Katalityczny warstwowy filtr cząstek stałych

Transkrypt

1 Szkolenie serwisu Zeszyt do samodzielnego kształcenia nr 336 Katalityczny warstwowy filtr cząstek stałych Budowa i zasada działania

2 Zmniejszenie emisji pyłków i cząstek stałych stanowi obecnie duże wyzwanie dla emisji w samochodach z silnikiem wysokoprężnym. Obok metod związanych bepośrednio z silnikiem, szczególne znaczenie w tym zakresie posiada końcowa obróbka spalin. W celu usunięcia cząstek sadzy, które zawarte są w zależności od systemu, w spalinach silnika wysokoprężnego, skuteczną metodą jest filtr cząstek stałych. Najczęściej stosowane systemy filtrów składają się z katalizatora utleniającego i filtra cząstek stałych. W przypadku katalitycznych warstwowych filtrów cząstek stałych firmy Volkswagen, katalizator i filtr zostały opracowane jako całość. W tym systemie filtra cząstek stałych, z powodu jego konstrukcji jak również jego położenia montażowego w pobliżu silnika, cząstki mogą ulegać stałemu spalaniu bez dodawania dodatku do paliwa. S336_231 NOWOŚĆ Uwaga Wskazówka Zeszyt do samodzielnego kształcenia przedstawia budowę i zasadę działania nowych rozwiązań technicznych. Treść zeszytu nie jest aktualizowana. Aktualne informacje na temat diagnozy, regulacji i napraw znajdują się w odpowiedniej literaturze serwisowej. 2

3 O czym będzie mowa: Wprowadzenie Budowa i zasada działania Przegląd systemu Czujniki i elementy wykonawcze Plan działania Granice działania systemu Sprawdzamy swoją wiedzę

4 Wprowadzenie Informacje ogólne Podczas spalania oleju napędowego tworzą się różnego rodzaju pozostałości. Bezpośrednio dostrzegalnych składników spalin w zimnym silniku nie można stwierdzić lub można stwierdzić tylko częściowo utlenione węglowodorki w formie zawiesiny kropel, jako biały lub niebieski dym oraz jako aldehydy o intensywnym zapachu. W silnikach wysokoprężnych, obok substancji szkodliwych w postaci gazu, wydobywają się również wraz ze spalinami substancje stałe w postaci pyłu, które pod pojęciem wyżej wymienionej cząstki również zostały omówione w materiałach szkodliwych dla zdrowia i otoczenia. katalityczny warstwowy filtr cząstek stałych S336_233 Firma Volkswagen zmierza do celu w zakresie zmniejszania emisji spalin za pomocą długoterminowej strategii nie tylko w zakresie cząstek w silniku wysokoprężnym, ale także w zakresie wszystkich innych składników spalin jak węglowodorki i tlenki azotu. Już przed laty firma Volkswagen podjęła szeroko zakrojone działania w celu zoptymalizowania procesów spalania zachodzących wewnątrz silnika i obniżenia wydobywania się sadzy w silnikach wysokoprężnych. Efekt: już w roku 1999 firma Volkswagen jako pierwszy producent samochodów mogła zaoferować wraz z wersją Lupo 3L TDI samochód, który spełnia ścisle europejską normę spalin Euro 4 - sześć lat przed wejściem w życie tego przepisu w roku Firma Volkswagen przyspieszyła znacznie rozwój tzw. czystego silnika wysokoprężnego i przez to wzięła na siebie odpowiedzialność za skuteczną ochronę środowiska. Przykładami są: efektywna, oszczędna i cicha technologia TDI jak również układ pompowtryskiwaczy. Zadaniem kluczowym dla firmy Volkswagen w przyszłości będzie również dalsza poprawa spalania wewnątrz silnika, w celu dalszego obniżenia zużycia paliwai zmniejszenia emisji spalin bezpośrednio u źródła. Dodatkowo firma Volkswagen będzie uzupełniała te wymagania krok po kroku poprzez stosowanie systemów filtra cząstek stałychw silniku wysokoprężnym. 4

5 Emisja spalin Normy emisji spalin W Niemczech, Europie i na świecie w minionych latach propagowano uchwały i zarządzenia mające na celu ograniczenie emisji substancji zanieczyszczających powietrze. Istnieją europejskie normy spalin oznaczone EU1 do EU4. Zalecają one przemysłowi samochodowemu wartości graniczne spalin podczas tzw. badań typu przeprowadzanych dla nowych modeli samochodów. EU3 Od roku 2000 obowiązuje dla nowych homologowanych samochodów norma emisji spalin EU3. Różni się ona od swej poprzedniczki EU2 zaostrzeniem warunków badania na rolkowym stanowisku kontrolnym i obniżeniem wartości granicznych. EU4 Norma EU4 obowiązuje od roku 2005 i zastępuje normę EU3. Oznacza ona dalsze zmniejszenie dopuszczalnych wartości granicznych. Już dzisiaj ponad 65 procent wszystkich nowo homologowanych samochodów Volkswagen z silnikiem wysokoprężnym w Niemczech spełnia normę emisji spalin EU4. g/km 0,8 0,6 Dopuszczalna graniczna wartość spalin dla silników wysokoprężnych 0,64 0,50 0,56 0,50 0,4 0,30 0,25 0,2 0,05 0,025 EU3 EU4 EU3 EU4 EU3 EU4 EU3 EU4 CO monotlenek węgla HC + NO X węglowodory i tlenki azotu NO X tlenki azotu PM cząstki sadzy S336_026 Widok W przyszłości powinna wejść w życie jeszcze surowsza norma EU5. Wartości graniczne tej normy nie są jeszcze wprawdzie ustalone, ale limity emisji spalin zostaną jeszcze bardziej obniżone. Wartość graniczna cząstek dla samochodów osobowych z silnikami wysokoprężnymi powinna zostać w przyszłości również jeszcze bardziej obniżona. Z tego powodu w przyszłości wszystkie samochody osobowe z silnikiem wysokloprężnym powinny być wyposażone w filtr sadzy. 5

6 Wprowadzenie Powstawanie substancji szkodliwych w procesie spalania Na powstawanie substancji szkodliwych, a szczególnie na emisję cząstek sadzy ma wpływ proces spalania w silniku wysokoprężnym. Jest on zależny od wielu czynników konstrukcyjnych, specyficznych dla paliwa i czynników atmosferycznych. Niniejszy rysunek pokazuje przegląd komponentów wejściowych i wyjściowych silnika wysokoprężnego podczas przebiegu spalania. Paliwo wtryskiwane: HC węglowodory S siarka około 12% Zasysane powietrze: O 2 tlen N 2 azot H 2 O woda (wilgotność powietrza) N 2 około 67% Spaliny: O 2 tlen N 2 azot H 2 O woda CO 2 dwutlenek węgla CO 2 H 2 O O 2 około 11% około 0,3% około 10% CO monotlenek węgla HC węglowodory SO 2 dwutlenek siarki NOx tlenki azotu PM cząstki sadzy (PM = ang. paticulate matter) SO 2 PM HC NO X CO S336_108 W aspekcie szkodliwego działania na środowisko i zdrowie, spaliny silnika wysokoprężnego zawierają elementy składowe, które są oceniane różnie. Do składników nieszkodliwych występujących już w atmosferze można zaszeregować tlen, azot i wodę. Dwutlenek węgla występujący w atmosferze jako gaz naturalny, znajduje się odpowidnio do swego udziału w zakresie granicznym. Nie jest on wprawdzie trujący, ale ma znaczenie wraz ze wzrastającym jego stężeniem jako jeden z czynników powodujących efekt cieplarniany. Szkodliwe są natomiast monotlenek węgla, węglowodory, dwutlenek siarki, tlenki azotu i cząstki sadzy. 6

7 Substancje szkodliwe w spalinach CO monotlenek węgla Monotlenek węgla (CO) powstaje w przypadku niedoboru tlenu na skutek niepełnego spalania substancji zawierających węgiel. Jest to bezbarwny, bezwonny i pozbawiony smaku gaz. S336_014 HC węglowodory Pod nazwą węglowodory określana jest liczba różnych związków (np C 6 H 6, C 8 H 18 ), które występują na skutek niepełnego spalania. S336_016 SO 2 dwutlenek siarki Dwutlenek siarki powstaje w wyniku spalanie paliwa zawierającego siarkę. Jest to gaz bezbarwny o ostrym zapachu. Zawartość siarki w paliwiach ulega zmniejszeniu. S336_018 NO x tlenki azotu Tlenki azotu (na przykład NO, NO 2,...) powstają na skutek wysokiego ciśnienia, wysokich temperatur i nadmiaru tlenu podczas spalania w silniku. S336_020 cząstki sadzy W przypadku braku tlenu dochodzi na skutek niepełnego spalania do tworzenia się cząstek sadzy. S336_022 7

8 Wprowadzenie Cząstki Cząstki są pojęciem wyższym w stosunku do wszystkich małych cząsteczek stałych lub w stanie ciekłym, które powstają na skutek ścieranie się, rozdrabniania, erozji, skraplania się oraz poprzez niecałkowite spalanie. Te procesy wytwarzają cząstki o najróżniejszych formach, wielkościach i strukturach. Cząstki posiadają charakter substancji zanieczyszczających powietrze, gdyż są one tak małe, że mogą unosić się w gazach i być szkodliwe dla organizmu. Cząstki sadzy W procesie spalania w silniku wysokoprężnym powstają cząstki sadzy. Cząstki sadzy są mikroskopijnie małymi kuleczkami węgla o średnicy ok. 0,05 µm. Ich rdzeń składa się z czystego węgla. Na ten rdzeń składają się różne związki węglowodorowe, tlenki metalu i siarka. Niektóre związki węglowodorowe zaszeregowane zostają jako wątpliwe dla zdrowia. Dokładny skład cząstek sadzy zależy od technologii silnika, warunków zastosowania i rodzaju paliwa. węglowodory SO 4 (siarczan) węgiel tlenki siarki i metali H 2 O (woda) S336_182 8

9 Powstawanie cząstek sadzy Tworzenie się cząstek sadzy w silniku wysokoprężnym zależne jest od poszczególnych stanów procesu spalania wysokoprężnego jak doprowadzanie powietrza, wtrysk paliwa, rozprzestrzenianie się płomienia. Jakość spalania zależy od tego, jak tworzona jest mieszanka powietrza z paliwem. Mieszanka może być w niektórych zakresach komory spalania zbyt bogata, jeżeli nie jest dostępna wystarczająca ilość tlenu. Spalanie zachodzi wtedy niecałkowicie i następuje tworzenie się cząstek sadzy. S336_013 Typowa cząstka sadzy, powstająca podczas spalania w silniku wysokoprężnym Masa i ilość cząstek zależy więc zasadniczo od jakości przebiegu spalania w silniku. System pompowtryskiwaczy dobiera odpowiednio wysokość ciśnienia wtrysku i przebieg wtrysku odpowiadający wymaganiom silnika w celu efektywnego spalania i zmniejszenia przez to powstawanie cząstek sadzy podczas procesu spalania. Wysokie ciśnienie wtrysku i wynikające z tego drobne rozpylenie paliwa nie prowadzi jednak koniecznie do mniejszych cząstek. Pomiary wykazały, że rozdzielenie wielkości cząstek w spalinach, niezależnie od zasady spalania silnika, jest bardzo podobne, czy to jest silnik z komorą wirową, z układem Common-Rail czy też z pompowtryskiwaczami. 9

10 Wprowadzenie Metody zmniejszenia cząstek Zmniejszenie emisji spalin z silnika wysokoprężnego jest ważnym celem w jego dalszym rozwoju. W celu uzyskania efektu obniżenia emisji spalin istnieje wiele różnych rozwiązań technicznych. Metody dotyczące wnętrza silnika i elementów na zewnątrz silnika są różne. Metody dotyczące wnętrza silnika Zmniejszenie emisji można osiągnąć za pomocą metod obejmujących wnętrze silnika. Optymalizacja spalania skutecznie umożliwia prawie całkowite wyeliminowanie powstawania substancji szkodliwych. Do metod obejmujących wnętrze silnika zaliczyć można: odpowiednie kształtowanie kanałów wlotowych i wylotowych w celu uzyskania optymalnych warunków przepływu wysokie ciśnienia wtrysku, na przykład za pomocą odpowiedniej techniki pompowtryskiwaczy S336_045 odpowiednie kształtowanie komory spalania, na przykład zmniejszenie przestrzeni szkodliwej, tworzenie zagłębienia w tłoku 10

11 Metody dotyczące elementów na zewnątrz silnika Uwolnienie cząstek sadzy powstałych podczas spalania może być zahamowane za pomocą metod obejmujących elementy poza silnikiem. Pod tym pojęciem rozumiana jest redukcja cząstek sadzy za pomocą systemu filtrów cząstek stałych. Rozróżnia się przy tym dwa systemy - filtr cząstek stałych silnika wysokoprężnego pracującego z zastosowaniem dodatku do paliwa i kataliczny warstwowy filtr cząstek stałych silnika wysokoprężnego. Na następnych stronach wyjaśniona została tylko budowa i sposób działania katalitycznego warstwowego filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego. System z dodatkiem do paliwa Ten system stosowany jest w samochodach z filtrem cząstek stałych oddalonym od silnika. Z powodu długiej drogi spalin z silnika do filtra cząstek stałych, wymagana temperatura zapłonu do spalania cząstek stałych może zostać uzyskana tylko przez zastosowanie dodatku do paliwa. 750 C Temperatura spalin w trybie regeneracji katalizator utleniający filtr cząstek stałych 620 C 500 C S336_142 System katalityczny warstwowy Ten system stosowany jest w samochodach z filtrem cząstek stałych umieszczonym w pobliżu silnika. Z powodu krótkiej drogi spalin z silnika do filtra cząstek stałych, temperatura spalin do spalania cząstek jest wystarczająco wysoka. Temperatura spalin w trybie regeneracji 750 C filtr cząstek stałych ze zintegrowanym katalizatorem utleniającym 620 C S336_144 11

12 Budowa i zasada działania System katalitycznego warstwowego filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego W poniższym przeglądzie pokazane są elementy systemu filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego S336_030 1 komputer -J285- sterujący zestawem wskaźników tablicy przyrządów 2 komputer sterujący silnikiem 3 miernik masy powietrza 4 silnik wysokoprężny 5 czujnik temperatury turbosprężarki -G507-6 turbosprężarka 7 czujnik temperatury przed filtrem cząstek stałych -G506-8 sonda lambda -G39-9 filtr cząstek stałych 10 czujnik ciśnienia spalin 1 -G czujnik temperatury za filtrem cząstek stałych -G tłumik Schemat przedstawia system z jednostrumieniowym układem wydechowym. Przy wielostrumieniowych układach wydechowych filtry cząstek stałych oraz czujniki na układzie wydechowym występują po jednym na każdym strumieniu spalin. 12

13 Filtr cząstek stałych Katalityczny warstwowy filtr cząstek stałych silnika wysokoprężnego umieszczony jest w strumieniu spalin w pobliżu silnika za turbosprężarką. Katalityczny warstwowy filtr cząstek stałych Dwa podzespoły, katalizator utleniający i filtr cząstek stałych, zostały zamontowane jako całość do katalitycznie warstwowego filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego. Łączą one funkcję katalizatora utleniającego i filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego w jedyny w swoim rodzaju podzespół. S336_039 katalizator utleniający filtr cząstek stałych katalizator utleniający filtr cząstek stałych S336_212 katalityczny warstwowy filtr cząstek stałych katalityczny warstwowy filtr cząstek stałych Jako filtr cząstek stałych odfiltrowuje on cząstki sadzy ze spalin. W funkcji katalizatora utleniającego usuwa on ze spalin węglowodory (HC) i monotlenek węgla (CO). Przekształcają się one w wodę (H 2 O) i dwutlenek węgla (CO 2. Dalsze informacje na temat katalizatora utleniającego znajdują się w Zeszycie do samodzielnego kształcenia nr 124 Katalizator silnika wysokoprężnego. 13

14 Budowa i zasada działania Budowa Filtr cząstek stałych silnika wysokoprężnego składa się z korpusu ceramicznego o strukturze makrokomórkowej z węglika krzemu, znajdującego się w obudowie metalowej. Korpus ceramiczny jest podzielony na bardzo dużą ilość równolegle przebiegających małych kanalików, które są na przemian zamknięte. W ten sposób utworzone zostały kanały wlotowe i wylotowe, które są oddzielone od siebie ścianami filtra. cząstki sadzy kanał wylotowy korpus ceramiczny o strukturze makrokomórkowej ściana filtra kanał wlotowy S336_038 S336_154 obudowa metalowa cząstki sadzy w kanale wlotowym platyna katalizatora korpus zwęglikakrze mu Ściany filtra wykonane z węglika krzemu są porowate. Bryła z węglika krzemu pokryta jest mieszaniną z tlenku glinu i tlenku ceru. Ta mieszanina służy jako warstwa nośna dla katalizatora. Warstwa nośna pokryta jest metalem szlachetnym, tj. platyną, który służy jako katalizator. kanał wylotowy Katalizator jest materiałem, który wymaga reakcji chemicznej lub spowalnia ją nie zmieniając się przy tym. S336_20 warstwa nośna (tlenek glinu / tlenek ceru) Działanie Ponieważ kanały zamknięte są na przemian w kierunku wlotu i wylotu, spaliny wraz z zawartością sadzy muszą przepływać przez porowate ścianki filtra z węglika krzemu. Cząstki sadzy, w przeciwieństwie do składników gazowych, są przy tym zatrzymywane w kanałach wejściowych. 14

15 Strefy uwarstwione w filtrze cząstek stałych Filtr cząstek stałych potrzebuje określonej długości w celu uzyskania dużej objętości nagromadzonej sadzy. Musi być on pokryty warstwą określonej ilości platyny w celu uzyskania wymaganego efektu katalitycznego. Katalityczna warstwa filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego jest na długości filtra podzielona na strefy. strefa przednia strefa tylna S336_010 W przedniej strefie znajduje się duża ilość platyny, a w strefie tylnej mała ilość. W wyniku uwarstwienia w formie stref pojawiają się następujące zalety: Podczas normalnej pracy silnika filtr cząstek stałych silnika wysokoprężnego w przedniej strefie szybko się nagrzewa. Dzięki dużemu skupieniu platyny katalizatora w przedniej jego strefie filtr wykazuje szybkie działanie katalityczne. Określa się to także szybkim uruchamianiem się filtra cząstek stałych. W trybie regeneracji, na skutek spalania sadzy tylna strefa filtra cząstek stałych staje się bardzo gorąca. W wyniku działania wysokich temperatur platyna zostaje trwale naruszona. Z tego powodu w tylnej strefie zrezygnowano z nakładania grubych warstw z kosztownym materiałem jakim jest platyna. Dalszym powodem zastosowania mniejszej ilości platyny w tylnej strefie jest starzenie się filtra cząstek stałych. Podczas jego pracy gromadzi się w tylnej strefie coraz większa ilość produktów spalania tak, że efekt katalitycznego działania platyny zostaje zmniejszony. Regeneracja Filtr cząstek stałych musi zostać uwolniony z cząstek sadzy, aby nie został zapchany i aby jego działanie nie zostało zmniejszone. W procesie regeneracji cząstki zgromadzone w filtrzecząstek stałych ulegają spaleniu (utlenieniu). W procesie regeneracji katalitycznego warstwowego filtra cząstek stałych rozróżnia się regenerację bierną i czynną. Przebieg procesu regeneracji nie zostaje zauważona przez kierowcę. 15

16 Budowa i zasada działania Regeneracja bierna W przypadku procesu biernej regeneracji cząstki sadzy bez działania układu sterowania silnikiem są stale spalane. Położenie filtra cząstek stałych w pobliżu silnika umożliwia to, że przykładowo podczas pracy na autostradzie uzyskane zostają temperatury spalin od 350 do 500 C. Jednocześnie cząstki sadzy w wyniku reakcji z dwutlenkiem azotu przekształcane są w dwutlenek węgla. Ten proces przebiegający krokowo odbywa się powoli i stale poprzez warstwę platyny, która służy przy tym jako katalizator. bryła zwęglikakrzemu warstwa nośna (tlenek glinu / tlenek ceru) kanał wlotowy platyna ściana filtra kanał wylotowy S336_184 Działanie Z zawartych w spalinach tlenków azotu (NO X ) i tlenu (O 2 ) powstaje na skutek przejścia przez warstwę platyny dwutlenek azotu (NO 2 ). NO X + O 2 reaguje do NO 2 Dwutlenek azotu (NO 2 ) reaguje z węglem (C) cząstek sadzy. Powstaje przy tym monotlenek węgla (CO) i monotlenek azotu (NO). NO 2 + C reaguje do CO + NO Monotlenek węgla (CO) i monotlenek azotu (NO) łączą się z tlenem (O 2 ) do dwutlenku azotu (NO 2 ) i dwutlenku węgla (CO 2 ). CO + NO + O 2 reaguje do NO 2 + CO 2 16

17 Aktywna regeneracja W przypadku aktywnej regeneracji cząstki sadzy poprzez celowe podwyższenie temperatury spalin zostają spalone na skutek działania układu sterowania silnikiem. W ruchu miejskim, przy nieznacznym obciążeniu silnika, temperatury spalin są dla biernej regeneracji filtra cząstek stałych za niskie. Ponieważ żadna z cząstek sadzy nie może już ulec rozkładowi, dochodzi do nawarstwiania się sadzy w filtrze. Gdy tylko uzyskane zostanie określone nagromadzenie sadzy w filtrze, następuje wprowadzona przez układ sterowania silnikiem regeneracja aktywna. Proces ten trwa ok. 10 minut. Cząstki sadzy spalane są w temperaturze spalin 600 do 650 C do dwutlenku węgla. warstwa nośna (tlenek glinu / tlenek ceru) bryła z węglika krzemu kanał wlotowy platyna ściana filtra kanał wylotowy S336_186 Działanie W przypadku aktywnej regeneracji cząstki sadzy na skutek wysokiej temperatury spalin zostają spalone. Jednocześnie węgiel z cząstek sadzy utlenia się tlenem do dwutlenku węgla C + O 2 reaguje do CO 2 17

18 Budowa i zasada działania Działanie aktywnej regeneracji Cząstki sadzy są zatrzymywane w kanałach wlotowych. Komputer sterujący silnikiem może na podstawie oceny sygnałów miernika masy powietrza, czujnika temperatury przed i za filtrem cząstek stałych oraz czujnika ciśnienia 1 spalin rozpoznać ładunek sadzy w filtrze cząstek stałych silnika wysokoprężnego. filtr cząstek stałych, pusty miernik masy powietrza -G70- sygnały do komputera sterującego silnikiem czujnik temperatury przed filtrem cząstek stałych -G506- czujnik ciśnienia spalin 1 - G450- czujnik temperatury za filtrem cząstek stałych -G527- S336_042 filtr cząstek stałych pusty = nieznaczne opory przepływu filtr cząstek stałych, zapełniony miernik masy powietrza -G70- czujnik temperatury przed filtrem cząstek stałych -G506- czujnik ciśnienia spalin 1 -G450- sygnały do komputera sterującego silnikiem czujnik temperatury za filtrem cząstek stałych -G527- S336_044 filtr cząstek stałych zapełniony = wysokie opory przepływu Jeżeli nagromadzenie sadzy uzyskało wartość graniczną, wprowadzona zostaje na skutek działania układu sterowania silnikiem regeneracja czynna. 18

19 Sterowanie silnikiem przy wprowadzaniu aktywnej regeneracji Na podstawie oceny oporów przepływu w filtrze komputer sterujący silnikiem określa koniec stanu załadowania filtra. Wysokie opory przepływu oznaczają, że filtrowi grozi zapchanie. Komputer sterujący silnikiem wprowadza aktywny proces regeneracji. W tym celu: zostaje wyłączony układ recyrkulacji spalin, aby zwiększyć temperaturę spalania, S336_124 po zmniejszeniu dawki głównego wtrysku, przy kącie położenia wału korbowego wynoszącym 35 za górnym punktem zwrotnym tłoka, następuje wtrysk uzupełniający w celu podwyższenia temperatury spalin, S336_126 zostaje nastawiony dopływ zasysanego powietrza za pomocą elektrycznie sterowanej klapy przepustnicy i S336_120 dopasowane ciśnienie doładowywania, aby moment obrotowy silnika podczas przebiegu regeneracji nie uległ zmianie odczuwalnej przez kierowcę. S336_122 Czynności te prowadzą do celowego, krótkookresowego podwyższenia temperatury spalin do poziomu ok. 600 C do 650 C. W tym zakresie temperatur cała sadza utlenia się do dwutlenku węgla. Po tej aktywnej regeneracji filtr cząstek stałych jest ponownie gotowy do stosowania i może ponownie filtrować sadzę ze spalin. 19

20 Budowa i zasada działania Nagromadzenie sadzy w filtrze cząstek stałych Stan nagromadzenia sadzy w filtrze cząstek stałych jest stale kontrolowany przez komputer sterujący silnikiem poprzez obliczanie oporów przepływu w filtrze. Do określenia oporów przepływu brane jest natężenie przepływu strumienia spalin przed filtrem cząstek stałych z różnicą ciśnienia przed i za filtrem cząstek stałych. Różnica ciśnienia Różnica ciśnienia strumienia spalin powietrza przed i za filtrem cząstek stałych jest określana przez czujnik ciśnienia spalin 1. Natężenie przepływu strumienia spalin Natężenie przepływu strumienia spalin obliczane jest przez komputer sterujący silnikiem na podstawie natężenia przepływu masy powietrza w kanale spalin i temperatury spalin przed filtrem cząstek stałych. Masa strumienia spalin odpowiada w przybliżeniu masie strumienia powietrza w kanale zasysania, która określana jest za pomocą miernika masy powietrza. Objętość masy spalin zależy od jej temperatury w danej chwili. Jest ona ustalana przez czujniki temperatury przed i za filtrem cząstek stałych. Komputer sterujący silnikiem uwzględniając temperaturę spalin może obliczyć na podstawie masy strumienia spalin natężenie przepływu strumienia spalin. Opory przepływu filtra cząstek stałych 300 Różnica ciśnienia p (mbar) Natężenie przepływu (m 3 /h) S336_156 Filtr cząstek stałych: zapełniony pusty uszkodzony Komputer sterujący silnikiem określa stosunek różnicy ciśnień za pomocą natężenia przepływu strumienia spalin, jako współczynnik i otrzymuje z tego wartość oporów przepływu filtra cząstek stałych. Na podstawie wartości oporów przepływu komputer sterujący silnikiem rozpoznaje stan nagromadzenia sadzy w filtrze. 20

21 Wtrysk uzupełniający w czasie hamowania silnikiem W ekstremalnym ruchu miejskim z mocno zmieniającym się obciążeniem silnika i dużym udziałem hamowania silnikiem są potrzebne specjalne procesy w celu oczyszczenia filtra. Ponieważ podczas hamowania silnikiem normalnie paliwo nie jest wtryskiwane do cylindrów, spaliny nie uzyskują temperatury potrzebnej do regeneracji filtra cząstek stałych. W fazie hamowania silnikiem, przy kącie obrotu wału korbowego ok. 35 za górnym punktem zwrotnym tłoka, wtryskiwana jest nieznaczna ilość paliwa. S336_128 Ponieważ wtrysk główny nie następuje w górnym punkcie zwrotnym tłoka, paliwo to nie spala się w cylindrze, lecz tylko odparowuje. S336_130 Powstałe w ten sposób pary paliwa spalają się dopiero w filtrze cząstek stałych. W wyniku powstającego przy tym ciepła spaliny uzyskują temperaturę konieczną do regeneracji filtra cząstek stałych. S336_202 Czujnik temperatury za filtrem cząstek stałych sprawdza przy tym temperaturę spalin za filtrem cząstek stałych. W ten sposób podczas hamowania silnikiem regulowana jest dawka wtrysku uzupełniającego. S336_200 21

22 Budowa i zasada działania Krzywka wtryskiwacza W silnikach wysokoprężnych z układem pompowtryskiwaczy i filtrem cząstek stałych profil krzywki wtryskiwacza opracowany jest z uwzględnieniem wtrysku uzupełniającego. W porównaniu do silnika bez filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego krzywka wtryskiwacza jest tak ukształtowana, że ruch do przodu tłoka pompy zostaje zakończony później. W ten sposób również w późniejszym okresie pozostaje do dyspozycji jeszcze wystarczający odcinek suwu do wykonania wtrysku uzupełniającego. rolkowy popychacz dźwigniowy sworzeń kulisty krzywka wtryskiwacza tłok pompy sprężyna tłoka S336_216 Profil krzywki w silnikach wyspokoprężnych z układem pompowtryskiwaczy bez filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego Profil krzywki w silnikach wysokoprężnych z układem pompowtryskiwaczy z filtrem cząstek stałych silnika wysokoprężnego. Zwrócić uwagę w instrukcji napraw na przepisy dotyczące regulacji podczas zamontowania pompowtryskiwacza. 22

23 Schemat układu magistrala danych CAN komputer sterujący w zestawie wskaźników tablicy przyrządów J285 czujnik temperatury przed filtrem cząstek stałych G506 lampka kontrolna filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego K231 czujnik temperatury przed turbosprężarką G507 czujnik temperatury za filtrem cząstek stałych G527 lampka kontrolna czasu rozgrzewania świec K29 komputer sterujący układem bezpośredniego wtrysku silnika wysokoprężnego J248 czujnik 1 ciśnienia spalin G450 ogrzewanie sondy lambda Z19 sonda lambda G39 wtyczka diagnostyczna pompowtryskiwacze N240 - N243 miernik masy powietrza G70 zespół zaworów elektromagnetycznych, zawierający zawór recyrkulacji spalin N18 zawór elektromagnetyczny ograniczania ciśnienia doładowania N75 czujnik wskaźnika poziomu paliwa G S336_106 silnik klapy w kolektorze ssącym V157 23

24 Czujniki i elementy wykonawcze Czujnik ciśnienia spalin 1 -G450- Zastosowanie sygnału Czujnik ciśnienia spalin 1 zauważa różnicę ciśnienia strumienia spalin przed i za filtrem cząstek stałych. Sygnał czujnika ciśnienia spalin, sygnały czujnika temperatury przed i za filtrem cząstek stałych oraz sygnał miernika masy powietrza tworzą przy określaniu stanu zapełnienia filtra cząstek stałych umieszczonego w tylnej części samochodu nierozłączną całość. S336_048 Skutki braku sygnału Jeżeli brak jest sygnału z czujnika ciśnienia spalin, następuje regeneracja filtra cząstek stałych najpierw cyklicznie, po przejechanej trasie lub po określonych godzinach pracy. Filtr cząstek stałych nie może być w ten sposób regenerowany przez dłuższy czas w sposób bezpieczny dla jego pracy. Po określonej liczbie cykli zapala się najpierw lampka kontrolna filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego a następnie migająca lampka sygnalizacyjna czasu rozgrzewania, umieszczona w zestawie wskaźników tablicy przyrządów. W ten sposób kierowca informowany jest o konieczności udania się do serwisu. Budowa Na czujniku 1 ciśnienia spalin znajdują się dwa przyłącza ciśnieniowe. Od jednego przewód ciśnieniowy prowadzi do strumienia spalin przed filtrem cząstek stałych, a od drugiego do strumienia spalin za filtrem cząstek stałych. membrana z elementami piezoelektrycznymi sygnał do komputera sterującego W czujniku znajduje się membrana z elementami piezoelektrycznymi, na którą oddziaływują z każdej z tych stron ciśnienia spalin. S336_050 ciśnienie przed filtrem ciśnienie za filtrem 24

25 Opis działania: Filtr cząstek stałych, pusty elementy piezoelektryczne S336_090 W przypadku filtra cząstek stałych z bardzo nieznacznym załadunkiem cząstek ciśnienie przed i za filtrem jest prawie takie samo. Membrana z elementami piezoelektrycznymi znajduje się w wtedy stanie spoczynku. S336_160 ciśnienie przed filtrem = ciśnienie za filtrem Filtr cząstek stałych, zapełniony S336_162 S336_092 ciśnienie przed filtrem > ciśnienie za filtrem Jeżeli w filtrze cząstek stałych nagromadziła się sadza, ciśnienie spalin wzrasta przed filtrem na skutek zmniejszenia objętość strumienia. Ciśnienie spalin za filtrem pozostaje w przybliżeniu takie samo. Membrana odkształca się odpowiednio do różnicy ciśnień. To odkształcenie zmienia rezystancję elektryczną czujników piezoelektrycznych, które są podłączone do mostka pomiarowego. Napięcie wyjęciowe tego mostka pomiarowego przekształcane jest przez elektronikę czujników, wzmacniane i przesyłane do komputera sterującego silnikiem jako napięcie sygnałowe. Z tego sygnału komputer sterujący silnikiem określa stan zapełnienia filtra cząstek stałych i rozpoczyna proces regeneracji w celu oczyszczenia filtra. Stan zapełnienia filtra cząstek stałych może być odczytany za pomocą testeravas 5051 w bloku wartości mierzonych jako współczynnik zapełnienia filtra cząstek stałych. 25

26 Czujniki i elementy wykonawcze Czujnik temperatury przed filtrem cząstek stałych -G506- S336_100 S336_187 Czujnik temperatury przed filtrem cząstek stałych jest czujnikiem PTC. W czujniku PTC (Positiver Temperatur Coeffizient) rezystancja wzrasta wraz ze wzrastem temperatury. Znajduje się on w strumieniu spalin przed filtremcząstek stałych i mierzy tam temperaturę spalin. Zastosowanie sygnału Na podstawie sygnałów czujnika temperatury przed i za filtrem cząstek stałych komputer sterujący silnikiem oblicza natężenie przepływu strumienia spalin, aby można było na podstawie tego określić stan zapełnienia filtra cząstek stałych. Sygnały czujnika temperatury przed i za filtrem cząstek stałych, sygnał miernika masy powietrza oraz sygnał czujnika ciśnienia spalin tworzą przy określeniu stanu zapełnienia filtra cząstek stałych nierozłączną całość. Poza tym sygnał stosowany jest do ochrony elementów, w celu zabezpieczenia filtra cząstek stałych przed za wysokimi temperaturami spalin. Skutki braku sygnału Jeżeli brak jest sygnału z czujnika temperatury przed filtrem cząstek stałych, następuje regeneracja filtra cząstek stałych, najpierw cyklicznie po przejechanej trasie lub po określonej liczbie godzinach pracy. Filtr cząstek stałych nie może być w ten sposób regenerowany przez dłuższy czas w sposób bezpieczny dla jego pracy. Po ustalonej liczbie cykli zapala się najpierw lampka kontrolna filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego, a następnie migająca lampka sygnalizacyjna czasu rozgrzewania w zestawie wskaźników tablicy przyrządów. W ten sposób kierowca informowany jest o konieczności udania się do serwisu. 26

27 Czujnik temperatury za filtrem cząstek stałych -G527- S336_100 S336_189 Czujnik temperatury za filtrem cząstek stałych jest czujnikiem PTC. Znajduje się on w strumieniu spalin za filtrem cząstek stałych i mierzy tam temperaturę spalin. Zastosowanie sygnału Komputer sterujący silnikiem używa sygnału z czujnika temperatury za filtrem cząstek stałych do sterowania dawką wtrysku dla wtrysku uzupełniającego przy hamowaniu silnikiem. Im wyższa jest temperatura spalin za filtrem cząstek stałych, tym mniejsza jest dawka wtrysku. Sygnał z czujnika temperatury za filtrem cząstek stałych stosowany jest jako zabezpieczenie elementów, w celu zabezpieczenia filtra cząstek stałych przed zbyt wysokimi temperaturami spalin. Skutki braku sygnału Jeżeli brak jest sygnału z czujnika temperatury za filtrem cząstek stałych, następuje regeneracja filtra cząstek stałych najpierw cyklicznie po przejechanej trasie lub określonej liczbie godzinach pracy. Filtr cząstek stałych nie może być w ten sposób regenerowany przez dłuższy czas w sposób bezpieczny dla jego pracy. Po ustalonej liczbie cykli zapala się najpierw lampka sygnalizacyjna filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego, a następnie migająca lampka sygnalizacyjna czasu rozgrzewania w zestawie wskaźników tablicy przyrządów. W ten sposób kierowca informowany jest o konieczności udania się do serwisu. 27

28 Czujniki i elementy wykonawcze Czujnik temperatury przed turbosprężarką -G507- S336_096 S336_215 Czujnik temperatury przed turbosprężarką jest czujnikiem PTC. Znajduje się w strumieniu spalin przed tubrbosprężarką i mierzy tam temperaturę spalin. Zastosowanie sygnału Komputer sterujący silnikiem używa sygnału z czujnika temperatury przed turbosprężarką do obliczania momentu rozpoczęcia wtrysku i dawki wtrysku dla wtrysku uzupełniającego podczas procesu regeneracji. W ten sposób uzyskiwany jest wzrost temperatury spalin konieczny do spalenia cząstek sadzy. Poza tym, za pomocą tego sygnału turbosprężarka jest chroniona przed niedopuszczalnie wysokimi temperaturami podczas regeneracji. Skutki braku sygnału W przypadku awarii czujnika temperatury przed turbosprężarką nie może ona być już chroniona przed niedopuszczalnie wysokimi temperaturami. Regeneracja filtra cząstek stałych wtedy już nie następuje. Kierowca lampką sygnalizacyjną czasu rozgrzewania świec żarowych informowany jest o konieczności udania się do serwisu. W celu zmniejszenia emisji sadzy zostaje wyłączona recyrkulacja spalin. 28

29 Sonda lambda -G39- S336_098 Sonda lambda jest sondą szerokopasmową. Znajduje się ona w kolektorze wydechowym przed katalizatorem utleniającym. S336_191 Zastosowanie sygnału Za pomocą sondy lambda można określać zawartość tlenu w spalinach w dużym zakresie pomiarowym. W związku z systemem filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego komputer sterujący silnikiem używa sygnału sondy lambda do dokładnego obliczania dawki wtrysku i kąta opóźnienia wtrysku dodatkowego podczas procesu regeneracji. Do skutecznej regeneracji filtra cząstek stałych potrzebna jest minimalna zawartość tlenu w spalinach przy niezmiennie wysokiej temperaturze spalin. Ta regulacja jest możliwa za pomocą sygnału sondy lambda wraz z sygnałem czujnika temperatury przed turbosprężarką. Skutki braku sygnału Regeneracja filtra przeciwpyłkowego jest mniej dokładna, pozostaje jednak w dalszym ciągu niezawodna. Na skutek awarii sondy lambda może dojść do zwiększonej emisji tlenku azotu. Szczegółowe informacje na temat sondy szerokopasmowej znajdują się w Zeszycie do samodzielnego kształcenia nr 231 Diagnoza EOBD dla silników benzynowych. 29

30 Czujniki i elementy wykonawcze Miernik masy powietrza -G70- Miernik masy powietrza z gorącą warstwą jest zamontowany w kanale zasysania. Za pomocą miernika masy powietrza komputer sterujący silnikiem określa rzeczywistą, zasysaną masę powietrza. S336_220 Zastosowanie sygnału W powiązaniu z systemem filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego sygnał używany jest do obliczania natężenia przepływustrumienia spalin, aby na jego podstawie można było określić stan zapełnienia filtra cząstek stałych. Sygnał miernika masy powietrza, sygnały czujnika temperatury przed i za filtrem cząstek stałych oraz sygnał czujnika ciśnienia spalin tworzą przy ustalaniu stanu napełnienia filtra cząstek stałych nierozłączną całość. Skutki braku sygnału Jeżeli brak jest sygnału miernik masy powietrza, następuje regeneracja filtra cząstek stałych najpierw cyklicznie po przejechanej trasie lub po określonej liczbie godzin pracy. Filtr cząstek stałych nie może być w ten sposób regenerowany przez dłuższy czas w sposób bezpieczny dla jego pracy. Po ustalonej liczbie cykli pokazywana jest najpierw lampka sygnalizacyjna filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego, anastępnie migająca lampka sygnalizacyjna czasu rozgrzewania w zestawie wskaźników tablicy przyrządów. W ten sposób kierowca informowany jest o konieczności udania się do serwisu. Lampka ostrzegawcza nieprawidłowego składu spalin -K83- (MIL) Elementy systemu filtra cząstek stałych istotne dla emisji spalin są sprawdzane w ramach diagnozy Euro-On- Board (EOBD) pod kątem awarii i nieprawidłowego działania. Lampka ostrzegawcza spalin (MIL=Malfunktion Indicator light) pokazuje usterki rozpoznane przez system EOBD. S336_188 Szczegółowe informacje na temat lampki ostrzegawczej spalin i systemu EOBD znajdują się w Zeszycie do samodzielnego kształcenia nr 315 Diagnoza EOBD dla silników wysokoprężnych. 30

31 Lampka kontrolna filtra cząstek stałych -V231- silnika wysokoprężnego S336_152 Lampka kontrolna filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego znajduje się w zestawie wskaźników tablicy przyrządów. Zapala się ona, gdy filtr cząstek stałych z powodu jazdy na ekstremalnie krótkich trasach nie może się regenerować. Zadanie W przypadku długotrwałych jazd na krótkich trasach regeneracja filtra cząstek stałych może zostać zubożona, ponieważ temperatura spalin nie uzyskuje potrzebnej wartości temperatury. Ponieważ regeneracja nie ma miejsca, możliwe jest uszkodzenie lub blokada filtra na skute przepełnienia go sadzą. W celu uniknięcia takich przypadków, lampka sygnalizacyjna filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego w zestawie wskaźników tablicy przyrządó zapala się, gdy zapełnienie sadzą uzyskało określoną wartość graniczną. Pojawienie się tego sygnału wymaga od kierowcy możliwie równomiernej jazdy przez okres ok. 15 minut zprędkością powyżej 60km/h. Efektywne oczyszczenie filtra można osiągnąć, gdy silnik samochodu na 4 lub 5 biegu pracuje na obrotach od ok obr / min. Lampka kontrolna po tej czynności musi zgasnąć. Jeżeli lampka kontrolna filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego nie gaśnie, zapala się lampka kontrolna czasu rozgrzewania świec żarowych, a na wyświetlaczu zestawu wskaźników tablicy przyrządów pojawia się tekst Uszkodzenie silnika - serwis. W ten sposób kierowca informowany jest o konieczności udania się do najbliższego serwisu. Dokładne dane dotyczące zachowania się podczas jazdy przy zapalonej lampce kontrolnej filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego znajdują się w instrukcji obsługi samochodu! W każdym przypadku należy przestrzegać przepisów ruchudrogowego i ograniczeń prędkości! 31

32 Schemat działania Schemat działania zacisk 30 zacisk 15 J317 J533 K231 J285 S G39 S S V157 N18 N75 Z19 J248 S336_034 G70 G450 G527 G507 G506 N240 N241 N242 N243 G39 sonda lambda G70 miernik masy powietrza G450 czujnik 1 ciśnienia spalin G506 czujnik temperatury przed filtrem cząstek stałych G527 czujnik temperatury za filtrem cząstek stałych G507 czujnik temperatury przed turbosprężarką J248 komputer sterujący układem bezpośredniego wtrysku silnika wysokoprężnego J285 komputer sterujący w zestawie wskaźników tablicy przyrządów J317 przekaźnik zasilania napięciowego zacisku 30 J533 interfejs diagnostyczny magistrali danych K231 lampka sygnalizacyjna filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego N240-N243 zawory pompowtryskiwaczy N18 N75 V135 V157 Z19 zawór recyrkulacji spalin zawór elektromagnetyczny ograniczania ciśnienia turbodoładowania pompa addytywna filtra cząstek stałych silnik klapy kolektora ssącego podgrzewanie sondy lambda Znaczenie kolorów / legenda = sygnał wejściowy = sygnał wyjściowy = plus = masa = magistrala CAN 32

33 Granice możliwości systemu Jazda na krótkich odcinkach W celu wprowadzenia procesu regeneracji filtra cząstek stałych zostaje zwiększona temperatura spalin w wyniku celowego sterowania silnikiem. Przy długotrwałych jazdach na krótkich odcinkach nie jest możliwe podniesienie temperatury spalin w wystarczającym wymiarze. Regeneracja wtedy nie może odbywać się prawidłowo. Następująca wówczas procesy regeneracji przy zbyt dużym zapełnieniu filtra sadzą mogą doprowadzić przy spalaniu sadzy do zbyt wysokich temperatur i do uszkodzenia filtra cząstek stałych. Przy zbyt dużym zapełnieniu sadzą fltr może się zapchać. Taka blokada filtra może doprowadzić do przerwania pracy silnika. W celu uniknięcia takich przypadków, od określonej wartości granicznej zapełnienia filtra lub od określonej liczby niepomyślnych regeneracji zostaje uaktywniona lampka kontrolna filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego w zestawie wskaźników tablicy przyrządów. W ten sposób wymaga się od kierowcy jazdy przez krótki czas ze zwiększoną prędkością w celu podwyższenia temperatury spalin do wartości koniecznej dla regeneracji filtra cząstek stałych silnika wysokoprężnego. Wymagana jakośc paliwa Należy zwrócić uwagę na to, czy paliwo odpowiada normie DIN podanej w instrukcji napraw. Praca silnika na roślinnym oleju napędowym nie jest możliwa. Na skutek wtrysku uzupełniającego w celu regeneracji filtra cząstek stałych może dojść do tego, że na ściankę cylindra dostanie się przywierające, niespalone paliwo z powodu ruchu tłoka w oleju silnikowym. Zwykle paliwo silnika wysokoprężnego ponownie w znacznej mierze odparowuje z oleju silnikowego podczas normalnej pracy. Roślinny olej napędowy z powodu swojej wysokiej temperatury wrzenia nie może jednak całkowicie odparować. Na skutek tego dochodzi do rozcieńczenia oleju silnikowego, które może doprowadzić do uszkodzenia silnika. Jeżeli paliwo zawiera bardzo dużą ilość siarki, prowadzi to do gorszego działania systemu filtra cząstek stałych z większym zużyciem paliwa na skutek zwiększonej regeneracji. 33

34 Granice możliwości systemu Emisje Podczas cyklu jazdy z trwającą regeneracją może dojść do wzrostu parametrów emisji. W trakcie regeneracji odbywa się utlenianie sadzy do dwutlenku węgla (CO 2 ). Jeżeli w tym procesie nie ma wystarczającej ilości tlenu do dyspozycji, powstaje również monotlenek węgla (CO). Na skutek odłączenia recyrkulacji spalin dochodzi do nieznacznie podwyższonych emisji tlenku azotu. W celu ustalenia emisji spalin przeprowadzony zostaje test emisji (NEFZ - Neuer Europäischer Fahrzyklus - nowy europejski cykl jazdy). Oceniane są przy tym wartości z cyklu bez procesu oraz z procesem regeneracji. Wraz z uśrednionymi wartościami samochód musi spełniać normę spalin EU4. 34

35 Sprawdzamy swoją wiedzę 1. Co należy rozumieć pod pojęciem bierna regeneracja filtra cząstek stałych? a) Cząstki sadzy zbierane są w filtrze cząstek stałych i spalane przy następnym terminie przeglądu poprzez celowo wprowadzone spalanie za pomocą VAS b) Cząstki sadzy w wyniku celowego wzrostu temperatury spalin są spalane na skutek odpowiedniego sterowania silnikiem. c) Cząstki sadzy bez zadziałania układu sterowania silnikiem są spalane w sposób ciągły. 2. Jakie zadanie ma czujnik temperatury za filtrem cząstek stałych -G527-? a) Komputer sterujący silnikiem stosuje sygnał czujnika temperatury za filtrem cząstek stałych do regulacji dawki wtrysku dla wtrysku uzupełniającego podczas hamowania silnikiem. b) Na podstawie sygnału czujnika temperatury komputer sterujący silnikiem oblicza różnicę ciśnienia przed i za filtrem cząstek stałych. b) Sygnał czujnika temperatury służy komputerowi sterującemu silnikiem do określania szybkości zmian recyrkulacji spalin. 3. Jaki materiał powoduje spalanie cząstek sadzy w katalitycznym warstwowym filtrze cząstek stałych silnika wysokoprężnego podczas biernej regeneracji? a) dodatek do paliwa b) platyna c) tlenek glinu d) dwutlenek siarki e) węglik krzemu Rozwiązania 1.) c; 2.) a; 3.) b 35

36 336 VOLKSWAGEN AG, Wolfsburg, VK-21 Service Training Wszelkie prawa zastrzeżone. Zmiany zastrzeżone stan techniczny 02/05 Papier wyprodukowany z celulozy bielonej bez użycia chloru.