DPF柴油車面臨的主要技術問題及解決方案研究

伍賽特

(上海汽車集團股份有限公司，上海 200438)

0 引言

顆粒捕集器(DPF)是柴油車上配置的用于消除顆粒(PM)的后處理裝置。柴油車排氣系統安裝DPF之后，排氣背壓將會隨之升高。如果在DPF工作過程中，無法及時清除過濾的PM，則隨著DPF 上PM沉積量的增加，排氣背壓將會迅速增大，嚴重影響柴油機的動力性、經濟性和排放性能[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，但會在DPF濾芯上留下灰分等沉積物。同時如果使用不當，還可能導致DPF 濾芯高溫燒裂或熔化，DPF的過濾性能將會迅速下降甚至喪失。因此，安裝DPF后車輛的性能、使用要求等將發生變化，本文作者詳細介紹了DPF柴油車行駛和使用過程存在的主要問題，并提出了相應解決方案。

1 DPF 柴油車面臨的主要問題

1.1 受排氣溫度的影響

車輛處于市區工況下，DPF 中的PM通常難以著火及燃燒。而隨著使用時間增長，儲存在容積有限的過濾器上的PM數量會不斷沉積增多[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會被氧化并排入大氣。

但是在常用市區工況下，柴油機排氣溫度低，而DPF 中PM的點燃溫度較高、氧化燃燒慢，即使被引燃，中、小負荷下的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法完全燃燒，以CO的形式排出。

在怠速工況時排氣溫度低于150 ℃，柴油機在低速、低負荷工況時排氣溫度也較低，常用工況范圍的排氣總管出口附近的排氣溫度在250～450 ℃?？梢?，在常用工況下很難達到PM被氧化所需的600 ℃以上的高溫。僅在高速、高負荷工況，排氣溫度可以達到該指標，且可以較快地氧化燃燒掉過濾出的PM。排氣溫度受到柴油機結構特點、工況和使用條件等影響，相對PM氧化所需的600 ℃以上的高溫而言，普通柴油機常用工況下難以達到。

1.2 受排氣背壓的影響

排氣背壓逐步增大，柴油機動力性、經濟性和排放性能會相應惡化，當車輛安裝DPF 后，發動機排氣背壓逐漸增大，發動機性能會受到影響。隨著PM堆積量的增加，發動機排氣背壓會快速增大，而當再生過程控制不當時，甚至會出現部分孔道堵塞的情況。

發動機排氣背壓增大或部分孔道堵塞的結果是發動機排氣不暢，進氣量減少，缸內混合氣中殘余廢氣量增加，燃燒速率降低，發動機動力性、經濟性和排放性能惡化[4]。由于市區常用工況下DPF 中的PM無法被充分氧化燃燒，其結果會導致排氣壓力(背壓)增加，并對發動機性能產生多方面影響，如增加排氣功率消耗、降低增壓發動機進氣歧管壓力、影響氣缸掃氣和燃燒、導致渦輪增壓器故障等。

背壓增加后，首先可能會影響渦輪增壓器的性能，使進入缸內空氣量減少，氣缸(特別是自然吸氣發動機)內殘余氣體增加，混合氣的空燃比減小，發動機排放性能惡化。但由于氣缸內殘余氣體增加，相當于發動機采用了內部廢氣再循環(EGR)技術，故可以輕微減少NOx排放量，安裝DPF 系統可減少2%～3% 的NOx排放。其次會額外增加發動機壓縮、排氣的機械功或能量，還會影響廢氣渦輪增壓氣發動機的進氣歧管壓力，導致油耗、PM排放、CO排放和排氣溫度增加。排氣溫度的增加會導致排氣門和渦輪增壓器過熱以及發動機熱負荷增加，并可能引起NOx排放量的增加。

除此之外，背壓增加可能會影響渦輪增壓發動機的潤滑油和冷卻介質正常工作，特別是排氣背壓過高時，可能導致渦輪增壓器的密封失效，導致潤滑油泄漏到排氣系統。對DPF 或其他催化劑系統來說，潤滑油泄漏也會導致催化劑失去活性或中毒等。排氣背壓對發動機性能具有重要影響，這一點已通過大量研究被證實。

1.3 車輛控制及操作復雜

從DPF系統的組成及工作原理可知，對配裝有DPF的車輛進行控制，需根據車輛行駛工況、排氣溫度、DPF壓降(或PM過濾量)等控制DPF 再生。

在車輛加速或較大負荷運轉時，缸內燃燒的燃料多、排氣溫度高。通常當排氣溫度超過350 ℃時，DPF便可進行被動再生，采用氧化燃燒方式清除掉之前由DPF 捕集的PM。如果過濾器PM負載量達到一定限值，壓降傳感器信號達到閾值，DPF系統便開始主動再生，進行自我清潔循環。

在正常發動機燃燒過程中，向發動機缸內噴射燃油，噴射的燃油蒸發并進入發動機歧管出口的DPF，把排氣溫度提高至600～650 ℃，高溫燃氣即可引燃之前由DPF捕集的PM，DPF系統即開始主動再生。

當車輛在進行再生循環時，ECU將會適當提高發動機功率和怠速轉速。如果此時主動使發動機停止運轉，DPF則會繼續進行再生[5]。

另外，安裝DPF的車輛通常會增加DPF 性能顯示裝置及手動再生開關等。在車輛正常行駛時，DPF的再生控制系統則采用自動再生工作模式，自動清除DPF中捕集的PM。但DPF 自動再生時對排氣溫度及行駛時間等有要求，如車輛需以80 km/h 左右的速度行駛15 min等。

當車輛在長時間低速行駛、發動機頻繁重復啟動及停機等特殊條件下使用時，排氣溫度及高溫持續時間無法滿足自動再生的要求，發動機ECU 控制的自動再生系統無法正常工作， DPF 系統顯示裝置的再生指示燈就會點亮。

為了防止過多堆積PM，車輛的DPF 系統一般會設置一個“手動再生開關”，當該開關處于“ON”的位置時，在車輛停止時DPF 系統也可以清除DPF上沉積的PM，這種再生方式被稱為手動再生。以此可說明配裝有DPF車輛的技術操作比傳統車輛更加復雜。

1.4 使用條件要求高

當車輛配裝有DPF 后，其使用條件要求變高，包括車輛使用燃料和潤滑油中硫、磷的質量分數和標號等。當再生過程開始后，發動機轉速需高于怠速轉速。

DPF所需的再生轉速及時間隨車型及制造商的不同而存在差異，再生時DPF 指示器點亮，而當再生過程結束后指示器熄滅。一般由于再生過程持續時間較長，釋放熱量較高，當DPF 工作于再生模式時，車輛不宜停放在涂裝路面、植物旁、通風不良處和易燃物品附近等。

1.5 車輛使用及維護費用增加

DPF裝置對過濾體材料要求高，同時需要溫度、壓力等監測和再生裝置及其控制系統等，其研發和制造成本不言而喻。另外，當DPF 配裝于車輛時，還需要增加車載的控制(如手動再生控制開關)及顯示裝置等，會導致車輛成本的增加。

增加車載DPF系統會導致排氣背壓增加，進而引起燃油消耗量增加。采用主動再生方式的DPF系統，會增加額外的能耗，其結果必然是車輛的能耗費用隨之增加。DPF 系統的增加還會使車輛的故障率增加，如再生操作不當導致DPF濾芯材料軟化、局部因高溫熔粘及產生裂紋等損壞現象。

若駕駛模式不當或使用劣質燃料時，會導致PM及灰分沉積量過大，如果發生此種現象就會產生額外維護費用。特別值得一提的是DPF 長期使用后在其過濾壁面形成的灰分沉積問題。發動機燃燒中產生的金屬氧化物，將會隨著發動機排氣排出。由于排氣溫度的逐步降低，燃燒過程生成的金屬氧化物等在排氣排出過程中會形成灰分[6-7]?；曳峙c排氣中的碳煙PM一起沉積于過濾器壁面形成PM過濾層。

當DPF 再生時PM 會發生氧化和燃燒反應，混雜在PM過濾層中的灰分前體物將會團聚和表面增長，灰分濃度越大，則灰分PM團聚和生長速度越快。再生結束后，這些團聚狀的灰分便沉積于過濾壁面。

隨著車輛使用時間增長和DPF 反復再生，每次再生沉積于過濾壁面的微量灰分經過長期積累后便形成DPF 過濾壁面上的灰分沉積層。沉積層的厚度隨著車輛行駛里程的增加而增加，灰分沉積層增大了氣體流過壁面的阻力、減少了DPF有效過濾面積，影響PM的沉積和分布。進而導致發動機排氣背壓增加、使得DPF的催化劑性能喪失，導致發動機燃料經濟性惡化和過濾器堵塞、壽命縮短。

DPF再生時產生的灰分沉積物會導致DPF 性能下降，最終使車輛無法正常行駛。因此，必須采取專用設備定期(一般行駛約2×105km 后)消除灰分沉積層，故配裝有DPF的車輛，其維護費用高于普通車輛。

DPF過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、潤滑油品質密切相關。采用主動再生和被動再生2種不同再生方式的DPF，其表面的灰分形態和分布相差甚大，被動再生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]。

燃料和潤滑油中硫、磷的質量分數對DPF 的灰分沉積影響極大。當使用普通柴油和柴油機油時，經過長時間使用后，反復多次再生過程，會在過濾體材料表面產生灰分沉積、產生多種灰分沉積物。

DPF再生時產生的灰分沉積物不僅導致DPF 性能下降，由于必須采取專用設備定期清除，故還會導致產生額外的維護費用。

2 針對DPF 柴油車存在問題的解決方案

從上述DPF 對柴油機性能的影響和常用柴油機工況排氣溫度低的角度來看，在常用的柴油機運轉條件下，DPF上收集的PM無法自燃及氧化，只能不斷堆積，直至排氣背壓大到柴油機無法正常工作。另外，當PM被點燃后，溫度容易過高，損傷或燒壞過濾器濾芯，使DPF起不到充分凈化PM的作用。

總之，與傳統柴油車相比，柴油車排氣系統安裝DPF之后，使用中存在的主要問題可歸納為2個方面:

(1)PM沉積量的增加引起的背壓升高所導致的柴油機動力性、經濟性和排放性能惡化問題。

(2)清除PM(再生)時產生的高溫及灰分團聚等導致的DPF 性能惡化和對車輛使用要求的提高。

針對背壓升高問題，在針對具體柴油車進行匹配時，應盡量選用流動阻力低、PM負載量高的DPF，并且該類DPF 裝置應配裝有再生裝置。再生裝置應具有點燃沉積在過濾壁面上PM的功能，可及時清除DPF濾芯上的PM，避免背壓上升過高。

實現再生后，可使DPF 的壓降恢復到或接近使用初期狀態。因此，可以說DPF的再生性能決定了其能否成功應用。DPF再生時面臨的高溫問題，可通過DPF控制策略優化、結構設計和濾芯材料選擇等方法解決。

在制定DPF再生控制策略時，再生時刻選擇需要優化，以避免出現PM沉積量過多，因再生產生熱量過多出現溫度過高現象。

在進行DPF 結構設計時，應采用PM分布均勻性好的DPF 結構，充分考慮再生時的散熱問題，避免局部過熱導致DPF結構損壞。

同時在選擇濾芯材料時，在過濾性能及壓降等指標相近的情況下，應盡量選擇高熔點的耐高溫濾芯材料。

由于DPF再生時灰分團聚的產生與DPF 結構特點、使用條件及柴油和潤滑油品質等密切相關，DPF 過濾材料表面灰分沉積問題的主要對策有2個:

(1)開發專用灰分清除設備，及時清除灰分沉積。

(2)使用低硫、低灰分柴油和潤滑油，減少灰分產生量。

3 結論及展望

即便存在一系列技術問題，但不可否認DPF依然是當前用于柴油車的有效減少PM排放的后處理裝置。為此需依據車型特點進行相應DPF參數匹配，以解決相應的問題。隨著相關技術的不斷完善及優化，DPF必將會在柴油車領域得以廣泛應用。