汽油機(jī)微粒捕集器過(guò)濾材料研究進(jìn)展

【摘" 要】文章根據(jù)國(guó)內(nèi)外汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）的研究現(xiàn)狀，全面系統(tǒng)地總結(jié)出壁流式、徑向式和軸向式3種過(guò)濾體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，深入探討高效GPF對(duì)過(guò)濾材料的要求，重點(diǎn)介紹陶瓷基和金屬基兩大類過(guò)濾材料的最新研究進(jìn)展，并基于當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)GPF的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】汽油機(jī)顆粒捕集器；過(guò)濾體結(jié)構(gòu)；過(guò)濾材料；金屬基材料；陶瓷基材料

中圖分類號(hào)：U464.172"""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""" 文章編號(hào)：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(yè)常采用安裝GPF的措施來(lái)降低顆粒物的排放量，這一方法也被認(rèn)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(lián)合使用，以同時(shí)滿足顆粒物質(zhì)量和數(shù)量、氮氧化物、碳?xì)浠衔镆约耙谎趸寂欧畔拗档囊?。然而，安裝捕集器后不可避免地會(huì)對(duì)后處理系統(tǒng)架構(gòu)集成的便利性、排氣背壓以及燃油經(jīng)濟(jì)性等產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在實(shí)際開發(fā)過(guò)程中，除了要滿足微粒排放標(biāo)準(zhǔn)外，還必須盡可能滿足低背壓、高燃油經(jīng)濟(jì)性、良好駕駛樂(lè)趣以及低增量成本等要求。目前，科研和企業(yè)從業(yè)人員正在評(píng)估各種GPF產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以滿足上述目標(biāo)。

一般而言，GPF安裝于整車排氣系統(tǒng)前端，并持續(xù)處于高溫、強(qiáng)腐蝕的嚴(yán)苛環(huán)境中，這對(duì)GPF的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和過(guò)濾材料提出了較高要求。但國(guó)內(nèi)對(duì)GPF的研發(fā)工作起步較晚，針對(duì)GPF結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和過(guò)濾材料的研究相對(duì)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(guò)濾材料的影響，這些特性是衡量GPF性能的關(guān)鍵指標(biāo)，而捕集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又需根據(jù)過(guò)濾材料的特性展開。因此，有必要對(duì)捕集器的結(jié)構(gòu)和過(guò)濾材料進(jìn)行深入研究。本文歸納了捕集器的3種主流結(jié)構(gòu)形式，闡述了對(duì)過(guò)濾材料的具體要求，重點(diǎn)梳理了陶瓷基和金屬基兩大類過(guò)濾材料的特性以及在汽油機(jī)微粒捕集性能方面的研究進(jìn)展、面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，旨在為GPF技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化和創(chuàng)新提供參考與指導(dǎo)。

1" 過(guò)濾體的結(jié)構(gòu)形式及特性

微粒過(guò)濾技術(shù)最早被應(yīng)用于柴油車，用于捕獲柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的顆粒物，并且在控制顆粒物質(zhì)量和數(shù)量方面取得了顯著成效[2]。根據(jù)氣體在過(guò)濾體中的流向，過(guò)濾體的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是目前研究和應(yīng)用最為廣泛的過(guò)濾體形式[3]。壁流式過(guò)濾體整體呈擠壓成型的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由眾多軸向平行的孔道構(gòu)成，且相鄰孔道之間交替堵塞，氣體必須流經(jīng)捕集器的多孔性壁面方可排出，這一過(guò)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(zhì)。壁流式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于捕集效率高，通過(guò)調(diào)整蜂窩結(jié)構(gòu)的壁厚和開口截面積，能夠精準(zhǔn)地調(diào)控捕集效率和背壓。堇青石基過(guò)濾材料通常被用于開發(fā)壁流式捕集器。

1.2" 徑向式

徑向式捕集器通常由兩個(gè)同心圓筒組成，中心圓筒的一端處于密封狀態(tài)，兩個(gè)圓筒中間由過(guò)濾介質(zhì)填充，見(jiàn)圖1b。在進(jìn)行過(guò)濾時(shí)，氣體從中心大圓筒的開口端進(jìn)入，接著通過(guò)兩個(gè)圓筒中間的過(guò)濾介質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾，最終排出。徑向式捕集器的過(guò)濾包含表面過(guò)濾和深層過(guò)濾兩個(gè)階段。徑向式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，背壓損失小。徑向式捕集器的過(guò)濾介質(zhì)通常為陶瓷纖維氈或者泡沫金屬。C Kwanhee等人[4]應(yīng)用徑向型金屬泡沫型GPF捕集缸內(nèi)直噴汽油機(jī)產(chǎn)生的顆粒物，發(fā)現(xiàn)其能夠大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)和加速階段產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)量和數(shù)量。

1.3" 軸向式

軸向式捕集器因氣體沿中心軸方向流動(dòng)而得名。在這種結(jié)構(gòu)中，過(guò)濾介質(zhì)通常與氣體流動(dòng)方向垂直，氣體從捕集器的一端進(jìn)入，穿過(guò)過(guò)濾介質(zhì)層后，從另一端流出，見(jiàn)圖1c。過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部是由0.2～2mm的小孔組成的多孔結(jié)構(gòu)。與壁流式捕集器相比，軸向式捕集器中過(guò)濾介質(zhì)的孔尺寸相對(duì)較大，且孔隙之間相互連通。因此，軸向式捕集器內(nèi)主要發(fā)生的是深床過(guò)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(guò)濾體堵塞，需要頻繁進(jìn)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(guò)濾材料，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制成了一種軸向式金屬絲網(wǎng)捕集器。他們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變金屬絲網(wǎng)的層數(shù)可以調(diào)控捕集器的過(guò)濾性能和背壓，這一捕集器對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中顆粒物數(shù)量的捕集效率可達(dá)到80%以上。

2" 過(guò)濾材料的要求

過(guò)濾材料的特性決定著整個(gè)微粒捕集系統(tǒng)的壓力降、傳熱、傳質(zhì)特性、強(qiáng)度和捕集效率等性能。從實(shí)際應(yīng)用的角度而言，GPF對(duì)其過(guò)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(biāo)之一。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)GPF進(jìn)口與出口位置處的PM（顆粒物質(zhì)量）與PN（顆粒物數(shù)量）排放進(jìn)行測(cè)量，能夠計(jì)算出GPF對(duì)顆粒物的捕集效率。

大量的試驗(yàn)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(guò)濾體體積等結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)量捕集效率[6]。

2.2" 低壓降

由于排氣背壓過(guò)高會(huì)嚴(yán)重影響整車二氧化碳排放量、燃油經(jīng)濟(jì)性以及動(dòng)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(shè)計(jì)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(lái)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(shè)計(jì)條件會(huì)降低捕集效率，并且對(duì)GPF整體的熱容量和強(qiáng)度等參數(shù)產(chǎn)生負(fù)面作用。因此，在實(shí)際的研究和應(yīng)用過(guò)程中，需要對(duì)各種因素進(jìn)行綜合考慮。

2.3" 良好的可再生性

顆粒物的累積會(huì)致使發(fā)動(dòng)機(jī)背壓升高，為確保發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，需要定期進(jìn)行再生，將捕集器內(nèi)捕集的顆粒物去除[8]。在再生過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)劇烈放熱現(xiàn)象，這有利于GPF內(nèi)部顆粒物迅速燃燒從而恢復(fù)捕集效率，但過(guò)高的溫度可能會(huì)對(duì)載體結(jié)構(gòu)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(qiáng)的耐火性能，并且能夠承受較大的熱梯度。

2.4" 優(yōu)良的耐久性能和機(jī)械強(qiáng)度

GPF位于排氣系統(tǒng)的熱端，長(zhǎng)時(shí)間在高溫、易腐蝕的復(fù)雜環(huán)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(fā)中極為重要的需求。捕集器的耐受性主要與材料的熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)、強(qiáng)度、熱容量和導(dǎo)熱性等材料參數(shù)有關(guān)。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(jié)構(gòu)參數(shù)在一定程度上會(huì)影響GPF的機(jī)械強(qiáng)度，可能導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和熱容量低于應(yīng)用需求，同時(shí)會(huì)對(duì)GPF的加工技術(shù)提出更高要求，生產(chǎn)成本也會(huì)隨之增加。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)GPF的應(yīng)用條件和限制來(lái)選擇具有競(jìng)爭(zhēng)力的過(guò)濾材料尤為關(guān)鍵。

3" 過(guò)濾材料的研究與應(yīng)用

近年來(lái)，隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，GPF過(guò)濾材料的研究取得了長(zhǎng)足發(fā)展，這對(duì)于開發(fā)滿足嚴(yán)苛實(shí)際應(yīng)用需求的高性能GPF而言至關(guān)重要。當(dāng)前，汽車捕集器中常用的過(guò)濾材料分為兩大類：陶瓷材料和金屬材料。本文將簡(jiǎn)要概述這兩類材料的特點(diǎn)及其在GPF中的應(yīng)用。

3.1" 陶瓷基過(guò)濾材料

陶瓷基過(guò)濾材料通常由氧化物或者碳化物組成，具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，耐受溫度可達(dá)到700℃以上。陶瓷基過(guò)濾材料主要包括堇青石、碳化硅、氮化硅、莫來(lái)石、鈦酸鋁以及它們的復(fù)合改性材料等。在這些材料中，堇青石和碳化硅兩種材質(zhì)在GPF研究中應(yīng)用最為廣泛。

3.1.1" 堇青石

在眾多陶瓷基過(guò)濾材料中，堇青石因成本低、耐高溫和機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在捕集器領(lǐng)域中應(yīng)用歷史最悠久，應(yīng)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(jī)上，對(duì)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(jìn)行排放相關(guān)的研究。研究結(jié)果顯示，集成了GPF的后處理系統(tǒng)能顯著降低尾氣中的顆粒物排放量。盡管捕集效率隨發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放顆粒物數(shù)量的不同而有所差異，但捕集效率普遍能達(dá)到70%以上 。

此外，堇青石材質(zhì)的催化劑涂覆性能好，常應(yīng)用于開發(fā)催化型汽油機(jī)顆粒捕集器（Catalyzed Gasoline Particulate Filter，CGPF）。CGPF結(jié)合了顆粒捕集器的物理過(guò)濾和催化劑的化學(xué)轉(zhuǎn)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?xì)浠衔锏扔泻ξ镔|(zhì)。例如，Joerg Michael Richter等[11]研究人員基于堇青石型CGPF進(jìn)行了催化涂層對(duì)碳?xì)浠衔铩O和NOX排放影響的研究。研究結(jié)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(xiàn)進(jìn)一步凸顯了堇青石作為GPF過(guò)濾材料的潛力和優(yōu)勢(shì)。

GPF長(zhǎng)期工作于快速加熱和冷卻相交替的工況下，對(duì)過(guò)濾材質(zhì)的熱沖擊性能要求較高。但是，堇青石導(dǎo)熱系數(shù)小，再生時(shí)產(chǎn)生的熱量難以快速散去，高溫下容易發(fā)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(shù)是軸向膨脹系數(shù)的兩倍，容易產(chǎn)生熱應(yīng)力損壞。S Jung等人[12]通過(guò)仿真技術(shù)對(duì)高溫環(huán)境下GPF的熱應(yīng)力分布情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)捕集器對(duì)角中心軸方向上的熱應(yīng)力最高，此處最易發(fā)生開裂，如圖2所示。因此，堇青石型捕集器在設(shè)計(jì)時(shí)必須要克服快速熱變化引起的裂縫問(wèn)題，同時(shí)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(bǔ)材料結(jié)構(gòu)缺陷和精確控制再生溫度的方法，并提出可以通過(guò)加強(qiáng)角形的方法來(lái)減少捕集器裂縫的出現(xiàn)。如，當(dāng)孔道形狀呈圓形時(shí)，過(guò)濾壁之間的距離增大。這一設(shè)計(jì)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(guò)濾材料是碳化硅（SiC），其具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)，有利于GPF再生過(guò)程中產(chǎn)生的高溫快速散去，能夠有效緩解再生困難這一問(wèn)題。SiC材料主要分為重結(jié)晶SiC（Re-SiC）和復(fù)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(jīng)過(guò)高溫煅燒制備而成的具有一定孔隙率的燒結(jié)體。由于制備Re-SiC時(shí)所需的燒結(jié)溫度較高，導(dǎo)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(huì)阻碳化硅顆粒的燒結(jié)，使得重結(jié)晶碳化硅的孔隙率有限。而與Re-SiC相比，Si-SiC的燒結(jié)溫度較低，孔隙率和孔隙大小相對(duì)更容易控制。同時(shí)，Si-SiC中的金屬硅在高溫下易發(fā)生相變，因此Si-SiC的抗熱沖擊能力要優(yōu)于Re-SiC。

S.Hashimoto等人[13]將孔隙率高、主孔徑尺寸介于20μm的復(fù)合碳化硅型捕集器（SiC-1和SiC-2）與商用的重結(jié)晶碳化硅（Re-SiC）捕集器進(jìn)行性能對(duì)比，研究三者在碳煙負(fù)載情況下的背壓變化情況。如圖3所示，與重結(jié)晶SiC-3對(duì)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(guò)濾器）的相關(guān)研究，減小捕集器壁厚、增加開闊前緣面積是降低GPF（汽油機(jī)顆粒捕集器）壓力損失最有效的設(shè)計(jì)方向，但是這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變會(huì)導(dǎo)致蜂窩結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度下降。因此，開發(fā)結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)且具有高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的捕集器成為研究重點(diǎn)。在壁面孔隙率相同的情況下，Re-SiC（反應(yīng)燒結(jié)碳化硅）多孔骨架的強(qiáng)度約為堇青石的兩倍，是眾多陶瓷材料中機(jī)械強(qiáng)度較高的材料之一。利用Re-SiC機(jī)械強(qiáng)度高這一特性，Kazutake Ogyu等人[14]開發(fā)出薄壁、高孔隙率的GPF，并探究其在NEDC（新歐洲駕駛循環(huán)）測(cè)試工況下的壓力損失和 PN（顆粒物數(shù)量）捕集效率。他們發(fā)現(xiàn)這種薄壁設(shè)計(jì)不僅能夠縮小捕集器的尺寸，有利于排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局，還能保持優(yōu)異的PN過(guò)濾性能，即使在包覆催化劑涂層后仍具有保持低壓降的優(yōu)勢(shì)。總之，高強(qiáng)度Re-SiC材質(zhì)有利于捕集器實(shí)現(xiàn)薄壁厚、高孔隙率的設(shè)計(jì)，有利于平衡捕集效率和壓降之間的關(guān)系。

3.2" 金屬基過(guò)濾材料

與陶瓷基過(guò)濾材料相比，金屬基過(guò)濾材料的主要缺點(diǎn)是材料的成型工藝較為復(fù)雜，且催化劑的涂覆性能不佳，因而現(xiàn)階段在汽油車顆粒捕集器方面應(yīng)用相對(duì)有限。但是，金屬基過(guò)濾材料在強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)熱性和結(jié)構(gòu)靈活性方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)[15]。因而，金屬基捕集器在汽車領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用潛力。金屬基過(guò)濾材料一般分為：①金屬粉末或者燒結(jié)金屬；②金屬纖維或者金屬絲網(wǎng)（本文稱金屬纖維型）；③泡沫合金。目前，研究者們對(duì)金屬纖維型和金屬泡沫合金這兩種結(jié)構(gòu)形式的金屬基過(guò)濾材料給予廣泛關(guān)注。

3.2.1" 金屬纖維型過(guò)濾材料

金屬纖維型過(guò)濾材料是由微米級(jí)直徑的金屬纖維經(jīng)由無(wú)紡鋪制而成的材料。在工業(yè)上應(yīng)用最多的是經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)的金屬纖維過(guò)濾材料，又稱為金屬纖維燒結(jié)過(guò)濾材料或者金屬纖維燒結(jié)氈。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制備方法來(lái)看，金屬纖維燒結(jié)氈的優(yōu)點(diǎn)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(yīng)用。此外，金屬纖維燒結(jié)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(xiàn)出更好的權(quán)衡。

Q Ou等人[16]設(shè)計(jì)了一款纖維直徑在12μm的金屬纖維燒結(jié)型GPF，并測(cè)試了其在FTP和US06驅(qū)動(dòng)循環(huán)下的捕集效率和背壓。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在這兩種測(cè)試條件下，該金屬燒結(jié)型GPF對(duì)顆粒物的捕集效率均可達(dá)到78%以上。此外，金屬纖維燒結(jié)型GPF在低壓降方面也展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)（圖4）。在FTP測(cè)試條件下，金屬纖維燒結(jié)型GPF的背壓低于測(cè)量閾值；在US06測(cè)試條件下，其平均背壓約為1kPa。研究者們認(rèn)為，與金屬泡沫和壁流式GPF相比，燒結(jié)金屬纖維型GPF具有更大的市場(chǎng)應(yīng)用潛力。然而，燒結(jié)金屬纖維型GPF的尺寸相較于壁流式GPF仍較大，需進(jìn)一步開發(fā)具有更高比表面積和能耐受汽油機(jī)高排氣溫度的金屬纖維氈型捕集器，提高其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

3.2.2" 金屬泡沫型過(guò)濾材料

金屬泡沫具有復(fù)雜的三維多孔結(jié)構(gòu)以及不規(guī)則的支柱表面，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)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(duì)顆粒物的負(fù)載能力較低，易導(dǎo)致捕集器的壓降較大；而增大過(guò)濾基底的孔徑，又會(huì)降低過(guò)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(gè)捕集器中，期望提高捕集效率的同時(shí)，減緩壓降的增長(zhǎng)速率。比如，C Kwanhee等人[17]發(fā)現(xiàn)金屬泡沫GPF在降低顆粒物質(zhì)量和數(shù)量方面表現(xiàn)出卓越的性能。如圖5所示，金屬泡沫GPF對(duì)23nm以下顆粒的捕集效率可達(dá)到93%。此外，在一定行駛速度范圍內(nèi)，GPF的背壓均在1.0kPa以下，且整車的燃油經(jīng)濟(jì)性和CO2排放量都在可接受的范圍內(nèi)。S Baek等人[18]發(fā)現(xiàn)具有復(fù)雜和不規(guī)則結(jié)構(gòu)的Ni-基金屬泡沫型GPF對(duì)成核模式和顆粒聚集模式的顆粒都具有優(yōu)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(qiáng)通道至結(jié)構(gòu)表面的傳質(zhì)過(guò)程，在降低顆粒物數(shù)量濃度方面表現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

4" 結(jié)論和展望

本文對(duì)壁流式、徑向式和軸向式3種捕集器結(jié)構(gòu)形式，以及陶瓷基和金屬基兩大類過(guò)濾材料進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，總結(jié)了各種捕集器和過(guò)濾材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用，并提出以下展望。

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

2）開發(fā)環(huán)境友好型的過(guò)濾材料，例如使用生物基材料或可回收材料以減少對(duì)環(huán)境的影響。

3）除了優(yōu)化過(guò)濾材料的生產(chǎn)工藝外，改進(jìn)過(guò)濾體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如優(yōu)化過(guò)濾體結(jié)構(gòu)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(shù)整合，開發(fā)能夠同時(shí)控制顆粒物和氣體污染物（如氮氧化物、碳?xì)浠衔锏龋┑木C合過(guò)濾材料，同時(shí)降低顆粒物和氣體污染物的排放量。

參考文獻(xiàn)

[1]" 李配楠，程曉章，駱洪燕，等.基于國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）的試驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2017，34（1）：1-5.

[2]" 田彤，陳令華，劉晶.柴油機(jī)排氣顆粒物捕集器的發(fā)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(wàn)李，等.柴油車排氣微粒捕集用復(fù)合金屬絲網(wǎng)的制備與性能研究[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2004，5（10）：80-83.

[6]" 陳華鵬，吳曉東，徐魯華，等.柴油機(jī)微粒過(guò)濾體結(jié)構(gòu)形式研究進(jìn)展[J].中國(guó)稀土學(xué)報(bào)，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(fā)動(dòng)機(jī)顆粒排放和再生頻率對(duì)汽油機(jī)顆粒捕集器效率的影響[J].汽車與新動(dòng)力，2021，4（2）：53-59.

[9]" 趙冰.堇青石基柴油機(jī)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(xué)，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）