輕型車制動(dòng)磨損顆粒物排放與測(cè)試

錢國(guó)剛，孫 龍，付鐵強(qiáng)，吳 迪Qian Guogang，Sun Long，F(xiàn)u Tieqiang，Wu Di

輕型車制動(dòng)磨損顆粒物排放與測(cè)試

錢國(guó)剛，孫 龍，付鐵強(qiáng)，吳 迪
Qian Guogang，Sun Long，F(xiàn)u Tieqiang，Wu Di

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

美、歐研究顯示，傳統(tǒng)動(dòng)力下LDV（Light Duty Vehicle，輕型車）制動(dòng)磨損顆粒物的排放量為5～7 mg/km，此值高于國(guó)6b排放標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ型試驗(yàn)PM（Particulate Matter，顆粒物）限值。車輛技術(shù)配備是關(guān)鍵影響因素，制動(dòng)能量回收可以顯著降低PM排放數(shù)值，采用NAO（Non Asbestos Organic friction material，非石棉有機(jī)物混合纖維摩擦材料）技術(shù)相比少金屬襯片配置的車輛其PM排放量會(huì)降低。雖然在2018年有關(guān)制動(dòng)器襯片的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一部分危害身體健康的物質(zhì)含量上限，但對(duì)人體危害顯著的元素銻Sb卻未在列，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范亟需補(bǔ)充。歐盟的測(cè)試方法已基本完成框架搭建和要素設(shè)定，預(yù)計(jì)2022年發(fā)布法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。在制動(dòng)磨損測(cè)試中，速度循環(huán)、環(huán)境溫度和冷卻風(fēng)設(shè)定對(duì)測(cè)量值有影響，分析WLTP-Brake Cycle（World Light-duty Vehicle Test Procedure-brake Cycle，全球輕型車測(cè)試規(guī)程-制動(dòng)工況）是否符合我國(guó)輕型車使用規(guī)律。

制動(dòng)磨損；制動(dòng)磨損顆粒物排放；測(cè)試方法；WLTP-Brake Cycle；輕型車

0 引 言

輕型乘用車的一次PM（Particulate Matter，顆粒物）排放主要來源除了尾氣，還有非金屬旋轉(zhuǎn)/運(yùn)轉(zhuǎn)件與其摩擦副間的磨損，包括制動(dòng)摩擦副、輪胎與路面間的摩擦副、干式雙離合變速器的摩擦盤、驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)附件的傳動(dòng)皮帶等。近年來，對(duì)制動(dòng)盤和制動(dòng)器襯片摩擦副產(chǎn)生的PM10、PM2.5排放研究取得了進(jìn)展，行業(yè)監(jiān)管舉措已在醞釀中。

1 制動(dòng)磨損排放量

美、歐研究顯示，乘用車有顯著的PMBW（Brake Wear Particulate Matter Emissions，制動(dòng)磨損排放），其排放量與尾氣一次PM排放當(dāng)前限值大體相當(dāng)。

1983年美國(guó)已研究評(píng)估制動(dòng)磨損的顆粒物排放量[1]。CARB（California Air Resource Board，美國(guó)加州空氣資源局）采用EMFAC（Emission Factor, 排放因子）模型來計(jì)算各城市地區(qū)的移動(dòng)源排放量，服務(wù)于該州的空氣監(jiān)管目標(biāo)。為了給該模型的202x版本設(shè)定PMBW因子，2020年CARB測(cè)試了6款代表性車輛的制動(dòng)磨損[2]，發(fā)現(xiàn)有/無制動(dòng)能量回收的車輛存在差異；HEV（Hybrid Electric Vehicle，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車）減速時(shí)，得益于驅(qū)動(dòng)電機(jī)制動(dòng)能量回收提供的負(fù)扭矩，制動(dòng)器摩擦副的負(fù)擔(dān)減少。對(duì)應(yīng)有/無制動(dòng)能量回收，式（1）、式（2）分別給出了PMBW因子基數(shù)[2]。

式中：PMBWN_RG和PMBWRG分別為無制動(dòng)能量回收車型和有制動(dòng)能量回收車型的PMBW因子，mg/mile；DO為車輛總里程，mile。式（1）、式（2）換算成公制單位后的數(shù)值規(guī)律如圖1所示，制動(dòng)回收功能使車輛制動(dòng)磨損量減少超過50%。圖中橫軸為總里程，縱軸為制動(dòng)磨損因子。

總里程值DO通常對(duì)應(yīng)車輛的購(gòu)置年份。近年來，少金屬襯片配置的份額逐步被NAO（Non Asbestos Organic friction material，非石棉有機(jī)物混合纖維摩擦材料）取代，NAO制動(dòng)磨損較低。

圖1 有/無制動(dòng)回收功能的車輛制動(dòng)磨損

CARB對(duì)PMBW賦值幾經(jīng)變更，2007年之前采用EPA（Environment Protect Agency，美國(guó)環(huán)保局）評(píng)估辦法，前、后各兩輪的輕型乘用車PMBW取值為12.8 mg/mile，如式（3）所示。

式中：為PM10和PM2.5在總磨損物中的占比，取值約為31%；為Raleigh city（美國(guó)羅利市）駕駛循環(huán)下每英里制動(dòng)次數(shù)的平均值，取值5.1；由于制動(dòng)時(shí)前輪負(fù)荷大體為后輪的2.3～2.4倍，則式（3）中前輪排放率取值2.43大于后輪取值1.68[3]110。

2011年，CARB研究推算出輕型乘用車的制動(dòng)磨損典型值為34 mg/mile[3]110，后調(diào)為37.5 mg/mile，換算后為23.3 mg/km。這個(gè)調(diào)整基于兩方面考慮：（1）半金屬/少金屬襯片在美國(guó)輕型乘用車市場(chǎng)的占有率升至73%，但耐磨損性能不及石棉材料襯片；（2）LA92（Los Angeles 92，洛杉磯1992年）循環(huán)作為加州行駛特征代表，其制動(dòng)時(shí)車速、制動(dòng)頻次和負(fù)加速度比美國(guó)羅利市循環(huán)更激烈。2020年基于6款實(shí)車測(cè)試得出的排放值如式（1）、式（2）所示，顛覆了前述估值。

歐盟在2014年匯總了1995～2012年共9家機(jī)構(gòu)測(cè)評(píng)的數(shù)據(jù)，平均值為6.7 mg/km。

制動(dòng)磨損的影響因素包括車輛載荷和車速。加州通過一個(gè)由中速、高速、低速3個(gè)片段組合而成的4.1 h速度循環(huán)下的制動(dòng)磨損PM排放量試驗(yàn)，結(jié)果給出了各速度段的單位里程排放值與整體綜合值之間的比例關(guān)系，定義了SCF（Speed Correction Factor，速度修正因子）隨車速的變化規(guī)律，如圖2所示。從單位里程角度看，激烈加、減速情況在車速為21～69 km/h時(shí)相對(duì)頻繁，制動(dòng)摩擦副的摩擦生熱大于空氣風(fēng)冷攜熱速率，容易出現(xiàn)制動(dòng)摩擦副高溫和制動(dòng)排放PM偏高的傾向，此時(shí)修正因子最高范圍為1.9～2.0。高速片段下，制動(dòng)摩擦副風(fēng)冷相對(duì)充分，單位里程下的激烈加、減速頻率相對(duì)較低，則速度修正因子較低。

圖2 速度修正因子

環(huán)境溫度既影響制動(dòng)磨損PM的生成量，又影響PM的粒徑分布。如前所述，摩擦副的材料影響制動(dòng)磨損PM，NAO材料制動(dòng)磨損低于少金屬襯片。

2 制動(dòng)磨損PM分析

在分析制動(dòng)磨損對(duì)人體和生物體的危害時(shí)，成分和粒徑是關(guān)鍵維度。

2.1 制動(dòng)磨損PM的成分

制動(dòng)磨損中PM2.5及PM10的成分見表1，大于PM10的顆粒物成分與之類似，含碳物質(zhì)主要有多環(huán)芳烴、正烷烴、正鏈烷酸、苯甲醛。

表1 制動(dòng)磨損中PM2.5及PM10成分[4]9

GB 5763—2018《汽車用制動(dòng)器襯片》[5]中規(guī)定：不得含有石棉，并且Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得高于0.01%，而6價(jià)Cr、Pb和Hg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得高于0.1%。

除了有機(jī)成分、水溶性離子和無機(jī)碳元素，金屬元素也是制動(dòng)磨損PM的主要成分之一。圖3為10款制動(dòng)器樣品中制動(dòng)磨損顆粒物PM10中的金屬成分[6]。圖中第2號(hào)、3號(hào)樣本為某車型的前輪制動(dòng)器及后輪制動(dòng)器，Cu元素顯著；其中Sb2O3疑似肺致癌物，在Sb排放方面，少金屬襯片優(yōu)于半金屬襯片，在同一樣品中，以Fe元素為比較基準(zhǔn)，半金屬襯片中Sb與Fe之比為1%～2%，在少金屬襯片中Sb與Fe之比為0.03%～0.13%。

圖3 10個(gè)制動(dòng)器樣本的制動(dòng)磨損PM成分

2.2 制動(dòng)磨損PM的粒徑

關(guān)于制動(dòng)磨損PM數(shù)量隨粒徑的分布業(yè)界有兩種認(rèn)識(shí)：一種認(rèn)為有兩個(gè)峰值，分別在0.01 μm和1 μm；另一種認(rèn)為在1 μm或2 μm粒徑附近有一個(gè)峰值，如圖4所示，圖中以峰值處粒徑區(qū)間的質(zhì)量和為基準(zhǔn)，其他粒徑段的質(zhì)量和與其相比，得出縱軸數(shù)值。

圖4 制動(dòng)磨損PM粒徑分布[4]9

1995年，美國(guó)研究了制動(dòng)磨損顆粒物粒徑分布，質(zhì)量累計(jì)百分率曲線如圖5所示，PM2.5占比顯著。

圖5 制動(dòng)磨損PM粒徑分布（PM10及以下）[7]

3 行業(yè)監(jiān)管測(cè)評(píng)

監(jiān)管制動(dòng)磨損需要一套行業(yè)適用的測(cè)評(píng)方法。

3.1 美國(guó)測(cè)試方法

美國(guó)官方在非尾氣排放顆粒物方面關(guān)注MOVES(Motor Vehicle Emission Simulator, 機(jī)動(dòng)車排放模擬計(jì)算)模型及EMFAC模型相應(yīng)的排放因子。

采用運(yùn)行損失蒸發(fā)排放測(cè)試的密閉倉(cāng)可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)磨損和輪胎磨損的綜合測(cè)量。在密封腔室設(shè)有底盤測(cè)功機(jī)，車輛尾氣被單獨(dú)導(dǎo)出，與腔室隔絕，避免對(duì)非尾氣測(cè)試干擾。哈根-史密特實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為密閉艙內(nèi)累積的PM取決于行駛循環(huán)的制動(dòng)頻繁程度（次/mile）。

美國(guó)福特公司開發(fā)了新的測(cè)試方法，測(cè)試裝置見圖6。圖6（a）中的車輪被一罩蓋遮蔽，借助負(fù)壓捕獲車輪制動(dòng)摩擦副生成的磨損顆粒，防塵罩減少其他部位PM的竄入量；圖6（b）為該裝置在車輛上的裝載布局，可實(shí)現(xiàn)道路測(cè)試；圖6（c）為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試狀況。該裝置的弊端是減弱了制動(dòng)冷卻，使制動(dòng)部件的溫度略高于實(shí)際應(yīng)用情況。

2018年起，CARB借鑒JRC（Joint Research Center, 聯(lián)合研究中心）方法，借助帶封閉倉(cāng)的制動(dòng)器測(cè)功機(jī)，與研發(fā)公司合作研究制動(dòng)磨損規(guī)律，探究反映加州行駛、制動(dòng)行為規(guī)律的車速循環(huán)，該研究尚在進(jìn)行中。

近些年，福特公司采用3h-LACT（3 hour Los Angeles City Traffic，3小時(shí)洛杉磯城市交通），該循環(huán)有217個(gè)怠速，最大減速度為0.3，速度曲線如圖7（a）所示；制動(dòng)盤在該車速下的溫度波動(dòng)如圖7（b）所示，LACT-20對(duì)應(yīng)于溫度升高最顯著的20min，此時(shí)車輛的加減速劇烈且頻繁。在圖7（b）中LACT-20時(shí)段里測(cè)試車輛制動(dòng)器溫度相對(duì)較高，PN（Particulate Number，顆粒物數(shù)量）值超過7×1012個(gè)/km。

圖6 福特公司的非尾氣顆粒物排放測(cè)試裝置

圖7 3h-LACT的車速和制動(dòng)盤溫度波動(dòng)

3.2 歐盟的測(cè)試方法

歐盟JRC牽頭制定了制動(dòng)磨損PM測(cè)試規(guī)程，定義了模擬典型制動(dòng)行為的行駛循環(huán)，模擬輕型車的典型制動(dòng)行為。測(cè)試設(shè)備的內(nèi)部容積大小可以把制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)盤/襯片部件容納其中，測(cè)儀內(nèi)腔的PM被鼓風(fēng)機(jī)輸送至分析儀，制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速和扭矩等指標(biāo)由制動(dòng)測(cè)功機(jī)控制。

3.2.1 歐盟的測(cè)試循環(huán)

WLTP-Brake Cycle的速度曲線如圖8所示，總里程192.2 km，行駛時(shí)長(zhǎng)15 827 s，制動(dòng)（或減速）片段有303個(gè)。

圖8 WLTP-Brake Cycle速度曲線[8]

制動(dòng)時(shí)長(zhǎng)的分布頻率如圖9所示。303個(gè)制動(dòng)片段以制動(dòng)時(shí)長(zhǎng)秒數(shù)為指標(biāo)統(tǒng)計(jì)發(fā)生的總次數(shù)，數(shù)據(jù)點(diǎn)即次數(shù)值，曲線為數(shù)據(jù)點(diǎn)分布情況的一元6次方程擬合線。3～6 s的制動(dòng)時(shí)長(zhǎng)最為頻發(fā)，占比72.6%。制動(dòng)發(fā)生時(shí)刻的速度平均值為42 km/h，制動(dòng)期間的平均減速度為0.9 m/s2，減速度峰值為2.2 m/s2。

圖9 WLTP-Brake Cycle制動(dòng)或減速時(shí)長(zhǎng)頻次分布

圖8中整個(gè)循環(huán)過程為4.4 h，在每個(gè)行程之間需進(jìn)行表2所示浸車過程，則試驗(yàn)總耗時(shí)為41.4 h。

表2 各行程和浸車參數(shù)

續(xù)表2

3.2.2 歐盟的測(cè)試設(shè)備

將受測(cè)對(duì)象置于設(shè)備內(nèi)腔，測(cè)試時(shí)，制動(dòng)磨損PM被氣流帶出。設(shè)備內(nèi)腔設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧輸送效率最優(yōu)、停留時(shí)間最小，顆粒物在氣流中均勻分布，從而配合氣溶膠采樣。測(cè)試儀內(nèi)腔應(yīng)避免急劇彎曲和橫截面突變，以及使用光滑的內(nèi)表面（即彎曲邊緣）以減少回流區(qū)域。允許逐步改變橫截面，但是建議采用平滑曲度，避免大于90o的轉(zhuǎn)曲。內(nèi)表面材料采用不銹鋼等導(dǎo)電材料，電解拋光，以避免靜電引起的顆粒物沉降。將制動(dòng)器裝卡固定位置選在上部，降低其對(duì)冷卻空氣的干擾。為使具有滲透性的顆粒減少至少99.95%，冷卻空氣在進(jìn)入設(shè)備內(nèi)腔前應(yīng)予有效過濾。主過濾器級(jí)別不低于EN 1822中H13級(jí)[9]，附加的活性炭過濾器應(yīng)安裝在主過濾器的上游。

行駛循環(huán)下制動(dòng)盤溫度的升降變化一例見圖7（b）。溫度會(huì)影響制動(dòng)磨損，故在測(cè)試規(guī)程的多個(gè)環(huán)節(jié)規(guī)定了制動(dòng)盤溫度。使用一只熱電偶來測(cè)量制動(dòng)盤的溫度，設(shè)置在制動(dòng)盤的外側(cè)盤片，其中徑向在受摩擦環(huán)狀部分居中，軸向在距外側(cè)盤片外表面0.5 mm處，如圖10所示。實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，溫度高的工況片段會(huì)頻繁出現(xiàn)PM和PN瞬態(tài)峰值。

圖10 熱電偶在制動(dòng)盤的位置

3.3 歐盟測(cè)試方法的要素指標(biāo)

3.3.1 冷卻空氣溫度和濕度

冷卻空氣溫度和濕度應(yīng)調(diào)節(jié)至（20±2）°C和（50±5）％RH，可偶爾超限，但累計(jì)時(shí)長(zhǎng)不得超過循環(huán)總時(shí)長(zhǎng)10%，且應(yīng)滿足（20±5）°C和（50±10）％RH要求。

3.3.2 制動(dòng)盤溫度

在WLTP-Brake Cycle中，當(dāng)制動(dòng)事件（停頓、加速、巡航或減速）開始時(shí)，制動(dòng)盤或制動(dòng)鼓總體溫度為IBT（Initial Brake Temperature，初始溫度）；制動(dòng)完結(jié)時(shí)的溫度為FBT（Final Brake Temperature，結(jié)束溫度）。IBT和FBT由熱電偶測(cè)量。

在WLTP-Brake Cycle中，除了第1個(gè)循環(huán)的第1個(gè)行程之外（含磨合和正式），其他各個(gè)行程都應(yīng)在IBT達(dá)到40℃時(shí)開始進(jìn)行。

借助第10行程來找出適當(dāng)?shù)睦鋮s氣流流量設(shè)定。冷卻流量不能過低，否則IBT及FBT不能滿足表3中的溫度目標(biāo)值。設(shè)定常需依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)重復(fù)多輪，當(dāng)降溫過慢時(shí)則在下一輪里增大冷卻流量。采用第10行程的第1～7次制動(dòng)所對(duì)應(yīng)的前330 s作為熱機(jī)過程，隨后待溫度不高于40℃時(shí)開始第10行程，實(shí)時(shí)記錄熱電偶溫度。以第10行程的第46、101、102、103、104和106次制動(dòng)期間的溫度為基準(zhǔn)，來確定IBT的平均值和FBT的平均值。若參數(shù)值不符合表3限值范圍，則調(diào)整重復(fù)執(zhí)行本段的前述流程，直至滿足。找出符合條件的冷卻流量后，在該值下進(jìn)行正式測(cè)試。

表3 行程10制動(dòng)盤的溫度要求

3.3.3 磨合規(guī)程

考慮到測(cè)試過程的可復(fù)現(xiàn)性，制動(dòng)器摩擦副在測(cè)試前應(yīng)經(jīng)過磨合，該過程通常包括至少5個(gè)WLTP-Brake Cycle。磨合過程中各行程的觸發(fā)條件是制動(dòng)盤溫度采集點(diǎn)的測(cè)值低于40℃，則可免去表2所列浸車環(huán)節(jié)。

3.3.4 背景濃度檢查

可分2個(gè)步驟測(cè)量背景氣狀況。

第1步：在未安裝制動(dòng)組件的情況下進(jìn)行測(cè)量。背景氣檢查應(yīng)在進(jìn)入的冷卻空氣流量穩(wěn)定后5 min開始，并在3種設(shè)置（最大氣流的10％、50％和90％）下運(yùn)行，每次運(yùn)行至少持續(xù)30 min（或背景氣濃度穩(wěn)定所需的時(shí)間）。

第2步：在制動(dòng)排放測(cè)試之前和之后進(jìn)行背景氣檢查。制動(dòng)組件安裝后，進(jìn)行磨合之前先進(jìn)行背景氣預(yù)測(cè)試。當(dāng)進(jìn)入的冷卻空氣穩(wěn)定5 min后開始，并在排放測(cè)試的氣流下運(yùn)行至少5 min（或達(dá)到背景氣濃度穩(wěn)定所需的時(shí)間）；完成磨合后以及測(cè)試完成后，再分別進(jìn)行背景氣檢查[9]。

3.3.5 測(cè)試參數(shù)清單

測(cè)試參數(shù)包括速度、制動(dòng)壓力、制動(dòng)扭矩、減速度、制動(dòng)溫度（制動(dòng)盤和制動(dòng)襯塊）、摩擦系數(shù)、PM10、PM2.5、PN值以及冷卻空氣的溫度、相對(duì)濕度和速度/流量。

4 結(jié) 論

歐盟和美國(guó)研究認(rèn)為傳統(tǒng)動(dòng)力的制動(dòng)磨損PM排放量約為5～7 mg/km，比國(guó)6b階段排放標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ型試驗(yàn)PM排放限值3 mg/km高。車輛技術(shù)配備是影響PM排放的關(guān)鍵，配備制動(dòng)能量回收可顯著降低PM數(shù)值，采用NAO技術(shù)其排放量低于少金屬襯片配置下數(shù)值。

制動(dòng)器襯片相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一部分有害物質(zhì)含量上限，但Sb的含量未列出，相關(guān)研究亟需補(bǔ)充。

歐盟測(cè)試方法已基本完成了框架搭建和要素設(shè)定，將開始編纂法規(guī)正文，預(yù)計(jì)2022年發(fā)布。日本乘用車制動(dòng)磨損PM法規(guī)JASO C470-2020已經(jīng)發(fā)布。速度循環(huán)、環(huán)境溫度和冷卻風(fēng)等因素對(duì)PM排放數(shù)值有影響。有必要考察WLTP-Brake Cycle與我國(guó)輕型車使用規(guī)律是否相對(duì)應(yīng)，進(jìn)而探索適合我國(guó)國(guó)情的測(cè)試循環(huán)。

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2020-10-19