温吉辉　滕勤

（合肥工业大学机械与汽车工程学院　安徽 合肥　230009）

缸内直喷汽油机颗粒捕集器（GPF）技术研究进展

温吉辉滕勤

（合肥工业大学机械与汽车工程学院安徽 合肥230009）

阐述了国内外排放法规对直喷汽油机颗粒物的排放要求，分析了直喷汽油机颗粒物（PM）产生机理。介绍了汽油机颗粒捕集器（GPF）技术研究的最新进展及存在的问题，展望了汽油颗粒捕集器的发展趋势。

直喷汽油机 颗粒物 GPF过滤效率 排气背压

引言

缸内直喷汽油机（GDI）因其较好的动力性、燃油经济性、驾驶性及排放等优点，在乘用车上得到愈来愈广泛的使用。根据保守估计，到2017年欧洲40%～60%的汽油机将是直喷汽油机［1］。GDI汽油机的燃油直接喷入气缸，由此引起的油气混合不均匀和燃油湿壁使颗粒物排放质量和数量显著增加。国内外大量实验研究表明，GDI汽油机颗粒物排放数量明显多于传统气道喷射汽油机和配置DPF的柴油机［2］。目前国内对颗粒物的排放研究主要围绕柴油机展开，有关GDI汽油机颗粒物及其控制处理的相关研究仍然较少。国外由于汽油机直喷技术使用较早且排放法规更加严格，对GDI汽油机颗粒物及其控制进行了较多的研究。通过优化燃烧系统，提高喷射压力，调整点火及喷油正时等措施均可在一定程度上减少颗粒物排放。但是越来越严苛的法规要求直喷汽油机在更宽范围的工况点都保持稳定而且较低的PM排放。因此，尽管GDI发动机技术仍在不断发展，单纯靠机内净化难以满足排放法规的升级。汽油机颗粒捕集器（GPF）被认为是应对GDI汽油机颗粒物排放限值最有效、最可靠的潜在技术［3］。

1　排放法规对颗粒物的限值

颗粒物排放评价指标分为排放质量PM（Particulate Mass）和排放数量PN（Particulate Number）。欧V法规中NEDC测试循环下同时对柴油机PM和PN进行了排放限制，针对缸内直喷汽油机仅对PM提出了5 mg/km的排放限值。日益严重的环境污染迫使排放法规的不断升级。新的欧VI排放法规按照计划分两个阶段实施，即从2014年9月1日实施EU 6b排放标准，从2017年9月1日实施EU 6c排放标准。新的排放法规中，颗粒物排放质量限值更加严格，PM限值降为4.5 mg/km。除此之外，欧VI排放法规增加了缸内直喷汽油机的PN限值，EU 6b PN限值为6.0×1012#/km，EU 6c PN限值 6.0×1011#/km。欧VI法规之前采用的都是NEDC测试循环，从EU 6c开始除NEDC循环外还将增加WLTP和RDE测试循环。相比于NEDC采用稳定的测试工况点，WLTP更多的采用了接近真实驾驶情况的多变工况。RDE测试循环则是采用便携式排放测试系统（PEMS）对车辆在农村道路、城市道路、上下坡道路及高速公路实际行驶过程中测量［4］。WLTP和RDE测试循环的采用使直喷汽油机颗粒物排放面临更加严峻的挑战。欧VI排放法规及测试循环发展情况如图1所示。

图1　欧VI排放法规及测试循环发展

参照欧洲排放法规，针对缸内直喷汽油机，国V排放法规在PM限值4.5 mg/km的基础之上，重新修改了颗粒物质量测量方法，并新增加了颗粒物排放数量（PN）6.0×1011#/km的限值。此外，将于2017年12月1日实施的北京市第六阶段（京VI）排放标准在国V和京V排放法规的基础上，参考美国加州LEV III标准，将NEDC测试循环更改为由美国FTP75（常温）、FTP75（低温）、激进驾驶循环（US06）、空调驾驶循环（SC03）和高速驾驶循环（HWFET）5工况组成的全面贴近实际驾驶工况的测试循环。考虑到几年内GPF的使用，京VI排放法规增加了GPF捕集性能下降和失效等故障诊断要求。由于对GPF的监测需要PM传感器，增加了对PM传感器的诊断要求。

2　直喷汽油机PM产生机理

汽油机颗粒根据粒径的不同主要分为两种：核态（颗粒物粒径典型范围3～30 nm之间）和聚态（颗粒物粒径典型范围30～500 nm）。核态颗粒物主要是发动机在燃烧过程中产生的易挥发有机成分、固态碳粒、金属灰烬及硫酸盐等通过成核作用形成的。聚态颗粒物主要是发动机燃烧过程中燃烧不完全生成的初级碳颗粒通过团聚并吸附HC、金属灰烬和硫酸盐等物质形成的［5］。相比于柴油机，汽油机颗粒物粒径更小，对人体危害更大。

直喷汽油机颗粒物在冷启动、加速及稳态催化剂加热时产生最多［3］。冷启动阶段颗粒排放比较高的原因是冷启动时，进气流速和缸内温度较低，燃油雾化较差，难以形成均匀的混合气，从而造成颗粒物排放增加。稳态催化剂加热过程中颗粒物产生较多主要原因可能是为了使催化剂尽快达到起燃温度采取了增加喷油及推迟点火等措施使得混合气过浓，燃烧质量恶化［4，6］。加速过程中，燃油喷射量随负荷变大而增加，缸内温度升高，过量空气系数减小，混合器局部过浓的情况加剧，形成了大量的碳烟核心，这些碳烟核心经历表面生长和凝聚，形成了颗粒物［7］。

3　GPF技术研究现状

3.1GPF技术原理

为减少柴油机颗粒物排放，柴油机颗粒捕集器（DPF）已经成为柴油机后处理系统的标准配置。GPF则是针对汽油机引擎尤其是直喷汽油机系统满足欧洲及中国更加严格的排放标准而专门研发设计的。随着排放法规的不断升级，GPF未来几年内将成为直喷汽油机后处理系统的标准配置［8］。

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，这个过程称为“壁流”（Wall-Flow）。壁流式颗粒捕集器由具有一定孔密度的蜂窝状陶瓷组成。通过交替封堵蜂窝状多孔陶瓷过滤体，排气流被迫从孔道壁面通过，颗粒物分别经过扩散、拦截、重力和惯性4种方式被捕集过滤［9］。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［10］。

GPF的结构设计和优化主要以DPF为基础，但GPF不能简单地照搬照抄DPF，因为汽油机有不同于柴油机的颗粒生成特性、排气温度、排气流速和氧浓度。美国康宁、日本NGK以及美国佛吉亚等公司在GPF应用研究上取得了较大的突破，已经出现了一些商业化的产品。国内无锡威孚公司开发了一种堇青石材质的壁流式GPF，其滤芯内壁的孔隙率为60%～70%，孔径大小为18～25 μm，孔道密度为200～500目［11］。

3.2GPF过滤材料

决定汽油机颗粒捕集器性能的关键技术是过滤材料。过滤材料的过滤能力、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［12-14］：

1）具有较高的微粒过滤效率，较低的排气阻力；

2）较小的热膨胀系数，热稳定性好及能承受较高的热负荷；

3）良好的抗高温氧化性和耐热冲击性、耐腐蚀性；

4）较高的机械强度和抗振动性。

目前没有某一种材料可以同时满足上述所有性能要求。研究最多的GPF过滤材料主要有堇青石和碳化硅（SiC）两种。

3.2.1堇青石材料

堇青石是目前使用最广泛的过滤材料，其成本低廉，耐高温、机械强度高。汽油机颗粒捕集器抗热冲击性能至关重要，较低的热膨胀系数及良好的抗热冲击性能使得堇青石更适合汽油机颗粒捕集器［15］。堇青石具有较好的催化剂涂覆性能和更低的热质量，这有助于缩短催化剂起燃时间，加上堇青石捕集器低温时CO和HC的转换效率较高，可有效减少冷启动和催化剂加热阶段颗粒物的生成。堇青石的主要缺点是耐腐蚀性较差，径向膨胀系数高于轴向膨胀系数。另外，较小的导热率使再生时热量不易散发而导致过滤器开裂［13，14，16］。

与SiC捕集器相比，堇青石比热容更小，设计时需要更大的壁厚和孔道密度，这些措施提高了总热容的同时也增加了排气背压。为了确定堇青石捕集器开裂问题的原因，Jung［17］等人仿真分析了高温时的热应力分布情况。研究表明，在捕集器孔道方角对称轴线方向热应力最高，捕集器开裂大都从应力集中处发生，如图2所示。

图2　GPF热应力分布图

3.2.2SiC材料

SiC材料分为两类，重结晶SiC和Si-SiC［17］。与堇青石相比，SiC具有更优异的耐热、耐蚀和导热性能，机械强度也更高。SiC具有较高的导热率及热质量，再生时PM燃烧产生的热量可以快速散发，温度容易控制在材料的热极限内，能够承受更加恶劣的再生环境。SiC过滤材料的主要缺陷是抗热冲击性能较差，再生时在高温冲击下容易裂开。以重结晶SiC为例，发动机停机时，剧烈的热变化导致聚集在颗粒捕集器表面的PM层从捕集器表面分离，这会导致高温下过滤器因出现开裂而失效［17］。因此，SiC-GPF不像堇青石一样制成整体蜂窝式结构，而是将组件用有一定弹性的陶瓷纤维粘结成整体，如图3所示。这种结构可以显著提高SiC-GPF的抗热冲击性能，但会增加排气背压。

图3　碳化硅GPF（左）与堇青石GPF（右）的结构比较

3.3GPF研究发展及应用

GPF的设计及应用主要考虑的问题是：过滤效率、排气背压、再生、使用成本、耐久性及对燃油经济性的影响等。在保证较高的过滤效率以满足排放法规的前提下，尽量降低排气背压以降低油耗和CO2排放，保证周期性可靠的再生，提高GPF的使用寿命，降低使用成本成为当前的主要研究热点。

在新时代背景下，我国拓展对外贸易亟需培育贸易新业态、新模式，以实现建设贸易强国的伟大梦想。随着世界经济进入“后危机”时代，中国经济发展进入了新常态，这同时要求实现发展方式的转变，促进发展更高质量的产品和服务，实现更有效率、更可持续的外贸经济方式。在外贸领域的供给侧改革，要求有一个以更加坚定的姿态，立足新时代高点的战略，在于通过外贸供给侧改革这一驱动力，构建全面开放新格局，最终建设贸易强国。

3.3.1GPF布置方案

GPF在汽油机排气管上的布置主要由两种形式，一种是和TWC集成到一块安装，距离排气歧管较近，即紧耦合式布置（Closed-coupled）。另一种是直接安装在TWC下游位置，即后置式布置（Underfloor）。两种布置方案如图4所示。

图4　GPF布置方案

紧耦合式和后置式布置方案各有利弊。日本NGK公司Chika［18］等人实验分析了GPF两种安装位置对PN和过滤效率的影响。试验发现，GPF采用后置式布置时，PN过滤效率比紧耦合位置大约高15%。原因是后置式GPF与排气管上游距离较远，排气温度较低。两组实验分别测得后置式平均温度为270℃，最高温度为520℃，紧耦合位置平均温度为410℃，最高可达660℃。较低的排气温度抑制了PM的燃烧，更有利于PM层的形成，过滤效率显著提高。另一个原因是GPF后置式安装时，排气流速相对更低，由于布朗扩散和壁流速度密切相关，流速越低，相同时间内捕集的颗粒物越多。试验结果如图5所示。相比于后置式布置，GPF紧耦合位置安装时排气温度较高，只要合理地控制空燃比以保证足够的氧浓度，可实现GPF的再生。GPF位于排气管下游位置时，或需要GPF周期性的主动再生，这增加了后处理系统的控制复杂程度。

图5　GPF安装位置对PN和过滤效率的影响

Reggie［19］等人为了验证PM的累积是否需要周期性的主动再生，在一台福特EcoBoost 3.5L V6直喷汽油机上采用两种布置方案进行了耐久性试验。试验结果与Chika等人的试验结果类似，GPF安装在紧耦合位置时排气温度和排气流速高于后置式，颗粒物过滤效率低于后置式。GPF后置式安装时，在不影响驾驶舒适性的前提下，需要优化发动机控制来提供足够高的温度使GPF主动再生。

3.3.2GPF结构参数对过滤效率的影响

如上文所述，GPF的安装布置对过滤效率有很大影响。除此之外，对颗粒捕集器过滤效率影响较大的参数主要由：孔径、壁厚、孔密度及过滤体体积。

Ito.Y［3］等人利用孔隙率为65%、孔径20 μm的1.4 L堇青石材质GPF在一台1.4 LGDI发动机上研究了壁厚、孔密度对过滤效率的影响。实验发现，安装GPF后，颗粒物排放显著降低，NEDC和WLTP循环下PN排放均远低于EU 6c限值。增大过滤体壁厚、孔密度均可提高PN过滤效率。改变壁厚对PN过滤效率的影响大于孔密度的影响。几何表面积对过滤效率的影响有待于进一步探究。

Chika［18］从平均孔径、壁厚、GPF体积对过滤效率的影响进行了研究。减小孔径、增加壁厚均可提高过滤效率。壁面气流速度随过滤体体积增大而减小，单位时间内颗粒捕获量增多，提高了过滤效率。

Tak W.Chan［20］等人围绕GPF对缸内直喷汽油机颗粒物排放的影响在FTP-75和US06循环下进行了试验研究。试验发现，FTP-75和US06循环GPF的过滤效率分别为82%和76%。只装配TWC的直喷汽油机在两种循环下PN分别比PFI汽油机高10和30倍。使用非催化GPF后，PN下降为2和8倍。US06循环中GPF过滤效率低于FTP-75是因为US06循环中频繁的再生减少了碳层的形成。研究还发现，GPF过滤效率与排气温度密切相关。

3.3.3GPF结构参数对排气背压的影响

排气背压严重影响燃油消耗、CO2排放和发动机输出功率。必须设法降低GPF造成的排气背压升高，以保证发动机良好的性能。与排气背压相关的GPF设计参数主要包括壁厚、开口横截面、孔密度、平均孔径等。

Ito.Y［3］等人围绕孔隙率、平均孔径（MPS）等参数优化对GPF排气背压的影响进行了研究。研究表明，采用高孔隙率材料（大于60%），较大的开口横截面积，GPF排气背压较小。但是高孔隙率材料必须考虑其机械强度。因此，选择合适的孔隙率必须综合排气背压和机械强度。平均孔径越大，压降越小。单纯从减少压降的角度，应该尽量增大平均孔径，但这会降低过滤效率。孔尺寸的选择必须权衡排气背压和过滤效率。NGK公司基于大量实验研究推荐最佳平均孔径范围为15～25 μm。实验还研究了GPF催化剂涂层数量不同时壁厚对排气背压的影响。排气背压随壁厚的减小而降低，催化剂涂层数量较高时，改变壁厚对排气背压的影响更明显。

Shimoda［15］研究了低背压设计的GPF。捕集器长度与直径的比值（L/D）及安装位置对压降有重要影响。L/D从1.1减小到0.6后，压降减小了52%。NEDC循环下，GPF后置式安装时较低的排气温度和排气流速使压降比紧耦合位置低25%。较小的孔密度和壁厚，较大的开口横截面积减小压降的同时，造成了GPF结构强度的降低，制造受到限制。

Chika［18］等人从壁厚和开口横截面积对压降的影响及压降对油耗、输出功率的影响进行了试验分析。根据DPF的经验，为了减少压降，应选择较大的开口横截面积。如图6所示，通过改变GPF结构壁厚从12 mil/300 cpsi降到 5 mil/360 cpsi，开口面积从31%提高到41%，压降减少了大约50%。减小壁厚有利于降低压降。但是，考虑到壁厚对过滤效率的影响，GPF的结构优化时必须综合考虑压降和过滤效率之间的折中关系。研究还发现，在NEDC循环下，安装GPF引起的压降增加对CO2排放的影响几乎可以忽略。全负荷工况下压降增加10 kPa时，发动机功率输出仅降低1%。

图6　壁厚对压降的影响

3.3.4GPF再生

颗粒捕集器长时间使用后，碳烟颗粒累积在捕集器微孔表面形成PM层，其存储体积会逐渐减少［5］。PM层的形成有助于提高过滤效率，但排气管中会出现节流效应，排气流动阻力变大，从而导致油耗增加，发动机输出功率下降，此时需要对GPF进行更换或再生处理。

GPF再生与以下因素密切相关：颗粒的累积总量、排气温度、气流速度及氧浓度等。

Ito.Y［3］等人试验发现理论空燃比下，GPF内部温度达到650℃时PM开始燃烧。空燃比增大到17时，充足的氧气使再生温度降为500℃。Joerg［10］等人发现催化剂涂层有利于低温时GPF的再生。Shimoda［15］利用一台GPF紧耦合位置安装的1.8 L稀燃GDI发动机进行了再生研究。稳态运行一段时间后PM积累量为4 g/L。过量空气系数φat=1时（氧浓度为1.0%～1.6%），GPF进口排气温度超过500℃时PM开始燃烧。φat增大到1.16时（氧浓度大约3.2%～5.2%），排气温度超过400℃时 PM开始燃烧。Tak W.Chan［20］等试验发现GPF的再生温度范围为600～650℃，采用US06循环时较高的排气温度使再生较容易发生，FTP-75循环时再生未发生。Ogyu［21］利用薄壁高孔隙率的重结晶SiC材质GPF试验发现，较高的排气温度加上减速断油时的氧浓度足以燃烧碳层使GPF被动再生。Nicolin［22］对汽油机碳颗粒的生成、氧化机理及GPF建立了模型，并在台架上进行了验证。试验结果表明断油时的氧浓度促使了被动碳氧化的发生。

4　结论与展望

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。GPF最常用的材料是碳化硅和堇青石，材料的选择需要综合考虑过滤性能、再生及耐久性等。GPF的布置、壁厚、孔隙率、孔尺寸、孔密度等参数优化对GPF的过滤效率和排气背压有重要影响。过滤效率和排气背压二者之间具有折中关系，结构参数的优化需要综合考虑这种关系。汽油机较高的排气温度使GPF容易在减速断油时再生。

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。当前GPF的研究主要朝以下方向发展：

1）GPF再生控制与发动机控制系统的结合。

2）灰分对GPF的影响及老化后对过滤效率、油耗的影响。

3）与GPF相关的OBD故障诊断监控及失效处理。

4）GPF与TWC整合成四元转化器的实验研究。

1Athanasios Mamakos，Nikolaus Steininger，Giorgio Martini，et al.Cost effectiveness of particulate filter installation on Direct Injection Gasoline vehicles.Atmospheric Environment，2013，77：16-23

2Choi K.，Kim J.，Ko A.，et al.Evaluation of time-resolved Nano-Particle and THC Emissions of wall-guided GDI engine ［C］.SAE Paper 2011-28-0022

3Ito Y.，Shimoda T.，Aoki T.，et al.Next generation of ceramic wall flow gasoline particulate filter with integrated three way catalyst［C］.SAE Paper 2015-01-1073

4范钱旺，尹琪.直喷汽油机颗粒物成因及满足EURO-Ⅵ排放限值技术路线［J］.上海汽车，2013，6（11）：39-45

5潘锁柱.缸内直喷汽油机排气微粒物理化学特征的研究［D］.天津：天津大学，2012

6角井啓，A.Kufferath，R.Busch，等.欧6直喷汽油机的挑战及对可行性解决方案的评价 ［J］.国外内燃机，2014，46 （6）：9-13

7王凤滨，包俊江，乔维高，等.循环测量工况下汽油车颗粒物排放试验研究［J］.汽车工程，2009，31（8）：737-740

8赵根发，白洋，乔利杰，等.以石墨为造孔剂制备堇青石多孔陶瓷材料［J］.耐火材料，2014，48（4）：278-281

9Massour Mansoudi，Achim Heibel.Predicting pressure drop of wall-flow diesel particulate filters—Theory and experiment ［C］.SAE Paper 2000-01-0184

10Michael J，Klingmann R，Spiess S.，et al.Application of catalyzed gasoline particulate filters to GDI vehicle［C］.SAE Paper 2012-01-1244

11贾莉伟，郝士杰，岳军，等.缸内直喷汽油机尾气颗粒捕集器:中国，201420004912.1［P］.2014.07.09

12资新运，张卫锋，徐正飞，等.柴油机颗粒捕集器技术发展现状［J］.环境科学与技术，2011，34（12）：143-147

13郭秀丽，贾卫平，亓占丰，等.柴油机DPF过滤材料研究现状及发展趋势［J］.小型内燃机与摩托车，2013，42（5）：82-85

14刘东旭，翁端.柴油机尾气颗粒物净化用SiC过滤材料的研究与应用［J］.环境工程学报，2007，1（5）：134-138

15Shimoda T，Ito Y，Yuuki K，et al.Potential of a low pressure drop filter concept for direct injection gasoline engines to reduce particulate number emission［C］.SAE Paper 2012-01-1241

16魏雄武，杜传进.柴油机颗粒捕集器关键技术发展现状与分析［J］.柴油机设计与制造，2005，14（4）：172-175

17Jung Min Seo，Won Soon Park，Myung Jong Lee.The best choice of gasoline/diesel particulate filter to meet future particulate matter regulation［C］.SAE Paper 2015-01-1255

18Saito C.，Nakatani T.，Miyairi Y.，et al.New particulate filter concept to reduce particle number emissions.SAE Paper 2011-01-0184

19Reggie Zhan，Scott T，Weber P.，et al.Simultaneous reduction of PM，HC，CO and NOχemissions from a GDI engine［C］. SAE Paper 2010-01-0365

20Tak W.Chan，Eric Meloche，Joseph Kubsh，et al.Evaluation of a gasoline particulate filter to reduce particle emissions from a gasoline direct injection vehicle［C］.SAE Paper 2012-02-1727

21Ogyu K，Ogasawara T，Nagatsu Y.，et al.Feasibility study on the filter design of re-crystallized SiC-GPF for TWC coating application［CSAE Paper 2015-01-1011

22Nicolin P，Rose D，Kunath F.，et al.Modeling of the soot oxidation in gasoline particulate filters［C］.SAE Paper 2015-01-1048

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，Filtration efficiency，Backpressure

TK411+.24

A

2095-8234（2016）01-0077-07

温吉辉（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为内燃机电控技术。

2016-01-12）