耐久試驗(yàn)中不同測試循環(huán)下排放規(guī)律研究

于津濤，熊興旺，肖廣宇

(中國汽車技術(shù)研究中心，北京 100176)

耐久試驗(yàn)中不同測試循環(huán)下排放規(guī)律研究

于津濤，熊興旺，肖廣宇

(中國汽車技術(shù)研究中心，北京 100176)

采用標(biāo)準(zhǔn)臺架循環(huán)(SBC)和標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)(SRC)兩種方式，分別對催化器進(jìn)行耐久試驗(yàn)，并在不同耐久里程時(shí)分別進(jìn)行排放試驗(yàn)。采用SBC方式時(shí)，隨耐久里程增加，CO排放無明顯變化，NOx明顯增大，THC有小幅增大；CO瞬態(tài)曲線由單峰態(tài)變?yōu)殡p峰態(tài)，雙峰態(tài)峰值小于單峰態(tài)峰值；NOx為雙峰態(tài)，第1個(gè)峰值總體上呈增大趨勢，第2個(gè)峰值無明顯規(guī)律；THC為明顯的單峰態(tài)，峰值總體上呈增大趨勢。采用SRC方式時(shí)，隨耐久里程增加，CO排放明顯增大，NOx也呈增大趨勢，THC先增大后減小；CO瞬態(tài)曲線始終為單峰態(tài)，峰值呈增大趨勢；NOx為雙峰態(tài)，第1個(gè)峰值與第2個(gè)峰值總體上均呈增大趨勢；THC為明顯的單峰態(tài)，峰值先增大后減小。

標(biāo)準(zhǔn)臺架循環(huán)；標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)；耐久試驗(yàn)；瞬態(tài)排放

國Ⅴ排放法規(guī)耐久性試驗(yàn)中引入了標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)(SRC)和標(biāo)準(zhǔn)臺架循環(huán)(SBC)[1]。熱劣化是催化轉(zhuǎn)化器劣化的主要原因，根據(jù)阿氏方程計(jì)算結(jié)果可知，催化器在SBC方式中持續(xù)保持高溫狀態(tài)一段時(shí)間可以獲得與SRC方式同等的熱劣化效果[2]。使用SBC臺架循環(huán)替代SRC道路耐久循環(huán)，可縮短試驗(yàn)周期、節(jié)省費(fèi)用，優(yōu)勢明顯。

有研究表明，臺架劣化后的三元催化器催化CO，NOx和HC的起燃溫度都升高，且HC的轉(zhuǎn)化效率明顯降低[3-4]。龔金科等的仿真結(jié)果表明：催化器特征轉(zhuǎn)化率在老化初期快速下降，之后緩慢變化；且催化器快速老化前大部分氣體污染物在載體前得到凈化，而快速老化后，部分污染物在催化器載體后部才能得到凈化[5]。利用二次空氣噴射進(jìn)行臺架耐久試驗(yàn)，小排氣流量時(shí)失活區(qū)域在催化器入口附近，而大排氣流量會(huì)導(dǎo)致失活區(qū)域位置后移[6]。文獻(xiàn)[7]對比了SRC與SBC耐久試驗(yàn)方式對催化器劣化程度的影響，其中HC和CO在耐久試驗(yàn)中劣化趨勢無明顯差異，而NOx差異顯著，且SBC方式劣化程度大于SRC方式劣化程度。

針對市場需求，本研究專門開發(fā)了一套滿足國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的催化器耐久試驗(yàn)二次空氣噴射系統(tǒng)[8]?；陂_發(fā)的二次空氣噴射系統(tǒng)，比較了標(biāo)準(zhǔn)臺架循環(huán)耐久方式和標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)耐久方式下CO，NOx和THC的比排放量與瞬態(tài)排放變化趨勢。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方案

本研究選用2個(gè)相同型號的催化器，標(biāo)記為A和B，分別用于SBC耐久試驗(yàn)和SRC耐久試驗(yàn)。SBC耐久試驗(yàn)中選用某當(dāng)量比燃燒直噴汽油機(jī)對催化器進(jìn)行劣化，根據(jù)BAT方程計(jì)算老化時(shí)間，再轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的耐久里程，本研究統(tǒng)一用SBC耐久里程來代替SBC老化時(shí)間。每到一定耐久里程，用某型號乘用車裝載催化器A進(jìn)行排放試驗(yàn)。SRC試驗(yàn)中始終用該乘用車裝載催化器B在底盤測功機(jī)上進(jìn)行耐久試驗(yàn)，每隔一定耐久里程，進(jìn)行排放試驗(yàn)。試驗(yàn)中所用燃料均為95號汽油。

1.1試驗(yàn)設(shè)備及儀器

試驗(yàn)中所用的催化器A和B的性能參數(shù)見表1。SBC耐久試驗(yàn)中老化用發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)見表2。試驗(yàn)中所用的乘用車的性能參數(shù)見表3。試驗(yàn)中所用的測試儀器見表4。

表1 催化器性能參數(shù)

表2 SBC老化用發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

表3 試驗(yàn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

表4 主要測試儀器及設(shè)備

1.2試驗(yàn)方案

單個(gè)SBC循環(huán)持續(xù)60 s，在臺架上按需要重復(fù)該循環(huán)進(jìn)行老化試驗(yàn)。SBC耐久試驗(yàn)中，耐久里程從0 km至40 000 km，每隔10 000 km，按照GB 18352.5—2013規(guī)定進(jìn)行Ⅰ型試驗(yàn)，采用CVS稀釋系統(tǒng)對排氣進(jìn)行稀釋，采用氣體分析儀測量各排放物。SRC耐久試驗(yàn)中，耐久里程從0 km至40 000 km，同樣每隔10 000 km進(jìn)行Ⅰ型試驗(yàn)。圖1示出Ⅰ型試驗(yàn)全程車速曲線。

圖1 Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)車速曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1Ⅰ型試驗(yàn)比排放結(jié)果對比

為對比SBC和SRC耐久試驗(yàn)中各排放物比排放量的變化趨勢，定義相對比排放量：

式中：L為相對比排放量；mi為排放污染物在相應(yīng)耐久里程時(shí)的比排放量，i=0，10 000，20 000，30 000，40 000 km；m0為0 km時(shí)的排放。

圖2至圖4分別示出SBC和SRC方式下0～40 000 km耐久里程對應(yīng)的CO，NOx和THC相對比排放統(tǒng)計(jì)。

圖2 SBC與SRC耐久試驗(yàn)中CO相對排放

圖3 SBC與SRC耐久試驗(yàn)中NOx相對排放

圖4 SBC與SRC耐久試驗(yàn)中THC相對排放

由圖2可以看出，CO比排放在SBC耐久方式中隨耐久里程增加無明顯變化，在SRC耐久方式中隨耐久里程增加而增大趨勢明顯。

由圖3可以看出，NOx比排放在SBC耐久方式中隨耐久里程增加而明顯增大，在SRC耐久方式中隨耐久里程增加也呈現(xiàn)出增大的趨勢，但增大的幅度小于SBC耐久方式。

由圖4可以看出，THC比排放在SBC耐久方式中隨耐久里程增加而表現(xiàn)出小幅增大的趨勢，在SRC耐久方式中隨耐久里程增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

綜合以上分析可得出，CO在SRC耐久方式中的劣化趨勢明顯，NOx在SBC耐久方式中劣化趨勢明顯，THC在SBC耐久方式中表現(xiàn)出一定的劣化趨勢。在本試驗(yàn)中可以觀察到，40 000 km耐久里程內(nèi)，單獨(dú)SBC或SRC耐久方式不能保證CO，NOx和THC同時(shí)表現(xiàn)出劣化趨勢。

2.2瞬態(tài)排放性能對比

汽車?yán)淦饎?dòng)后，未經(jīng)過充分暖機(jī)，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)初始排放較高，且三元催化器未達(dá)到起燃溫度，因此催化器后排放較高。催化器起燃后有80%以上的轉(zhuǎn)化效率[9]，催化器后的排放會(huì)大大降低。圖5示出0 km時(shí)整車加裝催化器B進(jìn)行Ⅰ型試驗(yàn)，氣體分析儀采集的典型CO，NOx和THC瞬態(tài)排放曲線。

圖5 Ⅰ型試驗(yàn)中典型排放物瞬態(tài)曲線

從圖5中可以看出，在Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)的首個(gè)市區(qū)循環(huán)中，各排放物均出現(xiàn)了瞬態(tài)高峰值，之后排氣溫度升高逐漸達(dá)到三元催化器起燃溫度，所以各污染物都有較大程度降低。由此可見，首個(gè)市區(qū)循環(huán)中的瞬態(tài)排放性能對試驗(yàn)總排放影響較大，為了對比經(jīng)SBC和SRC兩種劣化方式老化后的催化器的瞬態(tài)排放特性，采集Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)的首個(gè)市區(qū)循環(huán)瞬態(tài)排放曲線，并進(jìn)行比較。

圖6示出SBC及SRC試驗(yàn)下各耐久里程時(shí)Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)第1個(gè)市區(qū)循環(huán)的車速曲線。

從圖6可以看出，幾次排放試驗(yàn)中首個(gè)市區(qū)循環(huán)的車速曲線一致性較好，因此近似認(rèn)為所有Ⅰ型試驗(yàn)中三元催化器前的整車原始瞬態(tài)排放一致。則催化器之后的瞬態(tài)排放曲線是原始排氣經(jīng)處于不同劣化階段的催化器轉(zhuǎn)化后的瞬態(tài)排放。

圖6 Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)中首個(gè)市區(qū)循環(huán)車速曲線

2.2.1CO瞬態(tài)排放對比

圖7和圖8分別示出SBC與SRC耐久過程中排放試驗(yàn)的首個(gè)市區(qū)循環(huán)中CO瞬態(tài)排放曲線。為方便對比大小，將瞬態(tài)峰值在圖中單獨(dú)列出。

圖7 SBC方式下不同耐久里程時(shí)CO瞬態(tài)排放曲線

圖8 SRC方式下不同耐久里程時(shí)CO瞬態(tài)排放曲線

從圖7和圖8中可以看到：

1) SBC耐久方式下0 km和10 000 km時(shí)CO瞬態(tài)曲線為單峰態(tài)，而20 000 km，30 000 km，40 000 km時(shí)瞬態(tài)曲線為雙峰態(tài)，且峰值大小均小于0 km和10 000 km時(shí)的峰值；

2) SRC耐久方式下，CO瞬態(tài)曲線始終為單峰態(tài)，且峰值隨耐久里程增加而增大。

2.2.2NOx瞬態(tài)排放對比

從圖5觀察到NOx瞬態(tài)排放曲線中存在2個(gè)明顯峰值。圖9和圖10分別示出SBC與SRC耐久方式下排放試驗(yàn)的首個(gè)市區(qū)循環(huán)NOx瞬態(tài)排放曲線。

圖9 SBC方式下不同耐久里程時(shí)NOx瞬態(tài)排放曲線

圖10 SRC方式下不同耐久里程時(shí)NOx瞬態(tài)排放曲線

從圖9和圖10中可以看出：

1) SBC耐久方式下，NOx排放曲線第1個(gè)峰值總體上隨耐久里程增加而增大，但第2個(gè)峰值的大小隨耐久里程增加并未表現(xiàn)出明顯規(guī)律；在0～30 000 km時(shí)，第1個(gè)峰值與第2個(gè)峰值差別不大，但在40 000 km時(shí)，第1個(gè)峰值明顯大于第2個(gè)峰值；

2) SRC耐久方式下，NOx排放曲線第1個(gè)峰值總體上隨耐久里程增加而增大，第2個(gè)峰值的大小總體上也呈現(xiàn)出隨耐久里程增加而增大的趨勢。在0～30 000 km時(shí)，第1個(gè)峰值與第2個(gè)峰值差別不大，但在40 000 km時(shí)，第1個(gè)峰值明顯小于第2個(gè)峰值。

2.2.3THC瞬態(tài)排放對比

圖11和圖12分別示出SBC與SRC耐久過程中排放試驗(yàn)的首個(gè)市區(qū)循環(huán)THC瞬態(tài)排放曲線。

從圖11和圖12中可以看出：

1) SBC耐久方式下，THC排放曲線為明顯的單峰態(tài)，總體上峰值大小隨耐久里程增加而呈現(xiàn)出增大的趨勢；

2) SRC方式下THC排放曲線也為明顯的單峰態(tài)，峰值與比排放變化規(guī)律基本一致，即隨耐久里程增加先增大后減小。

圖11 SBC方式下不同耐久里程時(shí)THC瞬態(tài)排放曲線

圖12 SRC方式下不同耐久里程時(shí)THC瞬態(tài)排放曲線

3 結(jié)論

在SBC耐久方式下，隨耐久里程增加，排放測試結(jié)果表現(xiàn)出如下規(guī)律：

a) CO比排放無明顯變化趨勢；NOx比排放明顯增大；THC比排放有小幅增大的趨勢；

b) CO瞬態(tài)曲線由單峰態(tài)變?yōu)殡p峰態(tài)，雙峰曲線峰值小于單峰曲線峰值；NOx曲線為雙峰態(tài)，第1個(gè)峰值總體上呈增大的趨勢，第2個(gè)峰值無明顯規(guī)律；THC曲線為明顯的單峰態(tài)，總體上峰值呈增大的趨勢。

在SRC耐久方式下，隨耐久里程增加，排放測試結(jié)果表現(xiàn)出如下規(guī)律：

a) CO比排放增大趨勢明顯；NOx比排放也呈現(xiàn)出增大的趨勢，但增大的幅度小于SBC耐久方式；THC比排放呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；

b) CO瞬態(tài)曲線始終為單峰態(tài)，峰值呈增大趨勢；NOx曲線為雙峰態(tài)，第1個(gè)峰值與第2個(gè)峰值總體上均呈增大的趨勢；THC曲線為明顯的單峰態(tài)，峰值呈先增大后減小的趨勢。

[1] 國家環(huán)境保護(hù)總局.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)[S]．北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2013.

[2] 陸紅雨,付鐵強(qiáng),李菁元.歐Ⅴ/Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)臺架循環(huán)老化時(shí)間的計(jì)算方法[J]．汽車工程,2011,33(12):1084-1087.

[3] 郝寶玉,侯獻(xiàn)軍,彭輔明,等.車用三元催化轉(zhuǎn)化器快速老化試驗(yàn)研究[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版),2011,33(5):772-775.

[4] 郝寶玉.車用三元催化器快速老化試驗(yàn)研究[D]．武漢:武漢理工大學(xué),2011.

[5] 龔金科,郭華,蔡皓,等.三效催化轉(zhuǎn)化器快速老化過程性能仿真[J]．內(nèi)燃機(jī)工程,2010,31(3):100-104.

[6] Fathali A,Wallin F,Kristoffersson A,et al.Thermal and chemical deactivation of three-way catalysts:comparison of road,fuel-cut and sai-aged catalysts[C]．SAE Paper 2015-01-1000.

[7] 劉慶,侯獻(xiàn)軍,李菁元,等.歐5/6輕型車耐久性試驗(yàn)研究[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版),2012,34(3):317-321.

[8] 肖廣宇,于津濤,田東蓮.基于溫升閉環(huán)控制的SBC測試技術(shù)研究[J]．小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù),2016,45(6):31-38.

[9] 彭磊,秦孔建,喬維高,等.國Ⅳ汽油車NEDC循環(huán)下的排放特性分析[J]．汽車技術(shù),2010(10):22-25.

EmissionLawsofDieselEngineduringDifferentEnduranceTestCycles

YU Jintao,XIONG Xingwang,XIAO Guangyu

(China Automotive Technology & Research Center,Beijing 100176,China)

Endurance tests of catalyst were conducted with the standard bench cycle (SBC) and standard road cycle (SRC). Emissions of different endurance mileages were also measured. In SBC test, CO emission kept unchanged, NOxemission obviously increased and THC emission had a small increase with the increase of endurance mileage. In addition, CO transient curve changed from single peak to double peaks with smaller peak value than that of single peak, NOxtransient curve showed double peaks with the characteristics of first increasing peak and second constant peak, and THC transient curve displayed single peak of increasing trend. In the SRC test, CO and NOxemissions increased and THC emission first increased and then decreased. In addition, CO transient curve showed a single peak of increasing, NOxcurve showed double increasing peaks and THC showed single peak of first increasing and then decreasing.

standard bench cycle(SBC);standard road cycle(SRC);endurance test;transient emission

2017-02-24；

2017-07-13

于津濤(1978—)，男，高級工程師，碩士，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)及整車排放；yujintao@catarc.ac.cn。

熊興旺(1989—)，男，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)排放與建模；xiongxingwang@126.com

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.013

TK427

B

1001-2222(2017)05-0068-05

[編輯： 袁曉燕]