Филтър за твърди частици

Филтър за твърди частици

При пътническите автомобили с дизелов двигател в състава на изпускателната система от 2000 г. насам се използва филтър за твърди частици. С въвеждането на стандартите Евро-5 през януари 2011 г., използването на дизелов филтър за твърди частици при леките автомобили с дизелов двигател е задължително. Филтър за твърди частици (филтър за твърди частици, DPF, Filtre a Particules, FAP, немски RubPartikelFilter, RPF, в английската версия) е предназначен да намали емисиите на частици сажди в атмосферата с изгорелите газове. Използването на филтъра позволява да се намалят частиците на сажди в отработените газове до 99.9%. В дизелов двигател се образува сажди по време на непълно изгаряне на горивото. Частиците от сажди имат размер от 10 nm до 1 микрона. Всяка частица се състои от въглеродно ядро, с което се комбинират въглеводороди, метални оксиди, сяра и вода. Специфичният състав на саждите се определя от начина на работа на двигателя и състава на горивото. В изпускателната система филтърът за твърди частици се намира зад катализатора . В редица проекти дизеловият филтър за твърди частици се комбинира с каталитичен конвертор от окислителен тип и се намира непосредствено зад изпускателния колектор , където температурата на отработените газове е максимална. Нарича се филтър за дизелови частици с каталитично покритие. Основният структурен елемент на филтъра за частици е матрицата, която е направена от керамика (силициев карбид). Матрицата се поставя в метален корпус. Керамичната матрица има клетъчна структура, състояща се от канали с малко напречно сечение, последователно затворени от едната страна и от другата. Страничните стени на каналите имат пореста структура и играят ролята на филтър. В напречното сечение на клетъчната матрица са квадратни. По-съвършени са входните клетки с осмоъгълна форма. Те имат по-голяма повърхност (в сравнение с изходните клетки), позволяват преминаването на повече отработени газове и осигуряват по-дълъг живот на филтъра за твърди частици. При работата на филтъра за твърди частици се отличават два последователни етапа: филтрация и регенерация на сажди. При филтриране се улавят частици от сажди и се утаяват по стените на филтъра. Най-голямата трудност за задържане е представена от малки частици сажди (от 0,1 до 1 микрона). Техният дял е малък (до 5%), но това са най-опасните емисии за хората. Съвременните филтри за частици забавят тези частици. Частиците от сажди, натрупани по време на филтрацията, създават пречка за изгорелите газове, което води до намаляване на мощността на двигателя. Следователно е необходимо периодично да се почиства филтърът от натрупаната сажди или регенерация. Има пасивна и активна регенерация на филтъра за частици. В съвременните филтри обикновено се използва пасивна и активна регенерация. Пасивната регенерация на филтъра за частици се извършва поради високата температура на отработените газове (около 600 ° C), която се постига, когато двигателят работи при максимално натоварване. Друг начин за пасивна регенерация е добавянето на специални добавки към горивото, които осигуряват изгарянето на сажди при по-ниска температура (450-500 ° C). При определени условия на работа на двигателя (ниско натоварване, движение в града и т.н.) температурата на отработените газове не е достатъчно висока и не може да възникне пасивна регенерация. В този случай се извършва активно (принудително) регенериране на филтъра за частици. Активното регенериране на филтъра за твърди частици се извършва чрез принудително повишаване на температурата на отработените газове за определен период от време. Натрупаната сажди се окислява (изгаря). Има няколко начина за повишаване на температурата на отработените газове по време на активна регенерация: впръскване на късно гориво; допълнително впръскване на гориво в хода на изпускателната тръба; използване на електрически нагревател пред филтъра за частици; впръскване на гориво директно пред филтъра за твърди частици; нагряване на отработените газове с микровълни. Конструкцията на филтъра за твърди частици и системите, осигуряващи неговата работа, непрекъснато се подобрява. Понастоящем най-търсени са филтър за твърди частици с каталитично покритие и дизелов филтър за твърди частици с добавъчна инжекционна система в горивото. Филтър за дизелови частици с каталитично покритие. Дизеловият филтър за твърди частици с каталитично покритие се използва при Volkswagen и други производители. В работата на филтъра за частици с каталитично покритие се различава активната и пасивната регенерация. По време на пасивна регенерация, саждите непрекъснато се окисляват поради действието на катализатора (платина) и високата температура на отработените газове (350-500 ° С). Веригата от химични трансформации по време на пасивна регенерация има следната форма: азотните оксиди реагират с кислорода в присъствието на катализатор за образуване на азотен диоксид; азотният двуокис реагира с частиците от сажди (въглерод), за да образуват азотен оксид и въглероден оксид; азотният оксид и въглеродният оксид реагират с кислорода, за да образуват азотен диоксид и въглероден диоксид. Диаграма на дизеловия филтър за твърди частици
Активната регенерация се осъществява при температура от 600-650 °С, която се създава с помощта на система за управление на дизелови двигатели. Необходимостта от активна регенерация се определя въз основа на оценка на капацитета на филтъра за твърди частици, който се извършва с помощта на следните сензори на системата за управление на дизеловия двигател: дебитомер ; температура на отработилите газове към филтъра за твърди частици; температура на отработилите газове след филтъра за частици; спад на налягането в филтъра за частици. Въз основа на електрическите сигнали на сензорите, електронният блок за управление произвежда допълнително впръскване на гориво в горивната камера и също така намалява потока на въздух в двигателя и спира рециркулацията на отработените газове. В същото време температурата на отработилите газове се повишава до стойността, необходима за рециркулация. Филтър за твърди частици със система за впръскване на горивото. Филтър за твърди частици със система за впръскване на гориво е разработен от PSA (Peuqeot-Citroen). Тъй като пионерите на употребата на добавки за регенерация са френски, името на филтъра FAP (от френския Filtre a Particules) е фиксирано към филтъра. Подобен подход се прилага и при филтрите за твърди частици на други автомобилни производители (Ford, Toyota). Системата използва добавка, съдържаща церий, която се добавя към горивото и осигурява изгарянето на сажди при по-ниска температура (450-500 ° C). Но тази температура на отработените газове не винаги може да бъде достигната, следователно системата редовно регенерира периодично филтъра за твърди частици. Филтърът за твърди частици се монтира по правило отделно за каталитичния конвертор. Филтър за твърди частици със система за впръскване на гориво. Добавката се съхранява в отделен резервоар, с капацитет от 3-5 литра, което е достатъчно за 80-120 хиляди километра (експлоатационен живот на филтъра). Конструктивно резервоарът може да бъде в резервоара за гориво или извън него. Нивото на добавката в резервоара се следи с помощта на сензор за плаващ тип. В горивния резервоар добавката се доставя с електрическа помпа. Доставката на добавката се извършва при всяко зареждане на горивния резервоар пропорционално на напълненото гориво. Началото и продължителността на подаването на добавката се регулират от блока за управление на двигателя (в някои проекти с отделен електронен блок). Страничен ефект от приложението на добавката е, че когато гори, той се натрупва под формата на пепел по стените на филтъра и не се отстранява от него, което намалява живота на устройството. Животът на съвременния филтър за твърди частици е 120 000 километра. Производителите обявяват освобождаване в близко бъдеще на филтър с ресурс от 250000 км. Благодарение на високата цена, филтрите за дизелови частици, които са разработили ресурс, по правило не се заменят от собствениците на автомобили, а се премахват с последващо мигане на системата за управление на двигателя.