汽油顆粒捕獲器與機動車污染物排放

◆文/江蘇 周敏

WHO(世界衛生組織)的研究報告表明，超細顆粒物(UFP)能夠隨呼吸進入人體循環系統，對健康有明顯的傷害作用，WHO的報告也建議各國政府制定法規，對發動機排放的超細顆粒物進行控制。盡管汽油車的顆粒物排放并不像柴油機顯著，但近年來的研究結果顯示，GDI缸內直噴技術會增加汽油機細顆粒的排放。隨著全社會對機動車污染的日益關注，汽油機顆粒物排放日益成為全球法規的監管重點。歐洲和我國都在近期實施的法規中明確了車輛顆粒物排放限值，從控制超細顆粒物排放的角度出發，對車輛單位里程排放顆粒物的數量和重量提出了要求。

汽油顆粒捕獲器GPF，是當前最有效的控制汽油機顆粒物排放的技術手段，已經開始在部分市售車型上裝備，在國六和歐六階段大量上市。本文從應用GPF的必要性、設計因素，應用效果等角度闡述了汽油機顆粒捕獲器的典型特征，供工程技術人員參考。

一、GDI發動機市場份額的提升

為滿足更加嚴格的能耗要求和二氧化碳排放法規，過去十年中，歐洲乘用車市場中汽油GDI發動機份額顯著增長。與歐洲類似，由于我國機動車第三階段油耗法規的實施，小排量的缸內直噴汽油機已經是市場主流。

在歐洲市場，2008年GDI發動機市場份額僅3%，到2018年已經達到50%。中高端汽車品牌中，GDI發動機已經是主流車型的必選技術(圖1)。

二、排放法規日益嚴格

2016年12月23日，環境保護部頒布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，簡稱國六法規，法規包含國六a和國六b兩個階段。從2019年7月1日起，北京、上海、廣東、江蘇等十幾個省份已提前開始實施國六，不滿足國六標準的新車無法上牌。從2020年7月1日起，全國范圍都將實施國六a階段排放法規。從2020年7月1日起，全國范圍都將實施國六b階段排放法規。

相比國五法規，國六法規加嚴了對HC、CO、NOx等氣態污染物的排放限值要求，輕型車不分燃料種類和發動機技術路線，都需要滿足相同的氣態污染物和顆粒物排放要求。針對顆粒物排放，在WLTC測試循環下，排放數量不得大于6×1011個/km。從2023年國六b法規實施起，實車駕駛排放(RDE)車輛污染物排放也需要滿足限值要求。

三、采用GPF的必要性

盡管GDI技術能夠有效的降低油耗，但GDI發動機的顆粒物排放較高。實驗顯示，GDI發動機的原車排放普遍高于6×1011個/km，僅靠發動機自身難以達到法規對顆粒物數量的排放要求，必須采用后處理措施來降低顆粒物排放量。如圖2所示，當原機排放為2×1012個/km時，裝備涂覆過的GPF，能有效降低顆粒物的排放，其顆粒物的過濾效率超過了90%。

圖1 GDI發動機在歐洲各汽車品牌中的銷量占比

圖2 GPF裝車效果

四、GPF對顆粒物的捕獲機理

根據美國加州空氣資源委員會的研究，進氣道噴射發動機(PFI)排放的顆粒物直徑一般小于30nm，主要排放來自冷啟動階段。而GDI發動機排放的顆粒物，粒徑一般較大，顆粒的平均粒徑在高峰時為70～80nm，在發動機冷啟動階段為50～90nm。GPF通過擴散、碰撞和攔截三種方式捕獲尾氣中的顆粒物，較小的顆粒一般由于擴散作用，較大的顆粒一般由于碰撞和攔截作用被捕獲。因此，新鮮狀態的GPF對尾氣中不同組分粒徑的過濾效率并不相同。GPF對于較大和較小的顆粒物都有很高的過濾效率，但顆粒物直徑在200nm左右時，過濾效率相對較低。

五、GPF的主要結構和作用形式

相比柴油機，汽油發動機在典型駕駛工況下的炭煙顆粒物排放要少的多。因此，GPF需要的再生頻率更低，使用的壁流式載體相對DPF來說體積也小的多。GPF的工作溫度比DPF更高，更有利于發生被動再生，較高的溫度也使GPF上涂覆的三元催化的活性更好，有利于氣態污染物的轉化。

碳顆粒物在汽油機尾氣中積累的量相比柴油機要少的多，因此GPF需要具有低背壓損失和高過濾效率；在沒有顆粒物積累的情況下，高孔隙率GPF允許更高的涂層上載量，同時三元催化劑涂層也能提升GPF的過濾效率。對GPF的設計要求可以總結如表1所示。

六、GPF的應用

GPF的布置比較靈活，可以安裝在發動機排氣歧管緊耦合位置或者車輛底盤下。可以采用涂覆的GPF產生部分三元催化轉化效果，減小系統所用的三元催化器的體積(圖3)。

表1 GPF設計要求

將GPF盡量前移至緊耦合位置能提高GPF的再生效果，當前主流結構是將GPF布置在TWC之后，以避免GPF過快老化，同時保證GPF有效再生。但從優化背壓的角度考慮，GPF的體積不宜過小，相比三元催化劑需要占用更大的發動機艙空間。為了確保車輛滿足OBD法規的要求，需要在底盤下布置一個TWC，保證劣化后NOx的排放控制效果。

圖3 典型的GPF布置方式

GPF背壓與燃油油耗密切相關，與過濾效率也密切相關。GPF的設計參數如開口率、壁厚、孔密度、孔隙率，平均孔徑和長徑比等都會影響其背壓表現GPF過濾效率與壁厚關系如圖4所示。由于汽油機尾氣中的顆粒物含量非常低，因此GPF的平均孔徑需要被優化到在沒有碳煙層時也能提供較高的過濾效率。以孔隙率為65%的GPF為例，其顆粒物的過濾效率與壁厚和孔密度相關，GPF過濾效率與目數的關系如圖5所示。

優化GPF的長徑比能有效的降低背壓，在其他條件相同時，D143.8mm x L86mm 與 D118.4mm x L127mm的載體相比，背壓減少了52%。

GPF裝車后的過濾效率與駕駛工況密切相關，如在NEDC和WLTC工況下，PN的的數量有明顯的不同。在激烈駕駛工況下，車輛會排放出更多的顆粒物(圖6)。

圖4 GPF過濾效率與壁厚的關系

圖5 GPF過濾效率與目數的關系

圖6 不同駕駛工況下GPF的過濾效率

七、涂覆的GPF

帶有涂層的GPF能部分替代三元催化劑的功能，降低系統的體積和成本。為滿足更嚴格的OBD法規要求，歐6和國六系統都傾向于使用雙級或多級載體方案來保證催化劑OBD性能。國六法規對于帶有OBD涂層的GPF，要求OBD系統有針對GPF的診斷策略。涂層本身會增加系統背壓，因此針對帶涂覆的GPF，需要使用高孔隙率材料，高孔隙率的GPF能夠在承載更高的涂層上載量的同時保證過濾效率(圖7)。

圖7 涂覆催化劑對不同孔隙率下GPF背壓的影響

八、GPF的再生和耐久

發動機尾氣溫度和組分都會影響GPF中所積累的碳煙的再生。在當量燃燒發動機系統中，一旦發動機偏稀燃燒，氧含量較高，GPF核心的溫度達到650℃時就會發生再生。再生后GPF壓降減少非常明顯，GPF核心的溫度也會很快降低到500℃。涂覆催化劑的GPF能夠有效的促進炭煙的再生，使再生溫度降低約100℃。

已有多項研究表明GPF是可靠的后處理技術。GPF能夠在全壽命周期內將發動機排放控制在法規限制以內，且由于GPF中積累的灰分，其過濾效率在整個壽命周期中是逐步增加的。現有的耐久試驗也顯示優化過的GPF系統對車輛CO2的排放沒有顯著影響(圖8)。

圖8 安裝GPF后車輛里程與油耗的關系

九、未來展望

由于現有法規只要求測量尾氣中固態顆粒物粒徑大于23nm的部分，隨著發動機技術的進步，某些采用了高噴射壓力燃油系統的發動機不采用GPF，也能滿足顆粒物數量法規限值要求。

隨著測量技術的進步和健康環保的考慮，將更小的顆粒物也納入法規要求的呼聲越來越高。一項針對GDI發動機的測試表明，當考慮7～23nm粒徑的顆粒物時,無GPF系統無法將顆粒物的排放控制在6×1013個/km以下。從過濾效率的角度出發，GPF是確保顆粒物得到控制的必備部件。僅考慮大于23nm的顆粒物，則GPF的過濾效率在60%～80%之間。若同時考慮大于7nm的顆粒物，GPF過濾效率能夠達到70%～95%(圖9)。

圖9 GPF針對大于23nm和大于7nm顆粒物在不同RDE測試工況下的過濾效率

十、結論

汽油顆粒捕獲器GPF是一種高效耐久的顆粒物排放控制技術，能夠有效的控制來自直噴汽油發動機的超細顆粒物的排放。GPF的過濾效率會隨著使用時間的增加而提高，能夠滿足目前和未來階段的法規要求。