Главная / Статьи / Сажевый фильтр - что это такое? Регенерация сажевого фильтра (фильтр твердых частиц) DPF (Diesel Particular Filter) FAP ( Filtre a partikules)
Сажевый фильтр - что это такое? Регенерация сажевого фильтра (фильтр твердых частиц) DPF (Diesel Particular Filter) FAP ( Filtre a partikules) 22.05.2014 07:52

Сажевый фильтр – это фильтр, задерживающий частицы сажи, которая образуется при сгорании дизельного топлива. Появление такого фильтра было обусловлено введением экологического стандарта Евро-4.

 Сажевые фильтры дизельных автомобилей появились повсеместно после 2005 года выпуска с целью улучшение параметров выброса вредных веществ. К сожалению, сегодняшнее решение не отличается надежностью в российских условиях, больно ударяя по кошелькам автовладельцев при выходе из строя сажевого фильтра.

Сажевые фильтры стали устанавливать в автомобилях, выпущенных в 2004-2005 гг. Все современные автомобили с дизельными двигателями оборудованы такими фильтрами. Широкое распространение приобрели следующие аббревиатуры сажевых фильтров:

FAP ( Filtre a partikules) Аббревиатура, обозначающая фильтр, улавливающий несгоревшие частички топлива в выхлопных газах дизельного двигателя. Обычно употребляют термин «противосажевый фильтр». Устанавливается все большим числом производителей 

DPF (Diesel Particular Filter) - фильтра твердых частиц 

 

Схема работы системы очистки фильтра без присадок

11

 

 

Схема работы системы очистки фильтра c присадками

 

22

На легковых автомобилях с дизельным двигателем в составе выпускной системы с 2000 года применяется сажевый фильтр. С введением норм Евро-5 в январе 2011 года применение сажевого фильтра на легковых автомобилях с дизельным двигателем является обязательным.

Сажевый фильтр

Дизельный сажевый фильтр (в английском варианте Diesel Particulare Filter, DPF, в французском варианте Filtre a Particules, FAP, в немецком варианте RubPartikelFilter, RPF) предназначен для снижения выброса сажевых частиц в атмосферу с отработавшими газами. Применения фильтра позволяет добиться снижения частиц сажи в отработавших газах до 99,9 %.

В дизельном двигателе сажа образуется при неполном сгорании топлива. Частицы сажи имеют размер от 10 нм до 1 мкм. Каждая частица состоит из углеродного ядра, с которым соединены углеводороды, оксиды металлов, сера и вода. Конкретный состав сажи определяется режимом работы двигателя и составом топлива.

В выпускной системе сажевый фильтр располагается закаталитическим нейтрализатором. В ряде конструкций сажевый фильтр объединен с каталитическим нейтрализатором окислительного типа и располагается сразу за выпускным коллектором там, где температура отработавших газов максимальна. Он называется сажевый фильтр с каталитическим покрытием.

Основным конструктивным элементом сажевого фильтра является матрица, которая изготавливается из керамики (карбида кремния). Матрица помещена в металлический корпус. Керамическая матрица имеет ячеистую структуру, состоящую из каналов малого сечения, попеременно закрытых с одной и с другой стороны. Боковые стенки каналов имеют пористую структуру и играют роль фильтра.

В сечении ячейки матрицы имеют квадратную форму. Более совершенными являются входные ячейки восьмиугольной формы. Они имеют большую площадь поверхности (по сравнению с выходными ячейками), пропускают больше отработавших газов и обеспечивают больший срок службы сажевого фильтра.

В работе сажевого фильтра различается два последовательных этапа: фильтрация и регенерация сажи. При фильтрации происходит захват частиц сажи и оседание их на стенках фильтра. Наибольшую сложность для задержания представляют частицы сажи малого размера (от 0,1 до 1 мкм). Их доля невелика (до 5%), но это самые опасные для человека выбросы. Современные сажевые фильтры задерживают и эти частицы.

Скопившиеся при фильтрации частицы сажи создают препятствие для отработавших газов, что приводит к снижению мощности двигателя. Поэтому периодически требуется очистка фильтра от накопившейся сажи или регенерация. Различают пассивную и активную регенерацию сажевого фильтра. В современных фильтрах используется, как правило, пассивная и активная регенерация.

Пассивная регенерация сажевого фильтра осуществляется за счет высокой температуры отработавших газов (порядка 600°С), которая достигается при работе двигателя с максимальной нагрузкой. Другим способом пассивной регенерации является добавление в топливо специальных присадок, которые обеспечивают сгорание сажи при более низкой температуре (450-500°С).

При определенных режимах работы двигателя (небольшая нагрузка, движение в городе и др.) наблюдается недостаточно высокая температура отработавших газов и пассивная регенерация происходить не может. В этом случае осуществляется активная (принудительная) регенерация сажевого фильтра.

Активная регенерация сажевого фильтра производится путем принудительного повышения температуры отработавших газов в течение определенного промежутка времени. Накопленная при этом сажа окисляется (сгорает). Различают несколько способов увеличения температуры отработавших газов при активной регенерации:

  • поздний впрыск топлива;
  • дополнительный впрыск топлива на такте выпуска;
  • использование электрического нагревателя перед сажевым фильтром;
  • впрыск порции топлива непосредственно перед сажевым фильтром;
  • нагрев отработавших газов микроволнами.

Конструкция сажевого фильтра и систем, обеспечивающих его работу, постоянно совершенствуется. В настоящее время наиболее востребован сажевый фильтр с каталитическим покрытием и сажевый фильтр с системой ввода присадок в топливо.

Сажевый фильтр с каталитическим покрытием

Сажевый фильтр с каталитическим покрытием применяется на автомобилях концерна Volkswagen и ряда других производителей. В работе сажевого фильтра с каталитическим покрытием различают активную и пассивную регенерацию.

При пассивной регенерации происходит непрерывное окисление сажи за счет действия катализатора (платины) и высокой температуры отработавших газов (350-500°С). Цепочка химических преобразований при пассивной регенерации имеет следующий вид:

  • оксиды азота вступают в реакцию с кислородом в присутствии катализатора с образованием диоксида азота;
  • диоксид азота вступает в реакцию с частицами сажи (углеродом) с образованием оксида азота и угарного газа;
  • оксид азота и угарный газ вступают в реакцию с кислородом с образованием диоксида азота и углекислого газа.

Схема сажевого фильтра с каталитическим покрытием

Активная регенерация происходит при температуре 600-650°С, которая создается при помощи системы управления дизелем. Необходимость активной регенерации определяется на основании оценки пропускной способности сажевого фильтра, которая осуществляется с помощью следующих датчиков системы управления дизелем: расходомера воздуха; температуры отработавших газов до сажевого фильтра; температуры отработавших газов после сажевого фильтра; перепада давления в сажевом фильтре.

На основании электрических сигналов датчиков электронный блок управления производит дополнительный впрыск топлива в камеру сгорания, а также снижает подачу воздуха в двигатель и прекращает рециркуляцию отработавших газов. При этом температура отработавших газов поднимается до требуемой для рециркуляции величины.

Сажевый фильтр с системой ввода присадок в топливо

Сажевый фильтр с системой ввода присадок в топливо является разработкой концерна PSA (Peuqeot-Citroen). Так как первопроходцами использования присадок для регенерации являются французы, за фильтром закрепилось название FAP-фильтр (от французского Filtre a Particules). Аналогичный подход реализован в сажевых фильтрах других автопроизводителей (Ford, Toyota).

В системе используется содержащая церий присадка, которая добавляется в топливо и обеспечивает сжигание сажи при более низкой температуре (450-500°С). Но и эта температура отработавших газов не всегда может быть достигнута, поэтому в системе периодически выполняется активная регенерация сажевого фильтра. Сажевый фильтр устанавливается, как правило, отдельно за каталитическим нейтрализатором.

Схема сажевого фильтра с системой ввода присадок в топливо

Присадка хранится в отдельном бачке, емкостью 3-5 л, которой хватает на 80-120 тыс. км пробега (срок службы фильтра). Конструктивно бачок может находиться в топливном баке или вне его. Уровень присадки в бачке контролируется с помощью датчика поплавкового типа. В топливный бак присадка подается с помощью электрического насоса. Подача присадки осуществляется при каждой заправке топливного бака пропорционально заправляемому объему топлива. Начало и продолжительность подачи присадки регулируется блоком управления двигателем (в некоторых конструкциях отдельным электронным блоком).

Побочным эффектом применения присадки является то, что при сгорании она оседает в виде золы на стенки фильтра и не выводится из него, что сокращает ресурс устройства. Срок службы современного сажевого фильтра составляет 120000 км пробега. Производители декларируют выпуск в ближайшее время фильтра с ресурсом 250000 км.

Ввиду высокой стоимости сажевые фильтры, выработавшие ресурс, автовладельцами, как правило, не заменяются, а удаляются с последующей перепрошивкой системы управления двигателем.


Принудительная регенерацая сажевого фильтра

Про сажевый фильтр и про принудительную регенерацию сажевого фильтра на моторах VAG 1.4l/1.9l/2.0l R4 & 2.5l R5 PD/PPD-TDI

Решил опытом поделиться и написать по поводу сажевого фильтра в дизельных двигателях VAG. Вся информация почерпнута из личного опыта, кое что из паутины.

Итак, что такое сажевый фильтр и какой геморрой он может принести владельцу. Cажевый фильтр является неотъемлемой частью ЕВРО-4 и предназначен для снижения выброса сажи при сжигании дизельного топлива в двигателе. Может быть установлен как на двигатели с насос-форсунками, так и CR. Представляет собой банку в выпускной системе двигателя и содержит керамические трубки, с нанесенными на них катализатором химического процесса (обычно платина).

Катализатор позволяет снизить температуру химической реакции, в данном случае - сжигания частичек сажи. Керамические трубки попеременно заглушены на входе и выходе фильтра. Пористая структура трубок позволяет практически беспрепятственно проходить выхлопным газам, при этом частицы сажи задерживаются на стенках.


Сажевый фильтр может быть совмещен с основным катализатором, как это сделано, например, в Туареге на двигателях V6, или выполнен в виде отдельной банки, как это сделано, например, в Фаэтоне или в А6. В процессе эксплуатации сажевый фильтр забивается сажей, что приводит к затруднению выхода выхлопных газов. Для выжигания скопившейся сажи используется регенерация фильтра. Существует пассивная регенерация, при которой сажа сжигается в процессе движения машины под нагрузкой, например, при движении по трассе, при температуре 350-400 градусов и выше.

При движении по городу, где не удается разогреть сажевый фильтр до рабочей температуры, при заполнении фильтра используется активная регенерация. При этом контроллер начинает впрыскивать дополнительную порцию топлива после основной, перекрывает клапан EGR и изменяет алгоритм управления лопатками турбины. Топливо через выпускной коллектор попадает в основной нейтрализатор (катализатор окисления) и там сжигается, Температура в катализаторе повышается, и, как следствие, повышается температура в сажевом фильтре до 500-700 градусов. Сажа начинает выжигаться.


Тут необходимо отметить, что при неудачных регенерациях, при прерывании регенерации или при неисправности датчиков системы или катализатора окисления, часть несгоревшего топлива попадает в масло и разжижает его, причем со временем, уровень масла может подниматься достаточно значительно. Так что, причиной попадания топлива в масло и повышения уровня может быть не только текущие форсунки, уплотнительные колечки на насос-форсунках или тандемного насоса (для насос-форсунок), но и система регенерации. Естественно, что надо срочно менять масло и разбираться с причинами, для двигателя и турбины это как минимум не полезно, как максимум можно попасть на капиталку или замену мотора.

Для вычисления величины заполнения сажевого фильтра используется две модели, одна базируется на практическом измерении разницы давлений на входе и выходе сажевого фильтра с помощью дифференциального датчика, датчиков температуры и расходомера. Вторая модель рассчитывает заполнение на основе стиля вождения, температурных датчиков и кислородного датчика.

Коэффициент заполнения сажевого фильтра лучше контролировать в 075 группе измеряемых величин контроллера двигателя.

1) Температура перед турбонагнетателем > 100°C

2) Температура перед сажевым фильтром 100°C > T > 60°C

3) Коэффициент заполнения < 40% (от 40% начинается регенерация в режиме движения)

4) Температура после сажевого фильтра 60°C > T > 20°C

В общем случае, в системе выпуска находятся 3 датчика температуры, датчик кислорода и дифференциальный датчик. Некорректная работа любого из этих компонентов, датчика кислорода, расходомера, EGR и еще кучи всего приводит к невозможности или трудностям с регенерацией, включая и аварийную. Значения датчиков температуры и дифференциального датчика можно посмотреть в измеряемых величинах в группах:

067 Сажевый фильтр, значения ОГ 1

Граничное условие: v=konst 50-60 км/ч, 3-я передача, n<=3000 1/мин.

1) Температура перед турбонагнетателем > 690°C (через 10 секунд)

2) Температура перед сажевым фильтром > 150°C

3) Перепад давления на сажевом фильтре нет установок

4) Смещение разности давлений на выбеге нет установок

068 Сажевый фильтр, значения ОГ 2

Граничное условие: v=konst 50-60 км/ч, 3-я передача, n<=3000 1/мин.

1) Коэффициент заполнения < 50% (при 50% запускается регенерация)

2) Масса сажи макс.60 г *)

3) Настроечное значение сажи нет установок

4) не используется 074 Сажевый фильтр, значения ОГ 3

Граничное условие: v=konst 50-60 км/ч, 3-я передача, n<=3000 1/мин.

A Значения действительны только во время регенерации

1) Частота вращения двигателя [об/мин]

2) Температура перед турбонагнетателем > 690°C

3) Значение лямбда 1,0-2,0

4) не используется

 Что касается индикации водителю о неисправностях в системе регенерации. При обнаружении неисправности (к сожалению, только явных, например обрыва) датчиков загорается значек с изображением двигателя (неисправность в выхлопной системе). В случае, если фильтр заполнен, контроллер пытался сделать несколько активных регенераций в движении, если попытки оказались не успешными (например, прерваны глушением машины), загорается иконка на экране БК c сажевым фильтром.

Во общем, надо, пока не поздно, отжечь на пустом шоссе. Если количество топлива в баке меньше четверти, то активная регенерация может не запуститься. Так что неисправный датчик уровня, показывающий меньше четверти бака, тоже может быть причиной. Если и это не помогло, то контроллер зажигает значок неисправности выхлопной системе, а через некоторое время и значок неисправности двигателя (спираль преднакала). Двигатель переходит в аварийный режим работы и начинает тупить, причем чем дальше, тем хуже.



Признаки дефектного сажевого фильтра:
Плавают холостые обороты, машина не тянет, увеличение расхода топлива, повышение уровня масла, ошибки по сажевому фильтру на приборной панели. 

Устройство Сажевый фильтр устанавливается за выпускным коллектором, как правило, в непосредственной близости от двигателя. Основным конструктивным элементом сажевого фильтра является матрица, которая изготавливается из керамики (карбида кремния). Керамическая матрица имеет ячеистую структуру, состоящую из каналов малого сечения, попеременно закрытых с одной и с другой стороны. Стенки каналов имеют пористую структуру и выполняют роль фильтра. Матрица помещена в металлический корпус. 

Принцип работы
При прохождении отработавших газов через сажевый фильтр, частицы сажи задерживаются на поверхности стенок матрицы. Нанесенный на стенки матрицы катализатор способствует окислению несгоревших углеводородов и угарного газа. 

Очистка фильтра от накопившейся сажи происходит путем регенерации. 

Различают активную и пассивную регенерацию сажевого фильтра.

При пассивной регенерации происходит непрерывное окисление сажи за счет действия катализатора и высокой температуры отработавших газов (350-500°С). При определенных режимах работы двигателя (небольшая нагрузка и др.) наблюдается недостаточно высокая температура отработавших газов и пассивная регенерация происходить не может. В этом случае осуществляется активная (принудительная) регенерация сажевого фильтра. 

Активная регенерация происходит при температуре 600-650°С, которая создается при помощи системы управления двигателем. При данной температуре частицы сажи вступают в реакцию с кислородом с образованием углекислого газа.

Сигналом для включения процедуры прожига или регенерации сажевого фильтра служит величина сопротивления, которое фильтр создает протоку отработавших газов. Как только пропускная способность сажевого фильтра станет ниже нормы, начинается регенерация, заключающаяся в прожиге осевшей сажи.

Прожиг сажи начинается при температуре более 550 градусов, а температура отработавших газов в обычных режимах работы двигателя ниже. При достижении уровня забитости сажевого фильтра определенного значения в блок управления двигателем приходит сигнал о необходимости начала прожига сажевого фильтра, система питания после каждой подачи в цилиндры основной дозы топлива осуществляет еще и дополнительный впрыск. Дополнительная порция топлива догорает в выхлопном тракте, разогревая тем самым выхлопные газы до температуры, необходимой для выгорания сажи. 
Сажевые фильтры на практике служат 120-150 тыс. км. Их замена стоит очень недешево.

Почему сажевые фильтры выходят из строя

Частые короткие поездки по городу не могут достаточно прогреть сажевый фильтр. 

Для запуска автоматической регенерации нужно длительное время ехать по трассе, чтобы температурный датчик сажевого фильтра определил необходимую температуру.

Таким образом регенерация не происходит или происходит некачественно из-за слабо разогретого фильтра. Заставлять водителей целенаправленно создавать условия для запуска прожига проблематично.

Неисправный двигатель тоже может затормозить процесс регенерации. 

Ошибка по клапану EGR или неправильно закрытая пробка топливного бака – и не будет регенерации. Сажа тем временем продолжает накапливаться, и ее удаление становится все более проблематичным. Полностью прожечь сажу не удается, остаток неизбежно накапливается.

Из опыта удаления забитых сажевых фильтров страдает больше всего первая секция керамического блока. 

Некачественное топливо. 
Количество сажи зависит от содержания серы в дизеле. При завышенных показателях фильтр быстрее забивается. В результате чаще происходит регенерация, а это ведет к увеличению уровня масла, так как часть топлива стекает по стенкам цилиндров в поддон. Свойства такого масла, естественно, ухудшаются.

Решение проблемы
1. Замена сажевого фильтра у дилера. Тут не радует цена и отсутствие гарантии, что новый фильтра отработает хотя бы средние 120-150 т. км
2.Запуск принудительной регенерации при помощи заводской диагностике. В случае физического износа сажевого фильтра занятие бестолковое. 
3.Удаление сажевого фильтра физическое. Решение не работает без программного отключения прожига. Работает только с программным удалением, что требует перевода программы управления двигателя на режим без сажевого фильтра. Поэтому без возможности отключения функции сажевого фильтра в программе блока управления двигателем выбивать фильтр бесполезно.



« Назад