Сажевый фильтр (DPF): внутреннее строение и принцип работы

Дизельный сажевый фильтр (Diesel Particular Filter, сокращенно – ДСФ/DPF) улавливает твердые частицы выхлопов, возникающие в результате сгорания топлива. Элемент устанавливается на авто с дизельными силовыми агрегатами, расположен за 1-м либо 2-м каталитическим нейтрализатором.

Установка первых сажевых фильтров ДСФ начала производиться на базе нормативов Евро-4. Устройство устанавливалось на евро-машинах с 2001 г.

На ряде транспортных средств фильтры совмещены с катализатором и располагаются в общем металлическом корпусе.

Загрязнения, улавливаемые DPF – сложные соединения углерода с серой, водой, металлами. Размеры таких частиц составляют 10 нм – 1 мкм. Они представляют собой копоть, сажу, оказывающие негативное воздействие на окружающую среду. Наличие сажевого фильтра позволяет снизить объем таких соединений в выхлопе до 0,1%.

Помимо общепринятой английской аббревиатуры DPF имеют хождение немецкое (RPF) и французское (FAP) обозначения.

Согласно способу очистки фильтры бывают с каталитическим покрытием и с системой ввода присадок в дизтопливо (FAP).

Особенности конструкции

ДСФ с каталитическим покрытием находит применение в основном на моделях, выпускаемых немецким автоконцерном Volkswagen.

В точке выхода из каталитического нейтрализатора выхлопные газы обладают высокой температурой. По этой причине для производства сажевых фильтров применяется термоустойчивая керамика повышенной прочности. Она включает карбид кремния, оксид алюминия, церий, а также платину, играющую роль катализатора.

Сажевый фильтр имеет металлический корпус, внутри которого находится пористая матрица с керамическими ячейками. Ее насквозь пронизывают тонкие четырех- либо восьмиугольные каналы.

Отверстия находятся параллельно движению выхлопа. Часть из них открыта лишь в одну сторону, такие ячейки называются впускными либо выпускными (в зависимости от их типа).

Элементы очистки представляют собой фильтрующие стенки. Для изготовления используется пористый карбид кремния, покрываемый смесью оксида церия с алюминием, а потом – платиной.

Последняя нужна для прохождения химической реакции, во время которой она сохраняет свою структуру, не распадается, не образует иных химических соединений. Этот момент крайне важен для процесса фильтрации.

На корпусе ДСФ также присутствуют датчики температуры, дифференциального давления. Они проводят мониторинг степени загрязненности устройства с последующей передачей данных на ЭБУ двигателем. В разных марках автомобилей количество, тип, место размещения датчиков отличается.

Устройство работает следующим образом. Выхлопные газы сквозь впускные каналы попадают на сажевый очиститель, где ищут возможный выход. Маршрут у них один – через пористый карбид кремния, в результате копоть и сажа в ходе окисления сгорает, образуя безвредный углекислый газ.

Очищенные газы через выпускные каналы направляются к выхлопной трубе, затем выводятся в атмосферу. Запах таких выхлопов значительно различается с обычными неочищенными.

Процесс очистки проходит постоянно, пока сажевый очиститель не забивается. Это запускает самоочистку, после которой накопленные загрязнения выгорают.

Как проходит процесс регенерации

Современные транспортные средства оснащаются сажевыми фильтрами с саморегенерацией. Для запуска процесса самоочищения требуется соблюдение определенного режима работы авто.

Регенерация выхлопов бывает:

• Пассивной. Активируется при длительной стабильной работе мотора (поездка по загородной трассе с постоянной скоростью). Сопровождается разогревом фильтра выхлопными газами (температура составляет 300-500 градусов). Нагрев до таких показателей необходим для правильного протекания химической реакции и полного выгорания сажи.

Ключевая роль при сгорании сажи принадлежит катализатору (платине). Ее присутствие облегчает, ускоряет окисление, а также понижает температуру протекания реакции со стандартных 600-650С до 300-500С.

• Активной. Запускается при езде на малые расстояния, соответствующие перемещениям в городских условиях (машина часто стартует и тормозит). В таких условиях нужная температура не набирается, что ускоряет засорение сажевого фильтра, мешает его полной очистке. Такая ситуация свойственна для зимы, когда силовой агрегат не успевает прогреваться за короткую поездку до офиса либо в магазин. Сквозь фильтр перемещаются достаточно холодные выхлопы, препятствующие запуску процесса очистки.

Когда регенерация запустилась, прерывать ее не рекомендуется. Для передвижения по городу это может быть проблематичным. Если заглушить мотор, когда процесс стартовал, он прервется и начнется заново, как только запустится двигатель.

Если очистка фильтра регулярно не завершается, последующие попытки будут приводить к перерасходу горючего, повышению уровня масла из-за постоянной работы силового агрегата в нештатном режиме. Игнорирование этого состояния приводит к появлению сообщения, отмечающего превышение попыток регенерации.

Очистка сажевого фильтра по принципу срабатывания бывает спонтанной и принудительной. Первая активируется ЭБУ после анализа данных от датчиков (температура, давление). Второй вариант запуска – наличие в блоке программы, запускающей регенерацию при установленном объеме, сгоревшего топлива либо пройденных километров.

Принудительная очистка активируется вручную. Ее запускают мастера автосервиса либо опытные автовладельцы.

При правильном выполнении операций мотор будет совершать 1500 об/мин, что позволит фильтру прогреться до 300С. После этого температура в нем резко увеличится до 600-650С – очистка перейдет в активную фазу. Индикатором процесса становится копоть, выходящая их выхлопного патрубка. Продолжительность процедуры – полчаса.

В авторежиме активируется программа, зависящая от марки авто:

• Меняет такт выпуска выхлопов.
• Делает на такте выпуска еще один впрыск топлива.
• Делает впрыск топлива с опозданием.

Возможны технические решения, работающие на пару с ПО, которые управляют:

• Нагревом выхлопов микроволнами.
• Впрыском топлива из форсунки непосредственно перед DPF.

Благодаря указанным действиям фильтр прогревается до 600-650С, гарантируя полное сгорание сажи.

Для проведения активной регенерации возможно применение химических добавок в топливо. Это позволяет запустить процесс нейтрализации сажи при меньших значениях температур (450-500 градусов вместо 600).

Старт регенерации возможен не при достижении автомобилем заданной скорости, а после пуска мотора. Сажевый фильтр рассчитан на работу в течение 120-200тыс.км. На отдельных марках авто встречаются долгожители, работающие 300тыс.км и более с сохранением рабочего статуса.

Постоянное использование авто с дизельным мотором в городе, заправка низкосортным горючим значительно снижают срок использования фильтра, т.к. оба способа регенерации не всегда справляются с поставленными задачами.

В стандартных условиях регенерация активируется каждые 1500-2000км. Если очистка стала запускаться чаще, это указывает на сильное загрязнение фильтра и невозможность самоочистки скопившихся отложений.

Забитый фильтр повышает давление в системе выхлопа из-за затрудненного выхода газов. Это ухудшает очистку цилиндров от продуктов горения, вызывает падение мощности мотора, срабатывание датчиков дифдавления/температуры, включение индикатора с приборной панели. Возникшая ситуация может стать причиной поломки форсунок либо ряда иных неисправностей.

Различия между DPF и FAP

Фильтры DPF и FAP работают не одинаково. Первый разработан концерном Volkswagen. При режимах регенерации он нагревает выхлопы различными способами, исключая использование присадок.

В FAP без топливных присадок не обойтись – они снижают температуру регенерации. Разработчиком FAP стал концерн Peuqeot-Citroen, но кроме своих моделей систему широко используют транспортные средства, выпускаемые Toyota, Ford, Volvo.

Оба фильтра располагаются в одном месте – за катализатором. Но DPF заключается с каталитическим нейтрализатором в единый корпус.

FAP фильтры устанавливаются как самостоятельные элементы. Принцип работы: внутрь топливного бака помещается отдельный бачок объемом до 5л, содержащий присадку с церием – Eolys.

Объем присадки учитывает нормативный срок службы фильтра (до 200тыс.км), для контроля количества используется поплавковый датчик. В отдельных моделях авто объема присадки хватает лишь на 80тыс.км, поэтому ее приходится доливать.

Процесс регенерации на авто с FAP активируется тогда, когда сажевый фильтр нуждается в хорошей «встряске» и его необходимо избавить от застоявшейся сажи. Когда очиститель забит, степень его засоренности определяется специальным блоком или ЭБУ в ходе анализа сведений от датчиков. Далее производится расчет нужной порции присадки, перекачиваемой в бак электронасосом.

Такое решение обеспечивает эффективное сгорание сажи уже при температуре в 450-500С.

Несмотря на полное сгорание сажи из-за присутствия присадки с церием, сама по себе она не сгорает, оседая залой на стенках ДСФ. Активная регенерация не решает проблему.

Есть мнение, что это снижает срок службы очистителя, но производитель предусмотрел меры против этого недостатка конструкции. Гораздо большее влияние на срок использования оказывает качество топлива, пропуск профилактического обслуживания.

Низкосортное дизтопливо повышает расход присадки, которую приходится чаще доливать.