ЧИСТКА САЖЕВЫХ ФИЛЬТРОВ

С 2005 года введены в действие нормы "Евро-4" вместо норм "Евро-3" (нормы "Евро-3" распространяются на автомобили, допущенные к эксплуатации с 2000 года). С их вводом произведено дальнейшее ужесточение значений предельных выбросов вредных веществ с ОГ (отработавшими газами). С 2010 же года применяется норма "Евро-5", и в центре внимания всех разработчиков двигателей находится обеспечение соответствия ей. Эта непростая задача предполагает дополнительное снижение предельного содержания оксидов азота (NO_x) и сажи.

Образование сажи в дизельном двигателе определяется отдельными процессами сгорания дизельного топлива, такими как: подача воздуха, впрыск, распространение зоны горения. Качество сгорания зависит от образования смеси воздуха и топлива. В определенных зонах камеры сгорания может наблюдаться переобогащение смеси вследствие недостатка кислорода. В этом случае сгорание будет неполным, что приведет к образованию сажи.
Частицы сажи – это микроскопически малые углеродные частицы диаметром примерно 0,05 мкм. Ядро их состоит из чистого углерода. Вокруг ядра располагаются различные углеводородные соединения, металлооксиды и сера.

Сажа, особенно слипшаяся в более крупные частицы, является сильным канцерогеном. Она может способствовать возникновению различного рода аллергических реакций организма человека. Сажевые частицы в нормальных условиях не взаимодействуют с кислородом воздуха и поэтому удаляются только за счёт процессов осаждения и/или последующего дожигания до состояния CO₂, которые идут очень медленно. Поэтому для сохранения здоровья человека необходим жёсткий контроль над полнотой сгорания топлива.

Выброс сажи дизельным двигателем можно заметно сократить путем встраивания в систему выхлопа сажевого фильтра (DPF, FAP™). Такой фильтр способен на 97% снизить содержание сажи в отработавших газах. Фильтр задерживает и потом окисляет (сжигает) сажу при температуре 500°C, что позволяет предотвратить его засорение. Регенерация фильтра происходит автоматически при движении автомобиля.

    

Устройство

Соты сажевого фильтра

Сажевый фильтр состоит из ячеистого фильтрующего элемента, выполненного из карбида кремния, заключенного в металлический корпус. Керамический фильтрующий элемент состоит из соединенных перемычками параллельных микроскопически малых каналов.

Следующие свойства карбида кремния делают его прекрасным фильтрующим материалом:

• высокая механическая прочность;
• прекрасная устойчивость к колебаниям температур;
• способность выдерживать высокую термическую нагрузку и проводимость;
• высокая износостойкость.

   

Принцип работы

Отработавшие газы проходят через пористые перегородки сажевого фильтра между входящим и исходящим каналами корпуса фильтра. При этом частицы сажи остаются на стороне входа фильтра.

Регенерация сажевого фильтра

Сажевый фильтр необходимо регулярно чистить от сажи, чтобы предотвратить его засорение и нарушение работы. В процессе регенерации скопившиеся в фильтре частицы сажи сгорают при температуре около 500°C. Такая температура отработавших газов может достигаться только при работе дизельного двигателя с полной нагрузкой.

Для того чтобы сажевый фильтр можно было восстанавливать в любых условиях эксплуатации, температура воспламенения сажи снижается при помощи присадки (в системе FAP™), при одновременном повышении температуры ОГ путем вмешательства блока управления двигателя.

При этом различают две системы: сажевый фильтр с использованием (FAP™), и без использования топливной присадки (DPF).

Система с использованием топливной присадки, FAP™ ("filtre a particules"), и/или фильтры закрытого типа с функцией регенерации

Сажевый фильтр расположен под днищем

Цериесодержащая присадка

Данная система применяется в автомобилях с фильтром, удаленным от двигателя. Поскольку в этом случае отработавшие газы проходят длинный путь от двигателя до сажевого фильтра, температура, необходимая для сгорания сажи, может быть достигнута только при использовании цериесодержащей присадки, которая автоматически регулярно впрыскивается в дизельное топливо из отдельного резервуара в топливный бак по сигналу системы контроля работоспособности FAP™-фильтра.

Цериесодержащая присадка представляет собою жидкий коллоидный раствор дизельного топлива с микрогранулами церия. Микрогранулы состоят из частиц церия, заключённых в нерастворимой оболочке из вещества, по своим свойствам напоминающего желатин. Благодаря своему свойству при окислении (сгорании) выделять большое количество тепла, церий дополнительно разогревает выхлопные газы.

Во время такта выпуска отработавших газов, когда выпускные клапаны открыты, происходит послевпрыск топлива, содержащего присадку, в поток газов, вытесняющихся поршнем из цилиндра. Отработавшие газы, уже частично охлаждённые, не вызывают воспламенение церия, а лишь испаряют желатиновую оболочку микрогранул. В предварительно разогретом виде и с испарённой оболочкой, частицы церия попадают на уже разогретую до необходимой температуры (400-600°С) клетчатку FAP™-фильтра, и в присутствии кислорода отработавших газов и углерода сажи мгновенно воспламеняются, поджигая частички сажи, и этим локально поднимая температуру до 1000°С!

Это, с одной стороны, не приводит к повреждению (выгоранию) керамической решётки (клетчатки), а с другой стороны, максимально быстро и в полном объёме окисляет не только частицы сажи (являющиеся разновидностью состояния углерода), но и более сложные составляющие выхлопных газов дизельного двигателя, в том числе и окислы органических соединений.

Система без использования топливной присадки, DPF (Diesel Particulare Filter), и/или фильтры закрытого типа

Данная система применяется в автомобилях с фильтром, расположенным рядом с двигателем. Поскольку отработавшие газы проходят меньший путь от двигателя до сажевого фильтра, их температура достаточно высока для сгорания сажи. При необходимости, температура ОГ может дополнительно повышаться блоком управления двигателя.

Степень загрязнения сажевого фильтра

Дифференциальный датчик давления

Блок управления двигателя постоянно контролирует степень загрязнения сажевого фильтра путем расчета сопротивления потока фильтра. Для определения сопротивления потока значение объемного потока ОГ до сажевого фильтра сопоставляется с разностью давлений до и после сажевого фильтра с помощьюдифференциального датчика давления.

рис.1

рис.2

При отсутствии сигнала от датчика давления ОГ вначале выполняется циклическая регенерация сажевого фильтра в зависимости от пробега или от длительности эксплуатации. Однако такой способ не обеспечивает надежную регенерацию сажевого фильтра в течение длительного времени. После определенного числа циклов в комбинации приборов вначале включается контрольная лампа сажевого фильтра(рис.1), а затем начинает мигать контрольная лампа прогрева камеры сгорания свечами накаливания (рис.2). Это означает, что владелец автомобиля должен обратиться на сервисную станцию.

Объемный поток ОГ рассчитывается блоком управления двигателя на основании значения воздушной массы потока во впускном тракте, которое измеряется расходомером воздуха и датчиком температуры ОГ до сажевого фильтра, служащим также для защиты сажевого фильтра от перегрева. Устанавливаемый перед сажевым фильтром датчик температуры содержит резистор с положительным температурным коэффициентом PTC (Positive Temperature Coefficient). То есть, сопротивление резистора увеличивается с повышением его температуры.

Pасходомер воздуха

Pасходомер воздуха

Датчик температуры ОГ
до сажевого фильтра

Датчик температуры типа PTC

На выпускном коллекторе, перед турбокомпрессором, устанавливается датчик температуры типа PTC. Он служит для измерения температуры омывающих его ОГ. Информация от этого датчика используется для определения момента впрыска и дозирования топлива для дополнительного впрыска. Помимо этого по сигналу данного датчика осуществляется защита турбокомпрессора от действия слишком высоких температур. При выходе датчика температуры из строя, защита турбокомпрессора от перегрева не действует. Поэтому регенерация сажевого фильтра отменяется, а водитель посредством контрольной лампы свечей накаливания предупреждается о необходимости обращения в сервисное предприятие. При этом, рециркуляция ОГ прекращается, чтобы снизить образование сажи.

Датчик кислорода

Датчик кислорода обычно устанавливается на выпускном коллекторе перед нейтрализатором. Позволяет определять концентрацию кислорода в ОГ в достаточно широком диапазоне измеряемых значений. Сигнал этого датчика помогает повысить точность определения дополнительной дозы топлива и момента ее подачи при проведении регенерации фильтра. Наибольшая эффективность процесса регенерации достигается при определенной минимальной концентрации кислорода в ОГ и достаточно высокой их температуре. Регулирование при этом производится по сигналу датчика кислорода, который дополняется сигналом датчика температуры перед турбокомпрессором. При отсутствии сигнала датчика кислорода параметры регенерации определяются менее точно, но она проводится достаточно надежно. При выходе из строя датчика кислорода может иметь место повышенный выброс оксидов азота.

  

Когда блок управления двигателем определяет необходимость очистки сажевого фильтра, запускается процесс активной регенерации. 
При этом выполняются следующие функции:

• Прекращается рециркуляция ОГ, чтобы повысить температуру сгорания топлива (рис. 3).
• Чтобы повысить температуру ОГ, производится дополнительный впрыск топлива, подаваемого после основной дозы, а именно, при повороте коленчатого вала на 35° после ВМТ (рис. 4).
• Подача воздуха в двигатель снижается посредством регулируемой дроссельной заслонки с электроприводом (рис. 5).
• Давление наддува поддерживается на уровне, при котором водитель может не заметить перевод двигателя на режим регенерации. 
  Дополнительная порция топлива догорает в выхлопном тракте, разогревая тем самым выхлопные газы до температуры 600-650°C, необходимой для выгорания сажи (окисления до диоксида углерода). Сажа начинает выжигаться. Об этом может свидетельствовать чёрно-серый дым, выходящий из трубы, Моментальный расход топлива и обороты холостого хода повышаются, в некоторых случаях появляется запах «сгоревших тормозных колодок». Как только сажа выгорит, о чем опять-таки засвидетельствует изменение давления на входе и выходе фильтра, мотор возвращается к обычному режиму работы. После проведения активной регенерации полностью восстанавливается способность фильтра задерживать содержащуюся в ОГ сажу.
  Регенерация выполняется через каждые 500-700 км пробега. Ее продолжительность составляет примерно 5 - 10 минут. Процесс регенерации происходит незаметно для водителя (рис. 6).

Pис. 3

Pис. 4

Pис. 5

Pис. 6

«Ахиллесовой пятой» сажевого фильтра (СФ) является то, что при езде в условиях городских пробок, в выхлопных газах любого, даже самого совершенного дизельного двигателя, будет содержаться увеличенное количество частиц сажи. По этой причине, городской режим движения является самым худшим и опасным для СФ. Фильтр, попросту говоря, может быть быстро закупорен частицами сажи, мощность и крутящий момент двигателя упадут, и автомобиль «перестанет ехать». В случае, когда частицы сажи достаточно сильно закупорили микроканалы клетчатки ФЗ, от осевшей в фильтре сажи следует избавиться при помощи её «выжигания». Для этого температуру внутри фильтра следует довести до 600-800°С с целью увеличения скорости реакции окисления углерода, содержащегося в саже до состояния CO и CO₂. Для "выжигания" сажи из СФ в руководствах по эксплуатации на некоторые модели производители рекомендуют «...время от времени активировать процесс регенерации фильтра, проезжая примерно 40 км со скоростью 80 км/ч на низких передачах, либо двигаться в обычном режиме, также используя низшую из возможных передач...». Проблема состоит в том, что обычный водитель не всегда имеет возможность осуществить предписанные руководством по эксплуатации действия. СФ забивается сажей ещё больше, и, в конце концов, может выйти из строя.

рис. 7

В качестве полумеры, программы компьютеров управления системой впрыска топлива некоторых дизельных двигателей имеют возможность самостоятельно менять параметры работы двигателя с целью "выжечь" из ФЗ отложения сажи, но их оптимальная работа на практике по-настоящему осуществима обычно только совместно с АКПП, и то, не при всех режимах движения автомобиля. Важно отметить, что многочисленные неудачные попытки регенерации сажевого фильтра не проходят бесследно для автомобиля. Во время процесса регенерации обогащённая топливно-воздушная смесь не сгорает полностью, и часть несгоревшего топлива через поршневые кольца все же попадает в моторное масло и, тем самым, разжижает его. Со временем можно заметить, что уровень масла стал значительно выше отметки "max". Это настолько снижает смазывающие и защитные свойства масла, что может нанести вред мотору. Масло с низкой вязкостью легче преодолевает уплотнения, и его подтекания могут быть выявлены в самых неожиданных местах. А попадание масла внутрь интеркулера (через вентиляцию картерных газов), и затем вместе с нагнетаемым воздухом в цилиндры двигателя, может вызвать процесс неконтролируемого горения (двигатель идёт вразнос) вплоть до физического разрушения мотора. Чтобы предотвратить нежелательные последствия несостоявшейся регенерации фильтра, система управления включает контрольную лампу сажевого фильтра (рис. 7) при определенном его заполнении или после нескольких несостоявшихся запусков режима регенерации. Таким образом водитель предупреждается онеобходимости проведения регенерации фильтра в кратчайшие сроки. Он может это сделать, повысив скорость автомобиля до значений, при которых температура ОГ подымается до необходимого для регенерации уровня.

 

Полезная информация

• Часто непроходимость сажевого фильтра и высокое давление внутри выпускного тракта служит причиной выхода из строя клапана EGR системы рециркуляции отработанных газов. И наоборот, неисправный клапан EGR может стать первопричиной выхода из строя сажевого фильтра.
• В БУ двигателя ведется постоянное наблюдение и подсчет циклов регенерации, на основании этих данных БУ принимает решение о необходимости замены фильтра.
• Аварийная регенерация может не запуститься, если достигнуто предельное насыщение DPF-фильтра, и оно находится в диапазоне 105%-125%, - возникает опасность пожара из-за забитости сажевого фильтра.
• Регенерация выполняется гораздо чаще (2-3 раза) во время первых 1000 км цикла вождения для того, чтобы достичь определенного уровня загрузки DPF-фильтра. Это, в свою очередь, необходимо, чтобы снизить допуски на компоненты и систему и сформировать основу для точного вычисления уровня отложений сажи в DPF-фильтре.
• Если регенерация прерывается после запуска, но до ее выполнения на 50%, лампа свечи накаливания вспыхивает при следующем запуске двигателя (непрогретого или прогретого), и регенерация начинается снова после выполнения рабочих условий.
• При каждой регенерации или попытке регенерации определенное количество дизельного топлива впрыскивается в моторное масло, что сокращает срок службы масла до замены. Если в комбинации приборов загорается лампа "INSP", моторное масло истощилось и должно быть заменено. Если это не сделать, двигатель может быть поврежден.
• Для нормальной работы системы нужно топливо Euro-4 с низким содержанием серы, а также моторное масло класса CJ, т.к. оно по экологическим причинам также попадает в камеру сгорания. Отечественное же топливо оседает на катализаторе и блокирует его работу.
• Если в течение часа температура в фильтре не достигнет 450 градусов, то процесс прерывается и впоследствии загорается «чек». Во флэш<