國Ⅵ汽油車顆粒物排放后處理應對策略

江蘇省相城中等專業學校 趙 偉

1 國Ⅵ汽油車降低顆粒物排放的措施

1.1 汽油機排放污染物及其后處理應對策略

汽油機排放污染物主要來自細顆粒排放物質（PM）、碳氫化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）和一氧化碳（CO）等4個部分。針對汽油機而言，尾氣后處理裝置主要有三元催化轉化器（TWC）、熱反應器、空氣噴射器和汽油機顆粒捕集器（Gasoline Particulate Filter，GPF）等。其中，三元催化轉化器是目前應用最多的廢氣后處理技術，也是大家相對比較熟悉的汽油車排放后處理技術。三元催化轉化器安裝在排氣支管之后、排氣消聲器之前的排氣管中，當發動機工作時，廢氣經排氣管進入三元催化轉化器，將汽車排氣系統中的有害物質碳氫化合物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）轉化為水蒸氣（H2O）、二氧化碳（CO2）和氮氣（N2）。針對輕型汽車國Ⅵ排放法規，對于后處理系統來說，有必要加大前級三元催化轉化器載體體積，并采用高目數薄壁載體以增加氣體反應的接觸面積，優化催化劑涂層配方，滿足氣體污染物排放要求。熱反應器是通過均質氣體的非催化反應來氧化汽油機排氣中碳氫化合物（HC）和一氧化碳（CO）的裝置。具體的應用情況是，在排氣道出口處安裝用耐熱材料制造的熱反應器，使尾氣中未燃燒的碳氫化合物（HC）和一氧化碳（CO）在熱反應器中保持高溫并停留一段時間，使之得到充分氧化從而降低其排放量。需要指出的是，熱反應器屬氧化裝置，不能除去氮氧化物（NOx）。空氣噴射器則是通過將新鮮空氣送入發動機排氣管內，從而使排氣中的碳氫化合物（HC）和一氧化碳（CO）進一步氧化和燃燒，即把導入的空氣中的氧（O2）在排氣管內與排氣中的碳氫化合物（HC）和一氧化碳（CO）進一步化合形成水蒸氣（H2O）和二氧化碳（CO2），從而降低排氣中碳氫化合物（HC）和一氧化碳（CO）的排放量。

汽油機顆粒物排放大部分是由碳或碳化物的微小顆粒所組成的。國Ⅵ排放法規相比國Ⅴ對尾氣的顆粒排放物提出了更加嚴格的要求，PM（細顆粒物重量）限值下降了33%，而且還新增了PN（細顆粒物數量）的限值要求，同時增加了實際道路試驗循環測試（RDE，Real Driving Emission）。當前，為了有效降低顆粒物排放，市場上出現了高軌壓、改良的多孔噴油器等諸多技術，但這些技術主要通過改善原始排放的方式來降低顆粒物質量，其效果視發動機基礎、匹配水平而異。這樣一來對那些原尾氣排放不夠好的主機廠來說，為了滿足新的標準就必須想辦法去降低發動機尾氣的顆粒排放物。而汽油機顆粒捕集器（GPF）是從排放后處理的角度來降低顆粒物排放的技術，其過濾效率高達90%，同時也能有效控制顆粒物數目，是目前各大主機廠采用的主流技術，具有廣闊的市場應用前景。汽油機顆粒捕集器（GPF）的作用是將排氣中的顆粒物吸附在過濾器管壁上，降低顆粒物質量（PM）和顆粒物數量（PN）的排放。

1.2 汽油機顆粒捕集器（GPF）簡介

汽油機顆粒捕集器（GPF）由流通式三效催化轉化器演變而來，是一種安裝在汽油發動機排放系統中的陶瓷過濾器，外型一般為圓柱體。主要以壁流式蜂窩陶瓷為載體，載體體內有很多平行的軸向蜂窩孔道，相鄰的兩個孔道內一個只有進口開放，另一個只有出口開放。排氣從開放的進口孔道流入，通過GPF載體多孔壁面至相鄰孔道排出。顆粒物通過攔截、碰撞、擴散、重力沉降等方式被捕集在載體的壁面內及壁面上，從而實現在微粒排放物質進入大氣之前將其捕捉。GPF過濾材料主要有堇青石、SiC（碳化硅）、AT（鈦酸鋁）、合金。目前研究與使用最多是堇青石。堇青石的主要優點在于成本低、熱膨脹系數小及耐高溫和機械強度高。

根據是否帶涂層，GPF也細分為帶涂覆的GPF和不帶涂覆的GPF兩大類。帶涂覆的GPF也稱之為四元催化轉化器（Four-Way Catalyst，FWC），即GPF與三元催化轉化器（TWC）合二為一，在GPF載體表面涂覆一層催化劑，這樣FWC在處理顆粒物的同時也具備三元催化轉化器（TWC）的作用；不涂覆的GPF只具備處理顆粒物的能力。GPF同時也具有一定的消聲作用，對于加裝GPF的排氣系統也可以適當調整消聲器的容積。

1.3 國Ⅵ汽油車GPF布置安裝形式

主機廠選擇GPF布置安裝形式時，主要會考慮以下幾個方面的因素：一是底盤布置空間，根據車型不同，發動機及排氣系統的布置會有很大的不同，需要考慮到各種限制條件。二是排氣溫度，GPF再生需要依靠排氣溫度，再生溫度可以由特殊工況來達到，最好的情況還是能夠在正常行駛工況下達到再生溫度。由于GPF再生的溫度在600 ℃左右，帶涂覆GPF的再生溫度在450 ℃左右，因此，GPF布置的時候需要考慮位置盡可能靠近前催化轉化器，使得油氣更好地混合，改善PN排放。三是捕集率，GPF的布置越靠近發動機排氣支管，發動機的排氣背壓越大，尾氣的流速也就越大，但是捕集率會降低。四是成本，不言而喻，用最少的錢來達到目的。

目前，GPF的主流布置安裝形式主要有四元催化轉化器（FWC）形式、后置式（Under-body，UB）及緊耦合式（Close-Coupled，CC）三種（圖1）。四元催化轉化器（FWC）形式的優點是積炭少，易再生，對發動機原排需求較低，但其缺點是難以布置，對發動機油耗、功率的影響較大，會加速催化轉化器的老化，載體的溫度負載高。后置式（Under-body，UB）即GPF布置在三元催化轉化器（TWC）下游位置，其優點是方便布置，顆粒物捕集率較高，對背壓和油耗的影響較小，但其缺點是GPF再生的頻次高，易積炭，GPF入口溫度低致使被動再生困難。緊耦合式（Close-Coupled，CC）即GPF與三元催化轉化器（TWC）集成到一起安裝，其優點是容易實現安裝布置，對發動機原排需求較低，GPF入口溫度高，被動再生容易，但是其缺點是不方便布置，顆粒物捕集率較低，對背壓和油耗影響較高。鑒于四元催化轉化器（FWC）國內尚無成熟產品，且成本較高，而緊耦合GPF周期性主動再生控制復雜度高，考慮效率和空間要求，通常采用后置式GPF布置方案。

圖1 GPF的主流布置安裝形式

2 GPF再生

當車輛行駛一定里程后，GPF捕集到的顆粒物逐漸增加，從而會引起發動機排氣背壓升高，導致發動機性能下降（動力不足或加速不良，油耗增加），故需要定期去除沉積在GPF中的顆粒物，恢復GPF的過濾性能，即讓GPF中的顆粒物發生化學反應，進行氧化燃燒，稱為GPF再生。GPF再生可以用以下幾個化學方程式表達。當GPF內部溫度在600 ℃以上且氧濃度大于0.5%時，發生化學氧化放熱反應（C+O2=CO2）；當GPF內部溫度高于800 ℃，且沒有氧氣時，發生化學吸熱反應（C+H2O=CO+H2）；對于存在催化涂覆的FWC，當FWC內部溫度為250 ℃～450 ℃時，還可以進行被動再生，即連續再生反應（C+2NO2=CO2+2NO）。GPF的再生有被動再生和主動再生兩種。被動再生是指在日常駕駛工況下通過駕駛人松開加速踏板時，發動機斷油，大量空氣進入GPF，實現再生。主動再生是指在被動再生無法滿足再生需求的情況下，車輛去執行特殊工況（例如保持80 km/h跑高速30 min），讓控制單元發出控制指令，后推點火角，使得排氣溫度升高，待GPF溫度升高后，再減稀混合氣濃度（過量氧氣），從而實現GPF再生。需要注意的是，GPF再生無法去除灰分（CaO、P2O5、ZnO、SO3、Fe2O3），隨著時間的累積，當灰分在GPF中積滿后，需要到維修廠清灰或更換GPF。

從GPF內部再生過程來看，溫度和排氣中氧含量是決定再生效率的重要因素。由于汽油車實際行駛工況下很難達到條件使其主動再生，并且需要準確判斷GPF何時進行再生，因此需要發動機控制系統了解GPF的碳載量狀態，并對再生過程實施精確控制。對于碳載量的狀態監測一般采用壓差法來進行判定，但考慮到壓差在低排氣流量下偏差較大及瞬態工況下測量精度無法保證等問題，因此還會輔助以模型計算法來進行判定，需要建立soot累碳模型和soot燃燒模型（圖2）。

圖2 建立soot累碳模型和soot燃燒模型

GPF再生控制主要圍繞再生協調展開（圖3）。當碳載量的狀態達到再生需求，或者整車行駛距離、發動機運行時間等其他需求達到條件時，系統會進行再生協調，通過混合氣減稀、推遲點火等來進一步滿足GPF再生過程對GPF入口溫度和排氣氧含量的需求。此外，再生過程中也需要根據當前運行工況來輸出目標空燃比和目標再生溫度，確保GPF的安全有效再生。另一方面，當再生時間過長或者GPF再生溫度過高時系統則會退出再生過程。總之，GPF的再生協調過程是個閉環控制的循環過程，共同確保GPF再生的準確性和合理性。

圖3 再生協調

3 GPF的檢測診斷

在國Ⅴ排放法規的OBD部分中對顆粒捕集器的監測要求，其核心思想就是要及時有效地檢測出顆粒捕集器的性能下降故障，避免因顆粒捕集器故障帶來的惡劣環境影響，降低在用車整體的排放水平。檢測診斷GPF可以為GPF的再生控制提供再生需求等信號支撐，而且為實現GPF堵塞等客戶化診斷需求提供了可能。根據GPF的布置方式，目前有三種主流的GPF檢測方式，即溫度法、壓差法、OSC法。

3.1 溫度法

由于GPF一般是由陶瓷載體（如堇青石）制備而成，基于該載體材料熱熔的存在，在發動機瞬態工況點，變化的排氣氣流流經GPF時，GPF下游的溫度相對上游的溫度會產生一定的“延遲”效應。因此，檢測診斷從物理原理上說，可通過GPF上下游的溫度傳感器（圖4），根據溫度變化“延遲”程度的不同，對GPF的移除或丟失進行檢測診斷。GPF上下游溫度傳感器的核心元件為鉑電阻-PTC（正溫度系數熱敏電阻），溫度傳感器的電阻隨排氣溫度的變化而變化，進而獲得相應的排氣溫度數據。

圖4 GPF上下游溫度傳感器

3.2 壓差法

由于GPF的存在，GPF會對流過排氣產生一定“阻礙”作用，其阻礙作用主要包括過濾體壁面和覆蓋在其上的顆粒的流動阻力、進出口通道的沿程阻力及排氣流入流出時由于GPF截面變化引起的壓縮/膨脹阻力等，這種“阻礙”作用的宏觀變化就是壓降，即GPF上下游之間會產生一定的壓力差值。不同狀態的GPF，其壓降表現不同（圖5），當GPF載體發生性能下降，甚至損壞、移除時，排氣流經GPF時，GPF上下游的壓降就會發生相應的變化。GPF一般選用雙模壓差傳感器（圖6），雙模壓差傳感器由2片硅芯片組成，在硅芯片上蝕刻出一片壓力膜片，壓力膜片上有4個壓電電阻，這4個壓電電阻作為應變元件組成一個惠斯頓電橋。膜片隨著壓力變化而產生彎曲變形，膜片上的4個電阻發生變化（壓阻效應），使電橋上的電壓發生變化，形成與壓力成線性關系的電壓信號。殼體下側有2個進氣管路，用于和軟管連接，分別引入GPF上游和下游的氣體。

圖5 不同狀態下GPF上下游壓差

圖6 GPF的雙模壓差傳感器

3.3 OSC法

由于FWC是一種帶有涂層的GPF，類似于催化轉化器，因此FWC具有一定的儲氧能力（OSC）。當對FWC進行“加濃減稀”時，前后氧傳感器的電壓信號會產生一定的“延遲”效應。在FWC上下游安裝氧傳感器，根據前后氧傳感器電壓信號“延遲”程度的不同，可以對FWC載體完全損壞、移除甚至丟失進行診斷，其原理等同于臨界催化轉化器診斷。

FWC失效往往是隨著FWC老化燒結導致貴金屬有效接觸面積減少，這樣FWC的儲氧能力（OSC）就下降了，從而FWC的性能就會下降，導致排放超限，因此可以基于FWC儲氧能力來診斷FWC的轉化效率。安裝于FWC上下游的2個氧傳感器可以通過精確的控制策略對FWC的儲氧能力進行有效監測，當進入適宜的診斷工況，系統通過混合氣控制及氧傳感器信號變化可以計算得到FWC的動態儲氧量，當FWC失效時，儲氧量降低，系統就會及時報出故障，提醒用戶及時進行維修。

4 GPF的維護

由于GPF是通過將載體封裝在管道內，來起到密封的作用，所以無法直接更換載體，只能連同三元催化轉化器或者排氣管一同更換。一旦灰分和炭累積過多，就會導致通道積滿而只能更換GPF，這樣一來勢必造成消費者需要花費較高的成本。因此消費者在車輛日常使用過程中應該保持良好的駕駛習慣，減少積炭的產生，尤其是在低溫地區，應盡量減少怠速駕駛場景。其次，安裝了GPF的車輛會配置GPF警告燈（圖7），車主在車輛使用過程中，要注意GPF警告燈是否點亮。當GPF警告燈點亮時，表示GPF飽和到了一定程度需要進行再生，車主可以在高速公路上駕駛車輛保持在80 km/h以上，直到該燈熄滅，表示車輛恢復正常。當GPF警告燈閃爍時，表示GPF已滿，主動再生和被動再生均無法有效清除煙塵，這時發動機控制單元會限制發動機的輸出轉矩，如果同時發動機故障警告燈也點亮的話，則需要到維修廠進行駐車再生，如果忽略GPF報警，可能會降低車輛性能，甚至導致發動機無法起動，最終更換GPF。因此，總的來說，對于GPF的維護，需要注意的兩個要點是減少怠速，多跑高速。

圖7 顆粒捕集器警告燈

相對于國Ⅴ排放法規的要求（分別對NMHC及NOx進行了閥值設定），國Ⅵ排放法規設定的催化轉化器失效準則為車輛排放的NMHC+NOx超過OBD閾值（表1），由于國Ⅵ排放法規的OBD排放限值進行了大幅加嚴，這就對OBD臨界催化轉化器制備帶來了更多的挑戰。因為臨界催化轉化器是催化轉化器故障模型搭建及后續匹配數據確定中首要故障準則，只有臨界催化轉化器與耐久催化轉化器有足夠的區分度，才能有效地降低售后市場催化轉化器失效誤報的風險。而當OBD閾值進一步降低后，那么二者的區分度也就會大幅降低，這也就給催化轉化器診斷的標定匹配工作帶來巨大的挑戰。而同時，在國Ⅵ排放法規中排放循環采用了全新的WLTC循環，更為動態的測試循環也為標定工作帶來新的挑戰。

表1 國Ⅵ排放法規對頂的OBD排放閾值