Система дизельного сажевого фильтра

Система дизельного сажевого фильтра автомобилей с двигателем 2.0 MZR-CD имеет следующие особенности:
– Введены дизельный сажевый фильтр с датчиком дифференциального давления и три датчика температуры отработавших газов (верхний/средний/нижний).
– Введён подогреваемый кислородный датчик, расположенный после дизельного сажевого фильтра.

Твёрдые частицы отработавших газов дизеля

При таких условиях эксплуатации двигателя, как холодный запуск, ускорение и высокая нагрузка двигателя, процесс сгорания в дизельном двигателе не завершается, что приводит к повышенному образованию твёрдых частиц в отработавших газах. Эти микроскопические частицы имеют диаметр всего около 0,05 микрон.

Сама сажа не вредит человеческому организму. К этим гранулам прикрепляются углеводороды, порождаемые топливом и смазками, а также вода и сульфаты, увеличивая их размер до 0,09 микрон. Таким образом образуются вредные сажевые частицы.

Человеческий нос и мелкие бронхи не способны фильтровать частицы менее 2,5 микрон (для сравнения: волос имеет толщину около 70 микрон). В результате, частицы могут проникнуть через дыхательные пути глубоко в лёгкие и поставить под угрозу здоровье, особенно что касается детей и взрослых с определёнными медицинскими показаниями. Полагают, что сажевые частицы вызывают аллергии и даже рак. Это особенно справедливо для мельчайших частиц с размерами от 0,1 до 1,0 микрона.

Европейский Союз вводит всё более строгое законодательство по выбросам вредных веществ, чтобы достигнуть снижения загрязнения воздуха автомобильными выхлопными газами. В рамках этого законодательства все новые дизельные легковые автомобили, требующие утверждения типового образца начиная с 1 января 2005 года, должны соответствовать стандарту на выбросы загрязняющих веществ Euro 4. Кроме того, все дизельные легковые автомобили, впервые регистрирующиеся с 1 января 2006 года, должны соответствовать стандарту Euro 4.

По сравнению с пределом выброса твёрдых частиц для автомобилей стандарта Euro 3 (0,05 г/км) предел для автомобилей стандарта Euro 4 (0,025 г/км) снижен на 50%. Чтобы соответствовать строгому законодательству по выбросам вредных веществ Euro 4, автомобиль Mazda6 с двигателем 2.0 MZR-CD оборудован системой фильтрации твёрдых частиц дизельного топлива.

Следующий образец расчёта показывает выгоду от фильтра дизельного сажевого фильтра: Современный дизельный двигатель с общим трубопроводом без дизельного сажевого фильтра выделял в среднем около 3 кг сажи за 80 000 км. Имея фильтр, он выделил бы менее 100 г на то же расстояние, что составляет снижение на 95%.

Дизельный сажевый фильтр

Окислительный каталитический преобразователь и DPF расположены один за другим в объединённом корпусе.

1 - Окислительный каталитический преобразователь и DPF
2 - Подогреваемый кислородный датчик
3 - Датчик температуры выхлопных газов (нижний)
4 - Датчик температуры выхлопных газов (средний)
5 - Датчик температуры выхлопных газов (верхний)
6 - Подключение к стандартному давлению
7 - Подключение к высокому давлению

Примечание: Для обеспечения правильного функционирования системы DPF должно использоваться только минеральное дизельное топливо с относительным содержанием серы 350 частей на миллион в соответствии с DIN EN 590. Использование топлива с более высоким относительным содержанием серы категорически запрещено, поскольку то может привести к засорению DPF.

Примечание: Добавление любых присадок с металлическими соединениями к дизельному топливу (например, очистителя клапанов, ускорителя запуска холодного двигателя) категорически запрещено, поскольку это ведёт к повышенному образованию золы и влечёт за собой засорение DPF.

DPF представляет собой монолит, изготовленный из карбидокремниевой керамики, который характеризуется высоким сопротивлением к колебаниям температуры. Отдельные каналы фильтра имеют пористые перегородки и не имеют других выходов. В результате, отработавшие газы вынуждены проходить через перегородки, что задерживает частицы сажи, а газообразным компонентам позволяет проходить. Накопление частиц в фильтре ещё больше увеличивает фильтрующий эффект.

1 - Очищенные отработавшие газы
2 - DPF
3 - Отработавшие газы из двигателя
4 - Окислительный каталитический преобразователь

Чтобы избежать засорения DPF частицами сажи, его нужно регенерировать с регулярными интервалами, т.е. осевшие в фильтре частицы сажи выжигаются. Кроме того, процесс регенерации снижает обратное давления отработавших газов, вызываемое накопившимся количеством сажи, препятствуя увеличению расхода топлива.

Примечание: В автомобилях с большим пробегом сажевые остатки часто могут оседать на выхлопной трубе. Это неотъемлемый побочный продукт процесса регенерации, и его не следует считать проблемой.

Примечание: При определённых условиях из выхлопной трубы во время регенерации может выходить белый дым. Это также является побочным продуктом процесса регенерации, и его не следует считать проблемой.

Каналы DPF покрыты платиной. Каталитическое покрытие способствует регенерации фильтра, значительно снижая температуру возгорания сажи и ускоряя сгорание частиц. Без покрытия выгорание частиц происходит при температуре выше примерно 600 °С. Благодаря эффекту платинового покрытия температура возгорания сажи снижается до 500 °С.

После регенерации зольные остатки, которые образовались из моторного масла и дизельного топлива, остаются в DPF и не могут преобразовываться дальше. Эти остатки уменьшают полезный объём фильтра, укорачивая интервалы регенерации. Поскольку поры фильтра засорены зольными остатками, обратное давление отработавших газов и, следовательно, расход топлива, увеличиваются. Благодаря использованию малозольного моторного масла, эти эффекты можно свести к минимуму. По этой причине для фильтра не существует заданного периода замены.

Однако в зависимости от условий эксплуатации, полезный объём фильтра может достигнуть предела в течение срока службы автомобиля. В этом случае DPF следует заменить.

Примечание: После замены DPF следует выполнить несколько шагов, чтобы гарантировать его правильную работу (обратитесь к разделу «Система управления, обслуживание и ремонт»).

X - Объём потока отработавших газов
Y - Дифференциальное давление
1 - Использованный фильтр
2 - Новый фильтр
3 - Предел дифференциального давления

Датчик дифференциального давления DPF

Датчик дифференциального давления DPF определяет разницу давления отработавших газов до и после DPF. Разность давлений является мерой количества сажи, накопленной в фильтре (т.е., чем больше разность давлений, тем больше количество сажи). Датчик расположен в моторном отсеке у перегородки и подключён к точке замера до и после DPF с помощью трубопроводов давления.

Датчик дифференциального давления состоит из камеры давления со встроенным полупроводниковым элементом. Электрическое сопротивление элемента меняется, если его контур изменяется под воздействием давления.

1 - Датчик температурной коррекции
2 - Датчик дифференциального давления DPF
3 - Подключение к стандартному давлению
4 - Подключение к высокому давлению
5 - Окислительный каталитический преобразователь и DPF
6 - Трубопроводы давления

1 - DPF
2 - Подключения трубок датчика дифференциального давления
3 - Окислительный каталитический преобразователь

Сигнал от датчика дифференциального давления используется для того, чтобы определить, требует ли количество сажи регенерации фильтра. Кроме того, сигнал служит для контроля за процессом регенерации.

Датчик дифференциального давления DPF подаёт в PCM аналоговый сигнал напряжением от 0 до 5 В.

1 - Датчик дифференциального давления DPF
2 - PCM

Кроме того, датчик дифференциального давления DPF отличается наличием датчика температурной коррекции, который находится на кронштейне датчика дифференциального давления и определяет температуру в моторном отсеке. Датчик представляет собой термостойкий резистор с NTC (Negative Temperature Coefficient = отрицательный температурный коэффициент), т.е., его сопротивление уменьшается, когда поднимется температура. Датчик температурной коррекции подаёт в PCM аналоговый сигнал напряжением от 0 до 5 В.

Датчик температурной коррекции используется для введения поправки на термические характеристики датчика дифференциального давления DPF.

Примечание: Поскольку выходные характеристики датчика дифференциального давления DPF настраиваются в процессе установки на кронштейн, всегда заменяйте датчик и кронштейн единым блоком.

Примечание: После замены датчика дифференциального давления DPF следует выполнить несколько шагов, чтобы гарантировать его правильную работу (обратитесь к разделу «Система управления, обслуживание и ремонт»).

1 - Датчик температурной коррекции
2 - PCM

Диагностика

Поскольку сам фильтр создаёт определённое противодействие потоку отработавших газов, сигнал от датчика дифференциального давления используется также для определения состояния фильтра.

X - Объём потока отработавших газов
Y - Дифференциальное давление
1 - Состояние засорения фильтра
2 - Состояние перегруженного фильтра
3 - Состояние нагруженного фильтра
4 - Промежуточное состояние фильтра
5 - Состояние регенерированного фильтра
6 - Состояние испорченного фильтра
7 - Предел дифференциального давления

Если значение, измеренное датчиком дифференциального давления DPF, выше определённого предела, DPF признаётся засорившимся. Тогда PCM запоминает соответствующий DTC, включает MIL (Malfunction Indicator Light = индикатор неисправности) и включает режим постепенного возврата в исходное состояние.

Засорение DPF часто является результатом чрезмерного выброса сажи двигателем (например, из-за того, что клапан EGR залип в открытом состоянии, утечки в системе всасывания воздуха и т. д.) или может быть отнесено на счёт множества неудавшихся процессов регенерации. Для устранения этого затруднения следует выполнить регенерацию вручную с помощью WDS (обратитесь к разделу «Система управления, Обслуживание и ремонт»).

Если значение, измеренное датчиком дифференциального давления DPF, ниже определённого предела, DPF признаётся испорченным. Тогда PCM запоминает соответствующий DTC, включает MIL и включает режим постепенного возврата в исходное состояние.

В этом случае сначала следует проверить датчик дифференциального давления DPF. Вызовите Datalogger модуля PCM и выберите PID EXHPRESS_DIF (Press). Затем подключите управляемый вручную вакуумный насос к подводящему трубопроводу входного на фильтре DPF и приложите давление 30 кПа и наблюдайте за PID (Parameter Identification = идентификация параметров). Если PID покажет 30 кПа, замените DPF. В ином случае проверьте трубопровод давления на входе и датчик дифференциального давления DPF.

Датчики температуры выхлопных газов

Три датчика температуры выхлопных газов (верхний/средний/нижний) размещены в общем корпусе окислительного каталитического преобразователя/DPF и определяют температуру выхлопных газов на входе окислительного каталитического преобразователя, а также на входе и выходе DPF. Каждый датчик представляет собой термостойкий резистор с NTC, т.е., его сопротивление уменьшается, когда поднимется температура. Датчик температуры выхлопных газов подаёт в PCM аналоговый сигнал напряжением от 0 до 5 В.

1 - Датчик температуры выхлопных газов (верхний)
2 - Окислительный каталитический преобразователь и DPF
3 - Датчик температуры выхлопных газов (нижний)
4 - Датчик температуры выхлопных газов (средний)
5 - Датчик температуры выхлопных газов
6 - Термозезистор
7 - Крышка
8 - Контакт в оболочке

Сигнал верхнего датчика температуры выхлопных газов позволяет проверить, достигнута ли температура выхлопных газов, требуемая для работы окислительного каталитического преобразователя.

Сигнал среднего датчика температуры выхлопных газов используется для определения, достигнута ли температура выхлопных газов, требуемая для регенерации фильтра.

Сигнал нижнего датчика температуры выхлопных газов служит для контроля температуры выхлопных газов в процессе регенерации.

Кроме того, информация, поступающая от датчиков температуры выхлопных газов, используется для расчёта количества сажи, сгоревшей в DPF.

1 - Датчик температуры выхлопных газов
2 - PCM

Подогреваемый кислородный датчик

Датчик HO2S размещён после DPF и определяет концентрацию кислорода в выхлопных газах. HO2S является широкодиапазонным датчиком и использует тот же принцип действия, что и широкодиапазонные кислородные датчики в бензиновых двигателях. Он генерирует отчётливый электрический сигнал в широком диапазоне от λ = 0 до ∞ (∞ = воздушная смесь, содержащая 21% кислорода). В результате, датчик способен также определять концентрацию кислорода в выхлопных газах от дизельного двигателя, который обычно работает с коэффициентом избытка воздуха, равным от λ ∼ 1.4 (при полной нагрузке) до λ ∼ 3,4 (на холостом ходу).

Информация от датчика HO2S используется для расчёта количества сажи, сгоревшей в DPF.

1 - HO2S

HO2S подаёт в PCM ток от –1,8 до +1,8 мА.

X - Коэффициент избытка воздуха λ
Y - Ток

Поскольку HO2S генерирует полезный сигнал только при превышении определённой температуры, он содержит встроенный нагревательный элемент. Температурой HO2S управляет PCM, который включает нагревательный элемент посредством сигнала рабочего цикла.

1 - От реле управления модуля PCM
2 - Нагревательный элемент
3 - PCM

При низких температурах выхлопных газов PCM задаёт нагревательному элементу длительный рабочий цикл, так что требуемая рабочая температура достигается быстро.

При высоких температурах выхлопных газов PCM задаёт нагревательному элементу рабочий цикл малой длительности, так что никакого нагревания не происходит.

PCM управляет нагревательным элементом с помощью сигнала рабочего цикла 0В/12В.
ПРИМ: После замены HO2S следует переустановить его адаптационные значения в PCM (обратитесь к разделу «Система управления, обслуживание и ремонт»).

Сигнальная лампочка DPF

Сигнальная лампочка DPF находится на приборном щитке и служит для привлечения внимания водителя к неправильной работе системы DPF. При нормальной работе сигнальная лампочка DPF загорается, когда включается зажигание, и гаснет через несколько секунд. Если сигнальная лампочка DPF загорается или мигает во время езды, это значит, что обнаружена неисправность.

Управление регенерацией

Управление регенерацией определяет количество накопленной в DPF сажи и исходя из этого запускает процесс регенерации. Управление регенерацией встроено в PCM.
Расчёт количества сажи

PCM получает информацию о количестве накопленной в фильтре сажи от датчика дифференциального давления DPF. Чтобы установить выброс сажи из двигателя, PCM оценивает способ вождения пользователя, отслеживая нагрузку двигателя, частоту оборотов коленчатого вала двигателя и скорость автомобиля. Кроме того, PCM посчитывает количество сгорающей в DPF сажи, используя сигналы, поступающие от HO2S и датчиков температуры выхлопных газов.

В зависимости от поступающего из датчика дифференциального давления DPF, расчётного выброса сажи, количества сгорающей сажи и пробега PCM принимает решение, надо ли и когда надо выполнить регенерацию. Таким образом, фильтр никогда не засоряется и не повреждается интенсивной регенерацией, следующей за избыточным накоплением сажи. В результате, можно поддерживать длительную целостность DPF одновременно с минимальным расходом топлива, минимальным разжижением масла и оптимальными рабочими характеристиками двигателя.

Если уровень накопления сажи в DPF достигает 80% или более, загорается сигнальная лампочка DPF. В этом случае следует выполнить автоматическую регенерацию DPF, заставив автомобиль двигаться в режиме, когда частота вращения коленчатого вала двигателя будет 2000 мин^-1 или выше, скорость автомобиля будет 40 км/час в течение примерно 10-15 мин. Как только запускается режим автоматической регенерации, сигнальная лампочка DPF выключается.

Примечание: Несмотря на то, что сигнальная лампочка DPF выключается при запуске автоматической регенерации, процесс регенерации продолжается, пока уровень накопления не снизится до 60% или менее.

Примечание: Если пользователь жалуется, что сигнальная лампочка DPF часто загорается, ему нужно сообщить о необходимости изменить способ езды (ему следует ездить на автомобиле при средних или высоких оборотах двигателя на более дальнее расстояние), чтобы способствовать регенерации DPF.

Если уровень накопления сажи в DPF достигает 100%, сигнальная лампочка DPF мигает, а в PCM записывается DTC P2458. Кроме того, PCM снижает количество выпрыскиваемого топлива, чтобы снизить температуру выхлопных газов, не позволяя фильтру перегреваться. Благодаря уменьшенному количеству впрыска выбросы сажи двигателем и, следовательно, количество накапливаемой в фильтре сажи, также снижается. В этом случае следует вручную выполнить регенерацию DPF.

Примечание: НЕ выполняйте автоматическую регенерацию, если уровень накопления сажи в DPF достиг 100%, поскольку это может привести к повреждению фильтра или двигателя.

Если уровень накопления сажи в DPF достигает 140 %, MIL также загорается, а в PCM записывается DTC P242F. Кроме того, PCM ещё больше снижает количество впрыскиваемого топлива и, следовательно, выброса сажи двигателем, что приводит к пониженному количеству сажи, накапливаемому в фильтре. В этом случае также следует вручную выполнить регенерацию DPF.

Если уровень накопления сажи в DPF достигает 200%, фильтр больше нельзя регенерировать, и поэтому его следует заменить.

В следующей таблице приведены разные условия накопления сажи в DPF.

Процесс регенерации

Благодаря эффекту каталитического покрытия, частицы дизельного топлива сгорают при температуре выше 500 °С. Поскольку температура выхлопных газов во время нормальной езды имеет значение от 150 до 400 °С (в зависимости от условий работы эксплуатации), её нужно искусственно повысить внешним воздействием, исходящим от системы управления двигателем, чтобы запустить процесс регенерации.

Если требуется регенерация DPF, PCM проверяет, подходят ли условия работы двигателя для запуска процесса регенерации. Если условия регенерации соблюдаются, PCM предпринимает следующие меры, чтобы искусственно повысить температуру выхлопных газов:
– Закрытие клапана EGR, чтобы увеличить температуру сгорания путём увеличения содержания кислорода в наддуве цилиндра
– Частичное закрытие ISV, чтобы увеличить температуру всасываемого воздуха путём уменьшения тяги
– Выполнение дополнительного впрыска с опережением, чтобы увеличить температуру сгорания путём сжигания дополнительного количества топлива
– Выполнение двух дополнительных впрысков с запаздыванием, чтобы увеличить температуру выхлопных газов путём сжигания топлива в окислительном каталитическом преобразователе.

Этими мерами минимальная температура выхлопных газов, равная 150 °С (при низкой нагрузке двигателя и низких оборотах двигателя) повышается до 500 °С, и регенерация запускается. Затем PCM контролирует процесс регенерации с помощью сигналов, поступающих от датчика дифференциального давления DPF и от датчиков температуры выхлопных газов. Контроль процесса регенерации решающе важен, поскольку DPF повреждается, если его температура превышает 1000 °С.

Процесс регенерации занимает до 15 минут. Если процесс регенерации начался, он будет выполнен независимо от условий эксплуатации двигателя. Он прекращается только при выключении двигателя. В этом случае процесс регенерации запускается снова, как только возникают требуемые условия работы.

Интервалы регенерации

В зависимости от условий эксплуатации автомобиля DPF регенерируется каждые 100-300 км. Из-за зольных осадков, которые образовались из моторного масла и дизельного топлива, полезный объём фильтра уменьшается. Поскольку количество осевшей в DPF золы увеличивается при каждом процессе регенерации, с увеличением пробега интервалы регенерации становятся короче.

Примечание: Высокий расход топлива, низкое качество топлива (высокое содержание серы) и большой расход моторного масла ускоряют накопление золы в DPF, ещё быстрее укорачивая интервалы регенерации.