Фильтр дизельных частиц: принцип работы, очистка и обслуживание.

Введение

Удаляет дизельные твердые частицы или сажу из выхлопных газов дизельного двигателя.

Фильтр дизельных твердых частиц (DPF) – это устройство, предназначенное для удаления дизельных твердых частиц или сажи из выхлопных газов дизельного двигателя. Это происходит посредством сжигания накопленной сажи или другими методами. Этот процесс известен как регенерация фильтра. Чистка также необходима в рамках периодического обслуживания и должна выполняться осторожно, чтобы избежать повреждения фильтра. Неисправность форсунок или турбокомпрессоров, приводящая к загрязнению фильтра не сгоревшим дизельным топливом или моторным маслом, также может потребовать очистки. Процесс регенерации происходит на скоростях, которые обычно недостижимы в городских условиях; транспортным средствам, эксплуатируемым преимущественно на низких скоростях в городском трафике, могут потребоваться периодические поездки на более высоких скоростях для очистки DPF. Если водитель игнорирует предупреждающую лампу и слишком долго не эксплуатирует автомобиль на достаточной скорости, DPF может не регенерироваться должным образом, и дальнейшая эксплуатация может привести к его полной поломке и необходимости замены. Некоторые современные дизельные двигатели, особенно те, что устанавливаются на большегрузные автомобили, могут выполнять так называемую регенерацию на стоянке, когда двигатель повышает обороты примерно до 1400 об/мин, чтобы увеличить температуру выхлопных газов. Дизельные двигатели производят различные частицы в процессе сгорания топливно-воздушной смеси из-за неполного сгорания. Состав частиц значительно варьируется в зависимости от типа двигателя, его возраста и норм выбросов, которым он должен соответствовать. Двухтактные дизельные двигатели производят больше частиц на единицу мощности, чем четырехтактные, поскольку сжигают топливно-воздушную смесь менее полно. Дизельные твердые частицы, образующиеся в результате неполного сгорания дизельного топлива, представляют собой частицы сажи (черного углерода). Эти частицы включают крошечные наночастицы – размером менее одного микрометра (микрона). Сажа и другие частицы от дизельных двигателей усугубляют загрязнение воздуха твердыми частицами и оказывают вредное воздействие на здоровье. Новые фильтры твердых частиц могут улавливать от 30% до более 95% вредной сажи. При использовании оптимального фильтра дизельных частиц (DPF) выбросы сажи могут быть снижены до 0,001 или менее. Качество топлива также влияет на образование этих частиц. Например, дизельное топливо с высоким содержанием серы производит больше частиц. Топливо с более низким содержанием серы производит меньше частиц и позволяет использовать фильтры твердых частиц. Давление впрыска дизельного топлива также влияет на образование мелких частиц.

A diesel particulate filter (DPF) is a device designed to remove diesel particulate matter or soot from the exhaust gas of a diesel engine. or through other methods. This is known as filter regeneration. Cleaning is also required as part of periodic maintenance, and it must be done carefully to avoid damaging the filter. Failure of fuel injectors or turbochargers resulting in contamination of the filter with raw diesel or engine oil can also necessitate cleaning. The regeneration process occurs at road speeds higher than can generally be attained on city streets; vehicles driven exclusively at low speeds in urban traffic can require periodic trips at higher speeds to clean out the DPF. If the driver ignores the warning light and waits too long to operate the vehicle above , the DPF may not regenerate properly, and continued operation past that point may spoil the DPF completely so it must be replaced. Some newer diesel engines, namely those installed in combination vehicles, can also perform what is called a Parked Regeneration, where the engine increases RPM to around 1400 while parked, to increase the temperature of the exhaust. Diesel engines produce a variety of particles during the combustion of the fuel/air mix due to incomplete combustion. The composition of the particles varies widely dependent upon engine type, age, and the emissions specification that the engine was designed to meet. Two stroke diesel engines produce more particulate per unit of power than do four stroke diesel engines, as they burn the fuel air mix less completely. Diesel particulate matter resulting from the incomplete combustion of diesel fuel produces soot (black carbon) particles. These particles include tiny nanoparticles—smaller than one micrometre (one micron). Soot and other particles from diesel engines worsen the particulate matter pollution in the air and are harmful to health. New particulate filters can capture from 30% to greater than 95% of the harmful soot. With an optimal diesel particulate filter (DPF), soot emissions may be decreased to 0.001 or less. The quality of the fuel also influences the formation of these particles. For example, a high sulphur content diesel produces more particles. Lower sulphur fuel produces fewer particles, and allows use of particulate filters. The injection pressure of diesel also influences the formation of fine particles.

История

Фильтрация дизельных частиц впервые была рассмотрена в 1970-х годах в связи с опасениями по поводу воздействия вдыхаемых частиц. Фильтры твердых частиц используются на внедорожной технике с 1980 года, а в автомобилях – с 1985 года. Исторически выбросы дизельных двигателей средней и большой мощности не регулировались до 1987 года, когда было принято первое правило для тяжелых грузовиков в Калифорнии, ограничивающее выбросы твердых частиц до 0,60 г/л.с. в час. С тех пор были введены все более строгие стандарты для легковых и грузовых дизельных транспортных средств, предназначенных для дорог общего пользования, и для внедорожных дизельных двигателей. Аналогичные правила были приняты Европейским Союзом и некоторыми отдельными европейскими странами, большинством азиатских стран, а также остальной частью Северной и Южной Америки. Хотя ни одна юрисдикция явно не сделала фильтры обязательными, все более жесткие нормы выбросов, которым должны соответствовать производители двигателей, означают, что в конечном итоге все дизельные двигатели, используемые на дорогах, будут оснащены ими. В декабре 2008 года Калифорнийский совет по контролю за качеством воздуха (CARB) утвердил правило о грузовиках и автобусах по всему штату Калифорния на 2008 год, которое – в зависимости от типа, размера и использования транспортного средства – требует модернизации, переоборудования или замены тяжелых дизельных грузовиков и автобусов в Калифорнии для снижения выбросов твердых частиц (PM) не менее чем на 85%. Установка дизельных сажевых фильтров, одобренных CARB, является одним из способов выполнения этого требования. В 2009 году Закон об американском восстановлении и реинвестициях предоставил финансирование для помощи владельцам в компенсации затрат на модернизацию дизельных транспортных средств. Другие юрисдикции также запустили программы модернизации, в том числе:
2001 г. – программа модернизации в Гонконге.
2002 г. – в Японии префектура Токио приняла закон, запрещающий грузовикам без фильтров въезжать в город.
2003 г. – в Мехико началась программа модернизации грузовиков.
2004 г. – программа модернизации в Нью-Йорке (для внедорожной техники).
2008 г. – в Милане введена система Ecopass – значительный въездной налог на все дизельные транспортные средства, за исключением тех, которые оснащены сажевым фильтром, установленным на заводе или в процессе модернизации.
2008 г. – в Лондоне взимается плата за въезд в зону низких выбросов с транспортных средств, не соответствующих стандартам выбросов, что стимулирует установку сажевых фильтров. Неправильно обслуживаемые сажевые фильтры на транспортных средствах с дизельными двигателями склонны к накоплению сажи, что может привести к проблемам с двигателем из-за высокого противодавления, включая более тщательную проверку дизельных автомобилей. Одним из требований было наличие правильно установленного и исправно работающего сажевого фильтра (DPF). Управление транспортным средством без DPF может повлечь за собой штраф в размере 1000 фунтов стерлингов.

Diesel particulate filtering was first considered in the 1970s due to concerns regarding the impacts of inhaled particulates. Particulate filters have been in use on non road machines since 1980, and in automobiles since 1985. Historically medium and heavy duty diesel engine emissions were not regulated until 1987 when the first California Heavy Truck rule was introduced capping particulate emissions at 0.60 g/BHP Hour. Since then, progressively tighter standards have been introduced for light and heavy duty roadgoing diesel powered vehicles and for off road diesel engines. Similar regulations have also been adopted by the European Union and some individual European countries, most Asian countries, and the rest of North and South America. While no jurisdiction has explicitly made filters mandatory, the increasingly stringent emissions regulations that engine manufacturers must meet mean that eventually all on road diesel engines will be fitted with them. As of December 2008 the California Air Resources Board (CARB) established the 2008 California Statewide Truck and Bus Rule which—with variance according to vehicle type, size and usage—requires that on road diesel heavy trucks and buses in California be retrofitted, repowered, or replaced to reduce particulate matter (PM) emissions by at least 85%. Retrofitting the engines with CARB approved diesel particulate filters is one way to fulfill this requirement. In 2009 the American Recovery and Reinvestment Act provided funding to assist owners in offsetting the cost of diesel retrofits for their vehicles. Other jurisdictions have also launched retrofit programs, including:
2001 Hong Kong retrofit program. 2002 In Japan the Prefecture of Tokyo passed a law banning trucks without filters from entering the city limits. 2003 Mexico City started a program to retrofit trucks. 2004 New York City retrofit program (non road). 2008 Milan Ecopass area traffic charge – a hefty entrance tax on all diesel vehicles except those with a particulate filter, either stock or retrofit. 2008 London low emission zone charges vehicles that do not meet emission standards, encouraging retrofit filters. Inadequately maintained particulate filters on vehicles with diesel engines are prone to soot buildup, which can cause engine problems due to high back pressure. including tougher scrutiny of diesel cars. One requirement was to have a properly fitted and working DPF. Driving without a DPF could incur a £1000 fine.

Фильтры настенного потока из кордиерита

Наиболее распространенный фильтр изготавливается из кордиерита (керамического материала, который также используется в качестве носителя каталитических нейтрализаторов (ядра)). Кордиеритовые фильтры обеспечивают отличную эффективность фильтрации, относительно недороги и обладают тепловыми свойствами, упрощающими их упаковку для установки в автомобиль. Основной недостаток заключается в относительно низкой температуре плавления кордиерита (около 1200 °C), и известно, что кордиеритовые подложки плавятся во время регенерации фильтра. Это особенно актуально, если фильтр перегружен, и в большей степени для пассивных систем, чем для активных, если только не произойдет отказ системы. Фильтрующие ядра из кордиерита выглядят как ядра каталитических нейтрализаторов, в которых поочередные каналы заглушены – эти заглушки заставляют выхлопные газы проходить через стенку фильтра, а частицы оседают на входной поверхности.

Фильтры с прохождением металлических волокон

Некоторые ядра изготавливаются из металлических волокон – как правило, эти волокна "сплетаются" в монолитную структуру. Такие ядра обладают преимуществом: через монолит можно пропускать электрический ток для нагрева ядра с целью регенерации, что позволяет фильтру регенерироваться при низких температурах выхлопных газов и/или низких расходах выхлопных газов. Ядра из металлических волокон, как правило, дороже, чем ядра из кордиерита или карбида кремния, и обычно не взаимозаменяемы с ними из-за необходимости подачи электричества.

Бумага

Одноразовые бумажные втулки используются в некоторых специализированных областях без стратегии регенерации. Угольные шахты – типичные потребители. Отработанные газы обычно сначала проходят через водяной фильтр для охлаждения, а затем через фильтр очистки. Бумажные фильтры также применяются, когда дизельную машину необходимо использовать в помещении на короткий срок, например, при установке оборудования в магазине с помощью вилочного погрузчика.

Частичные фильтры

Существует множество устройств, обеспечивающих фильтрацию твердых частиц на уровне свыше 50%, но ниже 85%. Частичные фильтры изготавливаются из различных материалов. Общим для них является то, что они создают большее сопротивлению потоку, чем каталитический нейтрализатор, но меньшее, чем дизельный сажевый фильтр. Технология частичной фильтрации популярна для дооснащения.

Содержание

Фильтры требуют большего обслуживания, чем каталитические нейтрализаторы. Сажа, побочный продукт сгорания масла в процессе нормальной работы двигателя, накапливается в фильтре, так как не может быть преобразована в газ и пройти сквозь его стенки. Это повышает давление перед фильтром. Тяжелые пикапы имеют менее жесткие требования по всем трем параметрам. Грузовики класса 8 – еще менее жесткие. Если автомобиль часто эксплуатируется в городских условиях, дизельный сажевый фильтр (ДПФ) может забиться, что приведет к снижению мощности и ухудшению динамики разгона либо пассивно из-за повышенного давления в выхлопной системе, либо активно из-за перехода автомобиля в аварийный режим ("limp mode" или "режим черепахи"), чтобы предотвратить повреждение двигателя и турбокомпрессора. После засорения как пассивная, так и активная регенерация могут оказаться неэффективными. ДПФ можно попытаться прочистить высокотемпературной промывкой под давлением (что официально не рекомендуется) и/или выжиганием в специальной печи.

Безопасность

В 2011 году Ford отозвал 37 400 пикапов серии F с дизельными двигателями после того, как утечки топлива и масла привели к возгораниям в дизельных сажевых фильтрах. До отзыва пострадавших не было, однако был зафиксирован один случай возгорания сухой травы. Аналогичный отзыв был выпущен для дизельных Jaguar S-Type и XJ 2005–2007 годов выпуска, где значительное количество сажи скапливалось в дизельном сажевом фильтре. В затронутых автомобилях дым и огонь вырывались из-под днища, сопровождаясь пламенем из задней части выхлопной системы. Тепло от пожара могло распространяться через туннель трансмиссии в салон, расплавляя элементы интерьера и потенциально вызывая пожар в салоне.

Восстановление

Регенерация – это процесс сжигания (окисления) накопленной сажи в фильтре. Это происходит либо пассивно (за счет тепла выхлопных газов двигателя при нормальной работе или путем добавления катализатора в фильтр), либо активно, путем подачи очень высокой температуры в выхлопную систему. На борту могут использоваться различные стратегии управления активными фильтрами. Этот прогресс значителен, поскольку позволяет проводить реакцию очистки при стандартной рабочей температуре большинства дизельных двигателей, устраняя необходимость в сжигании дополнительного топлива или ином искусственном нагреве двигателя. Семейство Mg-допированных катализаторов, названных катализаторами Grindstaff в честь химика, начавшего эти исследования, стало предметом многочисленных исследований в промышленности и академических кругах в связи с ужесточением норм выбросов твердых частиц во всем мире. В некоторых случаях, при отсутствии топливного катализатора, сгорание твердых частиц может повысить температуру до уровня, превышающего предел прочности материала фильтра, что может привести к катастрофическому разрушению подложки. Разработаны различные стратегии для предотвращения этого. Важно отметить, что в отличие от двигателя с искровым зажиганием, в выхлопных газах которого перед системой контроля выбросов обычно содержится менее 0,5% кислорода, дизельные двигатели имеют очень высокое содержание доступного кислорода. Хотя наличие кислорода позволяет быстро проводить регенерацию фильтра, оно также может способствовать неконтролируемой регенерации. В некоторых применениях используется регенерация вне машины. Регенерация вне машины требует вмешательства оператора, то есть машину либо подключают к стационарной станции регенерации, установленной на стене или полу, либо фильтр снимают с машины и помещают в станцию регенерации. Регенерация вне машины не подходит для автомобилей, используемых на дорогах общего пользования, за исключением случаев, когда транспортные средства паркуются на центральном складе в нерабочее время. Регенерация вне машины в основном используется в промышленности и горнодобывающей отрасли. Угольные шахты (с сопутствующим риском взрыва из-за угольной пыли и газа) используют регенерацию вне машины, если установлены не одноразовые фильтры, при этом станции регенерации располагаются в зоне, где разрешено использование невзрывозащищенного оборудования. Многие вилочные погрузчики также могут использовать регенерацию вне машины – как правило, это горнодобывающая техника и другое оборудование, которое эксплуатируется в одном месте, что делает практичным наличие стационарной станции регенерации. В ситуациях, когда фильтр физически извлекается из машины для регенерации, также есть возможность ежедневно осматривать фильтрующий элемент (ядра DPF для внедорожной техники обычно рассчитаны на работу в течение одной смены, поэтому регенерация происходит ежедневно).

Regeneration is the process of burning off (oxidizing) the accumulated soot from the filter. This is done either passively (from the engine's exhaust heat in normal operation or by adding a catalyst to the filter) or actively introducing very high heat into the exhaust system. On board active filter management can use a variety of strategies: This advancement is significant because it allows the cleaning reaction to take place at the standard operating temperature of most diesel engines, removing the requirement for burning extra fuel or otherwise artificially heating the engine. The family of Mg doped catalysts, named Grindstaff catalysts after the chemist who started the work, has been the subject of much investigation across industry and academia with the tightening of emissions regulations on particulate matter world wide. In some cases, in the absence of a fuel borne catalyst, the combustion of the particulate matter can raise temperatures so high, that they are above the structural integrity threshold of the filter material, which can cause catastrophic failure of the substrate. Various strategies have been developed to limit this possibility. Note that unlike a spark ignited engine, which typically has less than 0.5% oxygen in the exhaust gas stream before the emission control device(s), diesel engines have a very high ratio of oxygen available. While the amount of available oxygen makes fast regeneration of a filter possible, it also contributes to runaway regeneration problems. Some applications use off board regeneration. Off board regeneration requires operator intervention (i. e. the machine is either plugged into a wall/floor mounted regeneration station, or the filter is removed from the machine and placed in the regeneration station). Off board regeneration is not suitable for on road vehicles, except in situations where the vehicles are parked in a central depot when not in use. Off board regeneration is mainly used in industrial and mining applications. Coal mines (with the attendant explosion risk from coal damp) use off board regeneration if non disposable filters are installed, with the regeneration stations sited in an area where non permissible machinery is allowed. Many forklifts may also use off board regeneration – typically mining machinery and other machinery that spend their operational lives in one location, which makes having a stationary regeneration station practical. In situations where the filter is physically removed from the machine for regeneration there is also the advantage of being able to inspect the filter core on a daily basis (DPF cores for non road applications are typically sized to be usable for one shift so regeneration is a daily occurrence).