что это такое, его чистка и регенерация, последствия удаления

Водители автомобилей > Полезная информация > Двигатель > Что такое сажевый фильтр на дизеле и где он стоит

Чтобы уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу с начала этого века на стали применять сажевые фильтры на дизелях, а с 2010-го он стал обязательным элементом легкового автотранспортного средства с дизельным ДВС.

Что такое сажевый фильтр на дизеле, где он стоит, как его чистить и последствия его удаления — далее в статье.

Зачем он нужен

Сажевый фильтр на дизеле в разных странах обозначается в различной аббревиатуре:

• Diesel Particulate Filter (DPF) — в английском варианте.
• Filtre a Particules (FAP) — во французском варианте.
• RubPartikelFilter (RPF) — в немецкой аббревиатуре.

В России, как и во всем мире, больше прижилась французская аббревиатура. Этому есть объяснение (в конце статьи).

Видео — сажевый фильтр на дизеле и его регенерация:

Сажевик предназначен для снижения процентного содержания частиц сажи в отработанных газах. Они образуются в результате сгорания дизельного топлива. Эти частицы имеют микроскопический размер – от тысячных долей миллиметра до 10 микрометров (это еще в 100 раз меньше).

Такие частицы имеют сложный химический состав, ядром которого является углерод. Он «облипается» углеводородами, серой, соединениями металлов. Практически вся таблица Менделеева. Все эти вещества в цилиндры поступают из воздуха и не совсем качественного дизельного топлива.

Где находится

Сажевик может находиться за нейтрализатором. В некоторых автомобилях он находится непосредственно за выпускным коллектором. В таком случае фильтр объединенного типа. Внешний вид типового сажевика:

Конструкция

Основной  элемент – керамическая матрица. Ее химический состав – карбид кремния (керамика). Оптимальное сечение керамических ячеек – восьмиугольное. Главный фильтрующий элемент – боковая поверхность ячеек, которая имеет микропористую структуру. Керамическая конструкция заключается в металлический корпус.

Во время работы дизельного двигателя отработанные газы направляются через сажевый фильтр. В микропорах улавливаются мелкие частицы сажи. Крупные частицы не так опасны для человек, живых и растительных организмов. Они осаждаются под действием силы тяжести недалеко от места движения транспортного средства.

Мелкие частицы (менее 0,1 мкм), если их не задержит сажевый фильтр, могут «улететь» далеко за пределы трассы, попасть в органы дыхания, на растения. Им уделяется большое значение при проектировании системы фильтрации выхлопных газов дизельных автомобилей.

В процессе работы сажевого фильтра микропоры засоряются мелкими и крупными частицами. Для его очистки применяется регенерация.

Пассивная и активная регенерация

Регенерация – процесс очистки сажевого фильтра. Различают пассивную и активную регенерацию. Пассивная регенерация происходит при высоких температурах выхлопных газов, от 600 градусов Цельсия. Такая температура возможна при максимальной нагрузке на двигатель. Сажа при высокой температуре  выжигается. Для того чтобы уменьшить температуру, при которой выжигается сажа, до 500 градусов и ниже, применяют специальные присадки.

Активная регенерация выполняется при помощи искусственного повышения температуры отработанных газов. Это достигается различными методами:

• изменение угла зажигания при помощи программного контроля;
• дополнительный нагрев перед сажевиком;
• принудительный впрыск;
• нагрев СВЧ волнами.

Совместное применение различных методов регенерации повышает эффективность сажевых фильтров.

Сажевик с каталитическим покрытием

Они разработаны Volkswagen. В них также применяется активный и пассивный режим. Катализатор дополнительно окисляет сажу в условиях высоких температур. При этом происходят сложные химические реакции. Оксиды азота окисляются кислородом в присутствии платины, образуется диоксид азота. Диоксид азота в результате реакции с углеродистой сажей образует оксид азота и угарный газ. Окисляясь, угарный газ и диоксид азота образуют диоксид азота и безопасный углекислый газ.

В результате такого сложного химического процесса сажа выводится из фильтра. Активная регенерация запускается на основании анализа показаний следующих датчиков блоком управления двигателя:

• ДМРВ;
• температуры до сажевика;
• температуры после сажевого фильтра;
• датчика разницы давлений.

На основании сравнения показаний и анализа с встроенным алгоритмом, блок управления одновременно выполняет следующие действия:

• отключает систему ЕГР, которая предназначена для уменьшения температуры воспламенения;
• осуществляет увеличение длительности впрыска топлива форсунками;
• уменьшает подачу воздуха.

Структурная схема такой системы показана на рисунке:

Где: 3 – ДМРВ, 4 – силовой агрегат; 9 – сажевый фильтр.

Система с впрыском присадок

Впервые применил такую систему концерн Peuqeot-Citroen. Поэтому за ним и закрепилось французская аббревиатура FAP (см. начало статьи). Такая же концепция применяется во многих японских и американских автомобилях.

В системе сажевый фильтр находится за каталитическим нейтрализатором. Во время регенерации впрыскивается специальная присадка, которая уменьшает температуру сжигания сажи до 450 градусов Цельсия. Учитывая, что сажевик находится за нейтрализатором, и такая температура в нем проблематична. Поэтому эффект дополняется активной регенерацией.

Присадка находится в отдельном баке небольшой емкости (до 5-ти литров). Содержимого хватает приблизительно на 100.000 километров пробега. Для впрыска предназначен отдельный насос.

Структурная схема системы с впрыском присадок:

Где: 3 – бак для присадки, 5 – насос впрыска присадки, 6 – бак топливный.

Ресурс фильтра около 200.000 километров пробега. Обычно он ниже.

Замена сажевого фильтра требует значительных материальных затрат. Если система сажевого фильтра теряет эффективность, многие автовладельцы дизелей программно и физически удаляют ее, чтобы блок управления двигателем не «душил» силовой агрегат на высоких скоростях и мощностях.

Признаки необходимости очистки

Основными признаками являются:

• сообщение кода ошибки двигателя, указывающие на сажевый фильтр;
• рост потребления топлива;
• повышение уровня масла;
• уменьшение приемистости силового агрегата;
• нестабильные холостые обороты;
• наличие постороннего звука (шипение) во время работы двигателя;
• внезапный «пых» дыма из выхлопной трубы.

В любом случае, следует продиагностировать двигатель, чтобы сделать окончательное заключение.

Видео — промывка сажевого фильтра дизельного двигателя составом Liqui Moly:

Принудительная регенерация при помощи VAG-COM (Вася-Диагност)

Для проведения контроля регенерации сажевого двигателя на автомобилях группы  VAG требуется непосредственно сам шнурок и программа, установленная на компьютере. Последовательность выполнения:

Недостатки и возможные последствия удаления сажевого фильтра на дизеле

Сейчас многие мастерские и СТО оказывают услуги программного и физического удаления сажевого фильтра на дизеле. При этом они используют различные эмуляторы или чип-тюнинг. Чип-тюнинг опасен тем, что если некорректно сохранить (или потерять) родную прошивку, впоследствии могут быть серьезнейшие проблемы вплоть до необходимости обращения к производителю.

Видео — о нюансах и возможных последствиях удаления сажевого фильтра на дизеле:

После удаления перепрошивкой косяки могут вылезать через некоторое время. С этой точки зрения безопаснее эмуляторы. Но они имеются не для всех автомобилей.

Во время принятия решения о программном удалении сажевого фильтра следует найти мастерскую, которая производит эту работы в течение нескольких лет, находится на одном и том же месте. Иначе есть риск попасть на неопытных мастеров-однодневок.

Есть мастерские, которые промывают сажевые фильтры при помощи специальных составов. В некоторых случаях это имеет положительный эффект.

С проблемой износа сажевого фильтра сталкиваются многие автолюбители. Нельзя к ней относиться несерьезно.

Если печка в машине дует холодным воздухом, причины могут быть различными.

Как производится подключение выключателя массы автомобиля.

Как правильно выгнать воздух https://voditeliauto.ru/poleznaya-informaciya/to-i-remont/kak-vygnat-vozdux.html из системы охлаждения двигателя.

Видео — отключение и физическое удаление сажевика на дизельном автомобиле SsangYong Actyon NEW 2.0D:

Сажевый фильтр на дизеле: очистка, удаление, регенерация

Всем хорош дизельный мотор. Даже экологам, уже успевшим мертвой хваткой вцепиться в бензиновые автомобили, дизели какое-то время были безразличны: действительно, содержание CO в выхлопных газах у дизелей низкое, и, пока экологи боролись в первую очередь с выбросами монооксида углерода, дизели спокойно вписывались в эти требования чисто конструктивно.

А вот когда речь зашла об оксиде азота, дизелям пришлось туго. Дело в том, что при нормальной настройке дизеля как раз оксид азота-то и образуется активно. Если же добиться его минимального выброса, то растет доля сажи в выхлопных газах, и никуда от этого в дизельном моторе не деться. Но, если оксид азота еще можно «придушить» катализатором, то сажу можно только отфильтровать. Так и появилась еще одна «душилка» — сажевый фильтр, он же DPF или FAP.

Принцип работы сажевого фильтра

Сажевый фильтр дизельного двигателя похож внешне на обычный катализатор: это такая же мелкоячеистая структура. Но, если катализатору это необходимо для максимального увеличения площади контакта отработанных газов с активным материалом, то ячейки DPF просто фильтруют механически.

Отсюда и очевидная проблема. Катализатор при работе не изнашивается и в идеальных (увы, недостижимых) условиях работы практически вечен. Сажевый фильтр же постепенно забивается, увеличивая сопротивление выпуска: на практике автосервиса можно вспомнить случаи, когда при работе двигателя корпус фильтра заметно начинал «играть», раздуваясь из-за чрезмерного давления, вызванного забитыми ячейками. Мотор при этом, естественно, еле тянет и постоянно стремится заглохнуть.

Решение у проблемы простое – сажа по сути состоит из углерода, а в выхлопных газах дизеля практически всегда есть кислород. То есть, если значительно поднять температуру сажевого фильтра, в нем при работе двигателя запустится окисление сажи. Абсолютно чистая сажа полностью уйдет из фильтра в виде углекислого газа, в реальном же мире останется куда меньший объем золы – именно поэтому для дизелей с сажевыми фильтрами указывается применение только малозольных моторных масел. Даже при минимальном угаре масло все равно попадает в фильтр, и соответственно должно обеспечивать как можно меньший твердый остаток при сгорании. Солярка, естественно, тоже нужна качественная.

Регенерация сажевого фильтра

Прожиг, или регенерация, фильтра запускается системой управления двигателем автоматически, как только измеренный объем сажи в фильтре превышает заданный порог. Как он измеряется? Способ замера косвенный – на входе и выходе сажевого фильтра стоит дифференциальный датчик давления. Он передает на ЭБУ именно информацию о том, какова разница между давлениями до и после DPF, а та уже пересчитывается в граммы.

Но для эффективного автоматического прожига необходимо соблюдать ряд условий, и в первую очередь это достаточно долгое равномерное движение машины на повышенных оборотах. То есть, если ваш автомобиль ездит только по городу, регенерация может не запуститься никогда! Чтобы ускорить регенерацию и сделать ее возможной даже в городе, на фильтрах типа FAP (чаще всего встречаются на автомобилях Peugeot/Citroen, так как концерном PSA эта система и разработана) практикуется впрыск в фильтр специальной жидкости, позволяющей сжигать сажу не на 700-800 градусах, как это происходит у DPF, а на 400-500.

Если же авторегенерация не помогает, на приборной панели загорается соответствующий индикатор, указывающий на необходимость визита в сервис. Там при помощи диагностического сканера ЭБУ двигателя переводится в режим принудительного прожига:
1. Мотор выводится на повышенные обороты, начиная разогревать фильтр и продувать его остаточным кислородом в отработанных газах. Поскольку автомобиль стоит на месте и не обдувается воздухом, нагревается он быстрее.
2. При достижении заданной температуры (за ней следит термопара в корпусе фильтра) открывается специальная форсунка, по которой солярка подается сразу фильтр. Так что прожигается он буквально: его разогревает горящее внутри топливо.
3. Фильтр прогревается до заданной температуры и удерживается на ней запрограммированное время. Со стороны это выглядит специфически: ревущий мотор, рядом (а тем более напротив) с выхлопной трубой невозможно стоять – поднесенная к ее срезу свежая травинка моментально высыхает и начинает обугливаться.
4. Далее обороты сбрасываются, идет фаза охлаждения. По новому замеру дифференциального давления высчитывается количество выжженной сажи.

Удаление сажевого фильтра на дизеле

Но зола в фильтре копится со временем даже при использовании высококачественного топлива и моторного масла, регулярных удачных прожигах. Сажевый фильтр неизбежно приходит в негодность. А его замена – дело отнюдь не дешевое.

Но нужно учесть, что для работы самого дизельного двигателя он не имеет никакого значения. То есть его можно удалить из системы выпуска отработанных газов. Однако просто удалить фильтр нельзя – моментально загорится ошибка, и ЭБУ впрыска перейдет в аварийный режим работы. Поэтому обязательно выполняется перепрограммирование блока управления либо на заводскую (от аналогичной комплектации, но без сажевого фильтра), либо на модернизированную прошивку.

Такой способ решения проблем наиболее востребован, поскольку позволяет избавиться от потенциально «узкого» места раз и навсегда. К тому же, раз уж все равно нужно перешивать «мозги», то можно исправить и программные «душилки» экологов, сделав машину заметно динамичнее: турбодизели вообще очень хорошо относятся к чип-тюнингу. Да и моторное мало можно после этого лить обычное, без заветного значка lowSAPS на канистре: вот и еще одна экономия. На автомобилях с FAP исчезает необходимость к регулярной доливке спецжидкости в бачок под капотом.

Промывка сажевого фильтра

А можно сделать еще дешевле: Интернет пестрит объявлениями о промывке сажевых фильтров, и обойдется это дешевле удаления. Однако не все так просто, и часто такая процедура не более полезна, чем промывка форсунок прямым ходом сольвента прямо на работающем моторе.

Здесь дело в том, что наибольшая часть загрязнений находится в фильтре, естественно, со стороны двигателя. И с этой же стороны при промывке подается сольвент: то есть, размывая отложения сажи, он неизбежно заставит ее проникать глубже в фильтр. Часть ее, конечно, удалится, но часть останется, и останется там, откуда в дальнейшем ее будет удалить труднее. Так что в перспективе большого пробега мы фактически лечим болезнь, лишь глуша ее внешние симптомы: вроде бы становится легче, а в итоге патологоанатом с удивлением разглядывает, до чего мы себя довели. Заметнее всего эффект промывки после длительной езды на низкокачественном топливе: смолистые отложения в фильтре сольвент удаляет хорошо.

Применяются для промывки не только сольвенты. Так, Liqui Moly предлагает для этого специальную жидкость-катализатор, порционно впрыскиваемую перед фильтром между прогонами двигателя на рабочем режиме. Ничего не напоминает? Правильно, фактически речь идет не о промывке как таковой, а о копировании принципа FAP. То есть такая жидкость облегчает «самопрожиг» фильтра, но сама по себе ничего не моет.

В общем случае рекомендация выбора лучшего варианта очевидна – если принудительный прожиг не приводит к достаточному снижению массы сажи в фильтре, а сама система исправна (это важно – негерметичность в трубках дифференциального датчика давления приведет к ошибке расчета, и машина будет постоянно требовать прожиг даже на чистейшем фильтре!), проблему лучше всего решить раз и навсегда, удалив фильтр как таковой (или заменив на новый), а не пытаясь растянуть его остаточный ресурс.

Автоклуб78 https://autoclub78.ru

Дизельные сажевые фильтры

Дизельные сажевые фильтры

В. Адди Маевски

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

• Материалы для дизельных фильтров
• Регенерация дизельного фильтра
• Системы дизельных фильтров
• Накопление золы в дизельных сажевых фильтрах

Аннотация : Дизельные сажевые фильтры улавливают выбросы твердых частиц с помощью комбинации механизмов фильтрации, таких как диффузионное осаждение, инерционное осаждение или улавливание поточной линии. Собранные частицы удаляются из фильтра непрерывно или периодически посредством термической регенерации. Дизельные фильтры очень эффективны в контроле выбросов твердых частиц, включая количество твердых частиц, но могут быть неэффективны в контроле жидких фракций выбросов ТЧ. Сначала фильтры были коммерциализированы в качестве модернизированных устройств, после чего они стали широко применяться в новых дизельных двигателях малой и большой мощности как для шоссе, так и для внедорожной техники.

• Введение
• Коммерческий статус
• Принцип работы
• Характеристики выбросов

Определение. Дизельные сажевые фильтры (DPF) — это устройства, которые физически улавливают дизельные частицы и предотвращают их выброс в атмосферу. Были разработаны материалы для дизельных сажевых фильтров, демонстрирующие впечатляющую эффективность фильтрации, превышающую 90%, а также хорошую механическую и термическую стойкость. Дизельные сажевые фильтры стали наиболее эффективной технологией контроля выбросов дизельных твердых частиц, включая массу и количество частиц, с высокой эффективностью.

Благодаря механизмам осаждения частиц в этих устройствах фильтры наиболее эффективно контролируют твердую фракцию дизельных частиц, включая элементарный углерод (сажу) и связанный с ним выброс черного дыма. Фильтры могут иметь ограниченную эффективность или быть совершенно неэффективными в контроле нетвердых фракций выбросов ТЧ — органической фракции (OF) и сульфатных частиц. Для контроля общего объема выбросов твердых частиц системы DPF, вероятно, будут включать дополнительные функциональные компоненты, предназначенные для работы с органическими веществами, обычно это катализаторы окисления, в то время как для контроля содержания сульфатных частиц может потребоваться топливо со сверхнизким содержанием серы.

Термин «сажевый фильтр» иногда используется как синоним «сажевого фильтра», особенно в старой литературе. Термин «ловушка» охватывает более широкий класс устройств для разделения частиц. В промышленном пылеотделительном оборудовании обычно используются несколько механизмов осаждения частиц, помимо фильтрации. Примеры включают гравитационное осаждение, центробежное разделение или электростатическое улавливание. Ни один из этих методов не может быть использован для контроля выбросов твердых частиц дизельного топлива из-за малого размера частиц и низкой плотности дизельной сажи.

Можно отметить, что катализаторы окисления частиц (POC), иногда называемые фильтрами частичной очистки , также могут улавливать твердые частицы дизельного топлива, но обеспечивают гораздо более низкую общую эффективность, чем фильтры твердых частиц. В своих обычных конструкциях POC улавливают твердые частицы только из части потока, тогда как весь поток фильтруется в дизельных сажевых фильтрах. Однако в случае некоторых фильтрующих материалов различие может быть не очень четким, и устройства можно классифицировать либо как POC, либо как (глубинный) фильтр твердых частиц.

Сбор и регенерация. Из-за низкой объемной плотности дизельных частиц, которая обычно ниже 0,1 г/см ³ (плотность зависит от степени плотности; например, число 0,056 г/см ³ было сообщено Wade [497] ), сажевые фильтры могут быстро накапливать значительные объемы сажи. Несколько литров сажи в день можно собрать из двигателя большегрузного грузовика или автобуса старого поколения. Собранные твердые частицы в конечном итоге вызовут чрезмерно высокое падение давления отработавших газов в фильтре, что отрицательно скажется на работе двигателя. Таким образом, дизельные сажевые фильтры должны обеспечивать способ удаления твердых частиц из фильтра для восстановления его способности улавливать сажу. Это удаление твердых частиц, известное как фильтр регенерация , может выполняться либо непрерывно, при штатной работе фильтра, либо периодически, после накопления заданного количества сажи. В любом случае регенерация фильтрующих систем должна быть «невидимой» для водителя/оператора транспортного средства и выполняться без его вмешательства. Обычно используется термическая регенерация дизельных сажевых фильтров, при которой собранные частицы окисляются кислородом и/или диоксидом азота до газообразных продуктов, прежде всего до диоксида углерода. Термическая регенерация, схематично представленная на рис. 1, несомненно, является наиболее чистым и привлекательным методом эксплуатации дизельных сажевых фильтров.

Рисунок 1 . Концепция сажевого фильтра с термической регенерацией

Чтобы обеспечить достаточное окисление твердых частиц, фильтр должен работать при достаточной температуре. В некоторых системах фильтрации источником тепла является сам поток выхлопных газов. В фильтрующей системе этого типа, называемой пассивным фильтром , фильтр непрерывно регенерируется во время обычной работы двигателя. Пассивные фильтры обычно включают в себя катализатор, который снижает температуру окисления сажи до уровня, который может быть достигнут выхлопными газами во время работы автомобиля. Другой подход, который может потребоваться для обеспечения надежной регенерации, включает в себя ряд активных стратегий повышения температуры фильтра (управление двигателем, сжигание топлива в выхлопной системе, электрические нагреватели и т. д.). Регенерация таких устройств, известных как активные фильтры , обычно выполняется периодически, как определено системой управления транспортным средством. Классификация систем сажевых фильтров более подробно представлена ​​в разделе «Системы дизельных фильтров».

Альтернативная стратегия предполагает использование одноразовых фильтрующих картриджей, которые заменяются новыми после заполнения сажей. Фильтры для твердых частиц такого типа используются в некоторых областях гигиены труда. Такие системы фильтрации, требующие интенсивного обслуживания, явно неприемлемы для транспортных средств, работающих на шоссе.

###

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 закупорен 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 9.0078 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 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.

Почему это важно для очистки от золы DPF?

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

1. Могака, З., Вонг, В., и Шахед, С., «Производительность и характеристики регенерации ячеисто-керамического дизельного уловителя твердых частиц», Технический документ SAE 820272, 1982, doi:10.4271/820272.
2. Диму, И., Саппок, 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. -01-1728, 2012, doi:10.4271/2012-01-1728.
3. Оприс, К. и Джонсон, Дж., «Двухмерная вычислительная модель, описывающая характеристики потока и фильтрации керамического уловителя твердых частиц», Технический документ SAE 980545, 1998, doi:10.4271/980545.
4. Ченг, С., «Ловушка с вращающейся регенерацией для контроля содержания твердых частиц в дизельном топливе», Технический документ SAE 2003-01-3178, 2003 г., doi: 10.4271/2003-01-3178.
5. Алланссон Р., Блейкман П.