汽车国六排放新神器—GPF汽油机颗粒捕集器

为什么要装GPF？

发动机的污染主要来自4个组成部分：细颗粒排放物质（PM）、碳氢化合物（HCx）、氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）。其中微粒排放物质（烟灰）大部分是由碳或碳化物的微小颗粒（尺寸小于4-20 μ m）所组成的。2019年7起，全国各地开始实施国六排放法规，国六排放法规相比国五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，同时增加实际道路试验循环测试（RDE，Real Driving Emission）。

当前，为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，是目前各大主机厂的采用的主流技术，具有广阔的市场应用前景。

什么是GPF？

GPF（Gasoline Particulate Filter）汽油机颗粒捕集器由流通式三效催化器演变而来，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以及壁面上，从而实现在微粒排放物质进入大气之前将其捕捉。

GPF过滤材料主要有董青石、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、热膨胀系数小以及耐高温和机械强度高。

GPF装在哪里？

对于GPF的布置安装方式，目前主流的有三种：四元催化器形式FWC（Four-Way Catalyst）即GPF与三元催化器合二为一，在GPF载体表面涂覆一层催化剂。后置式UB（Under-body）即GPF布置在三元催化器下游位置。紧耦合式CC（Close-Coupled）即GPF与三元催化器集成到一起安装。这三种形式各有其优缺点，可见下表：

主机厂选择布置方式主要会考虑几个方面：1、底盘布置空间，根据车型不同，发动机以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。2、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。3、捕集率，GPF的布置越靠近发动机排气歧管，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。4、成本，不言而喻，用最少的钱来达到目的。

鉴于四元催化器国内尚无成熟的产品，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方案。

什么是GPF再生？

当车辆驾驶一段时间后，GPF里的颗粒物逐渐增加会引起发动机背压升高，导致发动机性能下降，所以需要定期除去沉积的颗粒物，恢复GPF的过滤性能。即让其中的碳发生化学反应氧化燃烧，称为GPF的再生。GPF再生可以用以下几个化学方程式表达。

GPF内部温度在600ºC以上且氧浓度大于0.5%时，发生化学放热反应：

GPF的再生有被动再生和主动再生两种：被动再生指的是在日常驾驶工况下通过驾驶员松踏板时，发动机断油，大量氧气进入GPF，实现再生。主动再生指的是在被动再生无法满足的情况下，车辆去跑特殊工况(例如：保持80KM/h跑高速30分钟)，利用ECM给发动机指令，后推点火角，使得尾气温度升高，待GPF温度升高后，再减稀空燃比（过量氧气），实现GPF再生。

需要注意的是GPF再生无法移除灰分（CaO，P2O5，ZnO，SO3，Fe2O3），随着时间的累积，积满后，需要到维修站更换GPF。

GPF应该如何保养？

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，只能连同三元催化或者排气管一同更换。一旦灰分和碳累积过多，就会导致通道积满而只能更换GPF，这样一来势必造成车主需要花费较高的金额。

所以车主在日常使用过程中应该保持良好的驾驶习惯，减少积碳的产生，尤其是低温地区，减少怠速的驾驶场景。其次还要注意颗粒捕集器警告灯是否点亮。安装了GPF的车辆会配置颗粒捕集器警告灯，类似于以下图标。

当该警告灯点亮时表示颗粒捕集器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公里/小时以上，直到该灯熄灭表示车辆恢复正常。当该警告灯闪烁时，表示颗粒捕集器已满，主动再生和被动再生均无法有效清除烟尘，这时控制器会限制发动机的输出扭矩，如果同时发动机故障警告灯也点亮的话，需要到维修站进行驻车再生，如果忽略这个报警，可能降低车辆性能，甚至导致发动机无法起动，最终更换GPF。

所以总的来说对于GPF的保养，需要注意的两个要点是：减少怠速，多跑高速。