Регенерация сажевого фильтра

Для обезвреживания выхлопных газов бензинового двигателя применяют каталитический нейтрализатор. А как эту задачу решают на дизелях?

У бензинового двигателя нейтрализатор эффективно преобразует токсичные соединения СО, СН, NOх в безвредные компоненты СО₂, H₂O и N₂. При кратковременных отклонениях состава топливовоздушной смеси от оптимального или нарушениях воспламенения могут появляться микрочастицы несгоревшего углерода – проще говоря, сажа. Но пока нет серьезных неисправностей, ее доля в отработавших газах невелика и в нейтрализаторе она дожигается до углекислого газа.

За автомобилем с исправным нейтрализатором черного дыма не бывает. С выхлопом дизеля не все так просто! При работе с небольшими нагрузками температура газов на входе в нейтрализатор бывает гораздо ниже, чем у бензинового двигателя, и сажа просто не успевает сгорать. Но выбрасывать канцерогены в атмосферу – дурной тон, вот и получил дизель в придачу к нейтрализатору особый, сажевый фильтр. На современных двигателях оба узла размещены в едином корпусе – катколлекторе, расположенном рядом с двигателем. Рядом потому, что чем ближе к выпускным клапанам, тем выше температура отработавших газов, необходимая для эффективной работы системы очистки.

Схема выпускной системы дизельного двигателя:

1 - блок управления двигателем;
2 - датчик массового расхода воздуха;
3 - датчик температуры газов на входе в турбокомпрессор;
4 - турбокомпрессор;
5 и 9 - датчики температуры газов перед сажевым фильтром и после него;
6 - датчик состава смеси (широкополосный датчик кислорода);
7 - фильтр-нейтрализатор;
8 - датчик перепада давления газов;
10 - глушитель.
Но все же со временем фильтр постепенно заполняется сажей. Чтобы она намертво не закупорила соты, от нее нужно периодически избавляться, дожигать. Используют два способа. В первом система управления двигателем никак не вмешивается в рабочий процесс - это так называемая пассивная регенерация. Она протекает при температуре газов на входе в фильтр не ниже 350 градусов, в присутствии катализатора - платины, нанесенной на его керамические соты. Последние похожи на хорошо известные соты современных нейтрализаторов, но имеют существенное отличие, показанное на рис. 2. Каналы делятся на впускные и выпускные. В первые, открытые со стороны двигателя, поступают газы со всем букетом отравляющих веществ, в том числе и сажей. Вторые же открыты с противоположной стороны - из них очищенные от сажи газы идут дальше, в нейтрализатор. Каналы расположены в шахматном порядке и разделены тонкими фильтрующими стенками, непроницаемыми для сажи (она остается во впускных), но пропускающими газы. Их материал - пористый карбид кремния, покрытый смесью оксидов алюминия и церия, он-то и служит опорной поверхностью для слоя платины.

Схема организации каналов (сот) сажевого фильтра:

Сажа скапливается во впускных каналах, а газы, пройдя через пористые стенки, уходят в выпускные каналы.

Необходимую для дожига сажи температуру отработавших газов обеспечить в дизеле удается не всегда – при малых нагрузках в цилиндры поступает много воздуха, а топлива мало! Достаточно тепла выделяется лишь в случае работы при относительно высокой мощности – например, на скорости 60–80 км/ч, а то и выше. Но зачастую это невыполнимо, особенно в городе, и самоочистки сажевого фильтра не происходит. Если полагаться только на нее, то со временем сажа полностью закупорит впускные каналы (соты) и рабочие процессы в двигателе нарушатся. Чтобы этого не произошло, от сажи нужно избавляться, а для этого держать высокую температуру газов внутри сажевого фильтра.

Второй способ очистки фильтра – активная регенерация. При необходимости (об этом – ниже) блок управления двигателем начинает подавать в цилиндры немного дополнительного топлива уже после основной дозы, незадолго до открытия выпускного клапана. «Лишняя» солярка сработать не успевает и вылетает в сажевый фильтр, где в присутствии платины бурно горит. Температура газов увеличивается, и сажа сгорает фактически по команде блока управления.

Вернемся к рис. 1. Блоку управления 1 нужно решить, когда и на какое время включать режим активной регенерации фильтра. Но как он сообразит? Очень просто: по падению давления газов на нейтрализаторе. Для этого с обеих его сторон встроены трубки, соединенные с датчиком 8 перепада давления. Когда дельта превысит заданную величину, включится режим регенерации. Обычно он длится 10–15 минут.

На самом деле не все так просто. Перепад давлений на сажевом фильтре связан с объемным расходом отработавших газов, который, в свою очередь, зависит от их температуры. Поэтому перед сажевым фильтром и после него установлены и температурные датчики 5 и 9. Ну и конечно же, для полноты информации блок управления учитывает массовый расход воздуха, датчик 2 которого традиционно размещен во впускной трубе.

Непосредственно на выпускной трубе двигателя есть еще датчик 3. Он отслеживает температуру отработавших газов на входе в турбокомпрессор. Если она приблизится к пределу, за которым возможен перегрев и разрушение весьма дорогостоящего узла, блок управления ограничит подачу топлива – и температура снизится. Разумеется, очистка фильтра происходит наиболее эффективно, когда в него поступают газы с оптимальным соотношением воздух/топливо. Блок управления контролирует состав смеси, опираясь на показания широкополосного датчика кислорода (датчик состава смеси) 6, следящего за содержанием кислорода в отработавших газах.

В конечном счете, переработав всю полученную информацию, блок управления корректирует подачу топлива в цилиндры двигателя. Состояние всех компонентов, отвечающих за очистку выхлопных газов, контролирует бортовая система самодиагностики. Если выявит неисправности, зажжет Check Engine. К примеру, в пробках из-за низкой температуры выхлопных газов, несмотря на все старания блока управления, регенерация не запускается! Фильтр переполняется сажей – и в комбинации приборов горит сигнал с изображением фильтра (если он предусмотрен конструкцией) либо мигает лампа «проверь двигатель». Тогда остается попробовать выжечь сажу пассивным способом – поездить минут десять-пятнадцать при более высоких мощностях. Если после этого контрольная лампа не погаснет, придется ехать к «трубочистам» в сервис.

http://www.zr.ru

Одной из важнейших целей разработчиков дизельных двигателей является снижение содержания вредных веществ в отработавших газах. Существует целый ряд различных технических решений по снижению количества вредных веществ в ОГ. При этом различают меры, затрагивающие и не затрагивающие двигатель

Меры, затрагивающие двигатель:
снижение количества вредных веществ может быть достигнуто оптимизацией конструкции самого двигателя. Эффективная оптимизация процесса сгорания позволяет исключить образование вредных веществ.

К мерам по оптимизации двигателя относятся:
исполнение впускных и выпускных каналов, позволяющее создать оптимальный поток,
высокое давление впрыска благодаря использованию насос-форсунок,
исполнение камеры сгорания, например, уменьшение мертвого объема, форма углубления в днище поршня.

Меры, не затрагивающие двигатель:
Выброс сажи, образующейся при сгорании, может быть предотвращен при помощи мер, не затрагивающих непосредственно сам двигатель. К ним относится снижение количества сажи путем применения сажевого фильтра.
При этом различают две системы: сажевый фильтр с использованием и без использования топливной присадки.

Система с использованием топливной присадки
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 присадки.

12

Система без использования топливной присадки

Данная система будет применяться 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.

Устройство и принцип работы

Система сажевых фильтров с присадкой

На приведенной ниже схеме показаны компоненты сажевого фильтра. На следующих страницах объясняется строение и принцип работы сажевого фильтра с использованием присадки.

1 Блок управления в комбинации приборов J285
2 Блок управления двигателя
3 Бачок с присадкой
4 Датчик бачка топливной присадки (бачок пуст) G504
5 Насос подачи присадки к топливу для работы сажевого фильтра V135
6 Топливный бак
7 Дизельный двигатель
8 Датчик температуры перед турбокомпрессором G507
9 Турбокомпрессор
10 Лямбда-зонд перед катализатором G39
11 Окислительный катализатор
12 Датчик температуры перед сажевым фильтром G506
13 Сажевый фильтр
14 Датчик давления ОГ G450
15 Глушитель
16 Расходомер воздуха G70

Сажевый фильтр

Сажевый фильтр (например, в автомобилях Skoda Superb с двигателем 2,0 л/103 кВт TDI) устанавливается в выпускной системе за окислительным катализатором. Он отфильтровывает сажу из отработавших газов двигателя.

Устройство
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 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 °С. Сажа воспламеняется при температуре примерно 600 650 °С. 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 при одновременном повышении температуры ОГ путем вмешательства блока управления двигателя.
Процессом регенерации управляет блок управления двигателя.

Сажевый фильтр чист

Загрязнение сажевого фильтра

В процессе регенерации происходит сго-рание всей сажи, накопившейся в сажевом фильтре. Регенерация выполняется через каждые 500 - 700 км пробега. Ее продол-жительность составляет примерно 5 - 10 минут. Процесс регенерации происходит незаметно для водителя.

Регенерация сажевого фильтра

Присадка

Присадка представляет собой железосодержащий реагент, растворенный в углеводородной смеси. В автомобилях koda Superb он заливается в отдельный пластмассовый бачок, расположенный в нише для запасного колеса.

Задача присадки состоит в снижении температуры горения сажи, что позволяет осуществить процесс регенерации сажевого фильтра в режиме частичной нагрузки.

Температура воспламенения сажи состав-ляет около 600 650 °С. Такая температура ОГ достигается только при работе дизельного двигателя с полной нагрузкой. Присадка снижает температуру воспламенения сажи примерно до 500 °С.

Присадка автоматически впрыскивается в топливный бак через трубку обратной подачи топлива при каждой заправке. Это производится при помощи насоса присадки сажевого фильтра, управляемого блоком управления двигателя.

Количество залитого в бак топлива рассчитывается блоком управления двигателя на основании анализа информации от датчика уровня топлива. По завершении каждого процесса дозирования концентрация молекул железа в топливе составляет 10 промиль (единиц на миллион). Это соответствует пропорции примерно 1 литр присадки на 2 800 литров топлива.

Топливная присадка поступает в сажевый фильтр вместе с сажей. Там она откладывается вместе с частицами сажи.

Степень загрязнения сажевого фильтра

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.

Разность давлений
Разность давлений воздушного потока до и после сажевого фильтра определяется датчиком давления ОГ G450.
Объемный поток ОГ
Объемный поток ОГ рассчитывается блоком управления двигателя на основании значения воздушной массы потока в выпускном трубопроводе и температуры ОГ до сажевого фильтра. Воздушная масса потока ОГ примерно соответствует воздушной массе потока во впускном тракте, измеряемом расходомером воздуха G70.

Объем воздушной массы ОГ зависит от температуры. Она определяется датчиком температуры перед сажевым фильтром G506. С учетом температуры ОГ блок управления двигателя может на основании воздушной массы потока ОГ рассчитать объемный поток ОГ.

Блок управления двигателя соотносит разность давлений с объемным потоком ОГ получая, таким образом, значение сопротивления потока сажевого фильтра. На основании значения сопротивления потока блок управления двигателя определят степень загрязнения сажевого фильтра.

Управление двигателем в процессе регенерации
Блок управления двигателя делает вывод о степени загрязнения фильтра на основании значения сопротивления потока фильтра. Большая разность давлений указывает на то, что фильтр скоро засорится. Блок управления двигателя запускает процесс регенерации.

В этом случае:

отключается система рециркуляции ОГ, чтобы повысить температуру сгорания, после основного впрыска уменьшенного количества топлива при нахождении поршня в точке 35° угла поворота коленвала после в.м.т. производится дополнительный впрыск в целях повышения температуры ОГ,	22
электрическая дроссельная заслонка регулирует количество всасываемого воздуха,	23
кроме того регулируется давление наддува, благодаря чему в процессе регенерации не происходит ощутимого для водителя изменения крутящего момента.