【摘" 要】文章簡單介紹缸內直噴汽油機內顆粒物的生成機理、汽油機顆粒物捕集器的結構、工作原理，綜述GPF內碳煙累積對GPF捕集效率、背壓和再生性能的影響，并對GPF未來的發(fā)展進行展望。

【關鍵詞】缸內直噴汽油機;汽油機顆粒物捕集器;碳載量;捕集效率;背壓;再生

中圖分類號：U464.136" " 文獻標識碼：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

在經濟蓬勃發(fā)展的背景下，中國汽車工業(yè)快速發(fā)展，機動車的產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月起實行國VI（b）標準，該標準對輕型汽車在常溫、低溫等狀態(tài)下的氣體和顆粒物排放限值做出更嚴格的規(guī)定，對汽車企業(yè)開展輕型車排放技術路線的研發(fā)工作提出更高的要求。

近年來，缸內直噴汽油機因高空氣壓縮比和較好的動力性成為汽油機研究的熱點和主流技術，但是GDI（Gasoline Direct Injection，缸內直噴）汽油機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]。為了應對日益嚴苛的國家排放標準，GDI汽油車普遍采用GPF（Gasoline Particulate Filter，汽油機顆粒物捕集器）技術作為后續(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）的技術方案。

國內外科研人員采用實車試驗、臺架試驗或者仿真計算等方法，圍繞載體材質、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展。但是，目前國內外針對GPF內碳煙累積的相關研究數(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行總結。本論文將對GPF的結構、原理及顆粒物的產生機理進行系統(tǒng)介紹，并總結近年來國內外有關GPF碳煙累積對捕集效率、背壓以及再生過程的影響的相關工作，為GPF的開發(fā)和應用提供新思路。

2" 顆粒物產生機理

顆粒物是對懸浮在空氣中的固體和液體顆粒的總稱，其生成過程非常復雜。研究人員將液相或者氣相的碳氫化合物向顆粒物進化的過程概括為6個步驟：裂解、成核、合并、表面生長、凝聚和氧化，前5個過程為顆粒物的生成過程[2]。根據顆粒物的粒徑大小，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)顆粒物主要包括碳氫化合物、硫酸以及金屬灰燼等，而聚集態(tài)顆粒物主要包括碳煙、可溶性有機組分和硫酸鹽等，其中碳煙的占比可達到90%左右[3]。通常文中所指的顆粒物主要是指碳煙和以有機物為主的顆粒物。

目前，研究人員主要通過光學診斷技術和計算流體力學數(shù)值模擬法對碳煙的生成機理展開研究，相關結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]。從技術特點來看，GDI發(fā)動機采用燃油直噴技術，燃料與空氣混合時間短，燃燒室內易出現(xiàn)液態(tài)油膜和局部混合氣較濃的現(xiàn)象，從而導致燃料燃燒不完全，生成大量的碳煙顆粒。同時，燃油噴射過程中會不可避免地發(fā)生燃油碰撞和飛濺，附于缸壁上的機油緩慢燃燒，亦會導致發(fā)動機生成大量的碳煙顆粒。此外，燃油中不飽和烴的比例較高時，碳煙的含量也會升高?？傊矚庵蓄w粒物的含量與燃燒架構、機油燃燒和燃油特性等因素密切相關。

3" GPF結構以及工作原理

GPF的結構與柴油機顆粒物捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）基本相同，圖1為壁流式捕集器的內部結構及捕集原理示意圖。GPF內部由許多軸向平行的孔道組成，且相鄰孔道之間交替堵塞。該結構迫使廢氣在流經GPF入口通道后必須經由GPF壁面的孔隙才能排出。通常GPF的微孔尺寸要遠大于顆粒物的直徑，因此GPF不能直接阻攔顆粒物，而是通過攔截、慣性碰撞、擴散和重力沉積等作用完成對汽車尾氣內顆粒物的捕集[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性能的重要指標之一，主要與捕集器結構參數(shù)和顆粒物性質等因素相關。在開展DPF相關研究時，研究人員發(fā)現(xiàn)捕集效率會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柴油客車上進行顆粒物的實時監(jiān)測時，發(fā)現(xiàn)隨著碳煙在DPF內的不斷累積，顆粒物的捕集效率從67%迅速提高至99%?？蒲腥藛T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聯(lián)。在初始捕集階段時，顆粒物首先被多孔壁面捕集，此時DPF捕集效率較低。但隨著捕集過程的進行，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的捕集效果，使得DPF的捕集效率顯著提升。PM過濾機理如圖2所示。

鑒于GPF和DPF的結構與原理相似，DPF的研究成果對GPF的設計開發(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，發(fā)現(xiàn)當碳煙的擔載量從0升高到0.03g時，捕集效率從62%提高至90%左右。這一試驗結果說明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。

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)動機的原始PN排放量高，有利于碳煙層的形成，這一試驗結果與上述文獻一致。當碳煙累積到一定程度后，GPF會進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技術與4種型號的發(fā)動機相匹配，分別測試了組合體系的顆粒物排放和捕集效率，并對再生時間和再生頻次進行分析。試驗結果如圖3所示，4種發(fā)動機的碳煙排放量存在較大差異，且GPF的捕集效率與發(fā)動機的碳煙排放量之間關系密切。他們認為，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。這一試驗結果同樣證明了碳煙累積對捕集效率提升的顯著作用。

與臺架試驗和實車試驗相比，仿真技術無需經過復雜的試驗步驟，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)時間。因此，模擬仿真技術在GPF研究領域占據越來越重要的地位。李亞軍[11]通過仿真與試驗相結合的方法探究了GPF壁內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所對應的GPF捕集效率也越高。根據GPF捕集特性的仿真結果看，隨著碳煙在壁內不斷累積，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，通過模擬技術對GPF內不同碳煙含量和孔隙率處的捕集效率進行模擬計算，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

對于以動力為導向的汽油發(fā)動機而言，排氣系統(tǒng)背壓較大可能會導致發(fā)動機輸出功率受損、燃油消耗增加和二氧化碳排放升高等問題?？紤]到GPF的內部結構以及行駛過程中碳煙累積均會導致排氣背壓升高，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的阻抗。如圖4所示，在2個涂覆型捕集器（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。

為研究實車駕駛條件下壓降與碳煙累積之間的關系，T Shimoda等人[13]基于一臺1.4L 4缸的GDI發(fā)動機進行路試試驗，并在冷流臺架上測試行駛2500km前后的壓降情況，結果顯示測試前后GPF壓降明顯增加。對測試后的GPF進行碳煙再生并測量壓降，發(fā)現(xiàn)再生后GPF的壓降與實車行駛前的壓降相當（圖5），且從積灰距離來看，積灰量微不足道，因此，認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意義。

不同于臺架和實車試驗的研究方法，同濟大學的陳琦[14]通過仿真技術計算初始碳載量對GPF壓降的影響，發(fā)現(xiàn)于負載碳顆粒的GPF而言，未負載碳顆粒的GPF始終具有最低的壓降。根據DPF的相關研究經驗，壁面和碳煙層的碳煙對壓降的貢獻度不同，且DPF中碳煙層對壓降的貢獻度更高[15]。他們通過模擬計算，發(fā)現(xiàn)GPF上壁面和碳煙層對壓降的貢獻數(shù)值分別為12.8kPa和1.28kPa，即壁面處碳煙對GPF壓降貢獻度更大，這一模擬結果與DPF不同。通過計算模擬技術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壓降的貢獻比例，這對于GPF的結構設計和性能改善具有重要的指導意義。

4.3" 碳煙累積對再生性能的影響

在GPF內部的碳煙累積到一定量時，排氣的流動阻力增加，將會損害發(fā)動機的經濟性和動力性，因此需要定期清除GPF內堵塞的碳煙，這個過程就是再生。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。為達到嚴苛的顆粒物排放標準，保證發(fā)動機的動力性能，有必要對碳載量與GPF再生之間的關系展開針對性的研究。

中國汽車技術研究中心的楊永真等人[16]基于一臺2.0L GDIT發(fā)動機展開GPF再生特性的研究。由圖6的試驗結果可知，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，再生速率和碳載量之間近乎呈現(xiàn)線性相關。

隨后，南征等人[17]通過發(fā)動機臺架試驗，測試了碳載量對GPF兩種再生方式的影響，并發(fā)現(xiàn)了相似的試驗結果。在空燃比λ相同時，主動再生過程的再生速率隨著碳載量的增加而升高，研究人員認為這是由于更多的碳煙參與到再生反應中，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部的溫度和GPF的壓降也具有明顯影響。李亞軍[11]依據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的瞬時最大溫度越高，對內部顆粒物迅速燃燒，從而恢復捕集效率越有利，但過高的溫度可能會對GPF載體的結構造成損壞。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。當碳載量為6g/L時，載體內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行被動再生時需予以密切關注。

5" 總結與展望

汽油機加裝GPF已被證明是滿足當前和未來排放法規(guī)要求的唯一有效途徑。本文對GPF的結構、工作原理和顆粒物的生成機理進行小結，并整理了國內外有關碳煙累積對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。盡管國內外針對相關領域已展開廣泛研究，但是仍存在以下問題亟待解決。

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

2）數(shù)值模擬技術的改進。GPF的載體結構十分復雜，導致影響GPF性能的因素眾多。因而與實車和臺架試驗相比，模擬仿真技術在開發(fā)和設計更高性能的GPF方面更具節(jié)約時間、降低經濟成本等優(yōu)勢。

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

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（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2023-10-09