缸內直噴汽油機顆粒捕集器（GPF）技術研究進展

溫吉輝　滕勤

（合肥工業大學機械與汽車工程學院　安徽 合肥　230009）

缸內直噴汽油機顆粒捕集器（GPF）技術研究進展

溫吉輝滕勤

（合肥工業大學機械與汽車工程學院安徽 合肥230009）

闡述了國內外排放法規對直噴汽油機顆粒物的排放要求，分析了直噴汽油機顆粒物（PM）產生機理。介紹了汽油機顆粒捕集器（GPF）技術研究的最新進展及存在的問題，展望了汽油顆粒捕集器的發展趨勢。

直噴汽油機 顆粒物 GPF過濾效率 排氣背壓

引言

缸內直噴汽油機（GDI）因其較好的動力性、燃油經濟性、駕駛性及排放等優點，在乘用車上得到愈來愈廣泛的使用。根據保守估計，到2017年歐洲40%～60%的汽油機將是直噴汽油機［1］。GDI汽油機的燃油直接噴入氣缸，由此引起的油氣混合不均勻和燃油濕壁使顆粒物排放質量和數量顯著增加。國內外大量實驗研究表明，GDI汽油機顆粒物排放數量明顯多于傳統氣道噴射汽油機和配置DPF的柴油機［2］。目前國內對顆粒物的排放研究主要圍繞柴油機展開，有關GDI汽油機顆粒物及其控制處理的相關研究仍然較少。國外由于汽油機直噴技術使用較早且排放法規更加嚴格，對GDI汽油機顆粒物及其控制進行了較多的研究。通過優化燃燒系統，提高噴射壓力，調整點火及噴油正時等措施均可在一定程度上減少顆粒物排放。但是越來越嚴苛的法規要求直噴汽油機在更寬范圍的工況點都保持穩定而且較低的PM排放。因此，盡管GDI發動機技術仍在不斷發展，單純靠機內凈化難以滿足排放法規的升級。汽油機顆粒捕集器（GPF）被認為是應對GDI汽油機顆粒物排放限值最有效、最可靠的潛在技術［3］。

1　排放法規對顆粒物的限值

顆粒物排放評價指標分為排放質量PM（Particulate Mass）和排放數量PN（Particulate Number）。歐V法規中NEDC測試循環下同時對柴油機PM和PN進行了排放限制，針對缸內直噴汽油機僅對PM提出了5 mg/km的排放限值。日益嚴重的環境污染迫使排放法規的不斷升級。新的歐VI排放法規按照計劃分兩個階段實施，即從2014年9月1日實施EU 6b排放標準，從2017年9月1日實施EU 6c排放標準。新的排放法規中，顆粒物排放質量限值更加嚴格，PM限值降為4.5 mg/km。除此之外，歐VI排放法規增加了缸內直噴汽油機的PN限值，EU 6b PN限值為6.0×1012#/km，EU 6c PN限值 6.0×1011#/km。歐VI法規之前采用的都是NEDC測試循環，從EU 6c開始除NEDC循環外還將增加WLTP和RDE測試循環。相比于NEDC采用穩定的測試工況點，WLTP更多的采用了接近真實駕駛情況的多變工況。RDE測試循環則是采用便攜式排放測試系統（PEMS）對車輛在農村道路、城市道路、上下坡道路及高速公路實際行駛過程中測量［4］。WLTP和RDE測試循環的采用使直噴汽油機顆粒物排放面臨更加嚴峻的挑戰。歐VI排放法規及測試循環發展情況如圖1所示。

圖1　歐VI排放法規及測試循環發展

參照歐洲排放法規，針對缸內直噴汽油機，國V排放法規在PM限值4.5 mg/km的基礎之上，重新修改了顆粒物質量測量方法，并新增加了顆粒物排放數量（PN）6.0×1011#/km的限值。此外，將于2017年12月1日實施的北京市第六階段（京VI）排放標準在國V和京V排放法規的基礎上，參考美國加州LEV III標準，將NEDC測試循環更改為由美國FTP75（常溫）、FTP75（低溫）、激進駕駛循環（US06）、空調駕駛循環（SC03）和高速駕駛循環（HWFET）5工況組成的全面貼近實際駕駛工況的測試循環?？紤]到幾年內GPF的使用，京VI排放法規增加了GPF捕集性能下降和失效等故障診斷要求。由于對GPF的監測需要PM傳感器，增加了對PM傳感器的診斷要求。

2　直噴汽油機PM產生機理

汽油機顆粒根據粒徑的不同主要分為兩種：核態（顆粒物粒徑典型范圍3～30 nm之間）和聚態（顆粒物粒徑典型范圍30～500 nm）。核態顆粒物主要是發動機在燃燒過程中產生的易揮發有機成分、固態碳粒、金屬灰燼及硫酸鹽等通過成核作用形成的。聚態顆粒物主要是發動機燃燒過程中燃燒不完全生成的初級碳顆粒通過團聚并吸附HC、金屬灰燼和硫酸鹽等物質形成的［5］。相比于柴油機，汽油機顆粒物粒徑更小，對人體危害更大。

直噴汽油機顆粒物在冷啟動、加速及穩態催化劑加熱時產生最多［3］。冷啟動階段顆粒排放比較高的原因是冷啟動時，進氣流速和缸內溫度較低，燃油霧化較差，難以形成均勻的混合氣，從而造成顆粒物排放增加。穩態催化劑加熱過程中顆粒物產生較多主要原因可能是為了使催化劑盡快達到起燃溫度采取了增加噴油及推遲點火等措施使得混合氣過濃，燃燒質量惡化［4，6］。加速過程中，燃油噴射量隨負荷變大而增加，缸內溫度升高，過量空氣系數減小，混合器局部過濃的情況加劇，形成了大量的碳煙核心，這些碳煙核心經歷表面生長和凝聚，形成了顆粒物［7］。

3　GPF技術研究現狀

3.1GPF技術原理

為減少柴油機顆粒物排放，柴油機顆粒捕集器（DPF）已經成為柴油機后處理系統的標準配置。GPF則是針對汽油機引擎尤其是直噴汽油機系統滿足歐洲及中國更加嚴格的排放標準而專門研發設計的。隨著排放法規的不斷升級，GPF未來幾年內將成為直噴汽油機后處理系統的標準配置［8］。

GPF過濾機理與DPF基本相同。排氣以一定的流速通過多孔性的壁面，這個過程稱為“壁流”（Wall-Flow）。壁流式顆粒捕集器由具有一定孔密度的蜂窩狀陶瓷組成。通過交替封堵蜂窩狀多孔陶瓷過濾體，排氣流被迫從孔道壁面通過，顆粒物分別經過擴散、攔截、重力和慣性4種方式被捕集過濾［9］。大量研究表明，壁流式過濾器是目前減少顆粒排放最有效的手段［10］。

GPF的結構設計和優化主要以DPF為基礎，但GPF不能簡單地照搬照抄DPF，因為汽油機有不同于柴油機的顆粒生成特性、排氣溫度、排氣流速和氧濃度。美國康寧、日本NGK以及美國佛吉亞等公司在GPF應用研究上取得了較大的突破，已經出現了一些商業化的產品。國內無錫威孚公司開發了一種堇青石材質的壁流式GPF，其濾芯內壁的孔隙率為60%～70%，孔徑大小為18～25 μm，孔道密度為200～500目［11］。

3.2GPF過濾材料

決定汽油機顆粒捕集器性能的關鍵技術是過濾材料。過濾材料的過濾能力、機械強度、熱穩定性、散熱能力等物理性能直接影響GPF的結構設計，從而影響GPF的過濾效率、排氣背壓、使用壽命等指標。與DPF過濾材料性能要求相似，GPF過濾材料需具備以下性能［12-14］：

1）具有較高的微粒過濾效率，較低的排氣阻力；

2）較小的熱膨脹系數，熱穩定性好及能承受較高的熱負荷；

3）良好的抗高溫氧化性和耐熱沖擊性、耐腐蝕性；

4）較高的機械強度和抗振動性。

目前沒有某一種材料可以同時滿足上述所有性能要求。研究最多的GPF過濾材料主要有堇青石和碳化硅（SiC）兩種。

3.2.1堇青石材料

堇青石是目前使用最廣泛的過濾材料，其成本低廉，耐高溫、機械強度高。汽油機顆粒捕集器抗熱沖擊性能至關重要，較低的熱膨脹系數及良好的抗熱沖擊性能使得堇青石更適合汽油機顆粒捕集器［15］。堇青石具有較好的催化劑涂覆性能和更低的熱質量，這有助于縮短催化劑起燃時間，加上堇青石捕集器低溫時CO和HC的轉換效率較高，可有效減少冷啟動和催化劑加熱階段顆粒物的生成。堇青石的主要缺點是耐腐蝕性較差，徑向膨脹系數高于軸向膨脹系數。另外，較小的導熱率使再生時熱量不易散發而導致過濾器開裂［13，14，16］。

與SiC捕集器相比，堇青石比熱容更小，設計時需要更大的壁厚和孔道密度，這些措施提高了總熱容的同時也增加了排氣背壓。為了確定堇青石捕集器開裂問題的原因，Jung［17］等人仿真分析了高溫時的熱應力分布情況。研究表明，在捕集器孔道方角對稱軸線方向熱應力最高，捕集器開裂大都從應力集中處發生，如圖2所示。

圖2　GPF熱應力分布圖

3.2.2SiC材料

SiC材料分為兩類，重結晶SiC和Si-SiC［17］。與堇青石相比，SiC具有更優異的耐熱、耐蝕和導熱性能，機械強度也更高。SiC具有較高的導熱率及熱質量，再生時PM燃燒產生的熱量可以快速散發，溫度容易控制在材料的熱極限內，能夠承受更加惡劣的再生環境。SiC過濾材料的主要缺陷是抗熱沖擊性能較差，再生時在高溫沖擊下容易裂開。以重結晶SiC為例，發動機停機時，劇烈的熱變化導致聚集在顆粒捕集器表面的PM層從捕集器表面分離，這會導致高溫下過濾器因出現開裂而失效［17］。因此，SiC-GPF不像堇青石一樣制成整體蜂窩式結構，而是將組件用有一定彈性的陶瓷纖維粘結成整體，如圖3所示。這種結構可以顯著提高SiC-GPF的抗熱沖擊性能，但會增加排氣背壓。

圖3　碳化硅GPF（左）與堇青石GPF（右）的結構比較

3.3GPF研究發展及應用

GPF的設計及應用主要考慮的問題是：過濾效率、排氣背壓、再生、使用成本、耐久性及對燃油經濟性的影響等。在保證較高的過濾效率以滿足排放法規的前提下，盡量降低排氣背壓以降低油耗和CO2排放，保證周期性可靠的再生，提高GPF的使用壽命，降低使用成本成為當前的主要研究熱點。

在新時代背景下，我國拓展對外貿易亟需培育貿易新業態、新模式，以實現建設貿易強國的偉大夢想。隨著世界經濟進入“后危機”時代，中國經濟發展進入了新常態，這同時要求實現發展方式的轉變，促進發展更高質量的產品和服務，實現更有效率、更可持續的外貿經濟方式。在外貿領域的供給側改革，要求有一個以更加堅定的姿態，立足新時代高點的戰略，在于通過外貿供給側改革這一驅動力，構建全面開放新格局，最終建設貿易強國。

3.3.1GPF布置方案

GPF在汽油機排氣管上的布置主要由兩種形式，一種是和TWC集成到一塊安裝，距離排氣歧管較近，即緊耦合式布置（Closed-coupled）。另一種是直接安裝在TWC下游位置，即后置式布置（Underfloor）。兩種布置方案如圖4所示。

圖4　GPF布置方案

緊耦合式和后置式布置方案各有利弊。日本NGK公司Chika［18］等人實驗分析了GPF兩種安裝位置對PN和過濾效率的影響。試驗發現，GPF采用后置式布置時，PN過濾效率比緊耦合位置大約高15%。原因是后置式GPF與排氣管上游距離較遠，排氣溫度較低。兩組實驗分別測得后置式平均溫度為270℃，最高溫度為520℃，緊耦合位置平均溫度為410℃，最高可達660℃。較低的排氣溫度抑制了PM的燃燒，更有利于PM層的形成，過濾效率顯著提高。另一個原因是GPF后置式安裝時，排氣流速相對更低，由于布朗擴散和壁流速度密切相關，流速越低，相同時間內捕集的顆粒物越多。試驗結果如圖5所示。相比于后置式布置，GPF緊耦合位置安裝時排氣溫度較高，只要合理地控制空燃比以保證足夠的氧濃度，可實現GPF的再生。GPF位于排氣管下游位置時，或需要GPF周期性的主動再生，這增加了后處理系統的控制復雜程度。

圖5　GPF安裝位置對PN和過濾效率的影響

Reggie［19］等人為了驗證PM的累積是否需要周期性的主動再生，在一臺福特EcoBoost 3.5L V6直噴汽油機上采用兩種布置方案進行了耐久性試驗。試驗結果與Chika等人的試驗結果類似，GPF安裝在緊耦合位置時排氣溫度和排氣流速高于后置式，顆粒物過濾效率低于后置式。GPF后置式安裝時，在不影響駕駛舒適性的前提下，需要優化發動機控制來提供足夠高的溫度使GPF主動再生。

3.3.2GPF結構參數對過濾效率的影響

如上文所述，GPF的安裝布置對過濾效率有很大影響。除此之外，對顆粒捕集器過濾效率影響較大的參數主要由：孔徑、壁厚、孔密度及過濾體體積。

Ito.Y［3］等人利用孔隙率為65%、孔徑20 μm的1.4 L堇青石材質GPF在一臺1.4 LGDI發動機上研究了壁厚、孔密度對過濾效率的影響。實驗發現，安裝GPF后，顆粒物排放顯著降低，NEDC和WLTP循環下PN排放均遠低于EU 6c限值。增大過濾體壁厚、孔密度均可提高PN過濾效率。改變壁厚對PN過濾效率的影響大于孔密度的影響。幾何表面積對過濾效率的影響有待于進一步探究。

Chika［18］從平均孔徑、壁厚、GPF體積對過濾效率的影響進行了研究。減小孔徑、增加壁厚均可提高過濾效率。壁面氣流速度隨過濾體體積增大而減小，單位時間內顆粒捕獲量增多，提高了過濾效率。

Tak W.Chan［20］等人圍繞GPF對缸內直噴汽油機顆粒物排放的影響在FTP-75和US06循環下進行了試驗研究。試驗發現，FTP-75和US06循環GPF的過濾效率分別為82%和76%。只裝配TWC的直噴汽油機在兩種循環下PN分別比PFI汽油機高10和30倍。使用非催化GPF后，PN下降為2和8倍。US06循環中GPF過濾效率低于FTP-75是因為US06循環中頻繁的再生減少了碳層的形成。研究還發現，GPF過濾效率與排氣溫度密切相關。

3.3.3GPF結構參數對排氣背壓的影響

排氣背壓嚴重影響燃油消耗、CO2排放和發動機輸出功率。必須設法降低GPF造成的排氣背壓升高，以保證發動機良好的性能。與排氣背壓相關的GPF設計參數主要包括壁厚、開口橫截面、孔密度、平均孔徑等。

Ito.Y［3］等人圍繞孔隙率、平均孔徑（MPS）等參數優化對GPF排氣背壓的影響進行了研究。研究表明，采用高孔隙率材料（大于60%），較大的開口橫截面積，GPF排氣背壓較小。但是高孔隙率材料必須考慮其機械強度。因此，選擇合適的孔隙率必須綜合排氣背壓和機械強度。平均孔徑越大，壓降越小。單純從減少壓降的角度，應該盡量增大平均孔徑，但這會降低過濾效率。孔尺寸的選擇必須權衡排氣背壓和過濾效率。NGK公司基于大量實驗研究推薦最佳平均孔徑范圍為15～25 μm。實驗還研究了GPF催化劑涂層數量不同時壁厚對排氣背壓的影響。排氣背壓隨壁厚的減小而降低，催化劑涂層數量較高時，改變壁厚對排氣背壓的影響更明顯。

Shimoda［15］研究了低背壓設計的GPF。捕集器長度與直徑的比值（L/D）及安裝位置對壓降有重要影響。L/D從1.1減小到0.6后，壓降減小了52%。NEDC循環下，GPF后置式安裝時較低的排氣溫度和排氣流速使壓降比緊耦合位置低25%。較小的孔密度和壁厚，較大的開口橫截面積減小壓降的同時，造成了GPF結構強度的降低，制造受到限制。

Chika［18］等人從壁厚和開口橫截面積對壓降的影響及壓降對油耗、輸出功率的影響進行了試驗分析。根據DPF的經驗，為了減少壓降，應選擇較大的開口橫截面積。如圖6所示，通過改變GPF結構壁厚從12 mil/300 cpsi降到 5 mil/360 cpsi，開口面積從31%提高到41%，壓降減少了大約50%。減小壁厚有利于降低壓降。但是，考慮到壁厚對過濾效率的影響，GPF的結構優化時必須綜合考慮壓降和過濾效率之間的折中關系。研究還發現，在NEDC循環下，安裝GPF引起的壓降增加對CO2排放的影響幾乎可以忽略。全負荷工況下壓降增加10 kPa時，發動機功率輸出僅降低1%。

圖6　壁厚對壓降的影響

3.3.4GPF再生

顆粒捕集器長時間使用后，碳煙顆粒累積在捕集器微孔表面形成PM層，其存儲體積會逐漸減少［5］。PM層的形成有助于提高過濾效率，但排氣管中會出現節流效應，排氣流動阻力變大，從而導致油耗增加，發動機輸出功率下降，此時需要對GPF進行更換或再生處理。

GPF再生與以下因素密切相關：顆粒的累積總量、排氣溫度、氣流速度及氧濃度等。

Ito.Y［3］等人試驗發現理論空燃比下，GPF內部溫度達到650℃時PM開始燃燒。空燃比增大到17時，充足的氧氣使再生溫度降為500℃。Joerg［10］等人發現催化劑涂層有利于低溫時GPF的再生。Shimoda［15］利用一臺GPF緊耦合位置安裝的1.8 L稀燃GDI發動機進行了再生研究。穩態運行一段時間后PM積累量為4 g/L。過量空氣系數φat=1時（氧濃度為1.0%～1.6%），GPF進口排氣溫度超過500℃時PM開始燃燒。φat增大到1.16時（氧濃度大約3.2%～5.2%），排氣溫度超過400℃時 PM開始燃燒。Tak W.Chan［20］等試驗發現GPF的再生溫度范圍為600～650℃，采用US06循環時較高的排氣溫度使再生較容易發生，FTP-75循環時再生未發生。Ogyu［21］利用薄壁高孔隙率的重結晶SiC材質GPF試驗發現，較高的排氣溫度加上減速斷油時的氧濃度足以燃燒碳層使GPF被動再生。Nicolin［22］對汽油機碳顆粒的生成、氧化機理及GPF建立了模型，并在臺架上進行了驗證。試驗結果表明斷油時的氧濃度促使了被動碳氧化的發生。

4　結論與展望

缸內直噴汽油機在提高燃油經濟性、動力性、降低CO2排放的同時，會造成PM及PN排放增多。GPF可以有效地減少顆粒物排放，使汽油機顆粒物排放滿足不斷升級的排放法規。GPF最常用的材料是碳化硅和堇青石，材料的選擇需要綜合考慮過濾性能、再生及耐久性等。GPF的布置、壁厚、孔隙率、孔尺寸、孔密度等參數優化對GPF的過濾效率和排氣背壓有重要影響。過濾效率和排氣背壓二者之間具有折中關系，結構參數的優化需要綜合考慮這種關系。汽油機較高的排氣溫度使GPF容易在減速斷油時再生。

盡管國內外逐步對GPF展開了研究，但仍有許多問題亟待解決。當前GPF的研究主要朝以下方向發展：

1）GPF再生控制與發動機控制系統的結合。

2）灰分對GPF的影響及老化后對過濾效率、油耗的影響。

3）與GPF相關的OBD故障診斷監控及失效處理。

4）GPF與TWC整合成四元轉化器的實驗研究。

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A Research Review on Gasoline Particulate Filter Technology for Gasoline Direct Injection Engine

Wen Jihui，Teng Qin
College of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei University of Technology
（Hefei，Anhui，230009，China）

The emission requirements for particulate matter（PM）from gasoline direct injection（GDI）engines are elaborated.The mechanism of production and factors influencing PM emission from GDI engines are analyzed.The latest development progress and problems remaining to be solved on GPF technology are introduced.The development trend of GPF is prospected.

Gasoline direct injection engine，Particulate matter，Gasoline particulate filter，Filtration efficiency，Backpressure

TK411+.24

A

2095-8234（2016）01-0077-07

溫吉輝（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為內燃機電控技術。

2016-01-12）