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1、主动再生颗粒物捕捉器（DPF）技术总结报告1、立项背景目前研究结果和应用实例表明，DOC，DPF和SCR是市场化前景最好的后处理装置，被公认为是今后欧4及更高排放阶段不可缺少的减排技术。DPF系统自2007年美国开始执行US07标准后投入使用，目前所有美国柴油机主机厂均开始广泛使用。欧洲目前在SCR领域的研究相对领先，自2005年欧4标准开始执行后即已开始广泛应用。结合发动机燃烧技术和标定，合理采用DPF和SCR中的一项即可以将欧3排放标准的发动机提高到欧4标准。国际上主要有两种技术路线。 由于国情不同，欧洲倾向于SCR，美国和日本倾向于EGR（废气再循环技术）+DPF。采用SCR技术路线是通
2、过强化发动机内燃烧降低颗粒物的生成，然后利用SCR对产生的NOx进行还原。这种方案的优点是对发动机的动力性和经济性没有损害甚至可以获得少许提高，而且SCR系统对燃油中硫含量不敏感。缺点是必须建立尿素的供应体系，并且在立法和技术上保证车辆运营单位和个人必须及时地补充尿素，否则NOx的排放量可达到10倍以上。欧洲和日本已形成完善的尿素供给点，美国尚处在起步阶段。采用EGR+DPF的技术路线，不需要车辆使用单位或个人的参与，完全通过系统自身辅以少量的维护。其原理是通过EGR来控制燃烧温度等方法在机内抑制NOx的生成，再通过DPF对颗粒物进行捕集。此技术途径对发动机的动力性和经济性带来少许影响，但是对
3、降低颗粒物排放是最直接有效的方法，捕捉效率可达到90%。我国整体排放水平处于国3阶段，后处理装置的应用刚刚开始，研发尚处于起步阶段，与发达国家有较大的差距，技术基础薄弱，产品应用经验缺乏，国内目前尚没有全面掌握有关的技术和全系列产品生产能力的自主品牌厂家，巨大的市场等待开发，因此，在这一领域开展研发和积极推进产业化的需求十分紧迫，将填补国内空白，打破国外少数企业的垄断，依托国内的巨量市场，快速缩小与发达国家的差距。艾可蓝公司颗粒物捕捉器（DPF），拥有完全自主产权，全套掌握产品关键与核心技术，不受制于国外技术封锁。2、项目技术创新点：创新点之一：开发了不依靠催化剂的主动再生技术的DPF系统主动
4、再生技术的DPF系统不用催化剂而是采用燃烧加温去除积存的黑烟颗粒，比起采用催化剂再生，具有再生时间短、对柴油油品没有要求等优点。创新点之二：设计出独特的带有导旋机构的油气混合燃烧室结构由空气泵提供一定压力和流量的新鲜空气，经燃烧室导旋机构引入燃烧室与供油系统提供的定量燃油进行充分混合形成旋流，同时，该旋流式油气混合燃烧室使辅助加热系统的燃料来自车载燃料箱，不需要增加独立的燃料存贮与供给系统；油气混合充分，形成干净彻底的燃烧，避免柴油机尾气颗粒物捕集器再生过程中产生二次污染；油气混合形成相对稳定气体流动，易于点燃燃烧，用加热点火线圈就可以点燃，无需高压高频点火，减少系统复杂性及降低成本；形成的燃
5、烧火焰柔和，火苗延伸距离短，有利于对捕集器载体均匀加热，而不会对载体形成火焰侵蚀损害以及不正常爆燃再生；燃烧室加工方便，工艺简单，有利于规模生产及节约成本。创新点之三：建立了免维护适于道路车辆使用的主动再生DPF系统主动再生技术的DPF系统主要用于道路车辆的尾气颗粒物净化，它具有免监管、主动探测自动再生的特点，在再生阶段车辆不需要熄火，保持正常运行。采用电子控制单元时刻监测主机工作状态、排气系统的工作状态，并在最佳的点火时间启动主动再生过程，实现对再生过程进行有效控制和全工况再生的目标。同时，电子控制单元与与主机控系统进行有效的通信，以将实时信息反馈给车辆驾驶人员。3、详细科学技术内容（1）依
6、据的技术原理或总体构思针对颗粒物排放（直观就是排出的黑烟），颗粒过滤捕集器(DPF Diesel Particulate Filter)技术是目前公认的最直接最为有效的净化技术，也是目前商用前景最好的技术，可实现高达95%的颗粒捕集率。 颗粒捕集技术有过滤捕集、静电捕集和旋风捕集等。 目前国外应用最成熟的是过滤捕集，即在柴油机排气管上安装微粒过滤捕集器。过滤技术的机理是排气通过时颗粒经过扩散、截流、惯性碰撞和重力沉降等原理被过滤体捕集。捕集效率主要受到微粒粒径、过滤体微孔孔径、排气流速及气流温度等因素影响。 捕集器的工作介质为含有很多毛细微孔的过滤器材料（如，壁流式陶瓷载体）。含有颗粒物的柴油
7、机排气流过时颗粒物被拦截，而流过的气体则得到净化,其工作原理可又下图示意。随着工作时间的增长，过滤体内堆积的颗粒增多，发动机的排气背压将上升，影响柴油机的正常工作和燃油经济性，须通过过滤体上附着的催化剂或燃油添加剂促进微粒燃烧(被动再生)，或用喷油，燃烧器，电加热，或反吹等方法将这些颗粒除去(主动再生)，来实现过滤体的再生。通过热量来使柴油机尾气颗粒物捕集器再生大概需要550650 C温度，这样的温度在实际使用的柴油机排气中是少见的，而轻型车用柴油机通常的工作温度在200-400 C。在这种情况下，为使柴油机尾气颗粒物捕集器再生顺利进行，需要采取：1）采用催化剂使过滤介质内颗粒物起燃温度降低；
8、2）升高柴油机排气温度，通过机内后喷、燃油燃烧室，电加热等方式，过滤介质中的颗粒物与氧气反应燃烧。然而，目前中国市场上的柴油硫含量是350ppm。如此高的含硫量，采用催化被动再生将带来很多技术困难，因此主动再生是最可靠也可能是唯一的技术途径。燃油辅助加热的再生技术实现DPF的再生。系统在DPF前加装柴油燃烧器，其中柴油来自油箱，因而无需再增加另外的燃料箱。独立的供油系统和独立的供气系统在控制器的控制下以最佳的空燃比为燃烧室共给工作介质，在燃烧室内进行混合、点火和燃烧。所产生的热量加热DPF，达到预定的主动再生温度并持续一定的时间后，DPF的过滤介质内的碳烟清烧完毕，完成再生过程。车载燃油加热再
9、生系统原理可由下图所示。颗粒物捕捉器（DPF）用于过滤排气气流中的颗粒物，以满足轿车等轻型汽车将执行号排放标准。DPF再生系统包括独立的供油系统、送风系统、点火系统、燃烧室（涡流室）和电子控制系统等。（2）解决的技术方案和效果涡流燃烧室开发涡流燃烧室开发燃烧室采用独特构造的旋流式组织进气流动。由空气泵来流在燃烧室内形成稳定的流场，供油系统的供油在预热管内加热蒸发，从而在燃烧室内生成均匀而流场稳定的混合气。点火后在迅速燃烧并保持火焰的稳定。下图是本公司提出的涡流燃烧室的结构示意图点火热电阻火焰形成区第二燃烧区域该燃烧室具有可靠耐久的点火，在发动机全工况中稳定的火焰，燃烧干净不产生二次污染和黑烟。
10、如果点火不好或燃烧不稳定会产生非常高的HC碳氢化合物排放，同时，由于未燃烧柴油进入DPF载体，在后续的再生过程中会产生爆燃或超温。燃烧室通常使用电点火，大多数使用火花塞，也有使用热电阻塞的。火花塞点火迅速但是易于积碳和烧结，所以为了耐久使用和保护火花塞必须要采取措施。例如DPF捕集黑烟颗粒物过程中在点火火花塞头部引入一股新鲜空气清扫积碳Houben 1994，或者使用强力火花塞140-160A取代标准火花塞50-500mAPaterson 2007清除积碳。点火火花塞需要定期更换。燃烧室分割成两个燃烧区域。第一个区域是火焰形成区，空气泵往第一个区域提供压缩空气，经过点火形成稳定的燃烧，随着燃料
11、供应量的增加，空气燃料比变化，燃烧向第二个区域移动，发动机排气中的多余氧气与燃料混合在第二个区域燃烧，所产生的热量均匀地分配到DPF载体上，如果燃烧的非常充分，火焰的颜色应该是淡蓝色的。火焰颜色要是黄色，表示燃烧不很充分。这种独特构造的旋流式油气混合燃烧室具有以下优点：1)油气混合充分，能够形成干净彻底的燃烧，避免柴油机尾气颗粒物捕集器再生过程中产生二次污染。2)油气混合形成相对稳定气体流动，易于点燃燃烧。实验证明用加热点火线圈就可以点燃，而不用高压高频点火，减少系统复杂性及成本。3)形成的燃烧火焰柔和，火苗延伸距离短，有利于对捕集器载体均匀加热，而不会对载体形成火焰侵蚀损害以及不正常爆燃再生
12、。4)燃烧室加工方便，工艺简单，有利于规模生产及节约成本。柴油机尾气颗粒物捕集器的燃烧再生过程数据下图为一主动再生柴油机尾气颗粒物捕集器的样机在柴油机台架上的试验。试验过程中，已实现了系统的有效组织，点火、和稳定的火焰。在发动机的特定工况下实现了DPF过滤介质的再生。主动再生柴油机尾气颗粒物捕集器的样机台架试验实验图再生控制策略与控制器开发控制策略在很大程度上是DPF、再生系统和主机的匹配与系统集成，再生控制策略是本产品开发成功的关键。再生控制策略包括：1) DPF工作状态监测；用温度传感器作为再生反馈的信号源；也可以用管路的电离信号取代温度信号作为再生反馈的信号源Paterson 2007。
13、温度传感器因为可以感受到燃烧火焰的辐射热量，因此会传送出错误温度信号。2) 发动机运行工况的监测；发动机全工况全流域燃烧再生，要用到发动机排气作为燃烧氧气供应源，燃料供应必须和发动机排气流量匹配起来，这样才能在DPF入口处提供足够的温度。如果在单一工况（发动机怠速或停止）进行DPF再生，就需要外部空气泵提供燃烧氧气，这样的好处是只需要很少的燃料就可以把DPF入口处温度提高到所需的较高温度。燃烧火焰稳定控制可以利用发动机电控单元ECU反馈。例如，燃烧室内油气混合比的控制就可以和驾驶员踩油门的信号联系起来，这样能防止火焰在发动机变工况时熄火。3) 供油、送风量的确定；空燃比（A/F）的控制贯穿整个
14、燃烧再生过程，较浓的空燃比会引起燃烧室喷油嘴碳烧结及堵塞，而稀薄的空燃比造成的高温会烧蚀损坏燃烧室部件。4) 与主机的通信和驾驶员的操作的人机界面。主动再生系统、DPF和DOC的集成优化系统集成包括机械系统设计、燃烧器与DPF过滤介质匹配、DOC催化剂匹配、控制系统模型、控制器设计等。机械系统设计以功能设计为基础。重点包括系统封装形式、排气系统气流与散热组织、热强度设计与隔热防护。由于DPF系统的应用对象限制，要求系统紧凑，高效，对系统的机械设计提出了很高的要求。在满足与主机的适配性的前提下，保证系统的可靠性。燃烧器的设计是保证过滤介质可以被完全彻底的再生，要求燃烧器提供足够的热量和发热功率。
15、由于发动机处于动态的工作过程，保证再生过程可控，包括温度可控和时间可控，又不能使系统无限制的复杂化是艾可蓝DPF系统的技术关键。DOC催化剂保证CO和HC排放指标满足国家欧4排放标准。系统控制模型是系统集成优化的核心。控制模型重点包括再生条件的检测逻辑、供油与送风系统控制、点火逻辑与燃烧组织、再生结束控制逻辑、系统自诊断逻辑等。系统控制目标是保证在柴油机的大部分工作区域内再生系统可靠稳定地工作，将DPF再生系统再生的油耗控制在发动机油耗的3%以内。在此目标下，争取实现“全工况”再生。控制器的设计满足户外移动机械设备的设计标准，可与主机电控单元进行通信。DPF燃烧器系统自诊断（OBD）技术研究DPF及再生系统的自诊断技术是欧4国家标准所要求的。本项目将按照国家排放法规要求进行设计与开发。主要功能包括故障自动识别、记录与警报。为了建立OBD系统的故障诊断模型，本课题首先采用系统工程方法，分析主动系统的故障模式，按照故障模式，建立故障诊断模型，提出OBD报警阈值，并对所有能想象的故障进行台架模拟实验验证。
