Сажевый фильтр на дизеле: что это и почему забивается

Сажевый фильтр (DPF, diesel particulate filter) — это керамический элемент в выпускном тракте дизеля. Его ячейки перекрыты в шахматном порядке, поэтому газ проходит сквозь пористую стенку, а твёрдые частицы остаются внутри. Расходником в обычном смысле он не считается: накопленная сажа периодически выгорает прямо на машине, и этот процесс называется регенерацией. Забивается фильтр, когда сажа поступает быстрее, чем успевает выгорать. Кислородом углерод окисляется при температуре порядка 600 °C, а отработавшие газы дизеля обычно имеют 180–400 °C. Поэтому на коротких поездках, холостом ходу и малой нагрузке фильтр только копит сажу. Есть и вторая причина: зола от присадок моторного масла. Она не горит и остаётся в ячейках насовсем.

Откуда в дизеле берётся сажа

Сажа в дизеле появляется и в исправном моторе: это свойство самого способа сгорания. Топливо впрыскивается в уже сжатый горячий воздух и горит диффузионно. Смесь не успевает стать однородной, и в факеле остаются зоны, где воздуха не хватает. Там топливо разлагается до углерода раньше, чем встречает кислород. Большая часть этого углерода догорает в том же цикле, остаток уходит в выпуск.

Важна именно доля, которая успела догореть. Её уменьшает всё, что сокращает время догорания или снижает температуру в конце сгорания: малая нагрузка, недогретый двигатель, изношенный распылитель с крупными каплями. Подробнее этот механизм и то, как он виден по деталям двигателя, разобраны в статье «Чёрный нагар в двигателе».

Сажу в фильтре и нагар в цилиндрах часто путают, хотя это разные отложения. Сажа — рыхлые частицы, которые газ уносит из цилиндра, а фильтр ловит. Нагар — слой, спёкшийся на поршне, клапанах и распылителях. Источник у них общий, но удаляют их по-разному: регенерация фильтра не затрагивает нагар в цилиндрах, а очистка цилиндров не освобождает фильтр от уже накопленной золы. Про нагар отдельно написано в статье «Нагар в дизельном двигателе».

Фильтр стоит в конце этой цепочки: к нему приходит всё, что не догорело в цилиндре. Поэтому его состояние зависит от режима сгорания, а не только от самого фильтра.

Как устроен фильтр и что значит «забился»

Фильтр представляет собой сотовый блок из карбида кремния или кордиерита. Соседние каналы заглушены с разных концов, и поток продавливается через стенку с порами в единицы микрон. Частицы оседают на стенке и в её толще, образуя слой сажи.

По мере роста слоя растёт и перепад давления на фильтре. Блок управления оценивает накопление по двум источникам: по датчику дифференциального давления и по расчётной модели пробега и режимов. Когда расчётное накопление доходит до порога, назначается регенерация.

Под словом «забился» скрываются разные состояния:

Сажу регенерация снимает, золу нет. Зола копится весь срок службы, и объём ячеек, который она заняла, уже не освобождается, поэтому в итоге ресурс фильтра определяет именно она. Выжигать сажу можно много раз, но полностью очистить фильтр регенерацией нельзя.

Три вида регенерации и почему городу их не хватает

В руководствах производителей техники регенерацию делят на три вида. Например, в памятке DAF для грузовиков LF это пассивная, активная на ходу и принудительная на стоянке (DAF, LF Regeneration Quick Guide).

Пассивная

Пассивная регенерация идёт непрерывно, и водитель её не замечает. Окисляет сажу не кислород, а диоксид азота NO₂: он образуется из NO в окислительном нейтрализаторе перед фильтром. С NO₂ углерод окисляется при заметно более низкой температуре, чем с кислородом. Ограничивает процесс сам нейтрализатор: NO в основном превращается в NO₂, когда температура в нём держится в диапазоне 250–450 °C (Experimental Study on a Diesel Particulate Filter with Reciprocating Flow, PMC). По памятке DAF, при пассивной регенерации на дисплей не выводится предупреждений и дополнительное топливо не расходуется.

Активная на ходу

Активную регенерацию запускает блок управления двигателем. Дополнительное топливо подаётся в выпускную систему и окисляется на нейтрализаторе, тепло этой реакции поднимает температуру в фильтре (памятка DAF). Здесь окислитель уже кислород, поэтому порог выше: на каталитическом фильтре сажа воспламеняется при 873 K (600 °C), если контакт сажи с катализатором неплотный, и при 693 K (420 °C), если плотный (PMC6812113).

Для легкового дизеля сроки и условия приведены в руководстве по эксплуатации Jaguar, раздел «Maintenance» (Jaguar, owner's handbook, с. 155):

• регенерация проходит автоматически примерно каждые 300–900 км, в зависимости от условий езды;
• обычно она длится 10–20 минут и запрашивается при ровном движении со скоростью 60–112 км/ч;
• при средней скорости около 50 км/ч она возможна, но идёт дольше;
• для неё двигатель должен быть прогрет до рабочей температуры;
• если загорелось предупреждение о заполнении фильтра, машину нужно вести, лучше по магистрали или трассе, ещё примерно 20 минут;
• во время регенерации может временно немного снизиться мощность и вырасти расход топлива.

Принудительная на стоянке и в сервисе

Если пассивной и активной регенерации не хватает, чтобы держать сажу ниже заданного уровня, система DAF выводит на дисплей запрос стационарной принудительной регенерации. Водитель запускает её кнопкой на стоянке, и обороты двигателя поднимаются автоматически. По памятке, такая регенерация длится от 45 до 70 минут в зависимости от загрузки фильтра сажей. Вокруг выпускной трубы при этом должно быть не меньше 2 м свободного пространства. Памятка описывает четыре уровня предупреждений. На первых двух вместо стоянки можно проехать по магистрали, и сажа выгорит сама. На третьем мощность двигателя снижается и водитель должен вмешаться немедленно. На четвёртом водитель регенерацию запустить уже не может: нужен дилер, а мощность снижается дальше.

Почему короткие поездки не дают фильтру очиститься

Температура отработавших газов дизеля обычно лежит между 180 и 400 °C, и при ней накопленные в фильтре частицы не окисляются (Influence of Different Thermal Aging Conditions on Soot Combustion with Catalyst by Thermogravimetric Analysis, PMC). Верхняя часть диапазона соответствует трассе под нагрузкой, где работает пассивная регенерация. Нижняя — холостому ходу, пробкам, прогреву и коротким поездкам, когда фильтр только копит.

Руководство Jaguar прямо называет причину: если машина часто ездит на короткие расстояния или в холод, двигатель может не выходить на рабочую температуру, регенерация не происходит и фильтр не очищается. Поездка короче 10–20 минут не даёт начатой активной регенерации закончиться. Каждая следующая попытка снова означает дополнительное топливо. Часть топлива от позднего впрыска попадает в картер и разжижает масло. Поэтому у дизеля, который ездит только по городу, часто растут расход и уровень масла на щупе. Куда ещё уходит топливо на таких режимах, написано в статье «Экономия дизельного топлива».

Сажа копится быстрее и тогда, когда растёт её выход из цилиндра: при закоксованных распылителях, подклинивающем клапане рециркуляции, износе маслосъёмных колец, неисправном турбокомпрессоре. Если фильтр забивается быстрее нормы, сгорание обычно уже идёт хуже нормы.

Нормы и экологический класс: что изменилось с фильтром

Фильтр стал на дизелях стандартом из-за норм по твёрдым частицам. Европейский регламент (ЕС) № 715/2007 задаёт для дизелей предел по массе твёрдых частиц 4,5 мг/км в Евро-6. Для Евро-5 в таблице указано 5,0/4,5 мг/км: значение 5,0 относится к машинам, одобренным до 1.09.2011 по прежнему протоколу измерения. В обеих таблицах есть и предел по числу частиц — 6,0 × 10¹¹ шт/км. Уложиться в счётную норму фильтрацией проще, чем мерами внутри цилиндра, поэтому фильтр на практике стал обязательным узлом.

Ниже приведены сроки, которые этот регламент устанавливает для Европейского союза:

В России и других странах ЕАЭС экологические классы вводились по своему графику, и эти даты к ним не применяются. Требования здесь задаёт технический регламент ТР ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств». Его приложение № 2 изложено в редакции Решения Совета ЕЭК от 14 октября 2015 г. № 78. В этой таблице для легковых машин категории M1 с бензиновыми и дизельными двигателями экологический класс 5 по Правилам ЕЭК ООН № 83-06 указан с 2016 и с 2017 года (две строки с разными примечаниями). Для категорий M1G, M2, N1 и N2 тот же класс указан с 2018 и с 2019 года. На тяжёлые дизели по Правилам ЕЭК ООН № 49 класс 5 распространяется для M1G, M2, M3 и N тоже с 2018 и с 2019 года. Таким образом, в ЕАЭС класс 5 введён на несколько лет позже, чем Евро-5 в ЕС. Есть ли фильтр на конкретной машине, проверяют по её документам и комплектации, а не по году выпуска на европейской шкале.

В той же таблице экологический класс задан не только уровнем выбросов. Для класса 4 по Правилам ООН № 49 указаны уровень выбросов B1 и уровень требований к бортовой диагностике, долговечности, эксплуатационной пригодности и контролю NOx. Значит, класс описывает конструкцию машины и её систему самоконтроля, а не разовый замер выхлопа. Удаление фильтра затрагивает обе стороны: меняется конструкция выпускного тракта и работа бортовой диагностики, которая следит за перепадом давления на фильтре.

Где в этой цепочке работает водородная добавка

Система ВГА работает в цилиндре, а не в выпускном тракте. Водород получают электролизом на борту, через баблер он подаётся во впускной коллектор и участвует в сгорании основного топлива. По заявлению завода-изготовителя, углеродистые отложения в камере сгорания окисляются. Как устроен рабочий цикл, разобрано в статье «Водородный генератор на дизель». Как подбирают установки для грузовиков, тягачей и Газелей, показано на странице грузового транспорта.

Влияние водорода на сажу в дизеле измеряли на стенде. В работе Aspects of an experimental study of hydrogen use at automotive diesel engine (Heliyon, 2023) четырёхцилиндровый дизель K9K с непосредственным впрыском и открытым блоком управления испытывали в одной рабочей точке: 40 % нагрузки при 2000 об/мин, с подачей водорода во впускной коллектор. Доля замещения SR — это доля энергии дизтоплива, заменённая водородом. Её считали по массовым расходам и низшей теплоте сгорания обоих топлив, в опытах она составила 18–34 %. При максимальной цикловой подаче водорода в этой точке дымность снизилась на 73,8 %, выбросы NOx на 50 %, CO₂ на 20 %, а максимальное давление в цилиндре выросло с 78,5 до 91,8 бар. Удельный расход энергии снизился на 5,4–7,8 % при SR 20–27 %.

Переносить эти проценты на бортовую установку нельзя, и причин две. Первая: это результат одного режима на стенде, а не среднее по ездовому циклу. Вторая и главная: в опыте водород замещал 18–34 % энергии топлива. Это на порядки больше, чем даёт бортовой электролизёр, который расходует 1 литр воды на 5000 км пробега. Общее у стенда и установки только направление: чем полнее топливо сгорает в цилиндре, тем меньше углерода уходит в выпуск. Величину эффекта стендовые цифры для установки не показывают.

Чего водородная добавка не делает:

• не сжигает золу и не освобождает занятый ею объём ячеек;
• не отменяет ни пассивную, ни активную регенерацию: температурные окна фильтра остаются прежними;
• не заменяет ремонт, если сажа идёт от изношенных колец, забитых распылителей или неисправного клапана рециркуляции.

Требования к обслуживанию самой установки скромные. Нагрузка на бортсеть — 65–85 Вт на легковых и 175–190 Вт на грузовых (для VGA-120 по паспорту 75 Вт). Воды нужно доливать 1 литр на 5000 км на легковых и 2 литра на грузовых. Раствор меняют каждые 25 000–30 000 км, зимой в раствор и баблер добавляют изопропиловый спирт 15–20 %. Гарантия завода-изготовителя — 1 год, расчётный ресурс — до 500 000 км пробега или 10 лет эксплуатации.

Вопросы владельцев дизелей с фильтром

Сажевый фильтр и катализатор — это одно и то же? Нет. Катализатор (окислительный нейтрализатор) — проточный элемент: он доокисляет CO и углеводороды и превращает NO в NO₂. Сажевый фильтр состоит из тупиковых каналов и механически задерживает частицы. Стоят они последовательно: сначала нейтрализатор, за ним фильтр. Поэтому пассивная регенерация и возможна: NO₂ приходит в фильтр из нейтрализатора.

Сколько нужно ехать, чтобы фильтр прожёгся? Зависит от машины, точные условия указаны в её руководстве по эксплуатации. В руководстве Jaguar регенерация обычно занимает 10–20 минут ровного хода на 60–112 км/ч и проходит примерно каждые 300–900 км. Если загорелось предупреждение о заполнении фильтра, ехать нужно ещё около 20 минут, лучше по трассе.

Что будет, если не обращать внимания на предупреждение? По памятке DAF предупреждения идут по нарастающей. Сначала система предлагает регенерацию на стоянке или поездку по магистрали. Затем снижается мощность двигателя и нужно вмешаться немедленно. На последнем уровне регенерацию может провести только дилер. В руководстве Jaguar жёлтый индикатор при неудачной регенерации со временем сменяется красным, и тогда нужно как можно скорее обратиться к дилеру.

Чем зола отличается от сажи? Сажа — это углерод, продукт неполного сгорания топлива, при регенерации она окисляется. Зола — несгораемые остатки присадок моторного масла: кальция, цинка, фосфора. При рабочих температурах она не горит, копится необратимо и в итоге определяет ресурс фильтра.

Может ли водородная установка восстановить забитый сажевый фильтр? Нет. Установка работает в камере сгорания, а не в выпускном тракте. Она не действует на уже накопленную золу и не меняет температурные условия регенерации. Забитым фильтром должен заниматься сервис.

Практический вывод

Если фильтр забивается на исправном двигателе, сначала разберитесь с режимом эксплуатации и сгоранием: фильтр показывает, что происходит в цилиндрах. Если загорелось предупреждение, дайте машине пройти регенерацию на трассе, как описано в руководстве по эксплуатации. Если предупреждение не гаснет или загорается красный индикатор, нужен сервис. Работы внутри цилиндров — это очистка нагара и восстановление нормального впрыска, выпускной тракт обслуживают отдельно.

Если техника много работает на малых нагрузках и задача в том, чтобы топливо полнее сгорало в цилиндре, модель ВГА подбирают по объёму двигателя и виду техники. Комплектации и цены есть на странице стоимости, а окупаемость для вашего парка менеджер рассчитает по заявке.