汽油顆粒捕獲器與機(jī)動(dòng)車污染物排放

◆文/江蘇 周敏

WHO(世界衛(wèi)生組織)的研究報(bào)告表明，超細(xì)顆粒物(UFP)能夠隨呼吸進(jìn)入人體循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)健康有明顯的傷害作用，WHO的報(bào)告也建議各國(guó)政府制定法規(guī)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的超細(xì)顆粒物進(jìn)行控制。盡管汽油車的顆粒物排放并不像柴油機(jī)顯著，但近年來的研究結(jié)果顯示，GDI缸內(nèi)直噴技術(shù)會(huì)增加汽油機(jī)細(xì)顆粒的排放。隨著全社會(huì)對(duì)機(jī)動(dòng)車污染的日益關(guān)注，汽油機(jī)顆粒物排放日益成為全球法規(guī)的監(jiān)管重點(diǎn)。歐洲和我國(guó)都在近期實(shí)施的法規(guī)中明確了車輛顆粒物排放限值，從控制超細(xì)顆粒物排放的角度出發(fā)，對(duì)車輛單位里程排放顆粒物的數(shù)量和重量提出了要求。

汽油顆粒捕獲器GPF，是當(dāng)前最有效的控制汽油機(jī)顆粒物排放的技術(shù)手段，已經(jīng)開始在部分市售車型上裝備，在國(guó)六和歐六階段大量上市。本文從應(yīng)用GPF的必要性、設(shè)計(jì)因素，應(yīng)用效果等角度闡述了汽油機(jī)顆粒捕獲器的典型特征，供工程技術(shù)人員參考。

一、GDI發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)份額的提升

為滿足更加嚴(yán)格的能耗要求和二氧化碳排放法規(guī)，過去十年中，歐洲乘用車市場(chǎng)中汽油GDI發(fā)動(dòng)機(jī)份額顯著增長(zhǎng)。與歐洲類似，由于我國(guó)機(jī)動(dòng)車第三階段油耗法規(guī)的實(shí)施，小排量的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)已經(jīng)是市場(chǎng)主流。

在歐洲市場(chǎng)，2008年GDI發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)份額僅3%，到2018年已經(jīng)達(dá)到50%。中高端汽車品牌中，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)是主流車型的必選技術(shù)(圖1)。

二、排放法規(guī)日益嚴(yán)格

2016年12月23日，環(huán)境保護(hù)部頒布了《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》，簡(jiǎn)稱國(guó)六法規(guī)，法規(guī)包含國(guó)六a和國(guó)六b兩個(gè)階段。從2019年7月1日起，北京、上海、廣東、江蘇等十幾個(gè)省份已提前開始實(shí)施國(guó)六，不滿足國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的新車無法上牌。從2020年7月1日起，全國(guó)范圍都將實(shí)施國(guó)六a階段排放法規(guī)。從2020年7月1日起，全國(guó)范圍都將實(shí)施國(guó)六b階段排放法規(guī)。

相比國(guó)五法規(guī)，國(guó)六法規(guī)加嚴(yán)了對(duì)HC、CO、NOx等氣態(tài)污染物的排放限值要求，輕型車不分燃料種類和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線，都需要滿足相同的氣態(tài)污染物和顆粒物排放要求。針對(duì)顆粒物排放，在WLTC測(cè)試循環(huán)下，排放數(shù)量不得大于6×1011個(gè)/km。從2023年國(guó)六b法規(guī)實(shí)施起，實(shí)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(shù)能夠有效的降低油耗，但GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放較高。實(shí)驗(yàn)顯示，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的原車排放普遍高于6×1011個(gè)/km，僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)自身難以達(dá)到法規(guī)對(duì)顆粒物數(shù)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(dāng)原機(jī)排放為2×1012個(gè)/km時(shí)，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(fā)動(dòng)機(jī)在歐洲各汽車品牌中的銷量占比

圖2 GPF裝車效果

四、GPF對(duì)顆粒物的捕獲機(jī)理

根據(jù)美國(guó)加州空氣資源委員會(huì)的研究，進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)(PFI)排放的顆粒物直徑一般小于30nm，主要排放來自冷啟動(dòng)階段。而GDI發(fā)動(dòng)機(jī)排放的顆粒物，粒徑一般較大，顆粒的平均粒徑在高峰時(shí)為70～80nm，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段為50～90nm。GPF通過擴(kuò)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(kuò)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(tài)的GPF對(duì)尾氣中不同組分粒徑的過濾效率并不相同。GPF對(duì)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(shí)，過濾效率相對(duì)較低。

五、GPF的主要結(jié)構(gòu)和作用形式

相比柴油機(jī)，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)DPF來說體積也小的多。GPF的工作溫度比DPF更高，更有利于發(fā)生被動(dòng)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(tài)污染物的轉(zhuǎn)化。

碳顆粒物在汽油機(jī)尾氣中積累的量相比柴油機(jī)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(shí)三元催化劑涂層也能提升GPF的過濾效率。對(duì)GPF的設(shè)計(jì)要求可以總結(jié)如表1所示。

六、GPF的應(yīng)用

GPF的布置比較靈活，可以安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǎn)生部分三元催化轉(zhuǎn)化效果，減小系統(tǒng)所用的三元催化器的體積(圖3)。

表1 GPF設(shè)計(jì)要求

將GPF盡量前移至緊耦合位置能提高GPF的再生效果，當(dāng)前主流結(jié)構(gòu)是將GPF布置在TWC之后，以避免GPF過快老化，同時(shí)保證GPF有效再生。但從優(yōu)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(fā)動(dòng)機(jī)艙空間。為了確保車輛滿足OBD法規(guī)的要求，需要在底盤下布置一個(gè)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(guān)，與過濾效率也密切相關(guān)。GPF的設(shè)計(jì)參數(shù)如開口率、壁厚、孔密度、孔隙率，平均孔徑和長(zhǎng)徑比等都會(huì)影響其背壓表現(xiàn)GPF過濾效率與壁厚關(guān)系如圖4所示。由于汽油機(jī)尾氣中的顆粒物含量非常低，因此GPF的平均孔徑需要被優(yōu)化到在沒有碳煙層時(shí)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(guān)，GPF過濾效率與目數(shù)的關(guān)系如圖5所示。

優(yōu)化GPF的長(zhǎng)徑比能有效的降低背壓，在其他條件相同時(shí)，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(guān)，如在NEDC和WLTC工況下，PN的的數(shù)量有明顯的不同。在激烈駕駛工況下，車輛會(huì)排放出更多的顆粒物(圖6)。

圖4 GPF過濾效率與壁厚的關(guān)系

圖5 GPF過濾效率與目數(shù)的關(guān)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(tǒng)的體積和成本。為滿足更嚴(yán)格的OBD法規(guī)要求，歐6和國(guó)六系統(tǒng)都傾向于使用雙級(jí)或多級(jí)載體方案來保證催化劑OBD性能。國(guó)六法規(guī)對(duì)于帶有OBD涂層的GPF，要求OBD系統(tǒng)有針對(duì)GPF的診斷策略。涂層本身會(huì)增加系統(tǒng)背壓，因此針對(duì)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(shí)保證過濾效率(圖7)。

圖7 涂覆催化劑對(duì)不同孔隙率下GPF背壓的影響

八、GPF的再生和耐久

發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣溫度和組分都會(huì)影響GPF中所積累的碳煙的再生。在當(dāng)量燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)偏稀燃燒，氧含量較高，GPF核心的溫度達(dá)到650℃時(shí)就會(huì)發(fā)生再生。再生后GPF壓降減少非常明顯，GPF核心的溫度也會(huì)很快降低到500℃。涂覆催化劑的GPF能夠有效的促進(jìn)炭煙的再生，使再生溫度降低約100℃。

已有多項(xiàng)研究表明GPF是可靠的后處理技術(shù)。GPF能夠在全壽命周期內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制在法規(guī)限制以內(nèi)，且由于GPF中積累的灰分，其過濾效率在整個(gè)壽命周期中是逐步增加的?，F(xiàn)有的耐久試驗(yàn)也顯示優(yōu)化過的GPF系統(tǒng)對(duì)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(guān)系

九、未來展望

由于現(xiàn)有法規(guī)只要求測(cè)量尾氣中固態(tài)顆粒物粒徑大于23nm的部分，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，某些采用了高噴射壓力燃油系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)不采用GPF，也能滿足顆粒物數(shù)量法規(guī)限值要求。

隨著測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步和健康環(huán)保的考慮，將更小的顆粒物也納入法規(guī)要求的呼聲越來越高。一項(xiàng)針對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試表明，當(dāng)考慮7～23nm粒徑的顆粒物時(shí),無GPF系統(tǒng)無法將顆粒物的排放控制在6×1013個(gè)/km以下。從過濾效率的角度出發(fā)，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(shí)考慮大于7nm的顆粒物，GPF過濾效率能夠達(dá)到70%～95%(圖9)。

圖9 GPF針對(duì)大于23nm和大于7nm顆粒物在不同RDE測(cè)試工況下的過濾效率

十、結(jié)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(shù)，能夠有效的控制來自直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的超細(xì)顆粒物的排放。GPF的過濾效率會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而提高，能夠滿足目前和未來階段的法規(guī)要求。