Сажевые фильтры для очистки отработавших газов дизелей. Принцип работы

Снижение выброса сажевых частиц является сегодня одной из сложнейших задач в области очистки отработавших газов дизелей. Помимо мероприятий, направленных на снижение выбросов СО, СН и NOх и 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: фильтры с «металлической шерстью», фильтры с керамическими фильтрующими элементами, спиральные фильтры с керамическим наполнителем и другие.

Общая схема системы выпуска отработавших газов дизельного двигателя с сажевым фильтром показана на рисунок.

Рис. Системы выпуска отработавших газов дизельного двигателя с сажевым фильтром:
1 – комбинация приборов; 2 – блок управления системы непосредственного впрыска дизельного двигателя; 3 – расходомер воздуха; 4 – дизельный двигатель; 5,9, 10 – датчики температуры отработавших газов; 6 – турбонагнетатель; 7 – датчик кислорода; 8 – катализатор окисления; 11 – сажевый фильтр; 12 – датчик давления

Наибольшее распространение нашли фильтры с керамическими фильтрами. Сажевый фильтр состоит из сотообразных керамических модулей из карбида кремния в металлическом корпусе. Керамический модуль разделен на множество мелких каналов, которые создают лабиринт. Тем самым образуются впускные и выпускные каналы, разделенные стенками фильтра. Стенки фильтра из карбида кремния имеют поры и покрыты слоем из оксида алюминия и окиси церия. На этот слой напылен драгоценный металл платина, который и служит катализатором. Покрытие из окиси церия в сажевом фильтре снижает температуру воспламенения сажи и ускоряет термическую реакцию с кислородом.

По сравнению с каталитическим нейтрализатором со свободным проходом отработавших газов, в сажевом фильтре каналы уста­новлены с чередованием открытых и закрытых концов, а отработавшие газы о частицами сажи пропускаются через пористые стенки ячеистой конструкции без покрытия. Сажевые частицы при этом осаждаются в порах стенок. В зависимости от пористости керамического тела эти фильтры могут задерживать от 70 до 90% твердых частиц.

Рис. Принцип действия керамического сажевого фильтра:
1 – вход отработавших газов; 2 – керамическая пробка; 3 – разделительная перегородка; 4 – выход очищенных отработавших газов

Для нормальной работы при длитель­ных условиях эксплуатации сажевые фильтры должны подвергаться регенерации через определенные промежутки времени, при этом осуществляется до­жигание сажевых частиц. Частицы сажи, участвую в реакции с двуокисью азота, превращаются в углекислый газ.

Процесс регенерации сажевого фильтра с каталитическим покрытием разделяют на пассивную и активную регенерацию. Пассивная регенерация осуществляется при высоких температурах рабочего процесса двигателя порядка 350 … 500 °C. Для осуществления пассивной регенерации в топливо добавляются специальные присадки, уменьшающие температуру воспламеняемости сажевых частиц отработавших газов.

При небольших нагрузках на двигатель температура отработавших газов слишком низка для пассивной регенерации. Сгорание сажевых частиц становится невозможным, поэтому происходит их скопление в фильтре. В таком случае применяется активная регенерация. Активная регенерация осуществляется с помощью нагревательного элемента, или системой управления двигателя, повыша­ющих температуру отработавших газов приблизительно до 600…700°С. В этом температурном диапазоне скопившаяся сажа окисляется в фильтре до углекислого газа. Процесс регенерации длится примерно 10 … 15 минут.

При регенерации с помощью системы управления двигателя в систему выпуска подается воздух, рециркуляция отработавших газов отключается, чтобы увеличить температуру сгорания и долю кислорода в камере сгорания. Дополнительно для увеличения температуры сгорания производятся дополнительные впрыски, причем основная фаза впрыска происходит с запаздыванием. Топливо, подаваемое в цилиндры двигателя не сгорает, а испаряется в камере сгорания. Несгоревшее топливо горит в катализаторе окисления. Вырабатываемая при этом теплота обеспечивает повышение температуры отработавших газов перед сажевым фильтром до температуры сгорания сажевых частиц.

Для расчета дополнительно впрыскиваемого количества топлива блок управления двигателя использует сигналы датчиков температуры отработавших газов.