DPF柴油车面临的主要技术问题及解决方案研究

伍赛特

(上海汽车集团股份有限公司，上海 200438)

0 引言

颗粒捕集器(DPF)是柴油车上配置的用于消除颗粒(PM)的后处理装置。柴油车排气系统安装DPF之后，排气背压将会随之升高。如果在DPF工作过程中，无法及时清除过滤的PM，则随着DPF 上PM沉积量的增加，排气背压将会迅速增大，严重影响柴油机的动力性、经济性和排放性能[1-2]。

目前常用的有效消除DPF 上沉积PM的方法是氧化燃烧法，但会在DPF滤芯上留下灰分等沉积物。同时如果使用不当，还可能导致DPF 滤芯高温烧裂或熔化，DPF的过滤性能将会迅速下降甚至丧失。因此，安装DPF后车辆的性能、使用要求等将发生变化，本文作者详细介绍了DPF柴油车行驶和使用过程存在的主要问题，并提出了相应解决方案。

1 DPF 柴油车面临的主要问题

1.1 受排气温度的影响

车辆处于市区工况下，DPF 中的PM通常难以着火及燃烧。而随着使用时间增长，储存在容积有限的过滤器上的PM数量会不断沉积增多[3]。如果排气温度足够高或沉积的PM极易被氧化，则沉积的PM会被氧化并排入大气。

但是在常用市区工况下，柴油机排气温度低，而DPF 中PM的点燃温度较高、氧化燃烧慢，即使被引燃，中、小负荷下的PM 也难以被完全燃烧，仅有大约85%的PM可被氧化成CO2气体，其余部分因缺氧而无法完全燃烧，以CO的形式排出。

在怠速工况时排气温度低于150 ℃，柴油机在低速、低负荷工况时排气温度也较低，常用工况范围的排气总管出口附近的排气温度在250～450 ℃。可见，在常用工况下很难达到PM被氧化所需的600 ℃以上的高温。仅在高速、高负荷工况，排气温度可以达到该指标，且可以较快地氧化燃烧掉过滤出的PM。排气温度受到柴油机结构特点、工况和使用条件等影响，相对PM氧化所需的600 ℃以上的高温而言，普通柴油机常用工况下难以达到。

1.2 受排气背压的影响

排气背压逐步增大，柴油机动力性、经济性和排放性能会相应恶化，当车辆安装DPF 后，发动机排气背压逐渐增大，发动机性能会受到影响。随着PM堆积量的增加，发动机排气背压会快速增大，而当再生过程控制不当时，甚至会出现部分孔道堵塞的情况。

发动机排气背压增大或部分孔道堵塞的结果是发动机排气不畅，进气量减少，缸内混合气中残余废气量增加，燃烧速率降低，发动机动力性、经济性和排放性能恶化[4]。由于市区常用工况下DPF 中的PM无法被充分氧化燃烧，其结果会导致排气压力(背压)增加，并对发动机性能产生多方面影响，如增加排气功率消耗、降低增压发动机进气歧管压力、影响气缸扫气和燃烧、导致涡轮增压器故障等。

背压增加后，首先可能会影响涡轮增压器的性能，使进入缸内空气量减少，气缸(特别是自然吸气发动机)内残余气体增加，混合气的空燃比减小，发动机排放性能恶化。但由于气缸内残余气体增加，相当于发动机采用了内部废气再循环(EGR)技术，故可以轻微减少NOx排放量，安装DPF 系统可减少2%～3% 的NOx排放。其次会额外增加发动机压缩、排气的机械功或能量，还会影响废气涡轮增压气发动机的进气歧管压力，导致油耗、PM排放、CO排放和排气温度增加。排气温度的增加会导致排气门和涡轮增压器过热以及发动机热负荷增加，并可能引起NOx排放量的增加。

除此之外，背压增加可能会影响涡轮增压发动机的润滑油和冷却介质正常工作，特别是排气背压过高时，可能导致涡轮增压器的密封失效，导致润滑油泄漏到排气系统。对DPF 或其他催化剂系统来说，润滑油泄漏也会导致催化剂失去活性或中毒等。排气背压对发动机性能具有重要影响，这一点已通过大量研究被证实。

1.3 车辆控制及操作复杂

从DPF系统的组成及工作原理可知，对配装有DPF的车辆进行控制，需根据车辆行驶工况、排气温度、DPF压降(或PM过滤量)等控制DPF 再生。

在车辆加速或较大负荷运转时，缸内燃烧的燃料多、排气温度高。通常当排气温度超过350 ℃时，DPF便可进行被动再生，采用氧化燃烧方式清除掉之前由DPF 捕集的PM。如果过滤器PM负载量达到一定限值，压降传感器信号达到阈值，DPF系统便开始主动再生，进行自我清洁循环。

在正常发动机燃烧过程中，向发动机缸内喷射燃油，喷射的燃油蒸发并进入发动机歧管出口的DPF，把排气温度提高至600～650 ℃，高温燃气即可引燃之前由DPF捕集的PM，DPF系统即开始主动再生。

当车辆在进行再生循环时，ECU将会适当提高发动机功率和怠速转速。如果此时主动使发动机停止运转，DPF则会继续进行再生[5]。

另外，安装DPF的车辆通常会增加DPF 性能显示装置及手动再生开关等。在车辆正常行驶时，DPF的再生控制系统则采用自动再生工作模式，自动清除DPF中捕集的PM。但DPF 自动再生时对排气温度及行驶时间等有要求，如车辆需以80 km/h 左右的速度行驶15 min等。

当车辆在长时间低速行驶、发动机频繁重复启动及停机等特殊条件下使用时，排气温度及高温持续时间无法满足自动再生的要求，发动机ECU 控制的自动再生系统无法正常工作， DPF 系统显示装置的再生指示灯就会点亮。

为了防止过多堆积PM，车辆的DPF 系统一般会设置一个“手动再生开关”，当该开关处于“ON”的位置时，在车辆停止时DPF 系统也可以清除DPF上沉积的PM，这种再生方式被称为手动再生。以此可说明配装有DPF车辆的技术操作比传统车辆更加复杂。

1.4 使用条件要求高

当车辆配装有DPF 后，其使用条件要求变高，包括车辆使用燃料和润滑油中硫、磷的质量分数和标号等。当再生过程开始后，发动机转速需高于怠速转速。

DPF所需的再生转速及时间随车型及制造商的不同而存在差异，再生时DPF 指示器点亮，而当再生过程结束后指示器熄灭。一般由于再生过程持续时间较长，释放热量较高，当DPF 工作于再生模式时，车辆不宜停放在涂装路面、植物旁、通风不良处和易燃物品附近等。

1.5 车辆使用及维护费用增加

DPF装置对过滤体材料要求高，同时需要温度、压力等监测和再生装置及其控制系统等，其研发和制造成本不言而喻。另外，当DPF 配装于车辆时，还需要增加车载的控制(如手动再生控制开关)及显示装置等，会导致车辆成本的增加。

增加车载DPF系统会导致排气背压增加，进而引起燃油消耗量增加。采用主动再生方式的DPF系统，会增加额外的能耗，其结果必然是车辆的能耗费用随之增加。DPF 系统的增加还会使车辆的故障率增加，如再生操作不当导致DPF滤芯材料软化、局部因高温熔粘及产生裂纹等损坏现象。

若驾驶模式不当或使用劣质燃料时，会导致PM及灰分沉积量过大，如果发生此种现象就会产生额外维护费用。特别值得一提的是DPF 长期使用后在其过滤壁面形成的灰分沉积问题。发动机燃烧中产生的金属氧化物，将会随着发动机排气排出。由于排气温度的逐步降低，燃烧过程生成的金属氧化物等在排气排出过程中会形成灰分[6-7]。灰分与排气中的碳烟PM一起沉积于过滤器壁面形成PM过滤层。

当DPF 再生时PM 会发生氧化和燃烧反应，混杂在PM过滤层中的灰分前体物将会团聚和表面增长，灰分浓度越大，则灰分PM团聚和生长速度越快。再生结束后，这些团聚状的灰分便沉积于过滤壁面。

随着车辆使用时间增长和DPF 反复再生，每次再生沉积于过滤壁面的微量灰分经过长期积累后便形成DPF 过滤壁面上的灰分沉积层。沉积层的厚度随着车辆行驶里程的增加而增加，灰分沉积层增大了气体流过壁面的阻力、减少了DPF有效过滤面积，影响PM的沉积和分布。进而导致发动机排气背压增加、使得DPF的催化剂性能丧失，导致发动机燃料经济性恶化和过滤器堵塞、寿命缩短。

DPF再生时产生的灰分沉积物会导致DPF 性能下降，最终使车辆无法正常行驶。因此，必须采取专用设备定期(一般行驶约2×105km 后)消除灰分沉积层，故配装有DPF的车辆，其维护费用高于普通车辆。

DPF过滤壁面上的灰分沉积层的形成速度与DPF 的再生方式及使用的燃料、润滑油品质密切相关。采用主动再生和被动再生2种不同再生方式的DPF，其表面的灰分形态和分布相差甚大，被动再生DPF 的入口、中间和出口截面均有明显的灰分沉积物，接近封堵的出口附近已完全被灰分沉积物堵塞[8]。

燃料和润滑油中硫、磷的质量分数对DPF 的灰分沉积影响极大。当使用普通柴油和柴油机油时，经过长时间使用后，反复多次再生过程，会在过滤体材料表面产生灰分沉积、产生多种灰分沉积物。

DPF再生时产生的灰分沉积物不仅导致DPF 性能下降，由于必须采取专用设备定期清除，故还会导致产生额外的维护费用。

2 针对DPF 柴油车存在问题的解决方案

从上述DPF 对柴油机性能的影响和常用柴油机工况排气温度低的角度来看，在常用的柴油机运转条件下，DPF上收集的PM无法自燃及氧化，只能不断堆积，直至排气背压大到柴油机无法正常工作。另外，当PM被点燃后，温度容易过高，损伤或烧坏过滤器滤芯，使DPF起不到充分净化PM的作用。

总之，与传统柴油车相比，柴油车排气系统安装DPF之后，使用中存在的主要问题可归纳为2个方面:

(1)PM沉积量的增加引起的背压升高所导致的柴油机动力性、经济性和排放性能恶化问题。

(2)清除PM(再生)时产生的高温及灰分团聚等导致的DPF 性能恶化和对车辆使用要求的提高。

针对背压升高问题，在针对具体柴油车进行匹配时，应尽量选用流动阻力低、PM负载量高的DPF，并且该类DPF 装置应配装有再生装置。再生装置应具有点燃沉积在过滤壁面上PM的功能，可及时清除DPF滤芯上的PM，避免背压上升过高。

实现再生后，可使DPF 的压降恢复到或接近使用初期状态。因此，可以说DPF的再生性能决定了其能否成功应用。DPF再生时面临的高温问题，可通过DPF控制策略优化、结构设计和滤芯材料选择等方法解决。

在制定DPF再生控制策略时，再生时刻选择需要优化，以避免出现PM沉积量过多，因再生产生热量过多出现温度过高现象。

在进行DPF 结构设计时，应采用PM分布均匀性好的DPF 结构，充分考虑再生时的散热问题，避免局部过热导致DPF结构损坏。

同时在选择滤芯材料时，在过滤性能及压降等指标相近的情况下，应尽量选择高熔点的耐高温滤芯材料。

由于DPF再生时灰分团聚的产生与DPF 结构特点、使用条件及柴油和润滑油品质等密切相关，DPF 过滤材料表面灰分沉积问题的主要对策有2个:

(1)开发专用灰分清除设备，及时清除灰分沉积。

(2)使用低硫、低灰分柴油和润滑油，减少灰分产生量。

3 结论及展望

即便存在一系列技术问题，但不可否认DPF依然是当前用于柴油车的有效减少PM排放的后处理装置。为此需依据车型特点进行相应DPF参数匹配，以解决相应的问题。随着相关技术的不断完善及优化，DPF必将会在柴油车领域得以广泛应用。