Общие сведения

При сгорании дизельного топлива образуются вещества различного типа и вида. Работа непрогретого двигателя обычно сопровождается выбросами белого или сизого дыма, образуемого каплями несгоревших или частично окисленных углеводородов, и выбросами альдегидов, присутствие которых в ОГ легко распознается по их характерному запаху. На выпуске дизеля присутствуют не только газообразные вещества, но и твердые образования, размеры которых соизмеримы с размерами частиц пыли. Эти образования, получившие общее название "частицы" (Partikel), считаются вредными для здоровья людей и загрязняющими среду обитания.

Снижение выброса сажевых частиц является сегодня одной из сложнейших задач в области очистки отработавших газов (ОГ) дизелей. Помимо мероприятий, направленных на снижение образования сажи при сгорании топлива непосредственно в двигателе, особое внимание уделяется фильтрации газов на выпуске из него. Одним из эффективных способов очистки газов от сажевых частиц является их задержание посредством специальных фильтров. Наибольшее распространение нашли системы, состоящие из нейтрализатора окислительного типа и сажевого фильтра. Концерном Volkswagen разработан сажевый фильтр с каталитическим покрытием, который в одном корпусе объединяет фильтр с нейтрализатором. Помимо этого он позволяет практически непрерывно выжигать задержанную сажу без введения специальных добавок в топливо. Последнее свойство достигнуто как применением особой конструкции фильтра, так и в результате его максимального приближения к двигателю.

Образование вредных веществ в процессе сгорания дизельного топлива

Интенсивность образования вредных веществ и в особенности сажи в значительной степени зависит от параметров процесса сгорания топлива в цилиндрах дизеля. На протекание процесса сгорания влияют как конструктивные параметры двигателя, так и состав топлива и атмосферные условия. На приведенном ниже рисунке приведены все исходные компоненты топливовоздушной смеси и получаемые в результате ее сгорания компоненты отработавших газов дизеля.

Отдельные компоненты отработавших газов дизеля оказывают различное действие на окружающую среду и здоровье человека. Совершенно безвредными являются только кислород, азот и вода, которые входят в состав атмосферного воздуха. Естественным компонентом атмосферного воздуха является двуокись углерода (углекислый газ), однако ее концентрация в воздухе близка к предельным значениям. Углекислый газ не ядовит, но повышение его количества в атмосфере может привести к тепличному эффекту. К вредным для здоровья человека веществам относятся оксид углерода, углеводороды, двуокись серы, оксиды азота и частицы сажи.

Вредные компоненты отработавших газов дизельного двигателя

Оксид углерода (CO) или угарный газ возникает при неполном сгорании содержащего углерод топлива из за недостатка кислорода. Это бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса.

Под понятием "углеводороды" подразумеваются многочисленные соединения различного типа (например, C6H6 или C8H18), которые образуются при неполном сгорании топлива.

Диоксид серы образуется при сгорании содержащего серу топлива. Это бесцветный газ с резким запахом. В настоящее время стремятся снизить содержание серы в топливе.

Оксиды азота (например, NO, NO2, . . .) образуются при сгорании топлива в двигателе в условиях высоких давлений и температур, а также избытка кислорода.

Сажа образуется в результате неполного сгорания топлива при местном недостатке кислорода

При сгорании топлива в дизеле образуются частицы сажи. Это микроскопические углеродистые частицы диаметром приблизительно 0,05 мкм. Ядро частицы состоит из чистого углерода, а на нем адсорбируются различные углеводородные соединения, оксиды металлов и сера. Предполагается, что некоторые углеводородные соединения опасны для здоровья человека. Конкретный состав частиц сажи зависит от применяемого в двигателе рабочего процесса, режимов его работы и состава топлива.

Образование сажи в дизеле зависит от ряда процессов, определяющих сгорание топлива. Это процессы подвода воздуха, впрыска топлива и распространения пламени. Качество сгорания топлива определяется в значительной степени процессом образования топливовоздушной смеси. Из за недостатка кислорода в некоторых зонах камеры сгорания образуется слишком богатая смесь, сгорание которой не может быть полным и сопровождается образованием частиц сажи. Число и масса частиц зависят в принципе от качества протекающих в двигателе процессов смесеобразования и сгорания. Топливная система с насос-форсунками обеспечивает впрыск топлива под очень высоким давлением и с соответствующим требованиям двигателя протеканием подачи по времени. Благодаря этому создаются условия для повышения эффективности процесса сгорания и снижения образования частиц сажи. Однако, высокие давления впрыска и соответствующая им повышенная мелкость распыливания топлива не могут обеспечить достаточное измельчение частиц сажи. Измерения размеров этих частиц показали, что их распределение по величине практически не зависит от способа смесеобразования, т. е. оно очень близко у двигателей с вихревой камерой сгорания и у двигателей с непосредственным впрыском посредством системы Common Rail или насос-форсунок.

Принцип действия

Сажевый фильтр с каталитическим покрытием устанавливается после турбокомпрессора в непосредственной близости от двигателя. В данном случае применяется сажевый фильтр с каталитическим покрытием, который конструктивно объединен с нейтрализатором окислительного типа. Таким образом имеющий общий корпус агрегат выполняет функции как фильтра, так и нейтрализатора.

Сажевый фильтр задерживает содержащиеся в ОГ частицы сажи. Функция нейтрализатора заключается в окислении углеводородов (HC) и оксида углерода (CO) до воды (H2O) и диоксида углерода (CO2). Матрица сажевого фильтра представляет собою ячеистую структуру из керамики на базе карбида кремния. Керамическая матрица заключена в металлический корпус. Она пронизана множеством параллельно расположенных каналов малого сеченья, закрытых попеременно с одной или другой стороны. Поэтому различают впускные и выпускные каналы, разделенные между собой фильтрующими стенками.

Фильтрующие стенки состоят из пористого карбида кремния. Они покрыты смесью оксидов алюминия и церия, выполняющих функцию подложки для катализатора, в качестве которого используется благородный металл – платина. Катализатор – это вещество, которое способствует протеканию химической реакции, но само при этом не изменяется и новых соединений не образует. Так как каналы фильтра закрыты попеременно со стороны впуска и выпуска, содержащие частицы сажи газы вынуждены проходить через пористые стенки из карбида кремния. При этом частицы сажи задерживаются во впускных каналах, а газ свободно проходит через поры стенок каналов.

Пассивная регенерация

При пассивной регенерации выжигание сажи производится непрерывно и без специального вмешательства в управление двигателем. При расположении сажевого фильтра вблизи от двигателя температура поступающих в него газов может достигать, например, при движении на автомагистрали порядка 350-500°С. При этом протекают реакции, в результате которых частицы сажи взаимодействуют с диоксидом азота и превращаются в диоксид углерода. Этот многоступенчатый процесс протекает непрерывно над слоем платины, которая выполняет роль катализатора.

Содержащиеся в ОГ оксиды азота (NOX) реагируют в присутствии платины с кислородом, образуя диоксид азота (NO2). NOX + O2 образуют NO2. Диоксид азота (NO2) реагирует с углеродом (C) сажевых частиц. В результате получаются окись углерода (CO) и окись азота (NO). NO2 + C образуют CO + NO. Окись углерода (CO) и окись азота (NO) реагируют с кислородом (O2), образуя диоксид азота (NO2) и диоксид углерода (CO2). CO + NO + O2 образуют NO2 + CO2.

Активная регенерация

При активной регенерации частицы сажи выжигаются в условиях высоких температур, получаемых в результате направленного управления двигателем. Для эксплуатации автомобиля в городе характерны небольшие нагрузки двигателя, а соответствующие им невысокие температуры ОГ не обеспечивают пассивную регенерацию сажевого фильтра. При этом частицы сажи не удаляются из фильтра и забивают его каналы. При скоплении в фильтре определенного количества сажи запускается процесс его активной регенерации, протекающий по командам системы управления двигателем. Процесс активной регенерации длится приблизительно 10 минут. При этом температура ОГ повышается до 600%650°C, что достаточно для окисления сажи до диоксида углерода.

При активной регенерации частички сажи сгорают благодаря высокой температуре ОГ. При этом образующий частицы сажи углерод соединяется с кислородом, образуя диоксид углерода. C + O2 образуют CO2. Частицы сажи скапливаются во впускных каналах. Необходимость в проведении активной регенерации определяется блоком управления двигателем по сигналам, поступающим с расходомера воздуха, датчиков температуры ОГ перед и после сажевого фильтра, а также датчика перепада давления на нем.

При заполнении фильтра сажей до определенной величины система управления двигателем запускает процесс активной регенерации. Степень заполнения фильтра сажей определяется блоком управления по его газодинамическому сопротивлению. Высокое сопротивление фильтра является признаком накопления в нем предельно допустимого количества сажи, поэтому блок управления двигателем запускает процесс активной регенерации. При этом выполняются следующие функции:

● прекращается рециркуляция ОГ, чтобы повысить температуры сгорания топлива;

● чтобы повысить температуру ОГ, производится дополнительный впрыск топлива, подаваемого после основной дозы, а именно, при повороте коленчатого вала на 35° после ВМТ;

● подача воздуха в двигатель снижается посредством регулируемой дроссельной заслонки с электроприводом;

● давление наддува поддерживается на уровне, при котором водитель не может заметить перевод двигателя на режим регенерации.

Эти мероприятия позволяют кратковременно повысить температуру ОГ до 600–650°C. При этих значениях температуры скопившаяся в фильтре сажа окисляется до диоксида углерода. После проведения активной регенерации полностью восстанавливается способность фильтра задерживать содержащуюся в ОГ сажу.

ИСЧТОНИК