汽油機微粒捕集器過濾材料研究進展

【摘" 要】文章根據國內外汽油機顆粒捕集器（GPF）的研究現狀，全面系統地總結出壁流式、徑向式和軸向式3種過濾體結構的特點，深入探討高效GPF對過濾材料的要求，重點介紹陶瓷基和金屬基兩大類過濾材料的最新研究進展，并基于當前技術發展趨勢，對GPF的未來發展方向進行展望。

【關鍵詞】汽油機顆粒捕集器；過濾體結構；過濾材料；金屬基材料；陶瓷基材料

中圖分類號：U464.172"""" 文獻標識碼：A""" 文章編號：1003-8639（2025）01-0051-05

Research Progress on the Filter Materials for Gasoline Particle Filter

CHU Meng'en，CHEN Xi，JIANG Xueming，SHEN Ruihao，MAO Haifeng，MAO Mengna

（SAIC Volkswagen Automobile Co.，Ltd.，Shanghai 201805，China）

【Abstract】This paper comprehensively and systematically summarizes the characteristics of wall-flow，radial and axial filter structures，deeply discusses the requirements of efficient GPF filter materials，focuses on the latest research progress of ceramic and metal based filter materials，and based on the current technological development trend，The future development direction of GPF is prospected.

【Key words】gasoline engine particle catcher；filter structure；filter material；metal-based materials；ceramic base material

0" 引言

目前，汽車企業常采用安裝GPF的措施來降低顆粒物的排放量，這一方法也被認為是目前最有效的減排策略之一[1]。

通常情況下，GPF需要與三元催化器聯合使用，以同時滿足顆粒物質量和數量、氮氧化物、碳氫化合物以及一氧化碳排放限值的要求。然而，安裝捕集器后不可避免地會對后處理系統架構集成的便利性、排氣背壓以及燃油經濟性等產生負面影響。因此，在實際開發過程中，除了要滿足微粒排放標準外，還必須盡可能滿足低背壓、高燃油經濟性、良好駕駛樂趣以及低增量成本等要求。目前，科研和企業從業人員正在評估各種GPF產品和系統設計方案，以滿足上述目標。

一般而言，GPF安裝于整車排氣系統前端，并持續處于高溫、強腐蝕的嚴苛環境中，這對GPF的結構設計和過濾材料提出了較高要求。但國內對GPF的研發工作起步較晚，針對GPF結構設計和過濾材料的研究相對較少。GPF的捕集效率、排氣背壓和使用壽命在很大程度上受過濾材料的影響，這些特性是衡量GPF性能的關鍵指標，而捕集器的結構設計又需根據過濾材料的特性展開。因此，有必要對捕集器的結構和過濾材料進行深入研究。本文歸納了捕集器的3種主流結構形式，闡述了對過濾材料的具體要求，重點梳理了陶瓷基和金屬基兩大類過濾材料的特性以及在汽油機微粒捕集性能方面的研究進展、面臨的挑戰和未來發展趨勢，旨在為GPF技術的持續優化和創新提供參考與指導。

1" 過濾體的結構形式及特性

微粒過濾技術最早被應用于柴油車，用于捕獲柴油發動機排放的顆粒物，并且在控制顆粒物質量和數量方面取得了顯著成效[2]。根據氣體在過濾體中的流向，過濾體的結構可分為3種類型，即壁流式、軸向式和徑向式，如圖1所示。

1.1" 壁流式

壁流式結構是目前研究和應用最為廣泛的過濾體形式[3]。壁流式過濾體整體呈擠壓成型的蜂窩狀結構，內部由眾多軸向平行的孔道構成，且相鄰孔道之間交替堵塞，氣體必須流經捕集器的多孔性壁面方可排出，這一過程也被稱為“壁流”，如圖1a所示。壁流式捕集器的通道壁通常為蜂窩陶瓷或者泡沫金屬等多孔介質。壁流式結構的優勢在于捕集效率高，通過調整蜂窩結構的壁厚和開口截面積，能夠精準地調控捕集效率和背壓。堇青石基過濾材料通常被用于開發壁流式捕集器。

1.2" 徑向式

徑向式捕集器通常由兩個同心圓筒組成，中心圓筒的一端處于密封狀態，兩個圓筒中間由過濾介質填充，見圖1b。在進行過濾時，氣體從中心大圓筒的開口端進入，接著通過兩個圓筒中間的過濾介質進行過濾，最終排出。徑向式捕集器的過濾包含表面過濾和深層過濾兩個階段。徑向式結構的優點是結構設計靈活，背壓損失小。徑向式捕集器的過濾介質通常為陶瓷纖維氈或者泡沫金屬。C Kwanhee等人[4]應用徑向型金屬泡沫型GPF捕集缸內直噴汽油機產生的顆粒物，發現其能夠大大降低發動機冷啟動和加速階段產生的顆粒物質量和數量。

1.3" 軸向式

軸向式捕集器因氣體沿中心軸方向流動而得名。在這種結構中，過濾介質通常與氣體流動方向垂直，氣體從捕集器的一端進入，穿過過濾介質層后，從另一端流出，見圖1c。過濾介質內部是由0.2～2mm的小孔組成的多孔結構。與壁流式捕集器相比，軸向式捕集器中過濾介質的孔尺寸相對較大，且孔隙之間相互連通。因此，軸向式捕集器內主要發生的是深床過濾，故而捕集效率較高。然而，由于顆粒物主要沉積在捕集器的前端，容易造成過濾體堵塞，需要頻繁進行再生以保證捕集效率和低背壓。為提高捕集效率，陳華鵬等人[5]以耐熱的FeCrAl合金為過濾材料，通過優化結構設計，制成了一種軸向式金屬絲網捕集器。他們發現，通過改變金屬絲網的層數可以調控捕集器的過濾性能和背壓，這一捕集器對柴油發動機尾氣中顆粒物數量的捕集效率可達到80%以上。

2" 過濾材料的要求

過濾材料的特性決定著整個微粒捕集系統的壓力降、傳熱、傳質特性、強度和捕集效率等性能。從實際應用的角度而言，GPF對其過濾材料的要求如下。

2.1" 良好的微粒捕集效率

捕集效率是衡量GPF性能的重要指標之一。在試驗過程中，通過對GPF進口與出口位置處的PM（顆粒物質量）與PN（顆粒物數量）排放進行測量，能夠計算出GPF對顆粒物的捕集效率。

大量的試驗和理論研究表明，捕集效率主要受捕集器孔徑、壁厚、孔隙率以及過濾體體積等結構參數的影響。采取減小孔徑、增加壁厚、提高孔隙率等策略均可以提高顆粒物數量捕集效率[6]。

2.2" 低壓降

由于排氣背壓過高會嚴重影響整車二氧化碳排放量、燃油經濟性以及動力性能，所以必須盡可能地降低排氣背壓。捕集器的壓降是由材料和設計等多種因素共同決定的，例如孔徑、孔徑分布、孔隙率和孔隙連通性等[7]。單純從壓降角度來看，孔徑越大，孔隙率越高且孔隙連通性越好，GPF的壓降就越低，然而這些設計條件會降低捕集效率，并且對GPF整體的熱容量和強度等參數產生負面作用。因此，在實際的研究和應用過程中，需要對各種因素進行綜合考慮。

2.3" 良好的可再生性

顆粒物的累積會致使發動機背壓升高，為確保發動機正常工作，需要定期進行再生，將捕集器內捕集的顆粒物去除[8]。在再生過程中會出現劇烈放熱現象，這有利于GPF內部顆粒物迅速燃燒從而恢復捕集效率，但過高的溫度可能會對載體結構造成損壞。因此，為保證GPF快速安全再生，捕集器必須具備較強的耐火性能，并且能夠承受較大的熱梯度。

2.4" 優良的耐久性能和機械強度

GPF位于排氣系統的熱端，長時間在高溫、易腐蝕的復雜環境中工作，良好的耐熱沖擊性、抗高溫氧化性和耐腐蝕性是GPF開發中極為重要的需求。捕集器的耐受性主要與材料的熔點、熱膨脹系數、強度、熱容量和導熱性等材料參數有關。例如，熱容量較低的GPF再生周期更短且燃料損失最小，非常適合基于頻繁再生的再生策略[9]。相反，熱容量較高的GPF雖然更難加熱，但在再生期間能夠提供更大的安全裕度。

提高孔隙率、降低微孔孔徑是提高捕集效率的有效策略，然而這些結構參數在一定程度上會影響GPF的機械強度，可能導致整體結構強度和熱容量低于應用需求，同時會對GPF的加工技術提出更高要求，生產成本也會隨之增加。因此，在實際應用中，根據GPF的應用條件和限制來選擇具有競爭力的過濾材料尤為關鍵。

3" 過濾材料的研究與應用

近年來，隨著材料科學的進步，GPF過濾材料的研究取得了長足發展，這對于開發滿足嚴苛實際應用需求的高性能GPF而言至關重要。當前，汽車捕集器中常用的過濾材料分為兩大類：陶瓷材料和金屬材料。本文將簡要概述這兩類材料的特點及其在GPF中的應用。

3.1" 陶瓷基過濾材料

陶瓷基過濾材料通常由氧化物或者碳化物組成，具有豐富的孔隙結構，耐受溫度可達到700℃以上。陶瓷基過濾材料主要包括堇青石、碳化硅、氮化硅、莫來石、鈦酸鋁以及它們的復合改性材料等。在這些材料中，堇青石和碳化硅兩種材質在GPF研究中應用最為廣泛。

3.1.1" 堇青石

在眾多陶瓷基過濾材料中，堇青石因成本低、耐高溫和機械強度高等優點，在捕集器領域中應用歷史最悠久，應用范圍也最廣。堇青石的主要成分是二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（Al2O3）和氧化鎂（MgO）。S Chika等[10]研究人員在1.8L和1.4L的GDI汽油機上，對孔密度和壁厚分別為300cpsi和12mil，尺寸為118.4mm（D）×75mm（L）的堇青石型GPF進行排放相關的研究。研究結果顯示，集成了GPF的后處理系統能顯著降低尾氣中的顆粒物排放量。盡管捕集效率隨發動機原始排放顆粒物數量的不同而有所差異，但捕集效率普遍能達到70%以上 。

此外，堇青石材質的催化劑涂覆性能好，常應用于開發催化型汽油機顆粒捕集器（Catalyzed Gasoline Particulate Filter，CGPF）。CGPF結合了顆粒捕集器的物理過濾和催化劑的化學轉化功能。因此，CGPF即使在低溫下也能有效地捕集和氧化碳煙、CO以及碳氫化合物等有害物質。例如，Joerg Michael Richter等[11]研究人員基于堇青石型CGPF進行了催化涂層對碳氫化合物、CO和NOX排放影響的研究。研究結果表明，即使CGPF中只有少量的貴金屬催化劑，也能顯著降低CO和HC的排放量。催化型GPF的卓越表現進一步凸顯了堇青石作為GPF過濾材料的潛力和優勢。

GPF長期工作于快速加熱和冷卻相交替的工況下，對過濾材質的熱沖擊性能要求較高。但是，堇青石導熱系數小，再生時產生的熱量難以快速散去，高溫下容易發生捕集器燒熔或者開裂。另外，堇青石材料的徑向熱膨脹系數是軸向膨脹系數的兩倍，容易產生熱應力損壞。S Jung等人[12]通過仿真技術對高溫環境下GPF的熱應力分布情況進行了研究，發現捕集器對角中心軸方向上的熱應力最高，此處最易發生開裂，如圖2所示。因此，堇青石型捕集器在設計時必須要克服快速熱變化引起的裂縫問題，同時盡量減少背壓的增加。

為解決堇青石型捕集器的局限性，S Jung等人[12]探索彌補材料結構缺陷和精確控制再生溫度的方法，并提出可以通過加強角形的方法來減少捕集器裂縫的出現。如，當孔道形狀呈圓形時，過濾壁之間的距離增大。這一設計可以在局部壁厚不增加的情況下，使捕集器的耐高溫性能得以改善。具體地，捕集器的最高耐受溫度可以從1100℃增加到1200℃，安全熱梯度從430℃/cm增加到600℃/cm。

3.1.2" 碳化硅（SiC）

另一種常用的陶瓷基過濾材料是碳化硅（SiC），其具有更高的導熱系數，有利于GPF再生過程中產生的高溫快速散去，能夠有效緩解再生困難這一問題。SiC材料主要分為重結晶SiC（Re-SiC）和復合碳化硅（Si-SiC）兩大類。Re-SiC是由兩種不同粒徑大小的碳化硅顆粒經過高溫煅燒制備而成的具有一定孔隙率的燒結體。由于制備Re-SiC時所需的燒結溫度較高，導致Re-SiC材料的制備成本也較高。此外，碳化硅生坯中的孔隙會阻碳化硅顆粒的燒結，使得重結晶碳化硅的孔隙率有限。而與Re-SiC相比，Si-SiC的燒結溫度較低，孔隙率和孔隙大小相對更容易控制。同時，Si-SiC中的金屬硅在高溫下易發生相變，因此Si-SiC的抗熱沖擊能力要優于Re-SiC。

S.Hashimoto等人[13]將孔隙率高、主孔徑尺寸介于20μm的復合碳化硅型捕集器（SiC-1和SiC-2）與商用的重結晶碳化硅（Re-SiC）捕集器進行性能對比，研究三者在碳煙負載情況下的背壓變化情況。如圖3所示，與重結晶SiC-3對比，孔隙率高、主孔徑大的SiC-2的壓降大約低30%左右。

基于DPF（柴油顆粒過濾器）的相關研究，減小捕集器壁厚、增加開闊前緣面積是降低GPF（汽油機顆粒捕集器）壓力損失最有效的設計方向，但是這些結構參數的改變會導致蜂窩結構的機械強度下降。因此，開發結構參數可調且具有高結構強度的捕集器成為研究重點。在壁面孔隙率相同的情況下，Re-SiC（反應燒結碳化硅）多孔骨架的強度約為堇青石的兩倍，是眾多陶瓷材料中機械強度較高的材料之一。利用Re-SiC機械強度高這一特性，Kazutake Ogyu等人[14]開發出薄壁、高孔隙率的GPF，并探究其在NEDC（新歐洲駕駛循環）測試工況下的壓力損失和 PN（顆粒物數量）捕集效率。他們發現這種薄壁設計不僅能夠縮小捕集器的尺寸，有利于排氣系統的結構布局，還能保持優異的PN過濾性能，即使在包覆催化劑涂層后仍具有保持低壓降的優勢。總之，高強度Re-SiC材質有利于捕集器實現薄壁厚、高孔隙率的設計，有利于平衡捕集效率和壓降之間的關系。

3.2" 金屬基過濾材料

與陶瓷基過濾材料相比，金屬基過濾材料的主要缺點是材料的成型工藝較為復雜，且催化劑的涂覆性能不佳，因而現階段在汽油車顆粒捕集器方面應用相對有限。但是，金屬基過濾材料在強度、韌性、導熱性和結構靈活性方面具有無可比擬的優勢[15]。因而，金屬基捕集器在汽車領域具有非常大的應用潛力。金屬基過濾材料一般分為：①金屬粉末或者燒結金屬；②金屬纖維或者金屬絲網（本文稱金屬纖維型）；③泡沫合金。目前，研究者們對金屬纖維型和金屬泡沫合金這兩種結構形式的金屬基過濾材料給予廣泛關注。

3.2.1" 金屬纖維型過濾材料

金屬纖維型過濾材料是由微米級直徑的金屬纖維經由無紡鋪制而成的材料。在工業上應用最多的是經過高溫燒結的金屬纖維過濾材料，又稱為金屬纖維燒結過濾材料或者金屬纖維燒結氈。從結構特點和制備方法來看，金屬纖維燒結氈的優點是透氣性好，比表面積大，非常適合在高溫和易腐蝕的苛刻工況下應用。此外，金屬纖維燒結氈具有適中的孔隙率和孔徑，可以在捕集效率、背壓和捕集器尺寸之間表現出更好的權衡。

Q Ou等人[16]設計了一款纖維直徑在12μm的金屬纖維燒結型GPF，并測試了其在FTP和US06驅動循環下的捕集效率和背壓。試驗結果顯示，在這兩種測試條件下，該金屬燒結型GPF對顆粒物的捕集效率均可達到78%以上。此外，金屬纖維燒結型GPF在低壓降方面也展現出顯著的優勢（圖4）。在FTP測試條件下，金屬纖維燒結型GPF的背壓低于測量閾值；在US06測試條件下，其平均背壓約為1kPa。研究者們認為，與金屬泡沫和壁流式GPF相比，燒結金屬纖維型GPF具有更大的市場應用潛力。然而，燒結金屬纖維型GPF的尺寸相較于壁流式GPF仍較大，需進一步開發具有更高比表面積和能耐受汽油機高排氣溫度的金屬纖維氈型捕集器，提高其在實際應用中的可行性。

3.2.2" 金屬泡沫型過濾材料

金屬泡沫具有復雜的三維多孔結構以及不規則的支柱表面，這種獨特的結構賦予金屬泡沫材料較大的比表面積，是制備捕集器的理想材料。一般而言，小孔徑的金屬泡沫捕集器捕集效率較高，但是對顆粒物的負載能力較低，易導致捕集器的壓降較大；而增大過濾基底的孔徑，又會降低過濾效果。為解決這一矛盾，研究人員嘗試將具有不同孔徑的多孔合金集成到一個捕集器中，期望提高捕集效率的同時，減緩壓降的增長速率。比如，C Kwanhee等人[17]發現金屬泡沫GPF在降低顆粒物質量和數量方面表現出卓越的性能。如圖5所示，金屬泡沫GPF對23nm以下顆粒的捕集效率可達到93%。此外，在一定行駛速度范圍內，GPF的背壓均在1.0kPa以下，且整車的燃油經濟性和CO2排放量都在可接受的范圍內。S Baek等人[18]發現具有復雜和不規則結構的Ni-基金屬泡沫型GPF對成核模式和顆粒聚集模式的顆粒都具有優異的捕集效率。總之，泡沫型GPF因具有較大的比表面，能夠增強通道至結構表面的傳質過程，在降低顆粒物數量濃度方面表現出獨特優勢。

4" 結論和展望

本文對壁流式、徑向式和軸向式3種捕集器結構形式，以及陶瓷基和金屬基兩大類過濾材料進行簡要介紹，總結了各種捕集器和過濾材料的性能特點及應用，并提出以下展望。

1）金屬基和陶瓷基過濾材料都有無法避免的缺陷，兩者形成的復合基過濾材料正逐漸成為研究的熱點之一。

2）開發環境友好型的過濾材料，例如使用生物基材料或可回收材料以減少對環境的影響。

3）除了優化過濾材料的生產工藝外，改進過濾體的結構設計，比如優化過濾體結構的壁厚和開口截面積等，也是提高捕集效率的方向。

4）與涂層技術整合，開發能夠同時控制顆粒物和氣體污染物（如氮氧化物、碳氫化合物等）的綜合過濾材料，同時降低顆粒物和氣體污染物的排放量。

參考文獻

[1]" 李配楠，程曉章，駱洪燕，等.基于國六標準的汽油機顆粒捕集器（GPF）的試驗研究[J]. 內燃機與動力裝置，2017，34（1）：1-5.

[2]" 田彤，陳令華，劉晶.柴油機排氣顆粒物捕集器的發展[J].汽車工程師，2011（8）：13-17.

[3]" I Yoshitaka，S Takehide，A Takashi，et al. Next generation of ceramic wall flow gasoline particulate filter with integrated three way catalyst[C]//SAE 2015 world congress amp; exhibition，2015：7415-7427.

[4]" C Kwanhee，K Juwon，K Ahyun. Size-resolved engine exhaust aerosol characteristics in a metal foam particulate filter for GDI light-duty vehicle[J]. Journal of Aerosol Science，2013（57）：1-13.

[5]" 陳華鵬，吳曉東，萬李，等.柴油車排氣微粒捕集用復合金屬絲網的制備與性能研究[J]. 環境污染治理技術與設備，2004，5（10）：80-83.

[6]" 陳華鵬，吳曉東，徐魯華，等.柴油機微粒過濾體結構形式研究進展[J].中國稀土學報，2002，20（z1）：10-13.

[7]" B Guan，R Zhan，H Lin，et al. Review of the state-of-the-art of exhaust particulate filter technology in internal combustion engines[J].Journal of Environmental Management，2015（154）：225-258.

[8]" F.ADAM，J O，K F WONG，等.發動機顆粒排放和再生頻率對汽油機顆粒捕集器效率的影響[J].汽車與新動力，2021，4（2）：53-59.

[9]" 趙冰.堇青石基柴油機顆粒物捕集器（DPF）的制備及其催化再生的研究[D].貴州：貴州大學，2021.

[10] S Chika，N Takahiko，M Yukio，et al. New particulate filter concept to reduce particle number emissions[C]//SAE Technical Paper，2011：263-273.

[11] Joerg Michael Richter，Raoul Klingmann，Stephanie Spiess，et al. Application of catalyzed gasoline particulate filters to GDI vehicles[J]. SAE International Journal of Engines，2012，5（3）：1361-1370.

[12] S Jung，P Won，L Myung. The best choice of gasoline/diesel particulate filter to meet future particulate matter regulation[C]//SAE Technical Paper，2012：12886-12896.

[13] S. Hashimoto，Y. Miyairi，T. Hamanaka，et al. SiC and cordierite diesel particulate filters designed for low pressure drop and catalyzed，uncatalyzed systems[C]//SAE Technical Paper，2003：16.

[14] Kazutake Ogyu，Toyoki Ogasawara，Yuichi Nagatsu，et al.Feasibility study on the filter design of re-crystallized SiC-GPF for TWC coating application[C]//SAE Technical Paper，2015：6828-6834.

[15] Q Ou，M. Matti Maricq，David Y. H. Puia. Evaluation of metallic filter media for sub-micrometer soot particle removal at elevated temperature[J].Aerosol Science and Technology，2017，51（10/12）：1303-1312.

[16] Q Ou，M. Matti Maricq，P James，et al. Design and evaluation of a sintered metal fiber filter for gasoline direct injection engine exhaust aftertreatment[J]. Journal of Aerosol Science，2019（133）：12-23.

[17] C Kwanhee，K Juwon，K Ahyun.Size-resolved engine exhaust aerosol characteristics in a metal foam particulate filter for GDI light-duty vehicle[J]. Journal of Aerosol Science，2013（57）：1-13.

[18] S Baek，J Cho，K Kim，et al. Effect of the metal-foam gasoline particulate filter（GPF）on the vehicle performance in a turbocharged gasoline direct injection vehicle over FTP-75[J]. International Journal of Automotive Technology，2020，21（5）：1139-1147.

（編輯" 凌" 波）