Фильтр твердых частиц что это

Как работает фильтр твердых частиц (GPF) на бензиновых моторах Mercedes

Решил немного разобраться в работе фильтра твердых частиц, который установлен на бензиновых 2л. моторах Мерседес M264. Как он работает, в чем особенности и отличия от дизельных фильтров твердых частиц (DPF), какие есть нюансы эксплуатации моторов с таким фильтром, как он регенерируется… К слову этот GPF (Gasoline Particulate Filter) установлен и на 1,5л версиях m264 и на 3л. М256 и на новых 1,5л. и 2л M254 (представлен на новом C-Class).

Начнем с того, что впервые этот фильтр появился еще в 2017-м на S500 рест. и уже тогда было заявлено, что данный фильтр будет стоять и на будущем M264.

Фильтр легко увидеть открыв капот. Буквально сразу за турбиной вы увидите уродливый бочонок с несколькими датчиками — это он 🙂 Установили его нам чтобы нормы выхлопа соответствовали стандарту Euro-6d и Euro-7, который предъявляет существенно более строгие требования к выхлопу бензиновых ДВС. К слову, современные бензиновые моторы с непосредственным впрыском высокого давление (200 и более bar) действительно грязнее своих предшественников и подобные фильтры собирают вполне реальные продукты горения. Об этом дальше.

Начнем с конструкции. Тут и далее я буду сравнивать бензиновый фильтр твердых частиц (далее просто "фильтр") и дизельный т.к. о дизельном мы знаем значительно больше, да и просто интересно отметить в чем между ними разница 🙂

Я частично опираюсь на официальный документ Даймлера с результатами испытаний GPF на M278 (на S500). Вы можете ознакомиться с ним сами, чтобы узнать все нюансы и условия испытаний. Ниже у меня краткое изложение:

Как и дизельный, бензиновый фильтр расположен на выпуске и первым (после турбины) встречает выхлопные газы. Его задача прогнать через себя выхлоп задержав крупные частицы после процесса горения (далее просто сажи). Тут у обоих фильтров идентичная схема: выхлоп проходит через "лабиринт" где проходя через стенки крупные частицы застревают оседая на стенках этого самого фильтра. В обоих случаях фильтр может самоочищаться за счет "прожига" накопившейся сажи. На этом сходства заканчиваются. Если дизельный фильтр выполнен на основе керамики, то бензиновый выполнен на основе Кордиерита так как такой фильтр является более стойким к высоким температурам (т.к. температура отработавших газов бензинового ДВС выше). Кроме того, прожиг фильтра для бензинового мотора проходит немного иначе.

В случае с бензиновым мотором есть несколько важных нюансов. С одной стороны, накопление твердых частиц происходит значительно медленнее чем в случае с дизелем. С другой, бензиновые моторы значительно более чувствительны к противодавлению которое создает забитый фильтр. При этом само наличие фильтра и даже небольшое количество сажи на нем проблем с противодавлением не создает.

Тем не менее, при определенных условиях сажа может продолжать накапливаться забивая поры, тем самым инициируя поверхностную фильтрацию. В таком случае противодавление начинает расти. Например увеличение даже до 1 g/l сажи приводит к перепаду противодавления (на этом участке) до 2,5 раз.

Очевидно, что повышенного оседания сажи на фильтре необходимо избегать т.к. это приводит к повышению противодавления и снижению мощности. К счастью, в отличии от дизеля, выхлоп бензинового ДВС изначально содержит значительно меньше твердых частиц (примерно в пять раз ниже по PM и на порядок ниже по PN). Соответственно повышенное отложение сажи на фильтре бензинового мотора может происходить только в специфических, "пограничных" режимах эксплуатации. К таким режимам (читай причинам приводящим к повышенному отложению) относятся: частые холодные пуски и постоянная(!) работа мотора при низких нагрузках. Последнее приводит к тому, что для очистки фильтра ("прожига") просто не создается необходимых условий. Дело в том, что прожиг происходит в момент прекращения подачи топлива. В этот момент кислород (свежий воздух) подается на фильтр и происходит экзотермическая реакция и процесс окисления. Для этого должны быть созданы определенные условия, в частности подходящая высокая температура в фильтре (которая в "овощном" режиме езды там не создается). Температура и время прожига определяются системой исходя из "понимания" (по датчикам), сколько сажи скопилось к моменту, когда возможен "прожиг". Например, при старте прожига при температуре в фильтре 700°C, температура далее повышается до 1150°C (значительно выше чем на дизеле) из-за реакции. Интересно, что в ходе испытаний (см ниже) основной этап прожига произошел фактически сразу же, как только прекратилась подача топлива и поступил кислород.

От части, чтобы исключить потенциальный риск частой низкой температуры фильтра, Даймлер перенес его из под днища (в первых версиях в т.ч. и на S500) в моторный отсек, поближе к "горячим" элементам мотора.

Интересно взглянуть на результат длительного теста в разных условиях. Взяли 3 машины, две проехали по 100 тыс. в загородных условиях и одна 40 тыс. в городских при постоянной низкой нагрузке. К этому добавилась эксплуатация при низких температурах. В итоге при шоссейной эксплуатации противодавление выросло на 12%, а при городской на 50%. Важно понимать, что замеры делались точечно, в разных местах фильтра и это нельзя отнести ко всему фильтру. См. ниже

Производитель утверждает, фильтр не обслуживаемый и в ручной чистке не нуждается (она вообще не предусмотрена конструкцией). Кроме того, ситуация когда фильтр полностью забьется тоже исключена.

Выводы.
Вывод из этого всего очень простой: по возможности не забывайте навалить и покрутить мотор в S или S+! Дальше система все сделает сама. Прожиг, а точнее даже окисление на бензине происходит проще и быстрее чем на дизеле.

Сажевый фильтр DPF

С 1 сентября 2009 года в Европейском союзе был введен в действие новый экостандарт выхлопа для легковых автомобилей – Евро-5. В России применение данного стандарта стало обязательным с 1 января 2016 года. С этого момента импортируемые или производимые на территории нашей страны автомобили должны соответствовать установленным ограничениям на содержание вредных примесей в продуктах отработки двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Для автомобилей с дизельным двигателем это означает обязательное наличие так называемых сажевых фильтров.

Сажевый фильтр (его еще называют фильтр твердых частиц, от англ. Diesel Particulate Filter, DPF) – это устройство, предназначенное для фильтрации продуктов горения дизельных ДВС от мелких частиц сажи. Качественные сажевые фильтры снижают выброс сажи в окружающую среду практически на 99,9%.

В зависимости от различных параметров (качество используемого топлива, режим работы ДВС и т.п.) частицы сажи могут иметь различный химический состав. Сажевые частицы представляют собой аморфный углерод с примесью частиц металлических окислов, воды, углеводородов, серы и других химических элементов. Размеры этих частиц варьируются от 10 до 1000 нанометров. Образование сажи происходит из-за неполного сгорания топлива, что может быть вызвано рядом причин (большое количество примесей в топливе, затрудняющих самовоспламенение, недостаток кислорода и т.п.). Образуясь в ходе горения топлива в цилиндрах ДВС, частицы сажи поступают в выпускную систему, где улавливаются сажевым фильтром.

Конструктивно сажевые фильтры состоят из керамической матрицы, помещенной в герметичный металлический корпус.
Матрица состоит из множества ячеек квадратной формы (имеются модификации с усовершенствованными восьмиугольными ячейками), которые представляют собой узкие каналы, поочередно закрытые с обеих сторон.
Внутренняя поверхность каждого канала выполнена из пористого материала, который и представляет собой фильтрующий элемент. Расположение сажевого фильтра в выпускной системе зависит от его модели и конфигурации.

Чаще всего он расположен непосредственно после каталитического нейтрализатора, однако в некоторых модификациях эти два элемента объединены. В нейтрализаторах окислительного типа сажевый фильтр располагается после выпускного коллектора. Данное расположение неслучайно, т.к. именно здесь температура отработанных газов, поступающих из ДВС, имеет максимальное значение. Каналы ячеек матрицы в этом случае покрывают катализатором, который окисляет несгоревшие частицы топлива.

В процессе работы фильтра частицы сажи постепенно заполняют собой фильтрующий материал стенок каналов матрицы. Когда их концентрация достигает критического значения, они затрудняют продвижение отработанных газов по выпускной системе, что негативно сказывается на КПД двигателя (снижается мощность). Отдельную проблему представляют малые частицы сажи размерами порядка 0,1 мкм, т.к. они очень тяжело улавливаются сажевым фильтром. И хотя их доля в общем объеме выбрасываемой ДВС сажи составляет около 5%, данные частицы представляют наибольшую опасность для человека: частицы размером менее 5 микрон не отфильтровываются в верхних дыхательных путях, в результате чего сажа накапливается в легких. Поэтому помимо этапа фильтрации в работе сажевого фильтра выделяют этап регенерации. Регенерация позволяет избавлять фильтр от накопившейся сажи и повышать его фильтрующую способность.

Регенерация сажевого фильтра может быть выполнена в двух вариантах: активном и пассивном.

При пассивной регенерации размещенный в ячейках катализатор при воздействии температуры выхлопных газов ускоряет процесс окисления (сгорания) отфильтрованных частиц сажи. Иногда для улучшения данного эффекта в дизельное топливо добавляют специальные присадки, которые позволяют запустить реакцию окисления сажи при меньших значениях температуры. Однако в ряде случаев (работа ДВС на холостом ходу, малые нагрузки, движение в пробках и т.п.) необходимое значение температуры для запуска пассивной регенерации не достигается. В таких случаях применяют активную регенерацию.
Активная регенерация подразумевает применение более высоких значений температуры. При использовании принудительной регенерации температура газов в фильтре повышается до 600 градусов по Цельсию. Это может достигаться несколькими способами, которые используются как комплексно, так и по отдельности. К ним относят задержку времени подачи дизельного топлива в камеру сгорания ДВС, дополнительную подачу топлива в цилиндры на такте выпуска отработанных газов, распыление небольшого количества топлива в отработанные газы, поступающие в сажевый фильтр, разогрев газов перед фильтром различными способами (нити накаливания, микроволны) и другие.

В современных сажевых фильтрах используются как пассивная, так и активная регенерации. Разработка новых экологических стандартов требует постоянной оптимизации и усовершенствования конструкции и принципов работы сажевых фильтров. На сегодняшний день наиболее распространенными являются сажевые фильтры с каталитическим покрытием и сажевые фильтры с системой ввода присадок в топливо.

Фильтры первого типа устанавливаются на автомобили, производимые концерном Volkswagen, а также некоторыми другими производителями.

В качестве катализатора в этих фильтрах используют платину и ее соединения. За счет работы катализатора находящаяся в фильтре сажа сгорает под воздействием температуры отработавших газов, после чего удаляется из фильтра. В процессе окисления частиц сажи оксиды азота NO за счет присутствия катализатора окисляются до диоксида NO2. Диоксид азота, взаимодействуя с сажей (основную часть которой составляет углерод), образует два соединения – оксиды азота и углерода (угарный газ). Затем образовавшиеся оксиды оксиляются кислородом и образуют соответствующие диоксиды. Температура протекания процесса обычно не превышает 500 градусов по Цельсию.

В случаях, когда отдельные компоненты системы управления (например, датчик измерения расхода воздуха (расходомер), датчики температуры на входе и выходе фильтра, датчики давления и т.п.) сигнализируют о падении пропускной способности фильтра, требуется проведение активной регенерации, во время которой температура внутри сажевого фильтра достигает 650 градусов по Цельсию. Когда датчики системы управления сигнализируют о снижении пропускной способности, блок управления увеличивает объем подаваемого топлива в цилиндры, одновременно ограничивая объем поступающего воздуха (кислорода). В таких условиях температура газов повышается до необходимых для активной регенерации значений.

Сажевые фильтры с системой ввода присадок в топливо функционируют по иным принципам. Этот тип сажевых фильтров был разработан концерном Peugeot-Citroen (PSA). В связи с тем, что активно внедряли в массовое производство данные фильтры именно французские производители, за такими фильтрами закрепилась не англоязычная аббревиатура DPF, а франкоязычная FAP (Filtre A Particules). Спустя некоторое время эти фильтры на своих автомобилях стали устанавливать Ford и Toyota.

В связи с отсутствием в фильтрующих ячейках фильтра катализатора для горения сажи, конструктивно такие фильтры устанавливаются отдельно от каталитического нейтрализатора. При этом в топливо добавляется специальная присадка (на основе церия и его соединений), которая снижает минимально необходимую температуру горения частиц сажи до 450-500 градусов по Цельсию. В ряде случаев подобные значения температуры во время пассивной регенерации недостижимы, поэтому в фильтре происходит постепенное накопление сажевых частиц. При достижении их критического значения необходимо применять активную регенерацию.

Вводимая в топливо для обеспечения горения сажи присадка располагается в отдельной емкости объемом до пяти литров. Этого количества присадки обычно хватает на 80-120 тысяч километров пробега автомобиля и характеризует срок службы сажевого фильтра. Количество оставшейся присадки постоянно мониторится с помощью поплавкового датчика. Количество добавляемой присадки контролируется электроникой и пропорционально объему топлива, поступившему в топливный бак во время заправки автомобиля.

Применение присадки в топливо для горения сажи обуславливает наличие в отработавших газах продуктов горения церия, которые также улавливаются фильтром, но в отличие от частиц сажи, они не сгорают даже при активной регенерации. Это ограничивает период работы сажевого фильтра. Современные сажевые фильтры с системой присадок в топливо поддерживают свою работоспособность на протяжении 120 000 км пробега, однако уже сегодня производители заявляют о появлении в скором времени фильтров, способных эффективно выполнять свои функции на протяжении 250 000 км пробега.

После того, как сажевый фильтр выработал свой ресурс, его необходимо заменить на новый. Однако из-за их высокой стоимости зачастую автолюбители не устанавливают в автомобиль новый сажевый фильтр, а перепрограммируют систему управления дизелем на работу без сажевого фильтра.

Сажевый фильтр: что это, зачем нужен и можно ли удалить

Стандарты экологической безопасности (Евро 3 и выше) требуют фильтрации выхлопа автомобилей с дизельными двигателями. Для соответствия этим стандартам производители автомобилей используют специальное устройство под названием сажевый фильтр. В данной статье мы расскажем о том, что такое сажевый фильтр, как он устроен и как работает.

Что такое сажевый фильтр на дизеле

В процессе работы дизельного двигателя соответствующее топливо сгорает не полностью, образуя твердые частицы в диапазоне размеров между 10 нм и 1 мкм. Твердые частицы сажи относятся к загрязнителям 3-го класса опасности.

При контакте с человеческим организмом они провоцируют обострение респираторных заболеваний и рак кожи, а в окружающей среде нарушают климатические условия. Так, дожди по выходным дням в больших городах происходят, в частности, из-за того, что капли воды в атмосфере образуются вокруг сажевых частиц.

Наличие сажевого фильтра сокращает содержание твердых частиц в выхлопе на 80-90%. Однако за такой результат приходится платить технологической сложностью и высокой стоимостью системы. Рассмотрим её конструкцию и принцип работы ближе.

Как устроен сажевый фильтр

DPF (Diesel Particulate Filter)
FAP (Filter a Particules)
RPF (RussPartikelFilter)

Подключенные к нему датчики давления и температуры на входе и выходе фильтра.
Блок катализатора.
Собственно металлокерамический фильтр.

Катализатор и фильтр, как правило, снабжаются сообщающимися корпусами. Некоторые модели используют специальный сажевый фильтр с каталитическим покрытием, что исключает необходимость в отдельном блоке катализатора.

Принцип работы сажевого фильтра

Из двигателя выхлопные газы поступают в выпускную систему, проходит через ячеистый катализатор и попадает в сажевый фильтр. В металлическом корпусе этого элемента конструкции размещена керамическая фильтрующая структура с множеством глухих канальцев, крипт.

На их стенках и оседают частицы сажи, а остальные компоненты в газообразном состоянии продолжают путь по выпускной системе, проходя через материал фильтра путем диффузии. Это основной режим работы – фильтрация.
Регенерация сажевого фильтра

В процессе эксплуатации крипты фильтра быстро забиваются сажей. Менять его каждые 600 – 2000 км пробега было бы нецелесообразно, поэтому в фильтрах предусмотрены циклы регенерации.

ЭБУ считывает показатели дифференциального давления и/или температуры на входе и выходе узла выпускной системы. Когда разница показателей достигает определенного уровня, система «понимает», что фильтр забит, и активирует процесс регенерации. Процесс регенерации возможен только в определенных условиях: необходимая температура двигателя (не менее 800С), скорость (не менее 80 км/ч), время (от 2 до 15 минут). Если такие условия не возникают, процесс, так называемой, спонтанной регенерации невозможен. Именно поэтому фильтры авто, которые перемещаются преимущественно в черте города, забивается быстрее.

Регенерация фильтра заключается в выжигании накопившейся сажи. В зависимости от модели это происходит при помощи электрического нагревательного элемента или путем впрыска определенных порций топлива в выпускную систему. Во время регенерации фильтр разогревается до значительной температуры (7000С и более), поэтому и возможен только в указанных выше условиях.

Существует процедура принудительной регенерации, которая выполняется на специальных стендах в сервисных центрах, но ввиду значительных температур прибегать к ней опасно и не многие СЦ готовы пойти на это. Нужно отметить, что промывка фильтров не является альтернативой регенерации. Если штатная спонтанная регенерация уже не способна избавить от осевшей сажи, значит, пора менять или удалять фильтр.

Признаки и последствия неисправностей сажевого фильтра

Значительный рост потребления топлива.
Снижение тяги.
Рост уровня масла в картере (оно разбавляется впрыскиваемым топливом и эта смесь приводит к тому, что двигатель уходит «в разнос»).
Нестабильная работа двигателя на холостом ходу.

Можно ли удалить сажевый фильтр

Демонтаж устройства. Механическое удаление сажевого фильтра позволяет незначительно повысить мощность автомобиля. С другой стороны, при эксплуатации машины ЭБУ двигателя начнет выдавать ошибку, воспринимая отсутствие фильтра как неисправность.
Внесение корректив в программное обеспечение ЭБУ двигателя (обновление программы до версии, не содержащей информацию о подключении сажевого фильтра). Обновление программного обеспечения выполняется специальным устройством – программатором, но при этом необходимо быть уверенным в корректности работы новой прошивки, поскольку последствия могут быть непредсказуемы.
Подключение эмулятора устройства (без изменения заводской программы), который посылает ЭБУ сигналы, аналогичные работе реального сажевого фильтра.

Обязательно посмотрите эти видео про сажевый фильтр:

Если Вы заметили ошибку, неточность или хотите дополнить материал, напишите об этом в комментариях, и мы исправим статью!