Сажевый фильтр
Опубликовано: 02.09.2018
Легковые автомобили с дизельным двигателем с 2000 года в составе выпускной системы имеют сажевый фильтр. После введения норм Евро-5 в январе 2011 года, применение сажевого фильтра на легковых автомобилях с дизельным двигателем стало обязательным.
Дизельный сажевый фильтр предназначен для снижения выброса сажевых частиц в атмосферу с отработавшими газами. Использование фильтра позволяет добиться снижения количества частиц сажи в отработавших газах до 99,9 %. В дизельном двигателе сажа образуется в результате неполного сгорания топлива. Частицы сажи имеют размер от 10 нм до 1 мкм. Каждая частица состоит из углеродного ядра, с которым соединены углеводороды, оксиды металлов, вода и сера. Конкретный состав сажи определяется режимом работы двигателя и составом топлива.
Как мы чистим сажевые фильтры
В выпускной системе сажевый фильтр расположен за каталитическим нейтрализатором. В некоторых конструкциях сажевый фильтр объединен с каталитическим нейтрализатором окислительного типа и располагается непосредственно за выпускным коллектором там, где температура отработавших газов максимальна. Он называется сажевый фильтр с каталитическим покрытием. Основной конструктивной составляющей сажевого фильтра является матрица, которая выполнена из керамики (карбида кремния) и помещена в металлический корпус. Керамическая матрица имеет структуру в виде ячеек, 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. Гораздо более совершенными являются входные ячейки восьмиугольной формы. У них большая площадь поверхности (по сравнению с выходными ячейками) и они пропускают больше отработавших газов и обеспечивают более длительный срок службы сажевого фильтра. Работа сажевого фильтра определяется двумя последовательными этапами: фильтрация и регенерация сажи. В процессе 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 здоровья 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. Существует пассивная и активная регенерация 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. Иным 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 не происходит. 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). Существует 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. В настоящее время наиболее распространен 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. Схема сажевого фильтра с каталитическим покрытием 1 – блок управления двигателем; 2 – датчик массового расхода воздуха; 3 – датчик температуры газов на входе в турбокомпрессор; 4 – турбокомпрессор; 5 и 9 – датчики температуры газов перед сажевым фильтром и после него; 6 – датчик состава смеси (широкополосный датчик кислорода); 7 – фильтр-нейтрализатор; 8 – датчик перепада давления газов; 10 – глушитель.
Процесс активной регенерации происходит при температуре 600-650°С, создаваемой при помощи системы управления дизелем. Необходимость активной регенерации определяется на основании оценки пропускной способности сажевого фильтра, которая осуществляется с помощью таких датчиков системы управления дизелем как: расходомер 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 первыми стали использовать присадки для регенерации французы, за фильтром закрепилось название FAP-фильтр (от французского Filtre a Particules). Аналогичное решение реализовано в сажевых фильтрах других автопроизводителей (Ford, Toyota). В системе применяется 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. Схема сажевого фильтра с системой ввода присадок в топливо (рис) Присадка хранится в отдельном бачке, емкостью 3-5 л, рассчитаной на 80-120 тыс. км пробега (срок службы фильтра). Конструктивно бачок может находиться как в топливном баке, так и 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 120 000 км пробега. Производители декларируют выпуск в ближайшее время фильтра с ресурсом 250 000 км. Высокая стоимость сажевых фильтров, выработавшие ресурс, как правило, вынуждает автовладельцев не заменять, а удаляють фильтры с последующей перепрошивкой системы управления двигателем.