“雙模態(tài)”DPF的技術(shù)原理及應(yīng)用

文/陳寶強(qiáng) 蔣旭東

由于環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，使得柴油車DPF（Diesel Particulate Filters）柴油顆粒捕集器技術(shù)得到了市場應(yīng)用。與DOC、POC、SCR等后處理技術(shù)相比，DPF對柴油顆粒物的凈化最為有效、直接，可減少發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的碳煙顆粒達(dá)90%以上。

在歐洲，“歐盟”排放限制自從1993開始實(shí)施，隨后逐漸加強(qiáng)了對在道路上行駛的各種車輛所產(chǎn)生污染物的限制。2014年起，開始強(qiáng)制實(shí)行歐 6 排放標(biāo)準(zhǔn)，這是迄今為止最嚴(yán)厲的限制。

我國預(yù)計(jì)在2020年實(shí)現(xiàn)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(diǎn)，制造商把各種不同的技術(shù)綜合地應(yīng)用到發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)中去。以下是對DPF技術(shù)的主要組成部件的介紹。

一、DOC——柴油機(jī)氧化催化器

也有人稱它是催化氧化轉(zhuǎn)換器或者Cat。該裝置把CO和未燒完全的HC進(jìn)一步氧化，使其轉(zhuǎn)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(fā)化學(xué)反應(yīng)。由于化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生依賴廢氣的高溫?zé)崃浚栽诎l(fā)動機(jī)剛被啟動時(shí)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(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的陶瓷過濾器，利用過濾提對發(fā)動機(jī)尾氣排放過程中的碳顆粒物進(jìn)行物理過濾，DPF對柴油顆粒物的凈化最為有效，可減少發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的碳顆粒物達(dá)90%以上。缺點(diǎn)是需定期對過濾器內(nèi)的沉積進(jìn)行清除。這個(gè)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(xué)反應(yīng)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(yīng)用中也有用燒結(jié)的金屬結(jié)構(gòu)和一次性紙質(zhì)結(jié)構(gòu)。它們安裝在排氣系統(tǒng)的下游來捕獲有害的碳顆粒煙塵。在典型的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dá)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(fā)動機(jī)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(shù)已經(jīng)在柴油發(fā)動機(jī)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，主要原因是產(chǎn)品價(jià)格相對于主動再生DPF有明顯的優(yōu)勢。但這種被動再生DPF技術(shù)應(yīng)用在非道路低排溫的柴油機(jī)領(lǐng)域（在低排溫250度以內(nèi)時(shí)，DOC貴金屬無法實(shí)現(xiàn)充分化學(xué)反應(yīng)，DPF會堵塞），特別是叉車等地附加值產(chǎn)品因排溫太低，如不采取主動再生DPF技術(shù)，會引起DPF凈化器產(chǎn)品的壓力持續(xù)上升，最終導(dǎo)致DPF堵塞而失效，進(jìn)一步引起發(fā)動機(jī)的損壞。

圖2 雙模態(tài)DPF工作示意圖

目前，可以使用雙模態(tài)DPF技術(shù)解決這種低溫下的DPF堵塞，此類產(chǎn)品在被動再生DPF基礎(chǔ)上增加超壓動力閥，使得整個(gè)產(chǎn)品在使用過程中具有兩種狀態(tài)。雙模態(tài)DPF是在排氣被壓允許值內(nèi)以DPF狀態(tài)捕捉柴油顆粒物PM超出排氣背壓限值則是POC狀態(tài)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(tǒng)，從根本上防止DPF的堵塞。見左下圖：

借鑒國際汽車行業(yè)先進(jìn)雙模態(tài)消音器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上研發(fā)的雙模態(tài)DPF產(chǎn)品，既滿足對柴油機(jī)械尾氣顆粒的高效捕捉又能避免因低溫DOC無法化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致DPF的堵塞，進(jìn)而造成產(chǎn)品的損壞。

在DPF載體的中心位置預(yù)先挖出一個(gè)圓形的沉槽，并使用超壓動力閥預(yù)先封死。這樣在排氣背壓允許值內(nèi)時(shí)是以DPF狀態(tài)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(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)車輛尾氣通過DPF內(nèi)側(cè)壁的毛細(xì)微孔，柴油顆粒物PM被阻隔在DPF內(nèi)腔，達(dá)到過濾顆粒物的物理效果。

通過顆粒物的不斷累積，達(dá)到了DPF載體上動力安全閥設(shè)定的壓力值時(shí)，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(chǎn)品以POC模式進(jìn)行工作，進(jìn)而使得多余碳煙PM排出排氣系統(tǒng)，從根本上防止DPF的堵塞。

當(dāng)產(chǎn)品處于POC模式下工作時(shí)，用戶需及時(shí)對產(chǎn)品拆卸進(jìn)行人工清理，使得產(chǎn)品從POC模式下再次轉(zhuǎn)變成DPF模式下。POC狀態(tài)下即便用戶偶爾疏忽了清理，也不會出現(xiàn)DPF產(chǎn)品整體技術(shù)路線的失敗。由于DPF內(nèi)部壓力低，PM顆粒物可以輕易地被高壓氣體反吹出來，實(shí)現(xiàn)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(gè)工作班都需要對DPF進(jìn)行一次倒吹清理，延長到雙模態(tài)DPF下的15個(gè)工作班才清理一次（針對國三非道路柴油機(jī)械），周期延長了15倍，大大降低了設(shè)備維護(hù)的時(shí)間成本。

“雙模態(tài)”DPF對設(shè)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(xù)使用就需要更換一套DPF總成產(chǎn)品，導(dǎo)致數(shù)千元DPF總成產(chǎn)品以及上萬元的發(fā)動機(jī)損失，而雙模態(tài)DPF產(chǎn)品則可以完全避免。

該雙模態(tài)DPF已經(jīng)在國內(nèi)成功安裝叁百余套產(chǎn)品（在北京地區(qū)超過100余套產(chǎn)品的應(yīng)用），大部分用戶反饋使用2年后仍效果如初，驗(yàn)證了這種低成本柴油機(jī)械顆粒物解決方案的可行性。