DPF 再生中斷研究與驗證

賀繼齡，藍賢清，張玉香

（湖南獵豹汽車股份有限公司，湖南 長沙 410100）

為了解決柴油發(fā)動機排放顆粒物污染環(huán)境，增加DPF（Diesel Particulate Filter柴油顆粒過濾器） 是目前采用的主要方法，DPF通常安裝在DOC （Diesel Oxidation Catalyst，柴油氧化催化器） 之后，主要作用是捕獲柴油發(fā)動機里燃燒之后的顆粒排放物，防止發(fā)動機排放物污染大氣，當排放顆粒達到EMS （Engine Management System） 系統(tǒng)設定再生閾值后，激活主動再生模式將碳顆粒燒掉，EMS系統(tǒng)控制策略由正常模式切換到再生模式，采用缸內(nèi)二次再生后噴方法來提高DPF入口溫度，使其溫度達到再生臨界溫度，將其碳顆粒在催化劑條件下燃燒變成CO2和水隨尾氣排到大氣中，降低背壓，恢復DPF初始狀態(tài)，使EMS系統(tǒng)進入新的循環(huán)，DPF周而復始工作，保證車輛正常行駛。

在大多數(shù)駕駛情況下，車輛再生都能正常進行，然而當車輛較長時間在低溫環(huán)境低速行駛，或較長時間內(nèi)多次駕駛較短距離時，盡管EMS系統(tǒng)進入了再生模式，由于環(huán)境溫度低、散熱快，或者車速低，或者多次短距離行駛，或前面幾種情況疊加，DPF入口溫度難以達到再生臨界溫度；或在一個再生周期內(nèi)DPF入口溫度達到再生臨界溫度的平均時間比較短，在一個再生周期內(nèi)，DPF再生受阻，出現(xiàn)DPF再生中斷現(xiàn)象，碳載量逐漸增多，發(fā)動機背壓增高，輸出功率和扭矩逐漸降低，發(fā)動機出現(xiàn)限速限扭等情況，甚至發(fā)生DPF堵塞，出現(xiàn)發(fā)動機無法啟動等極端情況。

為了解決車輛較長時間在低溫環(huán)境低速行駛，或較長時間內(nèi)多次駕駛較短距離，DPF入口溫度沒有達到再生臨界溫度，或者達到再生臨界溫度的平均時間較短，不能實現(xiàn)再生或再生沒有完成，出現(xiàn)DPF再生中斷，不能周期性降低背壓，不能恢復DPF初始狀態(tài)的問題，需要采取下列方法來減少DPF再生中斷，甚至消除DPF再生中斷現(xiàn)象。

1 提高DPF入口溫度

1.1 加保溫套

對于分離式DOC和DPF而言，DOC出口到DPF入口通常有幾十厘米長的過渡管道，提升DPF入口溫度所需熱量都是通過DOC和幾十厘米的過渡管道傳遞來的，幾十厘米的過渡管道會將熱量散出而減緩DPF入口溫度的提升，為了快速提升DPF入口溫度，采用加保溫套的方法，即在過渡管道外加一層保溫套，使DOC產(chǎn)生的熱量和通過DOC傳遞來的熱量盡可能高效傳遞到DPF入口。保溫套的作用有2個：第1，升溫過程，由于保溫層的作用使散熱減少和變慢，從而使得升溫時間縮短，升溫速度加快；第2，保溫過程，在再生過程中，車速有變化，再生后噴和再生次后噴噴油量也有變化，由于有保溫套的作用，能夠保持DPF入口溫度波動小，提高DPF入口平均溫度，有利于DPF再生。

圖1表示在20℃環(huán)境下，加保溫套與不加保溫套DPF再生時間與DPF入口溫度關系圖。圖2表示-20℃環(huán)境下，加保溫套與不加保溫套DPF再生時間與DPF入口溫度關系圖。

圖1 20℃環(huán)境下DPF再生時間與DPF入口溫度關系圖

圖2 -20℃環(huán)境下DPF再生時間與DPF入口溫度關系圖

驗證此實驗的車輛和相關參數(shù)如下：車輛為搭載1.9L高壓共軌帶渦輪增壓柴油皮卡車，帶有配套的DOC和DPF，其中DOC到DPF的配套過渡管道長為420mm，過渡管道內(nèi)徑54.5mm，DOC和DPF之間的過渡管道包含150mm的柔性節(jié)，保溫套為3mm厚的石棉，過渡管道全部包裹一層。

從圖1和圖2可以看出：第1，無論20℃或-20℃環(huán)境下，加保溫套升溫速度比不加保溫套升溫速度快、用時少，加保溫套再生時間比不加保溫套減小20%以上；第2，加保溫套的DPF入口最高溫度比不加保溫套的最高溫度升得高；第3，由于環(huán)境溫度的差異，零下20℃的再生最高溫度低于20℃的再生最高溫度，零下20℃的再生時間長于20℃的再生時間。圖1和圖2是在道路比較平直條件下測試的。

1.2 增加再生后噴和再生次后噴噴油量

1.2.1 缸內(nèi)二次再生后噴原理

柴油車DPF再生通常采用缸內(nèi)二次后噴主動再生原理，當EMS系統(tǒng)通過DPF壓差傳感器檢測到碳載量達到正常再生閾值后且滿足再生條件時，EMS系統(tǒng)工作模式由正常工作模式轉(zhuǎn)到再生工作模式，EMS系統(tǒng)通過調(diào)整主噴和增加再生后噴和再生次后噴的方法分3個步驟來提升DPF入口溫度。第1，調(diào)整主噴提前角，即關閉EGR （Exhaust Gas Recirculation 廢氣再循環(huán)） 閥，減小主噴提前角，推后主噴來提高排氣溫度，也就是提高了DPF入口溫度；第2，增加再生后噴，在發(fā)動機做功沖程的后部分開啟再生后噴，再生后噴油量一部分在做功沖程后段時間內(nèi)燃燒，燃燒熱量隨排氣排出來提升DPF入口溫度，另一部分未完全燃燒的在DOC里發(fā)生氧化反應放出熱量來提升DPF入口溫度；第3，增加再生次后噴，在發(fā)動機排氣沖程中開啟再生次后噴，此部分油量隨排氣排到DOC里，利用再生后噴在DOC里反應產(chǎn)生的高溫和在DOC涂層上的催化劑作用下，再生次后噴油量在DOC里發(fā)生劇烈氧化反應，產(chǎn)生巨大熱量隨排氣傳遞到DPF入口，提升其入口溫度，達到再生臨界溫度或超過再生臨界溫度使其再生發(fā)生和完成。缸內(nèi)二次后噴法不需要增加硬件，只需使用軟件就可以完成，是目前DPF主動再生普遍使用的方法之一。

1.2.2 車輛多次短距離行駛情況分析

EMS系統(tǒng)檢測到車輛較長時間內(nèi)多次駕駛距離較短時，當DPF發(fā)生再生時，利用缸內(nèi)二次再生后噴原理，適當增加再生后噴和再生次后噴油量來加速提高DPF入口溫度，提高DPF溫升時間，有利于DPF再生中斷完成或減少DPF再生中斷發(fā)生。

圖3表示車輛多次短距離行駛正常再生噴油量，DPF入口溫度與缸內(nèi)再生噴油量關系圖。圖4表示車輛多次短距離行駛增加再生噴油量，DPF入口溫度與缸內(nèi)再生噴油量關系圖。

圖3試驗的條件是20℃平原環(huán)境，EMS系統(tǒng)正常進入再生，按照正常再生后噴來處理，但每次行駛距離為3~5km，平均車速不大于40km/h，每次停車時間為5~30min，總的行駛次數(shù)為8次，行駛距離、車速、停車時間、行駛次數(shù)都盡量隨機模擬用戶情況；圖4試驗的條件和圖3相同，每次行駛距離、車速、停車時間、總的行駛次數(shù)都盡量靠近圖3的試驗數(shù)據(jù)，但DPF采用增加再生噴油量來處理；從試驗結(jié)果可以看出，圖4相對圖3，由于增加了再生后噴和再生次后噴噴油量，DPF入口溫度達到再生閾值所需時間縮短，DPF再生時間減小，DPF入口最高再生溫度提高，增加再生噴油量有利于DPF再生，降低DPF發(fā)生再生中斷的可能。

圖3 20℃短距離行駛正常噴油量再生與DPF入口溫度關系圖

圖4 20℃短距離行駛增加再生噴油量與DPF入口溫度關系圖

1.2.3 車輛處于低溫環(huán)境低速行駛情況分析

EMS系統(tǒng)檢測到車輛較長時間處于低溫環(huán)境且低速行駛時，當DPF發(fā)生再生時，由于車速低，DPF入口溫度提升難，利用缸內(nèi)二次再生后噴原理，采用增加再生后噴和再生次后噴噴油量來加速提高DPF入口溫度，加快DPF升溫，減少升溫時間，促進DPF再生完成，減少DPF中斷的發(fā)生。

圖5表示低溫環(huán)境車輛低速行駛正常再生，DPF入口溫度與缸內(nèi)再生噴油量關系圖。圖6表示低溫環(huán)境車輛低速行駛增加噴油量再生，DPF入口溫度與缸內(nèi)再生噴油量關系圖。

圖5 -20℃低溫環(huán)境車輛低速行駛正常再生噴油量與DPF入口溫度關系圖

圖5和圖6試驗的環(huán)境溫度都是-20℃，車輛低速行駛的速度控制在20~40km/h，對比圖5和圖6情況，可以看出，增加再生噴油量的情況，DPF再生的時間縮短了，DPF入口溫度升溫速度加快了，DPF入口的最高溫度增加了，這些情況都有利于加速DPF再生完成，有利于解決車輛在低溫環(huán)境低速行駛DPF再生完成，有利于減少DPF再生中斷，是完善DPF再生標定的一個方向。

2 增加手動再生開關

當系統(tǒng)自動正常再生模式和再生中斷模式都不能完整執(zhí)行或碳載量超出系統(tǒng)警示閾值，儀表盤上的DPF警示燈就會開始閃爍，提示駕駛員DPF碳載量過載，需要包括駕駛員或4S店在內(nèi)的外界干涉才能完成再生，恢復系統(tǒng)正常；如果駕駛員發(fā)現(xiàn)儀表盤上的DPF警示燈閃爍就需要將車輛駕駛到安全區(qū)域，啟動手動再生程序，來完成再生，降低碳載量、降低背壓，恢復DPF初始狀態(tài)；手動再生模式是車輛裝配了專用的按鈕開關用來啟動再生的，在條件滿足時啟動按鈕開關才有效，詳細使用情況參照車輛用戶手冊說明書進行操作。

圖6 -20℃低溫環(huán)境車輛低速行駛增加再生噴油量與DPF入口溫度關系圖

DPF警示燈閃爍表示碳載量過載了，碳載量達到了警示閾值。車輛從DPF警示燈閃爍到警示燈常亮，碳載量從警示閾值到危險閾值之間車輛行駛的距離稱為DPF警示距離，DPF警示距離與車輛負載、行駛環(huán)境和路況有關。

圖7表示20℃環(huán)境下平原地區(qū)DPF警示距離與車輛載重及工況的關系圖，車輛載重分空載、半載和滿載3種情況，車輛行駛環(huán)境和工況按市區(qū)、郊區(qū)和高速3種情況進行試驗，市區(qū)平均車速不大于40km/h，郊區(qū)平均車速不大于80km/h，高速平均車速不大于120km/h。從圖7可以看出無論哪種工況，載重越重警示距離越短，從高速、郊區(qū)、市區(qū)工況或車速看，工況復雜或車速越低，警示距離越短。

DPF警示燈閃爍到常亮過程中，駕駛員都可以按照相應的操作手冊使用手動再生開關模式來啟動手動再生功能，進行DPF再生，使DPF恢復初始狀態(tài)。手動再生模式通常都有專用的按鈕開關和專門的操作方法，駕駛員都可以按照說明進行。

圖7 DPF警示距離與車輛載重及工況的關系圖

圖8表示20℃平原地區(qū)下，過載碳載量與手動再生時間關系圖。圖中測試了3個過載碳載量的手動再生時間，試驗先把DPF碳載量累積到25g，觀察到DPF警示燈閃爍，按照車輛手動再生模式操作方法進行手動再生操作，啟動再生，經(jīng)歷再生周期，碳載量恢復到零，DPF警示燈停止閃爍，車輛恢復正常行駛；然后按照此方法分2次將碳載量累積到30g和35g進行手動再生模式驗證，都能順利啟動再生模式，順利完成再生，恢復DPF初態(tài)，說明手動再生模式有效。

圖8 過載碳載量與手動再生時間關系圖

手動再生操作使用的情況是小概率事件，但也是用戶能夠操作的唯一和最后的方法，如果儀表盤上的DPF警示燈閃爍期間駕駛員未能處理，當碳載量達到危險閾值時，DPF警示燈轉(zhuǎn)為常亮，且OBD燈同時點亮，此時DPF積碳已觸發(fā)危險閾值，EMS系統(tǒng)為了保護DPF及整車安全，自動再生模式和手動再生開關模式關閉，車輛出現(xiàn)限速限扭現(xiàn)象，駕駛員應立即到就近的4S店獲取幫助來處理DPF再生問題，否則可能造成車輛停駛，發(fā)動機停啟等嚴重后果。

3 結(jié)論

DPF再生中斷是一種異常情況，從理論上講應該杜絕此種情況發(fā)生，但實際中存在此現(xiàn)象，特別是目前市面上帶DPF的國Ⅴ柴油車，出現(xiàn)DPF中斷現(xiàn)象，甚至DPF堵塞發(fā)生。究其原因，理論與實際存在差距，車輛工況復雜多變，控制策略存在不足，標定不完善，通常都沒有增設手動再生開關，對一些特別的工況考慮欠佳，如車輛較長時間在低溫環(huán)境低速行駛，較長時間多次短距離行駛，DPF雖能自動進入再生模式，但由于DPF入口溫度難以達到再生閾值溫度或在一個再生周期內(nèi)達到再生閾值溫度的平均時間較短，導致DPF再生不能完成，由于各種異常工況疊加導致DPF積碳超過警示閾值或危險閾值而使車輛出現(xiàn)限速限扭等情況；隨著DPF控制策略的完善，在特殊區(qū)域增加保溫套、在特殊情況工況下增加再生噴油量、增加手動再生開關等方法來解決DPF再生中斷問題，降低了DPF出現(xiàn)異常情況的幾率，使車輛出現(xiàn)限速限扭、停駛等嚴重事件成為小概率事件。