國(guó)Ⅵ汽油車顆粒物排放后處理應(yīng)對(duì)策略

江蘇省相城中等專業(yè)學(xué)校 趙 偉

1 國(guó)Ⅵ汽油車降低顆粒物排放的措施

1.1 汽油機(jī)排放污染物及其后處理應(yīng)對(duì)策略

汽油機(jī)排放污染物主要來(lái)自細(xì)顆粒排放物質(zhì)（PM）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化合物（NOx）和一氧化碳（CO）等4個(gè)部分。針對(duì)汽油機(jī)而言，尾氣后處理裝置主要有三元催化轉(zhuǎn)化器（TWC）、熱反應(yīng)器、空氣噴射器和汽油機(jī)顆粒捕集器（Gasoline Particulate Filter，GPF）等。其中，三元催化轉(zhuǎn)化器是目前應(yīng)用最多的廢氣后處理技術(shù)，也是大家相對(duì)比較熟悉的汽油車排放后處理技術(shù)。三元催化轉(zhuǎn)化器安裝在排氣支管之后、排氣消聲器之前的排氣管中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，廢氣經(jīng)排氣管進(jìn)入三元催化轉(zhuǎn)化器，將汽車排氣系統(tǒng)中的有害物質(zhì)碳?xì)浠衔铮℉C）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）轉(zhuǎn)化為水蒸氣（H2O）、二氧化碳（CO2）和氮?dú)猓∟2）。針對(duì)輕型汽車國(guó)Ⅵ排放法規(guī)，對(duì)于后處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有必要加大前級(jí)三元催化轉(zhuǎn)化器載體體積，并采用高目數(shù)薄壁載體以增加氣體反應(yīng)的接觸面積，優(yōu)化催化劑涂層配方，滿足氣體污染物排放要求。熱反應(yīng)器是通過(guò)均質(zhì)氣體的非催化反應(yīng)來(lái)氧化汽油機(jī)排氣中碳?xì)浠衔铮℉C）和一氧化碳（CO）的裝置。具體的應(yīng)用情況是，在排氣道出口處安裝用耐熱材料制造的熱反應(yīng)器，使尾氣中未燃燒的碳?xì)浠衔铮℉C）和一氧化碳（CO）在熱反應(yīng)器中保持高溫并停留一段時(shí)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(yīng)器屬氧化裝置，不能除去氮氧化物（NOx）。空氣噴射器則是通過(guò)將新鮮空氣送入發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管內(nèi)，從而使排氣中的碳?xì)浠衔铮℉C）和一氧化碳（CO）進(jìn)一步氧化和燃燒，即把導(dǎo)入的空氣中的氧（O2）在排氣管內(nèi)與排氣中的碳?xì)浠衔铮℉C）和一氧化碳（CO）進(jìn)一步化合形成水蒸氣（H2O）和二氧化碳（CO2），從而降低排氣中碳?xì)浠衔铮℉C）和一氧化碳（CO）的排放量。

汽油機(jī)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(guó)Ⅵ排放法規(guī)相比國(guó)Ⅴ對(duì)尾氣的顆粒排放物提出了更加嚴(yán)格的要求，PM（細(xì)顆粒物重量）限值下降了33%，而且還新增了PN（細(xì)顆粒物數(shù)量）的限值要求，同時(shí)增加了實(shí)際道路試驗(yàn)循環(huán)測(cè)試（RDE，Real Driving Emission）。當(dāng)前，為了有效降低顆粒物排放，市場(chǎng)上出現(xiàn)了高軌壓、改良的多孔噴油器等諸多技術(shù)，但這些技術(shù)主要通過(guò)改善原始排放的方式來(lái)降低顆粒物質(zhì)量，其效果視發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)、匹配水平而異。這樣一來(lái)對(duì)那些原尾氣排放不夠好的主機(jī)廠來(lái)說(shuō)，為了滿足新的標(biāo)準(zhǔn)就必須想辦法去降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的顆粒排放物。而汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）是從排放后處理的角度來(lái)降低顆粒物排放的技術(shù)，其過(guò)濾效率高達(dá)90%，同時(shí)也能有效控制顆粒物數(shù)目，是目前各大主機(jī)廠采用的主流技術(shù)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）的作用是將排氣中的顆粒物吸附在過(guò)濾器管壁上，降低顆粒物質(zhì)量（PM）和顆粒物數(shù)量（PN）的排放。

1.2 汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）簡(jiǎn)介

汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）由流通式三效催化轉(zhuǎn)化器演變而來(lái)，是一種安裝在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)中的陶瓷過(guò)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(nèi)有很多平行的軸向蜂窩孔道，相鄰的兩個(gè)孔道內(nèi)一個(gè)只有進(jìn)口開(kāi)放，另一個(gè)只有出口開(kāi)放。排氣從開(kāi)放的進(jìn)口孔道流入，通過(guò)GPF載體多孔壁面至相鄰孔道排出。顆粒物通過(guò)攔截、碰撞、擴(kuò)散、重力沉降等方式被捕集在載體的壁面內(nèi)及壁面上，從而實(shí)現(xiàn)在微粒排放物質(zhì)進(jìn)入大氣之前將其捕捉。GPF過(guò)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(yōu)點(diǎn)在于成本低、熱膨脹系數(shù)小及耐高溫和機(jī)械強(qiáng)度高。

根據(jù)是否帶涂層，GPF也細(xì)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(zhuǎn)化器（Four-Way Catalyst，F(xiàn)WC），即GPF與三元催化轉(zhuǎn)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(shí)也具備三元催化轉(zhuǎn)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(shí)也具有一定的消聲作用，對(duì)于加裝GPF的排氣系統(tǒng)也可以適當(dāng)調(diào)整消聲器的容積。

1.3 國(guó)Ⅵ汽油車GPF布置安裝形式

主機(jī)廠選擇GPF布置安裝形式時(shí)，主要會(huì)考慮以下幾個(gè)方面的因素：一是底盤布置空間，根據(jù)車型不同，發(fā)動(dòng)機(jī)及排氣系統(tǒng)的布置會(huì)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(lái)達(dá)到，最好的情況還是能夠在正常行駛工況下達(dá)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(shí)候需要考慮位置盡可能靠近前催化轉(zhuǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)排氣支管，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓越大，尾氣的流速也就越大，但是捕集率會(huì)降低。四是成本，不言而喻，用最少的錢來(lái)達(dá)到目的。

目前，GPF的主流布置安裝形式主要有四元催化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化器（FWC）形式的優(yōu)點(diǎn)是積炭少，易再生，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原排需求較低，但其缺點(diǎn)是難以布置，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、功率的影響較大，會(huì)加速催化轉(zhuǎn)化器的老化，載體的溫度負(fù)載高。后置式（Under-body，UB）即GPF布置在三元催化轉(zhuǎn)化器（TWC）下游位置，其優(yōu)點(diǎn)是方便布置，顆粒物捕集率較高，對(duì)背壓和油耗的影響較小，但其缺點(diǎn)是GPF再生的頻次高，易積炭，GPF入口溫度低致使被動(dòng)再生困難。緊耦合式（Close-Coupled，CC）即GPF與三元催化轉(zhuǎn)化器（TWC）集成到一起安裝，其優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)安裝布置，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原排需求較低，GPF入口溫度高，被動(dòng)再生容易，但是其缺點(diǎn)是不方便布置，顆粒物捕集率較低，對(duì)背壓和油耗影響較高。鑒于四元催化轉(zhuǎn)化器（FWC）國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟產(chǎn)品，且成本較高，而緊耦合GPF周期性主動(dòng)再生控制復(fù)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(dāng)車輛行駛一定里程后，GPF捕集到的顆粒物逐漸增加，從而會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓升高，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降（動(dòng)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(fù)GPF的過(guò)濾性能，即讓GPF中的顆粒物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行氧化燃燒，稱為GPF再生。GPF再生可以用以下幾個(gè)化學(xué)方程式表達(dá)。當(dāng)GPF內(nèi)部溫度在600 ℃以上且氧濃度大于0.5%時(shí)，發(fā)生化學(xué)氧化放熱反應(yīng)（C+O2=CO2）；當(dāng)GPF內(nèi)部溫度高于800 ℃，且沒(méi)有氧氣時(shí)，發(fā)生化學(xué)吸熱反應(yīng)（C+H2O=CO+H2）；對(duì)于存在催化涂覆的FWC，當(dāng)FWC內(nèi)部溫度為250 ℃～450 ℃時(shí)，還可以進(jìn)行被動(dòng)再生，即連續(xù)再生反應(yīng)（C+2NO2=CO2+2NO）。GPF的再生有被動(dòng)再生和主動(dòng)再生兩種。被動(dòng)再生是指在日常駕駛工況下通過(guò)駕駛?cè)怂砷_(kāi)加速踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)斷油，大量空氣進(jìn)入GPF，實(shí)現(xiàn)再生。主動(dòng)再生是指在被動(dòng)再生無(wú)法滿足再生需求的情況下，車輛去執(zhí)行特殊工況（例如保持80 km/h跑高速30 min），讓控制單元發(fā)出控制指令，后推點(diǎn)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(guò)量氧氣），從而實(shí)現(xiàn)GPF再生。需要注意的是，GPF再生無(wú)法去除灰分（CaO、P2O5、ZnO、SO3、Fe2O3），隨著時(shí)間的累積，當(dāng)灰分在GPF中積滿后，需要到維修廠清灰或更換GPF。

從GPF內(nèi)部再生過(guò)程來(lái)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(shí)際行駛工況下很難達(dá)到條件使其主動(dòng)再生，并且需要準(zhǔn)確判斷GPF何時(shí)進(jìn)行再生，因此需要發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)了解GPF的碳載量狀態(tài)，并對(duì)再生過(guò)程實(shí)施精確控制。對(duì)于碳載量的狀態(tài)監(jiān)測(cè)一般采用壓差法來(lái)進(jìn)行判定，但考慮到壓差在低排氣流量下偏差較大及瞬態(tài)工況下測(cè)量精度無(wú)法保證等問(wèn)題，因此還會(huì)輔助以模型計(jì)算法來(lái)進(jìn)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(xié)調(diào)展開(kāi)（圖3）。當(dāng)碳載量的狀態(tài)達(dá)到再生需求，或者整車行駛距離、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間等其他需求達(dá)到條件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行再生協(xié)調(diào)，通過(guò)混合氣減稀、推遲點(diǎn)火等來(lái)進(jìn)一步滿足GPF再生過(guò)程對(duì)GPF入口溫度和排氣氧含量的需求。此外，再生過(guò)程中也需要根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行工況來(lái)輸出目標(biāo)空燃比和目標(biāo)再生溫度，確保GPF的安全有效再生。另一方面，當(dāng)再生時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者GPF再生溫度過(guò)高時(shí)系統(tǒng)則會(huì)退出再生過(guò)程?？傊珿PF的再生協(xié)調(diào)過(guò)程是個(gè)閉環(huán)控制的循環(huán)過(guò)程，共同確保GPF再生的準(zhǔn)確性和合理性。

圖3 再生協(xié)調(diào)

3 GPF的檢測(cè)診斷

在國(guó)Ⅴ排放法規(guī)的OBD部分中對(duì)顆粒捕集器的監(jiān)測(cè)要求，其核心思想就是要及時(shí)有效地檢測(cè)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(lái)的惡劣環(huán)境影響，降低在用車整體的排放水平。檢測(cè)診斷GPF可以為GPF的再生控制提供再生需求等信號(hào)支撐，而且為實(shí)現(xiàn)GPF堵塞等客戶化診斷需求提供了可能。根據(jù)GPF的布置方式，目前有三種主流的GPF檢測(cè)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(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況點(diǎn)，變化的排氣氣流流經(jīng)GPF時(shí)，GPF下游的溫度相對(duì)上游的溫度會(huì)產(chǎn)生一定的“延遲”效應(yīng)。因此，檢測(cè)診斷從物理原理上說(shuō)，可通過(guò)GPF上下游的溫度傳感器（圖4），根據(jù)溫度變化“延遲”程度的不同，對(duì)GPF的移除或丟失進(jìn)行檢測(cè)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(shù)熱敏電阻），溫度傳感器的電阻隨排氣溫度的變化而變化，進(jìn)而獲得相應(yīng)的排氣溫度數(shù)據(jù)。

圖4 GPF上下游溫度傳感器

3.2 壓差法

由于GPF的存在，GPF會(huì)對(duì)流過(guò)排氣產(chǎn)生一定“阻礙”作用，其阻礙作用主要包括過(guò)濾體壁面和覆蓋在其上的顆粒的流動(dòng)阻力、進(jìn)出口通道的沿程阻力及排氣流入流出時(shí)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(huì)產(chǎn)生一定的壓力差值。不同狀態(tài)的GPF，其壓降表現(xiàn)不同（圖5），當(dāng)GPF載體發(fā)生性能下降，甚至損壞、移除時(shí)，排氣流經(jīng)GPF時(shí)，GPF上下游的壓降就會(huì)發(fā)生相應(yīng)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(gè)壓電電阻，這4個(gè)壓電電阻作為應(yīng)變?cè)M成一個(gè)惠斯頓電橋。膜片隨著壓力變化而產(chǎn)生彎曲變形，膜片上的4個(gè)電阻發(fā)生變化（壓阻效應(yīng)），使電橋上的電壓發(fā)生變化，形成與壓力成線性關(guān)系的電壓信號(hào)。殼體下側(cè)有2個(gè)進(jìn)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(tài)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(zhuǎn)化器，因此FWC具有一定的儲(chǔ)氧能力（OSC）。當(dāng)對(duì)FWC進(jìn)行“加濃減稀”時(shí)，前后氧傳感器的電壓信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一定的“延遲”效應(yīng)。在FWC上下游安裝氧傳感器，根據(jù)前后氧傳感器電壓信號(hào)“延遲”程度的不同，可以對(duì)FWC載體完全損壞、移除甚至丟失進(jìn)行診斷，其原理等同于臨界催化轉(zhuǎn)化器診斷。

FWC失效往往是隨著FWC老化燒結(jié)導(dǎo)致貴金屬有效接觸面積減少，這樣FWC的儲(chǔ)氧能力（OSC）就下降了，從而FWC的性能就會(huì)下降，導(dǎo)致排放超限，因此可以基于FWC儲(chǔ)氧能力來(lái)診斷FWC的轉(zhuǎn)化效率。安裝于FWC上下游的2個(gè)氧傳感器可以通過(guò)精確的控制策略對(duì)FWC的儲(chǔ)氧能力進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，當(dāng)進(jìn)入適宜的診斷工況，系統(tǒng)通過(guò)混合氣控制及氧傳感器信號(hào)變化可以計(jì)算得到FWC的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)氧量，當(dāng)FWC失效時(shí)，儲(chǔ)氧量降低，系統(tǒng)就會(huì)及時(shí)報(bào)出故障，提醒用戶及時(shí)進(jìn)行維修。

4 GPF的維護(hù)

由于GPF是通過(guò)將載體封裝在管道內(nèi)，來(lái)起到密封的作用，所以無(wú)法直接更換載體，只能連同三元催化轉(zhuǎn)化器或者排氣管一同更換。一旦灰分和炭累積過(guò)多，就會(huì)導(dǎo)致通道積滿而只能更換GPF，這樣一來(lái)勢(shì)必造成消費(fèi)者需要花費(fèi)較高的成本。因此消費(fèi)者在車輛日常使用過(guò)程中應(yīng)該保持良好的駕駛習(xí)慣，減少積炭的產(chǎn)生，尤其是在低溫地區(qū)，應(yīng)盡量減少怠速駕駛場(chǎng)景。其次，安裝了GPF的車輛會(huì)配置GPF警告燈（圖7），車主在車輛使用過(guò)程中，要注意GPF警告燈是否點(diǎn)亮。當(dāng)GPF警告燈點(diǎn)亮?xí)r，表示GPF飽和到了一定程度需要進(jìn)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(fù)正常。當(dāng)GPF警告燈閃爍時(shí)，表示GPF已滿，主動(dòng)再生和被動(dòng)再生均無(wú)法有效清除煙塵，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元會(huì)限制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，如果同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)故障警告燈也點(diǎn)亮的話，則需要到維修廠進(jìn)行駐車再生，如果忽略GPF報(bào)警，可能會(huì)降低車輛性能，甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)，最終更換GPF。因此，總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于GPF的維護(hù)，需要注意的兩個(gè)要點(diǎn)是減少怠速，多跑高速。

圖7 顆粒捕集器警告燈

相對(duì)于國(guó)Ⅴ排放法規(guī)的要求（分別對(duì)NMHC及NOx進(jìn)行了閥值設(shè)定），國(guó)Ⅵ排放法規(guī)設(shè)定的催化轉(zhuǎn)化器失效準(zhǔn)則為車輛排放的NMHC+NOx超過(guò)OBD閾值（表1），由于國(guó)Ⅵ排放法規(guī)的OBD排放限值進(jìn)行了大幅加嚴(yán)，這就對(duì)OBD臨界催化轉(zhuǎn)化器制備帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)。因?yàn)榕R界催化轉(zhuǎn)化器是催化轉(zhuǎn)化器故障模型搭建及后續(xù)匹配數(shù)據(jù)確定中首要故障準(zhǔn)則，只有臨界催化轉(zhuǎn)化器與耐久催化轉(zhuǎn)化器有足夠的區(qū)分度，才能有效地降低售后市場(chǎng)催化轉(zhuǎn)化器失效誤報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)。而當(dāng)OBD閾值進(jìn)一步降低后，那么二者的區(qū)分度也就會(huì)大幅降低，這也就給催化轉(zhuǎn)化器診斷的標(biāo)定匹配工作帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。而同時(shí)，在國(guó)Ⅵ排放法規(guī)中排放循環(huán)采用了全新的WLTC循環(huán)，更為動(dòng)態(tài)的測(cè)試循環(huán)也為標(biāo)定工作帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

表1 國(guó)Ⅵ排放法規(guī)對(duì)頂?shù)腛BD排放閾值