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修车笔记

 
 
 

日志

 
 

陆虎TDV8 4.4升柴油机-柴油颗粒过滤器(DPF)  

2013-03-26 21:29:29|  分类: 捷豹陆虎 |  标签: |举报 |字号 订阅

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     随着能源危机和环境污染的日益严重,人们逐渐认识到提高柴油机技术水平是当今保持汽车大批量、低成本生产,解决环保与节能双重压力的最有效、最经济的手段之一。但柴油机颗粒物的排放较严重,颗粒过滤器是减少颗粒排放的最有效的装置,将现代电子技术运用于颗粒排放控制,提高颗粒过滤器的过滤效率是技术的关键。
    1 柴油机排气的有害成分
    柴油机排气的有害成分主要有CO,HC,NOx和硫化物、颗粒物及臭味等。因为柴油机混合气较稀,平均空燃比大于理论空燃比(α=14.8),CO,HC的排放明显低于其他类型车辆。但柴油机NOx、颗粒物排放却很突出,特别是颗粒物的排放远高于其他类型车辆,有试验表明柴油机颗粒物的排放是汽油机的数十倍。
    2 颗粒物的危害
    颗粒物上凝聚和吸附了相当多的有机物和无机物,包括有毒重金属、酸性氧化物等,这些颗粒可在空气中漂浮多达几十天,有害物质随颗粒物进入人体肺部,并有可能透过肺泡进入血液,引起呼吸系统生病、损伤肺、致癌、使人视力下降等。
    3 颗粒物的生成机理
    由燃烧室排放出的颗粒物(ParticulateMatter)有三个来源,一是不可燃物质;二是可燃但未进行燃烧的物质;三是燃烧生成物。燃烧过程中排出颗粒物的组成中大部分是固态碳(碳黑),另外还有碳氢化合物、硫化物和含金属成分的灰分等[1]。在燃烧纯气体燃料和液体燃料时都能形成碳黑,燃烧液体燃料时形成得更多一些。含金属成分的颗粒物主要来自于燃料中的抗爆剂、润滑油添加剂以及运动产生的磨屑等[1]。发动机的工况、柴油机燃料供给系结构、柴油的成分都会影响颗粒物的形成。概括起来有以下几个方面。
    3.1 壁面激冷
    未燃混合物与燃烧壁面接触,由于壁面激冷产生微粒排放。壁面激冷的原因有三:①喷油时间和喷油延迟不当、喷雾不良、涡流强度过低等;②缸内气体温度以及壁面温度;③柴油机工况改变时,温度场的延迟效应。
    3.2 局部燃油过浓
    在高负载下,局部燃油过浓将导致固体碳粒和黑烟的产生。燃烧开始时,喷束中心的油滴大于周围的油滴,局部空燃比小,产生不完全燃烧,生成大量微粒;喷油终了时,由于喷油压力和缸内的压差较小,油滴较大,易形成局部燃油过浓。
    3.3 着火延迟期长
    低负荷工况的着火延迟期长,容易产生局部燃油过稀,造成局部失火,引起大量的SOF(可溶性物质)HC的产生。
    3.4 柴油质量
    如果燃油中芳香族成分多、燃油粘度大以及蒸馏温度高,都会增加固体碳粒的产生。燃油中,硫化物含量对颗粒物的生成量也有很大关系。
    4 颗粒物过滤器
    4.1 颗粒过滤器的作用
    过滤器的作用是拦截并储存颗粒。当过滤器收集到的颗粒物太多影响柴油机工作时,用更换过滤器或对收集的颗粒采用氧化或燃烧的方法进行清洁,使颗粒过滤器恢复原状重新工作。
    4.2 颗粒过滤器的结构和分类
    颗粒过滤器通常为圆筒形,直接串联在排气管路中。根据过滤器的结构不同,可将颗粒过滤器分为整体式及非整体式两大类。
    整体式过滤器的滤芯为整体蜂窝状,常用堇青石(MgO,Al2O3SiO2组成)制成。两端面孔道的进、排气孔间隔地用陶瓷塞堵住。排气经过细微多孔的壁时,颗粒被截住[1],如图1[2]所示。
    非整体式颗粒过滤器的滤芯是由耐高温的金属丝网或陶瓷纤维等构成,排气从弯曲的微小孔道中通过。当采用矩形截面的金属线时,一般在其外表包括一层γ-Al2O3,由于γ-Al2O3表面呈松枝状结晶,比表面积大[1]
                              

陆虎TDV8 4.4升柴油机-柴油颗粒过滤器(DPF) - 随随便便(王艳成) - 修车笔记

 
    4.3 对颗粒过滤器的要求
    1)过滤效率高
    颗粒过滤器的过滤效率为单位里程(或单位时间)在过滤器中收集到的颗粒质量与单位里程(或单位时间)进入过滤器的颗粒质量之比。颗粒过滤器的过滤效率一般为50%80%
    2)可自行再生
    在排气温度和催化剂的作用下,烧掉积累在过滤器内的颗粒,减少废气流动阻力。即在宽的负荷范围内有自行再生的能力。
    3)滤芯材料性能好
    当进行再生处理时,由于颗粒的燃烧,要释放出大量热量,温度可高达1000℃以上。因此,滤芯材料应能承受高温及热冲击,应具有足够的强度、化学稳定性、抗热裂等性能。
    4)过滤器容积适当
    在保证足够的过滤效率和较小的流通阻力的前提下,应尽可能减小外形尺寸,并且应具有一定的通用性。
    5)寿命长
    过滤器在排气管路中,要受到热胀、振动以及由此产生的机械应力和热应力作用,因此应有足够的可靠性。
    4.4 颗粒过滤器的再生技术
   颗粒过滤器的容积有限,使用一段时间后,排气背压会增加,如不及时地清除掉颗粒,柴油机性能会变坏,比油耗增加。所以应对过滤器进行及时的再生。
    过滤器再生的原理是使颗粒发生氧化反应变成CO2气体随尾气一起排入大气。能否进行再生主要取决于以下三个方面:
    1)温度是否大于开始着火燃烧的最低温度。
    2)氧浓度是否大于2%
    3)是否有足够的反应时间。
    柴油机在高速、大负荷运转时,排气温度可以达到600℃以上,过滤器的颗粒能较快地氧化燃烧;而在部分负荷、小负荷时,由于温度低,不能进行颗粒过滤器的再生。为了能在多种工况下使颗粒物发生氧化反应变成CO2气体,一般采用降低颗粒开始着火燃烧的最低温度或提高排气温度的方法[1]
    4.4.1 降低颗粒开始着火燃烧的最低温度
    1)在滤芯材料表面涂催化剂(如铂、钯、铜、铅及锰等金属化合物)。但这种方法只有与催化剂表面接触的颗粒,才能在较低温度下进行催化燃烧。
    2)在燃油中加入催化剂。其中一种方法是预先调制成混合燃料,另一种是边混合边使用。
    在排量为4.3L柴油机上的试验表明,柴油中加入不同金属化合物催化剂,能使整体式多孔陶瓷过滤器的颗粒物发生催化燃烧的最低温度(也称点燃温度)明显降低。如未加催化剂时颗粒点燃温度600700,当分别加入0.13g/L的铜、铅、锰时,颗粒点燃温度分别为400450,450500,500550[1]
  4.4.2 提高排气温度
   1)采用进气节流、排气节流、推迟喷油时间、加热进气等方法提高排气温度,但这些方法都会产生燃油消耗增加等新问题。
   2)设置燃烧器。在过滤器入口前,设置一燃烧器,用喷油器向燃烧器喷入少量燃油,利用排气的氧或另外供给燃烧器的二次空气,用火花塞或电热塞点燃燃油,产生高温燃气,点燃过滤器中的颗粒。一般经过12min,即可完成再生过程。
  4.4.3 逆向再生方式的颗粒过滤装置
   1)带电加热器的颗粒过滤装置
    这种装置的特点是对收集在过滤器内的颗粒采用从过滤器出口侧到入口侧进行燃烧的逆向再生方式。
    如图2[1]所示,该装置由一个过滤器和排气旁通管组成。其工作过程是:根据发动机负荷和转速判断发动机是否处于怠速工况,如果处于怠速工况,再判断过滤器压降是否大于设定值,如果条件成立,即进行再生处理。过滤器捕集到的颗粒量不同,发动机怠速连续运转时的压差不同。当捕集的颗粒达到一定量后,过滤装置控制系统提醒驾驶员对过滤器进行再生。驾驶员停车并判断时间超过10min,合上再生开关,此时所有排气从过滤器旁通管通过,电加热器自动启动,二次空气由鼓风机送入过滤器,以加速过滤器内颗粒的燃烧。整个再生过程仅需几分钟。
                     

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    与传统再生方式相比逆向再生的优点为:
    ①在过滤器出口侧的颗粒比进口侧的多,容易点燃累积的颗粒并易于初始燃烧。②有利于将颗粒燃烧温度控制在较低水平,扩大过滤器内累积颗粒安全再生的上下限。
    ③在逆向再生中,二次空气流可将颗粒燃烧产生的热量从过滤器壁带走。而传统再生产生的热量直接传给过滤器壁,造成温度过高,损坏或烧坏过滤器壁。
    ④缩短所需的再生时间。
    2)带逆向喷气净化器的颗粒过滤装置
    该装置的特点是将过滤器与颗粒燃烧部分隔开。所以该装置解决了以下两个问题:①再生时由于颗粒燃烧放热使过滤器产生裂缝和熔化;②因颗粒燃烧留下灰烬并在过滤器内累积。
    3[1]是带有四块横流过滤器的过滤系统。含有颗粒的废气从过滤器上部流入过滤颗粒的圆柱形通道,没有颗粒的废气从侧壁缝隙排出。急速喷射的压缩空气从与排气流相反的方向喷入,清除掉柱形通道表面的颗粒,掉下来的颗粒落到漏斗里,由其中的铠装电加热器燃烧掉。蝶形阀的作用是控制排气,提高逆向喷气净化的效果。
    蝶形阀在进行逆向喷气净化的瞬间关闭,防止压缩空气反向流动。
    该装置的优势在于不管发动机处于什么工况,随时都可进行净化。如果在发动机工作时进行净化,过滤装置的压降要增加一倍,但因为仅需0.45s时间就可完成逆向喷气净化,所以不会给发动机工作带来任何影响。
    

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    4.5 A6L3.0I-V6-TDI型柴油发动机颗粒过滤器
    4.5.1 过滤器结构
    如图4所示,该颗粒过滤器的滤芯为陶瓷材料,陶瓷壁上涂有一层铑和氧化陶瓷的混合物。滤芯的结构与传统的催化转化器相似,二者的区别在于该颗粒过滤器的通道在进气和排气方向上是交替锁闭的,这样含有炭烟的废气必须得穿过透气的氧化硅层,才能流到排气系统出口,炭烟则滞留在陶瓷壁上。
                

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    温度传感器G488的作用是调节第二次补充喷油的喷油量,使过滤器前的温度达到620,以提高炭烟颗粒的燃烧速度。
    压差传感器作用是监控颗粒过滤器前后的压力差、识别过滤器是否被炭烟堵塞。
    4.5.2 还原反应
    被动还原(即不由发动机管理系统控制):当温度是350500℃时,颗粒过滤器中所含的炭烟被缓慢而仔细地转化成CO2;
    主动还原:当温度达580℃时,涂层中的氧化陶瓷成分可利用氧气来加速热还原反应。方法是通过补充喷油(与主喷油接近)、加大喷油量、延迟喷油时刻、关闭废气再循环、阻塞节气门等多种方法来将涡轮增压器的温度提高到约450℃。
    4.5.3 控制过程
    发动机控制单元中有一个预先编制好的模拟程序,该程序根据使用者的驾驶风格和压差传感器获得的信号来判断过滤器的吸附饱和程度,在必要时执行主动还原程序。对于常见的城市循环工况,每行驶10002000km应通过发动机管理系统来进行一次主动的还原过程。
    当催化转化器的温度超过350℃时,进行第二次补充喷油。由于补充喷油时刻与主喷油有段时间差,燃油仅被汽化,而尚未燃烧。这些燃油蒸汽在催化转化器处发生反应,将气体温度提高到750,于是炭烟颗粒就开始燃烧。
    机油燃烧后的剩余物(机油灰)无法除掉,累积在过滤器内,从而导致过滤器失效。因此,当行驶里程达到150000200000km,必须更换过滤器[3]

   陆虎TDV8 4.4 升柴油机 -柴油颗粒过滤器(DPF) - 系统操作和部件说明

         使用两种过程以再生DPF; 被动和主动。

被动再生

被动再生不需要发动机管理进行专门干涉,它在发动机正常运作时发生。 被动再生包括对DPF中转化为二氧化碳微粒物质进行缓慢转化。 此过程在DPF温度达到250°C (482°F)时为主动过程,在车辆处于较高发动机负载和速度时为连续性过程。

在被动再生过程中,仅有一部分微粒物质转化为二氧化碳。 这是由于仅在正常操作温度范围,即250°C500°C (482°F to 932°F)时才有效的化学反应过程。

高于此温度范围,微粒转化为二氧化碳的有效性在DPF温度升高时增加。此温度仅在使用主动再生过程时才能达到。

主动再生

主动再生在DPF的微粒负载达到监控阈值时开始,或者由DPF控制软件决定何时开始。 阈值根据驱动类型、里程数和差速器压力传感器发出的背压信号来计算。

虽然由车辆如何行使决定,但主动再生一般每250英里(400千米)发生一次。 例如,如果车辆定期在城市交通状况下以低负荷驾驶,主动再生将会更常发生。 这是由于相比高速驾驶时发生被动再生,微粒在DPF中能够快速生成。

DPF软件纳入里程触发,此功能相当于对主动再生的补充。 如果主动再生没有被从差速器压力传感器发出的背压信号启动,则根据所行距离对再生进行要求。

DPF的主动再生在DPF温度升高至微粒燃烧温度时开始发生。通过升高排气温度提高DPF温度。 这可以在导向和主燃油喷射发生后,通过引用燃油的后喷射达到。

这由DPF软件决定,此软件监测从两个DPF温度传感器发出的信号以建立DPF温度。 取决于 DPF 温度,DPF 软件请求 ECM (engine control module) 执行一次或两次燃油后喷射:

燃油的第一个后喷射阻止气缸内的燃烧,这会增加排气温度。

燃油的第二个后喷射在动力冲程循环发生。燃油在气缸内发生部分燃烧,但催化转化器内发生发热情况时,一些未燃烧的燃油也变为废气,这会进一步提高DPF的温度。

主动再生过程最长需要约 20 分钟完成。第一阶段提高DPF温度至500°C (932°F)。 第二阶段进一步提高DPF温度至600°C (1112°F),这为微粒燃烧的最佳温度。 此温度维持1520分钟以确保完成DPF内微粒的燃烧。此燃烧过程将碳微粒转化为二氧化碳和水。

DPF的主动再生温度由DPF软件密切监测以维持DPF进口的目标温度600°C (1112°F)。 温度控制确保温度不会超过涡轮增压器和催化转化器的操作限度。涡轮增压器进口温度不能超过830°C (1526°F),而催化转化器温度不能超过800°C (1472°F),出口温度必须保持在750°C (1382°F)以下。

在主动再生过程中,将会发生下列由 ECM 控制的事件:

涡轮增压器保持在完全打开位置。这可将从排气至涡轮增压器的热量传输最小化并降低排气流动率以达到DPF的最佳热量。 如果驾驶员要求升高发动机扭矩,涡轮增压器将会通过在必要时关闭叶片以响应。

节气门被关闭,因为这可以帮助提高排气温度并降低排气流通率,将会降低DPF达到最佳温度的次数。

EGR (exhaust gas recirculation) 阀门关闭。 使用 EGR 会降低废气温度,因此会阻止达到最佳 DPF 温度。

有时电热塞会激活长达40秒提供多余热量以协助提高DPF温度。

如果由于车辆使用和/或驱动类型,主动再生过程不能发生或无法再生DPF,经销商能够再生DPF。 这可通过驾驶车辆直至发动机达到其正常操作温度然后以不低于 30 英里/小时(48 公里/小时)的速度再驾驶 20 分钟,或者通过将经认可的 Land Rover 诊断系统连接至车辆使其运行自动静态再生程序以清洁 DPF

DPF 控制

DPF要求持续监测以确保以其最佳效率操作并不会堵塞。 ECM 包含 DPF 软件,可控制 DPF 系统的监测和操作,还可以监测其他车辆数据以确定再生周期和保养间隔。

DPF软件能够被分为三个独立的控制软件模块; 一个DPF监测模块、一个DPF燃油管理模块和一个DPF空气管理模块。

这三个模块由第四个软件模块,即DPF共同协助模块控制。当要求主动再生时,共同协助模块管理其它模块的操作。 DPF监测模块为DPF共同协助模块的子系统。

DPF 燃油管理模块

DPF燃油管理模块控制下列功能:

l  每个冲程四个分割喷射的时间和数量(导向、主喷射和两个后喷射)。

l  喷射压力和喷射的三个不同传输校准层之间。

上述功能由催化转化器和DPF的情况决定。

控制喷射决定所需喷射水平并测量催化转化器和DPF的活动。燃油管理评估四个分割喷射、喷射压力的每三个校准层的数量和时间,并管理各层之间的传输。

两个后喷射需要将提高气缸内气体温度和产生碳氢化合物的功能分开。 使用第一个后喷射产生较高气缸内气体温度,同时在正常(非再生)发动机操作时维持相同的发动机扭矩输出。使用第二个后喷射通过使未燃烧的燃油进入催化转化器但不提升发动机扭矩以产生碳氢化合物。

DPF 空气管理模块

DPF空气管理模块控制下列功能:

l  EGR 控制

l  涡轮增压器增压压力控制

l  进气温度和压力控制。

在主动再生过程中,EGR 操作被禁用,并对涡轮增压器增压控制器的闭环激活进行计算。空气管理模块控制进气歧管的空气,使其达到预定的压力和温度。 此控制需要达到正确气缸内条件,使后喷射燃油能够稳定并强大的燃烧。

该模块通过启动 EGR 节气门并调节涡轮增压器增压压力控制来控制进气温度。

DPF协助模块

DPF协助模块通过启用并协助下列DPF再生要求以响应从监测模块发出的再生要求:

l  EGR 切断

l  涡轮增压器增压压力控制

l  发动机负载提升

l  进气歧管内空气压力和温度的控制

l  燃油喷射控制。

当监测模块发出再生请求时,协调器模块请求进行 EGR 切断以及特定于再生的涡轮增压器增压压力控制。 等待从废气再循环 (EGR) 系统发出的反馈信号,确认 EGR 阀被关闭。

EGR阀关闭,协助模块启用要求,通过控制进气温度和压力以升高发动机负载。

一旦接收到确认信号,进气条件受到控制或校准时间过期,协助模块改变状态以等待从驾驶员处发出的加速踏板释放操作。如果此情况发生或校准时间过期,协助模块将发出命令控制燃油喷射以提高废气温度。

差压传感器

当被DPF阻碍的微粒数量增加时,DPF进口一侧的压力较之于出口一侧的压力将会升高。 DPF软件使用此比较以及其它数据以评估被阻碍的微粒累积量。

通过测量DPF进口和出口的压力差和DPF温度,DPF软件能够决定DPF是否被阻碍并要求再生。

部件说明

一、     柴油颗粒过滤器(DPF)

DPF 系统将柴油微粒的排放降到了可忽略级别,以达到当前欧洲第 5 阶段的排放标准。

微粒排放是柴油机在一定负载情况下排放出的黑烟。 排放物为含有固体和液体成分的复杂混合物,排放物主体为发动机燃油与润滑剂所冷凝成的碳微球。

柴油微粒过滤器(DPF)系统由下列组件组成:

l  柴油颗粒过滤器(DPF

l  集成到 ECM DPF 控制软件

l  差速器压力传感器。

DPF安装于排气系统中,位于催化转化器下游。 其用于捕获发动机排出的废气中的微粒物质。 DPF的主要功能为再生。 再生指燃烧被滤清器捕获的微粒,以清除废气自由流动的障碍。 再生过程按照指定的时间间隔发生,无需驾驶员留意。

再生过程是最重要的,因为过量填充的滤清器可能会通过过高的排气背压损坏发动机、损坏或损毁滤清器自身。滤清器所捕获的物质大部分属含有被吸收碳氢化合物的碳微粒。

DPF采用基于催化涂层的过滤技术。 DPF由硅碳制成,安装于一个钢制容器中,它具有出色的抗热震性和热传导特性。 DPF是为满足发动机保持最佳背压的操作需求而设计。

滤清器的多孔表面包括几千个小而平行的管路,这些管路位于排气系统的纵向方向。 滤清器中的临近管路在末端交替插接。此设计使废气流通经过多孔滤清器墙,此滤清器墙相当于滤清媒介。 较大而不能通过多孔表面的微粒物质被采集并储存在管路中。

如果不将被收集的微粒物质去除,废气流动可能会受到阻塞。 这些微粒通过燃烧微粒的再生过程去除。

再生过程使用 NO2 去除 DPF 中的微粒。 NO2 DPF 的催化转化器上游生成。 催化转化器将产生超过250C (482F)的温度,到达此温度时,再生过程将开始。

DPF再生由DPF排气的温度控制。 DPF包括滤清器表面涂层,此涂层包括铂和其他组件并与催化转化器相似。 对于某些废气和DPF温度,涂层能够氧化一氧化碳和碳氢化合物的排放,并能够使微粒燃烧。

废气和 DPF 温度由位于 ECM中的 DPF 软件控制。 DPF软件根据驱动类型、行驶距离和从差速器压力传感器和温度传感器发出的信号以监测DPF的负载状态。 当 DPF 装载的颗粒达到预定水平时,将通过调整各个发动机控制功能(并与 ECM相结合)来对 DPF 进行活性再生,这些功能包括:

l  燃油喷射

l  进气节气门

l  电热塞激活

l  废气再循环

l  涡轮增压器增压压力控制。

再生过程可以使用,因为共轨喷射发动机的可变性能够提供对燃油流动、燃油压力和喷射时间的确切控制,这些对帮助足够的再生过程非常重要。

二、     柴油颗粒过滤器温度传感器

DPF系统中使用两个温度传感器。 一个位于HO2S附近的涡轮增压器出口弯道,另一个位于DPF进口。

传感器测量从涡轮增压器排出的废气温度并在废气经过DPF前提供用以评估DPF温度所需信息。

使用此信息以及其它数据以估算微粒累积量并控制DPF温度。

三、     仪表组指示

如果驾驶员通常以低速行驶,而且行驶距离较短,DPF可能无法有效的再生。在此种情况下,DPF 可以通过差速器压力传感器发出的信号探测 DPF 阻塞物,并向驾驶员发出以下警告:

消息“DPF FULL. See Manual”DPF 已满,参考手册)将会提醒驾驶员 出现此情况。 《车主手册》中详细说明驾驶员应驾驶车辆直至发动机达到其正常操作温度然后再以低于30 mph (48 km/h)的速度驾驶20分钟。 PF FULLDPF已满)消息将不再显示以告知驾驶员DPF的成功再生。 如果 DPF 软件检测到 DPF 仍被阻塞,则仍将显示该消息,或显示另外一条消息“DPF FULL VISIT DEALER”DPF 已满,联系经销商)。 驾驶员应将车辆交给经授权的经销商,以便使用认可的诊断系统来强制 DPF 再生。

四、     柴油微粒过滤器边侧效应

下列部分详细说明由主动再生过程导致的边侧效应。

1.   机油稀释

机油稀释可能由于少量燃油在后喷射阶段进入发动机曲轴箱而发生。 如果需要,应根据驱动类型引进评估以降低机油保养间隔。仪表组的消息将会通知驾驶员机油保养的情况。

DPF软件监测驱动类型以及主动再生的频率和持续时间。 使用此信息能够产生发动机机油稀释的计算。当DPF软件评估发动机机油稀释已达到预定阈值(燃油为发动机机油量的7%),保养消息将会显示在仪表组上。

根据驱动类型,有些车辆可能需要在指定间隔之前进行机油保养。 如果保养消息显示,车辆将需要全面保养并需要重置保养间隔。

2.   燃油消耗

DPF的主动再生过程中,耗油量将会升高。 主动再生操作时,耗油量将会升高100%

然而,因为主动再生发生不频繁,对耗油量的总体影响约为2%。 主动再生过程中的剩余燃油被计入显示在仪表组上的即时平均耗油量。

3.   差压传感器

差速器压力传感器由DPF软件使用以监测DPF的情况。 位于传感器上的两根管道连接由DPF进口和出口末端的管道连接。管道使传感器能够测量DPF进口和出口的压力。

 

 

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