SRC工況下輕型車排氣溫度特征分析

孫 龍，李孟良，史廣寶，雷利剛，張建偉

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.5—2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》對輕型汽車污染物控制裝置耐久性的考核進(jìn)行了明確的規(guī)定，要求最大總質(zhì)量超過3 500kg但基準(zhǔn)質(zhì)量不超過2 610kg的M1，M2和N2類汽車應(yīng)進(jìn)行污染控制裝置耐久性試驗，即按照指定測試工況（SRC工況或AMA工況）在道路或底盤測功機(jī)上進(jìn)行160 000km耐久性試驗。從試驗開始，每隔10 000km（±400km）或更短的行駛里程，以固定的間隔直到160 000km，進(jìn)行Ⅰ型試驗，測量排氣污染物。將所有的排氣污染物的測量結(jié)果作為行駛距離的函數(shù)進(jìn)行繪圖，并計算每一種排氣污染物的劣化系數(shù)，對污染控制裝置的性能進(jìn)行考核［1］。

常溫下三元催化轉(zhuǎn)化器不具備催化能力，其催化劑必須加熱到一定溫度才具有氧化或還原的能力，通常催化轉(zhuǎn)化器的起燃溫度在250～350℃，正常工作溫度一般在400～800℃［2－4］。催化轉(zhuǎn)化器工作時產(chǎn)生的熱量越高，氧化的溫度也越高，當(dāng)溫度超過1 000℃時，其內(nèi)涂層的催化劑就會燒結(jié)損壞，同時也極易發(fā)生車輛自燃事故，嚴(yán)重影響車輛的尾氣污染物排放。所以必須注意控制造成排氣溫度升高的各種因素，如點火時間過遲或點火次序錯亂、斷火等，這都會使未燃燒的混合氣進(jìn)入催化反應(yīng)器，造成排氣溫度過高，影響催化轉(zhuǎn)化器的效能［5－8］。

本研究測試了試驗樣車在底盤測功機(jī)上按照SRC工況運(yùn)行時的排氣溫度，研究該工況下的排氣溫度分布特征，并分析研究典型小工況下的排氣溫度變化特征，對車企和檢驗機(jī)構(gòu)進(jìn)行污染控制裝置耐久性試驗及相關(guān)試驗具有重要的參考價值。

1 試驗方案設(shè)計

將試驗樣車固定在底盤測功機(jī)上，利用計算機(jī)發(fā)出指令控制自動駕駛儀，車輛按照標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.5—2013中Ⅴ型試驗的法規(guī)工況SRC運(yùn)行4個循環(huán)。在試驗樣車兩級催化器之間打孔安裝溫度傳感器，測量車輛排氣溫度的瞬時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為1Hz。試驗運(yùn)行過程中，在車輛前端安裝冷卻風(fēng)機(jī)模擬車輛在實際道路上行駛時的風(fēng)冷條件。圖1示出了排氣溫度測試設(shè)備。

2 試驗參數(shù)設(shè)定

2.1 試驗樣車轉(zhuǎn)轂阻力設(shè)定

試驗樣車在底盤測功機(jī)上以80km／h速度勻速行駛30min，對車輛和底盤測功機(jī)進(jìn)行充分熱機(jī)［9］。將車輛在實際道路上進(jìn)行滑行試驗獲得的道路阻力系數(shù)設(shè)置在底盤測功機(jī)控制軟件中，在底盤測功機(jī)上進(jìn)行3次滑行試驗［10－12］?；性囼炌瓿珊?，底盤測功機(jī)控制軟件自動計算出車輛在底盤測功機(jī)上運(yùn)行時的轉(zhuǎn)轂阻力系數(shù)［13］。

圖2a示出了3次滑行試驗的轉(zhuǎn)轂阻力曲線和車輛道路阻力曲線，圖2b示出了3條轉(zhuǎn)轂滑行阻力與實際道路阻力的差值，在底盤測功機(jī)上進(jìn)行滑行試驗得到的滑行阻力與實際道路阻力的絕對差值不超過5N，滑行得到的阻力參數(shù)完全可以模擬車輛的實際道路阻力。

車輛實際道路阻力系數(shù)與在底盤測功機(jī)上滑行試驗的轉(zhuǎn)轂阻力系數(shù)見表1。

表1 車輛道路阻力系數(shù)和在底盤測功機(jī)上的轉(zhuǎn)轂阻力系數(shù)

2.2 測試車輛

試驗樣車為一輛進(jìn)行污染控制裝置國Ⅴ排放水平耐久性試驗的車輛，樣車加注92號國Ⅴ汽油，試驗樣車具體參數(shù)見表2。

表2 測試車輛基本參數(shù)

3 測試工況及數(shù)據(jù)測量

3.1 測試工況

樣車按照GB 18352.3—2013中Ⅴ型試驗法規(guī)工況——標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)（SRC）運(yùn)行。一個SRC工況由7個6km的小循環(huán)組成，總共42km。SRC工況規(guī)定了具體的加減速要求，即列出了車輛每一個時間段的速度，同時給出了對應(yīng)的加速度值。SRC工況曲線見圖3。

3.2 工況運(yùn)行

利用安裝固定在座椅上的自動駕駛儀，按照控制軟件上的工況學(xué)習(xí)操作步驟對車輛油門、制動踏板的位置進(jìn)行機(jī)器人學(xué)習(xí)設(shè)定，并運(yùn)行學(xué)習(xí)工況，檢驗自動駕駛儀控制車輛的工況跟蹤情況［14－15］。圖4示出了自動駕駛儀控制車輛運(yùn)行的4個SRC循環(huán)。

3.3 數(shù)據(jù)測量

在測試車輛的兩級催化器之間打孔并安裝溫度傳感器，測量車輛運(yùn)行SRC工況的排氣溫度，通過集成在底盤測功機(jī)上的數(shù)據(jù)采集設(shè)備以1Hz的頻率將排氣溫度數(shù)據(jù)記錄下來。同時，利用底盤測功機(jī)上的速度傳感器記錄車輛實際行駛速度。

4 試驗數(shù)據(jù)整理與分析

4.1 工況跟蹤重復(fù)一致性

為了研究重復(fù)運(yùn)行SRC工況時車輛排氣溫度的特征，需要保證試驗跟蹤工況具有很好的重復(fù)一致性。本試驗使用自動駕駛儀控制車輛連續(xù)運(yùn)行4個SRC循環(huán)，來確保重復(fù)工況的一致性。選取車輛實際運(yùn)行時第2個和第3個測試循環(huán)下的車速，將速度繪制成圖5所示的散點圖。圖中速度散點區(qū)域上方和下方的兩條虛線分別是速度點分布的兩條邊界線。

本次測試的第2個和第3個測試循環(huán)的速度散點擬合曲線相關(guān)系數(shù)平方R2為0.995，并且隨著車速的提高，兩條邊界線逐漸收斂，延伸方向呈現(xiàn)相交趨勢。選取的兩個循環(huán)的速度點逐步集中分布在線性回歸直線（圖5中間細(xì)實線）兩側(cè)，當(dāng)速度高于80km／h時，速度點比較密集地分布在回歸直線兩側(cè)（圖中橢圓區(qū)域）。因此，采用自動駕駛儀控制車輛的運(yùn)行，其工況跟蹤的重復(fù)一致性非常高。

4.2 排氣溫度重復(fù)一致性

車輛重復(fù)運(yùn)行SRC工況時，排氣溫度的重復(fù)一致性可以反映車輛在進(jìn)行160 000kmⅤ型試驗的過程中，三元催化器溫度變化的差異。選取第2個和第3個循環(huán)下的排氣溫度繪制成排氣溫度散點圖（見圖6）。

兩個測試循環(huán)下排氣溫度散點非常密集地分布在擬合直線兩側(cè)，其相關(guān)系數(shù)的平方R2為0.988，具有很高的重復(fù)一致性。這說明試驗樣車在阻力相同的條件下重復(fù)運(yùn)行SRC工況，其排氣溫度的重復(fù)一致性非常好，具有相同的變化規(guī)律。因此，可以推測，車輛運(yùn)行SRC工況進(jìn)行污染控制裝置耐久性試驗時，催化器溫度隨著SRC工況重復(fù)運(yùn)行呈現(xiàn)周期性變化。

4.3 排氣溫度分布與工況的關(guān)系

4.3.1 排氣溫度與速度的關(guān)系

為了研究排氣溫度與速度的關(guān)系，按照10km／h的速度間隔將速度分成14個速度區(qū)間，計算各個速度區(qū)間內(nèi)排氣溫度平均值，繪制出不同速度區(qū)間平均溫度柱狀圖（見圖7）。

在SRC工況下，車輛排氣溫度在低速和高速區(qū)間平均溫度穩(wěn)定，中速區(qū)間平均溫度隨車速的提高而逐漸升高。速度低于60km／h的各個速度區(qū)間內(nèi)的平均溫度基本相同，其平均溫度在630℃左右。60～110km／h速度范圍內(nèi)各個區(qū)間內(nèi)的平均溫度隨著車速提高逐漸升高，平均溫度范圍為641～789℃。高于110km／h的速度區(qū)間內(nèi)平均溫度基本相同，其平均溫度在832℃左右。

4.3.2 排氣溫度分布

工作溫度是影響三元催化反應(yīng)器性能的主要因素，一般三元催化反應(yīng)器的理想工作溫度在400～800℃之間。將4個SRC工況下的排氣溫度按照50℃的溫度間隔進(jìn)行區(qū)間劃分，計算統(tǒng)計出每個區(qū)間內(nèi)排氣溫度的數(shù)量，排氣溫度的區(qū)間分布及累計分布見圖8。

由圖8可見，排氣溫度主要分布在650～800℃溫度范圍內(nèi)，該溫度區(qū)間所占比例達(dá)到79%，此區(qū)間溫度累計曲線斜率明顯高于其他區(qū)間曲線斜率。800℃以上溫度區(qū)間占12%，最高排氣溫度不超過1 000℃，未超過上極限溫度，不會產(chǎn)生過度老化。由此可以看出，車輛在運(yùn)行SRC工況時，其排氣溫度主要分布在三元催化器轉(zhuǎn)化效率較高的區(qū)間內(nèi)，車輛可以有效轉(zhuǎn)化污染物，不會發(fā)生過度老化。

4.3.3 排氣溫度與瞬時車速的關(guān)系

試驗樣車按照SRC工況運(yùn)行，其排氣溫度隨著瞬時車速的變化發(fā)生變化。圖9示出了車輛在一個SRC循環(huán)工況下車輛排氣溫度與瞬時車速曲線。

在SRC工況7個小循環(huán)中，車輛排氣溫度隨著車速變化呈現(xiàn)一些相似的變化特征。每個小循環(huán)下的溫度變化曲線呈現(xiàn)出一個左峰高于右峰的“M”形狀。在每一個“加速—勻速—減速—加速—勻速—減速”的工況變化過程中，車輛排氣溫度呈現(xiàn)“急劇升高—達(dá)到峰值—緩慢衰減式下降至某一穩(wěn)定溫度—再急劇升高—達(dá)到另一個峰值—緩慢衰減式下降至另一穩(wěn)定溫度”的變化過程。

車輛由怠速工況加速到勻速工況時，勻速工況車速越高，該小循環(huán)內(nèi)所達(dá)到的車輛排氣溫度峰值越高。SRC工況中車輛的最高排氣溫度出現(xiàn)在第6個小循環(huán)中，其溫度為874.3℃，該小循環(huán)內(nèi)車輛由怠速工況加速到勻速工況后，其速度值為105km／h。

4.3.4 典型小循環(huán)下排氣溫度變化分析

在SRC工況下，車輛排氣溫度變化隨工況變化具有相似性。選取了SRC工況中的兩個連續(xù)小循環(huán)，對典型小循環(huán)下的排氣溫度進(jìn)行分析。圖10示出了所選的兩個連續(xù)典型小循環(huán)的排氣溫度。

由圖10可見，在第1個小循環(huán)中，車輛由加速工況（A）變成勻速工況（B）時，其排氣溫度急劇上升并達(dá)到峰值溫度782.3℃，在車輛按照勻速工況（B）運(yùn)行一段時間后，排氣溫度由峰值溫度逐漸衰減下降并穩(wěn)定在620℃左右；車輛運(yùn)行至短減速工況（C）時，其排氣溫度沒有明顯變化；車輛從短加速工況（D）運(yùn)行至勻速工況（E）時，其排氣溫度又呈現(xiàn)出與A－B段相同的變化趨勢，但達(dá)到的峰值溫度為701.3℃，低于A－B段的峰值溫度；車輛運(yùn)行在長減速工況（F）時，排氣溫度沒有明顯變化。第2個小循環(huán)中的排氣溫度變化與第1個小循環(huán)的排氣溫度變化相似，但對應(yīng)的峰值溫度分別為804.3℃和723.5℃，高于第1個小循環(huán)中對應(yīng)峰值溫度。

加速工況下車輛排氣溫度急劇升高，主要是該工況下車輛負(fù)荷增大，油門開度變大，發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)按需增加供油量，發(fā)動機(jī)燃燒了更多燃料來滿足車輛加速要求，從而使車輛在該工況下排氣溫度急劇升高。

當(dāng)車輛加速后按照勻速工況運(yùn)行時，車輛處于一個穩(wěn)態(tài)工況，發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)按照此時車輛穩(wěn)態(tài)工況要求，定量供給發(fā)動機(jī)燃油維持車輛的這種狀態(tài)，車輛在冷卻系統(tǒng)的作用下，排氣溫度呈現(xiàn)先急后緩的下降變化，逐漸下降并維持在三元催化器轉(zhuǎn)化效率較高的溫度區(qū)間內(nèi)，直至運(yùn)行工況發(fā)生變化。

在小循環(huán)中勻速工況結(jié)束并依次運(yùn)行短減速、短加速工況時，車輛排氣溫度會出現(xiàn)一個短暫急劇上升的過程，但該階段溫度峰值低于上階段加速過程后溫度峰值，這主要是該階段高負(fù)荷下加速工況持續(xù)時間較短，多供油時間較短，車輛排氣溫度上升幅度也低于上階段溫度峰值。

第1個和第2個小循環(huán)中車輛最高排氣溫度都出現(xiàn)在長加速工況結(jié)束后（如圖M點，N點）。加速工況持續(xù)的時間越長，發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)供給的燃油越多，車輛排氣溫度峰值越高。因此，車輛應(yīng)該盡量減少長時間運(yùn)行加速工況。

5 結(jié)論

a）車輛重復(fù)運(yùn)行SRC工況時，其排氣溫度變化規(guī)律是相同的，且一致性好；車輛運(yùn)行SRC工況進(jìn)行排放控制裝置耐久性試驗時，催化器的工作溫度隨SRC工況重復(fù)運(yùn)行呈現(xiàn)周期性變化；

b）SRC工況7個小循環(huán)中，車輛排氣溫度隨車速變化呈現(xiàn)相似的變化特征；每個小循環(huán)下的溫度變化曲線呈現(xiàn)出左峰高于右峰的“M”形狀；

c）加速工況持續(xù)時間越長，發(fā)動機(jī)供油越多，車輛排氣溫度峰值會越高；應(yīng)該盡量減少長時間加速工況，避免車輛排氣溫度過高，導(dǎo)致三元催化裝置毀滅性的損傷；

d）車輛運(yùn)行SRC工況時，其排氣溫度主要分布在650～800℃之間，所占比例達(dá)79%；排氣溫度主要分布在三元催化器轉(zhuǎn)化效率較高的區(qū)間內(nèi)，使其能夠有效轉(zhuǎn)化污染物；

e）在SRC工況下，車輛排氣溫度在低速區(qū)間（低于60km／h）和高速區(qū)間（高于110km／h）平均溫度較穩(wěn)定，中速區(qū)間（60～110km／h）平均溫度隨車速逐漸升高。

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