国Ⅵ汽油车颗粒物排放后处理应对策略

江苏省相城中等专业学校 赵 伟

1 国Ⅵ汽油车降低颗粒物排放的措施

1.1 汽油机排放污染物及其后处理应对策略

汽油机排放污染物主要来自细颗粒排放物质（PM）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）和一氧化碳（CO）等4个部分。针对汽油机而言，尾气后处理装置主要有三元催化转化器（TWC）、热反应器、空气喷射器和汽油机颗粒捕集器（Gasoline Particulate Filter，GPF）等。其中，三元催化转化器是目前应用最多的废气后处理技术，也是大家相对比较熟悉的汽油车排放后处理技术。三元催化转化器安装在排气支管之后、排气消声器之前的排气管中，当发动机工作时，废气经排气管进入三元催化转化器，将汽车排气系统中的有害物质碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）转化为水蒸气（H2O）、二氧化碳（CO2）和氮气（N2）。针对轻型汽车国Ⅵ排放法规，对于后处理系统来说，有必要加大前级三元催化转化器载体体积，并采用高目数薄壁载体以增加气体反应的接触面积，优化催化剂涂层配方，满足气体污染物排放要求。热反应器是通过均质气体的非催化反应来氧化汽油机排气中碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）的装置。具体的应用情况是，在排气道出口处安装用耐热材料制造的热反应器，使尾气中未燃烧的碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）在热反应器中保持高温并停留一段时间，使之得到充分氧化从而降低其排放量。需要指出的是，热反应器属氧化装置，不能除去氮氧化物（NOx）。空气喷射器则是通过将新鲜空气送入发动机排气管内，从而使排气中的碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）进一步氧化和燃烧，即把导入的空气中的氧（O2）在排气管内与排气中的碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）进一步化合形成水蒸气（H2O）和二氧化碳（CO2），从而降低排气中碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）的排放量。

汽油机颗粒物排放大部分是由碳或碳化物的微小颗粒所组成的。国Ⅵ排放法规相比国Ⅴ对尾气的颗粒排放物提出了更加严格的要求，PM（细颗粒物重量）限值下降了33%，而且还新增了PN（细颗粒物数量）的限值要求，同时增加了实际道路试验循环测试（RDE，Real Driving Emission）。当前，为了有效降低颗粒物排放，市场上出现了高轨压、改良的多孔喷油器等诸多技术，但这些技术主要通过改善原始排放的方式来降低颗粒物质量，其效果视发动机基础、匹配水平而异。这样一来对那些原尾气排放不够好的主机厂来说，为了满足新的标准就必须想办法去降低发动机尾气的颗粒排放物。而汽油机颗粒捕集器（GPF）是从排放后处理的角度来降低颗粒物排放的技术，其过滤效率高达90%，同时也能有效控制颗粒物数目，是目前各大主机厂采用的主流技术，具有广阔的市场应用前景。汽油机颗粒捕集器（GPF）的作用是将排气中的颗粒物吸附在过滤器管壁上，降低颗粒物质量（PM）和颗粒物数量（PN）的排放。

1.2 汽油机颗粒捕集器（GPF）简介

汽油机颗粒捕集器（GPF）由流通式三效催化转化器演变而来，是一种安装在汽油发动机排放系统中的陶瓷过滤器，外型一般为圆柱体。主要以壁流式蜂窝陶瓷为载体，载体体内有很多平行的轴向蜂窝孔道，相邻的两个孔道内一个只有进口开放，另一个只有出口开放。排气从开放的进口孔道流入，通过GPF载体多孔壁面至相邻孔道排出。颗粒物通过拦截、碰撞、扩散、重力沉降等方式被捕集在载体的壁面内及壁面上，从而实现在微粒排放物质进入大气之前将其捕捉。GPF过滤材料主要有堇青石、SiC（碳化硅）、AT（钛酸铝）、合金。目前研究与使用最多是堇青石。堇青石的主要优点在于成本低、热膨胀系数小及耐高温和机械强度高。

根据是否带涂层，GPF也细分为带涂覆的GPF和不带涂覆的GPF两大类。带涂覆的GPF也称之为四元催化转化器（Four-Way Catalyst，FWC），即GPF与三元催化转化器（TWC）合二为一，在GPF载体表面涂覆一层催化剂，这样FWC在处理颗粒物的同时也具备三元催化转化器（TWC）的作用；不涂覆的GPF只具备处理颗粒物的能力。GPF同时也具有一定的消声作用，对于加装GPF的排气系统也可以适当调整消声器的容积。

1.3 国Ⅵ汽油车GPF布置安装形式

主机厂选择GPF布置安装形式时，主要会考虑以下几个方面的因素：一是底盘布置空间，根据车型不同，发动机及排气系统的布置会有很大的不同，需要考虑到各种限制条件。二是排气温度，GPF再生需要依靠排气温度，再生温度可以由特殊工况来达到，最好的情况还是能够在正常行驶工况下达到再生温度。由于GPF再生的温度在600 ℃左右，带涂覆GPF的再生温度在450 ℃左右，因此，GPF布置的时候需要考虑位置尽可能靠近前催化转化器，使得油气更好地混合，改善PN排放。三是捕集率，GPF的布置越靠近发动机排气支管，发动机的排气背压越大，尾气的流速也就越大，但是捕集率会降低。四是成本，不言而喻，用最少的钱来达到目的。

目前，GPF的主流布置安装形式主要有四元催化转化器（FWC）形式、后置式（Under-body，UB）及紧耦合式（Close-Coupled，CC）三种（图1）。四元催化转化器（FWC）形式的优点是积炭少，易再生，对发动机原排需求较低，但其缺点是难以布置，对发动机油耗、功率的影响较大，会加速催化转化器的老化，载体的温度负载高。后置式（Under-body，UB）即GPF布置在三元催化转化器（TWC）下游位置，其优点是方便布置，颗粒物捕集率较高，对背压和油耗的影响较小，但其缺点是GPF再生的频次高，易积炭，GPF入口温度低致使被动再生困难。紧耦合式（Close-Coupled，CC）即GPF与三元催化转化器（TWC）集成到一起安装，其优点是容易实现安装布置，对发动机原排需求较低，GPF入口温度高，被动再生容易，但是其缺点是不方便布置，颗粒物捕集率较低，对背压和油耗影响较高。鉴于四元催化转化器（FWC）国内尚无成熟产品，且成本较高，而紧耦合GPF周期性主动再生控制复杂度高，考虑效率和空间要求，通常采用后置式GPF布置方案。

图1 GPF的主流布置安装形式

2 GPF再生

当车辆行驶一定里程后，GPF捕集到的颗粒物逐渐增加，从而会引起发动机排气背压升高，导致发动机性能下降（动力不足或加速不良，油耗增加），故需要定期去除沉积在GPF中的颗粒物，恢复GPF的过滤性能，即让GPF中的颗粒物发生化学反应，进行氧化燃烧，称为GPF再生。GPF再生可以用以下几个化学方程式表达。当GPF内部温度在600 ℃以上且氧浓度大于0.5%时，发生化学氧化放热反应（C+O2=CO2）；当GPF内部温度高于800 ℃，且没有氧气时，发生化学吸热反应（C+H2O=CO+H2）；对于存在催化涂覆的FWC，当FWC内部温度为250 ℃～450 ℃时，还可以进行被动再生，即连续再生反应（C+2NO2=CO2+2NO）。GPF的再生有被动再生和主动再生两种。被动再生是指在日常驾驶工况下通过驾驶人松开加速踏板时，发动机断油，大量空气进入GPF，实现再生。主动再生是指在被动再生无法满足再生需求的情况下，车辆去执行特殊工况（例如保持80 km/h跑高速30 min），让控制单元发出控制指令，后推点火角，使得排气温度升高，待GPF温度升高后，再减稀混合气浓度（过量氧气），从而实现GPF再生。需要注意的是，GPF再生无法去除灰分（CaO、P2O5、ZnO、SO3、Fe2O3），随着时间的累积，当灰分在GPF中积满后，需要到维修厂清灰或更换GPF。

从GPF内部再生过程来看，温度和排气中氧含量是决定再生效率的重要因素。由于汽油车实际行驶工况下很难达到条件使其主动再生，并且需要准确判断GPF何时进行再生，因此需要发动机控制系统了解GPF的碳载量状态，并对再生过程实施精确控制。对于碳载量的状态监测一般采用压差法来进行判定，但考虑到压差在低排气流量下偏差较大及瞬态工况下测量精度无法保证等问题，因此还会辅助以模型计算法来进行判定，需要建立soot累碳模型和soot燃烧模型（图2）。

图2 建立soot累碳模型和soot燃烧模型

GPF再生控制主要围绕再生协调展开（图3）。当碳载量的状态达到再生需求，或者整车行驶距离、发动机运行时间等其他需求达到条件时，系统会进行再生协调，通过混合气减稀、推迟点火等来进一步满足GPF再生过程对GPF入口温度和排气氧含量的需求。此外，再生过程中也需要根据当前运行工况来输出目标空燃比和目标再生温度，确保GPF的安全有效再生。另一方面，当再生时间过长或者GPF再生温度过高时系统则会退出再生过程。总之，GPF的再生协调过程是个闭环控制的循环过程，共同确保GPF再生的准确性和合理性。

图3 再生协调

3 GPF的检测诊断

在国Ⅴ排放法规的OBD部分中对颗粒捕集器的监测要求，其核心思想就是要及时有效地检测出颗粒捕集器的性能下降故障，避免因颗粒捕集器故障带来的恶劣环境影响，降低在用车整体的排放水平。检测诊断GPF可以为GPF的再生控制提供再生需求等信号支撑，而且为实现GPF堵塞等客户化诊断需求提供了可能。根据GPF的布置方式，目前有三种主流的GPF检测方式，即温度法、压差法、OSC法。

3.1 温度法

由于GPF一般是由陶瓷载体（如堇青石）制备而成，基于该载体材料热熔的存在，在发动机瞬态工况点，变化的排气气流流经GPF时，GPF下游的温度相对上游的温度会产生一定的“延迟”效应。因此，检测诊断从物理原理上说，可通过GPF上下游的温度传感器（图4），根据温度变化“延迟”程度的不同，对GPF的移除或丢失进行检测诊断。GPF上下游温度传感器的核心元件为铂电阻-PTC（正温度系数热敏电阻），温度传感器的电阻随排气温度的变化而变化，进而获得相应的排气温度数据。

图4 GPF上下游温度传感器

3.2 压差法

由于GPF的存在，GPF会对流过排气产生一定“阻碍”作用，其阻碍作用主要包括过滤体壁面和覆盖在其上的颗粒的流动阻力、进出口通道的沿程阻力及排气流入流出时由于GPF截面变化引起的压缩/膨胀阻力等，这种“阻碍”作用的宏观变化就是压降，即GPF上下游之间会产生一定的压力差值。不同状态的GPF，其压降表现不同（图5），当GPF载体发生性能下降，甚至损坏、移除时，排气流经GPF时，GPF上下游的压降就会发生相应的变化。GPF一般选用双模压差传感器（图6），双模压差传感器由2片硅芯片组成，在硅芯片上蚀刻出一片压力膜片，压力膜片上有4个压电电阻，这4个压电电阻作为应变元件组成一个惠斯顿电桥。膜片随着压力变化而产生弯曲变形，膜片上的4个电阻发生变化（压阻效应），使电桥上的电压发生变化，形成与压力成线性关系的电压信号。壳体下侧有2个进气管路，用于和软管连接，分别引入GPF上游和下游的气体。

图5 不同状态下GPF上下游压差

图6 GPF的双模压差传感器

3.3 OSC法

由于FWC是一种带有涂层的GPF，类似于催化转化器，因此FWC具有一定的储氧能力（OSC）。当对FWC进行“加浓减稀”时，前后氧传感器的电压信号会产生一定的“延迟”效应。在FWC上下游安装氧传感器，根据前后氧传感器电压信号“延迟”程度的不同，可以对FWC载体完全损坏、移除甚至丢失进行诊断，其原理等同于临界催化转化器诊断。

FWC失效往往是随着FWC老化烧结导致贵金属有效接触面积减少，这样FWC的储氧能力（OSC）就下降了，从而FWC的性能就会下降，导致排放超限，因此可以基于FWC储氧能力来诊断FWC的转化效率。安装于FWC上下游的2个氧传感器可以通过精确的控制策略对FWC的储氧能力进行有效监测，当进入适宜的诊断工况，系统通过混合气控制及氧传感器信号变化可以计算得到FWC的动态储氧量，当FWC失效时，储氧量降低，系统就会及时报出故障，提醒用户及时进行维修。

4 GPF的维护

由于GPF是通过将载体封装在管道内，来起到密封的作用，所以无法直接更换载体，只能连同三元催化转化器或者排气管一同更换。一旦灰分和炭累积过多，就会导致通道积满而只能更换GPF，这样一来势必造成消费者需要花费较高的成本。因此消费者在车辆日常使用过程中应该保持良好的驾驶习惯，减少积炭的产生，尤其是在低温地区，应尽量减少怠速驾驶场景。其次，安装了GPF的车辆会配置GPF警告灯（图7），车主在车辆使用过程中，要注意GPF警告灯是否点亮。当GPF警告灯点亮时，表示GPF饱和到了一定程度需要进行再生，车主可以在高速公路上驾驶车辆保持在80 km/h以上，直到该灯熄灭，表示车辆恢复正常。当GPF警告灯闪烁时，表示GPF已满，主动再生和被动再生均无法有效清除烟尘，这时发动机控制单元会限制发动机的输出转矩，如果同时发动机故障警告灯也点亮的话，则需要到维修厂进行驻车再生，如果忽略GPF报警，可能会降低车辆性能，甚至导致发动机无法起动，最终更换GPF。因此，总的来说，对于GPF的维护，需要注意的两个要点是减少怠速，多跑高速。

图7 颗粒捕集器警告灯

相对于国Ⅴ排放法规的要求（分别对NMHC及NOx进行了阀值设定），国Ⅵ排放法规设定的催化转化器失效准则为车辆排放的NMHC+NOx超过OBD阈值（表1），由于国Ⅵ排放法规的OBD排放限值进行了大幅加严，这就对OBD临界催化转化器制备带来了更多的挑战。因为临界催化转化器是催化转化器故障模型搭建及后续匹配数据确定中首要故障准则，只有临界催化转化器与耐久催化转化器有足够的区分度，才能有效地降低售后市场催化转化器失效误报的风险。而当OBD阈值进一步降低后，那么二者的区分度也就会大幅降低，这也就给催化转化器诊断的标定匹配工作带来巨大的挑战。而同时，在国Ⅵ排放法规中排放循环采用了全新的WLTC循环，更为动态的测试循环也为标定工作带来新的挑战。

表1 国Ⅵ排放法规对顶的OBD排放阈值