“双模态”DPF的技术原理及应用

文/陈宝强 蒋旭东

由于环保法规日益严格，使得柴油车DPF（Diesel Particulate Filters）柴油颗粒捕集器技术得到了市场应用。与DOC、POC、SCR等后处理技术相比，DPF对柴油颗粒物的净化最为有效、直接，可减少发动机产生的碳烟颗粒达90%以上。

在欧洲，“欧盟”排放限制自从1993开始实施，随后逐渐加强了对在道路上行驶的各种车辆所产生污染物的限制。2014年起，开始强制实行欧 6 排放标准，这是迄今为止最严厉的限制。

我国预计在2020年实现非道路车辆国四排放的要求，所有这些都意味着整车制造商必须不断地减少车辆排放的各类污染物，特别是PM颗粒物。为了做到这一点，制造商把各种不同的技术综合地应用到发动机的排气系统中去。以下是对DPF技术的主要组成部件的介绍。

一、DOC——柴油机氧化催化器

也有人称它是催化氧化转换器或者Cat。该装置把CO和未烧完全的HC进一步氧化，使其转换成二氧化碳和水。过程是让废气流过贵重金属催化器从而引发化学反应。由于化学反应的发生依赖废气的高温热量，所以在发动机刚被启动时它们效果不是特别明显。

二、DPF——柴油颗粒过滤器，是Diesel Particulate Filter（柴油颗粒过滤器）的简称

DPF是一种安装于柴油发动机系统中的陶瓷过滤器，利用过滤提对发动机尾气排放过程中的碳颗粒物进行物理过滤，DPF对柴油颗粒物的净化最为有效，可减少发动机产生的碳颗粒物达90%以上。缺点是需定期对过滤器内的沉积进行清除。这个装置把碳颗粒烟尘和其它固体颗粒通过过滤从废气中除去，然后储存起来，一直到把它们使用化学反应的方式烧尽为止。

三、DPF的工作原理

DPF的滤芯通常由陶瓷材料制成，尽管在一些应用中也有用烧结的金属结构和一次性纸质结构。它们安装在排气系统的下游来捕获有害的碳颗粒烟尘。在典型的设计中，它们由若干狭窄的通道组成，以交替的方式开通 （见图1）。这种”壁流式”设计能让废气通过，但是能阻止废气中的碳颗粒烟尘通过，从而达到过滤的效果。超过 90% 的颗粒可以用这种方式被去掉。

然而，被捕获的碳颗粒烟尘会很快在DPF里积留起来，因此需要被定期烧掉，烧掉碳颗粒烟尘的这一过程被称为再生。再生可以是“被动式”的，即利用催化剂和废气的正常热量，也可以是“主动式”的，即通过发动机管理、向废气中喷射额外的燃料、加热DPF或其它方法以提高废气的温度。

图1 DPF工作示意图

其中被动再生DPF技术已经在柴油发动机领域被广泛应用，主要原因是产品价格相对于主动再生DPF有明显的优势。但这种被动再生DPF技术应用在非道路低排温的柴油机领域（在低排温250度以内时，DOC贵金属无法实现充分化学反应，DPF会堵塞），特别是叉车等地附加值产品因排温太低，如不采取主动再生DPF技术，会引起DPF净化器产品的压力持续上升，最终导致DPF堵塞而失效，进一步引起发动机的损坏。

图2 双模态DPF工作示意图

目前，可以使用双模态DPF技术解决这种低温下的DPF堵塞，此类产品在被动再生DPF基础上增加超压动力阀，使得整个产品在使用过程中具有两种状态。双模态DPF是在排气被压允许值内以DPF状态捕捉柴油颗粒物PM超出排气背压限值则是POC状态工作，超压部分的压力会打开超压动力阀阀门，使得多于碳烟PM排除排气系统，从根本上防止DPF的堵塞。见左下图：

借鉴国际汽车行业先进双模态消音器设计基础上研发的双模态DPF产品，既满足对柴油机械尾气颗粒的高效捕捉又能避免因低温DOC无法化学反应导致DPF的堵塞，进而造成产品的损坏。

在DPF载体的中心位置预先挖出一个圆形的沉槽，并使用超压动力阀预先封死。这样在排气背压允许值内时是以DPF状态捕捉柴油颗粒物PM，超压动力阀（图②）在超压动力阀压簧（图③）的作用压力下处于关闭状态，此时车辆尾气通过DPF内侧壁的毛细微孔，柴油颗粒物PM被阻隔在DPF内腔，达到过滤颗粒物的物理效果。

通过颗粒物的不断累积，达到了DPF载体上动力安全阀设定的压力值时，动力安全阀阀门（图②）会克服动力阀压簧（图③）的压力，阀门被迫打开，产品以POC模式进行工作，进而使得多余碳烟PM排出排气系统，从根本上防止DPF的堵塞。

当产品处于POC模式下工作时，用户需及时对产品拆卸进行人工清理，使得产品从POC模式下再次转变成DPF模式下。POC状态下即便用户偶尔疏忽了清理，也不会出现DPF产品整体技术路线的失败。由于DPF内部压力低，PM颗粒物可以轻易地被高压气体反吹出来，实现有效清理。

被动再生模式下，低排温条件下DPF的再生处理周期由过去每个工作班都需要对DPF进行一次倒吹清理，延长到双模态DPF下的15个工作班才清理一次（针对国三非道路柴油机械），周期延长了15倍，大大降低了设备维护的时间成本。

“双模态”DPF对设备使用成本的降低更为明显。以往，在低排温条件下每2周连续使用就需要更换一套DPF总成产品，导致数千元DPF总成产品以及上万元的发动机损失，而双模态DPF产品则可以完全避免。

该双模态DPF已经在国内成功安装叁百余套产品（在北京地区超过100余套产品的应用），大部分用户反馈使用2年后仍效果如初，验证了这种低成本柴油机械颗粒物解决方案的可行性。