汽油颗粒捕获器与机动车污染物排放

◆文/江苏 周敏

WHO(世界卫生组织)的研究报告表明，超细颗粒物(UFP)能够随呼吸进入人体循环系统，对健康有明显的伤害作用，WHO的报告也建议各国政府制定法规，对发动机排放的超细颗粒物进行控制。尽管汽油车的颗粒物排放并不像柴油机显著，但近年来的研究结果显示，GDI缸内直喷技术会增加汽油机细颗粒的排放。随着全社会对机动车污染的日益关注，汽油机颗粒物排放日益成为全球法规的监管重点。欧洲和我国都在近期实施的法规中明确了车辆颗粒物排放限值，从控制超细颗粒物排放的角度出发，对车辆单位里程排放颗粒物的数量和重量提出了要求。

汽油颗粒捕获器GPF，是当前最有效的控制汽油机颗粒物排放的技术手段，已经开始在部分市售车型上装备，在国六和欧六阶段大量上市。本文从应用GPF的必要性、设计因素，应用效果等角度阐述了汽油机颗粒捕获器的典型特征，供工程技术人员参考。

一、GDI发动机市场份额的提升

为满足更加严格的能耗要求和二氧化碳排放法规，过去十年中，欧洲乘用车市场中汽油GDI发动机份额显著增长。与欧洲类似，由于我国机动车第三阶段油耗法规的实施，小排量的缸内直喷汽油机已经是市场主流。

在欧洲市场，2008年GDI发动机市场份额仅3%，到2018年已经达到50%。中高端汽车品牌中，GDI发动机已经是主流车型的必选技术(图1)。

二、排放法规日益严格

2016年12月23日，环境保护部颁布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》，简称国六法规，法规包含国六a和国六b两个阶段。从2019年7月1日起，北京、上海、广东、江苏等十几个省份已提前开始实施国六，不满足国六标准的新车无法上牌。从2020年7月1日起，全国范围都将实施国六a阶段排放法规。从2020年7月1日起，全国范围都将实施国六b阶段排放法规。

相比国五法规，国六法规加严了对HC、CO、NOx等气态污染物的排放限值要求，轻型车不分燃料种类和发动机技术路线，都需要满足相同的气态污染物和颗粒物排放要求。针对颗粒物排放，在WLTC测试循环下，排放数量不得大于6×1011个/km。从2023年国六b法规实施起，实车驾驶排放(RDE)车辆污染物排放也需要满足限值要求。

三、采用GPF的必要性

尽管GDI技术能够有效的降低油耗，但GDI发动机的颗粒物排放较高。实验显示，GDI发动机的原车排放普遍高于6×1011个/km，仅靠发动机自身难以达到法规对颗粒物数量的排放要求，必须采用后处理措施来降低颗粒物排放量。如图2所示，当原机排放为2×1012个/km时，装备涂覆过的GPF，能有效降低颗粒物的排放，其颗粒物的过滤效率超过了90%。

图1 GDI发动机在欧洲各汽车品牌中的销量占比

图2 GPF装车效果

四、GPF对颗粒物的捕获机理

根据美国加州空气资源委员会的研究，进气道喷射发动机(PFI)排放的颗粒物直径一般小于30nm，主要排放来自冷启动阶段。而GDI发动机排放的颗粒物，粒径一般较大，颗粒的平均粒径在高峰时为70～80nm，在发动机冷启动阶段为50～90nm。GPF通过扩散、碰撞和拦截三种方式捕获尾气中的颗粒物，较小的颗粒一般由于扩散作用，较大的颗粒一般由于碰撞和拦截作用被捕获。因此，新鲜状态的GPF对尾气中不同组分粒径的过滤效率并不相同。GPF对于较大和较小的颗粒物都有很高的过滤效率，但颗粒物直径在200nm左右时，过滤效率相对较低。

五、GPF的主要结构和作用形式

相比柴油机，汽油发动机在典型驾驶工况下的炭烟颗粒物排放要少的多。因此，GPF需要的再生频率更低，使用的壁流式载体相对DPF来说体积也小的多。GPF的工作温度比DPF更高，更有利于发生被动再生，较高的温度也使GPF上涂覆的三元催化的活性更好，有利于气态污染物的转化。

碳颗粒物在汽油机尾气中积累的量相比柴油机要少的多，因此GPF需要具有低背压损失和高过滤效率；在没有颗粒物积累的情况下，高孔隙率GPF允许更高的涂层上载量，同时三元催化剂涂层也能提升GPF的过滤效率。对GPF的设计要求可以总结如表1所示。

六、GPF的应用

GPF的布置比较灵活，可以安装在发动机排气歧管紧耦合位置或者车辆底盘下。可以采用涂覆的GPF产生部分三元催化转化效果，减小系统所用的三元催化器的体积(图3)。

表1 GPF设计要求

将GPF尽量前移至紧耦合位置能提高GPF的再生效果，当前主流结构是将GPF布置在TWC之后，以避免GPF过快老化，同时保证GPF有效再生。但从优化背压的角度考虑，GPF的体积不宜过小，相比三元催化剂需要占用更大的发动机舱空间。为了确保车辆满足OBD法规的要求，需要在底盘下布置一个TWC，保证劣化后NOx的排放控制效果。

图3 典型的GPF布置方式

GPF背压与燃油油耗密切相关，与过滤效率也密切相关。GPF的设计参数如开口率、壁厚、孔密度、孔隙率，平均孔径和长径比等都会影响其背压表现GPF过滤效率与壁厚关系如图4所示。由于汽油机尾气中的颗粒物含量非常低，因此GPF的平均孔径需要被优化到在没有碳烟层时也能提供较高的过滤效率。以孔隙率为65%的GPF为例，其颗粒物的过滤效率与壁厚和孔密度相关，GPF过滤效率与目数的关系如图5所示。

优化GPF的长径比能有效的降低背压，在其他条件相同时，D143.8mm x L86mm 与 D118.4mm x L127mm的载体相比，背压减少了52%。

GPF装车后的过滤效率与驾驶工况密切相关，如在NEDC和WLTC工况下，PN的的数量有明显的不同。在激烈驾驶工况下，车辆会排放出更多的颗粒物(图6)。

图4 GPF过滤效率与壁厚的关系

图5 GPF过滤效率与目数的关系

图6 不同驾驶工况下GPF的过滤效率

七、涂覆的GPF

带有涂层的GPF能部分替代三元催化剂的功能，降低系统的体积和成本。为满足更严格的OBD法规要求，欧6和国六系统都倾向于使用双级或多级载体方案来保证催化剂OBD性能。国六法规对于带有OBD涂层的GPF，要求OBD系统有针对GPF的诊断策略。涂层本身会增加系统背压，因此针对带涂覆的GPF，需要使用高孔隙率材料，高孔隙率的GPF能够在承载更高的涂层上载量的同时保证过滤效率(图7)。

图7 涂覆催化剂对不同孔隙率下GPF背压的影响

八、GPF的再生和耐久

发动机尾气温度和组分都会影响GPF中所积累的碳烟的再生。在当量燃烧发动机系统中，一旦发动机偏稀燃烧，氧含量较高，GPF核心的温度达到650℃时就会发生再生。再生后GPF压降减少非常明显，GPF核心的温度也会很快降低到500℃。涂覆催化剂的GPF能够有效的促进炭烟的再生，使再生温度降低约100℃。

已有多项研究表明GPF是可靠的后处理技术。GPF能够在全寿命周期内将发动机排放控制在法规限制以内，且由于GPF中积累的灰分，其过滤效率在整个寿命周期中是逐步增加的。现有的耐久试验也显示优化过的GPF系统对车辆CO2的排放没有显著影响(图8)。

图8 安装GPF后车辆里程与油耗的关系

九、未来展望

由于现有法规只要求测量尾气中固态颗粒物粒径大于23nm的部分，随着发动机技术的进步，某些采用了高喷射压力燃油系统的发动机不采用GPF，也能满足颗粒物数量法规限值要求。

随着测量技术的进步和健康环保的考虑，将更小的颗粒物也纳入法规要求的呼声越来越高。一项针对GDI发动机的测试表明，当考虑7～23nm粒径的颗粒物时,无GPF系统无法将颗粒物的排放控制在6×1013个/km以下。从过滤效率的角度出发，GPF是确保颗粒物得到控制的必备部件。仅考虑大于23nm的颗粒物，则GPF的过滤效率在60%～80%之间。若同时考虑大于7nm的颗粒物，GPF过滤效率能够达到70%～95%(图9)。

图9 GPF针对大于23nm和大于7nm颗粒物在不同RDE测试工况下的过滤效率

十、结论

汽油颗粒捕获器GPF是一种高效耐久的颗粒物排放控制技术，能够有效的控制来自直喷汽油发动机的超细颗粒物的排放。GPF的过滤效率会随着使用时间的增加而提高，能够满足目前和未来阶段的法规要求。