系统操作
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| 图 1 | g01944833 |
(1) 柴油氧化催化器（DOC） (2) 消声器（如有配备） (3) 柴油微粒滤清器（DPF） (4) ARD 本体 (5) 冷却液连接 (6) ARD 盖 (7) 先导燃油管 (8) 主燃油管 (9) 火花塞 (10) 加热喷嘴继电器 (11) 燃烧空气管 (12) 来自涡轮增压器的排气 (13) 燃烧空气阀控制器 (14) ARD 燃烧空气阀 (15) 来自涡轮增压器的压缩空气 (16) 点火线圈 (17) ARD 燃油歧管 (18) 直列式燃油滤清器 (19) 电动注油泵 (20) 燃油粗滤器 (21) 来自油箱的燃油 (22) 电子控制模块（ECM） | |
清洁排放模块基础知识
清洁排放模块包含许多机械和电子部件，用于帮助降低从发动机中发出的各种排放物。
清洁排放模块有两个主要功能：
- 通过柴油氧化催化器（DOC）氧化一氧化碳和碳氢化合物排放物，并将微粒排放物（烟尘）收集到柴油微粒滤清器（DPF）中。
- 使用再生过程清洁 DPF 中收集的微粒排放物。
清洁排放模块（CEM）包含后处理再生装置（ARD）。 ARD 用于再生（或清洁）DPF 中的烟尘。 ARD 由燃油、空气和电气子系统组成。 再生是利用柴油和来自涡轮增压器的增压空气产生高温火焰的过程。 高温火焰产生的热量被引到 DPF 的进口。
为在适当时间再生 DPF，发动机 ECM 必须知道 DPF 中有多少烟尘。 烟尘的测量可通过以下方式来完成：
- 经过 DPF 的压差测量
- 根据研发的发动机排出烟尘测量值计算出型号
随后，通过这三个输入收集的信息将转换为烟尘输出百分比，并可通过电子烟尘级别表查看。 在 Cat 工业发动机上使用的各种操作员显示器上可以找到这些仪表。 烟尘级别可能会以图形条或实际百分比显示。 烟尘级别可通过 Caterpillar 电子技师（ET）查看。
烟尘级别输出
由发动机 ECM 产生的烟尘百分比用于确定：
- 何时启动 DPF 指示灯
- 何时启动行动灯（针对高烟尘负载事件）
- 何时启动行动警报器（针对高烟尘负载事件）（如有配备）
- 何时启动强制发动机低怠速策略
- 何时启动强制发动机停机策略
- 再生锁定
- 当允许手动再生时
- 当允许低速再生时
- 当允许高速再生时
DPF 指示灯 - DPF 指示灯将在 80% 的烟尘级别下点亮。
行动灯 - 行动灯将在 100% 烟尘级别时点亮。 DPF 指示灯将和行动灯保持点亮。 "3715-31" 代码将变为激活状态。
行动警报器 - 行动警报器将在 116% 烟尘级别时激活。 "3719-0" 代码将变为激活状态。
强制低怠速策略 - 在烟尘级别处于 116% 达 5 分钟之后将会启动强制低怠速策略。 此时，发动机将自动降至编程设定的低怠速。 解锁低怠速的唯一方法是循环钥匙开关或是执行手动再生。
再生锁定 - 一旦烟尘级别处于 116% 达 10 分钟，来自操作员的所有再生形式都将锁定。 只可使用 Cat ET 内的 "Manual DPF Regeneration（手动 DPF 再生）"维修步骤执行再生。 "3714-31" 代码将变为激活状态。
强制发动机停机策略 - 当烟尘级别达到 140% 烟尘级别时，将启动强制发动机停机策略。 完全停机前，发动机将会先怠速运转 30 秒钟。 "3715-31" 代码将变为激活状态。 将无法再生 DPF，必须予以更换。
手动再生 - 一旦烟尘级别大于 15%，就允许使用强制开关开始手动再生。
低速再生 - 一旦烟尘级别大于 30%，就将允许低速再生。
高速再生 - 一旦烟尘级别大于 60%，就将允许高速再生。
注: 其他因素用于确定再生是否确实发生。 烟尘级别阈值仅告诉 ECM 何时该进行哪种再生。 确定什么时候会进行再生的策略在"再生类型和操作标准"章节中讨论。
再生基本知识
再生通过柴油和增压空气的可调供应并由火花塞点燃火焰来完成。 一旦火焰点燃，只需要燃油和空气来维持火焰。 火焰检测温度传感器确定火焰是否成功点燃。 一旦火焰点燃，DPF 进口温度传感器将持续监测 DPF 进口处的温度。 随着温度的变化，DPF 进口温度传感器的信号发回到 ECM。 ECM 随后计算需要多少燃油和空气来维持所需的 DPF 进口温度。 与再生相关的特殊系统将在随后讨论。
再生类型和操作标准
自动再生
自动再生设计为无需来自操作员的任何输入。 有两种自动再生类型。 这些再生称为低速再生和高速再生。 在自动启动再生之前，低速再生和高速再生必须符合某些标准。 标准概述如下。 自动再生的某些方面可通过 Cat ET 进行配置。 这些方面将在本章节中随后讨论。
低速再生
当发动机处于静止或非工作状态时，将会进行低速再生。 低速再生通常在 30% 至 65% 烟尘级别期间发生。 再生可在高达 116% 烟尘级别时发生。 低速再生考虑了对燃油和气流进行最精确控制。 低速再生所需燃油量最少，持续时间最短。 必须符合下列参数才能启动低速再生。
- 激活的诊断或事件代码 - 没有被 ARD 燃油系统、ARD 空气系统或 ARD 点火系统激活的诊断或事件代码
- 发动机冷却液温度 - 如果环境空气温度高于 0° C (32° F)，则发动机冷却液温度必须高于 40° C (104° F)。 如果环境空气温度低于 −0 °C (32 °F)，则冷却液温度必须为 60 °C (140 °F)
- 发动机起动延迟 - 起动后，允许再生之前，发动机必须运转至少 2 分钟
- DPF 进口温度 - DPF 进口温度必须大于 50 °C（122 °F）
发动机转速
发动机转速必须在低怠速设定值和 1500 rpm 的范围内。 如果发动机转速在该窗口消失 1 秒钟，则再生将终止。 如果环境温度低于 −18° C (−0° F)，发动机转速必须在 1600 rpm 的低怠速转速范围内。
燃油输送
针对 C9.3 和 C13 发动机，输送的燃油量必须在 10 至 80 立方毫米燃油范围内。 针对 C15 和 C18 发动机，输送的燃油量必须在 10 至 100 立方毫米燃油范围内。 如果输油在该窗口消失 1 到 2 秒，再生将终止。 对于工业应用，输油量可以高达 200 立方毫米。
低速再生期间的发动机转速控制
如果编程的低怠速发动机转速低于 1000 rpm，则发动机 CEM 可能会自动提升发动机转速。 发动机将会提升到 1000 至 1500 rpm 之间。 需要该变化以提供充足的气流用于再生。 再生行动灯熄灭后，提升后的发动机转速可能会保持 30 秒钟。 为便于发动机 ECM 提高发动机怠速转速，J1/P1 接头上的触针 46 必须接地。 此连接可以为硬线接地，或通过开关相连，当按下开关时，触针与接地连接。 如果 J1/P1 发动机 ECM 接头上的触针 46 没有接地，发动机转速将不提高，并且将不进行再生。
注: 如果使用开关，开关必须是连续的。 瞬时开关无法在所需的持续时间内保持触针接地。
高速再生
高速再生通常在发动机处于正常工作模式时发生。 相比低速再生，高速再生通常会消耗更多燃油并且需要更长时间来完成。 更长的时间需求是由于要保持较低的所需 DPF 进口温度，以避免温度的极端变化而导致损坏 DPF。 高速再生有两种明显不同的工作区。 这些工作区由烟尘级别确定。 第一区在 60% 和 80% 的烟尘级别之间，第二区在 80% 和 90% 的烟尘级别之间。 60% 至 80% 区有更严格的发动机工作模式，该模式下可能会发生高速再生。 80% 和 90% 区打开发动机工作模式，以允许在最佳时机执行高速再生。 当烟尘级别大于 90% 时，高速再生将不会发生。 下列参数概述了为了启动或维持高速再生而监控的操作标准。
要进行高速再生，发动机 ECM 上 J1/P1 接头的触针 47 必须接地。 此连接可以为硬线接地或通过开关接地。 Cat 仪表板上提供有一个开关。 有关详细信息，请参阅操作和保养手册, "柴油微粒滤清器再生"。
注: 所有下列参数均是针对各种应用而独立开发。 不是所有应用类型都符合下述的具体标准。
必须符合下列参数以便进行再生：
- 激活的诊断或事件代码 - 没有被 ARD 燃油系统、ARD 空气系统或 ARD 点火系统激活的诊断或事件代码
- 发动机冷却液温度 - 如果环境空气温度高于 0° C (32° F)，则发动机冷却液温度必须高于 40° C (104° F)。 如果环境空气温度低于 −0 °C (32 °F)，则冷却液温度必须为 60 °C (140 °F)
- 发动机起动延迟 - 起动后，允许再生之前，发动机必须运转至少 2 分钟
- DPF 进口温度 - DPF 进口温度必须大于 50 °C（122 °F）
发动机转速（60% - 80% 烟尘级别）
发动机转速通常在 1400 到 2200 rpm 之间。 发动机每秒的转速变化应不超过 200 rpm。
发动机转速（80% - 90% 烟尘级别）
发动机转速通常在 975 到 2350 rpm 之间。 发动机每秒的转速变化应不超过 400 rpm。
燃油输送（60% - 80% 烟尘级别）
输送的燃油量通常在 30 立方毫米和由发动机额定功率定义的上限之间。
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| 图 2 | g02435838 |
(X) 发动机转速 (Y) 输送的燃油量 (Z) 高速再生的发动机工作区示例（60% - 80% 烟尘级别） | |
燃油输送（80% - 90% 烟尘级别）
输送的燃油量通常在 10 立方毫米和由发动机额定功率定义的上限之间。 该烟尘级别范围内，各转速的燃油上限是扭矩燃油限制。
燃烧进气压力（60% - 80% 烟尘级别）
燃烧进气压力每秒的变化应不超过 65 kPa (9.4 psi)。
燃烧进气压力（80% - 90% 烟尘级别）
燃烧进气压力每秒的变化应不超过 80 kPa (11.6 psi)。
高速再生期间的发动机转速控制
大部分高速再生都是明显的。 如果发动机处于正常工作模式并且松开了油门，则低怠速将限制为 1000 rpm。 限制发动机转速在 1000 rpm 将保持再生。 如果必须将发动机转速带到已编程的低怠速，按下停用再生开关将停止再生。 发动机的转速将返回已编程的低怠速。
手动再生
按下强制再生开关可完成手动再生。 当烟尘级别处于 15% 和 116% 之间时，可执行手动再生。 按下强制再生开关 2 秒钟可执行手动再生。 有关详细信息，请参阅操作和保养手册, "柴油微粒滤清器再生"。 可在上述低速再生区完成手动再生。 上述所有标准均适用于低速再生区的手动再生。
在高速再生区可以进行手动再生。 但是，输油和发动机转速阈值在上文所述的基础上稍微做了一些修改。 这些数值如下：
- 发动机转速：1400-2200 rpm
- 输油：最少 30 mm3，最多 175 mm3（ C9.3 和 C13 发动机）和 300mm3（ C15 和 C18 发动机）。 视发动机额定功率而定，上限可能稍有不同。
后处理配置参数
后处理系统可进行不同配置，以适应正使用系统的操作。 同样需要不同配置，以确保将正确的 CEM 连接至正确的发动机。 可用配置和功能如下：
ARD 手动停用状态
该状态将禁止所有再生发生。 此参数设定为 "DISABLED（停用）"时，自动和手动再生将不工作。 正常情况下，此参数应设定为 "NOT DISABLED（不停用）"。 该参数在不需要维修系统和进行再生时有利。
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| 图 3 | g02435978 |
ARD 自动再生启用状态
该配置有三个设定。 设定分别是 ENABLED（启用）、DISABLED（停用）和 AUTOMATIC LOW SPEED REGENERATION ONLY（仅自动低速再生）。 当配置设为 ENABLED（启用）时，所有类型的再生都可用。 当配置设为 DISABLED（停用）时，仅手动再生可用。 当配置设为 AUTOMATIC LOW SPEED REGENERATION ONLY（仅自动低速再生）时，高速再生不可用。 低速再生和手动再生仍可用。
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| 图 4 | g02435980 |
工厂安装的后处理 #1 识别号
该配置包含固定在发动机上的 CEM 序列号。 在 CEM 初始组装到发动机期间，该配置会自动编程。 如果该参数需要重新输入，则可在固定于 CEM 的识别牌上找到该序列号。
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| 图 5 | g02435996 |
DPF #1 烟尘负载感应系统配置代码
该配置包含两位代码，用于告知发动机 ECM 使用了哪种 DPF 配置。 不同的 DPF 进口和出口方向会影响由 RF 烟尘传感器提供的无线电频率输出。 该代码确保发动机 ECM 正使用适当的标定来解析烟尘传感器信号。
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| 图 6 | g02435997 |
高烟尘负载后处理保护启用状态
该配置默认 ENABLED（启用）。 该配置在高烟尘负载事件时将启用强制低怠速策略和强制发动机停机策略。 如果该功能为 "DISABLED"（停用），强制低怠速策略和强制发动机停机策略将不启用。 在高烟尘负载事件下，必须启用这些策略。
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| 图 7 | g02436016 |
后处理燃油系统
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| 图 8 | g02436137 |
(6) ARD 盖 (7) 先导燃油管 (8) 主燃油管 (17) ARD 燃油歧管 (18) 电动注油泵 (19) 燃油粗滤器 (22) 燃油箱 (23) 先导燃油连接 (24) 主燃油连接 (25) 主燃油压力传感器 (26) 先导燃油压力传感器 (27) 主燃油电磁阀 (28) 先导燃油电磁阀 (29) ARD 歧管燃油滤清器接头 | |
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| 图 9 | g02438136 |
(30) 分流器阀 (31) 燃油压力调节器 | |
当需要再生时，电动注油泵 (18) 通电。 电动注油泵由蓄电池供电。 使用一个继电器来控制到电动注油泵的电源。 当需要再生时，发动机 ECM 向继电器发送一个信号。 当继电器通电时，蓄电池电源通到电动注油泵。 电动注油泵将燃油从燃油箱 (22) 抽出，并流过 10 微米燃油粗滤器。 一旦燃油流出泵，压力调节器 (31) 将压力调整为 1900 kpa (275 psi)。 燃油分流器阀 (30) 在再生期间不通电。 当燃油分流器阀不通电时，电动注油泵流出的所有燃油都流入 ARD 系统。 当分流器阀不通电时，发动机将仍接收从燃油箱流出并旁通流过电动注油泵的燃油。 当燃油分流器阀通电时，所有燃油都输送到发动机，没有燃油流到 ARD 系统。 燃油分流器阀在发动机注油期间通电。
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| 图 10 | g02436260 |
前视图 (30) 分流器阀 (32) 至发动机的燃油流（分流器阀通电） | |
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| 图 11 | g02437996 |
侧视图 (30) 分流器阀 (33) 至 CEM 的燃油流（分流器阀不通电） | |
一旦燃油流出泵壳体，就会流入 ARD 燃油歧管 (17) 。 随着燃油流入 ARD 燃油歧管，燃油将由不锈钢烧结滤清器进行过滤。 该滤清器可过滤小至 40 微米的碎屑。 该滤清器设计用于收集维修期间可能进入系统的所有碎屑。
随着燃油流持续流过 ARD 燃油歧管，燃油会产生层流路径。 一条路径流到先导燃油电磁阀 (28) ，另一条路径流到主燃油电磁阀 (27) 。 先导和主燃油电磁阀是脉宽调制电磁阀，由发动机 ECM 控制。 先导燃油电磁阀被认为是主燃油阀。 一旦先导燃油电磁阀完全打开并且仍需更多燃油时，主燃油电磁阀将打开。 一旦燃油旁通流过先导和主燃油电磁阀时，燃油压力由各油路的传感器测量。 当油路处于闭环模式时，ECM 使用这些压力信号来确定正确的燃油量。 输送正确的燃油量以获得所需的 DPF 进口温度。
一旦燃油流出燃油歧管，燃油将进入 ARD 盖 (6) 。 ARD 盖包含先导燃油单连接 (23) 和主燃油单连接 (24) 。 这些连接包含 40 微米烧结过滤介质。 这些滤清器接头可防止碎屑在维修期间被引入系统。 随着燃油持续流入 ARD 盖，燃油将打开两个排放单向阀。 先导燃油通道和主燃油通道中有一个排放单向阀。 这些排放单向阀在系统没有被使用时将燃油保持在 ARD 燃油喷嘴和先导/主燃油阀之间。
接着，燃油进入燃油喷嘴。 燃油喷嘴包含两条独立通道，用于先导燃油和主燃油。 燃油喷嘴还包含一个加热元件。 加热元件用于清洁燃油喷嘴端的积碳。 加热元件由安装在 CEM 电子面板上的固态继电器通电。 发动机 ECM 向继电器定期发送信号，使蓄电池电压施加到加热元件上并使线圈通电。 线圈温度最高可达 550 °C (1022 °F)，以便清除积碳。
要运行加热器循环，下述参数必须符合最低要求：蓄电池电压, 发动机冷却液温度 和 发动机转速。 循环触发后，加热喷嘴循环运行 60 分钟。 加热器循环的触发时间由许多因素决定。 两个主要因素为加热器循环和 DPF 再生完成之间的时间。 首次触发发生在加热器循环达到 7.5 小时，并已成功完成 DPF 再生时。 另一次触发发生在加热器循环与完成 DPF 再生的多次尝试之间的 15 小时。 第三次触发发生在加热器循环之间的 20 小时。 影响加热器循环运行时间的其他因素为流经喷嘴的燃油量和 DPF 再生之间的时间。
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| 图 12 | g02436261 |
(34) 先导排放单向阀 (35) 主排放单向阀 (36) 燃油喷嘴 (37) 加热元件 | |
后处理空气系统
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| 图 13 | g02444264 |
(4) ARD 本体 (6) ARD 盖 (11) 燃烧空气管 (12) 来自涡轮增压器的排气 (13) 燃烧空气阀控制器 (14) ARD 燃烧空气阀 (38) 至 DOC 和 DPF 的排气 (39) 排气歧管 (40) 涡轮增压器 (41) 至后冷器的压缩空气 (42) 燃烧空气进口压力传感器 | |
排气
排气从涡轮机壳体流向 ARD 本体。 排气随后流过柴油氧化催化器（DOC）和 DPF。 排气随后通过消声器（如有配备）排出。
燃烧空气
供应给 ARD 盖的气体来自于涡轮增压器压缩机出口。 该空气的压力是在 ARD 燃烧空气阀的进口处由燃烧进气压力传感器测得。 该空气随后由 ARD 燃烧空气阀计量。 ARD 燃烧空气阀包含 DC 电机和模拟位置传感器。 通过 ARD 空气阀控制器指令 ARD 燃烧空气阀。 ARD 空气阀控制器通过 J1939 数据链路与发动机 ECM 通信。 ARD 空气阀控制器向发动机 ECM 发送空气阀位置信号。 发动机 ECM 随后向 ARD 空气阀控制器发送所需的阀位置。 ARD 空气阀控制器将所需的阀位置指令转化为百分比电流指令，然后发送给 ARD 燃烧空气阀。 ARD 燃烧空气阀将阀移到所需的位置，然后将新阀位置传回给 ARD 空气阀控制器。
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| 图 14 | g02436316 |
(13) 燃烧空气阀控制器 (14) ARD 燃烧空气阀 (22) 电子控制模块（ECM） (43) 通过 J1939 传送的所需位置指令 (44) 控制 ARD 燃烧空气阀的双向电流 (45) 通过 J1939 发送的实际阀位置数据 (46) 通过电压信号发送的阀位置数据 | |
空气由 ARD 燃烧空气阀计量后，流入 ARD 盖。 ARD 盖含有旋流板，设计用于搅动要与燃油混合的空气。 经搅动后的空气可使空气/燃油混合物更充分地燃烧。
冷却系统
两条管循环 ARD 盖中的冷却液。 冷却液用于延长 ARD 喷嘴 O 形密封圈的寿命。
柴油微粒滤清器（DPF）系统
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| 图 15 | g02436318 |
(47) DPF 进口和压差传感器 (48) DPF 进口温度传感器 (49) RF 烟尘传感器天线 (50) RF 烟尘传感器监控器（远程安装） | |
注: RF 烟尘传感器监控器 (50) 的硬件可能存在，但是无法再工作。
DPF 系统包括两种滤清器介质。 排气接触的第一种滤清器介质是柴油氧化催化器（DOC）。 该滤清器是一种直通型滤清器。 DOC 包含在 DPF 碳罐的进气段中。 DOC 滤清器含有铂和钯。 随着排气流过滤清器，这些矿物质可帮助氧化碳氢化合物、一氧化碳和可溶性有机部分。 DPF 碳罐的进口段还包含下列各项：一个温度传感器, 一个 RF 无线电频率天线, 一个 DPF 进口压力传感器的测压口 和 一个 DPF 压差传感器。 这四个部件均置于 DOC 前面。 这些部件的用途是：
DPF 进口温度传感器
测量进入 DPF 碳罐组件的温度。 该温度测量值主要在再生期间使用。 该温度用于控制 ARD 燃油和 ARD 气流，以保持所需的 DPF 进口温度。
RF 烟尘传感器天线
RF 烟尘传感器监控器的硬件可能存在，但是无法再工作。
DPF 压差传感器
压差传感器也用于测量 DPF 中收集到的烟尘。 压差传感器测量经过 DPF 的压力降。 由于压差传感器测量的是经过 DPF 的流动阻力，故传感器还将检测烟灰负载。
DPF 进口压力传感器
用于测量 DPF 产生的背压。
一旦排气流过 DOC，排气就会进入 DPF。 DPF 是一种陶瓷滤清器。 DPF 采用了一种壁流设计。 该设计是一种多孔壁结构，可允许干净的排气流过，但会阻止烟尘或颗粒物质通过。
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| 图 16 | g02444298 |
DPF 内部构件的截面图 | |
点火系统
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| 图 17 | g02436317 |
点火系统的部件 (9) 火花塞 (16) 点火线圈 (51) 点火导线 | |
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| 图 18 | g02444316 |
(6) ARD 盖 (51) 点火导线 (52) ARD 燃烧盖上的接地点 | |
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| 图 19 | g02444318 |
典型的 ARD 燃烧盖 (9) 火花塞 (53) 接地电极 (54) 火花塞电极 | |
ARD 点火系统具有两条电路。 初级电路在 ECM 和点火线圈之间。 次级电路在点火线圈和 ARD 燃烧盖之间。 流过主电路的电流用来指示主电路和辅助电路的状态。 ECM 监控流过主电路的电流。 通过这种方式，ECM 能够检测到主电路和辅助电路的故障。
只要发动机转速大于 500 rpm，ECM 就会每秒产生 12 个点火脉冲。 导线向点火线圈的初级侧发送信号。 点火线圈位于清洁排放模块（CEM）的电子面板上。
点火线圈将点火脉冲转换为高压信号。 点火导线 (51) 将点火线圈输出连接至火花塞。 火花塞通过螺纹旋入 ARD 燃烧盖中。 火花在火花塞电极 (54) 和 ARD 燃烧盖内部的接地电极 (53) 之间跳跃。 火花点燃空气/燃油混合物。
接地线确保 ARD 燃烧盖和点火线圈之间的次级点火线路是完整的。 接地线沿环绕在点火导线 (51) 周围的绝缘体的内部布置。 接地线连接在两个接地点上。 一个接地点 (52) 位于 ARD 燃烧盖上。 另一个接地点位于点火变压器附近的电子面板上。