汽油機(jī)催化器臺(tái)架快速老化研究

方晨 錢(qián)人杰 楊名名

摘要：按照國(guó)家輕型車(chē)排放法規(guī)對(duì)于整車(chē)的耐久性要求，臺(tái)架快速老化可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)催化器在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上或試驗(yàn)跑道進(jìn)行的耐久性試驗(yàn)所達(dá)到的同等熱老化?；谂_(tái)架標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)（SBC），研究快速老化試驗(yàn)流程以及完成等同于整車(chē)20萬(wàn)公里耐久的臺(tái)架快速老化試驗(yàn)。使用臺(tái)架老化耐久，催化器的熱負(fù)荷更高，老化時(shí)間可大幅度縮短;但高熱負(fù)荷會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命產(chǎn)生影響，同時(shí)該方法在認(rèn)證過(guò)程中也存在一定的局限性。

Abstract： According to durability requirements from light passenger and commercial vehicles regulations， the vehicle's catalyst could be conducted the same amount of deterioration on bench instead of dynamometer or test track. Based on standard bench cycle （SBC）， the bench ageing procedure was studied. And a catalyst aging test was conducted on the bench， which was referenced to 200 000 km. Within higher catalyst temperature on bench， the aging time was much lower. But high heat load will affect the engine's full useful life， meanwhile， the method is used in certification tests with certain limits.

關(guān)鍵詞：汽油機(jī);催化器;快速老化;SBC

Key words： gasoline engine;catalyst;rapid aging;SBC

中圖分類(lèi)號(hào)：U464.17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）08-0017-03

0? 引言

隨著大氣污染防治力度的不斷加大，大家逐漸意識(shí)到汽車(chē)已經(jīng)成為我國(guó)移動(dòng)污染源的主要貢獻(xiàn)者。其中柴油車(chē)NOX和PM排放量超過(guò)汽車(chē)排放總量的80%，汽油車(chē)CO和HC排放量超過(guò)汽車(chē)排放總量70%[1]。目前，全球汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)以歐洲體系、美國(guó)體系和日本體系為主，其中以歐美體系被廣泛采納。我國(guó)輕型汽油車(chē)的排放法規(guī)一直沿用歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)，并于2005年初次引入整車(chē)8萬(wàn)公里耐久性試驗(yàn)。發(fā)展到目前國(guó)六階段，要求在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上或試驗(yàn)跑道進(jìn)行的16萬(wàn)公里（6a階段）以及20萬(wàn)公里耐久性試驗(yàn)（6b階段）[2-4]。

基于催化轉(zhuǎn)化器的熱老化原理，可通過(guò)調(diào)節(jié)空燃比，提高催化器溫度，縮短老化試驗(yàn)時(shí)間，這也就是臺(tái)架快速老化方法。2008年7月18日，歐盟通過(guò)了（EC）No692/2008法規(guī)[5]，即歐5/6技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架循環(huán)（Standard Bench Cycle. SBC），正式允許使用臺(tái)架快速老化方法取代整車(chē)轉(zhuǎn)轂?zāi)途?。與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架循環(huán)相比，許多公司[6-8]老化時(shí)的催化器溫度更高，也能更快的完成熱老化。

1? 臺(tái)架快速老化原理

臺(tái)架快速老化法是通過(guò)將催化器和氧傳感器急速熱老化，以再現(xiàn)車(chē)輛行駛所需求的耐久公里數(shù)的后處理排放狀態(tài)。目前臺(tái)架主要通過(guò)補(bǔ)氣、斷油[9]兩種方法實(shí)現(xiàn)催化器溫度在遠(yuǎn)高于正常行駛溫度，運(yùn)行此類(lèi)循環(huán)以實(shí)現(xiàn)臺(tái)架快速老化。SBC是一個(gè)60s的循環(huán)，在所要求的時(shí)間段內(nèi)，在老化臺(tái)架上按照需求重復(fù)該循環(huán)，以完成老化試驗(yàn)。根據(jù)控制催化劑溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)空氣/燃料比（A/F）和添加在催化劑前的二次空氣噴射量來(lái)規(guī)定SBC循環(huán)，試驗(yàn)循環(huán)如表1所示。

快速老化系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、快速老化控制系統(tǒng)、空燃比儀、二次壓縮空氣控制裝置、排氣測(cè)量流量計(jì)、氣動(dòng)排氣背壓調(diào)節(jié)閥等組成?？焖倮匣到y(tǒng)與臺(tái)架控制軟件系統(tǒng)進(jìn)行集成，如圖1所示。按照工況進(jìn)行編程控制二次空氣噴射，對(duì)其噴射時(shí)間和噴射量進(jìn)行控制，同時(shí)外接寬氧傳感器對(duì)噴射后的過(guò)量空氣系數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

2? 臺(tái)架快速老化適用范圍

在認(rèn)證試驗(yàn)中，快速老化適應(yīng)于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)，包括使用催化轉(zhuǎn)化器作為主要后處理排放控制裝置的混合動(dòng)力汽車(chē)。若與進(jìn)行了整車(chē)耐久性試驗(yàn)的車(chē)型相比，試驗(yàn)車(chē)輛僅污染控制裝置的變化超出了GB18352.6-2016中6.3規(guī)定的擴(kuò)展條件，但不能作為基礎(chǔ)車(chē)型。認(rèn)證期間可以采用標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架循環(huán)（SBC）或者是經(jīng)環(huán)境保護(hù)主管部門(mén)認(rèn)可的其他替代循環(huán)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。

3? SBC試驗(yàn)流程

與整車(chē)在試驗(yàn)場(chǎng)或者轉(zhuǎn)轂上的耐久試驗(yàn)相比，使用臺(tái)架老化耐久，催化器的熱負(fù)荷更高，催化器的老化時(shí)間更短，SBC試驗(yàn)流程如圖2所示。通過(guò)在催化器最高溫度處安裝的溫度傳感器，收集車(chē)輛2次標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)（SRC）和臺(tái)架SBC循環(huán)20分鐘的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算臺(tái)架老化時(shí)間（The Bench Ageing Time .BAT）。以臺(tái)架實(shí)際老化時(shí)間是否達(dá)到BAT的95%作為達(dá)到老化效果的判斷依據(jù)。

3.1 確定SBC基準(zhǔn)溫度

運(yùn)行SBC循環(huán)20min，以1Hz頻率記錄試驗(yàn)過(guò)程中的催化器溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)，如圖3所示。溫度數(shù)據(jù)整體上在符合循環(huán)設(shè)定要求，在可接受范圍內(nèi)波動(dòng)?；诎⒗勰釣跛梗ˋrrhenius）方程[10]，定義基準(zhǔn)溫度為臺(tái)架老化期間經(jīng)歷不同溫度所產(chǎn)生相同老化效果的某一恒定溫度。統(tǒng)計(jì)臺(tái)架耐久各頻段內(nèi)溫度所占時(shí)間的總和，通過(guò)不斷的調(diào)整基準(zhǔn)溫度，使得阿累尼烏斯方程式計(jì)算出來(lái)的SBC時(shí)間與臺(tái)架耐久實(shí)際運(yùn)行的時(shí)間相等，基準(zhǔn)溫度計(jì)算公式如式（1）所示。該基準(zhǔn)溫度與SRC試驗(yàn)數(shù)據(jù)一起，用于實(shí)現(xiàn)整車(chē)耐久公里數(shù)與臺(tái)架耐久小時(shí)數(shù)的轉(zhuǎn)換。

式中：Tr為SBC基準(zhǔn)溫度，K;R為催化器熱反應(yīng)系數(shù)，17500;ti為SBC溫度采集頻次，次/s;tSBC為SBC試驗(yàn)時(shí)間，s;TSBC為SBC催化器溫度，K。

3.2 計(jì)算臺(tái)架老化時(shí)間（BAT）

臺(tái)架老化時(shí)間（BAT）方程，是由SBC基準(zhǔn)溫度相對(duì)于兩個(gè)SRC循環(huán)內(nèi)各個(gè)溫度框的等效老化時(shí)間累加，并乘以該時(shí)間校正到正常壽命的時(shí)間系數(shù)，如式（2）所示。根據(jù)熱老化機(jī)理，SBC基準(zhǔn)溫度越高，BAT越小。程建康[11]發(fā)現(xiàn)， SBC和SRC溫度的分組步長(zhǎng)越小，BAT結(jié)果越準(zhǔn)確。整體上，在法規(guī)要求的SRC和SBC步長(zhǎng)分別在25℃、10℃以內(nèi)變化時(shí)，步長(zhǎng)對(duì)BAT的影響在±1%以內(nèi)，屬于可接受范圍內(nèi)。

式中：BAT為總臺(tái)架老化時(shí)間，h;A為非熱老化因素對(duì)催化器老化時(shí)間影響因子，1.1;th為各個(gè)溫度框校正到正常壽命的時(shí)間，h;R為催化器熱反應(yīng)系數(shù)，17500;Tr為SBC基準(zhǔn)溫度，K;Tv為SRC溫度框，K。

4? 臺(tái)架快速老化試驗(yàn)驗(yàn)證

以某車(chē)型在整車(chē)耐久轉(zhuǎn)轂上連續(xù)運(yùn)行的兩個(gè)SRC循環(huán)為例，該車(chē)車(chē)速、催化器溫度曲線如圖4所示。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到的兩個(gè)循環(huán)時(shí)間為1.187h，里程為89.044km。按照法規(guī)要求對(duì)SRC試驗(yàn)溫度的25℃步長(zhǎng)進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5所示。

以20萬(wàn)公里作為全壽命耐久里程數(shù)所折算的SBC試驗(yàn)時(shí)間為659.7h，與轉(zhuǎn)轂?zāi)途妙A(yù)計(jì)所需的2666.0h相比，試驗(yàn)周期縮短四分之三，老化時(shí)間計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。進(jìn)行快速老化過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于高負(fù)荷高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣管路及各種傳感器的壽命產(chǎn)生重要影響。需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及系統(tǒng)進(jìn)行定期保養(yǎng)，要求每200小時(shí)更換發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油、冷卻液、溫度傳感器和氧傳感器。

5? 結(jié)論

①通過(guò)兩次SRC和SBC試驗(yàn)20分鐘測(cè)試，收集催化器最高溫度處溫度數(shù)據(jù)，得出SRC、SBC各溫度頻段內(nèi)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，得出等同于試驗(yàn)車(chē)型20萬(wàn)公里耐久的臺(tái)架快速老化時(shí)間。②按照國(guó)內(nèi)輕型車(chē)排放法規(guī)要求，目前臺(tái)架快速老化使用具有一定的局限性，僅適用于部分?jǐn)U展車(chē)型，市場(chǎng)使用范圍在逐漸擴(kuò)大。

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