Сажевый фильтр.

Снижение выброса сажевых частиц является сегодня одной из сложнейших задач в области очистки
отработавших газов (ОГ) дизелей. Помимо мероприятий, направленных на снижение
образования сажи при сгорании топлива непосредственно в двигателе, особое внимание уделяется
фильтрации газов на выпуске из него.Одним из эффективных способов очистки газов от
сажевых частиц является их задержание посредством специальных фильтров.

Наибольшее распространение нашли системы, состоящие из нейтрализатора окислительного типа
и сажевого фильтра. Сажевый фильтр с каталитическим покрытием,
который в одном корпусе объединяет фильтр с нейтрализатором. Помимо этого он позволяет практически непрерывно выжигать задержанную сажу без введения специальных добавок в топливо.
Последнее свойство достигнуто как применением особой конструкции фильтра, так и в результате его
максимального приближения к двигателю.

Как это работает? Сажевый фильтр. GarantDiagnos.ru Компьютерная диагностика.

Общие сведения

При сгорании дизельного топлива образуются вещества различного типа и вида. Работа непрогретого двигателя обычно сопровождается выбросами белого или сизого дыма, образуемого каплями
несгоревших или частично окисленных углеводородов, и выбросами альдегидов, присутствие которых
в ОГ легко распознается по их характерному запаху.

На выпуске дизеля присутствуют не только газообразные вещества, но и твердые образования,
размеры которых соизмеримы с размерами частиц пыли. Эти образования, получившие общее название "частицы" (Partikel), считаются вредными для здоровья людей и загрязняющими среду обитания.

Как это работает? Сажевый фильтр. GarantDiagnos.ru Компьютерная диагностика.

Процесс образования частиц сажи в дизеле


Образование сажи в дизеле зависит от ряда процессов, определяющих сгорание топлива. Это процессы
подвода воздуха, впрыска топлива и распространения пламени. Качество сгорания топлива определяется в значительной степени процессом образования топливовоздушной смеси.
Из-за недостатка кислорода в некоторых зонах камеры сгорания образуется слишком богатая смесь, сгорание
которой не может быть полным и сопровождается образованием частиц сажи.

 

Число и масса частиц зависят в принципе от качества протекающих в двигателе процессов смесеобразования и сгорания. Топливная система с насос-форсунками обеспечивает впрыск топлива под очень
высоким давлением и с соответствующим требованиям двигателя протеканием подачи по времени.
Благодаря этому создаются условия для повышения эффективности процесса сгорания и снижения
образования частиц сажи. Однако, высокие давления впрыска и соответствующая им повышенная мелкость распыливания топлива не могут обеспечить достаточное измельчение частиц сажи.
Измерения размеров этих частиц показали, что их распределение по величине практически не зависит
от способа смесеобразования, т. е. оно очень близко у двигателей с вихревой камерой сгорания и у двигателей с непосредственным впрыском посредством системы Common Rail или насос-форсунок.

 Как это работает? Сажевый фильтр. GarantDiagnos.ru Компьютерная диагностика.

Типичная частица сажи, образовавшаяся при сгорании
топлива в дизеле

Система очистки газов с сажевым фильтром, имеющим каталитическое покрытие

 


Ниже приведено описание компонентов системы очистки газов с сажевым фильтром.

Как это работает? Сажевый фильтр. GarantDiagnos.ru Компьютерная диагностика.

1 – блок управления в комбинации приборов J285
2 – блок управления двигателем
3 – расходомер воздуха
4 – дизель
5 – датчик температуры перед турбокомпрессор G507
6 – турбокомпрессор

7 – датчик температуры перед сажевым фильтром G506
8 – датчик кислорода G39
9 – сажевый фильтр
10– датчик 1 перепада давления на сажевом фильтре
G450
11– датчик температуры после сажевого фильтра G527
12– глушитель

Устройство

Матрица сажевого фильтра представляет собою ячеистую структуру из керамики на базе карбида кремния.
Керамическая матрица заключена в металлический корпус. Она пронизана множеством параллельно расположенных каналов малого сеченья, закрытых попеременно с одной или другой стороны. Поэтому различают впускные и выпускные каналы, разделенные между собой фильтрующими стенками.

 Как это работает? Сажевый фильтр. GarantDiagnos.ru Компьютерная диагностика.

Фильтрующие стенки состоят из пористого карбида кремния.
Они покрыты смесью оксидов алюминия и церия, выполняющих функцию подложки для катализатора, в качестве которого используется благородный металл – платина.
Катализатор – это вещество, которое способствует протеканию химической реакции, но само при этом
не изменяется и новых соединений не образует. 

 

Принцип действия

Так как каналы фильтра закрыты попеременно со стороны впуска и выпуска, содержащие частицы сажи газы
вынуждены проходить через пористые стенки из карбида кремния. При этом частицы сажи задерживаются во
впускных каналах, а газ свободно проходит через поры стенок каналов.

Зоны сажевого фильтра с каталитическим покрытием Сажевый фильтр должен быть относительно длинным, чтобы обеспечить улавливание достаточно большого количества сажи. Помимо этого он
должен содержать достаточное для обеспечения каталитического действия количество платины.
Каталитическое покрытие распределено по длине фильтра не равномерно, а по зонам.

В передней зоне платины значительно больше, чем в задней зоне. Неравномерное распределение платины по
зонам имеет следующие преимущества:
● При работе двигателя на обычных режимах передняя часть сажевого фильтра нагревается быстрее, чем его
задняя часть. Поэтому относительно большое количество платины в этой зоне способствует ускорению ее
каталитического действия. При этом говорят о хороших пусковых качествах сажевого фильтра.
● В процессе регенерации выгорание сажи сопровождается сильным нагревом задней части фильтра.
Но высокие температуры приводят к постепенному разрушению слоя платины. Поэтому можно сэкономить
на дорогостоящей платине, снижая толщину покрытия в задней зоне фильтра.
● С другой стороны уменьшение количества платины в задней зоне обосновано процессами старения
фильтра. В процессе эксплуатации автомобиля в задней части фильтра накапливается больше снижающих
каталитическое действие платины отложений, чем в его передней части.

Регенерация фильтра

Чтобы предотвратить чрезмерное повышение сопротивления фильтра и снижение его работоспособности,
необходимо время от времени освобождать его от сажи. В процессе регенерации накопленные в фильтре
частицы сажи выжигаются (окисляются). Различают активную и пассивную регенерацию сажевого фильтра
с каталитическим покрытием. Для водителя процесс регенерации протекает незаметно.

Пассивная регенерация

При пассивной регенерации выжигание сажи производится непрерывно и без специального вмешательства в
управление двигателем. При расположении сажевого фильтра вблизи от двигателя температура поступающих
в него газов может достигать, например, при движении на автомагистрали порядка 350-500°С. При этом
протекают реакции, в результате которых частицы сажи взаимодействуют с диоксидом азота и превращаются
в диоксид углерода. Этот многоступенчатый процесс протекает непрерывно над слоем платины, которая
выполняет роль катализатора.

Как это работает? Сажевый фильтр. GarantDiagnos.ru Компьютерная диагностика.

Принцип действия

Содержащиеся в ОГ оксиды азота (NOX) реагируют в присутствии платины с кислородом, образуя диоксид
азота (NO2).

NOX + O2 образуют NO2

Диоксид азота (NO2) реагирует с углеродом (C) сажевых частиц. В результате получаются окись углерода
(CO) и окись азота (NO).

NO2 + C образуют CO + NO

Окись углерода (CO) и окись азота (NO) реагируют с кислородом (O2), образуя диоксид азота (NO2) и
диоксид углерода (CO2).

CO + NO + O2 образуют NO2 + CO2

Активная регенерация

При активной регенерации частицы сажи выжигаются в условиях высоких температур, получаемых в результате направленного управления двигателем. Для эксплуатации автомобиля в городе характерны небольшие нагрузки двигателя, а соответствующие им невысокие температуры ОГ не обеспечивают пассивную регенерацию сажевого фильтра. При этом частицы сажи не удаляются из фильтра и забивают его каналы. При скоплении в фильтре определенного количества сажи запускается процесс его активной регенерации, протекающий по командам системы управления двигателем. Процесс активной регенерации длится приблизительно 10 минут. При этом температура ОГ повышается до 600-650°C, что достаточно для окисления сажи до диоксида углерода.

Как это работает? Сажевый фильтр. GarantDiagnos.ru Компьютерная диагностика.

Принцип действия

При активной регенерации частички сажи сгорают благодаря высокой температуре ОГ. При этом образующий
частицы сажи углерод соединяется с кислородом, образуя диоксид углерода.
C + O2 образуют CO2

Принцип действия фильтра при активной регенерации

Частицы сажи скапливаются во впускных каналах. Необходимость в проведении активной регенерации
определяется блоком управления двигателем по сигналам, поступающим с расходомера воздуха, датчиков
температуры ОГ перед и после сажевого фильтра, а также датчика перепада давления на нем.

Как это работает? Сажевый фильтр. GarantDiagnos.ru Компьютерная диагностика.

При заполнении фильтра сажей до определенной величины система управления двигателем запускает процесс
активной регенерации.