汽油机微粒捕集器过滤材料研究进展

【摘" 要】文章根据国内外汽油机颗粒捕集器（GPF）的研究现状，全面系统地总结出壁流式、径向式和轴向式3种过滤体结构的特点，深入探讨高效GPF对过滤材料的要求，重点介绍陶瓷基和金属基两大类过滤材料的最新研究进展，并基于当前技术发展趋势，对GPF的未来发展方向进行展望。

【关键词】汽油机颗粒捕集器；过滤体结构；过滤材料；金属基材料；陶瓷基材料

中图分类号：U464.172"""" 文献标识码：A""" 文章编号：1003-8639（2025）01-0051-05

Research Progress on the Filter Materials for Gasoline Particle Filter

CHU Meng'en，CHEN Xi，JIANG Xueming，SHEN Ruihao，MAO Haifeng，MAO Mengna

（SAIC Volkswagen Automobile Co.，Ltd.，Shanghai 201805，China）

【Abstract】This paper comprehensively and systematically summarizes the characteristics of wall-flow，radial and axial filter structures，deeply discusses the requirements of efficient GPF filter materials，focuses on the latest research progress of ceramic and metal based filter materials，and based on the current technological development trend，The future development direction of GPF is prospected.

【Key words】gasoline engine particle catcher；filter structure；filter material；metal-based materials；ceramic base material

0" 引言

目前，汽车企业常采用安装GPF的措施来降低颗粒物的排放量，这一方法也被认为是目前最有效的减排策略之一[1]。

通常情况下，GPF需要与三元催化器联合使用，以同时满足颗粒物质量和数量、氮氧化物、碳氢化合物以及一氧化碳排放限值的要求。然而，安装捕集器后不可避免地会对后处理系统架构集成的便利性、排气背压以及燃油经济性等产生负面影响。因此，在实际开发过程中，除了要满足微粒排放标准外，还必须尽可能满足低背压、高燃油经济性、良好驾驶乐趣以及低增量成本等要求。目前，科研和企业从业人员正在评估各种GPF产品和系统设计方案，以满足上述目标。

一般而言，GPF安装于整车排气系统前端，并持续处于高温、强腐蚀的严苛环境中，这对GPF的结构设计和过滤材料提出了较高要求。但国内对GPF的研发工作起步较晚，针对GPF结构设计和过滤材料的研究相对较少。GPF的捕集效率、排气背压和使用寿命在很大程度上受过滤材料的影响，这些特性是衡量GPF性能的关键指标，而捕集器的结构设计又需根据过滤材料的特性展开。因此，有必要对捕集器的结构和过滤材料进行深入研究。本文归纳了捕集器的3种主流结构形式，阐述了对过滤材料的具体要求，重点梳理了陶瓷基和金属基两大类过滤材料的特性以及在汽油机微粒捕集性能方面的研究进展、面临的挑战和未来发展趋势，旨在为GPF技术的持续优化和创新提供参考与指导。

1" 过滤体的结构形式及特性

微粒过滤技术最早被应用于柴油车，用于捕获柴油发动机排放的颗粒物，并且在控制颗粒物质量和数量方面取得了显著成效[2]。根据气体在过滤体中的流向，过滤体的结构可分为3种类型，即壁流式、轴向式和径向式，如图1所示。

1.1" 壁流式

壁流式结构是目前研究和应用最为广泛的过滤体形式[3]。壁流式过滤体整体呈挤压成型的蜂窝状结构，内部由众多轴向平行的孔道构成，且相邻孔道之间交替堵塞，气体必须流经捕集器的多孔性壁面方可排出，这一过程也被称为“壁流”，如图1a所示。壁流式捕集器的通道壁通常为蜂窝陶瓷或者泡沫金属等多孔介质。壁流式结构的优势在于捕集效率高，通过调整蜂窝结构的壁厚和开口截面积，能够精准地调控捕集效率和背压。堇青石基过滤材料通常被用于开发壁流式捕集器。

1.2" 径向式

径向式捕集器通常由两个同心圆筒组成，中心圆筒的一端处于密封状态，两个圆筒中间由过滤介质填充，见图1b。在进行过滤时，气体从中心大圆筒的开口端进入，接着通过两个圆筒中间的过滤介质进行过滤，最终排出。径向式捕集器的过滤包含表面过滤和深层过滤两个阶段。径向式结构的优点是结构设计灵活，背压损失小。径向式捕集器的过滤介质通常为陶瓷纤维毡或者泡沫金属。C Kwanhee等人[4]应用径向型金属泡沫型GPF捕集缸内直喷汽油机产生的颗粒物，发现其能够大大降低发动机冷启动和加速阶段产生的颗粒物质量和数量。

1.3" 轴向式

轴向式捕集器因气体沿中心轴方向流动而得名。在这种结构中，过滤介质通常与气体流动方向垂直，气体从捕集器的一端进入，穿过过滤介质层后，从另一端流出，见图1c。过滤介质内部是由0.2～2mm的小孔组成的多孔结构。与壁流式捕集器相比，轴向式捕集器中过滤介质的孔尺寸相对较大，且孔隙之间相互连通。因此，轴向式捕集器内主要发生的是深床过滤，故而捕集效率较高。然而，由于颗粒物主要沉积在捕集器的前端，容易造成过滤体堵塞，需要频繁进行再生以保证捕集效率和低背压。为提高捕集效率，陈华鹏等人[5]以耐热的FeCrAl合金为过滤材料，通过优化结构设计，制成了一种轴向式金属丝网捕集器。他们发现，通过改变金属丝网的层数可以调控捕集器的过滤性能和背压，这一捕集器对柴油发动机尾气中颗粒物数量的捕集效率可达到80%以上。

2" 过滤材料的要求

过滤材料的特性决定着整个微粒捕集系统的压力降、传热、传质特性、强度和捕集效率等性能。从实际应用的角度而言，GPF对其过滤材料的要求如下。

2.1" 良好的微粒捕集效率

捕集效率是衡量GPF性能的重要指标之一。在试验过程中，通过对GPF进口与出口位置处的PM（颗粒物质量）与PN（颗粒物数量）排放进行测量，能够计算出GPF对颗粒物的捕集效率。

大量的试验和理论研究表明，捕集效率主要受捕集器孔径、壁厚、孔隙率以及过滤体体积等结构参数的影响。采取减小孔径、增加壁厚、提高孔隙率等策略均可以提高颗粒物数量捕集效率[6]。

2.2" 低压降

由于排气背压过高会严重影响整车二氧化碳排放量、燃油经济性以及动力性能，所以必须尽可能地降低排气背压。捕集器的压降是由材料和设计等多种因素共同决定的，例如孔径、孔径分布、孔隙率和孔隙连通性等[7]。单纯从压降角度来看，孔径越大，孔隙率越高且孔隙连通性越好，GPF的压降就越低，然而这些设计条件会降低捕集效率，并且对GPF整体的热容量和强度等参数产生负面作用。因此，在实际的研究和应用过程中，需要对各种因素进行综合考虑。

2.3" 良好的可再生性

颗粒物的累积会致使发动机背压升高，为确保发动机正常工作，需要定期进行再生，将捕集器内捕集的颗粒物去除[8]。在再生过程中会出现剧烈放热现象，这有利于GPF内部颗粒物迅速燃烧从而恢复捕集效率，但过高的温度可能会对载体结构造成损坏。因此，为保证GPF快速安全再生，捕集器必须具备较强的耐火性能，并且能够承受较大的热梯度。

2.4" 优良的耐久性能和机械强度

GPF位于排气系统的热端，长时间在高温、易腐蚀的复杂环境中工作，良好的耐热冲击性、抗高温氧化性和耐腐蚀性是GPF开发中极为重要的需求。捕集器的耐受性主要与材料的熔点、热膨胀系数、强度、热容量和导热性等材料参数有关。例如，热容量较低的GPF再生周期更短且燃料损失最小，非常适合基于频繁再生的再生策略[9]。相反，热容量较高的GPF虽然更难加热，但在再生期间能够提供更大的安全裕度。

提高孔隙率、降低微孔孔径是提高捕集效率的有效策略，然而这些结构参数在一定程度上会影响GPF的机械强度，可能导致整体结构强度和热容量低于应用需求，同时会对GPF的加工技术提出更高要求，生产成本也会随之增加。因此，在实际应用中，根据GPF的应用条件和限制来选择具有竞争力的过滤材料尤为关键。

3" 过滤材料的研究与应用

近年来，随着材料科学的进步，GPF过滤材料的研究取得了长足发展，这对于开发满足严苛实际应用需求的高性能GPF而言至关重要。当前，汽车捕集器中常用的过滤材料分为两大类：陶瓷材料和金属材料。本文将简要概述这两类材料的特点及其在GPF中的应用。

3.1" 陶瓷基过滤材料

陶瓷基过滤材料通常由氧化物或者碳化物组成，具有丰富的孔隙结构，耐受温度可达到700℃以上。陶瓷基过滤材料主要包括堇青石、碳化硅、氮化硅、莫来石、钛酸铝以及它们的复合改性材料等。在这些材料中，堇青石和碳化硅两种材质在GPF研究中应用最为广泛。

3.1.1" 堇青石

在众多陶瓷基过滤材料中，堇青石因成本低、耐高温和机械强度高等优点，在捕集器领域中应用历史最悠久，应用范围也最广。堇青石的主要成分是二氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）和氧化镁（MgO）。S Chika等[10]研究人员在1.8L和1.4L的GDI汽油机上，对孔密度和壁厚分别为300cpsi和12mil，尺寸为118.4mm（D）×75mm（L）的堇青石型GPF进行排放相关的研究。研究结果显示，集成了GPF的后处理系统能显著降低尾气中的颗粒物排放量。尽管捕集效率随发动机原始排放颗粒物数量的不同而有所差异，但捕集效率普遍能达到70%以上 。

此外，堇青石材质的催化剂涂覆性能好，常应用于开发催化型汽油机颗粒捕集器（Catalyzed Gasoline Particulate Filter，CGPF）。CGPF结合了颗粒捕集器的物理过滤和催化剂的化学转化功能。因此，CGPF即使在低温下也能有效地捕集和氧化碳烟、CO以及碳氢化合物等有害物质。例如，Joerg Michael Richter等[11]研究人员基于堇青石型CGPF进行了催化涂层对碳氢化合物、CO和NOX排放影响的研究。研究结果表明，即使CGPF中只有少量的贵金属催化剂，也能显著降低CO和HC的排放量。催化型GPF的卓越表现进一步凸显了堇青石作为GPF过滤材料的潜力和优势。

GPF长期工作于快速加热和冷却相交替的工况下，对过滤材质的热冲击性能要求较高。但是，堇青石导热系数小，再生时产生的热量难以快速散去，高温下容易发生捕集器烧熔或者开裂。另外，堇青石材料的径向热膨胀系数是轴向膨胀系数的两倍，容易产生热应力损坏。S Jung等人[12]通过仿真技术对高温环境下GPF的热应力分布情况进行了研究，发现捕集器对角中心轴方向上的热应力最高，此处最易发生开裂，如图2所示。因此，堇青石型捕集器在设计时必须要克服快速热变化引起的裂缝问题，同时尽量减少背压的增加。

为解决堇青石型捕集器的局限性，S Jung等人[12]探索弥补材料结构缺陷和精确控制再生温度的方法，并提出可以通过加强角形的方法来减少捕集器裂缝的出现。如，当孔道形状呈圆形时，过滤壁之间的距离增大。这一设计可以在局部壁厚不增加的情况下，使捕集器的耐高温性能得以改善。具体地，捕集器的最高耐受温度可以从1100℃增加到1200℃，安全热梯度从430℃/cm增加到600℃/cm。

3.1.2" 碳化硅（SiC）

另一种常用的陶瓷基过滤材料是碳化硅（SiC），其具有更高的导热系数，有利于GPF再生过程中产生的高温快速散去，能够有效缓解再生困难这一问题。SiC材料主要分为重结晶SiC（Re-SiC）和复合碳化硅（Si-SiC）两大类。Re-SiC是由两种不同粒径大小的碳化硅颗粒经过高温煅烧制备而成的具有一定孔隙率的烧结体。由于制备Re-SiC时所需的烧结温度较高，导致Re-SiC材料的制备成本也较高。此外，碳化硅生坯中的孔隙会阻碳化硅颗粒的烧结，使得重结晶碳化硅的孔隙率有限。而与Re-SiC相比，Si-SiC的烧结温度较低，孔隙率和孔隙大小相对更容易控制。同时，Si-SiC中的金属硅在高温下易发生相变，因此Si-SiC的抗热冲击能力要优于Re-SiC。

S.Hashimoto等人[13]将孔隙率高、主孔径尺寸介于20μm的复合碳化硅型捕集器（SiC-1和SiC-2）与商用的重结晶碳化硅（Re-SiC）捕集器进行性能对比，研究三者在碳烟负载情况下的背压变化情况。如图3所示，与重结晶SiC-3对比，孔隙率高、主孔径大的SiC-2的压降大约低30%左右。

基于DPF（柴油颗粒过滤器）的相关研究，减小捕集器壁厚、增加开阔前缘面积是降低GPF（汽油机颗粒捕集器）压力损失最有效的设计方向，但是这些结构参数的改变会导致蜂窝结构的机械强度下降。因此，开发结构参数可调且具有高结构强度的捕集器成为研究重点。在壁面孔隙率相同的情况下，Re-SiC（反应烧结碳化硅）多孔骨架的强度约为堇青石的两倍，是众多陶瓷材料中机械强度较高的材料之一。利用Re-SiC机械强度高这一特性，Kazutake Ogyu等人[14]开发出薄壁、高孔隙率的GPF，并探究其在NEDC（新欧洲驾驶循环）测试工况下的压力损失和 PN（颗粒物数量）捕集效率。他们发现这种薄壁设计不仅能够缩小捕集器的尺寸，有利于排气系统的结构布局，还能保持优异的PN过滤性能，即使在包覆催化剂涂层后仍具有保持低压降的优势。总之，高强度Re-SiC材质有利于捕集器实现薄壁厚、高孔隙率的设计，有利于平衡捕集效率和压降之间的关系。

3.2" 金属基过滤材料

与陶瓷基过滤材料相比，金属基过滤材料的主要缺点是材料的成型工艺较为复杂，且催化剂的涂覆性能不佳，因而现阶段在汽油车颗粒捕集器方面应用相对有限。但是，金属基过滤材料在强度、韧性、导热性和结构灵活性方面具有无可比拟的优势[15]。因而，金属基捕集器在汽车领域具有非常大的应用潜力。金属基过滤材料一般分为：①金属粉末或者烧结金属；②金属纤维或者金属丝网（本文称金属纤维型）；③泡沫合金。目前，研究者们对金属纤维型和金属泡沫合金这两种结构形式的金属基过滤材料给予广泛关注。

3.2.1" 金属纤维型过滤材料

金属纤维型过滤材料是由微米级直径的金属纤维经由无纺铺制而成的材料。在工业上应用最多的是经过高温烧结的金属纤维过滤材料，又称为金属纤维烧结过滤材料或者金属纤维烧结毡。从结构特点和制备方法来看，金属纤维烧结毡的优点是透气性好，比表面积大，非常适合在高温和易腐蚀的苛刻工况下应用。此外，金属纤维烧结毡具有适中的孔隙率和孔径，可以在捕集效率、背压和捕集器尺寸之间表现出更好的权衡。

Q Ou等人[16]设计了一款纤维直径在12μm的金属纤维烧结型GPF，并测试了其在FTP和US06驱动循环下的捕集效率和背压。试验结果显示，在这两种测试条件下，该金属烧结型GPF对颗粒物的捕集效率均可达到78%以上。此外，金属纤维烧结型GPF在低压降方面也展现出显著的优势（图4）。在FTP测试条件下，金属纤维烧结型GPF的背压低于测量阈值；在US06测试条件下，其平均背压约为1kPa。研究者们认为，与金属泡沫和壁流式GPF相比，烧结金属纤维型GPF具有更大的市场应用潜力。然而，烧结金属纤维型GPF的尺寸相较于壁流式GPF仍较大，需进一步开发具有更高比表面积和能耐受汽油机高排气温度的金属纤维毡型捕集器，提高其在实际应用中的可行性。

3.2.2" 金属泡沫型过滤材料

金属泡沫具有复杂的三维多孔结构以及不规则的支柱表面，这种独特的结构赋予金属泡沫材料较大的比表面积，是制备捕集器的理想材料。一般而言，小孔径的金属泡沫捕集器捕集效率较高，但是对颗粒物的负载能力较低，易导致捕集器的压降较大；而增大过滤基底的孔径，又会降低过滤效果。为解决这一矛盾，研究人员尝试将具有不同孔径的多孔合金集成到一个捕集器中，期望提高捕集效率的同时，减缓压降的增长速率。比如，C Kwanhee等人[17]发现金属泡沫GPF在降低颗粒物质量和数量方面表现出卓越的性能。如图5所示，金属泡沫GPF对23nm以下颗粒的捕集效率可达到93%。此外，在一定行驶速度范围内，GPF的背压均在1.0kPa以下，且整车的燃油经济性和CO2排放量都在可接受的范围内。S Baek等人[18]发现具有复杂和不规则结构的Ni-基金属泡沫型GPF对成核模式和颗粒聚集模式的颗粒都具有优异的捕集效率。总之，泡沫型GPF因具有较大的比表面，能够增强通道至结构表面的传质过程，在降低颗粒物数量浓度方面表现出独特优势。

4" 结论和展望

本文对壁流式、径向式和轴向式3种捕集器结构形式，以及陶瓷基和金属基两大类过滤材料进行简要介绍，总结了各种捕集器和过滤材料的性能特点及应用，并提出以下展望。

1）金属基和陶瓷基过滤材料都有无法避免的缺陷，两者形成的复合基过滤材料正逐渐成为研究的热点之一。

2）开发环境友好型的过滤材料，例如使用生物基材料或可回收材料以减少对环境的影响。

3）除了优化过滤材料的生产工艺外，改进过滤体的结构设计，比如优化过滤体结构的壁厚和开口截面积等，也是提高捕集效率的方向。

4）与涂层技术整合，开发能够同时控制颗粒物和气体污染物（如氮氧化物、碳氢化合物等）的综合过滤材料，同时降低颗粒物和气体污染物的排放量。

参考文献

[1]" 李配楠，程晓章，骆洪燕，等.基于国六标准的汽油机颗粒捕集器（GPF）的试验研究[J]. 内燃机与动力装置，2017，34（1）：1-5.

[2]" 田彤，陈令华，刘晶.柴油机排气颗粒物捕集器的发展[J].汽车工程师，2011（8）：13-17.

[3]" I Yoshitaka，S Takehide，A Takashi，et al. Next generation of ceramic wall flow gasoline particulate filter with integrated three way catalyst[C]//SAE 2015 world congress amp; exhibition，2015：7415-7427.

[4]" C Kwanhee，K Juwon，K Ahyun. Size-resolved engine exhaust aerosol characteristics in a metal foam particulate filter for GDI light-duty vehicle[J]. Journal of Aerosol Science，2013（57）：1-13.

[5]" 陈华鹏，吴晓东，万李，等.柴油车排气微粒捕集用复合金属丝网的制备与性能研究[J]. 环境污染治理技术与设备，2004，5（10）：80-83.

[6]" 陈华鹏，吴晓东，徐鲁华，等.柴油机微粒过滤体结构形式研究进展[J].中国稀土学报，2002，20（z1）：10-13.

[7]" B Guan，R Zhan，H Lin，et al. Review of the state-of-the-art of exhaust particulate filter technology in internal combustion engines[J].Journal of Environmental Management，2015（154）：225-258.

[8]" F.ADAM，J O，K F WONG，等.发动机颗粒排放和再生频率对汽油机颗粒捕集器效率的影响[J].汽车与新动力，2021，4（2）：53-59.

[9]" 赵冰.堇青石基柴油机颗粒物捕集器（DPF）的制备及其催化再生的研究[D].贵州：贵州大学，2021.

[10] S Chika，N Takahiko，M Yukio，et al. New particulate filter concept to reduce particle number emissions[C]//SAE Technical Paper，2011：263-273.

[11] Joerg Michael Richter，Raoul Klingmann，Stephanie Spiess，et al. Application of catalyzed gasoline particulate filters to GDI vehicles[J]. SAE International Journal of Engines，2012，5（3）：1361-1370.

[12] S Jung，P Won，L Myung. The best choice of gasoline/diesel particulate filter to meet future particulate matter regulation[C]//SAE Technical Paper，2012：12886-12896.

[13] S. Hashimoto，Y. Miyairi，T. Hamanaka，et al. SiC and cordierite diesel particulate filters designed for low pressure drop and catalyzed，uncatalyzed systems[C]//SAE Technical Paper，2003：16.

[14] Kazutake Ogyu，Toyoki Ogasawara，Yuichi Nagatsu，et al.Feasibility study on the filter design of re-crystallized SiC-GPF for TWC coating application[C]//SAE Technical Paper，2015：6828-6834.

[15] Q Ou，M. Matti Maricq，David Y. H. Puia. Evaluation of metallic filter media for sub-micrometer soot particle removal at elevated temperature[J].Aerosol Science and Technology，2017，51（10/12）：1303-1312.

[16] Q Ou，M. Matti Maricq，P James，et al. Design and evaluation of a sintered metal fiber filter for gasoline direct injection engine exhaust aftertreatment[J]. Journal of Aerosol Science，2019（133）：12-23.

[17] C Kwanhee，K Juwon，K Ahyun.Size-resolved engine exhaust aerosol characteristics in a metal foam particulate filter for GDI light-duty vehicle[J]. Journal of Aerosol Science，2013（57）：1-13.

[18] S Baek，J Cho，K Kim，et al. Effect of the metal-foam gasoline particulate filter（GPF）on the vehicle performance in a turbocharged gasoline direct injection vehicle over FTP-75[J]. International Journal of Automotive Technology，2020，21（5）：1139-1147.

（编辑" 凌" 波）