高原汽油机颗粒捕集器捕集效率的研究进展

王书恒， 何 超， 杨开平， 仵云凡， 曹佳潭， 汪亦寒

(西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224)

为了防治污染，保护和改善生态环境，应对环境日益恶化的严峻挑战，中华人民共和国环境保护部于2016年发布了《轻型汽车污染物排放限值及其测量方法(第六阶段)》[1]，其中国六b标准要求轻型汽车的汽油机颗粒物排放限值自 2023年7月1日起低于 3 mg/km。同时我国高原地区占据国土面积约1/3，但由于高原地区单位体积内的氧气质量随着海拔升高而降低，在高原地区的汽油车会排放比在低海拔地区更多的尾气排放物[2]。因此，这对发动机控制技术、排放后处理技术等各方面提出了新的挑战。虽然与汽油机颗粒物捕集器相关的研究和应用日渐升温，但国内外对高原汽油机微粒捕集效率影响的研究并不多，学者大部分都仅对高原环境下的汽油机排放特性进行研究，未涉及到GPF的捕集对高原环境下的影响情况研究或者仅对低海拔地区的GPF捕集效率进行研究。然而因高低海拔地区的差异性，所以并不能将现有GPF捕集效率的研究成果直接应用到高原环境下。本文分别介绍高原环境下的汽油机尾气排放现状及其影响因素和低海拔环境下的汽油机颗粒物捕集器的发展及捕集效率影响因素的研究现状，为以后的高原汽油机颗粒捕集效率提供有力的参考。

1 高原环境下的尾气颗粒排放特性

1.1 汽车不同驾驶状态对尾气排放特性的影响

上海汽车集团的程亮[3]等在实验车辆为四缸自然吸气式、后处理装置为下底板催化器(UFC)和三元催化器(TWC)的汽油车上，研究高原地区不同驾驶状态与汽车尾气排放颗粒之间的关系。实验中分别进行不同驾驶状态下CO、CO2、PN、NOx、O2各污染物排放浓度的测量，一般驾驶状态和激烈驾驶状态时CO的排放含量最高，且三种状态下的CO、CO2、PN排放含量明显较高于其他尾气排放物。同时其对道路行驶状态下不同驾驶状态的尾气排放浓度进行研究，得到表1所示结果：

表1 不同驾驶状态下的道路行驶中尾气污染排放量占RDE实验尾气排放总量的占比

因为高原环境下的空气密度降低，空气较为稀薄，因此缸内单位时间下的进气量不充足，且高海拔地区的影响进气压力也较低，当汽车处于高速负荷状态时，此时缸内可燃混合气过浓，使CO排放增加。此外，CO排放因为点火提前角在高海拔地区的提前打开而导致进一步恶化。同时，电喷汽油机的控制策略在发动机全负荷工况下为开环控制，在达到一定负荷工况时，就要通过供给缸内较浓混合器，可燃混合气浓度为功率混合气，因此在高速状态下，CO的排放在不同驾驶状态下均有所升高。对于不同驾驶状态下的PN排放量可能因为空燃比波动造成燃烧不充分，导致在一般驾驶状态下PN排放最大，激烈驾驶状态下PN排放含量最小。NOx是在高温、高温持续时间和富氧三种条件下生成的。同时在激烈的驾驶状态下导致发动机产生较大的波动，发动机新鲜充量降低，所以使CO2排放升高。

1.2 不同海拔高度的排放影响

北京理工大学的李磊[4]等对不同海拔高度下的汽油机尾气排放进行研究，随着海拔的上升，全负荷下 HC 比排放呈现增加趋势，CO 比排放呈现减小趋势，但在高转速下基本没有变化，NOx 比排放呈现先增加后减小的趋势。通过对比三种排放物的不同海拔高度与不同发动机转速的增量图，建立如图1所示的排放物与不同海拔高度的关系。

图1 不同海拔高度下的汽油机尾气排放量关系

其中NOx的变化趋势是因为在高原环境下由于海拔的升高而导致进气量不足，缸内可燃混合气为较稀混合气，导致燃烧温度下降，致使 NOx 的生成受到阻碍，因此出现减缓趋势；同时在高海拔下，反应物在高温下的反应时间变长，此时高温加速了 NOx 的生成，因此出现上升趋势；HC比排放随着海拔的升高而增加，呈现一直上升的趋势，且在发动机速为1 000 r/min工况下，海拔4 200 m的HC排放比100 m处时的排放含量增加6%。

2 GPF捕集效率影响因素研究现状

由于国内外对高原环境下的GPF的过滤效率研究较少，对低海拔地区的GPF捕集效率相对较多，因此首先对低海拔地区的GPF捕集效率影响因素进行探究，对高原GPF微粒捕集效率提供可参考因素，而低海拔和高海拔的尾气排放颗粒物含量的主要差异在于CO、CH，因此在后期学者对高原环境下GPF微粒捕集效率进行研究时还可以针对性对CO、CH的排放特性进行研究。而低海拔GPF微粒捕集效率的影响因素主要由GPF过滤器特性(材料、孔隙率等)、灰分量含量、发动机运行特性、尾气微粒径粒尺寸、GPF再生频率等决定，根据影响因素是否由GPF直接影响，将其分为主影响因素和副影响因素。主影响因素包括GPF过滤特性、再生频率等，副影响因素则为发动机运行特性、GPF的布置位置等。两者对GPF捕集效率影响具有一定的差异，因此，本文就两种影响因素进行详细分析。

2.1 影响GPF的主因素研究现状

2.1.1 材料对捕集效率的影响

因为GPF工作环境为排气系统的热端且尾气中含有硫、氮等氧化元素，为使GPF在腐蚀、高温工作环境下保证正常工作及捕集效率的稳定，所以对GPF制作材料的挑选十分重要，GPF制作材料需要具备良好的机械强度、较高的导热系数、较强的耐热冲击性、较低的热膨胀系数以及良好的热稳定性等性能。布拉格化学与技术大学的Marek Václavík[5]等在开发出过滤效率和催化活性方面性能最佳的多孔结构的关键前提下，将催化活性材料涂覆在多孔滤壁上，来表征滤壁内催化材料的分布和滤料的形态，同时为考虑经济性，也可以降低排气后处理系统的规模和成本。实验GPF选取SiC材料，通过对不同SCR催化剂用量的SiC滤料样品进行了表征。分割后的XRT图像用作数学模型输入催化材料的三维分布和滤壁内部较大的大孔，来评估GPF有效捕集效率，同时PSD和XRT表明，催化材料完全填满了基底的大量孔隙，因此得出GPF的捕集效率随催化涂膜量的增加呈非线性增加。

2.1.2 碳载量对捕集效率的影响

在GPF中对碳载量模型的计算精度具有较高的要求，因为GPF内的碳载量只能通过模型来对其进行预估计算，在实际应用中是无法直接测量到碳载量具体含量的。当GPF的碳载量模型值高于实际值时，由于碳载量的增加累计会导致GPF孔隙堵塞，GPF的捕集效率随内壁孔隙率的变化也会产生影响。因此，准确估计GPF碳载量对于GPF的捕集效率研究具有十分重要的意义。范明哲[6]等基于碳烟的累积模型，从发动机负荷和转速获得模型的基础脉谱，并从基础空燃比上进行基础脉谱的修正，综合考虑建立了开环的碳烟模型，并基于GPF内部温度、当前碳载量数值大小、尾气中氧气流量三个主要参数因素，建立一个区分主动再生和被动再生不同工况下的开环再生模型。将前者与后者的实际数值的差值作为基本参数输入累计计算器中，获得GPF综合累计碳载量模型。并在Matlab Simulink平台下搭建碳载量模型，通过分别对累炭基础脉谱的实验及仿真，并充分参考起动、水温和顺态工况的修正因子对脉谱进行修正，同时在再生模型进行上述所影响再生模型影响因子的实验及仿真，最后得到所设计的碳载量模型偏差值为+5.8%；主动和被动再生模型的偏差值分别为+9%和+6%；综合碳载量模型的偏差值为+3%，模型精度良好。同时邵阳学院的伏军[7]等研究了GPF碳载量的估算方法，其研究忽略了灰分产生的压降，根据GPF压差传感器的压降和实际碳载量的关系，并考虑实际过程中的GPF运行特性，引进了可以修正GPF入口温度影响的碳烟指数，并得出碳烟指数的数学表达式，如式(1)所示：

(1)

式中：ΔPs为GPF压差传感器实测压降；μrefQvref/μQv为修正项。

并且对其标定方法进行验证得到碳烟载量估计的整体误差在0.3 g/L以内，其在一定的的幅度内进行波动。可能是因为在对GPF进行万有特性实验时，GPF内的碳烟由于发动机工作特性、排气温度、空燃比等的不断变化而产生变化性的氧化过程，因此整体误差范围也在一定范围内进行变化。

2.1.3 发动机灰分载量对捕集效率的影响

发动机内的灰分累积量对GPF的捕集效率影响类比在柴油机颗粒捕集器(DPF)内的炭烟层对DPF的捕集效率的影响，灰分层也可能会作为颗粒的过滤介质，会较为显著的提高GPF的捕集效率。因此，同济大学的李笑杰[8]等研究了发动机不同负荷下的不同灰分载量对GPF过滤性能的影响，其研究表明在存在灰分载量累计比无灰分载量的GPF捕集效率更高。且在无灰分载量工况下，GPF捕集效率为85%，少量灰分载量对其影响效果显著，在5 g/L的灰分累计载量工况下，GPF的捕集率可高达97%。且随着灰分载量逐渐增加，对GPF捕集效率影响效果降低，但当灰分载量高达一定累积量后，GPF的捕集效率高达99%。这是由于在无灰分载量下，GPF的孔隙直径较大且孔道长度较短，极大限制了捕集效率的上限，而在少量灰分载量累计后，灰分沉积在GPF内壁壁面和孔道内，孔隙和孔道发生变化，因此在灰分加载初期GPF的捕集效率变化显著。而当灰分累积量达到一定数值后，孔道末端累积量过大，产生孔隙过小甚至堵住的工况，减少了GPF的过滤面积，因此GPF的捕集效率变化趋势减弱。但其在不同负荷的条件下仅对比了FPI和GDI 不同发动机排放的尾气颗粒特性，缺少对不同负荷下的GPF的捕集效率的影响。

同时上汽大众的朱伟[9]对GPF对PN过滤效率进行进一步研究，其研究PN过滤效率与累灰量随时间的变化。研究表明累灰量随着时间的推移逐渐增多，GPF对PN过滤效率同时由71%增加到10 h后的96%，但捕集效率增长速度随时间增加而逐渐变缓。

2.1.4 再生频率对捕集效率的影响

F.ADAM[10]等使用四种不同的发动机和两种不同的GPF技术，研究了激进工况和正常工况下的汽车行驶循环时的GPF再生条件和对GPF捕集效率的影响，提出了每分钟再生频率和行驶循环时间占比含量，即再生循环的持续时间。其在GPF的先进技术前提下，表明在再生循环中，其中灰分累积量的多少对GPF具有较大的影响，其再生循环中使用先进GPF技术，可以使GPF对 大于23.0 nm的颗粒物捕集效率提高21%(57%～78%)，GPF对大于2.5 nm的颗粒物捕集效率提高14%(71%～85%)。

图2 三种不同灰分量对GPF捕集效率的影响

合肥工业大学的龚少男[11]等在F.ADAM的基础上对影响再生频率的因素进行分析，其对GPF中心温度、氧流量进行研究，得到在氧含量为0 mg的工况下，GPF因为所载炭量的不燃烧而不发生再生。且GPF再生频率随着氧含量的增加而加快；GPF的再生频率也随着GPF中心温度的增加呈现正相关趋势。文中并没有提到GPF中心温度与氧含量的变化与GPF捕集效率之间的影响，仅通过试验分析得到其对再生频率的影响。但因为GPF中心温度和氧含量的正向干变化导致再生频率的增加，而再生频率会影响灰分累积量增加，进而在一段时期内会增加GPF的捕集效率，但GPF再生频率在灰分增加到一定量后对GPF的捕集效率提升效果不显著，因此GPF中心温度和氧流量两者与GPF的捕集效率之间可能不存在正比例关系。

2.2 影响GPF的副因素研究现状

2.2.1 布置方式对捕集效率的影响

李配楠[1]等在1.5 TGDI试验车上进行GPF不同的布置方式对排放的影响进行探究，两组实验的TWC涂履方式为分区涂履，且实验除布置方式不同外，其他环境和设备条件均相同，其实验结果如图3所示：两种布置方式对排放物的控制能力的差别效果不明显，对气体排放物的排放含量结果也相差不多。但对比两者颗粒物的排放情况，除紧耦合布置时的CO排放量低于后置式布置，其他尾气排放物排放含量均高于后置式布置。但在高原环境下汽车尾气排放中CO的排放含量在尾气排放中占比较重，因此在高原环境下，紧耦合的布置方式要更优于后置式布置，而当在平原环境下，后置式布置要更优于紧耦合布置。

图3 不同布置方式对排放结果的比较

2.2.2 耐久对捕集效率的影响

张凯[12]等使用材料为壁流堇青石GPF载体，且内壁涂覆催化剂的GPF样件，在样车为1.5 L的GDI发动机进行模拟GPF耐久性对捕集效率的影响研究，其研究了在不同的耐久使用程度下的捕集效率影响。实验分别使用未使用过的GPF样件、重量增加20 g的GPF样件、重量增加25 g的GPF样件和重量增加30 g的GPF样件，将四个样件分别安装在相同环境下的WLTC循环排放的试验车，对其进行GPF捕集效率测试，得到四个样件的平均捕集效率为95.7%、98.1%、98.1%、98.2%。从实验结果得出，在当前实验下，GPF的耐久在一定程度内对GPF的捕集效率影响不显著，但存在一定使用耐久后仍比未使用过的GPF的微粒捕集效率高。产生这种的原因可能是未使用的GPF可能累分量与GPF内排气背压均低于存在一定耐久的GPF，而具有一定使用耐久的GPF捕集效率提升主要因为在一定使用后GPF壁面微孔当量直径产生变化，比未使用过的GPF直径有所降低，且随着排气背压的增加，排气质量流量低，产生的尾气含量会随之减小，因此GPF的捕集效率有所提高。

3 结论与展望

本文分析了国内外的高原汽油机尾气微粒排放特效影响因素，以及汽车不同档位、不同驾驶状态，不同海拔高度对尾气排放的影响，得出高原环境下发动机在不同工况下的尾气排放含量具有一定的差异，但CO、NOx两种的排放物含量在多种工况下总尾气排放含量的占比较重；同时对低海拔GPF微粒捕集效率进行总结，分析了灰分量、孔隙率、GPF材料以及涂覆情况、GPF布置方式等多种因素对GPF捕集效率的影响，为之后学者对高原汽油机微粒捕集提供一定的参考价值。

同时基于高原环境下的GPF捕集效率的影响因素还有很多问题有待解决，提出目前GPF的可能发展方向提出展望。

(1)现广泛使用的GPF材料仍存在导热率低，强度低，轴向径向膨胀系数相差较大等问题，得出合成强度，热稳定性及耐腐蚀材料对GPF耐久性和捕集效率具有十分重要的意义。

(2)高原地区占国家总面积的1/3，且单位质量燃油消耗下，高原尾气排放含量较低海拔区域更高，因此针对高原GPF技术的研究对捕集效率的提高具有指导性。

(3)GPF基于不同海拔环境下的结构转换，例如孔隙率，灰分量再生控制等在不同工况下的微机结构控制研究。

(4)高原四元转化器的开发与捕集效率的研究。