【摘" 要】文章簡單介紹缸內(nèi)直噴汽油機(jī)內(nèi)顆粒物的生成機(jī)理、汽油機(jī)顆粒物捕集器的結(jié)構(gòu)、工作原理，綜述GPF內(nèi)碳煙累積對GPF捕集效率、背壓和再生性能的影響，并對GPF未來的發(fā)展進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】缸內(nèi)直噴汽油機(jī);汽油機(jī)顆粒物捕集器;碳載量;捕集效率;背壓;再生

中圖分類號：U464.136" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）06-0035-04

Research Progress on the Effect of Soot Loading on the Gasoline Particulate Filter

CHU Mengen，CHEN Xi，JIANG Xueming，SHEN Ruihao，MAO Haifeng

（SAIC Volkswagen Automotive Co.，Ltd.，Shanghai 201805，China）

【Abstract】This article briefly introduces the mechanism of soot generation in GDI engines，the structure and working principle of Gasoline Particulate Filter（GPF），and reviews the effect of soot accumulation in GPF on filtration efficiency，back pressure and regeneration performance，and provides an outlook on the future development of GPF.

【Key words】GDI;GPF;soot loading;filtration efficiency;back pressure;regeneration

1" 引言

在經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的背景下，中國汽車工業(yè)快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車的產(chǎn)量和保有量逐年上升，能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出。中國于2023年7月起實(shí)行國VI（b）標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對輕型汽車在常溫、低溫等狀態(tài)下的氣體和顆粒物排放限值做出更嚴(yán)格的規(guī)定，對汽車企業(yè)開展輕型車排放技術(shù)路線的研發(fā)工作提出更高的要求。

近年來，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)因高空氣壓縮比和較好的動(dòng)力性成為汽油機(jī)研究的熱點(diǎn)和主流技術(shù)，但是GDI（Gasoline Direct Injection，缸內(nèi)直噴）汽油機(jī)的顆粒物排放水平較高，且所排放的顆粒物尺寸更小，毒性更大[1]。為了應(yīng)對日益嚴(yán)苛的國家排放標(biāo)準(zhǔn)，GDI汽油車普遍采用GPF（Gasoline Particulate Filter，汽油機(jī)顆粒物捕集器）技術(shù)作為后續(xù)凈化處理裝置。GPF對汽車尾氣中顆粒物的捕集效率可超過90%，是有效降低顆粒物PM（Particle Matter）和顆粒物數(shù)量PN（Particle Number）的技術(shù)方案。

國內(nèi)外科研人員采用實(shí)車試驗(yàn)、臺架試驗(yàn)或者仿真計(jì)算等方法，圍繞載體材質(zhì)、灰分載量、再生頻率、GPF布置方式和耐久性能對GPF的顆粒物排放特性、捕集特性以及再生過程等展開廣泛研究并取得系列進(jìn)展。但是，目前國內(nèi)外針對GPF內(nèi)碳煙累積的相關(guān)研究數(shù)量較少，而碳煙累積對GPF的捕集性能、背壓以及再生均存在重要影響，因此有必要對已有的研究工作進(jìn)行總結(jié)。本論文將對GPF的結(jié)構(gòu)、原理及顆粒物的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)介紹，并總結(jié)近年來國內(nèi)外有關(guān)GPF碳煙累積對捕集效率、背壓以及再生過程的影響的相關(guān)工作，為GPF的開發(fā)和應(yīng)用提供新思路。

2" 顆粒物產(chǎn)生機(jī)理

顆粒物是對懸浮在空氣中的固體和液體顆粒的總稱，其生成過程非常復(fù)雜。研究人員將液相或者氣相的碳?xì)浠衔锵蝾w粒物進(jìn)化的過程概括為6個(gè)步驟：裂解、成核、合并、表面生長、凝聚和氧化，前5個(gè)過程為顆粒物的生成過程[2]。根據(jù)顆粒物的粒徑大小，可以將顆粒物分為核態(tài)顆粒物（小于50nm）和聚集態(tài)顆粒物（大于50nm）。核態(tài)顆粒物主要包括碳?xì)浠衔?、硫酸以及金屬灰燼等，而聚集態(tài)顆粒物主要包括碳煙、可溶性有機(jī)組分和硫酸鹽等，其中碳煙的占比可達(dá)到90%左右[3]。通常文中所指的顆粒物主要是指碳煙和以有機(jī)物為主的顆粒物。

目前，研究人員主要通過光學(xué)診斷技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬法對碳煙的生成機(jī)理展開研究，相關(guān)結(jié)果表明混合氣過濃區(qū)域和壁面油膜的池火燃燒是碳煙生成的主要原因[4]。從技術(shù)特點(diǎn)來看，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃油直噴技術(shù)，燃料與空氣混合時(shí)間短，燃燒室內(nèi)易出現(xiàn)液態(tài)油膜和局部混合氣較濃的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致燃料燃燒不完全，生成大量的碳煙顆粒。同時(shí)，燃油噴射過程中會(huì)不可避免地發(fā)生燃油碰撞和飛濺，附于缸壁上的機(jī)油緩慢燃燒，亦會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)生成大量的碳煙顆粒。此外，燃油中不飽和烴的比例較高時(shí)，碳煙的含量也會(huì)升高?？傊矚庵蓄w粒物的含量與燃燒架構(gòu)、機(jī)油燃燒和燃油特性等因素密切相關(guān)。

3" GPF結(jié)構(gòu)以及工作原理

GPF的結(jié)構(gòu)與柴油機(jī)顆粒物捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）基本相同，圖1為壁流式捕集器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及捕集原理示意圖。GPF內(nèi)部由許多軸向平行的孔道組成，且相鄰孔道之間交替堵塞。該結(jié)構(gòu)迫使廢氣在流經(jīng)GPF入口通道后必須經(jīng)由GPF壁面的孔隙才能排出。通常GPF的微孔尺寸要遠(yuǎn)大于顆粒物的直徑，因此GPF不能直接阻攔顆粒物，而是通過攔截、慣性碰撞、擴(kuò)散和重力沉積等作用完成對汽車尾氣內(nèi)顆粒物的捕集[5]。

4" 碳煙累積對GPF性能的影響

4.1" 碳煙累積對捕集效率的影響

捕集效率作為衡量GPF性能的重要指標(biāo)之一，主要與捕集器結(jié)構(gòu)參數(shù)和顆粒物性質(zhì)等因素相關(guān)。在開展DPF相關(guān)研究時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)捕集效率會(huì)因顆粒物的累積而發(fā)生改變。例如，M Bergmann等人[6]在搭載DPF的歐4柴油客車上進(jìn)行顆粒物的實(shí)時(shí)監(jiān)測時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著碳煙在DPF內(nèi)的不斷累積，顆粒物的捕集效率從67%迅速提高至99%。科研人員指出，DPF捕集效率的提升可能與其表面形成的碳煙層存在重要關(guān)聯(lián)。在初始捕集階段時(shí)，顆粒物首先被多孔壁面捕集，此時(shí)DPF捕集效率較低。但隨著捕集過程的進(jìn)行，顆粒物在捕集器壁面不斷累積并形成較為致密的碳煙層，由于碳煙層具有更強(qiáng)的捕集效果，使得DPF的捕集效率顯著提升。PM過濾機(jī)理如圖2所示。

鑒于GPF和DPF的結(jié)構(gòu)與原理相似，DPF的研究成果對GPF的設(shè)計(jì)開發(fā)有一定的借鑒意義。但是兩者在排氣溫度、顆粒物組成及粒徑分布等方面均存在差異。例如，與DPF相比，GPF工作于排氣溫度高、氧氣濃度低、顆粒物較少的工況，在進(jìn)行連續(xù)再生后難以形成碳煙層。然而C Lambert等人[7]基于涂覆型GPF研究碳煙載量對捕集效率的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳煙的擔(dān)載量從0升高到0.03g時(shí)，捕集效率從62%提高至90%左右。這一試驗(yàn)結(jié)果說明GPF捕集效率的提高可能同樣與碳煙累積而形成的碳煙層有關(guān)。

為探究碳煙累積形成的碳煙層對GPF捕集效率的影響，C Saito等人[8]基于具有不同PN排放的2臺車輛進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)GPF捕集效率隨原始排放量的降低而降低。他們分析認(rèn)為，1.8L GDI+GPF系統(tǒng)展現(xiàn)出較高PN捕集效率的原因之一是該發(fā)動(dòng)機(jī)的原始PN排放量高，有利于碳煙層的形成，這一試驗(yàn)結(jié)果與上述文獻(xiàn)一致。當(dāng)碳煙累積到一定程度后，GPF會(huì)進(jìn)行再生除去累積的碳煙。探究再生過程中碳煙含量和捕集效率的關(guān)系對于研究碳煙層對捕集效率的影響同樣具有重要意義。F ADAM等人[9]將兩種GPF技術(shù)與4種型號的發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配，分別測試了組合體系的顆粒物排放和捕集效率，并對再生時(shí)間和再生頻次進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，4種發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放量存在較大差異，且GPF的捕集效率與發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放量之間關(guān)系密切。他們認(rèn)為，即使GPF再生頻率較高，在兩次再生之間仍然能夠積累足夠多的碳煙形成碳煙層，從而有利于GPF捕集效率的提高。

L Rubino等人[10]在累積碳量不同的城市和高速公路兩種工況下探究碳煙對捕集效率的影響。數(shù)據(jù)顯示，兩種工況下顆粒物的捕集效率均隨行駛里程數(shù)的增加而提升。不同的是，累計(jì)行駛2萬公里后，高速工況下GPF捕集效率從67%增加至75%，而城市工況下GPF的捕集效率從68%增加至91%。累積碳煙較多的城市工況下，GPF捕集效率提升更明顯。這一試驗(yàn)結(jié)果同樣證明了碳煙累積對捕集效率提升的顯著作用。

與臺架試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)相比，仿真技術(shù)無需經(jīng)過復(fù)雜的試驗(yàn)步驟，不僅可以大大降低開發(fā)成本，還能節(jié)約車企和科研人員的研發(fā)時(shí)間。因此，模擬仿真技術(shù)在GPF研究領(lǐng)域占據(jù)越來越重要的地位。李亞軍[11]通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法探究了GPF壁內(nèi)不同位置下碳煙的分布、離散層孔隙率以及離散層捕集效率的變化規(guī)律。他們發(fā)現(xiàn)，PM和PN排放量較高的工況點(diǎn)所對應(yīng)的GPF捕集效率也越高。根據(jù)GPF捕集特性的仿真結(jié)果看，隨著碳煙在壁內(nèi)不斷累積，各離散層的孔隙率逐漸降低，而捕集效率卻不斷增加，且越靠近GPF入口壁面的離散層捕集效率增加越快。因此，通過模擬技術(shù)對GPF內(nèi)不同碳煙含量和孔隙率處的捕集效率進(jìn)行模擬計(jì)算，同樣指出在GPF表面形成的致密碳煙層是引起過濾器捕集效率提高的重要原因。

4.2" 碳煙累積對背壓的影響

對于以動(dòng)力為導(dǎo)向的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，排氣系統(tǒng)背壓較大可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率受損、燃油消耗增加和二氧化碳排放升高等問題?？紤]到GPF的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及行駛過程中碳煙累積均會(huì)導(dǎo)致排氣背壓升高，因而除了對顆粒物有足夠高的捕集效率外，低壓降也是GPF發(fā)展的主要要求之一。

X Liu等人[12]對碳煙加載過程中的壓力損失情況展開了深入研究，指出碳煙加載過程中增加的背壓主要源自于沉積的碳煙對氣體流動(dòng)的阻抗。如圖4所示，在2個(gè)涂覆型捕集器（WCI和WCII）上均觀察到背壓增加幅度隨碳煙的累積而逐漸趨于平緩，這與GPF的捕集模式從深層捕集（陡坡）過渡到濾餅捕集（緩坡）有關(guān)。

為研究實(shí)車駕駛條件下壓降與碳煙累積之間的關(guān)系，T Shimoda等人[13]基于一臺1.4L 4缸的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行路試試驗(yàn)，并在冷流臺架上測試行駛2500km前后的壓降情況，結(jié)果顯示測試前后GPF壓降明顯增加。對測試后的GPF進(jìn)行碳煙再生并測量壓降，發(fā)現(xiàn)再生后GPF的壓降與實(shí)車行駛前的壓降相當(dāng)（圖5），且從積灰距離來看，積灰量微不足道，因此，認(rèn)為碳煙累積是造成壓降增大的主要原因。研究成果不僅揭示了碳載量對GPF壓降的影響，也對通過開展GPF再生來降低背壓，從而降低能耗和二氧化碳排放具有一定的指導(dǎo)意義。

不同于臺架和實(shí)車試驗(yàn)的研究方法，同濟(jì)大學(xué)的陳琦[14]通過仿真技術(shù)計(jì)算初始碳載量對GPF壓降的影響，發(fā)現(xiàn)于負(fù)載碳顆粒的GPF而言，未負(fù)載碳顆粒的GPF始終具有最低的壓降。根據(jù)DPF的相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，壁面和碳煙層的碳煙對壓降的貢獻(xiàn)度不同，且DPF中碳煙層對壓降的貢獻(xiàn)度更高[15]。他們通過模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)GPF上壁面和碳煙層對壓降的貢獻(xiàn)數(shù)值分別為12.8kPa和1.28kPa，即壁面處碳煙對GPF壓降貢獻(xiàn)度更大，這一模擬結(jié)果與DPF不同。通過計(jì)算模擬技術(shù)不僅揭示了碳載量對壓降和捕集效率的影響，還闡明了壁面和碳煙層對GPF壓降的貢獻(xiàn)比例，這對于GPF的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能改善具有重要的指導(dǎo)意義。

4.3" 碳煙累積對再生性能的影響

在GPF內(nèi)部的碳煙累積到一定量時(shí)，排氣的流動(dòng)阻力增加，將會(huì)損害發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，因此需要定期清除GPF內(nèi)堵塞的碳煙，這個(gè)過程就是再生。GPF再生主要受碳煙顆粒物總量、排氣溫度和氧含量等因素的影響[3]。研究人員發(fā)現(xiàn)減速斷油和點(diǎn)火角延遲等策略能夠通過提高再生溫度和氧氣含量來促進(jìn)再生過程。然而目前針對碳煙數(shù)量對于再生過程影響的研究尚不完善。為達(dá)到嚴(yán)苛的顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，有必要對碳載量與GPF再生之間的關(guān)系展開針對性的研究。

中國汽車技術(shù)研究中心的楊永真等人[16]基于一臺2.0L GDIT發(fā)動(dòng)機(jī)展開GPF再生特性的研究。由圖6的試驗(yàn)結(jié)果可知，GPF的再生燃燒速率隨著碳載量的增加而顯著提高，且在碳載量大于4g時(shí)，再生速率和碳載量之間近乎呈現(xiàn)線性相關(guān)。

隨后，南征等人[17]通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)，測試了碳載量對GPF兩種再生方式的影響，并發(fā)現(xiàn)了相似的試驗(yàn)結(jié)果。在空燃比λ相同時(shí)，主動(dòng)再生過程的再生速率隨著碳載量的增加而升高，研究人員認(rèn)為這是由于更多的碳煙參與到再生反應(yīng)中，使得再生速率明顯提高。

碳載量除了對再生速率存在明顯的影響外，對再生過程中捕集器內(nèi)部的溫度和GPF的壓降也具有明顯影響。李亞軍[11]依據(jù)壁面峰值溫度和壓降隨初始碳煙捕集量的變化情況，探究碳載量對再生過程的影響。根據(jù)不同碳煙含量下壁面峰值溫度和壓降變化可知，初始碳煙捕集量越大，再生過程中壁面的峰值溫度越高，壓降降低的速率越快。

減速斷油作為常用的被動(dòng)再生手段，對再生溫度和碳煙數(shù)量有較高的要求。一般情況下，碳載量越高，GPF的瞬時(shí)最大溫度越高，對內(nèi)部顆粒物迅速燃燒，從而恢復(fù)捕集效率越有利，但過高的溫度可能會(huì)對GPF載體的結(jié)構(gòu)造成損壞。為保證載體再生的安全性，南征等人[18]在減速斷油工況下研究不同碳載量下GPF內(nèi)部溫度的變化情況，發(fā)現(xiàn)載體A的峰值溫度、溫度升高率和最大溫度梯度均隨碳煙量的升高而增高。當(dāng)碳載量為6g/L時(shí)，載體內(nèi)部的最高溫度和最大溫度梯度均超過載體的耐受溫度，提示研究或者工作人員在進(jìn)行被動(dòng)再生時(shí)需予以密切關(guān)注。

5" 總結(jié)與展望

汽油機(jī)加裝GPF已被證明是滿足當(dāng)前和未來排放法規(guī)要求的唯一有效途徑。本文對GPF的結(jié)構(gòu)、工作原理和顆粒物的生成機(jī)理進(jìn)行小結(jié)，并整理了國內(nèi)外有關(guān)碳煙累積對GPF捕集性能、背壓以及再生過程的影響的研究工作，為學(xué)者和企業(yè)從業(yè)人員研究GPF累碳對GPF性能的影響提供一定的參考。盡管國內(nèi)外針對相關(guān)領(lǐng)域已展開廣泛研究，但是仍存在以下問題亟待解決。

1）開發(fā)更為準(zhǔn)確的碳煙模型。準(zhǔn)確判斷GPF中的碳煙含量是影響GPF周期性再生的前提。然而，實(shí)際應(yīng)用中GPF的碳煙含量無法直接測量，只能通過模型對其進(jìn)行估算。因而，急需開發(fā)精準(zhǔn)的碳煙模型，節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間和成本，同時(shí)滿足工程應(yīng)用的需求。

2）數(shù)值模擬技術(shù)的改進(jìn)。GPF的載體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，導(dǎo)致影響GPF性能的因素眾多。因而與實(shí)車和臺架試驗(yàn)相比，模擬仿真技術(shù)在開發(fā)和設(shè)計(jì)更高性能的GPF方面更具節(jié)約時(shí)間、降低經(jīng)濟(jì)成本等優(yōu)勢。

3）碳煙累積對聲學(xué)的影響。碳煙累積到一定程度后，GPF需要進(jìn)行不同頻次的再生，再生過程中整車的噪聲和振動(dòng)明顯加劇，給乘車人員帶來不良的駕乘體驗(yàn)。然而，目前國內(nèi)外針對再生過程中NVH（Noise，Vibration and Harshness，噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）的研究相對較少，亟待開展碳煙累積對再生過程中NVH影響的相關(guān)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] T Fang，L Wang，Z Wang. Particulate matter emissions from gasoline direct injection engines：research review[J]. Automotive Safety and Energy，2017，8（3）：226-238.

[2] Luise L. Particulate emission from gasoline direct injection engine[M]. Singapore：Engine Exhaust Particulates，2018：215-237.

[3] 溫吉輝，騰勤. 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2016，45（1）：77-83.

[4] 張彥科. 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒捕集器動(dòng)態(tài)捕集過程的模擬研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2019.

[5] 石秀勇，康楊，倪計(jì)民，等. 直噴汽油機(jī)顆粒物生成及排放特性研究進(jìn)展[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，45（z1）：144-151.

[6] M Bergmann，U Kirchner，R Vogt，et al. On-road and laboratory investigation of low-level PM emissions of a modern diesel particulate filter equipped diesel passenger car[J]. Atmospheric Environment，2009，43（11）：1908-1916.

[7] C Lambert，T Chanko，D Dobson，et al. Gasoline particle filter development[J]. Emission Control Science and Technology，2017，3（1）：111-121.

[8] C Saito，T Nakatani，Y Miyairi，et al. New particulate filter concept to reduce particle number emissions[R]. SAE Technical Paper，2011.

[9] F ADAM，J OLEFRT，K F WONG，et al. 發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒排放和再生頻率對汽油機(jī)顆粒捕集器效率的影響[J]. 汽車與新動(dòng)力，2021，4（2）：53-59.

[10] L Rubino，D Thier，T Schumann，et al. Fundamental study of GPF performance on soot and ash accumulation over artemis urban and motorway cycles-comparison of engine bench results with GPF durability study on road[R]. SAE Technical Paper，2017.

[11] 李亞軍. 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)典型工況GPF捕集和再生特性研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2022.

[12] X Liu，T Chanko，C Lambert，et al. Gasoline particulate filter efficiency and backpressure at very low mileage[R]. SAE Technical Paper，2018.

[13] T Shimoda，Y Ito，C Saito，et al. Potential of a low pressure drop filter concept for direct injection gasoline engines to reduce particulate number emission [R]. SAE Technical Paper，2012.

[14] 陳琦. 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒捕集器工作特性優(yōu)化及再生的研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué)，2018.

[15] 張軻，杜艷婷. 顆粒物捕集器壓降特性試驗(yàn)分析與仿真模擬[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（9）：45-47.

[16] 楊永真，郭向陽，吳春玲，等. 缸內(nèi)直噴增壓汽油機(jī)GPF再生速率研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（7）：5-6.

[17] 南征，李楠，劉海濤，等. 不同載體汽油機(jī)顆粒捕集器再生性能試驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2021，38（6）：29-35，41.

[18] 南征，李楠，張秋實(shí)，等. 汽油機(jī)顆粒捕集器再生時(shí)載體溫度特性研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2022，40（4）：322-330.

（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2023-10-09