轻型车制动磨损颗粒物排放与测试

钱国刚，孙 龙，付铁强，吴 迪Qian Guogang，Sun Long，Fu Tieqiang，Wu Di

轻型车制动磨损颗粒物排放与测试

钱国刚，孙 龙，付铁强，吴 迪
Qian Guogang，Sun Long，Fu Tieqiang，Wu Di

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

美、欧研究显示，传统动力下LDV（Light Duty Vehicle，轻型车）制动磨损颗粒物的排放量为5～7 mg/km，此值高于国6b排放标准Ⅰ型试验PM（Particulate Matter，颗粒物）限值。车辆技术配备是关键影响因素，制动能量回收可以显著降低PM排放数值，采用NAO（Non Asbestos Organic friction material，非石棉有机物混合纤维摩擦材料）技术相比少金属衬片配置的车辆其PM排放量会降低。虽然在2018年有关制动器衬片的标准规定了一部分危害身体健康的物质含量上限，但对人体危害显著的元素锑Sb却未在列，相关标准规范亟需补充。欧盟的测试方法已基本完成框架搭建和要素设定，预计2022年发布法规标准。在制动磨损测试中，速度循环、环境温度和冷却风设定对测量值有影响，分析WLTP-Brake Cycle（World Light-duty Vehicle Test Procedure-brake Cycle，全球轻型车测试规程-制动工况）是否符合我国轻型车使用规律。

制动磨损；制动磨损颗粒物排放；测试方法；WLTP-Brake Cycle；轻型车

0 引 言

轻型乘用车的一次PM（Particulate Matter，颗粒物）排放主要来源除了尾气，还有非金属旋转/运转件与其摩擦副间的磨损，包括制动摩擦副、轮胎与路面间的摩擦副、干式双离合变速器的摩擦盘、驱动发动机附件的传动皮带等。近年来，对制动盘和制动器衬片摩擦副产生的PM10、PM2.5排放研究取得了进展，行业监管举措已在酝酿中。

1 制动磨损排放量

美、欧研究显示，乘用车有显著的PMBW（Brake Wear Particulate Matter Emissions，制动磨损排放），其排放量与尾气一次PM排放当前限值大体相当。

1983年美国已研究评估制动磨损的颗粒物排放量[1]。CARB（California Air Resource Board，美国加州空气资源局）采用EMFAC（Emission Factor, 排放因子）模型来计算各城市地区的移动源排放量，服务于该州的空气监管目标。为了给该模型的202x版本设定PMBW因子，2020年CARB测试了6款代表性车辆的制动磨损[2]，发现有/无制动能量回收的车辆存在差异；HEV（Hybrid Electric Vehicle，混合动力电动汽车）减速时，得益于驱动电机制动能量回收提供的负扭矩，制动器摩擦副的负担减少。对应有/无制动能量回收，式（1）、式（2）分别给出了PMBW因子基数[2]。

式中：PMBWN_RG和PMBWRG分别为无制动能量回收车型和有制动能量回收车型的PMBW因子，mg/mile；DO为车辆总里程，mile。式（1）、式（2）换算成公制单位后的数值规律如图1所示，制动回收功能使车辆制动磨损量减少超过50%。图中横轴为总里程，纵轴为制动磨损因子。

总里程值DO通常对应车辆的购置年份。近年来，少金属衬片配置的份额逐步被NAO（Non Asbestos Organic friction material，非石棉有机物混合纤维摩擦材料）取代，NAO制动磨损较低。

图1 有/无制动回收功能的车辆制动磨损

CARB对PMBW赋值几经变更，2007年之前采用EPA（Environment Protect Agency，美国环保局）评估办法，前、后各两轮的轻型乘用车PMBW取值为12.8 mg/mile，如式（3）所示。

式中：为PM10和PM2.5在总磨损物中的占比，取值约为31%；为Raleigh city（美国罗利市）驾驶循环下每英里制动次数的平均值，取值5.1；由于制动时前轮负荷大体为后轮的2.3～2.4倍，则式（3）中前轮排放率取值2.43大于后轮取值1.68[3]110。

2011年，CARB研究推算出轻型乘用车的制动磨损典型值为34 mg/mile[3]110，后调为37.5 mg/mile，换算后为23.3 mg/km。这个调整基于两方面考虑：（1）半金属/少金属衬片在美国轻型乘用车市场的占有率升至73%，但耐磨损性能不及石棉材料衬片；（2）LA92（Los Angeles 92，洛杉矶1992年）循环作为加州行驶特征代表，其制动时车速、制动频次和负加速度比美国罗利市循环更激烈。2020年基于6款实车测试得出的排放值如式（1）、式（2）所示，颠覆了前述估值。

欧盟在2014年汇总了1995～2012年共9家机构测评的数据，平均值为6.7 mg/km。

制动磨损的影响因素包括车辆载荷和车速。加州通过一个由中速、高速、低速3个片段组合而成的4.1 h速度循环下的制动磨损PM排放量试验，结果给出了各速度段的单位里程排放值与整体综合值之间的比例关系，定义了SCF（Speed Correction Factor，速度修正因子）随车速的变化规律，如图2所示。从单位里程角度看，激烈加、减速情况在车速为21～69 km/h时相对频繁，制动摩擦副的摩擦生热大于空气风冷携热速率，容易出现制动摩擦副高温和制动排放PM偏高的倾向，此时修正因子最高范围为1.9～2.0。高速片段下，制动摩擦副风冷相对充分，单位里程下的激烈加、减速频率相对较低，则速度修正因子较低。

图2 速度修正因子

环境温度既影响制动磨损PM的生成量，又影响PM的粒径分布。如前所述，摩擦副的材料影响制动磨损PM，NAO材料制动磨损低于少金属衬片。

2 制动磨损PM分析

在分析制动磨损对人体和生物体的危害时，成分和粒径是关键维度。

2.1 制动磨损PM的成分

制动磨损中PM2.5及PM10的成分见表1，大于PM10的颗粒物成分与之类似，含碳物质主要有多环芳烃、正烷烃、正链烷酸、苯甲醛。

表1 制动磨损中PM2.5及PM10成分[4]9

GB 5763—2018《汽车用制动器衬片》[5]中规定：不得含有石棉，并且Cd的质量分数不得高于0.01%，而6价Cr、Pb和Hg的质量分数不得高于0.1%。

除了有机成分、水溶性离子和无机碳元素，金属元素也是制动磨损PM的主要成分之一。图3为10款制动器样品中制动磨损颗粒物PM10中的金属成分[6]。图中第2号、3号样本为某车型的前轮制动器及后轮制动器，Cu元素显著；其中Sb2O3疑似肺致癌物，在Sb排放方面，少金属衬片优于半金属衬片，在同一样品中，以Fe元素为比较基准，半金属衬片中Sb与Fe之比为1%～2%，在少金属衬片中Sb与Fe之比为0.03%～0.13%。

图3 10个制动器样本的制动磨损PM成分

2.2 制动磨损PM的粒径

关于制动磨损PM数量随粒径的分布业界有两种认识：一种认为有两个峰值，分别在0.01 μm和1 μm；另一种认为在1 μm或2 μm粒径附近有一个峰值，如图4所示，图中以峰值处粒径区间的质量和为基准，其他粒径段的质量和与其相比，得出纵轴数值。

图4 制动磨损PM粒径分布[4]9

1995年，美国研究了制动磨损颗粒物粒径分布，质量累计百分率曲线如图5所示，PM2.5占比显著。

图5 制动磨损PM粒径分布（PM10及以下）[7]

3 行业监管测评

监管制动磨损需要一套行业适用的测评方法。

3.1 美国测试方法

美国官方在非尾气排放颗粒物方面关注MOVES(Motor Vehicle Emission Simulator, 机动车排放模拟计算)模型及EMFAC模型相应的排放因子。

采用运行损失蒸发排放测试的密闭仓可实现制动磨损和轮胎磨损的综合测量。在密封腔室设有底盘测功机，车辆尾气被单独导出，与腔室隔绝，避免对非尾气测试干扰。哈根-史密特实验室经验认为密闭舱内累积的PM取决于行驶循环的制动频繁程度（次/mile）。

美国福特公司开发了新的测试方法，测试装置见图6。图6（a）中的车轮被一罩盖遮蔽，借助负压捕获车轮制动摩擦副生成的磨损颗粒，防尘罩减少其他部位PM的窜入量；图6（b）为该装置在车辆上的装载布局，可实现道路测试；图6（c）为实验室测试状况。该装置的弊端是减弱了制动冷却，使制动部件的温度略高于实际应用情况。

2018年起，CARB借鉴JRC（Joint Research Center, 联合研究中心）方法，借助带封闭仓的制动器测功机，与研发公司合作研究制动磨损规律，探究反映加州行驶、制动行为规律的车速循环，该研究尚在进行中。

近些年，福特公司采用3h-LACT（3 hour Los Angeles City Traffic，3小时洛杉矶城市交通），该循环有217个怠速，最大减速度为0.3，速度曲线如图7（a）所示；制动盘在该车速下的温度波动如图7（b）所示，LACT-20对应于温度升高最显著的20min，此时车辆的加减速剧烈且频繁。在图7（b）中LACT-20时段里测试车辆制动器温度相对较高，PN（Particulate Number，颗粒物数量）值超过7×1012个/km。

图6 福特公司的非尾气颗粒物排放测试装置

图7 3h-LACT的车速和制动盘温度波动

3.2 欧盟的测试方法

欧盟JRC牵头制定了制动磨损PM测试规程，定义了模拟典型制动行为的行驶循环，模拟轻型车的典型制动行为。测试设备的内部容积大小可以把制动系统的制动盘/衬片部件容纳其中，测仪内腔的PM被鼓风机输送至分析仪，制动盘的转速和扭矩等指标由制动测功机控制。

3.2.1 欧盟的测试循环

WLTP-Brake Cycle的速度曲线如图8所示，总里程192.2 km，行驶时长15 827 s，制动（或减速）片段有303个。

图8 WLTP-Brake Cycle速度曲线[8]

制动时长的分布频率如图9所示。303个制动片段以制动时长秒数为指标统计发生的总次数，数据点即次数值，曲线为数据点分布情况的一元6次方程拟合线。3～6 s的制动时长最为频发，占比72.6%。制动发生时刻的速度平均值为42 km/h，制动期间的平均减速度为0.9 m/s²，减速度峰值为2.2 m/s²。

图9 WLTP-Brake Cycle制动或减速时长频次分布

图8中整个循环过程为4.4 h，在每个行程之间需进行表2所示浸车过程，则试验总耗时为41.4 h。

表2 各行程和浸车参数

续表2

3.2.2 欧盟的测试设备

将受测对象置于设备内腔，测试时，制动磨损PM被气流带出。设备内腔设计应兼顾输送效率最优、停留时间最小，颗粒物在气流中均匀分布，从而配合气溶胶采样。测试仪内腔应避免急剧弯曲和横截面突变，以及使用光滑的内表面（即弯曲边缘）以减少回流区域。允许逐步改变横截面，但是建议采用平滑曲度，避免大于90º的转曲。内表面材料采用不锈钢等导电材料，电解抛光，以避免静电引起的颗粒物沉降。将制动器装卡固定位置选在上部，降低其对冷却空气的干扰。为使具有渗透性的颗粒减少至少99.95%，冷却空气在进入设备内腔前应予有效过滤。主过滤器级别不低于EN 1822中H13级[9]，附加的活性炭过滤器应安装在主过滤器的上游。

行驶循环下制动盘温度的升降变化一例见图7（b）。温度会影响制动磨损，故在测试规程的多个环节规定了制动盘温度。使用一只热电偶来测量制动盘的温度，设置在制动盘的外侧盘片，其中径向在受摩擦环状部分居中，轴向在距外侧盘片外表面0.5 mm处，如图10所示。实测中发现，温度高的工况片段会频繁出现PM和PN瞬态峰值。

图10 热电偶在制动盘的位置

3.3 欧盟测试方法的要素指标

3.3.1 冷却空气温度和湿度

冷却空气温度和湿度应调节至（20±2）°C和（50±5）％RH，可偶尔超限，但累计时长不得超过循环总时长10%，且应满足（20±5）°C和（50±10）％RH要求。

3.3.2 制动盘温度

在WLTP-Brake Cycle中，当制动事件（停顿、加速、巡航或减速）开始时，制动盘或制动鼓总体温度为IBT（Initial Brake Temperature，初始温度）；制动完结时的温度为FBT（Final Brake Temperature，结束温度）。IBT和FBT由热电偶测量。

在WLTP-Brake Cycle中，除了第1个循环的第1个行程之外（含磨合和正式），其他各个行程都应在IBT达到40℃时开始进行。

借助第10行程来找出适当的冷却气流流量设定。冷却流量不能过低，否则IBT及FBT不能满足表3中的温度目标值。设定常需依据工程经验重复多轮，当降温过慢时则在下一轮里增大冷却流量。采用第10行程的第1～7次制动所对应的前330 s作为热机过程，随后待温度不高于40℃时开始第10行程，实时记录热电偶温度。以第10行程的第46、101、102、103、104和106次制动期间的温度为基准，来确定IBT的平均值和FBT的平均值。若参数值不符合表3限值范围，则调整重复执行本段的前述流程，直至满足。找出符合条件的冷却流量后，在该值下进行正式测试。

表3 行程10制动盘的温度要求

3.3.3 磨合规程

考虑到测试过程的可复现性，制动器摩擦副在测试前应经过磨合，该过程通常包括至少5个WLTP-Brake Cycle。磨合过程中各行程的触发条件是制动盘温度采集点的测值低于40℃，则可免去表2所列浸车环节。

3.3.4 背景浓度检查

可分2个步骤测量背景气状况。

第1步：在未安装制动组件的情况下进行测量。背景气检查应在进入的冷却空气流量稳定后5 min开始，并在3种设置（最大气流的10％、50％和90％）下运行，每次运行至少持续30 min（或背景气浓度稳定所需的时间）。

第2步：在制动排放测试之前和之后进行背景气检查。制动组件安装后，进行磨合之前先进行背景气预测试。当进入的冷却空气稳定5 min后开始，并在排放测试的气流下运行至少5 min（或达到背景气浓度稳定所需的时间）；完成磨合后以及测试完成后，再分别进行背景气检查[9]。

3.3.5 测试参数清单

测试参数包括速度、制动压力、制动扭矩、减速度、制动温度（制动盘和制动衬块）、摩擦系数、PM10、PM2.5、PN值以及冷却空气的温度、相对湿度和速度/流量。

4 结 论

欧盟和美国研究认为传统动力的制动磨损PM排放量约为5～7 mg/km，比国6b阶段排放标准中Ⅰ型试验PM排放限值3 mg/km高。车辆技术配备是影响PM排放的关键，配备制动能量回收可显著降低PM数值，采用NAO技术其排放量低于少金属衬片配置下数值。

制动器衬片相关标准规定了一部分有害物质含量上限，但Sb的含量未列出，相关研究亟需补充。

欧盟测试方法已基本完成了框架搭建和要素设定，将开始编纂法规正文，预计2022年发布。日本乘用车制动磨损PM法规JASO C470-2020已经发布。速度循环、环境温度和冷却风等因素对PM排放数值有影响。有必要考察WLTP-Brake Cycle与我国轻型车使用规律是否相对应，进而探索适合我国国情的测试循环。

[1]CHA S , CARTER P, BRADOW R L. Simulation of Automobile Brake Wear Dynamics and Estimation of Emissions[C]// Passenger Car Meeting & Exposition,1983.

[2]Mobile Source Analysis Branch of Air Quality Planning and Science Division of California Air Resources Board. EMFAC202x updates[S/OL]. 2020-07-30: 165-166[2020-09-09]. https://ww2.arb.ca. gov/ sites/default/files/2020-07/EMFAC202x_2nd_Workshop_07302020_ADA.pdf.

[3]ARB. EMFAC2011 Technical Documentation[R/OL]. 2012-07:110[2020-09-09]. https://ww3.arb.ca.gov/msei/emfac2011-technical- documentation- final-updated-0712-v03.pdf.

[4]Sustainable Transport Unit of Institute for Energy and Transport of Joint Research Centre. Particle Emissions From Tyre and Brake Wear On-going Literature Review[R/OL]. 2014-01:9[2020-09-09]. https://wiki. unece. org/download/attachments/15761629/GRPE-PMP-29-05%20Brakes- Tyres%202V%20GRPE.pptx?api=v2.

[5]国家市场监督管理总局，中国国家标准化管理委员会.汽车用制动器衬片：GB 5763—2018[S].北京：中国标准出版社.

[6]SCHAUER J J, LOUGH G C, SHAFER M M , et al. Characterization of Metals Emitted from Motor Vehicles[J/OL]. Research Report (Health Effects Institute).2006-03:35[2020-09-09]. https://www. healtheffects.org/ system/ files/Schauer.pdf.

[7]EPA.Particulate Emission Factors for Mobile Sources as Calculated in the Model Part5[S/OL]. 1998:66[2020-09-09]. https:// 19january2017snapshot.epa.gov/www3/otaq/models/part5/part5uga.pdf.

[8]IWG on PMP. Non-Exhaust Brake Emissions — Laboratory testing—Part 1：Inertia Dynamometer Protocol to Measure and Characterise Brake Emissions Using the WLTP-Brake Cycle[S/OL]. Informal Document GRPE-81-12 81st GRPE. 2020-06:1-29[2020-09-09]. https://wiki.unece.org/download/attachments/105185696/GRPE%20Brake %20 Emissions%20Protocol%20-%20Part%201%20Final_Clean.pdf?api=v2.

[9]UN/ECE Grpe Particle Measurement Program Informal Working Group. Recommendations on the Definition of Commonly Accepted Parameters for Testing[R/OL]. 2020-3-30:1-2[2020-09-09]. https://wiki. unece.org/download/attachments/101552422/M%2326-Common%20Testing %20Parameters%20V9%2013MAR2020.pdf?api=v2.

U467.4+95

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.01.004

1002-4581（2021）01-0015-06

2020-10-19