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 Particulare 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.
Схема сажевого фильтра с каталитическим покрытием
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:
расходомер воздуха;
датчик температуры отработавших газов до сажевого фильтра;
датчик температуры отработавших газов после сажевого фильтра;
датчик 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.
Схема сажевого фильтра с системой ввода присадок в топливо
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.