Методы регенерации сажевого фильтра

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

                          Кафедра: «Двигатели внутреннего  сгорания»

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

 

Тема: «Методы регенерации  сажевого фильтра»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:                                                                            Усс А.В.

 

                                                                                              Гр. 301318

 

 

Проверил:                                                                     Пилатов А. Ю.           

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2013

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

                          Кафедра: «Двигатели внутреннего  сгорания»

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Тема: «Методы регенерации  сажевого фильтра»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:                                                                            Усс А.В.

 

                                                                                              Гр. 301318

 

 

Проверил:                                                                          Пилатов А. Ю.                  

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………………3

Устройство и предназначение…………………………………………………….4

Методы регенерации………………………………………………………………6

Проблемы и пути решения………………………………………………………...8

Литература…………………………………………………………………………10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Введение в 2005 году экологического стандарта ЕВРО-4, регламентирующего  количество вредных выбросов в окружающую среду автомобилями с двигателями  внутреннего сгорания, вынудил производителей автомобилей применить техническое  решение, которое позволило бы добиться значительного снижения выбросов вредных  и опасных для здоровья человека веществ (сажа, оксид азота NOx, оксид углерода и др.)

Именно по этой причине, большинство  современных дизельных автомобилей, выпущенных с 2004 года, оборудованы системой нейтрализации сажи, основным элементом  которой является "противосажевый фильтр”.

Образование сажи в дизельном  двигателе определяется отдельными процессами сгорания дизельного топлива, такими как: подача воздуха, впрыск, распространение  зоны горения. Качество сгорания зависит  от образования смеси воздуха  и топлива. В определенных зонах  камеры сгорания может наблюдаться  переобогащение смеси вследствие недостатка кислорода. В этом случае сгорание будет неполным, что приведет к образованию сажи.

Частицы сажи – это микроскопически  малые углеродные частицы диаметром  примерно 0,05 мкм. Ядро их состоит из чистого углерода. Вокруг ядра располагаются  различные углеводородные соединения, металлооксиды и сера.

Сажа, особенно слипшаяся  в более крупные частицы, является сильным канцерогеном. Она может  способствовать возникновению различного рода аллергических реакций организма  человека. Сажевые частицы в нормальных условиях не взаимодействуют с кислородом воздуха и поэтому удаляются  только за счёт процессов осаждения  и/или последующего дожигания до состояния CO2, которые идут очень  медленно. Поэтому для сохранения здоровья человека необходим жёсткий  контроль над полнотой сгорания топлива.

Выброс сажи дизельным  двигателем можно заметно сократить  путем встраивания в систему  выхлопа сажевого фильтра (DPF, FAP™). Такой  фильтр способен на 97% снизить содержание сажи в отработавших газах. Фильтр задерживает  и потом окисляет (сжигает) сажу при  температуре 500°C, что позволяет предотвратить  его засорение. Регенерация фильтра  происходит автоматически при движении автомобиля.

Устройство и предназначение

Сажевый фильтр представляет собой устройство, которое очищает  выхлоп дизельного двигателя от сажи. Сажевый фильтр – это матрица, состоящая из множества керамических ячеек, помещенная в корпус из металла. Особое строение фильтра позволяет  лучше очистить от сажи выхлопные  газы.

Рис. 1- Сажевый фильтр

 

Основное предназначение сажевого фильтра - уменьшение выброса  из выхлопной трубы оксида азота, оксида углерода и сажи.

Существует  два вида сажевых фильтров:

 DPF (diesel particulate filter) - фильтр закрытого типа, без возможности прочистки и FAP – фильтр закрытого типа с возможностью удаления (сгорания) накопленной сажи с поверхности фильтра и его регенерации. Для удаления сажи применяется специальный реагент, который вступает в реакцию с вредными веществами, которые находятся в сажевом фильтре, и под воздействием большой температуры, полностью удаляет их из фильтра. Фильтры типа DPF при засорении просто подлежат замене, правда считается, что такой фильтр восстанавливается на повышенных нагрузках, когда температура выхлопных газов достигает 400 градусов, что приводит к сгоранию сажи, такой метод регенерации называется пассивным. Контролирует состояние фильтра, его физико-химические характеристики, электронный блок управления. Индикация о состоянии сажевого фильтра выведена на панель приборов.

Существует  три основных схемы установки  фильтра на автомобиле:

Первая это установка  фильтра перед каталитическим нейтрализатором (катализатором (рис.2)).

Рис.2

Вторая схема, установка  после катализатора (рис.3).

Рис.3

И третья, это комбинированный  модуль сажевого фильтра и катализатора (рис.4).

Рис.4

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.

Методы регенерации

В работе сажевого фильтра  с каталитическим покрытием различают  активную и пассивную регенерацию.

При пассивной регенерации происходит непрерывное окисление сажи за счет действия катализатора 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.

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 дизелем. При данной температуре частицы сажи сгорают, т.е. вступают в реакцию с кислородом с образованием углекислого газа.

Управление активной регенерацией сажевого фильтра осуществляется с  помощью следующих датчиков системы  управления дизелем:

-расходомер воздуха;

-датчик температуры отработавших газов до сажевого фильтра;

-датчик температуры отработавших газов после сажевого фильтра;

-датчик 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 величины.

Сажевый фильтр с  автоматической регенерацией

Сажевый фильтр с автоматической регенерацией (Filtre a Particules, FAP) является разработкой концерна PSA (Peuqeot-Citroen). В выпускной системе фильтр устанавливается отдельно за каталитическим нейтрализатором. В данной конструкции фильтра применен способ регенерации сажи за счет впрыска в топливо присадки, повышающей температуру отработавших газов. Аналогичный подход реализован в сажевых фильтрах других автопроизводителей (Ford, Toyota).

Работа сажевого фильтра  организована следующим образом. При  заполнении фильтра частицами сажи, система управления дизелем обеспечивает автоматический впрыск в дизельное  топливо специальной присадки, содержащей церий. Церий обладает свойством  при сгорании выделять большое количество тепла.

Присадка впрыскивается  по сигналу блока управления несколько  раз. Первый раз - на такте впрыска  топлива. При этом повышается температура  отработавших газов, которые разогревают  матрицу фильтра до температуры 700°С.

При достижении заданной температуры, впрыск присадки происходит на такте  выпуска отработавших газов. Церий  при этом не сгорает, а доставляется с газами в сажевый фильтр. При  попадании на раскаленную поверхность  матрицы топливо вместе с церием воспламеняется. Температуры достигает 1000°С, при которой сажа полностью окисляется (сгорает), т.е. происходит регенерация фильтра. Необходимо отметить, что несмотря на высокую температуру, разрушение матрицы фильтра не происходит.

Церий содержащая присадка хранится в отдельной емкости, заправки которой хватает на несколько лет работы двигателя (порядка 80000 км пробега). Сажевый фильтр с автоматической регенерацией устойчив к использованию дизельного топлива низкого качества, при этом расход присадки увеличивается.

Проблемы с  сажевым фильтром и пути решения

К сожалению, при эксплуатации любой сажевый фильтр исправно работает лишь при первых 50-120 тыс. км. Засоренный фильтр следует незамедлительно чистить или менять, иначе можно столкнуться с куда более масштабными проблемами, такими как сгоревший катализатор, вышедший из строя клапан EGR и даже гидроудар из-за попадания масла в цилиндры двигателя.

Проблемы  с сажевым фильтром можно определить по следующим признакам:

• Увеличение расхода горючего,
• Снижение тяги автомобильного двигателя,
• Характерные шипящие звуки при работе двигателя,
• Возрастает уровень масла в двигателе,
• Периодическая повышенная задымленность выхлопа,
• Сигнал о неисправном сажевом фильтре на приборной панели.

Существует  несколько путей решения проблемы с сажевым фильтром:

• Замена сажевого фильтра на новый. Довольно затратный метод. Во-первых, в зависимости от марки авто Вам придется купить сажевый фильтр по цене от 900 до 3000 евро. Во-вторых, нового фильтра хватит не более, чем на 120 тыс. км пробега.
• Удаление сажевого фильтра – сложная скрупулезная процедура, требующая профессионального подхода и специального оборудования. Недостаточно просто выбить сажевый фильтр – удаление должно включать в себя и программное отключение прожига, перевод блока управления на режим работы без сажевого фильтра.
• Ремонт сажевого фильтра по уникальной технологии – очень эффективный вариант, позволяющий избежать множества проблем с сажевым фильтром и не нарушать сложную систему блока управления.