前言

汽油機的顆粒物排放是汽車排放物中需要控制的污染物之一，尤其對于缸內直噴式汽油機（GDI），其循環顆粒物排放量是進氣道噴射汽油機（PFI）的十倍。就顆粒物控制而言，國六a排放法規階段新增了對顆粒物數量的控制，而當進一步加嚴至國六b階段時，顆粒物質量濃度排放限值降低33%，同時增加實際道路試驗循環測試（RDE，Real Driving Emission），因此顆粒物排放控制之路任重道遠。當前，為有效降低顆粒物排放，市場上出現了高軌壓、改良的多孔噴油器等諸多技術，但該技術主要通過改善原始排放的方式來降低顆粒物質量，其效果視發動機基礎、匹配水平而異；而汽油機顆粒捕集器（GPF，Gasoline Particle Filter）是從排放后處理的角度來降低顆粒物排放的技術，其過濾效率高達90%，同時也能有效控制顆粒物數目。據國六預研階段市場調查數據統計，PFI和GDI型發動機均對GPF存在不同程度的配置需求，考慮到未來排放法規的不斷加嚴，可以預知GPF將成為大多數汽油車排放控制技術的主流方案，并具有廣闊的市場應用前景。

GPF結構及工作原理

顆粒捕集器顧名思義，就是通過捕集尾氣中的顆粒物來降低排氣中的顆粒物質量和數量。其捕集機理主要基于GPF載體的結構和材料，結構示意圖如圖1所示，外型一般為圓柱體，主要以壁流式蜂窩陶瓷為載體，該結構較為特殊，在載體的出入口端面均布滿許多沿軸向相互平行的窄小孔道，每相鄰的兩個孔道，一個在進口處被堵住，另一個在出口處被堵住，形成一個蜂窩狀結構，排氣從一個孔道進入后，必須穿過陶瓷的多孔性壁面從相鄰孔道流出，因此顆粒物會在顆粒捕集器內部通過攔截、碰撞、擴散、重力沉降等方式不斷積聚，從而達到積累顆粒物的目的，見圖2。這種設計結構綜合性能較好，且流動阻力小，耐高溫，機械強度高，也易操作。

圖1. GPF載體結構

圖2. GPF結構及捕集原理

隨著顆粒物累積量越來越大，排氣背壓會升高，燃油油耗增加，發動機性能下降，因此GPF需要適時將捕集的顆粒氧化燃燒掉，即進行再生。GPF內部的再生原理可以用以下兩個化學方程式表達：

1）在GPF內部溫度高于580℃，且氧濃度大于0.5%或缸內過量空氣系數大于1.022時，發生如下化學放熱反應

2）在GPF內部溫度高于800℃，且沒有氧氣時，發生如下化學吸熱反應

3）對于存在催化涂覆的GPF（cGPF），當250℃

當前，為有效滿足國六排放法規，整車排氣系統采用的GPF布置方案主要有4種，如表1所示。考慮到成本、底盤布置空間以及GPF再生效率等問題，(TWC+cGPF)cc的布置方案再生時TWC至GPF段散熱損失小，GPF內部溫度較高，便于顆粒物的氧化燃燒；此外GPF載體中貴金屬涂覆也有利于降低顆粒物燃點，有利于被動再生，同時也提高了再生效率，因此其綜合性能最好，推薦采用該方案。

表1. GPF布置方案

GPF的控制策略

從GPF內部再生過程來看，溫度和排氣中氧含量是決定再生效率的重要因素。由于汽油車實際行駛工況下排氣溫度普遍較高（車速40km/h排溫就能達到580℃），因此氧含量是影響再生質量的關鍵因素，但考慮到整車主要運行于過量空氣系數λ=1的工況下（保證TWC的高效催化），無法提供充足的氧含量供碳氧化燃燒，因此需要發動機創造條件使其再生，并且GPF材料本身也存在著最大熱應力，這又使得并非任何工況下都適合再生；此外GPF何時進行再生即判定再生時機是GPF再生的基礎，因此都需要EMS控制系統對GPF的狀態加以了解，并對再生過程實施精確控制。

GPF再生過程中的控制難點可概括為再生監控和再生控制兩方面。如圖3所示，車輛運行過程中首先判斷GPF中碳載量的狀態，即判斷GPF是否滿載，或者是否達到碳載量再生的需求值，一旦滿足再生觸發需求，系統會進入再生過程，即判斷整車運行工況，并基于閉環控制來進一步管理空氣及燃油噴射系統，來滿足GPF再生條件，從而確保GPF的安全有效再生。

對于碳載量的狀態監測一般采用壓差法來進行判定，但考慮到壓差在低排氣流量下偏差較大以及瞬態工況下測量精度無法保證等問題，因此聯電以碳載量計算法為主，壓差計算法為輔來進行判定，其控制邏輯詳見圖4。一方面是建立soot累碳和soot燃燒模型。其中，前者需要基于soot原排、水溫、催化器加熱、過渡工況以及冷起動等方面來不斷修正優化該模型，而后者需要通過定溫定氧、碳載量燃燒等方式來模擬碳載量實際的燃燒過程，兩者的共同作用確保碳載量模型值的準確輸出，當然后續也需要WLTC等循環對模型的不斷驗證；另一方面，采用碳載量壓差法則需要依據碳載量系數CCF值來進一步確定，但這其中需要剔除灰分（Ash）對GPF壓差的影響。總之，兩者的互相驗證確保碳載量監測的準確性。

圖3. GPF再生控制策略示意圖

圖4. 碳載量計算控制邏輯

GPF再生控制主要圍繞再生協調展開，詳見圖5。當碳載量的狀態達到再生需求，或者整車行駛距離、發動機運行時間等其他需求達到條件時，系統會進行再生協調，即判斷車輛的運行狀態是否滿足再生工況要求，如若不滿足，比如檔位過低、發動機啟動時間較短或者轉速過低時便不激活主動再生，否則會進行再生過程，比如混合氣減稀、推遲點火等來進一步滿足GPF再生過程對GPF入口溫度和排氣氧含量的需求；此外，再生過程中也需要根據當前運行工況來輸出目標空燃比和目標再生溫度，確保GPF的安全有效再生；另一方面，當再生時間過長或者GPF再生溫度過高時系統則會退出再生過程。總之，GPF的再生協調過程是個閉環控制的循環過程，共同確保GPF再生的準確性和合理性。

圖5. GPF再生控制邏輯圖

GPF展望

汽油機顆粒捕集器（GPF）是當前國六形勢下的熱點話題，也是未來滿足越來越嚴格排放法規的首選后處理系統，應用及研究前景廣闊，考慮到GPF主動再生時機判定和再生過程控制策略的標定工作，是一項系統性、復雜性、耗時且試驗成本巨大的研究工作，而文中僅對部分框架內容進行簡要敘述，并未詳細展開，后續還需對其他相關內容展開討論，比如GPF中灰分的計算和修正、GPF斷油安全性檢查、GPF的故障診斷等。總之，GPF的研究與應用之路任重道遠，需要整車路試后續的不斷檢驗和修正。