于津涛,熊兴旺,肖广宇
(中国汽车技术研究中心,北京 100176)
耐久试验中不同测试循环下排放规律研究
于津涛,熊兴旺,肖广宇
(中国汽车技术研究中心,北京 100176)
采用标准台架循环(SBC)和标准道路循环(SRC)两种方式,分别对催化器进行耐久试验,并在不同耐久里程时分别进行排放试验。采用SBC方式时,随耐久里程增加,CO排放无明显变化,NOx明显增大,THC有小幅增大;CO瞬态曲线由单峰态变为双峰态,双峰态峰值小于单峰态峰值;NOx为双峰态,第1个峰值总体上呈增大趋势,第2个峰值无明显规律;THC为明显的单峰态,峰值总体上呈增大趋势。采用SRC方式时,随耐久里程增加,CO排放明显增大,NOx也呈增大趋势,THC先增大后减小;CO瞬态曲线始终为单峰态,峰值呈增大趋势;NOx为双峰态,第1个峰值与第2个峰值总体上均呈增大趋势;THC为明显的单峰态,峰值先增大后减小。
标准台架循环;标准道路循环;耐久试验;瞬态排放
国Ⅴ排放法规耐久性试验中引入了标准道路循环(SRC)和标准台架循环(SBC)[1]。热劣化是催化转化器劣化的主要原因,根据阿氏方程计算结果可知,催化器在SBC方式中持续保持高温状态一段时间可以获得与SRC方式同等的热劣化效果[2]。使用SBC台架循环替代SRC道路耐久循环,可缩短试验周期、节省费用,优势明显。
有研究表明,台架劣化后的三元催化器催化CO,NOx和HC的起燃温度都升高,且HC的转化效率明显降低[3-4]。龚金科等的仿真结果表明:催化器特征转化率在老化初期快速下降,之后缓慢变化;且催化器快速老化前大部分气体污染物在载体前得到净化,而快速老化后,部分污染物在催化器载体后部才能得到净化[5]。利用二次空气喷射进行台架耐久试验,小排气流量时失活区域在催化器入口附近,而大排气流量会导致失活区域位置后移[6]。文献[7]对比了SRC与SBC耐久试验方式对催化器劣化程度的影响,其中HC和CO在耐久试验中劣化趋势无明显差异,而NOx差异显著,且SBC方式劣化程度大于SRC方式劣化程度。
针对市场需求,本研究专门开发了一套满足国Ⅴ标准的催化器耐久试验二次空气喷射系统[8]。基于开发的二次空气喷射系统,比较了标准台架循环耐久方式和标准道路循环耐久方式下CO,NOx和THC的比排放量与瞬态排放变化趋势。
本研究选用2个相同型号的催化器,标记为A和B,分别用于SBC耐久试验和SRC耐久试验。SBC耐久试验中选用某当量比燃烧直喷汽油机对催化器进行劣化,根据BAT方程计算老化时间,再转化为对应的耐久里程,本研究统一用SBC耐久里程来代替SBC老化时间。每到一定耐久里程,用某型号乘用车装载催化器A进行排放试验。SRC试验中始终用该乘用车装载催化器B在底盘测功机上进行耐久试验,每隔一定耐久里程,进行排放试验。试验中所用燃料均为95号汽油。
1.1试验设备及仪器
试验中所用的催化器A和B的性能参数见表1。SBC耐久试验中老化用发动机性能参数见表2。试验中所用的乘用车的性能参数见表3。试验中所用的测试仪器见表4。
表1 催化器性能参数
表2 SBC老化用发动机性能参数
表3 试验车辆发动机性能参数
表4 主要测试仪器及设备
1.2试验方案
单个SBC循环持续60 s,在台架上按需要重复该循环进行老化试验。SBC耐久试验中,耐久里程从0 km至40 000 km,每隔10 000 km,按照GB 18352.5—2013规定进行Ⅰ型试验,采用CVS稀释系统对排气进行稀释,采用气体分析仪测量各排放物。SRC耐久试验中,耐久里程从0 km至40 000 km,同样每隔10 000 km进行Ⅰ型试验。图1示出Ⅰ型试验全程车速曲线。
图1 Ⅰ型试验循环车速曲线
2.1Ⅰ型试验比排放结果对比
为对比SBC和SRC耐久试验中各排放物比排放量的变化趋势,定义相对比排放量:
式中:L为相对比排放量;mi为排放污染物在相应耐久里程时的比排放量,i=0,10 000,20 000,30 000,40 000 km;m0为0 km时的排放。
图2至图4分别示出SBC和SRC方式下0~40 000 km耐久里程对应的CO,NOx和THC相对比排放统计。
图2 SBC与SRC耐久试验中CO相对排放
图3 SBC与SRC耐久试验中NOx相对排放
图4 SBC与SRC耐久试验中THC相对排放
由图2可以看出,CO比排放在SBC耐久方式中随耐久里程增加无明显变化,在SRC耐久方式中随耐久里程增加而增大趋势明显。
由图3可以看出,NOx比排放在SBC耐久方式中随耐久里程增加而明显增大,在SRC耐久方式中随耐久里程增加也呈现出增大的趋势,但增大的幅度小于SBC耐久方式。
由图4可以看出,THC比排放在SBC耐久方式中随耐久里程增加而表现出小幅增大的趋势,在SRC耐久方式中随耐久里程增加呈现出先增大后减小的趋势。
综合以上分析可得出,CO在SRC耐久方式中的劣化趋势明显,NOx在SBC耐久方式中劣化趋势明显,THC在SBC耐久方式中表现出一定的劣化趋势。在本试验中可以观察到,40 000 km耐久里程内,单独SBC或SRC耐久方式不能保证CO,NOx和THC同时表现出劣化趋势。
2.2瞬态排放性能对比
汽车冷起动后,未经过充分暖机,会造成发动机初始排放较高,且三元催化器未达到起燃温度,因此催化器后排放较高。催化器起燃后有80%以上的转化效率[9],催化器后的排放会大大降低。图5示出0 km时整车加装催化器B进行Ⅰ型试验,气体分析仪采集的典型CO,NOx和THC瞬态排放曲线。
图5 Ⅰ型试验中典型排放物瞬态曲线
从图5中可以看出,在Ⅰ型试验循环的首个市区循环中,各排放物均出现了瞬态高峰值,之后排气温度升高逐渐达到三元催化器起燃温度,所以各污染物都有较大程度降低。由此可见,首个市区循环中的瞬态排放性能对试验总排放影响较大,为了对比经SBC和SRC两种劣化方式老化后的催化器的瞬态排放特性,采集Ⅰ型试验循环的首个市区循环瞬态排放曲线,并进行比较。
图6示出SBC及SRC试验下各耐久里程时Ⅰ型试验循环第1个市区循环的车速曲线。
从图6可以看出,几次排放试验中首个市区循环的车速曲线一致性较好,因此近似认为所有Ⅰ型试验中三元催化器前的整车原始瞬态排放一致。则催化器之后的瞬态排放曲线是原始排气经处于不同劣化阶段的催化器转化后的瞬态排放。
图6 Ⅰ型试验循环中首个市区循环车速曲线
2.2.1CO瞬态排放对比
图7和图8分别示出SBC与SRC耐久过程中排放试验的首个市区循环中CO瞬态排放曲线。为方便对比大小,将瞬态峰值在图中单独列出。
图7 SBC方式下不同耐久里程时CO瞬态排放曲线
图8 SRC方式下不同耐久里程时CO瞬态排放曲线
从图7和图8中可以看到:
1) SBC耐久方式下0 km和10 000 km时CO瞬态曲线为单峰态,而20 000 km,30 000 km,40 000 km时瞬态曲线为双峰态,且峰值大小均小于0 km和10 000 km时的峰值;
2) SRC耐久方式下,CO瞬态曲线始终为单峰态,且峰值随耐久里程增加而增大。
2.2.2NOx瞬态排放对比
从图5观察到NOx瞬态排放曲线中存在2个明显峰值。图9和图10分别示出SBC与SRC耐久方式下排放试验的首个市区循环NOx瞬态排放曲线。
图9 SBC方式下不同耐久里程时NOx瞬态排放曲线
图10 SRC方式下不同耐久里程时NOx瞬态排放曲线
从图9和图10中可以看出:
1) SBC耐久方式下,NOx排放曲线第1个峰值总体上随耐久里程增加而增大,但第2个峰值的大小随耐久里程增加并未表现出明显规律;在0~30 000 km时,第1个峰值与第2个峰值差别不大,但在40 000 km时,第1个峰值明显大于第2个峰值;
2) SRC耐久方式下,NOx排放曲线第1个峰值总体上随耐久里程增加而增大,第2个峰值的大小总体上也呈现出随耐久里程增加而增大的趋势。在0~30 000 km时,第1个峰值与第2个峰值差别不大,但在40 000 km时,第1个峰值明显小于第2个峰值。
2.2.3THC瞬态排放对比
图11和图12分别示出SBC与SRC耐久过程中排放试验的首个市区循环THC瞬态排放曲线。
从图11和图12中可以看出:
1) SBC耐久方式下,THC排放曲线为明显的单峰态,总体上峰值大小随耐久里程增加而呈现出增大的趋势;
2) SRC方式下THC排放曲线也为明显的单峰态,峰值与比排放变化规律基本一致,即随耐久里程增加先增大后减小。
图11 SBC方式下不同耐久里程时THC瞬态排放曲线
图12 SRC方式下不同耐久里程时THC瞬态排放曲线
在SBC耐久方式下,随耐久里程增加,排放测试结果表现出如下规律:
a) CO比排放无明显变化趋势;NOx比排放明显增大;THC比排放有小幅增大的趋势;
b) CO瞬态曲线由单峰态变为双峰态,双峰曲线峰值小于单峰曲线峰值;NOx曲线为双峰态,第1个峰值总体上呈增大的趋势,第2个峰值无明显规律;THC曲线为明显的单峰态,总体上峰值呈增大的趋势。
在SRC耐久方式下,随耐久里程增加,排放测试结果表现出如下规律:
a) CO比排放增大趋势明显;NOx比排放也呈现出增大的趋势,但增大的幅度小于SBC耐久方式;THC比排放呈现出先增大后减小的趋势;
b) CO瞬态曲线始终为单峰态,峰值呈增大趋势;NOx曲线为双峰态,第1个峰值与第2个峰值总体上均呈增大的趋势;THC曲线为明显的单峰态,峰值呈先增大后减小的趋势。
[1] 国家环境保护总局.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)[S].北京:中国环境科学出版社,2013.
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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
于津涛(1978—),男,高级工程师,硕士,研究方向为发动机及整车排放;yujintao@catarc.ac.cn。
熊兴旺(1989—),男,助理工程师,硕士,研究方向为发动机排放与建模;xiongxingwang@126.com
10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.013
TK427
B
1001-2222(2017)05-0068-05
[编辑: 袁晓燕]