Сажевые фильтры

Дизельный двигатель использует топливо, которое состоит из более тяжелых продуктов перегонки нефти, чем бензин, а температура горения этого топлива значительно ниже температуры сгорания смеси бензина и воздуха. В результате выхлоп дизеля содержит большое количество частичек сажи размером от 10 нанометров до 1 микрометра (то есть, совершенно невидимых глазом). Основу сажевых частиц составляет углерод, также в них содержатся несгоревшие углеводороды, оксиды металлов, вода, сера и другие вещества.

 

Что такое сажевый фильтр и зачем он нужен

 

Сажа представляет серьезную опасность для окружающей среды и здоровья человека. Вдыхание сажи приводит к ее накоплению в легких, и, как следствие, к различным заболеваниям, в том числе и раковым (поэтому сажа — один из канцерогенов, то есть веществ, провоцирующих рак). Поэтому конструкторы дизельных двигателей (конечно, под натиском врачей и экологов) борются с сажей, и эта борьба вполне успешна. 

 

Сегодня для удаления сажи из выхлопных газов дизельных двигателей используются сажевые фильтры, интегрированные в выпускную систему. Современные фильтры очень эффективны в борьбе с сажей, и даже серийные образцы способны задерживать до 99,9% сажевых частиц в диапазоне размеров 0,1-1 микрометр. 

Интересно, что впервые законодательно использование (пока не обязательное для некоторых категорий двигателей) сажевых фильтров было введено в 2005 году с вступлением в силу стандарта «Евро-4». А в 2011 году, вместе с вступлением в силу норм стандарта «Евро-5», использование сажевого фильтра стало обязательным для всех дизельных двигателей легковых и грузовых автомобилей. 

Типы сажевых фильтров

Все сажевые фильтры основаны на одном простом принципе: частицы сажи задерживаются в керамической матрице, пронизанной продольными каналами. Поэтому говорить о большом разнообразии типов фильтров нельзя — этого разнообразия просто-напросто нет. 

Однако фильтрам присуща одна проблема: со временем они загрязняются, стенки каналов забиваются сажей, и приходится проводить регенерацию, то есть восстановление фильтра. И фильтры можно разделить на несколько групп по использованным в них техническим решениям для регенерации:

• Традиционные сажевые фильтры — регенерация проводится изменением режима работы двигателя (об этом читайте ниже); 

   

• Фильтры с каталитическим покрытием — это, в сущности, объединение каталитического нейтрализатора и сажевого фильтра в одном модуле, регенерация проводится за счет изменения режима работы двигателя и близкого расположения фильтра к выпускному коллектору;

   

• Фильтры с системой ввода в топливо присадок — активным компонентом присадок является церий, который снижает температуру сжигания сажи, и регенерация фильтра происходит постоянно в процессе работы двигателя. 

   

   Также все сажевые фильтры можно разделить на несколько групп по размещению их в выпускной системе двигателя:

• Фильтр располагается между выпускным коллектором и каталитическим нейтрализатором;

   

  3Фильтр располагается после нейтрализатора;

• Фильтр и нейтрализатор объединены в единую конструкцию.  

   

  Но, как было сказано выше, независимо от типа все фильтры имеют одинаковое устройство и в основе их работы лежат одинаковые принципы. 

  Устройство и принцип работы сажевого фильтра 

   

  Сажевый фильтр имеет очень простое устройство: его основу составляет жаропрочная керамическая матрица (обычно изготавливается из карбида кремния), помещенная в стальную емкость объемом несколько литров. Матрица пронизана тонкими продольными каналами квадратного сечения, причем в каждой стороны фильтра каналы в шахматном порядке заглушены, и получается, что сквозных отверстий в керамической матрице просто нет. Но как тогда происходит очистка выхлопных газов, если матрица получается закупоренной со всех сторон?

  Все очень просто: керамика имеет пористую структуру, поэтому при малой толщине стенок матрицы и большой площади поверхности каналов газы могут свободно проходить через них. Но только газы, а частицы сажи, которые слишком большие, осаждаются на стенках этих каналов. Вот и весь секрет работы фильтра. 

  Конечно, такая структура все равно создает некоторое сопротивление свободному прохождению выхлопных газов, отчего бесполезно теряется вырабатываемая двигателем мощность. На практике потеря мощности из-за наличия сажевого фильтра не превышает единиц лошадиных сил, что для современных двигателей — ничто. Поэтому сажевые фильтры и находят такое широкое применение. Работа сажевого фильтра Выхлопные газы на входе в фильтр. Фильтрационный элемент в разрезе. Действие фильтрационного элемента. Датчики давления. Сенсор температуры. Фазы фильтрационных циклов: A - фаза фильтрации. B - фаза регенерации. Выхлопные газы на выходе из фильтра. Однако нетрудно понять, что со временем фильтр засоряется сажей, отчего вся выпускная система и двигатель перестают нормально функционировать. В этом случае необходимо очистить фильтр, восстановить его работоспособность, или, как говорят, произвести регенерацию.

  Регенерация сажевого фильтра 

   

  Современные сажевые фильтры имеют большой ресурс — иные образцы нормально выполняют свои функции до 180 тысячи км пробега. Однако очень часто бывает, что еще задолго до выработки ресурса фильтр засоряется и нуждается в очистке, или регенерации. Этот процесс сводится к простому сжиганию сажи (которая, как мы помним, состоит из горючих углерода и углеводородов), а вот как сжечь сажу — это уже вопрос. Потому что она начинает гореть при температуре 530°C, в то время как температура выхлопных газов дизельного двигателя едва достигает 300 градусов.Существует два типа регенерации фильтра:

• Пассивная регенерация — сжигание сажи производится во время работы двигателя на определенных режимах. Проще говоря, вы используете свой автомобиль, и если в какой-то момент двигатель выходит на благоприятный режим работы (обычно это большие обороты), то за счет возросшей температуры выхлопных газов сажа частично сжигается.
• Активная регенерация — это принудительная регенерация при критическом засорении фильтра (о чем свидетельствует специальный индикатор). Может производиться несколькими способами, но наиболее простой из них — перевод двигателя в особый режим работы, при котором одновременно с выхлопными газами в выпускной коллектор (а через него — в фильтр) подается некоторое количество топлива. Это топливо поджигается выхлопными газами непосредственно в сажевом фильтре, в результате чего и происходит сжигание сажи.Также, как мы говорили выше, в топливе могут присутствовать присадки, понижающие температуру горения сажи, в результате чего пассивная регенерация происходит эффективнее. 

   

  Однако и в этом случае требуется периодическая активная регенерация, хотя и не так часто.Нужно сказать, что матерые автовладельцы используют особый способ регенерации фильтра: при загорании индикатора о засорении фильтра они просто выезжают на загородные трассы, и катаются по ним несколько десятков минут на большой скорости. Конечно, это помогает (так как температура выхлопа в этом случае повышается и часть сажи сгорает), но ненадолго — уже чрез пару недель индикатор засорения фильтра снова напомнит о себе. Поэтому лучше проводить регенерацию так, как это рекомендует производитель автомобиля.