Системы фильтрации частиц в дизельном двигателе

Для уменьшения выброса частиц у дизельных двигателей в качестве внешних мер в настоящее время используются только системы фильтрации. Объем сажевого фильтра примерно в 1,5-2,5 раза больше рабочего объема двигателя. В качестве фильтрующего материала используются кордиерит (карбид кремния — вспененная керамика), титанат алюминия, карбид кремния, специальная металлическая пена или материалы на основе металлического порошка. Плотность ячеек материала фильтра в зависимости от типа фильтра составляет 230-300 cpsi (ячеек на квадратный дюйм).

Рис. Варианты исполнения сажевого фильтра: 1 — фильтрующий материал из порошкового сплава, 2 — керамический фильтрующий материал

На рисунке показано два варианта сажевых фильтров. Самой оптимальной геометрической формой для равномерного распределения частиц в фильтре оказалась круглая форма. Вредные вещества СО, СН, NOx и SOx не преобразуются системой фильтрации. Для их преобразования требуются катализаторы. В обиходе используется понятие «сажевый фильтр», хотя с точки зрения физики и химии сгорания делается различие между сажей и частицами. Принципы действия катализатора и сажевого фильтра совершенно разные, хотя у некоторых новых систем необходимо согласованная совместная работа обеих систем.

Частицы — это мелкие, размером около 0,0001 мм, твердые компоненты ОГ, состоящие из чистого углерода и отложившихся на них органических и неорганических продуктов сгорания. Углерод химически очень инертен (можете попробовать поджечь кусок угля спичкой) и очень долго горит; как правило, в двигателе нет условий для длительного сгорания. Компоненты сажи и частицы необходимо отфильтровать из ОГ и затем сжечь. Для сжигания частиц требуется температура более 600 °С. Отработавшие газы дизельного двигателя при обычных условиях почти не достигают этой температуры.

Рис. Диапазон восстановления сажевого фильтра без применения дополнительных восстановительных средств

Рис. Диапазон восстановления сажевого фильтра с применением дополнительных восстановительных средств

На рисунках показаны диапазоны восстановления сажевых фильтров с применением дополнительных восстановительных средств и без них. Необходимо либо искусственно увеличить температуру ОГ, либо снизить температуру сгорания частиц. Зачастую имеет смысл сочетание этих двух путей.

Основные направления оптимизации систем фильтрации:

• обеспечение степени фильтрования частиц до 99 % во всех диапазонах нагрузок и оборотов;
• оптимизация длины фильтра и формы канала;
• оптимизация покрытия фильтра;
• обеспечение высокой аккумулирующей способности;
• обеспечение низкого давления ОГ даже в состоянии нагрузки;
• недопущение роста расхода топлива из-за использования фильтра;
• обеспечение простоты и скорости восстановления системы фильтрации;
• достижение длительного срока службы до первого восстановления;
• обеспечение хорошей термостойкости и стойкости к коррозии;
• достижение достаточной восстанавливаемости даже при низкой температуре ОГ.