SRC工况下轻型车排气温度特征分析

孙 龙，李孟良，史广宝，雷利刚，张建伟

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

标准GB 18352.5—2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》对轻型汽车污染物控制装置耐久性的考核进行了明确的规定，要求最大总质量超过3 500kg但基准质量不超过2 610kg的M1，M2和N2类汽车应进行污染控制装置耐久性试验，即按照指定测试工况（SRC工况或AMA工况）在道路或底盘测功机上进行160 000km耐久性试验。从试验开始，每隔10 000km（±400km）或更短的行驶里程，以固定的间隔直到160 000km，进行Ⅰ型试验，测量排气污染物。将所有的排气污染物的测量结果作为行驶距离的函数进行绘图，并计算每一种排气污染物的劣化系数，对污染控制装置的性能进行考核［1］。

常温下三元催化转化器不具备催化能力，其催化剂必须加热到一定温度才具有氧化或还原的能力，通常催化转化器的起燃温度在250～350℃，正常工作温度一般在400～800℃［2－4］。催化转化器工作时产生的热量越高，氧化的温度也越高，当温度超过1 000℃时，其内涂层的催化剂就会烧结损坏，同时也极易发生车辆自燃事故，严重影响车辆的尾气污染物排放。所以必须注意控制造成排气温度升高的各种因素，如点火时间过迟或点火次序错乱、断火等，这都会使未燃烧的混合气进入催化反应器，造成排气温度过高，影响催化转化器的效能［5－8］。

本研究测试了试验样车在底盘测功机上按照SRC工况运行时的排气温度，研究该工况下的排气温度分布特征，并分析研究典型小工况下的排气温度变化特征，对车企和检验机构进行污染控制装置耐久性试验及相关试验具有重要的参考价值。

1 试验方案设计

将试验样车固定在底盘测功机上，利用计算机发出指令控制自动驾驶仪，车辆按照标准GB 18352.5—2013中Ⅴ型试验的法规工况SRC运行4个循环。在试验样车两级催化器之间打孔安装温度传感器，测量车辆排气温度的瞬时数据，数据采集频率为1Hz。试验运行过程中，在车辆前端安装冷却风机模拟车辆在实际道路上行驶时的风冷条件。图1示出了排气温度测试设备。

2 试验参数设定

2.1 试验样车转毂阻力设定

试验样车在底盘测功机上以80km／h速度匀速行驶30min，对车辆和底盘测功机进行充分热机［9］。将车辆在实际道路上进行滑行试验获得的道路阻力系数设置在底盘测功机控制软件中，在底盘测功机上进行3次滑行试验［10－12］。滑行试验完成后，底盘测功机控制软件自动计算出车辆在底盘测功机上运行时的转毂阻力系数［13］。

图2a示出了3次滑行试验的转毂阻力曲线和车辆道路阻力曲线，图2b示出了3条转毂滑行阻力与实际道路阻力的差值，在底盘测功机上进行滑行试验得到的滑行阻力与实际道路阻力的绝对差值不超过5N，滑行得到的阻力参数完全可以模拟车辆的实际道路阻力。

车辆实际道路阻力系数与在底盘测功机上滑行试验的转毂阻力系数见表1。

表1 车辆道路阻力系数和在底盘测功机上的转毂阻力系数

2.2 测试车辆

试验样车为一辆进行污染控制装置国Ⅴ排放水平耐久性试验的车辆，样车加注92号国Ⅴ汽油，试验样车具体参数见表2。

表2 测试车辆基本参数

3 测试工况及数据测量

3.1 测试工况

样车按照GB 18352.3—2013中Ⅴ型试验法规工况——标准道路循环（SRC）运行。一个SRC工况由7个6km的小循环组成，总共42km。SRC工况规定了具体的加减速要求，即列出了车辆每一个时间段的速度，同时给出了对应的加速度值。SRC工况曲线见图3。

3.2 工况运行

利用安装固定在座椅上的自动驾驶仪，按照控制软件上的工况学习操作步骤对车辆油门、制动踏板的位置进行机器人学习设定，并运行学习工况，检验自动驾驶仪控制车辆的工况跟踪情况［14－15］。图4示出了自动驾驶仪控制车辆运行的4个SRC循环。

3.3 数据测量

在测试车辆的两级催化器之间打孔并安装温度传感器，测量车辆运行SRC工况的排气温度，通过集成在底盘测功机上的数据采集设备以1Hz的频率将排气温度数据记录下来。同时，利用底盘测功机上的速度传感器记录车辆实际行驶速度。

4 试验数据整理与分析

4.1 工况跟踪重复一致性

为了研究重复运行SRC工况时车辆排气温度的特征，需要保证试验跟踪工况具有很好的重复一致性。本试验使用自动驾驶仪控制车辆连续运行4个SRC循环，来确保重复工况的一致性。选取车辆实际运行时第2个和第3个测试循环下的车速，将速度绘制成图5所示的散点图。图中速度散点区域上方和下方的两条虚线分别是速度点分布的两条边界线。

本次测试的第2个和第3个测试循环的速度散点拟合曲线相关系数平方R2为0.995，并且随着车速的提高，两条边界线逐渐收敛，延伸方向呈现相交趋势。选取的两个循环的速度点逐步集中分布在线性回归直线（图5中间细实线）两侧，当速度高于80km／h时，速度点比较密集地分布在回归直线两侧（图中椭圆区域）。因此，采用自动驾驶仪控制车辆的运行，其工况跟踪的重复一致性非常高。

4.2 排气温度重复一致性

车辆重复运行SRC工况时，排气温度的重复一致性可以反映车辆在进行160 000kmⅤ型试验的过程中，三元催化器温度变化的差异。选取第2个和第3个循环下的排气温度绘制成排气温度散点图（见图6）。

两个测试循环下排气温度散点非常密集地分布在拟合直线两侧，其相关系数的平方R2为0.988，具有很高的重复一致性。这说明试验样车在阻力相同的条件下重复运行SRC工况，其排气温度的重复一致性非常好，具有相同的变化规律。因此，可以推测，车辆运行SRC工况进行污染控制装置耐久性试验时，催化器温度随着SRC工况重复运行呈现周期性变化。

4.3 排气温度分布与工况的关系

4.3.1 排气温度与速度的关系

为了研究排气温度与速度的关系，按照10km／h的速度间隔将速度分成14个速度区间，计算各个速度区间内排气温度平均值，绘制出不同速度区间平均温度柱状图（见图7）。

在SRC工况下，车辆排气温度在低速和高速区间平均温度稳定，中速区间平均温度随车速的提高而逐渐升高。速度低于60km／h的各个速度区间内的平均温度基本相同，其平均温度在630℃左右。60～110km／h速度范围内各个区间内的平均温度随着车速提高逐渐升高，平均温度范围为641～789℃。高于110km／h的速度区间内平均温度基本相同，其平均温度在832℃左右。

4.3.2 排气温度分布

工作温度是影响三元催化反应器性能的主要因素，一般三元催化反应器的理想工作温度在400～800℃之间。将4个SRC工况下的排气温度按照50℃的温度间隔进行区间划分，计算统计出每个区间内排气温度的数量，排气温度的区间分布及累计分布见图8。

由图8可见，排气温度主要分布在650～800℃温度范围内，该温度区间所占比例达到79%，此区间温度累计曲线斜率明显高于其他区间曲线斜率。800℃以上温度区间占12%，最高排气温度不超过1 000℃，未超过上极限温度，不会产生过度老化。由此可以看出，车辆在运行SRC工况时，其排气温度主要分布在三元催化器转化效率较高的区间内，车辆可以有效转化污染物，不会发生过度老化。

4.3.3 排气温度与瞬时车速的关系

试验样车按照SRC工况运行，其排气温度随着瞬时车速的变化发生变化。图9示出了车辆在一个SRC循环工况下车辆排气温度与瞬时车速曲线。

在SRC工况7个小循环中，车辆排气温度随着车速变化呈现一些相似的变化特征。每个小循环下的温度变化曲线呈现出一个左峰高于右峰的“M”形状。在每一个“加速—匀速—减速—加速—匀速—减速”的工况变化过程中，车辆排气温度呈现“急剧升高—达到峰值—缓慢衰减式下降至某一稳定温度—再急剧升高—达到另一个峰值—缓慢衰减式下降至另一稳定温度”的变化过程。

车辆由怠速工况加速到匀速工况时，匀速工况车速越高，该小循环内所达到的车辆排气温度峰值越高。SRC工况中车辆的最高排气温度出现在第6个小循环中，其温度为874.3℃，该小循环内车辆由怠速工况加速到匀速工况后，其速度值为105km／h。

4.3.4 典型小循环下排气温度变化分析

在SRC工况下，车辆排气温度变化随工况变化具有相似性。选取了SRC工况中的两个连续小循环，对典型小循环下的排气温度进行分析。图10示出了所选的两个连续典型小循环的排气温度。

由图10可见，在第1个小循环中，车辆由加速工况（A）变成匀速工况（B）时，其排气温度急剧上升并达到峰值温度782.3℃，在车辆按照匀速工况（B）运行一段时间后，排气温度由峰值温度逐渐衰减下降并稳定在620℃左右；车辆运行至短减速工况（C）时，其排气温度没有明显变化；车辆从短加速工况（D）运行至匀速工况（E）时，其排气温度又呈现出与A－B段相同的变化趋势，但达到的峰值温度为701.3℃，低于A－B段的峰值温度；车辆运行在长减速工况（F）时，排气温度没有明显变化。第2个小循环中的排气温度变化与第1个小循环的排气温度变化相似，但对应的峰值温度分别为804.3℃和723.5℃，高于第1个小循环中对应峰值温度。

加速工况下车辆排气温度急剧升高，主要是该工况下车辆负荷增大，油门开度变大，发动机供油系统按需增加供油量，发动机燃烧了更多燃料来满足车辆加速要求，从而使车辆在该工况下排气温度急剧升高。

当车辆加速后按照匀速工况运行时，车辆处于一个稳态工况，发动机供油系统按照此时车辆稳态工况要求，定量供给发动机燃油维持车辆的这种状态，车辆在冷却系统的作用下，排气温度呈现先急后缓的下降变化，逐渐下降并维持在三元催化器转化效率较高的温度区间内，直至运行工况发生变化。

在小循环中匀速工况结束并依次运行短减速、短加速工况时，车辆排气温度会出现一个短暂急剧上升的过程，但该阶段温度峰值低于上阶段加速过程后温度峰值，这主要是该阶段高负荷下加速工况持续时间较短，多供油时间较短，车辆排气温度上升幅度也低于上阶段温度峰值。

第1个和第2个小循环中车辆最高排气温度都出现在长加速工况结束后（如图M点，N点）。加速工况持续的时间越长，发动机供油系统供给的燃油越多，车辆排气温度峰值越高。因此，车辆应该尽量减少长时间运行加速工况。

5 结论

a）车辆重复运行SRC工况时，其排气温度变化规律是相同的，且一致性好；车辆运行SRC工况进行排放控制装置耐久性试验时，催化器的工作温度随SRC工况重复运行呈现周期性变化；

b）SRC工况7个小循环中，车辆排气温度随车速变化呈现相似的变化特征；每个小循环下的温度变化曲线呈现出左峰高于右峰的“M”形状；

c）加速工况持续时间越长，发动机供油越多，车辆排气温度峰值会越高；应该尽量减少长时间加速工况，避免车辆排气温度过高，导致三元催化装置毁灭性的损伤；

d）车辆运行SRC工况时，其排气温度主要分布在650～800℃之间，所占比例达79%；排气温度主要分布在三元催化器转化效率较高的区间内，使其能够有效转化污染物；

e）在SRC工况下，车辆排气温度在低速区间（低于60km／h）和高速区间（高于110km／h）平均温度较稳定，中速区间（60～110km／h）平均温度随车速逐渐升高。

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