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什么是GPF ?

汽车ECU设计2018-06-26 15:37:55


缸内直喷汽油机(GDI)因较好的动力性、燃油经济性等优点,在乘用车上得到愈来愈广泛的应用。大约在2020年,GDI的发动机数量将逐步超越PFI发动机。但由于GDI汽油机的燃油直接喷入气缸,导致油气混合不均匀和燃油湿壁使颗粒物排放质量和数量显著增加。越来越严苛的法规要求直喷汽油机在更宽范围的工况都保持稳定而且较低的PM排放。


欧Ⅵ排放法规对颗粒物排放质量限制更加严格,PM限值降为4.5mg/km。国六标准也加严了PM限值要求,第一阶段为4.5mg/km,第二阶段将为3mg/km 。尽管GDI发动机技术不断进步,单纯靠机内净化难以满足排放法规的升级需求,因此,汽油机颗粒捕集器(GPF)被认为是应对GDI汽油机颗粒物排放限值最有效、最可靠的潜在技术。 

GPF

汽油机颗粒捕集器:GPF(Gasoline Particulate Filter)一种安装在汽油发动机排放系统中的陶瓷过滤器,它可以在微粒排放物质进入大气之前将其捕捉。


GPF过滤机理与柴油机的DPF基本相同,排气以一定的流速通过多孔性的壁面,这个过程称为“壁流”(Wall-Flow)。壁流式颗粒捕集器由具有一定孔密度的蜂窝状陶瓷组成。通过交替封堵蜂窝状多孔陶瓷过滤体,排气流被迫从孔道壁面通过,颗粒物分别经过扩散、拦截、重力和惯性4种方式被捕集过滤。


图片来源于:NGK


GPF vs DPF


但GPF和DPF之间还是有着许多的不同之处,最主要的区别就是汽油和柴油机尾气之间存在实质差异。与现代轻型柴油相比,汽油机排放的颗粒物排放量大约降低10-30倍,这种差异推动了最佳过滤技术的不同选择。


(1)汽油机排气温度相对高于柴油。在城市驾驶条件下,发动机输出温度介于300和500℃之间,但在高速行驶时可达到700°C。尽管这些温度足够高以维持GPF的被动再生,但运行在化学计量比下GDI发动机的排气里,氧气通常是不足的。因此,GPF再生通常发生在车辆减速期间,此时减少燃料供应,来保证排气中有充足的氧气。具有氧气存储能力的GPF可以在短时间内实现主、被动再生。


(2)相比于柴油机而言,GDI的烟灰排放少,其烟灰氧化的速度也比柴油机要快得多。所以GPF中烟灰的负载率不会太高,不会因为烟灰氧化而导致的过高的放热率,所以热耐久性不被认为是一个问题。


(3)低烟灰负载还允许使用更紧凑和更便宜的过滤器,因为体积较小,可以使用较少的贵金属材料。在柴油车中,过滤器的体积通常为发动机排量的1.5至2.5倍,而GPF的体积可以做到小于排量。


天纳克椭圆GPF


布置方案


GPF在汽油机排气管上的布置主要由三种形式,一种是和TWC集成到一块安装,距离排气歧管较近,即紧耦合式布置(Closed-coupled)。另一种是直接安装在TWC下游位置,即后置式布置(Under-floor),还有一种是在三元催化剂涂在GPF的基材上,以形成“四元催化剂”。


GPF再生


颗粒捕集器长时间使用后,碳烟颗粒累积在捕集器微孔表面形成PM层,其存储体积会逐渐减少。PM层的形成有助于提高过滤效率,但排气管中会出现节流效应,排气流动阻力变大,从而导致油耗增加,发动机输出功率下降,此时需要对GPF进行更换或再生处理。


GPF的设计及应用主要考虑的问题是:过滤效率、排气背压、再生、使用成本、耐久性及对燃油经济性的影响等。在保证较高的过滤效率以满足排放法规的前提下,尽量降低排气背压以降低油耗和CO2排放,保证周期性可靠的再生,提高GPF的使用寿命,降低使用成本成为当前的主要研究热点。

缸内直喷汽油机颗粒捕集器(GPF)技术研究进展

Tenneco developing new gasoline particulate filter (GPF) technology ahead of Euro 6c emissions regulation

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