Условия восстановления для сажевых фильтров

Сравнение достижимых температур ОГ в различных системах

У всех технологий восстановления сажевых фильтров есть одно общее свойство — при определенных типичных условиях температура ОГ оказывается ниже температуры воспламенения сажи. Это происходит, к примеру, при низкой нагрузке во время езды по городу, где пассивное восстановление невозможно. Если в этом диапазоне система регулирования не может определить необходимость восстановления — например, из-за превышения порогового противодавления ОГ — то придется повысить температуру ОГ. Это условие можно выполнить, к примеру, посредством дополнительного впрыска топлива в выпускной тракт. Насколько нужно повысить температуру, зависит от технологии восстановления и системы фильтрации.

Величина роста температуры зависит от нагрузки и режима движения и может составлять до 300°С. У современных дизельных двигателей с системой впрыска Common Rail при большой мощности и оборотах температура ОГ может достигать 600 °С. Таким образом, температура воспламенения сажи в 600°С достигается, но в узком диапазоне характеристик. Во всем остальном диапазоне характеристик фильтр не восстанавливается сам по себе.

Этот диапазон температур можно уменьшить с помощью описанных ранее технологий восстановления до:

• 400 °С — с помощью присадочной технологии (FBC);
• 360°С — с помощью сажевого фильтра с каталитическим покрытием;
• 280°С — с помощью системы CRT.

Но даже при самых низких температурах воспламенения сажи остается остаточный диапазон, в котором пассивные технологии сжигания сажи не работают. Восстановление во всем рабочем диапазоне удается лишь путем сочетания пассивных и активных технологий, например, электрического нагрева ОГ или дополнительного впрыска топлива.

Нежелательный процесс при восстановлении фильтра — частичное восстановление лишь в некоторых областях фильтра. В результате в фильтре изменяются параметры давления и условия обтекания, что отрицательно сказывается на отложении частиц, их распределении и восстановлении фильтра.

Сажевым фильтрам требуется определенная длина для обеспечения достаточно большого аккумулирующего объема. Кроме того, платиновое покрытие может достичь каталитического эффекта. Каталитическое покрытие сажевого фильтра должно быть поделено на различные зоны по всей длине фильтра. В передней зоне на поверхности должно быть больше платины, чем в задней зоне. Это дает следующие преимущества:

• В передней зоне сажевый фильтр в обычном режиме нагревается быстрее. Из-за высокой концентрации платины в этой зоне фильтр обладает хорошим каталитическим действием. Говорят также о быстром «подхватывании» сажевого фильтра.
• В фазе восстановления задняя зона при сгорании сажи сильно нагревается. Из-за высоких температур платина подвергалась бы длительному агрессивному воздействию, поэтому в задней зоне решено было отказаться от платинового покрытия. Еще одной причиной небольшого количества платины в задней зоне является старение сажевого фильтра. Со временем в задней зоне откладывается все больше остатков сгорания и золы, что снижает каталитическое действие платины.

Естественное восстановление в фильтре

Из содержащихся в ОГ оксидов азота (NO2) и кислорода (O2) на платиновом покрытии создается диоксид азота (NO2):

NOx + 02 -> NO2

Диоксид азота (NO2) реагирует с частицами углерода (С). В результате образуется оксид углерода (СО) и оксид азота (N)):

NO2 + С -> СО + NO.

Оксид углерода (СО) и оксид азота (NO) окисляются кислородом (O2) до диоксида азота (NO2) и диоксида углерода (СO2):

СО + NO + O2 —> NO2 + СO2.

При активном восстановлении частицы сгорают за счет роста температуры ОГ. При этом углерод (сажа) окисляется содержащимся в ОГ кислородом до диоксида углерода:

С + O2 —> СO2.

Определение степени загрязнения сажевого фильтра

Состояние заполнения сажевого фильтра постоянно контролируется блоком управления двигателем путем расчета аэродинамического сопротивления фильтра. Для этого расчета определяется текущий объемный расход ОГ перед сажевым фильтром и сравнивается с дифференциальным давлением воздушного потока (разность давлений перед фильтром и за фильтром). В электронику запрограммированы различные модели заполнения. Разность давлений воздушного потока перед и за сажевым фильтром определяется датчиком давления ОГ. Необходимые восстановления выполняются только при прогретом двигателе.

Восстановление фильтра запускается несколькими независимыми друг от друга системами контроля. Это могут быть, к примеру, заданные пороговые значения противодавления ОГ, зависящие от нагрузки и оборотов. Для регулярного очищения фильтра независимо от заполнения на всякий случай запускается принудительное восстановление — после заданного пробега или совокупного расхода топлива. Для определения необходимости восстановления могут использоваться также оба критерия. Условия восстановления при движении в городе и по трассе из-за разных температур ОГ также различны. Если на трассе, несмотря на недостигнутые пороговые значения, возникнут благоприятные условия для восстановления, то оно будет скорее выполнено там, чем при таком же наполнении сажей и при таком же пороговом значении при движении в городе. То есть фильтр восстанавливается «про запас». На рисунке изображена принципиальная схема цикла восстановления сажевого фильтра.

Рис. Цикл восстановления сажевого фильтра

Объемный расход ОГ вычисляется блоком управления на основе массового расхода воздуха в выпускном тракте и температуры ОГ перед сажевым фильтром. Массовый расход ОГ должен примерно соответствовать массовому расходу воздуха, определенному расходомером. Однако массовый расход ОГ зависит и от их температуры. Она определяется датчиками температуры перед и за сажевым фильтром. С учетом температуры по массовому расходу ОГ можно вычислить их объемный расход.

Рис. Определение объемного расхода ОГ

С увеличением заполнения фильтра растет давление ОГ перед фильтром, в то время как после фильтра оно почти не меняется. С помощью пьезодатчика можно легко определить эту разность. Диапазон измерения у датчиков давления составляет 600-2000 мбар. ЭБУ сравнивает текущую разность давления с вычисленным объемным расходом и на основе этого вычисляет текущее аэродинамическое сопротивление фильтра. На основании аэродинамического сопротивления и сравнения заданных значений с фактическими ЭБУ определяет степень засорения фильтра. Запускается восстановление либо система предлагает водителю движение с определенными параметрами. Если фильтр перегружен или засорен, требуется посетить СТО или заменить фильтр. У автомобилей с системой D-OBD проверка работоспособности фильтра интегрирована в систему самодиагностики.

Контрольная лампа и поездки преимущественно на короткие расстояния

Рис. Контрольная лампа

Контрольная лампа сажевого фильтра находится на панели приборов в поле зрения водителя. Она горит желтым светом, если сажевый фильтр не может восстановиться из-за поездок на слишком короткие расстояния. У систем с присадками при недостаточном количестве присадки на дисплее появляется дополнительное предупреждение. Контрольную лампу и сообщения на дисплее ни в коем случае нельзя игнорировать, иначе в системе фильтрации могут возникнуть необратимые повреждения. Символ для контрольной лампы еще не утвержден и у разных автомобилей он может выглядеть по-разному.

При большой доле поездок на короткие расстояния восстановление сажевого фильтра может ухудшиться, так как температура ОГ не достигает необходимого уровня. Поскольку восстановление не происходит, возможно повреждение или блокада фильтра из-за переполнения сажей. Последующие восстановления фильтра при слишком большом заполнении сажей могут привести к термическому повреждению фильтра при сжигании сажи. Чтобы предотвратить это, при превышении заданного порогового заполнения сажей или определенного количества неудачных попыток восстановления загорается контрольная лампа сажевого фильтра.

Система предложит водителю в течение 15 минут двигаться по возможности с равномерной скоростью около 60 км/ч. Наилучшая очистка достигается, когда автомобиль движется на высшей передаче со средними оборотами (около 2000 мин^-1). Затем контрольная лампа должна погаснуть. Если лампа не гаснет, то загорается индикатор неисправностей системы OBD и на дисплей выводится сообщение о необходимости посетить ближайшую СТО.

Особенности использования сажевых фильтров

При применении на автомобиле сажевого фильтра водитель должен учитывать ряд моментов.

• Небольшое изменение приемистости автомобиля при нажатии на педаль «газа» в фазе восстановления фильтра.
• Изменение акустической картины (более низкие частоты) в фазе восстановления.
• Все изготовители запрещают тюнинг двигателя у автомобилей с сажевыми фильтрами.
• При использовании биодизельного топлива может иметь место недопустимое разжижение моторного масла из-за необходимого дополнительного впрыска. Поскольку температура кипения биодизельного топлива составляет 320-340 °С, топливо не может полностью испариться.
• При использовании биодизельного топлива может иметь место повышенное золообразование в сажевом фильтре. Содержащийся в биодизельном топливе фосфор может также повредить катализаторы.
• Расход топлива слегка повышается из-за дополнительного впрыска и чуть более высокого противодавления ОГ.
• Необходимо соблюдать все указания, выводимые на дисплей бортового компьютера или системы информирования водителя.
• Автомобили с сажевыми фильтрами можно подвергать проверке токсичности ОГ лишь при условии, что система фильтрации не находится в фазе восстановления.
• Целесообразно использование специальных масел (с маркировкой Low-Ash или Low SAPS).

Помимо частиц в фильтре откладываются также остатки масляных присадок. Здесь проблема состоит еще и в том, что эти зольные отложения распределяются в фильтре неравномерно. Особой проблемой является сульфатная зола в фильтре. В ее образовании особенно интенсивно участвуют присадки из сульфата кальция, сульфата магния и соединения цинка и фосфора (цинкдитиофосфат) и сера. По техническим причинам полностью отказаться от этих присадок в масле пока нельзя. Однако можно смягчить проблемы образования сульфатной золы с помощью масел со специальными смесями присадок. Поставщики масел предлагают соответствующую продукцию. При доливании и замене масла следуйте инструкциям изготовителя в отношении спецификаций масла.

При выборе места установки фильтра в выпускном тракте автомобиля необходимо учитывать, что дополнительная масса в 3-4 кг (масса фильтра) сильно влияет на вибрационную картину и резонансы выпускного тракта. Место установки фильтра нужно выбирать так, чтобы достигалась достаточно высокая для восстановления температура и не ухудшалось действие окислительного катализатора. Проблема засорения и недостаточного восстановления при постоянной езде по городу вряд ли решаема без дополнительного обогрева. Размеры фильтров выбираются такими, чтобы фильтры могли накапливать много золы и были рассчитаны на срок службы легкового автомобиля.

Рис. Фильтр HJS на основе порошкового сплава с обогревом [источник: HJS]

Рис. Принцип работы фильтра на основе порошкового сплава [источник: HJS]

Рис. Фильтр Twin Тес на основе порошкового сплава [источник: Twin Тес]

Рис. Поток ОГ в фильтре [источник: Twin Тес]

На рисунках изображены варианты фильтра HJS на основе порошкового сплава с обогревом. Система фильтрации частиц фирмы Twin Тес также представляет собой систему на основе порошкового сплава с дополнительным каталитическим покрытием. Она состоит из двух слоев нетканого материала, между которыми проложена металлическая фольга. Благодаря лопаткообразным надрезам в гофрированной фольге можно направить часть потока ОГ в расположенный сверху или снизу слой на основе порошкового сплава. В микроструктуре нетканого материала пролетающие мимо частицы ОГ сепарируются. Оставшиеся ОГ попадают в расположенный сверху либо снизу слой и благодаря лопаточной структуре могут быть отведены в следующий холст. Частицы удерживаются в холсте, накапливаются и, начиная примерно с 200°С, непрерывно сгорают. Удаление частиц происходит непрерывно путем окисления углерода диоксидом азота. Диоксид азота образуется при температуре от 200-280°С в фильтре-катализаторе с каталитическим покрытием из содержащегося в ОГ оксида азота. Каталитическое покрытие выполняет еще одну задачу. Кроме того, фильтр-катализатор выполняет функцию окислительного катализатора. Окисляются оксид углерода и углеводороды. Это позволяет полностью заменить имеющийся окислительный катализатор.