王書恒， 何 超， 楊開平， 仵云凡， 曹佳潭， 汪亦寒

(西南林業(yè)大學機械與交通學院，云南 昆明 650224)

為了防治污染，保護和改善生態(tài)環(huán)境，應對環(huán)境日益惡化的嚴峻挑戰(zhàn)，中華人民共和國環(huán)境保護部于2016年發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及其測量方法(第六階段)》[1]，其中國六b標準要求輕型汽車的汽油機顆粒物排放限值自 2023年7月1日起低于 3 mg/km。同時我國高原地區(qū)占據國土面積約1/3，但由于高原地區(qū)單位體積內的氧氣質量隨著海拔升高而降低，在高原地區(qū)的汽油車會排放比在低海拔地區(qū)更多的尾氣排放物[2]。因此，這對發(fā)動機控制技術、排放后處理技術等各方面提出了新的挑戰(zhàn)。雖然與汽油機顆粒物捕集器相關的研究和應用日漸升溫，但國內外對高原汽油機微粒捕集效率影響的研究并不多，學者大部分都僅對高原環(huán)境下的汽油機排放特性進行研究，未涉及到GPF的捕集對高原環(huán)境下的影響情況研究或者僅對低海拔地區(qū)的GPF捕集效率進行研究。然而因高低海拔地區(qū)的差異性，所以并不能將現有GPF捕集效率的研究成果直接應用到高原環(huán)境下。本文分別介紹高原環(huán)境下的汽油機尾氣排放現狀及其影響因素和低海拔環(huán)境下的汽油機顆粒物捕集器的發(fā)展及捕集效率影響因素的研究現狀，為以后的高原汽油機顆粒捕集效率提供有力的參考。

1 高原環(huán)境下的尾氣顆粒排放特性

1.1 汽車不同駕駛狀態(tài)對尾氣排放特性的影響

上海汽車集團的程亮[3]等在實驗車輛為四缸自然吸氣式、后處理裝置為下底板催化器(UFC)和三元催化器(TWC)的汽油車上，研究高原地區(qū)不同駕駛狀態(tài)與汽車尾氣排放顆粒之間的關系。實驗中分別進行不同駕駛狀態(tài)下CO、CO2、PN、NOx、O2各污染物排放濃度的測量，一般駕駛狀態(tài)和激烈駕駛狀態(tài)時CO的排放含量最高，且三種狀態(tài)下的CO、CO2、PN排放含量明顯較高于其他尾氣排放物。同時其對道路行駛狀態(tài)下不同駕駛狀態(tài)的尾氣排放濃度進行研究，得到表1所示結果：

表1 不同駕駛狀態(tài)下的道路行駛中尾氣污染排放量占RDE實驗尾氣排放總量的占比

因為高原環(huán)境下的空氣密度降低，空氣較為稀薄，因此缸內單位時間下的進氣量不充足，且高海拔地區(qū)的影響進氣壓力也較低，當汽車處于高速負荷狀態(tài)時，此時缸內可燃混合氣過濃，使CO排放增加。此外，CO排放因為點火提前角在高海拔地區(qū)的提前打開而導致進一步惡化。同時，電噴汽油機的控制策略在發(fā)動機全負荷工況下為開環(huán)控制，在達到一定負荷工況時，就要通過供給缸內較濃混合器，可燃混合氣濃度為功率混合氣，因此在高速狀態(tài)下，CO的排放在不同駕駛狀態(tài)下均有所升高。對于不同駕駛狀態(tài)下的PN排放量可能因為空燃比波動造成燃燒不充分，導致在一般駕駛狀態(tài)下PN排放最大，激烈駕駛狀態(tài)下PN排放含量最小。NOx是在高溫、高溫持續(xù)時間和富氧三種條件下生成的。同時在激烈的駕駛狀態(tài)下導致發(fā)動機產生較大的波動，發(fā)動機新鮮充量降低，所以使CO2排放升高。

1.2 不同海拔高度的排放影響

北京理工大學的李磊[4]等對不同海拔高度下的汽油機尾氣排放進行研究，隨著海拔的上升，全負荷下 HC 比排放呈現增加趨勢，CO 比排放呈現減小趨勢，但在高轉速下基本沒有變化，NOx 比排放呈現先增加后減小的趨勢。通過對比三種排放物的不同海拔高度與不同發(fā)動機轉速的增量圖，建立如圖1所示的排放物與不同海拔高度的關系。

圖1 不同海拔高度下的汽油機尾氣排放量關系

其中NOx的變化趨勢是因為在高原環(huán)境下由于海拔的升高而導致進氣量不足，缸內可燃混合氣為較稀混合氣，導致燃燒溫度下降，致使 NOx 的生成受到阻礙，因此出現減緩趨勢；同時在高海拔下，反應物在高溫下的反應時間變長，此時高溫加速了 NOx 的生成，因此出現上升趨勢；HC比排放隨著海拔的升高而增加，呈現一直上升的趨勢，且在發(fā)動機速為1 000 r/min工況下，海拔4 200 m的HC排放比100 m處時的排放含量增加6%。

2 GPF捕集效率影響因素研究現狀

由于國內外對高原環(huán)境下的GPF的過濾效率研究較少，對低海拔地區(qū)的GPF捕集效率相對較多，因此首先對低海拔地區(qū)的GPF捕集效率影響因素進行探究，對高原GPF微粒捕集效率提供可參考因素，而低海拔和高海拔的尾氣排放顆粒物含量的主要差異在于CO、CH，因此在后期學者對高原環(huán)境下GPF微粒捕集效率進行研究時還可以針對性對CO、CH的排放特性進行研究。而低海拔GPF微粒捕集效率的影響因素主要由GPF過濾器特性(材料、孔隙率等)、灰分量含量、發(fā)動機運行特性、尾氣微粒徑粒尺寸、GPF再生頻率等決定，根據影響因素是否由GPF直接影響，將其分為主影響因素和副影響因素。主影響因素包括GPF過濾特性、再生頻率等，副影響因素則為發(fā)動機運行特性、GPF的布置位置等。兩者對GPF捕集效率影響具有一定的差異，因此，本文就兩種影響因素進行詳細分析。

2.1 影響GPF的主因素研究現狀

2.1.1 材料對捕集效率的影響

因為GPF工作環(huán)境為排氣系統的熱端且尾氣中含有硫、氮等氧化元素，為使GPF在腐蝕、高溫工作環(huán)境下保證正常工作及捕集效率的穩(wěn)定，所以對GPF制作材料的挑選十分重要，GPF制作材料需要具備良好的機械強度、較高的導熱系數、較強的耐熱沖擊性、較低的熱膨脹系數以及良好的熱穩(wěn)定性等性能。布拉格化學與技術大學的Marek Václavík[5]等在開發(fā)出過濾效率和催化活性方面性能最佳的多孔結構的關鍵前提下，將催化活性材料涂覆在多孔濾壁上，來表征濾壁內催化材料的分布和濾料的形態(tài)，同時為考慮經濟性，也可以降低排氣后處理系統的規(guī)模和成本。實驗GPF選取SiC材料，通過對不同SCR催化劑用量的SiC濾料樣品進行了表征。分割后的XRT圖像用作數學模型輸入催化材料的三維分布和濾壁內部較大的大孔，來評估GPF有效捕集效率，同時PSD和XRT表明，催化材料完全填滿了基底的大量孔隙，因此得出GPF的捕集效率隨催化涂膜量的增加呈非線性增加。

2.1.2 碳載量對捕集效率的影響

在GPF中對碳載量模型的計算精度具有較高的要求，因為GPF內的碳載量只能通過模型來對其進行預估計算，在實際應用中是無法直接測量到碳載量具體含量的。當GPF的碳載量模型值高于實際值時，由于碳載量的增加累計會導致GPF孔隙堵塞，GPF的捕集效率隨內壁孔隙率的變化也會產生影響。因此，準確估計GPF碳載量對于GPF的捕集效率研究具有十分重要的意義。范明哲[6]等基于碳煙的累積模型，從發(fā)動機負荷和轉速獲得模型的基礎脈譜，并從基礎空燃比上進行基礎脈譜的修正，綜合考慮建立了開環(huán)的碳煙模型，并基于GPF內部溫度、當前碳載量數值大小、尾氣中氧氣流量三個主要參數因素，建立一個區(qū)分主動再生和被動再生不同工況下的開環(huán)再生模型。將前者與后者的實際數值的差值作為基本參數輸入累計計算器中，獲得GPF綜合累計碳載量模型。并在Matlab Simulink平臺下搭建碳載量模型，通過分別對累炭基礎脈譜的實驗及仿真，并充分參考起動、水溫和順態(tài)工況的修正因子對脈譜進行修正，同時在再生模型進行上述所影響再生模型影響因子的實驗及仿真，最后得到所設計的碳載量模型偏差值為+5.8%；主動和被動再生模型的偏差值分別為+9%和+6%；綜合碳載量模型的偏差值為+3%，模型精度良好。同時邵陽學院的伏軍[7]等研究了GPF碳載量的估算方法，其研究忽略了灰分產生的壓降，根據GPF壓差傳感器的壓降和實際碳載量的關系，并考慮實際過程中的GPF運行特性，引進了可以修正GPF入口溫度影響的碳煙指數，并得出碳煙指數的數學表達式，如式(1)所示：

(1)

式中：ΔPs為GPF壓差傳感器實測壓降；μrefQvref/μQv為修正項。

并且對其標定方法進行驗證得到碳煙載量估計的整體誤差在0.3 g/L以內，其在一定的的幅度內進行波動?？赡苁且驗樵趯PF進行萬有特性實驗時，GPF內的碳煙由于發(fā)動機工作特性、排氣溫度、空燃比等的不斷變化而產生變化性的氧化過程，因此整體誤差范圍也在一定范圍內進行變化。

2.1.3 發(fā)動機灰分載量對捕集效率的影響

發(fā)動機內的灰分累積量對GPF的捕集效率影響類比在柴油機顆粒捕集器(DPF)內的炭煙層對DPF的捕集效率的影響，灰分層也可能會作為顆粒的過濾介質，會較為顯著的提高GPF的捕集效率。因此，同濟大學的李笑杰[8]等研究了發(fā)動機不同負荷下的不同灰分載量對GPF過濾性能的影響，其研究表明在存在灰分載量累計比無灰分載量的GPF捕集效率更高。且在無灰分載量工況下，GPF捕集效率為85%，少量灰分載量對其影響效果顯著，在5 g/L的灰分累計載量工況下，GPF的捕集率可高達97%。且隨著灰分載量逐漸增加，對GPF捕集效率影響效果降低，但當灰分載量高達一定累積量后，GPF的捕集效率高達99%。這是由于在無灰分載量下，GPF的孔隙直徑較大且孔道長度較短，極大限制了捕集效率的上限，而在少量灰分載量累計后，灰分沉積在GPF內壁壁面和孔道內，孔隙和孔道發(fā)生變化，因此在灰分加載初期GPF的捕集效率變化顯著。而當灰分累積量達到一定數值后，孔道末端累積量過大，產生孔隙過小甚至堵住的工況，減少了GPF的過濾面積，因此GPF的捕集效率變化趨勢減弱。但其在不同負荷的條件下僅對比了FPI和GDI 不同發(fā)動機排放的尾氣顆粒特性，缺少對不同負荷下的GPF的捕集效率的影響。

同時上汽大眾的朱偉[9]對GPF對PN過濾效率進行進一步研究，其研究PN過濾效率與累灰量隨時間的變化。研究表明累灰量隨著時間的推移逐漸增多，GPF對PN過濾效率同時由71%增加到10 h后的96%，但捕集效率增長速度隨時間增加而逐漸變緩。

2.1.4 再生頻率對捕集效率的影響

F.ADAM[10]等使用四種不同的發(fā)動機和兩種不同的GPF技術，研究了激進工況和正常工況下的汽車行駛循環(huán)時的GPF再生條件和對GPF捕集效率的影響，提出了每分鐘再生頻率和行駛循環(huán)時間占比含量，即再生循環(huán)的持續(xù)時間。其在GPF的先進技術前提下，表明在再生循環(huán)中，其中灰分累積量的多少對GPF具有較大的影響，其再生循環(huán)中使用先進GPF技術，可以使GPF對 大于23.0 nm的顆粒物捕集效率提高21%(57%～78%)，GPF對大于2.5 nm的顆粒物捕集效率提高14%(71%～85%)。

圖2 三種不同灰分量對GPF捕集效率的影響

合肥工業(yè)大學的龔少男[11]等在F.ADAM的基礎上對影響再生頻率的因素進行分析，其對GPF中心溫度、氧流量進行研究，得到在氧含量為0 mg的工況下，GPF因為所載炭量的不燃燒而不發(fā)生再生。且GPF再生頻率隨著氧含量的增加而加快；GPF的再生頻率也隨著GPF中心溫度的增加呈現正相關趨勢。文中并沒有提到GPF中心溫度與氧含量的變化與GPF捕集效率之間的影響，僅通過試驗分析得到其對再生頻率的影響。但因為GPF中心溫度和氧含量的正向干變化導致再生頻率的增加，而再生頻率會影響灰分累積量增加，進而在一段時期內會增加GPF的捕集效率，但GPF再生頻率在灰分增加到一定量后對GPF的捕集效率提升效果不顯著，因此GPF中心溫度和氧流量兩者與GPF的捕集效率之間可能不存在正比例關系。

2.2 影響GPF的副因素研究現狀

2.2.1 布置方式對捕集效率的影響

李配楠[1]等在1.5 TGDI試驗車上進行GPF不同的布置方式對排放的影響進行探究，兩組實驗的TWC涂履方式為分區(qū)涂履，且實驗除布置方式不同外，其他環(huán)境和設備條件均相同，其實驗結果如圖3所示：兩種布置方式對排放物的控制能力的差別效果不明顯，對氣體排放物的排放含量結果也相差不多。但對比兩者顆粒物的排放情況，除緊耦合布置時的CO排放量低于后置式布置，其他尾氣排放物排放含量均高于后置式布置。但在高原環(huán)境下汽車尾氣排放中CO的排放含量在尾氣排放中占比較重，因此在高原環(huán)境下，緊耦合的布置方式要更優(yōu)于后置式布置，而當在平原環(huán)境下，后置式布置要更優(yōu)于緊耦合布置。

圖3 不同布置方式對排放結果的比較

2.2.2 耐久對捕集效率的影響

張凱[12]等使用材料為壁流堇青石GPF載體，且內壁涂覆催化劑的GPF樣件，在樣車為1.5 L的GDI發(fā)動機進行模擬GPF耐久性對捕集效率的影響研究，其研究了在不同的耐久使用程度下的捕集效率影響。實驗分別使用未使用過的GPF樣件、重量增加20 g的GPF樣件、重量增加25 g的GPF樣件和重量增加30 g的GPF樣件，將四個樣件分別安裝在相同環(huán)境下的WLTC循環(huán)排放的試驗車，對其進行GPF捕集效率測試，得到四個樣件的平均捕集效率為95.7%、98.1%、98.1%、98.2%。從實驗結果得出，在當前實驗下，GPF的耐久在一定程度內對GPF的捕集效率影響不顯著，但存在一定使用耐久后仍比未使用過的GPF的微粒捕集效率高。產生這種的原因可能是未使用的GPF可能累分量與GPF內排氣背壓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為在一定使用后GPF壁面微孔當量直徑產生變化，比未使用過的GPF直徑有所降低，且隨著排氣背壓的增加，排氣質量流量低，產生的尾氣含量會隨之減小，因此GPF的捕集效率有所提高。

3 結論與展望

本文分析了國內外的高原汽油機尾氣微粒排放特效影響因素，以及汽車不同檔位、不同駕駛狀態(tài)，不同海拔高度對尾氣排放的影響，得出高原環(huán)境下發(fā)動機在不同工況下的尾氣排放含量具有一定的差異，但CO、NOx兩種的排放物含量在多種工況下總尾氣排放含量的占比較重；同時對低海拔GPF微粒捕集效率進行總結，分析了灰分量、孔隙率、GPF材料以及涂覆情況、GPF布置方式等多種因素對GPF捕集效率的影響，為之后學者對高原汽油機微粒捕集提供一定的參考價值。

同時基于高原環(huán)境下的GPF捕集效率的影響因素還有很多問題有待解決，提出目前GPF的可能發(fā)展方向提出展望。

(1)現廣泛使用的GPF材料仍存在導熱率低，強度低，軸向徑向膨脹系數相差較大等問題，得出合成強度，熱穩(wěn)定性及耐腐蝕材料對GPF耐久性和捕集效率具有十分重要的意義。

(2)高原地區(qū)占國家總面積的1/3，且單位質量燃油消耗下，高原尾氣排放含量較低海拔區(qū)域更高，因此針對高原GPF技術的研究對捕集效率的提高具有指導性。

(3)GPF基于不同海拔環(huán)境下的結構轉換，例如孔隙率，灰分量再生控制等在不同工況下的微機結構控制研究。

(4)高原四元轉化器的開發(fā)與捕集效率的研究。