李會(huì)，徐秀，楊含笑，孫寧輝，王強(qiáng)，夏浩

重型柴油車DPF工作原理及再生邏輯研究

李會(huì)，徐秀，楊含笑，孫寧輝，王強(qiáng)，夏浩

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

壁流式DPF因其特殊的結(jié)構(gòu)，已成為重型柴油機(jī)國(guó)VI階段降低顆粒物排放的主要措施，文章通過(guò)研究DPF結(jié)構(gòu)、工作原理、DPF各階段再生的反應(yīng)機(jī)理以及控制邏輯，為相關(guān)從業(yè)人士提供參考。

DPF；后處理器；工作原理；控制邏輯

前言

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)因其擁有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用，我國(guó)幾乎所有的重型車均使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。而同時(shí)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放尾氣中的顆粒物卻構(gòu)成了城市霧霾的主要來(lái)源。GB 17691第VI階段的法規(guī)要求在標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)下顆粒物排放小于0.01g/kwh，這項(xiàng)要求比國(guó)V標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)50%以上，同時(shí)對(duì)顆粒物排放數(shù)量提出了嚴(yán)格的要求。在如此嚴(yán)苛的要求標(biāo)準(zhǔn)之下，發(fā)動(dòng)機(jī)廠家為滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，后處理技術(shù)在國(guó)V的基礎(chǔ)上必須增加顆粒過(guò)濾器（DPF）來(lái)滿足法規(guī)對(duì)顆粒物排放的要求。DPF對(duì)尾氣顆粒的過(guò)濾效率可以達(dá)到95%以上，但是隨著DPF中顆粒物的積累，會(huì)造成排氣背壓的升高，進(jìn)而對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性以及動(dòng)力性產(chǎn)生不利影響。有必要研究DPF的工作原理及再生策略，以更加高效地凈化尾氣和消除DPF中的積碳對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。

1 工作原理

國(guó)VI階段，市場(chǎng)上主流的顆粒過(guò)濾器為壁流式顆粒過(guò)濾器，結(jié)構(gòu)示意如圖 1。該結(jié)構(gòu)用類似于網(wǎng)袋形式，在氣流的入口端敞開(kāi)，在氣流的出口端封閉，而相鄰的通道正好相反，氣流從入口端進(jìn)入通道后，只能透過(guò)通道的壁面從相鄰的通道排出，如此，通過(guò)了尾氣，截留了尾氣中的顆粒。DPF過(guò)濾廢氣中顆粒物的能力與其材料、孔隙率、壁厚等有關(guān)系。為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)DPF中的積碳量，在DPF兩端裝有壓差傳感器，該傳感器通過(guò)捕獲DPF兩端壓力差信號(hào)，然后將該信號(hào)發(fā)送給ECU來(lái)判斷DPF內(nèi)部的積碳情況。

隨著DPF內(nèi)部積碳的增加，DPF兩端壓力差也會(huì)隨之增大，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)排氣系統(tǒng)背壓的升高，這將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。這就需要通過(guò)再生把DPF中的積碳清除掉。再生是通過(guò)各種化學(xué)反應(yīng)將DPF中的積碳消除，同時(shí)，再生需要在適宜的溫度下進(jìn)行，為了降低這種再生的溫度，DPF載體涂覆有催化劑涂層。同時(shí)，DPF的再生離不開(kāi)DOC的輔助作用，而這個(gè)輔助作用主要有兩點(diǎn)：（1）為DPF供應(yīng)NO2；（2）為DPF提供熱量。

DPF的再生是根據(jù)碳載量的不同和車況分級(jí)逐步進(jìn)行的，順序依次是：被動(dòng)再生、行車再生、駐車再生、服務(wù)再生。

圖1 壁流式顆粒過(guò)濾器示意

2 被動(dòng)再生

先來(lái)看一下何為被動(dòng)再生：尾氣進(jìn)入后處理器以后，DOC將廢氣中的NO氧化成NO2，NO2分子鍵在較低溫度（250℃左右）下可將DPF中被捕捉到的C顆粒氧化生成CO2，反應(yīng)如下：

DOC中：2+→2

DPF中：2+→2+X

DPF再生策略要求，在正常使用工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度能夠達(dá)到250℃以上，DPF可以自發(fā)完成上述被動(dòng)再生。被動(dòng)再生是DPF再生策略中最為簡(jiǎn)單、也最為常見(jiàn)的形式，不需要電控系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)HC噴射系統(tǒng)的參與。

3 行車再生

行車再生和駐車再生都屬于主動(dòng)再生，發(fā)生主動(dòng)再生時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU控制HC噴射系統(tǒng)為后處理器提HC。給予后處理器HC的方式一般有發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)后噴，例如康明斯、玉柴，還有一種是利用布置于排氣管上的HC噴嘴進(jìn)行燃油噴射，例如奔馳。HC進(jìn)入后處理器后，首先在DOC中將HC氧化為CO2和H2O，并釋放出大量熱量。該熱量可使DPF中的C與O2發(fā)生反應(yīng)生成CO2，從而起到消除積碳的作用，整個(gè)過(guò)程反應(yīng)如下：

DOC中：+2→2+2+熱量

DPF中：+2+熱量→2++熱量

DPF再生策略要求，當(dāng)車輛長(zhǎng)期運(yùn)行在輕載低速工況下，或者車輛頻繁啟停，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度長(zhǎng)時(shí)間低于250℃，后處理器長(zhǎng)時(shí)間不具備有效的被動(dòng)再生條件，DPF內(nèi)的積碳越來(lái)越多，兩端的壓差也隨之升高。壓差傳感器將監(jiān)測(cè)到的壓差信號(hào)傳遞給ECU，ECU控制HC噴射系統(tǒng)噴射HC來(lái)觸發(fā)主動(dòng)再生。觸發(fā)主動(dòng)再生的條件有：（1）DPF兩端壓差達(dá)到設(shè)定值；（2）車輛行駛里程、運(yùn)行時(shí)間達(dá)到設(shè)定值。其中，DPF壓差是能夠反映DPF載體積碳情況最真實(shí)的指標(biāo)。但為了保護(hù)后處理器，我們給DPF主動(dòng)再生設(shè)定了一個(gè)安全閾值，即通過(guò)檢測(cè)車輛行駛里程和運(yùn)行時(shí)間這兩項(xiàng)參數(shù)來(lái)對(duì)DPF進(jìn)行定期再生，這個(gè)設(shè)置類似于我們車輛日常的定期保養(yǎng)。

發(fā)生行車再生時(shí)，DPF內(nèi)部溫度可能達(dá)到600℃以上，為了保證行車安全，DPF再生控制會(huì)點(diǎn)亮儀表高排溫指示燈，如圖 2所示，來(lái)提示駕駛員，不要此時(shí)將車駛?cè)爰佑驼?、多粉塵等危險(xiǎn)區(qū)域。再生過(guò)程大約持續(xù)20到30分鐘，不需要駕駛員進(jìn)行任何操作，為盡可能保證再生過(guò)程的完整性，防止對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)造成不利影響，建議待高排溫指示燈熄滅后方可停車熄火。一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)已做好充足的風(fēng)險(xiǎn)管控，如遇特殊或緊急情況需停車時(shí)可正常執(zhí)行，但應(yīng)盡力避免。

圖2 高排溫指示燈

4 駐車再生

在某些特殊工況下，例如，車輛更長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行在輕載低速工況，或者長(zhǎng)時(shí)間得不到有效的行車再生。隨著DPF碳載量的增加，DPF主動(dòng)再生所消耗的HC將會(huì)更多，再生時(shí)的溫度也將更高，主動(dòng)再生持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，如果繼續(xù)進(jìn)行行車再生將存在安全隱患。這時(shí)，DPF再生指示燈會(huì)點(diǎn)亮，排放故障燈也會(huì)根據(jù)積碳量的程度點(diǎn)亮，如圖3、圖4。出現(xiàn)這個(gè)信號(hào)，駕駛員必須找到一個(gè)安全的位置按要求進(jìn)行駐車再生。駐車再生時(shí)，DOC、DPF內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)同行車再生。再生過(guò)程會(huì)使DPF內(nèi)的積碳情況持續(xù)40-60分鐘，再生過(guò)程中應(yīng)注意車輛排氣系統(tǒng)附近有無(wú)可燃物，應(yīng)避免靠近或觸摸排氣系統(tǒng)，車輛勿駛?cè)爰佑驼炯岸喾蹓m等易燃易爆場(chǎng)所。

圖3 DPF再生指示燈

圖4 排放故障指示燈

5 服務(wù)再生

如果車輛長(zhǎng)時(shí)間得不到有效的駐車再生，DPF碳載量達(dá)到一定限值以后， DPF已經(jīng)不適合進(jìn)行主動(dòng)再生，DPF再生控制會(huì)點(diǎn)亮發(fā)動(dòng)機(jī)紅色故障燈，如圖5所示，這時(shí)應(yīng)立即熄火，并尋求服務(wù)站的幫助，將DPF拆卸進(jìn)行清灰以及維護(hù)保養(yǎng)處理后，車輛方可恢復(fù)正常駕駛行為。

圖5 關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)指示燈

6 再生禁止

考慮到車輛的特殊使用需求，如駛?cè)爰佑驼炯岸喾蹓m場(chǎng)所等易燃易爆場(chǎng)所，駕駛員需提前主動(dòng)按下再生禁止按鈕，再生禁止功能被觸發(fā)，儀表DPF禁止再生指示燈點(diǎn)亮。車輛駛出易燃易爆場(chǎng)所后，再次按下開(kāi)關(guān)，禁止再生指示燈熄滅，說(shuō)明再生功能恢復(fù)正常。

7 DPF維護(hù)

由于機(jī)油添加劑的使用，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中還含有一些灰分，這些灰分也將被DPF所過(guò)濾，再生只能消除DPF中的積碳，而不能消除灰分，灰分的累積也會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)性能的下降，這時(shí)只能通過(guò)DPF定期保養(yǎng)維護(hù)進(jìn)行清灰處理。維護(hù)周期根據(jù)各廠家具體情況不同而存在差異，通常是20-50萬(wàn)公里。

8 結(jié)論

DPF的再生控制是通過(guò)檢測(cè)由碳載量不同引起的DPF兩端壓力差信號(hào)來(lái)判斷是否需要再生及采用何種再生方式，這是一個(gè)多系統(tǒng)參與的智能、精確的控制過(guò)程。再生控制策略以車輛安全為前提，盡量減少駕駛員的參與，方便用戶使用。

Research on DPF Working Principle and Regeneration Logic of Heavy Duty Vehicles

Li Hui, Xu Xiu, Yang Hanxiao, Sun Ninghui, Wang Qiang, Xia Hao

( Shaanxi Automobile Holding Group Co. Ltd, Shaanxi Xi’an 710200 )

Because of the special structure of Wall-Flow DPF,it is the most important measure to reduce Particle Emission during China VI Emission Standard of Heavy Duty Vehicles, through the study of DPF structures,Working Principle,each stage of reactionmechanism of DPF Regeneration and Control Logic, to provide references to relevant practitioners.

DPF; Aftertreatment device; Working principle; Control logic

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.066

U461.99

B

1671-7988(2021)02-207-03

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1671-7988(2021)02-207-03

李會(huì)，就職于陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，研究方向：車輛排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。