Дизельный сажевый фильтр - Diesel particulate filter

Сажевый фильтр (вверху слева) в Peugeot
Внедорожник - установка DPF

А сажевый фильтр (DPF) - это устройство, предназначенное для удаления твердые частицы дизельного топлива или же сажа от выхлопной газ из дизель.[1][2]

Способ действия

Настенные фильтры для твердых частиц дизельного топлива обычно удаляют 85% или более сажи, и при определенных условиях могут достигать эффективности удаления сажи, приближающейся к 100%. Некоторые фильтры одноразовые, предназначены для утилизации и замены после заполнения скопившейся золы. Другие предназначены для сжигания накопленных твердых частиц либо пассивно, с использованием катализатор или с помощью активных средств, таких как топливная горелка, которая нагревает фильтр до температуры сгорания сажи. Это достигается путем программирования двигателя на работу (когда фильтр заполнен) таким образом, чтобы повышалась температура выхлопных газов, в сочетании с дополнительной топливной форсункой в ​​выхлопном потоке, которая впрыскивает топливо для реакции с каталитическим элементом для сжигания накопленной сажи в Фильтр DPF,[3] или другими способами. Это известно как регенерация фильтра. Очистка также требуется в рамках периодического обслуживания, и ее следует выполнять осторожно, чтобы не повредить фильтр. Отказ топливных форсунок или турбонагнетателей, приводящий к загрязнению фильтра неочищенным дизельным топливом или моторным маслом, также может потребовать очистки.[4] Процесс регенерации происходит на скоростях движения выше, чем обычно можно достичь на городских улицах; транспортным средствам, движущимся исключительно на низких скоростях в городском движении, могут потребоваться периодические поездки на более высоких скоростях для очистки DPF.[5] Если драйвер игнорирует предупреждающий свет и слишком долго ждет, чтобы транспортное средство использовало скорость выше 60 км / ч (40 миль в час), DPF может не восстанавливаться должным образом, а продолжение работы после этого момента может полностью испортить DPF, поэтому его необходимо заменить.[6] Некоторые более новые дизельные двигатели, а именно те, которые устанавливаются в комбинированных транспортных средствах, также могут выполнять так называемую «Паркованную регенерацию», когда двигатель увеличивает обороты до 1400 оборотов в минуту на стоянке, чтобы повысить температуру выхлопных газов.

Дизельные двигатели образуют различные частицы при сгорании топливно-воздушной смеси из-за неполного сгорания. Состав частиц сильно различается в зависимости от типа двигателя, возраста и характеристик выбросов, которым двигатель был разработан. Двухтактный дизельные двигатели производят больше твердых частиц на единицу мощности, чем четырехтактный дизельные двигатели, так как они менее полно сжигают топливно-воздушную смесь.[7]

Твердые частицы дизельного топлива, возникающие в результате неполного сгорания дизельное топливо производит сажа (черный углерод ) частицы. Эти частицы включают крошечные наночастицы - менее одного микрометра (одного микрона). Сажа и другие частицы из дизельных двигателей ухудшают твердые частицы загрязнение воздуха и вредны для здоровья.[8]

Новые фильтры для улавливания твердых частиц могут улавливать от 30% до более 95% вредной сажи.[9] При использовании оптимального сажевого фильтра (DPF) выбросы сажи могут быть уменьшены до 0,001 г / км или менее.[10]

Качество топлива также влияет на образование этих частиц. Например, дизельное топливо с высоким содержанием серы производит больше частиц. Топливо с низким содержанием серы производит меньше частиц и позволяет использовать фильтры твердых частиц. Давление впрыска дизельного топлива также влияет на образование мелких частиц.

История

Фильтрация дизельных твердых частиц была впервые рассмотрена в 1970-х годах из-за опасений относительно воздействия вдыхаемых твердых частиц.[11] Сажевые фильтры использовались на внедорожные машины с 1980 г., а в автомобилях с 1985 г.[12][13] Исторически выбросы дизельных двигателей средней и большой мощности не регулировались до 1987 года, когда было введено первое в Калифорнии правило для тяжелых грузовиков, ограничивающее выбросы твердых частиц на уровне 0,60 г / л.[14] С тех пор все более строгие стандарты были введены для легковых и тяжелых дорожных дизельных транспортных средств, а также для дизельных двигателей повышенной проходимости. Аналогичные правила были приняты Евросоюз и некоторые отдельные европейские страны, большинство азиатских стран и остальные север и Южная Америка.[15]

Хотя ни одна юрисдикция не сделала фильтры обязательными, все более строгие нормы выбросов, которым должны соответствовать производители двигателей, означают, что в конечном итоге все дорожные дизельные двигатели будут оснащены ими.[14] Ожидается, что в Европейском Союзе фильтры потребуются для соответствия нормативам выбросов двигателей тяжелых грузовиков Euro.VI, которые в настоящее время обсуждаются и планируются на период 2012-2013 годов. В 2000 году в ожидании будущего Евро 5 нормативно-правовые акты PSA Peugeot Citroën стала первой компанией, которая сделала фильтры стандартными для легковых автомобилей.[16]

По состоянию на декабрь 2008 г. Калифорнийский совет по воздушным ресурсам (CARB) учредил Правила штата Калифорния в отношении грузовиков и автобусов 2008 г. который - с разницей в зависимости от типа, размера и использования транспортного средства - требует, чтобы внедорожные дизельные тяжелые грузовики и автобусы в Калифорнии были модернизированы, переоборудованы или заменены, чтобы сократить выбросы твердых частиц (ТЧ) как минимум на 85%. Одним из способов выполнения этого требования является дооснащение двигателей дизельными сажевыми фильтрами, одобренными CARB.[17] В 2009 г. Закон о восстановлении и реинвестировании Америки предоставили финансирование для помощи владельцам в компенсации затрат на модернизацию дизельных двигателей для их автомобилей.[18] Другие юрисдикции также запустили программы модернизации, в том числе:

Неправильно обслуживаемые фильтры твердых частиц на автомобилях с дизельными двигателями склонны к накоплению сажи, что может вызвать проблемы с двигателем из-за высокого противодавления.[4]

В 2018 году Великобритания внесла изменения в свои требования к тестам MOT.[26] в том числе более жесткая проверка дизельных автомобилей. Одним из требований было наличие правильно подогнанного и работающего сажевого фильтра. Вождение без сажевого фильтра может повлечь за собой штраф в размере 1000 фунтов стерлингов.[27][28]

Варианты сажевых фильтров

Кордиеритовый дизельный сажевый фильтр на GM 7.8 Isuzu

В отличие от каталитический нейтрализатор который является проточным устройством, DPF задерживает более крупные частицы выхлопных газов, заставляя газ проходить через фильтр;[2][29] однако сажевый фильтр не задерживает мелкие частицы, а сажевый фильтр, не требующий обслуживания, разбивает более крупные частицы на более мелкие.[нужна цитата ] На рынке представлено множество технологий дизельных сажевых фильтров. Каждый разработан с учетом одинаковых требований:

  1. Тонкая фильтрация
  2. Минимум падение давления
  3. Бюджетный
  4. Пригодность для массового производства
  5. Долговечность продукта

Кордиеритовые настенные проточные фильтры

Самый распространенный фильтр состоит из кордиерит (керамический материал, который также используется в качестве опор (сердечников) каталитического нейтрализатора). Кордиеритовые фильтры обеспечивают отличную эффективность фильтрации, относительно недороги и обладают тепловыми свойствами, которые упрощают их упаковку для установки в автомобиле. Главный недостаток - кордиерит имеет относительно низкую температура плавления (около 1200 ° C) и кордиеритовые субстраты плавятся во время регенерации фильтра. Это в основном проблема, если фильтр был загружен более сильно, чем обычно, и является большей проблемой для пассивных систем, чем для активных систем, если только не происходит сбой системы.[2][30]

Сердечники кордиеритового фильтра выглядят как сердечники каталитического нейтрализатора, у которых были закупорены альтернативные каналы - заглушки заставляют поток выхлопных газов проходить через стенку, а частицы собираются на входной поверхности.[31]

Настенные проточные фильтры из карбида кремния

Второй по популярности фильтрующий материал - Карбид кремния, или же SiC. Он имеет более высокую температуру плавления (2700 ° C), чем кордиерит, однако он не так стабилен термически, что создает проблемы с упаковкой. Малые сердечники из карбида кремния изготавливаются из отдельных частей, тогда как более крупные сердечники делаются сегментами, которые разделены специальным цементом, так что тепловое расширение сердечника будет восприниматься цементом, а не корпусом. Сердечники из карбида кремния обычно дороже, чем сердечники из кордиерита, однако они производятся в аналогичных размерах, и один часто может использоваться для замены другого. Сердечники фильтров из карбида кремния также выглядят как сердечники каталитического нейтрализатора, у которых были закупорены альтернативные каналы - снова пробки заставляют поток выхлопных газов проходить через стенку, и частицы собираются на входной поверхности.[2][32]

Характеристики подложки сажевого фильтра стеночного потока:

  • широкополосная фильтрация (диаметр фильтруемых частиц 0,2–150 мкм)
  • высокая эффективность фильтрации (до 95%)
  • высокие огнеупорный
  • высокие механические свойства
  • высокая температура кипения.[32]

Фильтры из керамического волокна

Волокнистые керамические фильтры состоят из нескольких различных типов керамических волокон, которые смешиваются вместе, образуя пористую среду. Этому носителю можно придать практически любую форму, и его можно настроить для различных приложений. Пористость можно регулировать, чтобы обеспечить высокую скорость потока, более низкую эффективность или высокую эффективность фильтрации при меньшем объеме. Волокнистые фильтры имеют преимущество перед конструкцией с проточной стенкой, так как они создают более низкое противодавление. Волокнистые керамические фильтры почти полностью удаляют частицы углерода, включая мелкие частицы диаметром менее 100 нанометров (нм), с эффективностью более 95% по массе и более 99% по количеству частиц в широком диапазоне условий эксплуатации двигателя. Поскольку непрерывный поток сажи в фильтр в конечном итоге заблокирует его, необходимо «регенерировать» фильтрационные свойства фильтра путем регулярного сжигания собранных твердых частиц. При выгорании частиц сажи образуется вода и CO.2 в небольших количествах, составляющих менее 0,05% CO2 испускается двигателем.[2]

Проточные фильтры из металлического волокна

Некоторые сердечники сделаны из металлических волокон - обычно волокна «сплетаются» в монолит. Такие сердечники имеют то преимущество, что через монолит может проходить электрический ток для нагрева сердечника в целях регенерации, что позволяет фильтру регенерировать при низких температурах выхлопных газов и / или малых расходах выхлопных газов. Сердцевины из металлических волокон, как правило, дороже, чем сердцевины из кордиерита или карбида кремния, и, как правило, не взаимозаменяемы с ними из-за электрических требований.[2][33]

Бумага

Одноразовые бумажные сердечники используются в некоторых специальных областях без стратегии регенерации. Угольные шахты являются обычными пользователями - выхлопные газы обычно сначала пропускают через водоотделитель для его охлаждения, а затем через фильтр.[34] Бумажные фильтры также используются, когда дизельная машина должна использоваться в помещении в течение коротких периодов времени, например, на вилочном погрузчике, который используется для установки оборудования внутри магазина.[2][35]

Частичные фильтры

Существует множество устройств, которые обеспечивают фильтрацию твердых частиц более чем на 50%, но менее чем на 85%. Частичные фильтры бывают из самых разных материалов. Единственное общее между ними состоит в том, что они производят большее противодавление, чем каталитический нейтрализатор, и меньше, чем сажевый фильтр. Технология частичного фильтра популярна для модернизации.[36]

Обслуживание

Фильтры требуют большего обслуживания, чем каталитические нейтрализаторы. Зола, побочный продукт потребления масла при нормальной работе двигателя, накапливается в фильтре, поскольку не может быть преобразована в газ и проходить через стенки фильтра. Это увеличивает давление перед фильтром. Предупреждения передаются водителю до того, как ограничение фильтра вызовет проблемы с управляемостью или повреждение двигателя или фильтра. Регулярное обслуживание фильтра - необходимость.[4]

Фильтры DPF проходят процесс регенерации, который удаляет эту сажу и снижает давление фильтра. Существует три типа регенерации: пассивная, активная и принудительная. Пассивная регенерация обычно происходит во время движения, когда нагрузка на двигатель и ездовой цикл транспортного средства создают температуры, которые достаточно высоки для восстановления отложений сажи на стенках сажевого фильтра. Активная регенерация происходит во время эксплуатации автомобиля, когда низкая нагрузка на двигатель и более низкие температуры выхлопных газов препятствуют естественной пассивной регенерации. Датчики перед и после DPF (или датчика перепада давления) выдают показания, которые инициируют дозированное добавление топлива в поток выхлопных газов. Существует два метода впрыска топлива: впрыск ниже по потоку непосредственно в поток выхлопных газов, после турбонаддува или впрыск топлива в цилиндры двигателя на такте выпуска. Эта смесь топлива и выхлопных газов проходит через катализатор окисления дизельного топлива (DOC), создавая достаточно высокую температуру, чтобы сжечь накопившуюся сажу. Как только падение давления на DPF снижается до расчетного значения, процесс заканчивается, пока снова не начнется накопление сажи. Это хорошо работает для транспортных средств, которые едут на большие расстояния с небольшим количеством остановок, по сравнению с теми, которые совершают короткие поездки с большим количеством пусков и остановок. Если фильтр создает слишком высокое давление, необходимо использовать последний тип регенерации - принудительную регенерацию. Этого можно добиться двумя способами. Оператор транспортного средства может инициировать регенерацию с помощью переключателя, установленного на приборной панели. Для запуска этого процесса требуются различные сигнальные блокировки, такие как включение стояночного тормоза, передача в нейтральном положении, температура охлаждающей жидкости двигателя и отсутствие кодов неисправностей двигателя (зависит от производителя оборудования и приложения). Когда накопление сажи достигает уровня, который потенциально может повредить двигатель или выхлопную систему, решение включает в себя гараж, использующий компьютерную программу для запуска регенерации DPF вручную.

Безопасность

В 2011 году Ford отозвал 37 400 грузовиков F-Series с дизельными двигателями после того, как утечки топлива и масла вызвали возгорание сажевых фильтров грузовиков. До отзыва травм не было, хотя был зажжен один травяной пожар.[37] Аналогичный отзыв был выпущен для дизелей Jaguar S-Type и XJ 2005–2007 годов, где большое количество сажи попало в сажевый фильтр. В затронутых транспортных средствах дым и огонь исходили от днища автомобиля, сопровождаемые пламенем из задней части выхлопной трубы. Тепло от огня может вызвать нагрев через передаточный туннель во внутреннюю часть, расплавив внутренние компоненты и потенциально вызывая внутренние пожары.[38]

Регенерация

Насос-дозатор для впрыска дизельного топлива или присадок, 3 л / ч при 5 бар
Схема регенерации
Грузовик Hino и это селективное каталитическое восстановление (SCR) рядом с DPF с процессом регенерации за счет позднего впрыска топлива для контроля температуры выхлопных газов с целью сжигания сажи.[39][40]

Регенерация - это процесс сжигания (окисления) накопленной сажи на фильтре. Это делается либо пассивно (за счет тепла выхлопных газов двигателя при нормальной работе, либо путем добавления катализатора в фильтр), либо путем активного введения очень сильного тепла в выхлопную систему. Встроенное управление активными фильтрами может использовать различные стратегии:[9]

  1. Управление двигателем для повышения температуры выхлопных газов за счет позднего впрыска топлива или впрыска во время такта выпуска
  2. Использование топливного катализатора для снижения температуры выгорания сажи
  3. Топливная горелка после турбонаддува для повышения температуры выхлопных газов
  4. Каталитический окислитель для повышения температуры выхлопных газов с дополнительным впрыском (HC-Doser)
  5. Катушки резистивного нагрева для повышения температуры выхлопных газов
  6. СВЧ энергия для увеличения температуры твердых частиц

Все бортовые активные системы используют дополнительное топливо, будь то сжигание для нагрева DPF или обеспечение дополнительной мощности для электрической системы DPF, хотя использование катализатора на топливе значительно снижает требуемую энергию. Обычно компьютер контролирует один или несколько датчиков, которые измеряют противодавление и / или температуру, и на основе предварительно запрограммированных заданных значений компьютер принимает решения о том, когда активировать цикл регенерации. Дополнительное топливо может подаваться дозирующий насос. Слишком частое выполнение цикла при низком уровне противодавления в выхлопной системе приведет к высокому расходу топлива. Если цикл регенерации не будет запущен достаточно быстро, увеличивается риск повреждения двигателя и / или неконтролируемой регенерации (тепловой разгон ) и возможный отказ DPF.

Дизельные твердые частицы горят при достижении температуры выше 600 ° C. Эта температура может быть снижена примерно до 350–450 ° C за счет использования катализатора на топливе. Фактическая температура выгорания сажи будет зависеть от используемого химического состава. Начало горения вызывает дальнейшее повышение температуры. В некоторых случаях, в отсутствие катализатора на топливе, сгорание твердых частиц может привести к повышению температуры выше порога структурной целостности фильтрующего материала, что может вызвать катастрофическое разрушение подложки. Для ограничения этой возможности были разработаны различные стратегии. Обратите внимание, что в отличие от двигателя с искровым зажиганием, который обычно имеет менее 0,5% кислорода в потоке выхлопных газов перед устройством (а) контроля выбросов, дизельные двигатели имеют очень высокий коэффициент доступного кислорода. В то время как количество доступного кислорода делает возможной быструю регенерацию фильтра, это также способствует неконтролируемым проблемам регенерации.

Некоторые приложения используют регенерацию вне платы. Внешняя регенерация требует вмешательства оператора (т.е. машина либо подключается к станции регенерации, установленной на стене / полу, либо фильтр снимается с машины и помещается на станцию ​​регенерации). Внешняя регенерация не подходит для дорожных транспортных средств, за исключением ситуаций, когда автомобили припаркованы на центральном складе, когда они не используются. Внешняя регенерация в основном используется в промышленности и горнодобывающей промышленности. Угольные шахты (с сопутствующим риском взрыва из-за угольной влаги) используют внешнюю регенерацию, если установлены одноразовые фильтры, причем станции регенерации расположены в зоне, где разрешено использование недопустимого оборудования.

Много погрузчики могут также использовать регенерацию вне борта - обычно горнодобывающая техника и другое оборудование, которые проводят свой срок эксплуатации в одном месте, что делает практичным наличие стационарной станции регенерации. В ситуациях, когда фильтр физически снимается с машины для регенерации, также есть преимущество, заключающееся в возможности ежедневно проверять сердечник фильтра (сердечники DPF для внедорожных применений обычно рассчитаны на использование в течение одной смены, поэтому регенерация это повседневное явление).[41]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Том Нэш (май 2003 г.) «Дизели: дым рассеивается», Мотор Vol.199 No. 5, p. 54, Hearst Business Publishing Inc.
  2. ^ а б c d е ж грамм Технология выбросов: DPF - дизельные сажевые фильтры, Axces.eu
  3. ^ Чон Хун Ким и другие. (Ноябрь 2010 г.) «Поведение при регенерации сажи с помощью NO2 в дизельном сажевом фильтре с выхлопными газами для тяжелых условий эксплуатации», Числовая передача тепла Часть A Том 58 № 9 стр.725–739, Чонбукский национальный университет, Корея Дои:10.1080/10407782.2010.523293
  4. ^ а б c «Техническое обслуживание DPF» (январь 2010 г.) Информация о грузоперевозках HDT
  5. ^ «Дилемма дизеля» (7 ноября 2011 г.) BBC News
  6. ^ «DPF сокращают выбросы сажи от дизельного топлива на 80%, но подходят не всем» (5 декабря 2013 г.) Автомобильная ассоциация
  7. ^ «Исследование:« Чистое топливо »не всегда успешно» (1 марта 2011 г.) UPI NewsTrack, Ванкувер, Британская Колумбия
    «Канадские исследователи говорят, что программа одного из крупнейших городов мира [Нью-Дели] по переводу автомобилей на чистое топливо не привела к значительному повышению уровня выбросов».
  8. ^ [1]
  9. ^ а б Barone и другие. (Август 2010 г.) «Анализ характеристик отработанного дизельного сажевого фильтра: выбросы твердых частиц до, во время и после регенерации», Журнал Ассоциации управления воздухом и отходами Vol. 60 No8 с. 968-76 Дои:10.3155/1047-3289.60.8.968
  10. ^ DPF - дизельные сажевые фильтры, Axces.eu
  11. ^ Винсент Д. Блондель: Последние достижения в обучении и контроле, с. 233, Springer Science & Business Media, 2008 г., ISBN  9781848001541
  12. ^ Регенерация твердых частиц дизельного топлива
  13. ^ ""Современные дизельные сажевые фильтры и системы очистки выхлопных газов », ООО« Хус » (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2014-09-06. Получено 2014-09-05.
  14. ^ а б Бахадур и другие. (2011) «Влияние законов Калифорнии о загрязнении воздуха на черный углерод и их последствия для прямого радиационного воздействия», В архиве 2014-09-06 на Wayback Machine Атмосферная среда Vol. 45 стр. 1162–1167, Институт океанографии Скриппса, Калифорнийский университет в Сан-Диего
  15. ^ Мировые стандарты выбросов для дизельных транспортных средств и двигателей
  16. ^ Джеймс Сколток (июнь 2014 г.) «Дизельный сажевый фильтр: PSA Peugeot Citroën был первым, кто ввел сажевые фильтры, чтобы сделать дизели чище», Автомобильный инженер п. 9
  17. ^ «Часто задаваемые вопросы - установка и обслуживание сверхмощного DECS». Получено 28 октября 2011.
  18. ^ Закон о восстановлении и реинвестировании Америки В архиве 2014-09-05 в Wayback Machine
  19. ^ ""Технология BASF делает воздухоочиститель Гонконга "(2 апреля 2008 г.) BASF The Chemical Company". Архивировано из оригинал 23 сентября 2015 г.. Получено 5 сентября, 2014.
  20. ^ «Введение в систему управления дизельными автомобилями» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-10-30. Получено 2014-09-05.
  21. ^ «Очистка выбросов дизельного топлива в Мехико» (12 июля 2012 г.) EPA
  22. ^ «Нью-Йорк принимает правила по выбросам дизельных двигателей» (21 апреля 2005 г.) FleetOwner
  23. ^ "Миланский Ecopass To Evolve" (2 сентября 2011 г.) Италия Хроники
  24. ^ Зона с низким уровнем выбросов, транспорт для Лондона
  25. ^ Установите фильтр, Транспорт для Лондона
  26. ^ «Пройдите свое ТО 2018 - Новые правила.
  27. ^ «Европа запрещает дизельное топливо для более чистого воздуха - блог Fixter». Блог Fixter. 2018-07-12. Получено 2018-07-26.
  28. ^ «Пройдите свое ТО 2018 - Новые правила и положения - Блог Fixter». Блог Fixter. Получено 2018-07-26.
  29. ^ Твердые частицы дизельного топлива - Методы снижения выбросов В архиве 2012-10-17 в Wayback Machine (2009) Управление по безопасности и охране здоровья в шахтах (MSHA), Министерство труда США]
  30. ^ «Технические документы» (2013 г.) Corning Environmental Technologies
  31. ^ «Кордиерит» (2009 г.) Diesel Emission Technologies Inc.
  32. ^ а б «Карбид кремния (SiC)» (2009 г.) Diesel Emission Technologies Inc.
  33. ^ "Металлические волокна и сетчатые фильтры" (2009) Diesel Emission Technologies
  34. ^ «Лучшие практики для подземных выбросов дизельного топлива» - CDC Stacks
  35. ^ Руководство по технологиям, DieselNet
  36. ^ Джейкобс и другие. (2005) «Разработка технологии частичных фильтров для модернизации HDD», SAE International
  37. ^ «Форд отзывает F-150 из-за страха перед возгоранием выхлопной трубы» (21 марта 2007 г.) NBC News
  38. ^ «Отзыв сажевого фильтра Jaguar S Type XJ» (22 марта 2007 г.) CarAdvice
  39. ^ «Стандартизованный блок SCR Hino». Hino Motors. Архивировано из оригинал 5 августа 2014 г.. Получено 30 июля 2014.
  40. ^ «Будущее ДНР» (PDF). Hino Motors. Получено 30 июля 2014.
  41. ^ Брюс Р. Конрад В архиве 2006-09-02 на Wayback Machine, "Программа оценки выбросов дизельного топлива - INCO" Веб-сайт Программы оценки выбросов дизельного топлива (май 2006 г.)

внешняя ссылка