“雙模態”DPF的技術原理及應用

文/陳寶強 蔣旭東

由于環保法規日益嚴格，使得柴油車DPF（Diesel Particulate Filters）柴油顆粒捕集器技術得到了市場應用。與DOC、POC、SCR等后處理技術相比，DPF對柴油顆粒物的凈化最為有效、直接，可減少發動機產生的碳煙顆粒達90%以上。

在歐洲，“歐盟”排放限制自從1993開始實施，隨后逐漸加強了對在道路上行駛的各種車輛所產生污染物的限制。2014年起，開始強制實行歐 6 排放標準，這是迄今為止最嚴厲的限制。

我國預計在2020年實現非道路車輛國四排放的要求，所有這些都意味著整車制造商必須不斷地減少車輛排放的各類污染物，特別是PM顆粒物。為了做到這一點，制造商把各種不同的技術綜合地應用到發動機的排氣系統中去。以下是對DPF技術的主要組成部件的介紹。

一、DOC——柴油機氧化催化器

也有人稱它是催化氧化轉換器或者Cat。該裝置把CO和未燒完全的HC進一步氧化，使其轉換成二氧化碳和水。過程是讓廢氣流過貴重金屬催化器從而引發化學反應。由于化學反應的發生依賴廢氣的高溫熱量，所以在發動機剛被啟動時它們效果不是特別明顯。

二、DPF——柴油顆粒過濾器，是Diesel Particulate Filter（柴油顆粒過濾器）的簡稱

DPF是一種安裝于柴油發動機系統中的陶瓷過濾器，利用過濾提對發動機尾氣排放過程中的碳顆粒物進行物理過濾，DPF對柴油顆粒物的凈化最為有效，可減少發動機產生的碳顆粒物達90%以上。缺點是需定期對過濾器內的沉積進行清除。這個裝置把碳顆粒煙塵和其它固體顆粒通過過濾從廢氣中除去，然后儲存起來，一直到把它們使用化學反應的方式燒盡為止。

三、DPF的工作原理

DPF的濾芯通常由陶瓷材料制成，盡管在一些應用中也有用燒結的金屬結構和一次性紙質結構。它們安裝在排氣系統的下游來捕獲有害的碳顆粒煙塵。在典型的設計中，它們由若干狹窄的通道組成，以交替的方式開通 （見圖1）。這種”壁流式”設計能讓廢氣通過，但是能阻止廢氣中的碳顆粒煙塵通過，從而達到過濾的效果。超過 90% 的顆粒可以用這種方式被去掉。

然而，被捕獲的碳顆粒煙塵會很快在DPF里積留起來，因此需要被定期燒掉，燒掉碳顆粒煙塵的這一過程被稱為再生。再生可以是“被動式”的，即利用催化劑和廢氣的正常熱量，也可以是“主動式”的，即通過發動機管理、向廢氣中噴射額外的燃料、加熱DPF或其它方法以提高廢氣的溫度。

圖1 DPF工作示意圖

其中被動再生DPF技術已經在柴油發動機領域被廣泛應用，主要原因是產品價格相對于主動再生DPF有明顯的優勢。但這種被動再生DPF技術應用在非道路低排溫的柴油機領域（在低排溫250度以內時，DOC貴金屬無法實現充分化學反應，DPF會堵塞），特別是叉車等地附加值產品因排溫太低，如不采取主動再生DPF技術，會引起DPF凈化器產品的壓力持續上升，最終導致DPF堵塞而失效，進一步引起發動機的損壞。

圖2 雙模態DPF工作示意圖

目前，可以使用雙模態DPF技術解決這種低溫下的DPF堵塞，此類產品在被動再生DPF基礎上增加超壓動力閥，使得整個產品在使用過程中具有兩種狀態。雙模態DPF是在排氣被壓允許值內以DPF狀態捕捉柴油顆粒物PM超出排氣背壓限值則是POC狀態工作，超壓部分的壓力會打開超壓動力閥閥門，使得多于碳煙PM排除排氣系統，從根本上防止DPF的堵塞。見左下圖：

借鑒國際汽車行業先進雙模態消音器設計基礎上研發的雙模態DPF產品，既滿足對柴油機械尾氣顆粒的高效捕捉又能避免因低溫DOC無法化學反應導致DPF的堵塞，進而造成產品的損壞。

在DPF載體的中心位置預先挖出一個圓形的沉槽，并使用超壓動力閥預先封死。這樣在排氣背壓允許值內時是以DPF狀態捕捉柴油顆粒物PM，超壓動力閥（圖②）在超壓動力閥壓簧（圖③）的作用壓力下處于關閉狀態，此時車輛尾氣通過DPF內側壁的毛細微孔，柴油顆粒物PM被阻隔在DPF內腔，達到過濾顆粒物的物理效果。

通過顆粒物的不斷累積，達到了DPF載體上動力安全閥設定的壓力值時，動力安全閥閥門（圖②）會克服動力閥壓簧（圖③）的壓力，閥門被迫打開，產品以POC模式進行工作，進而使得多余碳煙PM排出排氣系統，從根本上防止DPF的堵塞。

當產品處于POC模式下工作時，用戶需及時對產品拆卸進行人工清理，使得產品從POC模式下再次轉變成DPF模式下。POC狀態下即便用戶偶爾疏忽了清理，也不會出現DPF產品整體技術路線的失敗。由于DPF內部壓力低，PM顆粒物可以輕易地被高壓氣體反吹出來，實現有效清理。

被動再生模式下，低排溫條件下DPF的再生處理周期由過去每個工作班都需要對DPF進行一次倒吹清理，延長到雙模態DPF下的15個工作班才清理一次（針對國三非道路柴油機械），周期延長了15倍，大大降低了設備維護的時間成本。

“雙模態”DPF對設備使用成本的降低更為明顯。以往，在低排溫條件下每2周連續使用就需要更換一套DPF總成產品，導致數千元DPF總成產品以及上萬元的發動機損失，而雙模態DPF產品則可以完全避免。

該雙模態DPF已經在國內成功安裝叁百余套產品（在北京地區超過100余套產品的應用），大部分用戶反饋使用2年后仍效果如初，驗證了這種低成本柴油機械顆粒物解決方案的可行性。