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颗粒捕集器是一种安装在柴油发动机排放系统中的陶瓷过滤器，主要分为柴油机颗粒捕集器（DPF）和汽油机颗粒捕集器（GPF）两类。它可以在微粒排放物质进入大气之前将其捕捉。外型一般为圆柱体，PM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。[1][3][2][4]
柴油颗粒捕集器分两类，即添加剂式和催化涂层式的颗粒捕集器。[5]加装颗粒捕集器的柴油车不仅可以降低PM的排放质量和数目，同时还能够减少发动机所产生的烟灰达90%以上。捕捉到的微粒排放物质随后在车辆运转过程中燃烧殆尽。由于DPF安装方便，直接加装到发动机排气管即可无需改变发动机的结构和燃烧机理，所以也可用来改造在用柴油车。[1]2010年欧Ⅴ标准实施后，所有车辆都将加装颗粒捕集器。欧洲在2010年后，汽油车和柴油车的排放标准达到一致，柴油车会被要求安装颗粒物捕集器(DPF)和氮氧化物净化装置(SCR)。[5]
汽油颗粒捕集器则是针对汽油机引擎尤其是直喷汽油机系统满足欧洲及中国更加严格的排放标准而专门研发设计的。[6]当颗粒物积存到一定程度后，燃烧器会自动点火燃烧，将吸附在上面的炭烟微粒烧掉，变成二氧化碳排出，优化自身的性能。这一过程，称之为再生。[7]对于颗粒捕捉器再生，车企针对国六车型在说明书上都有标注。在使用层面，需要车主维持一段高速巡航，当车辆时速超过100公里时，排气温度将超过700℃，满足燃烧条件，尽量避免长期短途、长期拥堵的工况。[7]
介绍
颗粒捕集器是用以减少柴油机颗粒物的一种废气后处理技术，即先用捕集器过滤废气中的颗粒物质，然后通过对收集颗粒的氧化来清洁捕集器，使之再生。[2]
现在普遍采用的方法是采用催化剂来降低颗粒着火温度。其实施的方法有两种，一种是在滤芯材料表面涂催化剂，另一种是在燃油中加人催化剂。前一种方法只有与催化剂表面接触的颗粒，才能在较低温度下进行催化燃烧，第二种则有可能造成新的二次污染。[2]
颗粒捕集器通常被设计成体积不大的圆桶形，串联在排气管中。排气流经捕集器时，其中的颗粒会被收集在捕集器中。随着运行时间的增加，滤芯中的颗粒聚集增多，过滤效率降低，排气背压上升，影响柴油机的功率和油耗；因此，在使用一段时间后要对其进行处理，将颗粒除掉，这样才能使颗粒捕集器再次有效使用，并增加其使用寿命。这一清除沉积在过滤材料上颗粒的过程称为颗粒捕集器再生。颗粒捕集器再生的技术有进气节流、催化反应及燃油添加剂、额外喷油(或液化石油气)燃烧、电加热、微波再生技术等。[8]
工作原理
先由过滤器捕集颗粒物，柴油微粒过滤器内部喷涂有铂、铑、钯等金属催化剂，柴油发动机排出的含有炭粒的黑烟通过专门管道进入，经内部密集设置的袋式过滤器（由金属纤维毡制成），将炭烟微粒吸附在过滤器上；然后再将过滤器中捕集的颗粒物氧化燃烧以完成捕集器的再生，当微粒吸附量达到一定程度后，可通过尾端燃烧器点火或发动机调整工况（如增加喷油量、推迟点火提前角）提升排气温度，将吸附的炭烟微粒燃烧分解为二氧化碳排出。再生技术是DPF技术研究的难点，再生技术分为主动再生和被动再生两类。主动再生指通过外加能量来提髙[gāo]气流温度从而使微粒燃烧。当捕集器中的温度达到550℃时，沉积的颗粒物就会氧化燃烧。被动再生指的是利用燃油添加剂或者催化剂来降低微粒的着火温度，使微粒能在正常的发动机排气温度下着火燃烧。添加剂（有铈，铁和锶）要以一定的比例加到燃油中，添加剂过多会影响DOC的寿命，但是如果过少，就会导致再生延迟或再生温度升高。目前再生技术的研究重点就是组合两种或两种以上的再生技术。[1]
颗粒捕集器分类
颗粒捕集器分两类，即添加剂式和催化涂层式的颗粒捕集器。添加剂式的颗粒捕集器用于其离发动机比较远的情况，在这种情况下，只有在添加添加剂的情况下，才能达到颗粒燃烧的点火温度;催化涂层式的颗粒捕集器用于其离发动机比较近的情况，由于离发动机比较近，排气温度足够达到颗粒燃烧的要求。[5]
结构分类
颗粒捕集器的结构分为非整体式和整体式2大类。[8]
非整体式
这种捕集器的滤芯由耐高温的金属丝网或陶瓷纤维等杂乱无章地构成，排气从弯弯曲曲的微小孔道中通过。当采用矩形截面金属丝时，一般在其表面包裹一层Y-Al203。由于Y-Al203表面呈松枝状结晶，其表面积较大，能够更好地吸附颗粒。[8]
整体式
这种捕集器的滤芯为整体蜂窝状，常用碳化硅(SiC)等材料制作。两端面孔道的进、排气孔间隔地用陶瓷塞2堵住。排气经过细微多孔的孔道壁3时，颗粒被截住。通常在滤芯与不锈钢外壳之间，装有具有弹性的陶瓷衬套。[8]
捕集机制
颗粒捕集机理通常包括以下4种方式。[8]
碰撞及吸附
发动机排气流经金属丝网或耐高温的纤维时，较大的颗粒碰撞纤维的机会较多，并被嵌留在其中，如图3所示的颗粒3。较小的颗粒最初虽能绕过纤维流动，或能经过过滤芯的微孔，但只要一接触滤芯材料表面，就会被吸附在纤维上。[8]
惯性拦截
在整体式蜂窝状多孔陶瓷滤芯中，大的颗粒不能通过微孔，被直接拦截在滤芯中。小的颗粒随排气流在滤芯中流动时，会产生惯性拦截或扩散拦截的现象。排气流在排列杂乱的纤维层中流动时，流线的方向不断变化，具有较大动量的颗粒会由于惯性而来不及随气流变换方向，脱离原来的轨迹向纤维靠拢，接触纤维而被拦截。[8]
扩散拦截
在柴油机排气中，小的颗粒由于气体分子热运动的碰撞，会做不规则的布朗运动。如果排气颗粒的浓度是均匀的，那么这种布朗运动不会使颗粒的宏观传输发生变化；但是由于纤维体对颗粒的拦截，形成了浓度梯度，从而引起颗粒从高浓度区向低浓度区扩散，增加颗粒因接触纤维而被拦截的概率。扩散效应大约在过滤纤维截面120o扇形面的范围内起作用。[8]
重力沉降原理
当缓慢运动的柴油机排出尾气流经颗粒捕集器时，由于尾气滞留的时间比较长，较大的颗粒可能由于重力的作用而脱离原来的流线沉积在捕集单元上。[8]
作用
由于柴油机功率范围宽广、工作可靠，而且从环境保护的角度上来看，柴油车与汽油车相比具有耗油量少、CO2和CO排放量相对小等显著优点，因此柴油机在重型汽车中应用得越来越多。然而柴油车PM（颗粒物）排放是汽油车的几十倍。柴油车颗粒物（PM）排放已经成为城市大气环境污染的主要污染源，对人们的身体健康构成严重威胁。随着柴油车日益广泛的应用和柴油车排气标准的日益严格，柴油机单靠燃烧改进等机内净化技术很难满足排放法规，柴油机不可避免地要安装排气后处理装置。加装颗粒捕集器（DPF，Diesel Particulate Filter）的柴油车不仅可以降低PM的排放质量和数目，同时还会使气态污染物的排放也有不同程度的减。由于DPF安装方便，直接加装到发动机排气管即可无需改变发动机的结构和燃烧机理，所以也可用来改造在用柴油车。[1]
北京市环保局已经采用颗粒捕集器对在用柴油车污染物排放进行治理，并取得了一定的效果。[1]
欧洲关注柴油车的颗粒物污染问题，欧Ⅴ标准实施后，所有车辆都将加装颗粒捕集器。颗粒捕集器的使用，对于降低柴油车颗粒物排放水平起到了至关重要的作用。[8]
注意事项
相关事件
从2007年年初开始，美国政府也已经要求卡车在生产过程中安装柴油发动机颗粒捕集器，它能够与目前要求使用的清洁燃料一起减少发动机90%的颗粒物排放。[5]
北京环保局对外宣布2007年北京开始对邮政车、环卫车等柴油公用车加装颗粒捕集器(DPF)设备，目标是减少柴油车对北京空气质量的颗粒物污染。在政府公用柴油车辆完成加装任务后，这一措施将向社会车辆延伸。[8]
欧洲关注柴油车的颗粒物污染问题，2010年欧Ⅴ标准实施后，所有车辆都将加装颗粒捕集器。欧洲在2010年后，汽油车和柴油车的排放标准达到一致，柴油车会被要求安装颗粒物捕集器(DPF)和氮氧化物净化装置(SCR)。[5]
介绍
颗粒物捕集器(GPF)是由流通式三效催化器演变而来，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。PM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。[7]对于汽油机来说，颗粒物捕集器(GPF)除排气中燃烧不完全产生的碳颗粒和未氧化的碳氢（CH）有机物等。GPF最大的特点是高效率，并且没有传统催化剂产生的额外燃料消耗。由于采用低颗粒密度（例如使用空气）、低粘度（约为100×100)和低转速而使汽车能够达到低排放水平并避免重堵塞、提高燃油经济性和降低噪音。[4]
工作原理
为减少柴油机颗粒物排放，柴油机颗粒捕集器（DPF)已经成为柴油机后处理系统的标准配置。GPF则是针对汽油机引擎尤其是直喷汽油机系统满足欧洲及中国更加严格的排放标准而专门研发设计的。随着排放法规的不断升级，GPF未来几年内将成为直喷汽油机后处理系统的标准配置。[6]
GPF过滤机理与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“璧流”（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、重力和惯性四种方式被捕集过滤。璧流式过滤器是减少颗粒排放最有效的手段。[6]
GPF的结构设计和优化主要以DPF为基础，但GPF不能简单地照搬照抄DPF，因为汽油机有不同于柴油机的颗粒生成特性、排气温度、排气流速和氧浓度。美国康宁、日本NGK以及美国佛吉亚等公司在GPF应用研究上取得了较大的突破，已经出现了一些商业化的产品。中国无锡威孚公司开发了一种堇青石材质的璧流式GPF，其滤芯内壁的空隙率为60%~70%，孔径大小为18~25μm，孔道密度为200~500目。[6]
功能
GPF的功能是通过捕获汽车尾气中的微粒，从而减少颗粒物的质量和数量。GPF对颗粒物的捕获效率在80~90%以上，是有效降低 PN和 PN数量的技术措施。GPF按其是否包含涂料可划分为白色载体 GPF和涂敷 GPF。白色载体 GPF仅起到捕捉微粒的作用。而包覆型 GPF则因其内壁镀有贵金属、氧化铈等材料，在废气通过沟槽之间的壁面时，会被氧化铈所吸附或释放，并借助于贵金属催化剂进行反应，生成二氧化碳、氮气和水。因此，涂层 GPF有吸附颗粒物、催化转化等作用。[4]
引擎的废气从一个与轴向方向垂直的开放通道进入。在压力差的作用下，空气通过 GPF内的通道壁，在这个时候，废气中的微粒被捕获，然后通过与轴向方向相反的开放通道排出。微粒在穿过 GPF内部时，首先在壁面孔道中发生布朗运动，随后由壁面孔道拦截粒子，粒子与毛细壁接触，并在壁面孔道中被吸附并稳定下来。[4]
过滤材料
决定汽油机颗粒捕集器性能的关键技术是过滤材料。过滤材料的过滤能力、机械强度、热稳定性、散热能力等物理性能直接影响GPF的结构设计，从而影响GPF的过滤效率、排气背压、使用寿命等指标。于DPF过滤材料性能要求相似，GPF过滤材料需具备以下性能：
1.具有较高的微粒过滤效率，较低的排气阻力；[6]
2.较小的热膨胀系数，热稳定性好及能承受较高的热负荷；[6]
3.良好的抗高温氧化性和耐热冲击性、耐腐蚀性；[6]
4.较高的机械强度和抗振动性。[6]
发展及应用
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。[6]
布置方案
GPF在汽油机排气管上的布置主要由两种形式，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)。[6]
紧耦合式和后置式布置方案各有利弊。日本NGK公司Chika等人实验分析了GPF两种安装位置对PN和过滤效率的影响。GPF采用后置式布置时，PN过滤效率比紧耦合位置大约高15%。原因是后置式GPF与排气管上游距离较远，排气温度较低。后置式平均温度为270oC,最高温度为520oC，紧耦合位置平均温度为410oC，最高可达660oC.较低的排气温度抑制了PM的燃烧，更有利于PM的形成，过滤效率显著提高。另一个原因是GPF后置式安装时，排气流速相对更低，由于布朗扩散和璧流速度密切相关，流速越低，相同时间内捕集的颗粒物越多。相比于后置式布置，GPF紧耦合位置安装时排气温度较高，只要合理地控制空燃比以保证足够的氧浓度，可实现GPF的再生。GPF位于排气管下游位置时，或需要GPF周期性的主动再生，这增加了后处理系统的控制复杂程度。[6]
结构对过滤的影响
GPF的安装布置对过滤效率有很大影响。对颗粒捕集器过滤效率影响较大的参数主要由：孔径、壁厚、孔密度及过滤体体积。
增大过滤体璧厚、孔密度均可提高PN过滤效率。改变壁厚对PN过滤效率的影响大于孔密度的影响。[6]
涂层的应用使过滤器避孔的平均孔径有所减少，过滤效率得到提高。[6]
减小孔径、增加壁厚均可提高过滤效率。壁面气流速度随过滤体体积增大而增大，单位时间内颗粒捕获量增多，提高了过滤效率。[6]
结构对排气背压的影响
排气背压严重影响燃油消耗、CO2排放和发动机输出功率。必须设法降低GPF造成的排气背压升高，以保证发动机良好的性能。与排气背压相关的GPF设计参数主要包括壁厚、开口横截面、孔密度、平均孔径等。[6]
选择合适的孔隙率必须综合排气背压和机械强度。平均孔径越大，压降越小。单纯从减少压降的角度，应该尽量增大平均孔径，但这会降低过滤效率。最佳平均孔径范围为15~25μm。排气背压随壁厚的减小而降低，催化剂涂层数量较高时，改变壁厚对排气背压的影响更明显。[6]
捕集器长度与直径的比值（L/D）、安装位置对压降有重要影响，L/D从1.1减小到0.6后，压降将减小52%。较小孔密度和壁厚，较大开口i横截面积减小降压的同时，造成了GPF结构强度的降低，制造受限制。[6]
在NEDC循环下，安装GPF引起的压降增加对CO2排放的影响几乎可以忽略。[6]
再生
当颗粒物积存到一定程度后，燃烧器会自动点火燃烧，将吸附在上面的炭烟微粒烧掉，变成二氧化碳排出，优化自身的性能。这一过程，称之为再生。[7]
颗粒捕集器长时间使用后，碳烟颗粒积累在颗粒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。[6]
GPF再生与颗粒的积累总量、排气温度、气流速度及氧浓度等相关。[6]
相关问题
颗粒捕捉器堵塞问题，解决方案包含有软件与硬件两个方面，其中软件为优化发动机程序，硬件为更换排气管周围的部分零部件。[9]
软件优化为主要部分。在车辆使用过程中，GPF捕集到的碳颗粒物累积到一定程度会触发GPF净化功能，此时GPF内碳颗粒质量仍处于设计允许范围之内，并非“堵塞状态”。[9]
GPF净化过程需要足够的温度和一定的氧气才能进行，为了适应城市工况的特点，软件更新优化了GPF的再生策略，通过推迟点火提前角度，提高了再生期间的排气温度，并提供充足的氧气，使其在部分特殊工况下也能快速完成净化。因为排气温度提高，所以需要对周围零部件进行热防护的加强。[9]
未来展望
GPF可以有效地减少颗粒物排放，使汽油机颗粒物排放满足不断升级的排放法规。[6]
注意事项
对于颗粒捕捉器再生，车企针对国六车型在说明书上都有标注。在使用层面，需要车主维持一段高速巡航，当车辆时速超过100公里时，排气温度将超过700℃，满足燃烧条件，尽量避免长期短途、长期拥堵的情况。[7]
参考资料 9
- 参考 1
- 参考 2
- 带颗粒捕捉器的用什么机油 — 中国汽车网汽车频道
- 汽油机颗粒物捕集器(GPF)的应用匹配解析 — 期刊网
- 参考 5
- 参考 6
- 汽油颗粒捕集器是什么 — 中国汽车网汽车频道
- 参考 8
- 探营一汽-大众售后:颗粒捕捉器最新解决方案全过程 — 中国质量新闻网