Сажевый фильтр ( DPF ) — это устройство, предназначенное для удаления твердых частиц [ сломанного якоря ] или сажи из выхлопных газов дизельного двигателя . [1] [2]
Фильтры сажевых частиц с пристеночным потоком обычно удаляют 85% или более сажи и при определенных условиях могут достигать эффективности удаления сажи, приближающейся к 100%. Некоторые фильтры являются одноразовыми, предназначены для утилизации и замены после заполнения накопленной золой. Другие предназначены для сжигания накопленных частиц либо пассивно с помощью катализатора , либо активными средствами, такими как топливная горелка, которая нагревает фильтр до температур сгорания сажи. Это достигается путем программирования двигателя для работы (когда фильтр заполнен) таким образом, чтобы повышать температуру выхлопных газов, в сочетании с дополнительной топливной форсункой в потоке выхлопных газов, которая впрыскивает топливо для реакции с каталитическим элементом для сжигания накопленной сажи в фильтре DPF [3] или другими способами. Это известно как регенерация фильтра . Очистка также требуется как часть периодического обслуживания, и ее следует выполнять осторожно, чтобы не повредить фильтр. Отказ топливных форсунок или турбокомпрессоров, приводящий к загрязнению фильтра сырым дизельным топливом или моторным маслом, также может потребовать очистки. [4] Процесс регенерации происходит на скоростях, превышающих те, которые обычно достигаются на городских улицах; транспортные средства, движущиеся исключительно на низких скоростях в городском трафике, могут потребовать периодических поездок на более высоких скоростях для очистки DPF. [5] Если водитель игнорирует предупреждающий индикатор и слишком долго ждет, чтобы начать движение на скорости выше 60 км/ч (40 миль/ч), DPF может не регенерироваться должным образом, а продолжение эксплуатации после этой точки может полностью испортить DPF, поэтому его необходимо заменить. [6] Некоторые новые дизельные двигатели, а именно те, которые устанавливаются на комбинированных транспортных средствах, также могут выполнять то, что называется парковочной регенерацией, когда двигатель увеличивает обороты примерно до 1400 во время стоянки, чтобы повысить температуру выхлопных газов.
Дизельные двигатели производят множество частиц во время сгорания топливно-воздушной смеси из-за неполного сгорания. Состав частиц сильно варьируется в зависимости от типа двигателя, его возраста и спецификации выбросов, которой двигатель был разработан. Двухтактные дизельные двигатели производят больше частиц на единицу мощности, чем четырехтактные дизельные двигатели, поскольку они сжигают топливно-воздушную смесь менее полно. [7]
Дизельные твердые частицы, образующиеся в результате неполного сгорания дизельного топлива, производят частицы сажи ( черного углерода ). Эти частицы включают крошечные наночастицы — меньше одного микрометра (одного микрона). Сажа и другие частицы из дизельных двигателей ухудшают загрязнение воздуха твердыми частицами и вредны для здоровья. [8] Новые сажевые фильтры могут улавливать от 30% до более 95% вредной сажи. [9] С оптимальным дизельным сажевым фильтром (DPF) выбросы сажи могут быть уменьшены до0,001 г/км или меньше. [10]
Качество топлива также влияет на образование этих частиц. Например, дизельное топливо с высоким содержанием серы производит больше частиц. Топливо с низким содержанием серы производит меньше частиц и позволяет использовать сажевые фильтры. Давление впрыска дизельного топлива также влияет на образование мелких частиц.
Фильтрация твердых частиц дизельного двигателя впервые была рассмотрена в 1970-х годах из-за опасений относительно воздействия вдыхаемых частиц. [11] Фильтры твердых частиц используются на внедорожных машинах с 1980 года, а в автомобилях с 1985 года. [12] [13] Исторически выбросы дизельных двигателей средней и большой грузоподъемности не регулировались до 1987 года, когда было введено первое правило Калифорнии для тяжелых грузовиков, ограничивающее выбросы твердых частиц на уровне 0,60 г/BHP-час. [14] С тех пор для легких и тяжелых дорожных дизельных транспортных средств и для внедорожных дизельных двигателей были введены все более жесткие стандарты. Аналогичные правила были также приняты Европейским союзом и некоторыми отдельными европейскими странами, большинством азиатских стран и остальной частью Северной и Южной Америки . [15]
Хотя лишь в немногих юрисдикциях фильтры стали обязательными, все более строгие нормы выбросов, которым должны соответствовать производители двигателей, означают, что в конечном итоге все дорожные дизельные двигатели будут оснащены ими. [14] В Европейском союзе ожидается, что фильтры будут необходимы для соответствия нормам выбросов двигателей тяжелых грузовиков Euro.VI, которые в настоящее время обсуждаются и запланированы на период 2012-2013 годов. В 2000 году, в преддверии будущих норм Euro 5 , PSA Peugeot Citroën стала первой компанией, которая сделала фильтры стандартными для легковых автомобилей. [16]
В декабре 2008 года Калифорнийский совет по воздушным ресурсам (CARB) установил Правила для грузовиков и автобусов штата Калифорния 2008 года , которые — с учетом типа транспортного средства, размера и использования — требуют, чтобы дизельные тяжелые грузовики и автобусы в Калифорнии были модернизированы, переоборудованы или заменены для снижения выбросов твердых частиц (ТЧ) не менее чем на 85%. Модернизация двигателей дизельными сажевыми фильтрами, одобренными CARB, является одним из способов выполнения этого требования. [17] В 2009 году Американский закон о восстановлении и реинвестировании предоставил финансирование для помощи владельцам в компенсации стоимости дизельных модернизаций для своих транспортных средств. [18] Другие юрисдикции также запустили программы модернизации, в том числе:
Ненадлежащее обслуживание сажевых фильтров на автомобилях с дизельными двигателями приводит к накоплению сажи, что может привести к проблемам с двигателем из-за высокого противодавления. [4]
В 2018 году Великобритания внесла изменения в требования к тесту MOT, [26] включая более строгую проверку дизельных автомобилей. Одним из требований было наличие правильно установленного и работающего DPF. Вождение без DPF могло повлечь за собой штраф в размере 1000 фунтов стерлингов. [27] [28]
В отличие от каталитического нейтрализатора , который является проточным устройством, DPF удерживает более крупные частицы выхлопных газов, заставляя газ проходить через фильтрующий материал перед выходом; [2] [29] однако DPF не удерживает мелкие частицы. Необслуживаемые DPF окисляют или сжигают более крупные частицы до тех пор, пока они не станут достаточно маленькими, чтобы пройти через фильтр, хотя часто частицы «слипаются» вместе в DPF, уменьшая общее количество частиц, а также общую массу. [30] [31] На рынке существует множество технологий дизельных сажевых фильтров. Каждая из них разработана с учетом схожих требований:
Самый распространенный фильтр изготовлен из кордиерита (керамический материал, который также используется в качестве опор (сердечников) каталитического нейтрализатора). Фильтры из кордиерита обеспечивают превосходную эффективность фильтрации, относительно недороги и обладают термическими свойствами, которые упрощают их упаковку для установки в транспортное средство. Главным недостатком является то, что кордиерит имеет относительно низкую температуру плавления (около 1200 °C), а известно, что подложки из кордиерита плавятся во время регенерации фильтра. Это в основном проблема, если фильтр загружен сильнее обычного, и является большей проблемой для пассивных систем, чем для активных систем, если только не происходит поломка системы. [2] [32]
Фильтрующие сердечники из кордиерита выглядят как сердечники каталитических нейтрализаторов, в которых забиты альтернативные каналы — заглушки заставляют выхлопные газы проходить через стенку, а твердые частицы собираются на впускной поверхности. [33]
Вторым по популярности фильтрующим материалом является карбид кремния , или SiC . Он имеет более высокую (2700 °C) температуру плавления, чем кордиерит, однако он не так стабилен термически, что делает упаковку проблемой. Небольшие сердечники SiC изготавливаются из отдельных частей, в то время как более крупные сердечники изготавливаются сегментами, которые разделяются специальным цементом, так что тепловое расширение сердечника будет восприниматься цементом, а не упаковкой. Сердечники SiC обычно дороже сердечников кордиерита, однако они производятся в аналогичных размерах, и один часто может использоваться для замены другого. Сердечники фильтров из карбида кремния также выглядят как сердечники каталитического нейтрализатора, в которых были заглушены альтернативные каналы — снова заглушки заставляют выхлопные газы течь через стенку, а твердые частицы собираются на входной поверхности. [2] [34]
Характеристики субстрата сажевого фильтра настенного типа:
Волокнистые керамические фильтры изготавливаются из нескольких различных типов керамических волокон, которые смешиваются вместе, образуя пористую среду. Эта среда может быть сформирована практически в любую форму и может быть настроена для различных применений. Пористость может контролироваться для создания высокого потока, низкой эффективности или высокой эффективности фильтрации малого объема. Волокнистые фильтры имеют преимущество перед конструкцией с потоком через стенки, создавая меньшее обратное давление. Волокнистые керамические фильтры удаляют углеродные частицы почти полностью, включая мелкие частицы диаметром менее 100 нанометров (нм) с эффективностью более 95% по массе и более 99% по количеству частиц в широком диапазоне условий работы двигателя. Поскольку непрерывный поток сажи в фильтр в конечном итоге заблокирует его, необходимо «регенерировать» фильтрующие свойства фильтра, регулярно сжигая собранные частицы. Сгорание частиц сажи образует воду и CO2 в небольших количествах, составляющих менее 0,05% от CO2 , выбрасываемого двигателем. [2]
Некоторые сердечники изготавливаются из металлических волокон – обычно волокна «сплетены» в монолит. Такие сердечники имеют то преимущество, что электрический ток может быть пропущен через монолит для нагрева сердечника в целях регенерации, что позволяет фильтру регенерироваться при низких температурах выхлопных газов и/или низких скоростях потока выхлопных газов. Металлические сердечники из волокон, как правило, более дороги, чем сердечники из кордиерита или карбида кремния, и, как правило, не взаимозаменяемы с ними из-за электрических требований. [2] [35]
Одноразовые бумажные сердечники используются в определенных специальных приложениях без стратегии регенерации. Угольные шахты являются обычными пользователями – выхлопной газ обычно сначала пропускается через водоотделитель для его охлаждения, а затем через фильтр. [36] Бумажные фильтры также используются, когда дизельная машина должна использоваться в помещении в течение коротких периодов времени, например, на погрузчике, используемом для установки оборудования внутри магазина. [2] [37]
Существует множество устройств, которые обеспечивают более 50% фильтрации твердых частиц, но менее 85%. Частичные фильтры изготавливаются из различных материалов. Единственное, что их объединяет, это то, что они создают большее обратное давление, чем каталитический нейтрализатор, и меньшее, чем дизельный сажевый фильтр. Технология частичной фильтрации популярна для модернизации. [38]
Фильтры требуют большего обслуживания, чем каталитические нейтрализаторы. Сажа, побочный продукт потребления масла при нормальной работе двигателя, накапливается в фильтре, поскольку она не может быть преобразована в газ и пройти через стенки фильтра. [39] Это увеличивает давление перед фильтром. [4]
Фильтры DPF проходят процесс регенерации, который удаляет эту сажу и снижает давление фильтра. Существует три типа регенерации: пассивная, активная и принудительная. Пассивная регенерация обычно происходит во время движения, когда нагрузка на двигатель и ездовой цикл транспортного средства создают температуры, достаточно высокие для регенерации накопленной сажи на стенках DPF. Активная регенерация происходит во время использования транспортного средства, когда низкая нагрузка на двигатель и более низкие температуры выхлопных газов препятствуют естественной пассивной регенерации. Датчики выше и ниже по потоку от DPF (или датчик перепада давления [40] ) предоставляют показания, которые инициируют дозированное добавление топлива в поток выхлопных газов. Существует два метода впрыска топлива: либо впрыск ниже по потоку непосредственно в поток выхлопных газов, ниже по потоку от турбонагнетателя, либо впрыск топлива в цилиндры двигателя на такте выпуска. Эта смесь топлива и выхлопных газов проходит через катализатор окисления дизельного топлива (DOC), создавая температуры, достаточно высокие для сжигания накопленной сажи. Как только падение давления на DPF снизится до расчетного значения, процесс заканчивается, пока накопление сажи не начнет накапливаться снова. Это хорошо работает для транспортных средств, которые ездят на большие расстояния с небольшим количеством остановок по сравнению с теми, которые совершают короткие поездки с большим количеством стартов и остановок. Если фильтр развивает слишком большое давление, то необходимо использовать последний тип регенерации — принудительную регенерацию. Это можно сделать двумя способами. Оператор транспортного средства может инициировать регенерацию с помощью переключателя, установленного на приборной панели. Для запуска этого процесса требуются различные блокировки сигналов, такие как включение стояночного тормоза, нейтральное положение трансмиссии, температура охлаждающей жидкости двигателя и отсутствие кодов неисправностей, связанных с двигателем (зависят от производителя оригинального оборудования и области применения). Когда накопление сажи достигает уровня, который может нанести потенциальный ущерб двигателю или выхлопной системе, решение заключается в использовании гаража с компьютерной программой для ручного запуска регенерации DPF.
При регенерации сажа превращается в газы и золу, часть которых остается в фильтре. Это увеличит сопротивление через фильтр и может привести к засорению. Предупреждения даются водителю до того, как сопротивление фильтра вызовет проблемы с управляемостью или повреждение двигателя или фильтра. Регулярное обслуживание фильтра необходимо для удаления скоплений золы, либо путем очистки, либо путем замены фильтра.
Регенерация обычно требует, чтобы транспортное средство непрерывно двигалось со скоростью 50-60 миль/ч (80-100 км/ч) в течение 30-45 минут каждые несколько сотен миль/километров езды по городу. [41] Тяжелые пикапы имеют менее строгие требования ко всем трем параметрам, а грузовики класса 8 — значительно меньше. [42] [43] Если транспортное средство часто ездит по городам, DPF может засориться, что приведет к снижению мощности и ускорения либо пассивно из-за повышенного давления выхлопных газов, либо активно из-за перехода транспортного средства в «режим вялости/черепахи», поскольку оно пытается предотвратить повреждение двигателя и турбонаддува . [44] [45] После засорения как пассивная, так и активная регенерация могут стать неэффективными. DPF может быть очищен высокотемпературной мойкой под давлением (официально не рекомендуется) и/или печью для выжигания . [46] [47]
В 2011 году Ford отозвал 37 400 грузовиков F-Series с дизельными двигателями после того, как утечки топлива и масла вызвали возгорание в сажевых фильтрах грузовиков. До отзыва пострадавших не было, хотя один раз случился пожар травы. [48] Похожий отзыв был направлен на дизельные автомобили Jaguar S-Type и XJ 2005-2007 годов, где большое количество сажи попало в DPF. В затронутых автомобилях дым и огонь исходили из нижней части автомобиля, сопровождаемые пламенем из задней части выхлопной трубы. Тепло от огня могло вызвать нагрев через туннель трансмиссии в салон, расплавляя внутренние компоненты и потенциально вызывая внутренние пожары. [49]
Регенерация — это процесс сжигания (окисления) накопленной сажи из фильтра. Это происходит либо пассивно (за счет тепла выхлопных газов двигателя при нормальной работе или путем добавления катализатора в фильтр), либо активно, вводя очень большое количество тепла в выхлопную систему. Бортовое активное управление фильтром может использовать различные стратегии: [9]
Все бортовые активные системы используют дополнительное топливо, будь то сжигание для нагрева DPF или подача дополнительной мощности на электрическую систему DPF, хотя использование топливного катализатора значительно снижает требуемую энергию. Обычно компьютер контролирует один или несколько датчиков, которые измеряют противодавление и/или температуру, и на основе предварительно запрограммированных уставок компьютер принимает решения о том, когда активировать цикл регенерации. Дополнительное топливо может подаваться дозирующим насосом . Слишком частое выполнение цикла при поддержании низкого противодавления в выхлопной системе приведет к высокому расходу топлива. Невыполнение цикла регенерации достаточно рано увеличивает риск повреждения двигателя и/или неконтролируемой регенерации ( тепловой разгон ) и возможного отказа DPF.
Твердые частицы дизельного двигателя сгорают при достижении температуры выше 600 °C. Эту температуру можно снизить до диапазона от 350 до 450 °C с помощью катализатора на основе топлива. Фактическая температура выгорания сажи будет зависеть от используемой химии. В середине 2010-х годов ученые из 3M разработали версию традиционных катализаторов на основе железа с добавлением магния , которая снизила температуру, необходимую для окисления твердых частиц, до чуть более 200 °C. Более низкая температура реакции стала возможной благодаря присадке, позволяющей решетке Fe удерживать больше кислорода. [52] Это достижение имеет важное значение, поскольку оно позволяет проводить реакцию очистки при стандартной рабочей температуре большинства дизельных двигателей, устраняя необходимость сжигать дополнительное топливо или иным образом искусственно нагревать двигатель. Семейство катализаторов с добавлением магния , названных катализаторами Grindstaff в честь химика, который начал эту работу, стало предметом многочисленных исследований в промышленности и академических кругах в связи с ужесточением правил выбросов твердых частиц во всем мире. [53] [52]
В некоторых случаях при отсутствии катализатора на топливе сгорание твердых частиц может поднять температуру настолько высоко, что она превысит порог структурной целостности фильтрующего материала, что может привести к катастрофическому отказу подложки. Были разработаны различные стратегии для ограничения этой возможности. Обратите внимание, что в отличие от двигателя с искровым зажиганием, в котором обычно содержится менее 0,5% кислорода в потоке выхлопных газов перед устройством(ами) контроля выбросов, дизельные двигатели имеют очень высокое соотношение доступного кислорода. Хотя количество доступного кислорода делает возможной быструю регенерацию фильтра, оно также способствует проблемам неуправляемой регенерации.
В некоторых приложениях используется регенерация вне борта. Регенерация вне борта требует вмешательства оператора (т. е. машина либо подключается к настенной/напольной станции регенерации, либо фильтр снимается с машины и помещается в станцию регенерации). Регенерация вне борта не подходит для дорожных транспортных средств, за исключением ситуаций, когда транспортные средства припаркованы на центральном складе, когда не используются. Регенерация вне борта в основном используется в промышленных и горнодобывающих приложениях. Угольные шахты (с сопутствующим риском взрыва от угольного отвала) используют регенерацию вне борта, если установлены одноразовые фильтры, а станции регенерации располагаются в зоне, где разрешено использование недопустимой техники.
Многие погрузчики также могут использовать регенерацию вне борта – обычно горнодобывающая техника и другие машины, которые проводят свой эксплуатационный срок в одном месте, что делает практичным наличие стационарной станции регенерации. В ситуациях, когда фильтр физически снимается с машины для регенерации, также есть преимущество в возможности ежедневно осматривать сердечник фильтра (сердечники DPF для внедорожных применений обычно имеют размер, позволяющий использовать их в течение одной смены – поэтому регенерация происходит ежедневно). [54]
