1.1目的及意义

近年来由于汽车尾气颗粒物的排放造成的环境污染越来越严重，我国作为全球最大的汽车市场，汽车尾气的排放更加严重，所以汽车尾气的处理势在必行。为了降低汽车尾气的排放，中华人民共和国环境保护部发布了国六排放标准。该标准在发动机控制技术、排放后处理技术等方面提出了更高的要求。对于缸内直喷汽油机来说，由于混合气的形成时间较短，其颗粒物的排放较多，难以达到国六排放标准。而汽油机颗粒捕集器（GPF）的应用对减少汽油机颗粒物的排放具有显著的效果，所以和汽油机颗粒捕集器有关的研究和应用得到了大力发展。通过研究缸内直喷汽油机排放机理，设计出合适的颗粒捕集器来减少汽油机颗粒物的排放，进而减少对环境的污染。

1.2国内外研究现状

目前国内外关于缸内直喷（GDI）汽油机颗粒捕集器的研究主要是GPF材料的选择、GPF布置方式、GPF结构参数、GPF再生等方面的研究。

李配楠、程晓章等在《基于国六标准的汽油机颗粒捕集器（GPF）的试验研究》中对GPF的材料选择进行了研究。分析指出GPF的材料需要具有较强的耐热冲击性、良好的热稳定性以及良好的机械强度等性能。最佳的GPF材料的导热系数要高而热膨胀系数尽可能低。目前GPF材料主要有堇青石、碳化硅等。堇青石成本低、热膨胀系数低以及耐高温和机械强度高，但耐腐蚀性较差、导热率较小。SiC耐热、导热和耐腐蚀性能较好，但抗热冲击能力差，高温容易出现开裂。综合考虑各种材料的优点与缺点以及GPF的成本与性能，堇青石是最合适的材料。

温吉辉和滕勤在《缸内直喷汽油机颗粒捕集器（GPF）技术研究进展》中对GPF研究发展及应用进行了分析。GPF在汽油机排气管上的布置有两种形式，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，另一种是直接安装在TWC下游位置，即后置式布置。GPF的布置、壁厚、孔隙率、孔尺寸、空密度等参数优化对GPF的过滤和排气背压有重要影响。过滤效率和排气背压二者之间具有折中关系，结构参数的优化要综合考虑这种关系。

马标、黄伟等在《汽油直喷发动机颗粒捕集器技术应用研究》中对GPF排气背压进行了研究。GPF过滤机理决定了会产生较大的排气背压，将导致油耗和CO2排放增加以及发动机功率下降，因此需要在GPF匹配设计阶段，通过计算背压来确定GPF载体合适的壁厚和孔密度。通过计算出不同排气流量和温度下GPF结构参数与压差的相互关系，结果表明，随着排气流量和温度升高，不同结构参数的GPF排气背压均增大，但在有涂层和碳载的情况下，壁厚/目数为300/8的GPF排气背压增幅最为缓慢，所以在考虑排放、油耗以及实际使用的情况下，选择该结构参数的GPF作为最终应用的产品。

陈京瑞、石磊等在《缸内直喷式汽油机颗粒物捕集器最新技术发展》中对GPF的再生管理和温度保护机制进行了研究。GPF的再生有主动再生和被动再生两种方法，常用的再生方式有减速断油和点火延迟。GPF可以根据进口温度、排气流量和氧气的浓度计算GPF的温度，由此决定再生时间，以避免GPF的不当再生引起的烧蚀损坏。

国外的GPF技术发展的比较早，有很多地方值得我们学习。基于国六排放标准，Lin等学者对GPF的发展进行了实验研究，他们通过实验TWC和GPF结合的方式对发动机的排放进行测试，研究了GPF对PM的过滤效率以及通过车辆道路实验测试GPF的背压和排气温度的变化。Joerg等人对GPF的布置方式进行了研究。通过分析TWC GPF的过滤方式提高对尾气的处理效率。

综上所述，汽油机颗粒捕集器的研发已经成为国内外热门的研究项目，在进行GPF的设计时，要参考国内外的研究现状。本文对GPF的设计包括理论设计、工程绘图、实体建模、流体性能CFD仿真等，在设计时应重点注意GPF的排气背压、结构参数、再生等方面的研究。为了提高汽车排气后处理的效率，可以应用GPF和TWC相结合的方式，达到国六的排放标准。总之GPF的发展还有很大的空间，需要我们继续努力。