重型柴油車DPF工作原理及再生邏輯研究

李會，徐秀，楊含笑，孫寧輝，王強，夏浩

重型柴油車DPF工作原理及再生邏輯研究

李會，徐秀，楊含笑，孫寧輝，王強，夏浩

（陜西汽車控股集團有限公司，陜西 西安 710200）

壁流式DPF因其特殊的結構，已成為重型柴油機國VI階段降低顆粒物排放的主要措施，文章通過研究DPF結構、工作原理、DPF各階段再生的反應機理以及控制邏輯，為相關從業人士提供參考。

DPF；后處理器；工作原理；控制邏輯

前言

柴油發動機因其擁有良好的燃油經濟性、動力性、長壽命等優勢被廣泛應用，我國幾乎所有的重型車均使用柴油發動機。而同時，柴油發動機排放尾氣中的顆粒物卻構成了城市霧霾的主要來源。GB 17691第VI階段的法規要求在標準循環下顆粒物排放小于0.01g/kwh，這項要求比國V標準加嚴50%以上，同時對顆粒物排放數量提出了嚴格的要求。在如此嚴苛的要求標準之下，發動機廠家為滿足標準要求，后處理技術在國V的基礎上必須增加顆粒過濾器（DPF）來滿足法規對顆粒物排放的要求。DPF對尾氣顆粒的過濾效率可以達到95%以上，但是隨著DPF中顆粒物的積累，會造成排氣背壓的升高，進而對柴油發動機的燃油經濟性以及動力性產生不利影響。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中的積碳對發動機的影響。

1 工作原理

國VI階段，市場上主流的顆粒過濾器為壁流式顆粒過濾器，結構示意如圖 1。該結構用類似于網袋形式，在氣流的入口端敞開，在氣流的出口端封閉，而相鄰的通道正好相反，氣流從入口端進入通道后，只能透過通道的壁面從相鄰的通道排出，如此，通過了尾氣，截留了尾氣中的顆粒。DPF過濾廢氣中顆粒物的能力與其材料、孔隙率、壁厚等有關系。為了能夠實時監測DPF中的積碳量，在DPF兩端裝有壓差傳感器，該傳感器通過捕獲DPF兩端壓力差信號，然后將該信號發送給ECU來判斷DPF內部的積碳情況。

隨著DPF內部積碳的增加，DPF兩端壓力差也會隨之增大，進而導致整個排氣系統背壓的升高，這將直接影響發動機性能。這就需要通過再生把DPF中的積碳清除掉。再生是通過各種化學反應將DPF中的積碳消除，同時，再生需要在適宜的溫度下進行，為了降低這種再生的溫度，DPF載體涂覆有催化劑涂層。同時，DPF的再生離不開DOC的輔助作用，而這個輔助作用主要有兩點：（1）為DPF供應NO2；（2）為DPF提供熱量。

DPF的再生是根據碳載量的不同和車況分級逐步進行的，順序依次是：被動再生、行車再生、駐車再生、服務再生。

圖1 壁流式顆粒過濾器示意

2 被動再生

先來看一下何為被動再生：尾氣進入后處理器以后，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，發動機排氣溫度能夠達到250℃以上，DPF可以自發完成上述被動再生。被動再生是DPF再生策略中最為簡單、也最為常見的形式，不需要電控系統、發動機HC噴射系統的參與。

3 行車再生

行車再生和駐車再生都屬于主動再生，發生主動再生時，發動機ECU控制HC噴射系統為后處理器提HC。給予后處理器HC的方式一般有發動機缸內后噴，例如康明斯、玉柴，還有一種是利用布置于排氣管上的HC噴嘴進行燃油噴射，例如奔馳。HC進入后處理器后，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發生反應生成CO2，從而起到消除積碳的作用，整個過程反應如下：

DOC中：+2→2+2+熱量

DPF中：+2+熱量→2++熱量

DPF再生策略要求，當車輛長期運行在輕載低速工況下，或者車輛頻繁啟停，發動機排氣溫度長時間低于250℃，后處理器長時間不具備有效的被動再生條件，DPF內的積碳越來越多，兩端的壓差也隨之升高。壓差傳感器將監測到的壓差信號傳遞給ECU，ECU控制HC噴射系統噴射HC來觸發主動再生。觸發主動再生的條件有：（1）DPF兩端壓差達到設定值；（2）車輛行駛里程、運行時間達到設定值。其中，DPF壓差是能夠反映DPF載體積碳情況最真實的指標。但為了保護后處理器，我們給DPF主動再生設定了一個安全閾值，即通過檢測車輛行駛里程和運行時間這兩項參數來對DPF進行定期再生，這個設置類似于我們車輛日常的定期保養。

發生行車再生時，DPF內部溫度可能達到600℃以上，為了保證行車安全，DPF再生控制會點亮儀表高排溫指示燈，如圖 2所示，來提示駕駛員，不要此時將車駛入加油站、多粉塵等危險區域。再生過程大約持續20到30分鐘，不需要駕駛員進行任何操作，為盡可能保證再生過程的完整性，防止對發動機后處理系統造成不利影響，建議待高排溫指示燈熄滅后方可停車熄火。一般情況下，發動機系統已做好充足的風險管控，如遇特殊或緊急情況需停車時可正常執行，但應盡力避免。

圖2 高排溫指示燈

4 駐車再生

在某些特殊工況下，例如，車輛更長時間地運行在輕載低速工況，或者長時間得不到有效的行車再生。隨著DPF碳載量的增加，DPF主動再生所消耗的HC將會更多，再生時的溫度也將更高，主動再生持續時間更長，如果繼續進行行車再生將存在安全隱患。這時，DPF再生指示燈會點亮，排放故障燈也會根據積碳量的程度點亮，如圖3、圖4。出現這個信號，駕駛員必須找到一個安全的位置按要求進行駐車再生。駐車再生時，DOC、DPF內發生的化學反應同行車再生。再生過程會使DPF內的積碳情況持續40-60分鐘，再生過程中應注意車輛排氣系統附近有無可燃物，應避免靠近或觸摸排氣系統，車輛勿駛入加油站及多粉塵等易燃易爆場所。

圖3 DPF再生指示燈

圖4 排放故障指示燈

5 服務再生

如果車輛長時間得不到有效的駐車再生，DPF碳載量達到一定限值以后， DPF已經不適合進行主動再生，DPF再生控制會點亮發動機紅色故障燈，如圖5所示，這時應立即熄火，并尋求服務站的幫助，將DPF拆卸進行清灰以及維護保養處理后，車輛方可恢復正常駕駛行為。

圖5 關閉發動機指示燈

6 再生禁止

考慮到車輛的特殊使用需求，如駛入加油站及多粉塵場所等易燃易爆場所，駕駛員需提前主動按下再生禁止按鈕，再生禁止功能被觸發，儀表DPF禁止再生指示燈點亮。車輛駛出易燃易爆場所后，再次按下開關，禁止再生指示燈熄滅，說明再生功能恢復正常。

7 DPF維護

由于機油添加劑的使用，發動機排氣中還含有一些灰分，這些灰分也將被DPF所過濾，再生只能消除DPF中的積碳，而不能消除灰分，灰分的累積也會造成發動機性能的下降，這時只能通過DPF定期保養維護進行清灰處理。維護周期根據各廠家具體情況不同而存在差異，通常是20-50萬公里。

8 結論

DPF的再生控制是通過檢測由碳載量不同引起的DPF兩端壓力差信號來判斷是否需要再生及采用何種再生方式，這是一個多系統參與的智能、精確的控制過程。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

U461.99

B

1671-7988(2021)02-207-03

李會，就職于陜西汽車控股集團有限公司，研究方向：車輛排氣系統設計。