Системы фильтрации частиц для дизельных двигателей легковых автомобилей

Рис. Принципиальная схема системы FAP

Рис. Детали системы FAP:

1. Блок управления дв игателем
2. Пусковой катализатор ОГ и сажевый фильтр
3. ЭБУ для присадки
4. Датчики давления
5. Система впрыска

Для фильтрации частиц используется, к примеру, высокопористый керамический блок, как и у катализаторов, с множеством прямоугольных каналов с закрытыми концами. Из-за того, что каналы закрыты, ОГ попадают в «ловушку» и должны пройти через пористый керамический материал.

Размер пор керамического материала составляет менее 0,0001 мм и меньше размера частиц. Частицы не могут пройти через материал фильтра. Они налипают на материал фильтра и до 99% частиц откладывается на поверхности керамического материала.

В некоторых системах поверхность фильтра дополнительно покрывается оксидами металлов или платиной, чтобы снизить температуру сгорания частиц. Температуру воспламенения частиц можно таким образом снизить примерно до 250°С.Добавление специальных присадок (FBC = Fuel Borne Catalyst) в топливо позволяет получить те же эффекты снижения температуры сгорания.

Основной проблемой сажевых фильтров является их ограниченная поглощающая способность. Достаточно проблематично гарантировать долгий срок службы. Из-за отложения частиц на материале фильтра он относительно быстро засоряется. Поглощающая способность фильтра — еще одна проблема для срока службы фильтра. В результате существенно возрастает противодавление ОГ и расход топлива, а эффективность фильтра падает. Группа PSA (Peugeot и Citroen) первыми в мире успешно решили эти проблемы при серийной установке сажевых фильтров в легковых автомобилях.

Наряду с различными мерами по организации процесса сгорания в двигателе, связанными с уменьшением выбросов частиц, различают два варианта систем фильтрации частиц — системы с добавкой присадок (FBC) и без таковой. «Степень засорения» у всех систем определяется через измерение разности давления перед и за сажевым фильтром. Для серийного выпуска используются, как правило, закрытые системы. Каждая система фильтрации по истечении определенного периода должна прожигаться с помощью восстановительных мер.

Рис. Схема системы фильтрации частиц в легковом автомобиле

На рисунке показан типичный ход заполнения и результирующий рост противодавления системы фильтрации частиц.

Системы с добавкой присадок (FBC)

В этих системах в топливо добавляется специальная присадка, понижающая температуру сгорания отфильтрованных частиц до 400°С. Концерн Peugeot сначала использовал присадку на базе цероксида, а в новых системах — на базе оксида железа, под названием Eolys. VW/Audi используют присадку на базе оксида железа под названием Satacen 25.

Системы без присадок

Эти системы работают многократно с каталитическим покрытием поверхности фильтра. Для повышения температуры ОГ в фазе восстановления необходимы масштабные вмешательства электроники управления дизельным двигателем и частично комбинирование сажевого фильтра с окислительным катализатором.

Сажевый фильтр FAP от Peugeot

Рис. Сажевый фильтр

Рис. Потери давления на протяжении циклов заполнения и восстановления

Концерн Peugeot в своих двигателях HDI использует сочетание окислительного катализатора и сажевого фильтра. Этот фильтр называется FAP (Filtrea Particules) и состоит из карбида кремния. Двигатель работает с системой Common Rail. Автоматически запускаемое восстановление сажевого фильтра в зависимости от режима эксплуатации выполняется каждые 500- 800 км пробега. Восстановление происходит при высокой температуре ОГ (например, длительная езда с полной нагрузкой). Фаза восстановления 8 зависимости от системы длится 3-5 минут. Установленный на фильтре датчик давления подает сигналы об изменении противодавления ОГ. Он контролирует «степень засорения» фильтра. При превышении определенных заданных значений управляющая электроника запускает цикл принудительного восстановления.

С помощью целенаправленного дополнительного впрыска в выпускной тракт температура ОГ повышается до 400-450°С. Так создаются благоприятные условия для дожигания отложившихся частиц. Дополнительно при каждой заправке топливом в бак впрыскивается присадка из отдельного бачка. Присадка действует как растворимый катализатор. С момента внедрения фильтров до сих пор использовались три поколения FBC. Разные поколения присадок нельзя смешивать между собой или использовать для другой, не разрешенной системы.

Таблица. Сравнение параметров разных поколений присадок

В таблице показана динамика важнейших параметров дизельных присадок.

Соотношение присадки и дизельного топлива остается постоянным независимо от расхода топлива (около 16,5 мл присадки Eolys на 60 л дизтоплива). Присадка понижает температуру сгорания частиц. Присадка берется из дополнительного бака и по мере расходования доливается в рамках ТО. Одной заправки хватает на 240000 км (у первого поколения — 80000 км). Повышение запаса хода было достигнуто за счет совершенствования присадки и оптимизаций в двигателе, системах впрыска и фильтрации.

Тем не менее, на поверхности фильтра остаются остатки золы (церина — неорганического негорючего материала) присадки и моторного масла. В результате, несмотря на восстановление частиц, постепенно возрастает противодавление ОГ. Это снижает мощность двигателя. Церин слоями откладывается на каналах фильтра или его дне. Отработавшие газы могут лишь частично пройти через каналы с большим сопротивлением. Дифференциальное давление повышается.

Сажевый фильтр заменяется в рамках регламентированных ТО. Одновременно доливается присадка Eolys. Преимущество этой системы в том, что она может работать с обычным дизельным топливом. Поскольку катализатор DeNOx не используется, степень рециркуляции ОГ составляет около 60%.

Замена фильтра и доливание присадки могут производиться только на специализированных СТО со специальными системами диагностики. Восстановление фильтров производится промышленным способом.

Сажевый фильтр Bosch

Рис. Сажевый фильтр Bosch [источник: Bosch]

Сажевый фильтр Bosch изготовлен из специального металлического порошка и по сравнению с уже известными керамическими решениями имеет значительно более длительный срок службы. Благодаря своей особой структуре он имеет большую аккумулирующую способность по присадочной и масляной саже. Фильтр устроен таким образом, что отфильтрованные частицы откладываются очень равномерно, из-за чего заполнение фильтра надежно распознается и управление его восстановлением выполняется оптимально. Для этого пористый металлический материал получил форму клинообразных карманов. Сажевый фильтр рассчитан на срок службы автомобиля.

Если накопительная способность сажевого фильтра исчерпана, то его необходимо восстановить горячими отработавшими газами. Для достижения необходимой высокой температуры ОГ электроника управления двигателем корректирует подаваемую в двигатель воздушную массу, а также объем и момент впрыска. Кроме того, в сочетании с окислительным катализатором в расширительный тракт можно подавать несгоревшее топливо путем дополнительного впрыска. Топливо сгорает в окислительном катализаторе и дополнительно повышает температуру ОГ. Наряду с этим дополнительным впрыском в камеру сгорания можно также использовать непосредственный впрыск топлива в выпускной тракт для повышения температуры ОГ.

Системы фильтрации частиц у VW и Audi

Рис. Сажевый фильтр CSF непрерывного действия [источник: Audi]

В так называемом «Catalysed Soot Filter» (CSF — фильтр с каталитическим покрытием) используется покрытие с содержанием благородных металлов с двойным действием. При пассивном восстановлении происходит медленное и щадящее превращение отложившейся в фильтре сажи в СO2. Этот процесс происходит в диапазоне температур 350-500°С и протекает без применения дополнительных мер. При длительной эксплуатации с небольшой нагрузкой или недостаточными условиями восстановления каждые 1000-1200 км происходит активное повышение температуры ОГ до 600°С, обеспечивающее дополнительное восстановление фильтра.

Для повышения температуры ОГ выполняется следующее:

• целенаправленный дополнительный впрыск в выпускной тракт;
• обогащение смеси и смещение момента впрыска на более поздний;
• регулирование давления наддува и дросселирование всасывания воздуха;
• изменение скорости рециркуляции ОГ.

Сажевый фильтр VW с присадкой

В некоторых моделях двигателей серии 2.0 TDI используется присадка «Satacen 25» на основе оксида железа для превращения отложившихся в фильтре частиц. Эта присадка находится в отдельном бачке под запасным колесом и подмешивается к топливу в баке. Это происходит с помощью насоса, управляемого электроникой. Блок управления двигателем по сигналу датчика в топливном баке определяет объем залитого топлива. При каждой заправке в дизтопливо автоматически подмешиваются небольшие (около 10 промилле) количества оксида железа через возвратный топливопровод. Это соответствует одному литру присадки на 2800 л топлива.

Сам фильтр устанавливается вместо переднего глушителя под днищем. В его корпусе из нержавеющей стали имеется фильтр-блок из карбида кремния (Si — SiC) с попеременно расположенными впускными и выпускными каналами. Каналы являются для частиц «тупиками». Только газообразные компоненты ОГ могут просачиваться через пористую керамическую стенку в соседний выпускной канал.

Обычно восстановление в этой системе начинается при 600 °С. При частом движении с полной нагрузкой достижение этой температуры, как правило, не представляет никакой проблемы. В диапазоне частичной нагрузки или при частых поездках на короткие расстояния эта температура не достигается.

Путем использования присадки температура сгорания сажи снижается до 350°С. Степень засорения контролируется датчиком дифференциального давления. Если необходимая температура не будет достигнута в течение длительного времени (например, в случае поездок на очень короткие расстояния), система посредством контрольной лампы просигнализирует необходимость движения в течение 10 минут со скоростью не менее 60 км/ч для обеспечения восстановления фильтра. Запас присадки составляет 4,5 л и его хватает в зависимости от манеры езды на 90000-120000 км. После этого фильтр нужно заменить и восполнить запас присадки.

Сажевый фильтр от BMW

Конструкция фильтра BMW схожа с конструкцией фильтра Audi. Фильтр не требует обслуживания и рассчитан на длительный срок службы. Содержащий платину каталитический слой фильтра и специально настроенная электроника двигателя избавляют от необходимости использовать присадку. Благодаря каталитическому слою определенная доля частиц постоянно сгорает. Таким образом, по сравнению с присадочными системами значительно увеличивается срок службы до восстановления.

Из-за отсутствия присадки в фильтре оседает лишь небольшое количество золы от сгоревшего масла. Через сажевый фильтр содержащиеся в ОГ частицы всех фракций отфильтровываются с высокой степенью эффективности — более 95%. Фильтр большого объема (4,5 л) в сочетании с небольшими сырыми выбросами в зависимости от режима движения обеспечивает интервал восстановления до 2000 км.

Для надежной эксплуатации сажевого фильтра необходима сложная система управления восстановлением через блок управления двигателем. Так, например, выбросы сажи из двигателя можно регулировать и корректировать с помощью различных факторов. Корректировки зависят от температуры ОГ перед катализатором и фильтром и от текущего объемного расхода ОГ в системе выпуска. При восстановлении фильтра контролируются заполнение фильтра сажей, постоянное преобразование и сжигание сажи. Необходимая для запуска восстановления масса сажи зависит от текущего режима езды. Такая температура ОГ легко достигается при высоких оборотах и скорости движения. Эта стратегия восстановления позволяет значительно снизить вероятность возникновения необходимости восстановления фильтра у среднестатистического автомобиля при экстремальной езде по городу.

Чтобы регулярно очищать фильтр независимо от степени его заполнения и компенсировать степень заполнения, восстановление выполняется в любом случае после определенного пробега (в зависимости от манеры езды, 700-2500 км) и при достижении определенного расхода топлива. Необходимая для восстановления температура (около 620 °С) в зависимости от режима работы двигателя достигается за счет различных мер по регулированию подачи воздуха и впрыска топлива.

Гибкость системы CRS при отрегулированном моменте основного впрыска позволяет выполнять до двух дополнительных впрысков для повышения температуры ОГ. Распределение количества топлива между двумя дополнительными впрысками определяется допустимым разжижением масла и максимально допустимым повышением крутящего момента при сгорании.

Дросселирование всасываемого воздуха, в сочетании с понижением давления наддува, также способствует повышению температуры. В фазе восстановления масса свежего воздуха при выключенном клапане рециркуляции ОГ регулируется дроссельной заслонкой.

Для достижения необходимой для восстановления температуры ОГ, независимо от окружающих условий она регулируется двухступенчатым регулятором системы управления двигателем. Регулятор вмешивается в оба дополнительных впрыска, при этом задающей величиной этого регулирующего контура является температура ОГ перед катализатором. Задача другого регулирующего контура — обеспечение необходимой температуры перед фильтром с целью минимизации нагрузки на детали катализатора и системы выпуска ОГ. В качестве регулирующей переменной используется количество топлива в дополнительном впрыске.

Все датчики системы электрически контролируются в рамках OBD, также проверяется правдоподобность их сигналов. Если восстановление в режиме движения невозможно из-за эксплуатации с крайне низкой нагрузкой, то активируется аварийная программа и загорается сигнальная лампа.

Водитель получает сообщение от системы Check Control. Принудительное восстановление возможно только на СТО со специальными программами диагностики.

Обзор функций восстановления

1. Непрерывное при температуре ОГ 350°С или циклическое при температуре ОГ 600°С.
2. Повышение температуры ОГ системой управления двигателем.

Два дополнительных впрыска, обеспечивающих сгорание СН в катализаторе и повышающих температуру в сажевом фильтре. Дополнительное дросселирование всасываемого воздуха дроссельной заслонкой и уменьшение давления наддува. У автомобилей с АКПП также корректируется характеристика переключения передач.

Катализатор D-CATom Toyota

Рис. Система D-CAT от Toyota

Система D-CAT (Diesel Clean Advanced Technologies) представляет собой сочетание различных мер по организации процесса сгорания в двигателе и специального накопительного катализатора DPNR (Diesel Particulate NOx Reduction) в системе выпуска ОГ. Особенность системы состоит в одновременном уменьшении выбросов частиц и оксидов азота без обслуживания в течение всего срока службы и без добавки присадок. Катализатор состоит из кордиерита с покрытием из платины и материала для аккумулирования NOx — оксида бария. Форма каналов в монолите отличается от стандартной — шестиугольная. Дополнительные элементы покрытия из оксида титана, родия и оксида циркония служат для образования водорода в целях уменьшения концентрации оксидов серы.

«Сердцем» системы D-САТ является DPNR-катализатор и система Common Rail второго поколения с пьезофорсунками и давлением впрыска 1800 бар. Форсунки имеют десять отверстий диаметром всего по 0,13 мм. Система обеспечивает исключительно короткий интервал между концом предварительного впрыска и началом основного — 0,1 мс. Возможно до пяти впрысков на один такт сжигания. Впрыск непосредственно перед основным впрыском уменьшает содержание азота и снижает уровень шума при сгорании. Впрыск сразу за основным впрыском сжигает остатки частиц.

Особенностью системы является впрыск в выпускной канал. Для этого в выпускном канале устанавливается дополнительная форсунка EPI (EPI — Exhaust Port Injector), дополнительно впрыскивающая топливо в выпускной канал за коллектором под давлением около 10 бар. Достигаемое в результате этого краткосрочное обогащение смеси позволяет высвободить и восстановить накопленные в катализаторе оксиды азота. Одновременно с этим обеспечивается нагрев катализатора, предотвращающий его отравление содержащейся в топливе серой. Впрыск топлива гарантирует достаточно высокие температуры для преобразования вредных веществ в катализаторе, несмотря на низкую температуру сгорания. При соответствующем заполнении фильтра сажей температура ОГ путем впрыска топлива повышается примерно до 600°С, и отложившиеся частицы сгорают.

Рециркуляция ОГ в системе D-CAT — с охлаждением, что позволяет достичь высокой степени очистки ОГ. Одновременно снижаются температуры сгорания. Низкая температура сгорания предотвращает образование дыма и уменьшает выбросы оксидов азота. Кроме того, низкая температура сгорания гарантирует работу катализатора с высоким КПД в оптимальном температурном диапазоне. Концерн Toyota называет эту технологию аббревиатурой LTC (Low Temperature Combustion — сгорание при низкой температуре). Сложная система управления позволяет корректировать работу ЭБУ двигателя и в самом двигателе и со стороны ОГ. В нижнем диапазоне нагрузок низкотемпературного сгорания двигатель работает с почти стехиометрическим коэффициентом избытка воздуха.

Степень сжатия у современных дизельных двигателей не очень велика. Это позволяет получить медленный рост давления и небольшое пиковое давление. Сгорание становится тише, и снижаются выбросы оксидов азота. Особая технология впрыска для корректировки его картины (Uniform Bulky Combustion System) обеспечивает быстрое сгорание при низких температурах. При этом впрыск топлива разбивается на несколько этапов. Сначала в камере сгорания образуется предварительная топливовоздушная смесь, в то время как впрыск для сжигания остатков топлива задерживается.

Весь комплекс мер обеспечивает исключительно низкий уровень вредных выбросов при больших крутящем моменте и мощности, и малом расходе топлива.