Сажевые фильтры для дизельных двигателей: Сажевый фильтр, DPF, FAP – назначение, устройство, принцип действия, регенерация сажевого фильтра

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.

 

Сажевые фильтры дизельных двигателей, сравнение оригинальных и совместимых DPF

Перейти к исследованию: Сравнение совместимых и оригинальных дизельных сажевых фильтров (DPF) Cummins

В реальных условиях эксплуатации мы сравнили оригинальные DPF Cummins и совместимые DPF на автомобилях, оснащенных двигателями 2007 ISX15. Разница в производительности была ошеломляющей.

• 1
• 2
• 3

• Совместимый DPF может вызывать вредные уровни противодавления

  В ходе исследований совместимые DPF демонстрировали более высокое противодавление и уменьшение потока выхлопных газов по сравнению с оригинальными сажевыми фильтрами Cummins. Это может привести к преждевременному износу и выходу из строя турбокомпрессора, плохой экономии топлива и повышению эксплуатационных расходов.

  Конструкция и исполнение совместимых DPF существенно отличается от оригинальных фильтрационных камер DPF производства Cummins. При отсутствии сажевой нагрузки совместимый DPF создает большее противодавление двигателя, чем оригинальный DPF Cummins, отрицательно влияя на поток выхлопных газов.

• Увеличение частоты регенерации при осаждении меньшего количества сажи

  Оригинальный DPF Cummins продемонстрировал способность улавливать сажу в 3,75 раз больше, чем совместимый исследуемый DPF, удерживающая до 150 грамм сажи до активной регенерации.

  Слишком частая регенерация может отрицательно влиять на расход топлива, привести к усталости металла выхлопных труб и бака, увеличить риск растрескивания и/или плавления DPF и вызвать дополнительный износ вышестоящих компонентов системы.

• Очистка — там, где совместимые DPF терпят неудачу. Снова.

  Накопление сажи/золы в системе нейтрализации выхлопных газов DPF — результат нормальной работы двигателя. Со временем это приводит к необходимости частой повторной нейтрализации выхлопных газов. При регистрации кода неисправности DPF проводится тест для выявления необходимости в очистке DPF. Перед тестом проводится стационарная регенерация для удаления сажи, присутствующей в DPF.

  Исследования показывают что, после стационарной регенерации оригинальные DPF Cummins обеспечивают адекватный выхлопной поток, тогда как совместимые DPF все еще превышают порог сигнала отказа, требуя затратной по времени и дорогостоящей чистки.

+-

Факторы, которые необходимо учесть

Содержание драгоценных металлов имеет решающее значение

Правильное количественное содержание и распределение по фильтру драгоценного металла критично. Участвующие в исследовании совместимые DPF не удовлетворяют стандартам Cummins. Это имеет значительные последствия для SCR части системы нейтрализации выхлопных газов, в том числе возможен вывод кода неисправности и повышение расхода водного раствора мочевины (DEF).

Снижение затрат на эксплуатацию составило минимум 1 400 долл. США

Возможно владельцам потребуется приобрести два совместимых DPF вместо одного оригинального продукта Cummins. На сегодняшний день это будет стоить примерно 3 400 долл. США по сравнению с 2 000 долл. США при выборе оригинального DPF Cummins. Это уже увеличивает расходы только на DPF примерно на 1 400 долл. США. Простой, срыв сроков поставки, снижение топливной эффективности и повышение трудозатрат — все это приводит к росту потерь.

Мы станем вам надежной опорой

Качество продукта определяется компанией, изготовившей его. Оригинальные DPF компании Cummins поддерживаются самой большой в Северной Америке сетью обслуживания и поставки запасных деталей, насчитывающей более 3 500 авторизованных центров.

Независимо от места следующей загрузки вы можете быть уверены в близости центра Cummins.

Перенаправление на

cummins.com

Дизельные сажевые фильтры, оригинальные и подходящие сажевые фильтры

Испытание: оригинальный сажевый фильтр Cummins и готовый сажевый фильтр

В ходе недавнего исследования мы сравнили оригинальные сажевые фильтры Cummins с сажевыми фильтрами, устанавливаемыми на автомобили с двигателями ISX15 2007 года выпуска, в реальных условиях эксплуатации. Разница в производительности была ошеломляющей.

• 1
• 2
• 3

• Подходящие сажевые фильтры могут создавать опасные уровни противодавления

  В ходе испытаний подходящие сажевые фильтры продемонстрировали более высокое противодавление и меньший поток выхлопных газов по сравнению с оригинальными сажевыми фильтрами Cummins в реальных условиях эксплуатации. Это может привести к преждевременному износу и выходу из строя турбонагнетателя, снижению расхода топлива и увеличению эксплуатационных расходов.

  Конструкция и конструкция подходящих фильтров DPF значительно отличаются от оригинальных фильтрующих камер Cummins DPF. При нулевом содержании сажи подходящий DPF создавал большее противодавление в двигателе, чем оригинальный Cummins DPF, что негативно влияло на поток выхлопных газов.

• Низкая емкость загрузки сажи приводит к чрезмерной регенерации

  Подлинный сажевый фильтр Cummins обеспечивает более чем в 3,75 раза большую золоудерживающую способность по сравнению с проверенным нами готовым сажевым фильтром, удерживая до 150 граммов сажи до того, как произойдет активная регенерация.

  Чрезмерная активная регенерация может отрицательно сказаться на эффективности использования топлива, привести к усталости металла на выхлопных трубах и адсорбере, увеличить риск растрескивания и/или плавления сажевого фильтра и вызвать дополнительный износ других компонентов, расположенных выше по потоку.

• Идет очистка — там, где подходящие сажевые фильтры терпят неудачу. Опять таки.

  Накопление сажи/золы в DPF дополнительной обработки является функцией нормальной работы двигателя. Со временем это накопление может вызвать частые регенерации после обработки. Когда регистрируется код неисправности DPF, требуется проверка ограничения, чтобы определить, нуждается ли DPF в очистке. Перед испытанием проводится стационарная регенерация для удаления сажи, присутствующей в DPF.

  Данные испытаний показывают, что после стационарной регенерации оригинальные сажевые фильтры Cummins обеспечивают достаточный поток выхлопных газов, в то время как пригодные сажевые фильтры по-прежнему превышают порог отказа, что требует длительной и дорогостоящей очистки в полевых условиях.

+-

Дополнительные факторы, которые необходимо учитывать

Содержание драгоценных металлов имеет решающее значение

Необходимое количество содержания драгоценных металлов и правильное распределение в фильтре имеют решающее значение. Протестированные сажевые фильтры, пригодные для установки, не соответствовали стандартам Cummins. Это приводит к серьезным последствиям в части SCR системы доочистки выхлопных газов, в том числе к срабатыванию индикаторов кода неисправности и повышенному расходу жидкости для выхлопных газов дизельных двигателей (DEF).

A Минимум 1400 долларов США, сэкономленных на общей стоимости эксплуатации

Владельцы могут запланировать покупку двух готовых сажевых фильтров вместо одного оригинального продукта Cummins. По сегодняшним ценам это будет стоить около 3400 долларов против 2000 долларов за оригинальный Cummins DPF. Это примерно 1400 долларов дополнительно только для DPF. Время простоя, пропущенные поставки, снижение эффективности использования топлива и затраты на оплату труда — все это еще больше.

Мы вас поддержим

Продукт хорош настолько, насколько хороша компания, которая за ним стоит. Оригинальные сажевые фильтры Cummins поддерживаются крупнейшей и наиболее эффективной сетью запасных частей и сервисного обслуживания в Северной Америке, насчитывающей более 3500 авторизованных точек. Поэтому независимо от того, куда вас доставит следующая загрузка, будьте уверены, что поблизости есть завод Cummins.

Перенаправление на

cummins.com

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.

Дизельная фильтрация 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 показаны 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 скапливается лишь небольшая часть общего количества сажи, она способствует резкому увеличению перепада давления на фильтре, показанному на 9.0067 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.