涨知识｜满足欧6排放的汽油机颗粒捕集器GPF

缸内直喷（GDI）汽油机具有良好的燃油经济性，能有效降低CO2排放，具有逐渐取代传统进气道喷射汽油机的趋势，在汽油机市场上的份额也逐渐增加，成为满足日益严格排放法规和经济性法规的重要技术手段。但GDI汽油机的颗粒质量排放和颗粒数排放比传统PFI汽油机排放显著增加，为此欧6排放法规针对汽油GDI发动机的颗粒物质量和数量排放进行了限制，限值分别为0.005 g/km和6x10¹¹个/km。汽油GDI发动机的颗粒质量和数量排放成为开发满足欧VI排放发动机需要攻克的技术难题之一。因此，本文针对汽油GDI发动机颗粒质量和数量排放问题，介绍GDI发动机满足欧VI排放的重要后处理技术:汽油颗粒捕集器（Gasoline Particulate Filter, GPF）。

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汽油机颗粒捕集器（GPF）介绍

汽油GDI发动机的颗粒物主要来源于局部过浓混合气生成的颗粒物，关于介绍汽油GDI发动机颗粒物来源的文章请阅读往期推文《缸内直喷汽油机颗粒物来源及影响规律》。GPF已经成为满足欧6排放的标准后处理配置，GPF过滤机理与DPF基本相同，排气以一定的流速通过多孔性的壁面，相邻的两个孔道分别堵住出口端和进口端，排气从一个孔道进来，需要流经两个通道间的载体壁面，才能到达相邻的孔道出口并流出，这个过程称为“壁流”，如下图所示。大量研究表明，壁流式过滤器是目前减少颗粒排放最有效的手段。

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GPF的材质

决定汽油机颗粒捕集器性能的关键是过滤材料，其过滤能力、机械强度、热稳定性、散热能力等物理性能直接影响GPF的结构设计，从而影响GPF的过滤效率、排气背压、使用寿命等指标。与DPF过滤材料性能要求相似，GPF过滤材料需具备以下性能：

a) 较高的过滤效率、较低的排气阻力;

b) 较小的热膨胀系数、热稳定性好及能承受较高的热负荷;

c) 良好的抗高温性和耐热冲击性、耐腐蚀性;

d) 较高的机械强度和抗振动性。

GPF过滤材料主要是堇青石、SIC（碳化硅）、AT（钛酸铝）、合金，其材质特性对比如下表所示。目前研究与使用最多的两种材料是堇青石和碳化硅。堇青石的主要优点在于成本低、热膨胀系数小以及耐高温和机械强度高。堇青石载体在过滤效率、初始背压、被动再生以及成本等属性上有较优异的性能，但其最大碳载量略低于其它材料的载体。对于GDI汽油机来说，由于燃油品质的不同，其颗粒物的累积与柴油机相比要低得多，因此，对于碳载量的需求并不是很高，综合考虑性能与成本因素，堇青石是目前相对较好的GPF载体材料。

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GPF的布置方式

目前汽油机后处理系统布置主要有三种形式，第一种是紧耦合(Closed－coupled)式布置，即GPF与TWC集成到一起安装，距离排气歧管较近。第二种是后置(Under－floor)式布置，即GPF布置在TWC下游位置，距离随排温而定。第三种是四元催化器，GPF与TWC合二为一，距离排气歧管最近。三种布置方案优缺点如下表所示。鉴于四元催化器国内尚无成熟的产品，且成本较高，而紧耦合GPF周期性主动再生控制复杂度高，考虑效率和空间要求，通常采用后置式GPF方案。

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GPF的再生方式

颗粒捕集器能够快速有效地捕集汽车尾气中的颗粒物，但经过持续不断的微粒捕集，颗粒物沉积在载体中，排气系统的背压也会随之升高，影响汽车的动力性与经济性。因而需要促使颗粒捕集器中的碳烟颗粒再次氧化燃烧，去除捕集到的颗粒物，称为再生技术。汽油机的排气温度比柴油机相对较高，在城市驾驶工况下，发动机排气温度范围为300-500 °C，但在高速驾驶中可达到700°C。虽然这些温度足够高到可以维持一个GPF的被动再生，但在以化学计量比运行的GDI发动机的排气一般存在缺氧。因此，通常在燃料切断，车辆减速期间，排气中氧气含量充足时进行再生。

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GPF成本

2011年，Ray J Minjares等人根据GPF的体积、载体成本、催化剂成本、压差传感器、人工成本等综合估算了满足不同发动机排量的GPF的价格，但并未考虑GPF再生所需要的成本，如下表所示。

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GPF对汽车性能的影响

李配楠等人在一台1.5 L增压GDI汽车上，对比研究了GPF以及其布置方式对汽车WLTC测试循环颗粒质量和颗粒数的影响，如下图所示。在颗粒排放方面，装有GPF的汽油机各项排放明显低于无GPF的汽油机。增加GPF后，PM数值降到原始排放的20%左右，PN数值降低了约两个数量级，远低于欧6排放限值。在GPF布置方式方面，采用相同的GPF，只是与前级TWC的距离不同，对比了GPF布置方式对PM和PN的影响。可以看出，两种布置方式在气体排放物的控制效果上，基本相当；但在颗粒物排放控制方面，后置式布置的结果要优于紧耦合式布置（注：图（b）与图（a）中有GPF的数据不对应的原因在于GPF与前级TWC的布置距离不同）。

在油耗方面，安装GPF后使排气背压增加，油耗高于无GPF的汽车；而后置式GPF由于距离前级TWC较远，对排气背压的影响要比紧耦合布置小得多，因此后置式GPF对汽油的油耗不会有明显的影响。

缸内直喷汽油机在提高燃油经济性、动力性、降低 CO2 排放的同时，会造成 PM 及 PN 排放增多。GPF 可以有效地减少颗粒物排放，使汽油机颗粒物排放满足不断升级的排放法规。尽管国内外逐步对 GPF 展开了研究，但仍有许多问题亟待解决。