеты, прежде всего, сказывается на нас самих. Специалисты автомобилестроения, которые пришли к осознанию данного факта, начали разрабатывать все новые и новые технологии очистки выхлопных газов, а в число орудий борьбы попал сажевый фильтр, устанавливающийся на дизельных моторах.
- Где находится и для чего нужен сажевый фильтр в автомобиле
- Причины появления сажи
- Устройство фильтра
- DPF сажевые фильтры закрытого типа
- FAP сажевые фильтр закрытого типа с функцией регенерации
- Регенерация сажевого фильтра
- Пассивная регенерация
- Активная регенерация
- Как ухаживать за сажевым фильтром
Где находится и для чего нужен сажевый фильтр в автомобиле
Нкоторые автолюбители понятия не имеют зачем нужен сажевый фильтр на дизеле, ведь даже учитывая, что это очень полезная деталь, незаменимой ее назвать нельзя. Прежде всего, следует разобраться в его назначении и особенностях. Так, сажевый фильтр разработан и используется в целях снижения выброса в атмосферу сажевых частиц, которые попадают в нее вместе с выхлопными газами. Использование такого барьера позволяет снизить количество вредных выбросов до 99,9%.
В основном, указанная деталь размещается за каталитическим нейтрализатором, но возможны и другие схемы размещения: перед каталитическим нейтрализатором или в комбинированном порядке, когда сажевый фильтр объединен с каталитическим нейтрализатором (характерно для автомобилей, выпускающихся концерном Volkswagen) и располагается сразу за выпускным коллектором, то есть там, где температура отработанных газов достигает максимума.
Такая деталь носит название сажевого фильтра с каталитическим покрытием.Причины появления сажи
Считается, что «дизель» – самый «грязный» двигатель, но благодаря сажевому фильтру есть шанс изменить указанное мнение. Для того чтобы данная деталь успешно справлялась со своими обязанностями, для начала, нужно определить возможные причины появления большого количества сажи. Сажа (причем самая обычная) – это несгоревшие остатки углеводорода, которые при выходе из дизельного мотора приобретают достаточно опасную для здоровья человека форму.
Неполное сгорание топливно-воздушной смеси может являться результатом недостатка кислорода в камере сгорания, или избытка топлива. Наиболее типичным и ожидаемым основанием для нехватки воздуха выступает засорение воздушного фильтра, а вот причиной плохого наполнения цилиндров могут стать неправильно отрегулированные зазоры клапанов или сильный износ кулачков распределительного вала.
Кроме того, неполное сгорание топлива нередко основывается на неправильной установке момента впрыска (так называемый поздний впрыск) или на неисправности форсунки, обеспечивающей хорошее распыление топливной жидкости.
Также причиной копоти часто оказывается протечка форсунок, низкое цетановое число топлива или обильное попадание охлаждающей жидкости в камеру сгорания.
Для более точного определения причины появления сажи, необходимо проверить систему забора воздуха и выхлопную систему. Нелишним будет обратить свое внимание и на давление наддува (на дизельных двигателях с турбонаддувом), регулировку клапанов, компрессию в цилиндрах, а также на состояние охладительной системы, уровень масла и наличие следов попадания газов в картер.
Устройство фильтра
Отвечая на вопрос, что такое сажевый фильтр на авто с конструктивной точки зрения, сразу следует сказать, что это металлическая колба с керамической матрицей внутри (представленная в виде многоуровневой сетки). Размер ячеек матрицы достигает одного миллиметра, а структура ее стенок отличается пористостью, благодаря чему на стенках матрицы оседают мелкие частицы сажи. Кроме того, в фильтре расположены температурные датчики, датчик дифференциального давления и датчик кислорода.
В зависимости от вида детали, устройство сажевого фильтра может предусматривать и наличие некоторых других составляющих. Например, в фильтре закрытого типа с возможностью сгорания собранной сажи, для ее удаления со стенок детали используются специальные реагенты.
DPF сажевые фильтры закрытого типа
Все сажевые фильтры разделяют на два основных вида DPF – фильтр закрытого типа без возможности прочистки и фильтры закрытого типа, с возможностью удаления сажи (FAP). В случае засорения, DPF-фильтры подлежат замене, хоть принято считать, что они способны восстанавливаться на повышенных нагрузках (когда температура картерных газов достигает 400 градусов). Такой метод регенерации получил название пассивного.
Сажевый фильтр DPF – это керамические соты, на стенки которых нанесен каталитический металл «титан». Попадая из камеры сгорания внутрь фильтра, сажа и угарный газ оседают на внутренней поверхности фильтра, где под воздействием высокой температуры происходит их окисление до нейтральных и неопасных веществ.
FAP сажевые фильтр закрытого типа с функцией регенерации
FAP – еще один сажевый фильтр закрытого типа, вот только в отличие от предыдущего варианта он обладает возможностью удаления собравшейся сажи. Как мы уже отмечали, для выполнения этой задачи используется специальный реагент, вступающий в реакцию с вредными веществами и полностью удаляющий их из фильтра под воздействием высокой температуры.
Для регенерации сажевого фильтра FAP (что это такое вы уже примерно поняли) используют специальную цариесодержащую присадку EOLYS. Она автоматически впрыскивается в дизельное топливо из отдельного бачка, предварительно получая соответствующую команду от системы контроля работоспособности FAР-фильтра.
В результате получается, что фильтр с функцией регенерации не может оказаться полностью забитым.
, ведь дополнительно разогретые отработанные газы при попадании в сажевый фильтр FAP начинают разогревать керамический реактор до 700 °С, вследствие чего все осевшие частицы сажи быстро выгорают из микроканалов. Более того, при локальных температурах в районе 1000 °С окислению поддается и большая часть сложных углеводородных продуктов, которые образовались в результате неполного сгорания. Спустя всего 3-5 минут после впрыска указанной присадки происходит полное самоочищение фильтра FAP.
В некоторых случаях место реагента занимает дополнительная порция топливной жидкости, подающаяся автоматически. Она догорает уже после топлива в цилиндрах двигателя, благодаря чему возрастает температура в фильтре.
Регенерация сажевого фильтра
Вполне возможно, что еще не все автолюбители понимают, как работает сажевый фильтр, и это вполне естественно, ведь мало кто вникает в принцип его деятельности. На самом деле все достаточно просто: попадая в фильтр, отработанные газы вступают в реакцию с покрытием матрицы, после чего осевшая сажа начинает засорять деталь.
Для ее удаления может использоваться один из двух методов регенерации: активный и пассивный.
Пассивная регенерация
Процесс пассивной регенерации проходит при движении транспортного средства под нагрузкой. К примеру, передвижение автомобиля по трасе будет способствовать поднятию температуры в фильтре до 350-400 градусов, что в свою очередь активизирует процесс окисления сажи путем воздействия на нее катализатора и высоких температурных показателей. Цепочка химических реакций при пассивной регенерации состоит из нескольких этапов:
1. Оксиды азота взаимодействуют с кислородом и в присутствии катализатора образовывают диоксид азота;
2. Затем, полученное химическое соединение начинает взаимодействовать с частицами сажи (углеродом), вследствие чего появляется оксид азота и угарный газ;
3. На следующем этапе оксид азота и угарный газ вступают в реакцию с кислородом и образовывают диоксид азота и углекислый газ.
Обратите внимание! На определенных рабочих режимах двигателя (малая нагрузка и т.п.) температура отработанных газов будет недостаточно высокой, из-за чего не сможет начаться пассивная регенерация. В этом случае, на выручку приходит активная (или принудительная) регенерация сажевого фильтра.
Активная регенерация
Регенерация катализатора – это обязательный процесс, без которого сажевый фильтр быстро выйдет из строя. Если условия оказываются неподходящими для пассивной регенерации (при передвижении в городских условиях или на малые расстояния, когда не удается достичь нужной температуры сажевого фильтра), запускается активный процесс.
То есть, после основной порции топливной жидкости, в цилиндры силового агрегата подается еще одна дополнительная. Клапан EGR перекрывается, а в случае необходимости меняется и алгоритм управления геометрией турбины.
Частично сгоревшая топливно-воздушная смесь, через коллектор, перемещается в катализатор, который размещен перед сажевым фильтром.
Именно в нем происходит ее дожиг, причем существенно повышается температура проходящих выхлопных газов. Последующее перемещение разогретых газов по впускному тракту вызывает повышение температуры и в самом фильтре (до 500-700 градусов), в результате чего происходит выжигание сажи. Об этих процессах, происходящих внутри транспортного средства, может свидетельствовать выходящие из трубы черные клубки дыма. Естественно, потребление топлива и обороты холостого хода будут повышаться.
Как ухаживать за сажевым фильтром
В завершение статьи, когда вы, уважаемые читатели, больше узнали о сажевом фильтре и для себя определили что это за процесс такой «регенерация сажевого фильтра», можно поговорить и о том, как правильно ухаживать за данной деталью. Конечно, обязательная очистка указанного элемента должна проводиться не только после появления проблем, но и при регулярном техническом осмотре автомобиля, однако, если вы желаете предотвратить появление любых неисправностей, тогда в процессе эксплуатации автомобиля лучше использовать специальные автохимические добавки.
Срок службы сажевого фильтра зависит и от частоты его прожогов, то есть чем чаще вы будете проводить указанную процедуру, тем больше будет выгорать катализатор. Исходя из этого, чтобы увеличить ресурс фильтра следует увеличить и пробег машины между прожигами, одновременно снизив температуру процесса. Для этих целей предназначены самые различные присадки для защиты сажевого фильтра, помогающие ему перейти в режим очистки на более низких температурах, обеспечивая при этом полное сгорание топливной жидкости. Неважно из чего состоит сажевый фильтр на вашем дизеле, в любом случае указанный метод профилактики убережет транспортное средство от частых ремонтных вмешательств.
Как заменить дизельный сажевый фильтр (замена DPF)
13 июля 2015, 10:00
выхлоп
Дизельный сажевый фильтр на вашем автомобиле будет очень похож на глушитель , но вы обнаружите, что он установлен гораздо ближе к двигателю, где температура теплее.
Тепло от двигателя помогает сажевому фильтру быстрее нагреваться и, следовательно, гораздо быстрее сжигать частицы сажи. Если загораются сигнальные лампы DPF, вам следует сначала попытаться использовать очиститель для устранения любых засоров, так как это гораздо более дешевый и менее навязчивый способ решения проблемы.*
Если это не сработает, вы можете заменить сажевый фильтр и установить новый. Если вы хотите снизить стоимость замены, вы можете приобрести новый дизельный сажевый фильтр через Интернет или в гараже и установить его самостоятельно дома, чтобы сэкономить на установке. Это пошаговое руководство о том, как при необходимости заменить DPF.
Шаг 1. Поднимите автомобиль домкратом
Припаркуйтесь на чистой ровной поверхности и с помощью домкратов поднимите все четыре колеса над землей. DPF расположен глубоко под автомобилем, поэтому вы не сможете добраться до него сбоку автомобиля, вам нужно будет лечь прямо под середину автомобиля, чтобы получить полный доступ.
Вы будете проводить значительное количество времени под машиной, поэтому убедитесь, что она надежно закреплена.
Шаг 2. Найдите DPF
DPF немного различаются по размеру, форме и цвету, но, как правило, состоят из расширенной секции выхлопной трубы и располагаются рядом с двигателем, под автомобилем.
Шаг 3. Снимите болты и винты
Уделите минуту изучению точного положения сажевого фильтра, чтобы точно знать, куда установить новый. Сфотографировать DPF на месте может быть полезно, так как они послужат хорошей точкой отсчета, если вы позже застрянете. Удалите все винты и болты, которые удерживают сажевый фильтр на месте, и держите их в стороне, они понадобятся вам для установки нового фильтра. Вам не нужно будет снимать фильтр с его теплозащитных экранов, так как новый фильтр должен поставляться с собственными теплозащитными экранами. Это облегчает удаление, так как вы сможете просто снять его одним куском.
Шаг 4. Прикрепите новый фильтр
Уделите минутку просмотру сделанных вами фотографий старого DPF в положении, чтобы вы знали правильную ориентацию фильтра и расположение всех болтов и винтов.
Установите новый DPF точно в том же положении, что и старый, заменив все гайки, винты и все шайбы, которые отходили от оригинального фильтра.
Шаг 5. Убедитесь, что он надежно закреплен
Проверьте руками, чтобы убедиться, что вы затянули DPF на месте и что в выхлопной системе нет утечек. Даже слегка неплотное соединение между различными участками трубы может вызвать большие проблемы, такие как отсутствие давления и повышенный расход топлива. Очень важно убедиться, что все фитинги затянуты настолько плотно, насколько это возможно.
Шаг 6. Опустите автомобиль
Не забудьте очистить пространство под автомобилем от любых инструментов, которые вы могли использовать при снятии и замене сажевого фильтра. Затем опустите домкраты один за другим, чтобы автомобиль снова оказался на полу.
Шаг 7. Проверьте свою работу
Проедьте на автомобиле около 15 минут, желательно по тихим, открытым дорогам, где вы можете немного набрать скорость, и подождите, пока не погаснет сигнальная лампа DPF .
Если загораются какие-либо другие сигнальные лампы или если вы заметили, что с автомобилем вообще что-то не так, заглушите двигатель и как можно скорее отвезите автомобиль в гараж или мастерскую, чтобы выяснить, в чем проблема. Возможно, вы случайно что-то сбили во время работы с автомобилем. Если контрольная лампа DPF гаснет и других проблем с управлением автомобилем нет, можно считать замену успешной.
Шаг 8. Техническое обслуживание
Не забывайте регулярно использовать очиститель DPF, чтобы убедиться, что этот новый фильтр служит намного дольше и работает более эффективно, чем предыдущий. В противном случае вы можете повторить весь процесс гораздо раньше, чем надеялись.
Все о выхлопе
- Как диагностировать проблемы с выхлопом
- Как отремонтировать раздельный выхлоп
- Как защитить выхлоп от ржавчины
- Как удалить ржавчину с выхлопной трубы
- Что такое каталитический нейтрализатор?
- Как заменить каталитический нейтрализатор
- Что такое дизельный сажевый фильтр?
- Как заменить дизельный сажевый фильтр (замена DPF)
- Что такое очиститель дизельного сажевого фильтра? Как это использовать.
- Почему сажевый фильтр требуется по закону?
- Что такое регенерация DPF?
Основы работы дизельного сажевого фильтра (DPF)
В этой статье базы знаний CTS описываются основы работы дизельного сажевого фильтра (DPF). В статье представлен краткий обзор процессов фильтрации, происходящих в сажевых фильтрах, различных типов широко используемых сажевых фильтров, а также различий в стратегиях работы и регенерации фильтров.
Фильтрация дизельных твердых частиц Дизельные сажевые фильтры улавливают частицы сажи из выхлопных газов двигателя, предотвращая их попадание в окружающую среду. В отличие от каталитического нейтрализатора, который предназначен для уменьшения выбросов газовой фазы, протекающих через катализатор, сажевый фильтр предназначен для улавливания и удержания твердых частиц до тех пор, пока частицы не смогут окислиться или сгореть в самом DPF посредством процесса, называемого регенерацией.
Наиболее распространенными широко используемыми сажевыми фильтрами являются ячеистые керамические сотовые фильтры с каналами, которые заглушены на чередующихся концах, как показано на Рисунок 1 . Торцы фильтра, заглушенные в шахматном порядке, заставляют сажесодержащие выхлопы течь сквозь пористые стенки фильтра. В то время как выхлопной газ может проходить через стенки, частицы сажи задерживаются в порах фильтра и в слое поверх стенок канала. Сотовая конструкция обеспечивает большую площадь фильтрации при минимальных потерях давления и стала стандартным так называемым фильтром с пристенным потоком для большинства приложений фильтрации выхлопных газов дизельных двигателей. Керамические материалы широко используются для сажевых фильтров, учитывая их хорошую термическую стойкость, при этом наиболее распространенными керамическими материалами являются: кордиерит, карбид кремния и титанат алюминия.
Рисунок 1. Дизельный сажевый фильтр для большегрузного автомобиля (а), изображение поперечного сечения, показывающее процессы фильтрации в нескольких каналах DPF (б), и крупный план захвата и накопления частиц на стенках канала (в).
).
Детали процесса фильтрации проиллюстрированы на Рис. 1(b) , на котором показаны частицы сажи, захваченные вдоль впускного канала, который открыт на переднем конце, но заглушен на заднем конце. DPF содержат несколько сотен каналов или ячеек на квадратный дюйм (cpsi), наиболее распространенным из которых является 200 cpsi. Поскольку половина каналов заглушена в передней части сажевого фильтра, а другая половина — в задней части фильтра, только половина каналов фильтра накапливает сажу или пепел. То есть только каналы, открытые на входе, подвергаются воздействию «грязного» выхлопного потока, а каналы, открытые на стороне выхода, остаются чистыми. Учитывая небольшой размер пор и конструкцию сотовых фильтров, фильтры DPF могут достигать эффективности улавливания частиц 99% и выше [1]. Благодаря высокой эффективности улавливания и конструкции ячеек DPF видимая сажа или пепел не должны проходить через стенки фильтра. Черные полосы или видимая сажа в выходных каналах — верный признак неисправности фильтра.
Частицы сажи улавливаются и удерживаются в DPF за счет сочетания глубинной фильтрации внутри пор фильтра и поверхностной фильтрации вдоль стенок канала. На вставке к рис. 1(с) показаны эти два процесса, при которых небольшая часть сажи сначала скапливается в порах фильтра (1), а затем образует слой вдоль стенок канала (2). По мере увеличения количества сажи в фильтре повышается и его эффективность улавливания, поскольку накопленная сажа образует дополнительный слой для улавливания поступающих частиц. Конкретные механизмы фильтрации сажи, будь то в порах на поверхности стенок, играют важную роль в определении общего увеличения противодавления выхлопных газов (или перепада давления на фильтре), показанного на Рисунок 2 .
Рис. 2. Эволюция перепада давления при накоплении сажи в DPF, показывающая быстрый начальный рост перепада давления из-за накопления сажи в порах фильтра (1) с последующим постепенным увеличением по мере образования слоя сажи вдоль стенок (2).
Пористость большинства коммерческих DPF колеблется от 40% до 60%. Стенки этих фильтров содержат сложную сеть пор диаметром от 10 до 30 микрометров (микрон) [2]. В новом или чистом DPF поверхность фильтра подвергается воздействию выхлопных газов, и сажа быстро накапливается в поверхностных порах. Хотя в микропорах фильтра накапливается лишь небольшая часть общего количества сажи, она способствует резкому увеличению перепада давления на фильтре, показанному на 9.0007 Рисунок 2 . Последующее накопление сажи в сажевом фильтре образует слой (корку) вдоль стенок канала, что приводит к более медленному и постепенному росту перепада давления на фильтре [3]. В зависимости от уровня содержания сажи и типа фильтра накопление пор может составлять 50% падения давления на фильтре, а в некоторых случаях и больше. Нелинейная реакция фильтра DPF на накопление материала усложняет определение уровней загрузки фильтра сажей или золой только на основе перепада давления
Регенерация фильтра Чтобы уменьшить падение давления на фильтре из-за накопления сажи, фильтр регенерируется путем сжигания (окисления) сажи.
Существует две широкие категории процессов регенерации, хотя в большинстве коммерческих приложений используется их комбинация. Это особенно верно для транспортных средств или оборудования, испытывающих длительные периоды работы с низкой температурой выхлопных газов, например, длительные периоды холостого хода или рабочие циклы с низкой скоростью/нагрузкой.
Активная регенерация требует добавления тепла к выхлопным газам для повышения температуры сажи до точки, при которой она будет окисляться в присутствии избытка кислорода в выхлопных газах. Для сжигания сажи в кислороде обычно требуется температура выше 550 °C (1 000 °F). Поскольку эти высокие температуры обычно не возникают при нормальной работе двигателя, используется ряд стратегий для активного повышения температуры выхлопных газов [4]. Системы активной регенерации могут включать использование дизельной горелки для непосредственного нагрева выхлопных газов, поступающих в сажевый фильтр, или использование катализатора окисления дизельного топлива (DOC) для окисления дизельного топлива над катализатором в качестве средства повышения температуры сажевого фильтра.
Использование DOC также требует избытка дизельного топлива в выхлопе, что может быть достигнуто с помощью топливной форсунки (дозатора углеводорода), установленной в выхлопе перед DOC, или с помощью стратегий позднего впрыска в цилиндр. Другие формы активной регенерации включают использование электрических нагревательных элементов, микроволн или плазменных горелок.
Использование DOC в сочетании с некоторой формой дозирования топлива в выхлопных газах является наиболее распространенной стратегией активной регенерации, используемой в настоящее время для дорожных и внедорожных приложений. Продолжительность активной регенерации обычно составляет в среднем от 20 до 30 минут при нормальных условиях эксплуатации. В некоторых случаях, таких как сильное засорение сажевым фильтром DPF, может потребоваться регенерация в режиме ожидания, которая может длиться до нескольких часов, чтобы медленно сжечь сажу в более контролируемых условиях. Независимо от конкретной стратегии, активная регенерация всегда требует дополнительного подвода энергии (дополнительного топлива) для нагрева выхлопных газов и сажевого фильтра до необходимой температуры.
Пассивная регенерация , как следует из названия, не требует дополнительной энергии для осуществления процесса регенерации. Вместо этого эта стратегия основана на окислении сажи в присутствии NO2, которое может происходить при гораздо более низких температурах в диапазоне от 250 °C до 400 °C (от 480 °F до 750 °F). Катализатор используется для преобразования NO, присутствующего в выхлопных газах, в NO2. Эти катализаторы требуют использования драгоценных металлов для облегчения реакции, в частности платины (Pt), что увеличивает стоимость системы. В некоторых случаях каталитическое покрытие наносится непосредственно на сажевый фильтр, как в случае катализированного сажевого фильтра (C-DPF), или также может использоваться предвключенный катализатор окисления (DOC) [5]. Многие коммерческие системы используют комбинацию DOC и C-DPF. Использование катализаторов позволяет производить NO2 и окислять сажу при температурах, которые возникают при нормальной работе двигателя или автомобиля.
В идеальном случае, если работа двигателя приводит к нахождению определенного времени в пределах этого «температурного окна» пассивной регенерации, активная регенерация может не понадобиться. В действительности, однако, работа при низких температурах может иметь место в течение продолжительных периодов времени, таких как длительные периоды простоя или работы с низкой нагрузкой, особенно в холодном климате, и все же может потребоваться некоторая активная регенерация. При отсутствии активной регенерации периоды работы при низких температурах могут дополняться периодами работы при высоких температурах (например, длительное вождение по шоссе), чтобы вызвать пассивную регенерацию.
Для снижения расхода топлива предпочтение отдается пассивной регенерации, хотя в большинстве коммерческих систем активная регенерация все еще используется в той или иной степени, в зависимости от ездового цикла и условий эксплуатации. Независимо от метода регенерации окисление сажи (активное или пассивное) приводит к образованию негорючего материала или золы, которая не может быть сожжена и остается в сажевом фильтре.
Понимание основных различий между пеплом и сажей, а также их влияния на производительность DPF важно при выборе наиболее подходящего метода очистки фильтра.
Понимание конструкции и работы DPF для сбора и улавливания частиц, будь то в порах или на поверхности, оказывает большое влияние на то, насколько легко частицы могут быть впоследствии удалены. Сажа принципиально отличается от золы тем, что сажа может быть окислена и удалена путем регенерации, а зола является негорючей и остается в сажевом фильтре до обслуживания сажевого фильтра для очистки от золы.
Ссылки- Могака З., Вонг В. и Шахед С., «Производительность и характеристики регенерации ячеисто-керамического дизельного уловителя твердых частиц», Технический документ SAE 820272, 1982 г., doi:10.4271/820272.
- Диму И., Сапок А., Вонг В., Фуджи С. и др., «Влияние свойств материала и параметров конструкции пор на характеристики некаталитического дизельного сажевого фильтра с накоплением золы», Технический документ SAE, 2012 г.
