DPF柴油車(chē)面臨的主要技術(shù)問(wèn)題及解決方案研究

伍賽特

(上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，上海 200438)

0 引言

顆粒捕集器(DPF)是柴油車(chē)上配置的用于消除顆粒(PM)的后處理裝置。柴油車(chē)排氣系統(tǒng)安裝DPF之后，排氣背壓將會(huì)隨之升高。如果在DPF工作過(guò)程中，無(wú)法及時(shí)清除過(guò)濾的PM，則隨著DPF 上PM沉積量的增加，排氣背壓將會(huì)迅速增大，嚴(yán)重影響柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能[1-2]。

目前常用的有效消除DPF 上沉積PM的方法是氧化燃燒法，但會(huì)在DPF濾芯上留下灰分等沉積物。同時(shí)如果使用不當(dāng)，還可能導(dǎo)致DPF 濾芯高溫?zé)鸦蛉刍?，DPF的過(guò)濾性能將會(huì)迅速下降甚至喪失。因此，安裝DPF后車(chē)輛的性能、使用要求等將發(fā)生變化，本文作者詳細(xì)介紹了DPF柴油車(chē)行駛和使用過(guò)程存在的主要問(wèn)題，并提出了相應(yīng)解決方案。

1 DPF 柴油車(chē)面臨的主要問(wèn)題

1.1 受排氣溫度的影響

車(chē)輛處于市區(qū)工況下，DPF 中的PM通常難以著火及燃燒。而隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)，儲(chǔ)存在容積有限的過(guò)濾器上的PM數(shù)量會(huì)不斷沉積增多[3]。如果排氣溫度足夠高或沉積的PM極易被氧化，則沉積的PM會(huì)被氧化并排入大氣。

但是在常用市區(qū)工況下，柴油機(jī)排氣溫度低，而DPF 中PM的點(diǎn)燃溫度較高、氧化燃燒慢，即使被引燃，中、小負(fù)荷下的PM 也難以被完全燃燒，僅有大約85%的PM可被氧化成CO2氣體，其余部分因缺氧而無(wú)法完全燃燒，以CO的形式排出。

在怠速工況時(shí)排氣溫度低于150 ℃，柴油機(jī)在低速、低負(fù)荷工況時(shí)排氣溫度也較低，常用工況范圍的排氣總管出口附近的排氣溫度在250～450 ℃?？梢?jiàn)，在常用工況下很難達(dá)到PM被氧化所需的600 ℃以上的高溫。僅在高速、高負(fù)荷工況，排氣溫度可以達(dá)到該指標(biāo)，且可以較快地氧化燃燒掉過(guò)濾出的PM。排氣溫度受到柴油機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工況和使用條件等影響，相對(duì)PM氧化所需的600 ℃以上的高溫而言，普通柴油機(jī)常用工況下難以達(dá)到。

1.2 受排氣背壓的影響

排氣背壓逐步增大，柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能會(huì)相應(yīng)惡化，當(dāng)車(chē)輛安裝DPF 后，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓逐漸增大，發(fā)動(dòng)機(jī)性能會(huì)受到影響。隨著PM堆積量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓會(huì)快速增大，而當(dāng)再生過(guò)程控制不當(dāng)時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)部分孔道堵塞的情況。

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓增大或部分孔道堵塞的結(jié)果是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣不暢，進(jìn)氣量減少，缸內(nèi)混合氣中殘余廢氣量增加，燃燒速率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能惡化[4]。由于市區(qū)常用工況下DPF 中的PM無(wú)法被充分氧化燃燒，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致排氣壓力(背壓)增加，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生多方面影響，如增加排氣功率消耗、降低增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管壓力、影響氣缸掃氣和燃燒、導(dǎo)致渦輪增壓器故障等。

背壓增加后，首先可能會(huì)影響渦輪增壓器的性能，使進(jìn)入缸內(nèi)空氣量減少，氣缸(特別是自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī))內(nèi)殘余氣體增加，混合氣的空燃比減小，發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能惡化。但由于氣缸內(nèi)殘余氣體增加，相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)采用了內(nèi)部廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)，故可以輕微減少NOx排放量，安裝DPF 系統(tǒng)可減少2%～3% 的NOx排放。其次會(huì)額外增加發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮、排氣的機(jī)械功或能量，還會(huì)影響廢氣渦輪增壓氣發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管壓力，導(dǎo)致油耗、PM排放、CO排放和排氣溫度增加。排氣溫度的增加會(huì)導(dǎo)致排氣門(mén)和渦輪增壓器過(guò)熱以及發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷增加，并可能引起NOx排放量的增加。

除此之外，背壓增加可能會(huì)影響渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑油和冷卻介質(zhì)正常工作，特別是排氣背壓過(guò)高時(shí)，可能導(dǎo)致渦輪增壓器的密封失效，導(dǎo)致潤(rùn)滑油泄漏到排氣系統(tǒng)。對(duì)DPF 或其他催化劑系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，潤(rùn)滑油泄漏也會(huì)導(dǎo)致催化劑失去活性或中毒等。排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有重要影響，這一點(diǎn)已通過(guò)大量研究被證實(shí)。

1.3 車(chē)輛控制及操作復(fù)雜

從DPF系統(tǒng)的組成及工作原理可知，對(duì)配裝有DPF的車(chē)輛進(jìn)行控制，需根據(jù)車(chē)輛行駛工況、排氣溫度、DPF壓降(或PM過(guò)濾量)等控制DPF 再生。

在車(chē)輛加速或較大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，缸內(nèi)燃燒的燃料多、排氣溫度高。通常當(dāng)排氣溫度超過(guò)350 ℃時(shí)，DPF便可進(jìn)行被動(dòng)再生，采用氧化燃燒方式清除掉之前由DPF 捕集的PM。如果過(guò)濾器PM負(fù)載量達(dá)到一定限值，壓降傳感器信號(hào)達(dá)到閾值，DPF系統(tǒng)便開(kāi)始主動(dòng)再生，進(jìn)行自我清潔循環(huán)。

在正常發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中，向發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)噴射燃油，噴射的燃油蒸發(fā)并進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)歧管出口的DPF，把排氣溫度提高至600～650 ℃，高溫燃?xì)饧纯梢贾坝蒁PF捕集的PM，DPF系統(tǒng)即開(kāi)始主動(dòng)再生。

當(dāng)車(chē)輛在進(jìn)行再生循環(huán)時(shí)，ECU將會(huì)適當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和怠速轉(zhuǎn)速。如果此時(shí)主動(dòng)使發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，DPF則會(huì)繼續(xù)進(jìn)行再生[5]。

另外，安裝DPF的車(chē)輛通常會(huì)增加DPF 性能顯示裝置及手動(dòng)再生開(kāi)關(guān)等。在車(chē)輛正常行駛時(shí)，DPF的再生控制系統(tǒng)則采用自動(dòng)再生工作模式，自動(dòng)清除DPF中捕集的PM。但DPF 自動(dòng)再生時(shí)對(duì)排氣溫度及行駛時(shí)間等有要求，如車(chē)輛需以80 km/h 左右的速度行駛15 min等。

當(dāng)車(chē)輛在長(zhǎng)時(shí)間低速行駛、發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁重復(fù)啟動(dòng)及停機(jī)等特殊條件下使用時(shí)，排氣溫度及高溫持續(xù)時(shí)間無(wú)法滿(mǎn)足自動(dòng)再生的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 控制的自動(dòng)再生系統(tǒng)無(wú)法正常工作， DPF 系統(tǒng)顯示裝置的再生指示燈就會(huì)點(diǎn)亮。

為了防止過(guò)多堆積PM，車(chē)輛的DPF 系統(tǒng)一般會(huì)設(shè)置一個(gè)“手動(dòng)再生開(kāi)關(guān)”，當(dāng)該開(kāi)關(guān)處于“ON”的位置時(shí)，在車(chē)輛停止時(shí)DPF 系統(tǒng)也可以清除DPF上沉積的PM，這種再生方式被稱(chēng)為手動(dòng)再生。以此可說(shuō)明配裝有DPF車(chē)輛的技術(shù)操作比傳統(tǒng)車(chē)輛更加復(fù)雜。

1.4 使用條件要求高

當(dāng)車(chē)輛配裝有DPF 后，其使用條件要求變高，包括車(chē)輛使用燃料和潤(rùn)滑油中硫、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和標(biāo)號(hào)等。當(dāng)再生過(guò)程開(kāi)始后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速需高于怠速轉(zhuǎn)速。

DPF所需的再生轉(zhuǎn)速及時(shí)間隨車(chē)型及制造商的不同而存在差異，再生時(shí)DPF 指示器點(diǎn)亮，而當(dāng)再生過(guò)程結(jié)束后指示器熄滅。一般由于再生過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，釋放熱量較高，當(dāng)DPF 工作于再生模式時(shí)，車(chē)輛不宜停放在涂裝路面、植物旁、通風(fēng)不良處和易燃物品附近等。

1.5 車(chē)輛使用及維護(hù)費(fèi)用增加

DPF裝置對(duì)過(guò)濾體材料要求高，同時(shí)需要溫度、壓力等監(jiān)測(cè)和再生裝置及其控制系統(tǒng)等，其研發(fā)和制造成本不言而喻。另外，當(dāng)DPF 配裝于車(chē)輛時(shí)，還需要增加車(chē)載的控制(如手動(dòng)再生控制開(kāi)關(guān))及顯示裝置等，會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛成本的增加。

增加車(chē)載DPF系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致排氣背壓增加，進(jìn)而引起燃油消耗量增加。采用主動(dòng)再生方式的DPF系統(tǒng)，會(huì)增加額外的能耗，其結(jié)果必然是車(chē)輛的能耗費(fèi)用隨之增加。DPF 系統(tǒng)的增加還會(huì)使車(chē)輛的故障率增加，如再生操作不當(dāng)導(dǎo)致DPF濾芯材料軟化、局部因高溫熔粘及產(chǎn)生裂紋等損壞現(xiàn)象。

若駕駛模式不當(dāng)或使用劣質(zhì)燃料時(shí)，會(huì)導(dǎo)致PM及灰分沉積量過(guò)大，如果發(fā)生此種現(xiàn)象就會(huì)產(chǎn)生額外維護(hù)費(fèi)用。特別值得一提的是DPF 長(zhǎng)期使用后在其過(guò)濾壁面形成的灰分沉積問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒中產(chǎn)生的金屬氧化物，將會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排氣排出。由于排氣溫度的逐步降低，燃燒過(guò)程生成的金屬氧化物等在排氣排出過(guò)程中會(huì)形成灰分[6-7]?；曳峙c排氣中的碳煙PM一起沉積于過(guò)濾器壁面形成PM過(guò)濾層。

當(dāng)DPF 再生時(shí)PM 會(huì)發(fā)生氧化和燃燒反應(yīng)，混雜在PM過(guò)濾層中的灰分前體物將會(huì)團(tuán)聚和表面增長(zhǎng)，灰分濃度越大，則灰分PM團(tuán)聚和生長(zhǎng)速度越快。再生結(jié)束后，這些團(tuán)聚狀的灰分便沉積于過(guò)濾壁面。

隨著車(chē)輛使用時(shí)間增長(zhǎng)和DPF 反復(fù)再生，每次再生沉積于過(guò)濾壁面的微量灰分經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累后便形成DPF 過(guò)濾壁面上的灰分沉積層。沉積層的厚度隨著車(chē)輛行駛里程的增加而增加，灰分沉積層增大了氣體流過(guò)壁面的阻力、減少了DPF有效過(guò)濾面積，影響PM的沉積和分布。進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓增加、使得DPF的催化劑性能喪失，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性惡化和過(guò)濾器堵塞、壽命縮短。

DPF再生時(shí)產(chǎn)生的灰分沉積物會(huì)導(dǎo)致DPF 性能下降，最終使車(chē)輛無(wú)法正常行駛。因此，必須采取專(zhuān)用設(shè)備定期(一般行駛約2×105km 后)消除灰分沉積層，故配裝有DPF的車(chē)輛，其維護(hù)費(fèi)用高于普通車(chē)輛。

DPF過(guò)濾壁面上的灰分沉積層的形成速度與DPF 的再生方式及使用的燃料、潤(rùn)滑油品質(zhì)密切相關(guān)。采用主動(dòng)再生和被動(dòng)再生2種不同再生方式的DPF，其表面的灰分形態(tài)和分布相差甚大，被動(dòng)再生DPF 的入口、中間和出口截面均有明顯的灰分沉積物，接近封堵的出口附近已完全被灰分沉積物堵塞[8]。

燃料和潤(rùn)滑油中硫、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)DPF 的灰分沉積影響極大。當(dāng)使用普通柴油和柴油機(jī)油時(shí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用后，反復(fù)多次再生過(guò)程，會(huì)在過(guò)濾體材料表面產(chǎn)生灰分沉積、產(chǎn)生多種灰分沉積物。

DPF再生時(shí)產(chǎn)生的灰分沉積物不僅導(dǎo)致DPF 性能下降，由于必須采取專(zhuān)用設(shè)備定期清除，故還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生額外的維護(hù)費(fèi)用。

2 針對(duì)DPF 柴油車(chē)存在問(wèn)題的解決方案

從上述DPF 對(duì)柴油機(jī)性能的影響和常用柴油機(jī)工況排氣溫度低的角度來(lái)看，在常用的柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，DPF上收集的PM無(wú)法自燃及氧化，只能不斷堆積，直至排氣背壓大到柴油機(jī)無(wú)法正常工作。另外，當(dāng)PM被點(diǎn)燃后，溫度容易過(guò)高，損傷或燒壞過(guò)濾器濾芯，使DPF起不到充分凈化PM的作用。

總之，與傳統(tǒng)柴油車(chē)相比，柴油車(chē)排氣系統(tǒng)安裝DPF之后，使用中存在的主要問(wèn)題可歸納為2個(gè)方面:

(1)PM沉積量的增加引起的背壓升高所導(dǎo)致的柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能惡化問(wèn)題。

(2)清除PM(再生)時(shí)產(chǎn)生的高溫及灰分團(tuán)聚等導(dǎo)致的DPF 性能惡化和對(duì)車(chē)輛使用要求的提高。

針對(duì)背壓升高問(wèn)題，在針對(duì)具體柴油車(chē)進(jìn)行匹配時(shí)，應(yīng)盡量選用流動(dòng)阻力低、PM負(fù)載量高的DPF，并且該類(lèi)DPF 裝置應(yīng)配裝有再生裝置。再生裝置應(yīng)具有點(diǎn)燃沉積在過(guò)濾壁面上PM的功能，可及時(shí)清除DPF濾芯上的PM，避免背壓上升過(guò)高。

實(shí)現(xiàn)再生后，可使DPF 的壓降恢復(fù)到或接近使用初期狀態(tài)。因此，可以說(shuō)DPF的再生性能決定了其能否成功應(yīng)用。DPF再生時(shí)面臨的高溫問(wèn)題，可通過(guò)DPF控制策略?xún)?yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和濾芯材料選擇等方法解決。

在制定DPF再生控制策略時(shí)，再生時(shí)刻選擇需要優(yōu)化，以避免出現(xiàn)PM沉積量過(guò)多，因再生產(chǎn)生熱量過(guò)多出現(xiàn)溫度過(guò)高現(xiàn)象。

在進(jìn)行DPF 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用PM分布均勻性好的DPF 結(jié)構(gòu)，充分考慮再生時(shí)的散熱問(wèn)題，避免局部過(guò)熱導(dǎo)致DPF結(jié)構(gòu)損壞。

同時(shí)在選擇濾芯材料時(shí)，在過(guò)濾性能及壓降等指標(biāo)相近的情況下，應(yīng)盡量選擇高熔點(diǎn)的耐高溫濾芯材料。

由于DPF再生時(shí)灰分團(tuán)聚的產(chǎn)生與DPF 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用條件及柴油和潤(rùn)滑油品質(zhì)等密切相關(guān)，DPF 過(guò)濾材料表面灰分沉積問(wèn)題的主要對(duì)策有2個(gè):

(1)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用灰分清除設(shè)備，及時(shí)清除灰分沉積。

(2)使用低硫、低灰分柴油和潤(rùn)滑油，減少灰分產(chǎn)生量。

3 結(jié)論及展望

即便存在一系列技術(shù)問(wèn)題，但不可否認(rèn)DPF依然是當(dāng)前用于柴油車(chē)的有效減少PM排放的后處理裝置。為此需依據(jù)車(chē)型特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)DPF參數(shù)匹配，以解決相應(yīng)的問(wèn)題。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷完善及優(yōu)化，DPF必將會(huì)在柴油車(chē)領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。