Фильтр dpf: Что такое DPF фильтр и как его чистить если он заполнен

Содержание

Сажевый фильтр DPF

С 1 сентября 2009 года в Европейском союзе был введен в действие новый экостандарт выхлопа для легковых автомобилей – Евро-5. В России применение данного стандарта стало обязательным с 1 января 2016 года. С этого момента импортируемые или производимые на территории нашей страны автомобили должны соответствовать установленным ограничениям на содержание вредных примесей в продуктах отработки двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Для автомобилей с дизельным двигателем это означает обязательное наличие так называемых сажевых фильтров.

Сажевый фильтр (его еще называют фильтр твердых частиц, от англ. Diesel Particulate Filter, DPF) – это устройство, предназначенное для фильтрации продуктов горения дизельных ДВС от мелких частиц сажи. Качественные сажевые фильтры снижают выброс сажи в окружающую среду практически на 99,9%.

В зависимости от различных параметров (качество используемого топлива, режим работы ДВС и т. п.) частицы сажи могут иметь различный химический состав. Сажевые частицы представляют собой аморфный углерод с примесью частиц металлических окислов, воды, углеводородов, серы и других химических элементов. Размеры этих частиц варьируются от 10 до 1000 нанометров. Образование сажи происходит из-за неполного сгорания топлива, что может быть вызвано рядом причин (большое количество примесей в топливе, затрудняющих самовоспламенение, недостаток кислорода и т.п.). Образуясь в ходе горения топлива в цилиндрах ДВС, частицы сажи поступают в выпускную систему, где улавливаются сажевым фильтром.

Конструктивно сажевые фильтры состоят из керамической матрицы, помещенной в герметичный металлический корпус.
Матрица состоит из множества ячеек квадратной формы (имеются модификации с усовершенствованными восьмиугольными ячейками), которые представляют собой узкие каналы, поочередно закрытые с обеих сторон.
Внутренняя поверхность каждого канала выполнена из пористого материала, который и представляет собой фильтрующий элемент. Расположение сажевого фильтра в выпускной системе зависит от его модели и конфигурации.

Чаще всего он расположен непосредственно после каталитического нейтрализатора, однако в некоторых модификациях эти два элемента объединены. В нейтрализаторах окислительного типа сажевый фильтр располагается после выпускного коллектора. Данное расположение неслучайно, т.к. именно здесь температура отработанных газов, поступающих из ДВС, имеет максимальное значение. Каналы ячеек матрицы в этом случае покрывают катализатором, который окисляет несгоревшие частицы топлива.

В процессе работы фильтра частицы сажи постепенно заполняют собой фильтрующий материал стенок каналов матрицы. Когда их концентрация достигает критического значения, они затрудняют продвижение отработанных газов по выпускной системе, что негативно сказывается на КПД двигателя (снижается мощность). Отдельную проблему представляют малые частицы сажи размерами порядка 0,1 мкм, т.к. они очень тяжело улавливаются сажевым фильтром. И хотя их доля в общем объеме выбрасываемой ДВС сажи составляет около 5%, данные частицы представляют наибольшую опасность для человека: частицы размером менее 5 микрон не отфильтровываются в верхних дыхательных путях, в результате чего сажа накапливается в легких. Поэтому помимо этапа фильтрации в работе сажевого фильтра выделяют этап регенерации. Регенерация позволяет избавлять фильтр от накопившейся сажи и повышать его фильтрующую способность.

Регенерация сажевого фильтра может быть выполнена в двух вариантах: активном и пассивном.

При пассивной регенерации размещенный в ячейках катализатор при воздействии температуры выхлопных газов ускоряет процесс окисления (сгорания) отфильтрованных частиц сажи. Иногда для улучшения данного эффекта в дизельное топливо добавляют специальные присадки, которые позволяют запустить реакцию окисления сажи при меньших значениях температуры. Однако в ряде случаев (работа ДВС на холостом ходу, малые нагрузки, движение в пробках и т. п.) необходимое значение температуры для запуска пассивной регенерации не достигается. В таких случаях применяют активную регенерацию.
Активная регенерация подразумевает применение более высоких значений температуры. При использовании принудительной регенерации температура газов в фильтре повышается до 600 градусов по Цельсию. Это может достигаться несколькими способами, которые используются как комплексно, так и по отдельности. К ним относят задержку времени подачи дизельного топлива в камеру сгорания ДВС, дополнительную подачу топлива в цилиндры на такте выпуска отработанных газов, распыление небольшого количества топлива в отработанные газы, поступающие в сажевый фильтр, разогрев газов перед фильтром различными способами (нити накаливания, микроволны) и другие.

В современных сажевых фильтрах используются как пассивная, так и активная регенерации. Разработка новых экологических стандартов требует постоянной оптимизации и усовершенствования конструкции и принципов работы сажевых фильтров. На сегодняшний день наиболее распространенными являются сажевые фильтры с каталитическим покрытием и сажевые фильтры с системой ввода присадок в топливо.

Фильтры первого типа устанавливаются на автомобили, производимые концерном Volkswagen, а также некоторыми другими производителями.

В качестве катализатора в этих фильтрах используют платину и ее соединения. За счет работы катализатора находящаяся в фильтре сажа сгорает под воздействием температуры отработавших газов, после чего удаляется из фильтра. В процессе окисления частиц сажи оксиды азота NO за счет присутствия катализатора окисляются до диоксида NO2. Диоксид азота, взаимодействуя с сажей (основную часть которой составляет углерод), образует два соединения – оксиды азота и углерода (угарный газ). Затем образовавшиеся оксиды оксиляются кислородом и образуют соответствующие диоксиды. Температура протекания процесса обычно не превышает 500 градусов по Цельсию.

В случаях, когда отдельные компоненты системы управления (например, датчик измерения расхода воздуха (расходомер), датчики температуры на входе и выходе фильтра, датчики давления и т. п.) сигнализируют о падении пропускной способности фильтра, требуется проведение активной регенерации, во время которой температура внутри сажевого фильтра достигает 650 градусов по Цельсию. Когда датчики системы управления сигнализируют о снижении пропускной способности, блок управления увеличивает объем подаваемого топлива в цилиндры, одновременно ограничивая объем поступающего воздуха (кислорода). В таких условиях температура газов повышается до необходимых для активной регенерации значений.

Сажевые фильтры с системой ввода присадок в топливо функционируют по иным принципам. Этот тип сажевых фильтров был разработан концерном Peugeot-Citroen (PSA). В связи с тем, что активно внедряли в массовое производство данные фильтры именно французские производители, за такими фильтрами закрепилась не англоязычная аббревиатура DPF, а франкоязычная FAP (Filtre A Particules). Спустя некоторое время эти фильтры на своих автомобилях стали устанавливать Ford и Toyota.

В связи с отсутствием в фильтрующих ячейках фильтра катализатора для горения сажи, конструктивно такие фильтры устанавливаются отдельно от каталитического нейтрализатора. При этом в топливо добавляется специальная присадка (на основе церия и его соединений), которая снижает минимально необходимую температуру горения частиц сажи до 450-500 градусов по Цельсию. В ряде случаев подобные значения температуры во время пассивной регенерации недостижимы, поэтому в фильтре происходит постепенное накопление сажевых частиц. При достижении их критического значения необходимо применять активную регенерацию.

Вводимая в топливо для обеспечения горения сажи присадка располагается в отдельной емкости объемом до пяти литров. Этого количества присадки обычно хватает на 80-120 тысяч километров пробега автомобиля и характеризует срок службы сажевого фильтра. Количество оставшейся присадки постоянно мониторится с помощью поплавкового датчика. Количество добавляемой присадки контролируется электроникой и пропорционально объему топлива, поступившему в топливный бак во время заправки автомобиля.

Применение присадки в топливо для горения сажи обуславливает наличие в отработавших газах продуктов горения церия, которые также улавливаются фильтром, но в отличие от частиц сажи, они не сгорают даже при активной регенерации. Это ограничивает период работы сажевого фильтра. Современные сажевые фильтры с системой присадок в топливо поддерживают свою работоспособность на протяжении 120 000 км пробега, однако уже сегодня производители заявляют о появлении в скором времени фильтров, способных эффективно выполнять свои функции на протяжении 250 000 км пробега.

После того, как сажевый фильтр выработал свой ресурс, его необходимо заменить на новый. Однако из-за их высокой стоимости зачастую автолюбители не устанавливают в автомобиль новый сажевый фильтр, а перепрограммируют систему управления дизелем на работу без 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.

Дизельные сажевые фильтры

В. Адди Маевски

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Материалы для дизельных фильтров
Регенерация дизельного фильтра
Системы дизельных фильтров
Накопление золы в дизельных сажевых фильтрах

Аннотация : Дизельные сажевые фильтры улавливают выбросы твердых частиц с помощью комбинации механизмов фильтрации, таких как диффузионное осаждение, инерционное осаждение или улавливание поточной линии. Собранные частицы удаляются из фильтра непрерывно или периодически посредством термической регенерации. Дизельные фильтры очень эффективны в контроле выбросов твердых частиц, включая количество твердых частиц, но могут быть неэффективны в контроле жидких фракций выбросов ТЧ. Сначала фильтры были коммерциализированы в качестве модернизированных устройств, после чего они стали широко применяться в новых дизельных двигателях малой и большой мощности как для шоссе, так и для внедорожной техники.

Введение
Коммерческий статус

Принцип работы
Характеристики выбросов

Определение. Дизельные сажевые фильтры (DPF) — это устройства, которые физически улавливают дизельные частицы посредством процессов фильтрации, чтобы предотвратить их выброс в атмосферу. Дизельные сажевые фильтры стали наиболее эффективной технологией контроля выбросов дизельных твердых частиц, включая массу и количество частиц, с высокой эффективностью.

Благодаря механизмам осаждения частиц в этих устройствах фильтры наиболее эффективно контролируют твердую фракцию дизельных частиц, включая элементарный углерод (сажу) и связанный с ним выброс черного дыма. Фильтры могут иметь ограниченную эффективность или быть совершенно неэффективными в контроле нетвердых фракций выбросов ТЧ — органической фракции (OF) и сульфатных частиц. Чтобы контролировать общие выбросы твердых частиц, большинство систем DPF включают катализаторы для окисления OF, в то время как топливо со сверхнизким содержанием серы требуется для использования катализаторов и контроля содержания сульфатных частиц.

Термин «сажевый фильтр» иногда используется как синоним «сажевого фильтра», особенно в старой литературе. Термин «ловушка» охватывает более широкий класс устройств для разделения частиц. В промышленном пылеотделительном оборудовании обычно используются несколько механизмов осаждения частиц, помимо фильтрации. Примеры включают гравитационное осаждение, центробежное разделение или электростатическое улавливание. Ни один из этих методов не может быть использован для контроля выбросов твердых частиц дизельного топлива из-за малого размера частиц и низкой плотности дизельной сажи.

Можно отметить, что катализаторы окисления частиц (POC), иногда называемые фильтрами частичной очистки , также могут улавливать твердые частицы дизельного топлива, но обеспечивают гораздо более низкую общую эффективность, чем фильтры твердых частиц. В своих обычных конструкциях POC улавливают твердые частицы только из части потока, тогда как весь поток фильтруется в дизельных сажевых фильтрах. Однако в случае некоторых фильтрующих материалов различие может быть не очень четким, и устройства можно классифицировать либо как POC, либо как (глубинный) фильтр твердых частиц.

Сбор и регенерация. Из-за низкой объемной плотности дизельных частиц, которая обычно ниже 0,1 г/см ³ (плотность зависит от степени плотности; например, число 0,056 г/см ³ было сообщено Wade [497] ), сажевые фильтры могут быстро накапливать значительные объемы сажи. Несколько литров сажи в день можно собрать из двигателя большегрузного грузовика или автобуса старого поколения. Собранные твердые частицы в конечном итоге вызовут чрезмерно высокий перепад давления отработавших газов на фильтре, что отрицательно скажется на работе двигателя. Таким образом, дизельные сажевые фильтры должны обеспечивать способ удаления твердых частиц из фильтра для восстановления его способности улавливать сажу. Это удаление твердых частиц, известное как фильтр

регенерация , может выполняться либо непрерывно, при штатной работе фильтра, либо периодически, после накопления заданного количества сажи. В любом случае регенерация фильтрующих систем должна быть «невидимой» для водителя/оператора транспортного средства и выполняться без его вмешательства. Обычно используется термическая регенерация дизельных сажевых фильтров, при которой собранные частицы окисляются кислородом и/или диоксидом азота до газообразных продуктов, прежде всего до диоксида углерода. Концепция схематически показана на рисунке 1.9.0003 Рисунок 1 . Концепция сажевого фильтра с термической регенерацией

Чтобы обеспечить достаточное окисление твердых частиц, фильтр должен работать при достаточной температуре. В некоторых системах фильтрации источником тепла является сам поток выхлопных газов. В фильтрующей системе этого типа, называемой пассивным фильтром , фильтр непрерывно регенерируется во время обычной работы двигателя. Пассивные фильтры обычно включают в себя катализатор, который снижает температуру окисления сажи до уровня, который может быть достигнут выхлопными газами во время работы автомобиля. Другой подход, который может потребоваться для обеспечения надежной регенерации, включает активные стратегии повышения температуры фильтра, такие как управление двигателем, сжигание топлива в выхлопной системе или электрические нагреватели. Регенерация таких устройств, известных как активные фильтры , обычно выполняется периодически, как определено системой управления транспортным средством. Классификация систем сажевых фильтров более подробно представлена в разделе «Системы дизельных фильтров».

###

Дизельные сажевые фильтры, оригинальные и подходящие сажевые фильтры

Испытание: оригинальные сажевые фильтры Cummins и готовые сажевые фильтры

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.

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. Снова.
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 сажевые фильтры по-прежнему превышают порог отказа, что требует длительной и дорогостоящей очистки в полевых условиях.

Дополнительные факторы, которые следует учитывать

Содержание драгоценных металлов имеет решающее значение

Правильное 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.