缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）技術(shù)研究進(jìn)展

溫吉輝　滕勤

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院　安徽 合肥　230009）

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）技術(shù)研究進(jìn)展

溫吉輝滕勤

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院安徽 合肥230009）

闡述了國(guó)內(nèi)外排放法規(guī)對(duì)直噴汽油機(jī)顆粒物的排放要求，分析了直噴汽油機(jī)顆粒物（PM）產(chǎn)生機(jī)理。介紹了汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）技術(shù)研究的最新進(jìn)展及存在的問(wèn)題，展望了汽油顆粒捕集器的發(fā)展趨勢(shì)。

直噴汽油機(jī) 顆粒物 GPF過(guò)濾效率 排氣背壓

引言

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)（GDI）因其較好的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、駕駛性及排放等優(yōu)點(diǎn)，在乘用車(chē)上得到愈來(lái)愈廣泛的使用。根據(jù)保守估計(jì)，到2017年歐洲40%～60%的汽油機(jī)將是直噴汽油機(jī)［1］。GDI汽油機(jī)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(zhì)量和數(shù)量顯著增加。國(guó)內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)研究表明，GDI汽油機(jī)顆粒物排放數(shù)量明顯多于傳統(tǒng)氣道噴射汽油機(jī)和配置DPF的柴油機(jī)［2］。目前國(guó)內(nèi)對(duì)顆粒物的排放研究主要圍繞柴油機(jī)展開(kāi)，有關(guān)GDI汽油機(jī)顆粒物及其控制處理的相關(guān)研究仍然較少。國(guó)外由于汽油機(jī)直噴技術(shù)使用較早且排放法規(guī)更加嚴(yán)格，對(duì)GDI汽油機(jī)顆粒物及其控制進(jìn)行了較多的研究。通過(guò)優(yōu)化燃燒系統(tǒng)，提高噴射壓力，調(diào)整點(diǎn)火及噴油正時(shí)等措施均可在一定程度上減少顆粒物排放。但是越來(lái)越嚴(yán)苛的法規(guī)要求直噴汽油機(jī)在更寬范圍的工況點(diǎn)都保持穩(wěn)定而且較低的PM排放。因此，盡管GDI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)仍在不斷發(fā)展，單純靠機(jī)內(nèi)凈化難以滿(mǎn)足排放法規(guī)的升級(jí)。汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)GDI汽油機(jī)顆粒物排放限值最有效、最可靠的潛在技術(shù)［3］。

1　排放法規(guī)對(duì)顆粒物的限值

顆粒物排放評(píng)價(jià)指標(biāo)分為排放質(zhì)量PM（Particulate Mass）和排放數(shù)量PN（Particulate Number）。歐V法規(guī)中NEDC測(cè)試循環(huán)下同時(shí)對(duì)柴油機(jī)PM和PN進(jìn)行了排放限制，針對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)僅對(duì)PM提出了5 mg/km的排放限值。日益嚴(yán)重的環(huán)境污染迫使排放法規(guī)的不斷升級(jí)。新的歐VI排放法規(guī)按照計(jì)劃分兩個(gè)階段實(shí)施，即從2014年9月1日實(shí)施EU 6b排放標(biāo)準(zhǔn)，從2017年9月1日實(shí)施EU 6c排放標(biāo)準(zhǔn)。新的排放法規(guī)中，顆粒物排放質(zhì)量限值更加嚴(yán)格，PM限值降為4.5 mg/km。除此之外，歐VI排放法規(guī)增加了缸內(nèi)直噴汽油機(jī)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(guī)之前采用的都是NEDC測(cè)試循環(huán)，從EU 6c開(kāi)始除NEDC循環(huán)外還將增加WLTP和RDE測(cè)試循環(huán)。相比于NEDC采用穩(wěn)定的測(cè)試工況點(diǎn)，WLTP更多的采用了接近真實(shí)駕駛情況的多變工況。RDE測(cè)試循環(huán)則是采用便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（PEMS）對(duì)車(chē)輛在農(nóng)村道路、城市道路、上下坡道路及高速公路實(shí)際行駛過(guò)程中測(cè)量［4］。WLTP和RDE測(cè)試循環(huán)的采用使直噴汽油機(jī)顆粒物排放面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。歐VI排放法規(guī)及測(cè)試循環(huán)發(fā)展情況如圖1所示。

圖1　歐VI排放法規(guī)及測(cè)試循環(huán)發(fā)展

參照歐洲排放法規(guī)，針對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，國(guó)V排放法規(guī)在PM限值4.5 mg/km的基礎(chǔ)之上，重新修改了顆粒物質(zhì)量測(cè)量方法，并新增加了顆粒物排放數(shù)量（PN）6.0×1011#/km的限值。此外，將于2017年12月1日實(shí)施的北京市第六階段（京VI）排放標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)V和京V排放法規(guī)的基礎(chǔ)上，參考美國(guó)加州LEV III標(biāo)準(zhǔn)，將NEDC測(cè)試循環(huán)更改為由美國(guó)FTP75（常溫）、FTP75（低溫）、激進(jìn)駕駛循環(huán)（US06）、空調(diào)駕駛循環(huán)（SC03）和高速駕駛循環(huán)（HWFET）5工況組成的全面貼近實(shí)際駕駛工況的測(cè)試循環(huán)?？紤]到幾年內(nèi)GPF的使用，京VI排放法規(guī)增加了GPF捕集性能下降和失效等故障診斷要求。由于對(duì)GPF的監(jiān)測(cè)需要PM傳感器，增加了對(duì)PM傳感器的診斷要求。

2　直噴汽油機(jī)PM產(chǎn)生機(jī)理

汽油機(jī)顆粒根據(jù)粒徑的不同主要分為兩種：核態(tài)（顆粒物粒徑典型范圍3～30 nm之間）和聚態(tài)（顆粒物粒徑典型范圍30～500 nm）。核態(tài)顆粒物主要是發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的易揮發(fā)有機(jī)成分、固態(tài)碳粒、金屬灰燼及硫酸鹽等通過(guò)成核作用形成的。聚態(tài)顆粒物主要是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中燃燒不完全生成的初級(jí)碳顆粒通過(guò)團(tuán)聚并吸附HC、金屬灰燼和硫酸鹽等物質(zhì)形成的［5］。相比于柴油機(jī)，汽油機(jī)顆粒物粒徑更小，對(duì)人體危害更大。

直噴汽油機(jī)顆粒物在冷啟動(dòng)、加速及穩(wěn)態(tài)催化劑加熱時(shí)產(chǎn)生最多［3］。冷啟動(dòng)階段顆粒排放比較高的原因是冷啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣流速和缸內(nèi)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(wěn)態(tài)催化劑加熱過(guò)程中顆粒物產(chǎn)生較多主要原因可能是為了使催化劑盡快達(dá)到起燃溫度采取了增加噴油及推遲點(diǎn)火等措施使得混合氣過(guò)濃，燃燒質(zhì)量惡化［4，6］。加速過(guò)程中，燃油噴射量隨負(fù)荷變大而增加，缸內(nèi)溫度升高，過(guò)量空氣系數(shù)減小，混合器局部過(guò)濃的情況加劇，形成了大量的碳煙核心，這些碳煙核心經(jīng)歷表面生長(zhǎng)和凝聚，形成了顆粒物［7］。

3　GPF技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1GPF技術(shù)原理

為減少柴油機(jī)顆粒物排放，柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）已經(jīng)成為柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。GPF則是針對(duì)汽油機(jī)引擎尤其是直噴汽油機(jī)系統(tǒng)滿(mǎn)足歐洲及中國(guó)更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)而專(zhuān)門(mén)研發(fā)設(shè)計(jì)的。隨著排放法規(guī)的不斷升級(jí)，GPF未來(lái)幾年內(nèi)將成為直噴汽油機(jī)后處理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置［8］。

GPF過(guò)濾機(jī)理與DPF基本相同。排氣以一定的流速通過(guò)多孔性的壁面，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)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(guò)交替封堵蜂窩狀多孔陶瓷過(guò)濾體，排氣流被迫從孔道壁面通過(guò)，顆粒物分別經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、攔截、重力和慣性4種方式被捕集過(guò)濾［9］。大量研究表明，壁流式過(guò)濾器是目前減少顆粒排放最有效的手段［10］。

GPF的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化主要以DPF為基礎(chǔ)，但GPF不能簡(jiǎn)單地照搬照抄DPF，因?yàn)槠蜋C(jī)有不同于柴油機(jī)的顆粒生成特性、排氣溫度、排氣流速和氧濃度。美國(guó)康寧、日本NGK以及美國(guó)佛吉亞等公司在GPF應(yīng)用研究上取得了較大的突破，已經(jīng)出現(xiàn)了一些商業(yè)化的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)無(wú)錫威孚公司開(kāi)發(fā)了一種堇青石材質(zhì)的壁流式GPF，其濾芯內(nèi)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(guò)濾材料

決定汽油機(jī)顆粒捕集器性能的關(guān)鍵技術(shù)是過(guò)濾材料。過(guò)濾材料的過(guò)濾能力、機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、散熱能力等物理性能直接影響GPF的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而影響GPF的過(guò)濾效率、排氣背壓、使用壽命等指標(biāo)。與DPF過(guò)濾材料性能要求相似，GPF過(guò)濾材料需具備以下性能［12-14］：

1）具有較高的微粒過(guò)濾效率，較低的排氣阻力；

2）較小的熱膨脹系數(shù)，熱穩(wěn)定性好及能承受較高的熱負(fù)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(jī)械強(qiáng)度和抗振動(dòng)性。

目前沒(méi)有某一種材料可以同時(shí)滿(mǎn)足上述所有性能要求。研究最多的GPF過(guò)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(guò)濾材料，其成本低廉，耐高溫、機(jī)械強(qiáng)度高。汽油機(jī)顆粒捕集器抗熱沖擊性能至關(guān)重要，較低的熱膨脹系數(shù)及良好的抗熱沖擊性能使得堇青石更適合汽油機(jī)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(zhì)量，這有助于縮短催化劑起燃時(shí)間，加上堇青石捕集器低溫時(shí)CO和HC的轉(zhuǎn)換效率較高，可有效減少冷啟動(dòng)和催化劑加熱階段顆粒物的生成。堇青石的主要缺點(diǎn)是耐腐蝕性較差，徑向膨脹系數(shù)高于軸向膨脹系數(shù)。另外，較小的導(dǎo)熱率使再生時(shí)熱量不易散發(fā)而導(dǎo)致過(guò)濾器開(kāi)裂［13，14，16］。

與SiC捕集器相比，堇青石比熱容更小，設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)也增加了排氣背壓。為了確定堇青石捕集器開(kāi)裂問(wèn)題的原因，Jung［17］等人仿真分析了高溫時(shí)的熱應(yīng)力分布情況。研究表明，在捕集器孔道方角對(duì)稱(chēng)軸線(xiàn)方向熱應(yīng)力最高，捕集器開(kāi)裂大都從應(yīng)力集中處發(fā)生，如圖2所示。

圖2　GPF熱應(yīng)力分布圖

3.2.2SiC材料

SiC材料分為兩類(lèi)，重結(jié)晶SiC和Si-SiC［17］。與堇青石相比，SiC具有更優(yōu)異的耐熱、耐蝕和導(dǎo)熱性能，機(jī)械強(qiáng)度也更高。SiC具有較高的導(dǎo)熱率及熱質(zhì)量，再生時(shí)PM燃燒產(chǎn)生的熱量可以快速散發(fā)，溫度容易控制在材料的熱極限內(nèi)，能夠承受更加惡劣的再生環(huán)境。SiC過(guò)濾材料的主要缺陷是抗熱沖擊性能較差，再生時(shí)在高溫沖擊下容易裂開(kāi)。以重結(jié)晶SiC為例，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)，劇烈的熱變化導(dǎo)致聚集在顆粒捕集器表面的PM層從捕集器表面分離，這會(huì)導(dǎo)致高溫下過(guò)濾器因出現(xiàn)開(kāi)裂而失效［17］。因此，SiC-GPF不像堇青石一樣制成整體蜂窩式結(jié)構(gòu)，而是將組件用有一定彈性的陶瓷纖維粘結(jié)成整體，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)可以顯著提高SiC-GPF的抗熱沖擊性能，但會(huì)增加排氣背壓。

圖3　碳化硅GPF（左）與堇青石GPF（右）的結(jié)構(gòu)比較

3.3GPF研究發(fā)展及應(yīng)用

GPF的設(shè)計(jì)及應(yīng)用主要考慮的問(wèn)題是：過(guò)濾效率、排氣背壓、再生、使用成本、耐久性及對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響等。在保證較高的過(guò)濾效率以滿(mǎn)足排放法規(guī)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(dāng)前的主要研究熱點(diǎn)。

在新時(shí)代背景下，我國(guó)拓展對(duì)外貿(mào)易亟需培育貿(mào)易新業(yè)態(tài)、新模式，以實(shí)現(xiàn)建設(shè)貿(mào)易強(qiáng)國(guó)的偉大夢(mèng)想。隨著世界經(jīng)濟(jì)進(jìn)入“后危機(jī)”時(shí)代，中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入了新常態(tài)，這同時(shí)要求實(shí)現(xiàn)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)發(fā)展更高質(zhì)量的產(chǎn)品和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)更有效率、更可持續(xù)的外貿(mào)經(jīng)濟(jì)方式。在外貿(mào)領(lǐng)域的供給側(cè)改革，要求有一個(gè)以更加堅(jiān)定的姿態(tài)，立足新時(shí)代高點(diǎn)的戰(zhàn)略，在于通過(guò)外貿(mào)供給側(cè)改革這一驅(qū)動(dòng)力，構(gòu)建全面開(kāi)放新格局，最終建設(shè)貿(mào)易強(qiáng)國(guó)。

3.3.1GPF布置方案

GPF在汽油機(jī)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(shí)驗(yàn)分析了GPF兩種安裝位置對(duì)PN和過(guò)濾效率的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，GPF采用后置式布置時(shí)，PN過(guò)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(yuǎn)，排氣溫度較低。兩組實(shí)驗(yàn)分別測(cè)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(dá)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(guò)濾效率顯著提高。另一個(gè)原因是GPF后置式安裝時(shí)，排氣流速相對(duì)更低，由于布朗擴(kuò)散和壁流速度密切相關(guān)，流速越低，相同時(shí)間內(nèi)捕集的顆粒物越多。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。相比于后置式布置，GPF緊耦合位置安裝時(shí)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(shí)現(xiàn)GPF的再生。GPF位于排氣管下游位置時(shí)，或需要GPF周期性的主動(dòng)再生，這增加了后處理系統(tǒng)的控制復(fù)雜程度。

圖5　GPF安裝位置對(duì)PN和過(guò)濾效率的影響

Reggie［19］等人為了驗(yàn)證PM的累積是否需要周期性的主動(dòng)再生，在一臺(tái)福特EcoBoost 3.5L V6直噴汽油機(jī)上采用兩種布置方案進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果與Chika等人的試驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似，GPF安裝在緊耦合位置時(shí)排氣溫度和排氣流速高于后置式，顆粒物過(guò)濾效率低于后置式。GPF后置式安裝時(shí)，在不影響駕駛舒適性的前提下，需要優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)控制來(lái)提供足夠高的溫度使GPF主動(dòng)再生。

3.3.2GPF結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)過(guò)濾效率的影響

如上文所述，GPF的安裝布置對(duì)過(guò)濾效率有很大影響。除此之外，對(duì)顆粒捕集器過(guò)濾效率影響較大的參數(shù)主要由：孔徑、壁厚、孔密度及過(guò)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(zhì)GPF在一臺(tái)1.4 LGDI發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了壁厚、孔密度對(duì)過(guò)濾效率的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，安裝GPF后，顆粒物排放顯著降低，NEDC和WLTP循環(huán)下PN排放均遠(yuǎn)低于EU 6c限值。增大過(guò)濾體壁厚、孔密度均可提高PN過(guò)濾效率。改變壁厚對(duì)PN過(guò)濾效率的影響大于孔密度的影響。幾何表面積對(duì)過(guò)濾效率的影響有待于進(jìn)一步探究。

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

Tak W.Chan［20］等人圍繞GPF對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒物排放的影響在FTP-75和US06循環(huán)下進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TP-75和US06循環(huán)GPF的過(guò)濾效率分別為82%和76%。只裝配TWC的直噴汽油機(jī)在兩種循環(huán)下PN分別比PFI汽油機(jī)高10和30倍。使用非催化GPF后，PN下降為2和8倍。US06循環(huán)中GPF過(guò)濾效率低于FTP-75是因?yàn)閁S06循環(huán)中頻繁的再生減少了碳層的形成。研究還發(fā)現(xiàn)，GPF過(guò)濾效率與排氣溫度密切相關(guān)。

3.3.3GPF結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排氣背壓的影響

排氣背壓嚴(yán)重影響燃油消耗、CO2排放和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。必須設(shè)法降低GPF造成的排氣背壓升高，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)良好的性能。與排氣背壓相關(guān)的GPF設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括壁厚、開(kāi)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(shù)優(yōu)化對(duì)GPF排氣背壓的影響進(jìn)行了研究。研究表明，采用高孔隙率材料（大于60%），較大的開(kāi)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(jī)械強(qiáng)度。因此，選擇合適的孔隙率必須綜合排氣背壓和機(jī)械強(qiáng)度。平均孔徑越大，壓降越小。單純從減少壓降的角度，應(yīng)該盡量增大平均孔徑，但這會(huì)降低過(guò)濾效率?？壮叽绲倪x擇必須權(quán)衡排氣背壓和過(guò)濾效率。NGK公司基于大量實(shí)驗(yàn)研究推薦最佳平均孔徑范圍為15～25 μm。實(shí)驗(yàn)還研究了GPF催化劑涂層數(shù)量不同時(shí)壁厚對(duì)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(shù)量較高時(shí)，改變壁厚對(duì)排氣背壓的影響更明顯。

Shimoda［15］研究了低背壓設(shè)計(jì)的GPF。捕集器長(zhǎng)度與直徑的比值（L/D）及安裝位置對(duì)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(huán)下，GPF后置式安裝時(shí)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(kāi)口橫截面積減小壓降的同時(shí)，造成了GPF結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低，制造受到限制。

Chika［18］等人從壁厚和開(kāi)口橫截面積對(duì)壓降的影響及壓降對(duì)油耗、輸出功率的影響進(jìn)行了試驗(yàn)分析。根據(jù)DPF的經(jīng)驗(yàn)，為了減少壓降，應(yīng)選擇較大的開(kāi)口橫截面積。如圖6所示，通過(guò)改變GPF結(jié)構(gòu)壁厚從12 mil/300 cpsi降到 5 mil/360 cpsi，開(kāi)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(duì)過(guò)濾效率的影響，GPF的結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)必須綜合考慮壓降和過(guò)濾效率之間的折中關(guān)系。研究還發(fā)現(xiàn)，在NEDC循環(huán)下，安裝GPF引起的壓降增加對(duì)CO2排放的影響幾乎可以忽略。全負(fù)荷工況下壓降增加10 kPa時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出僅降低1%。

圖6　壁厚對(duì)壓降的影響

3.3.4GPF再生

顆粒捕集器長(zhǎng)時(shí)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(chǔ)體積會(huì)逐漸減少［5］。PM層的形成有助于提高過(guò)濾效率，但排氣管中會(huì)出現(xiàn)節(jié)流效應(yīng)，排氣流動(dòng)阻力變大，從而導(dǎo)致油耗增加，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率下降，此時(shí)需要對(duì)GPF進(jìn)行更換或再生處理。

GPF再生與以下因素密切相關(guān)：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(yàn)發(fā)現(xiàn)理論空燃比下，GPF內(nèi)部溫度達(dá)到650℃時(shí)PM開(kāi)始燃燒。空燃比增大到17時(shí)，充足的氧氣使再生溫度降為500℃。Joerg［10］等人發(fā)現(xiàn)催化劑涂層有利于低溫時(shí)GPF的再生。Shimoda［15］利用一臺(tái)GPF緊耦合位置安裝的1.8 L稀燃GDI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了再生研究。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行一段時(shí)間后PM積累量為4 g/L。過(guò)量空氣系數(shù)φat=1時(shí)（氧濃度為1.0%～1.6%），GPF進(jìn)口排氣溫度超過(guò)500℃時(shí)PM開(kāi)始燃燒。φat增大到1.16時(shí)（氧濃度大約3.2%～5.2%），排氣溫度超過(guò)400℃時(shí) PM開(kāi)始燃燒。Tak W.Chan［20］等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)GPF的再生溫度范圍為600～650℃，采用US06循環(huán)時(shí)較高的排氣溫度使再生較容易發(fā)生，F(xiàn)TP-75循環(huán)時(shí)再生未發(fā)生。Ogyu［21］利用薄壁高孔隙率的重結(jié)晶SiC材質(zhì)GPF試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，較高的排氣溫度加上減速斷油時(shí)的氧濃度足以燃燒碳層使GPF被動(dòng)再生。Nicolin［22］對(duì)汽油機(jī)碳顆粒的生成、氧化機(jī)理及GPF建立了模型，并在臺(tái)架上進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明斷油時(shí)的氧濃度促使了被動(dòng)碳氧化的發(fā)生。

4　結(jié)論與展望

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)在提高燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、降低CO2排放的同時(shí)，會(huì)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(jī)顆粒物排放滿(mǎn)足不斷升級(jí)的排放法規(guī)。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(guò)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(shù)優(yōu)化對(duì)GPF的過(guò)濾效率和排氣背壓有重要影響。過(guò)濾效率和排氣背壓二者之間具有折中關(guān)系，結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化需要綜合考慮這種關(guān)系。汽油機(jī)較高的排氣溫度使GPF容易在減速斷油時(shí)再生。

盡管?chē)?guó)內(nèi)外逐步對(duì)GPF展開(kāi)了研究，但仍有許多問(wèn)題亟待解決。當(dāng)前GPF的研究主要朝以下方向發(fā)展：

1）GPF再生控制與發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)合。

2）灰分對(duì)GPF的影響及老化后對(duì)過(guò)濾效率、油耗的影響。

3）與GPF相關(guān)的OBD故障診斷監(jiān)控及失效處理。

4）GPF與TWC整合成四元轉(zhuǎn)化器的實(shí)驗(yàn)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，F(xiàn)iltration 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?yàn)閮?nèi)燃機(jī)電控技術(shù)。

2016-01-12）