SRC工況下輕型車排氣溫度特征分析

孫 龍，李孟良，史廣寶，雷利剛，張建偉

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

標準GB 18352.5—2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》對輕型汽車污染物控制裝置耐久性的考核進行了明確的規定，要求最大總質量超過3 500kg但基準質量不超過2 610kg的M1，M2和N2類汽車應進行污染控制裝置耐久性試驗，即按照指定測試工況（SRC工況或AMA工況）在道路或底盤測功機上進行160 000km耐久性試驗。從試驗開始，每隔10 000km（±400km）或更短的行駛里程，以固定的間隔直到160 000km，進行Ⅰ型試驗，測量排氣污染物。將所有的排氣污染物的測量結果作為行駛距離的函數進行繪圖，并計算每一種排氣污染物的劣化系數，對污染控制裝置的性能進行考核［1］。

常溫下三元催化轉化器不具備催化能力，其催化劑必須加熱到一定溫度才具有氧化或還原的能力，通常催化轉化器的起燃溫度在250～350℃，正常工作溫度一般在400～800℃［2－4］。催化轉化器工作時產生的熱量越高，氧化的溫度也越高，當溫度超過1 000℃時，其內涂層的催化劑就會燒結損壞，同時也極易發生車輛自燃事故，嚴重影響車輛的尾氣污染物排放。所以必須注意控制造成排氣溫度升高的各種因素，如點火時間過遲或點火次序錯亂、斷火等，這都會使未燃燒的混合氣進入催化反應器，造成排氣溫度過高，影響催化轉化器的效能［5－8］。

本研究測試了試驗樣車在底盤測功機上按照SRC工況運行時的排氣溫度，研究該工況下的排氣溫度分布特征，并分析研究典型小工況下的排氣溫度變化特征，對車企和檢驗機構進行污染控制裝置耐久性試驗及相關試驗具有重要的參考價值。

1 試驗方案設計

將試驗樣車固定在底盤測功機上，利用計算機發出指令控制自動駕駛儀，車輛按照標準GB 18352.5—2013中Ⅴ型試驗的法規工況SRC運行4個循環。在試驗樣車兩級催化器之間打孔安裝溫度傳感器，測量車輛排氣溫度的瞬時數據，數據采集頻率為1Hz。試驗運行過程中，在車輛前端安裝冷卻風機模擬車輛在實際道路上行駛時的風冷條件。圖1示出了排氣溫度測試設備。

2 試驗參數設定

2.1 試驗樣車轉轂阻力設定

試驗樣車在底盤測功機上以80km／h速度勻速行駛30min，對車輛和底盤測功機進行充分熱機［9］。將車輛在實際道路上進行滑行試驗獲得的道路阻力系數設置在底盤測功機控制軟件中，在底盤測功機上進行3次滑行試驗［10－12］。滑行試驗完成后，底盤測功機控制軟件自動計算出車輛在底盤測功機上運行時的轉轂阻力系數［13］。

圖2a示出了3次滑行試驗的轉轂阻力曲線和車輛道路阻力曲線，圖2b示出了3條轉轂滑行阻力與實際道路阻力的差值，在底盤測功機上進行滑行試驗得到的滑行阻力與實際道路阻力的絕對差值不超過5N，滑行得到的阻力參數完全可以模擬車輛的實際道路阻力。

車輛實際道路阻力系數與在底盤測功機上滑行試驗的轉轂阻力系數見表1。

表1 車輛道路阻力系數和在底盤測功機上的轉轂阻力系數

2.2 測試車輛

試驗樣車為一輛進行污染控制裝置國Ⅴ排放水平耐久性試驗的車輛，樣車加注92號國Ⅴ汽油，試驗樣車具體參數見表2。

表2 測試車輛基本參數

3 測試工況及數據測量

3.1 測試工況

樣車按照GB 18352.3—2013中Ⅴ型試驗法規工況——標準道路循環（SRC）運行。一個SRC工況由7個6km的小循環組成，總共42km。SRC工況規定了具體的加減速要求，即列出了車輛每一個時間段的速度，同時給出了對應的加速度值。SRC工況曲線見圖3。

3.2 工況運行

利用安裝固定在座椅上的自動駕駛儀，按照控制軟件上的工況學習操作步驟對車輛油門、制動踏板的位置進行機器人學習設定，并運行學習工況，檢驗自動駕駛儀控制車輛的工況跟蹤情況［14－15］。圖4示出了自動駕駛儀控制車輛運行的4個SRC循環。

3.3 數據測量

在測試車輛的兩級催化器之間打孔并安裝溫度傳感器，測量車輛運行SRC工況的排氣溫度，通過集成在底盤測功機上的數據采集設備以1Hz的頻率將排氣溫度數據記錄下來。同時，利用底盤測功機上的速度傳感器記錄車輛實際行駛速度。

4 試驗數據整理與分析

4.1 工況跟蹤重復一致性

為了研究重復運行SRC工況時車輛排氣溫度的特征，需要保證試驗跟蹤工況具有很好的重復一致性。本試驗使用自動駕駛儀控制車輛連續運行4個SRC循環，來確保重復工況的一致性。選取車輛實際運行時第2個和第3個測試循環下的車速，將速度繪制成圖5所示的散點圖。圖中速度散點區域上方和下方的兩條虛線分別是速度點分布的兩條邊界線。

本次測試的第2個和第3個測試循環的速度散點擬合曲線相關系數平方R2為0.995，并且隨著車速的提高，兩條邊界線逐漸收斂，延伸方向呈現相交趨勢。選取的兩個循環的速度點逐步集中分布在線性回歸直線（圖5中間細實線）兩側，當速度高于80km／h時，速度點比較密集地分布在回歸直線兩側（圖中橢圓區域）。因此，采用自動駕駛儀控制車輛的運行，其工況跟蹤的重復一致性非常高。

4.2 排氣溫度重復一致性

車輛重復運行SRC工況時，排氣溫度的重復一致性可以反映車輛在進行160 000kmⅤ型試驗的過程中，三元催化器溫度變化的差異。選取第2個和第3個循環下的排氣溫度繪制成排氣溫度散點圖（見圖6）。

兩個測試循環下排氣溫度散點非常密集地分布在擬合直線兩側，其相關系數的平方R2為0.988，具有很高的重復一致性。這說明試驗樣車在阻力相同的條件下重復運行SRC工況，其排氣溫度的重復一致性非常好，具有相同的變化規律。因此，可以推測，車輛運行SRC工況進行污染控制裝置耐久性試驗時，催化器溫度隨著SRC工況重復運行呈現周期性變化。

4.3 排氣溫度分布與工況的關系

4.3.1 排氣溫度與速度的關系

為了研究排氣溫度與速度的關系，按照10km／h的速度間隔將速度分成14個速度區間，計算各個速度區間內排氣溫度平均值，繪制出不同速度區間平均溫度柱狀圖（見圖7）。

在SRC工況下，車輛排氣溫度在低速和高速區間平均溫度穩定，中速區間平均溫度隨車速的提高而逐漸升高。速度低于60km／h的各個速度區間內的平均溫度基本相同，其平均溫度在630℃左右。60～110km／h速度范圍內各個區間內的平均溫度隨著車速提高逐漸升高，平均溫度范圍為641～789℃。高于110km／h的速度區間內平均溫度基本相同，其平均溫度在832℃左右。

4.3.2 排氣溫度分布

工作溫度是影響三元催化反應器性能的主要因素，一般三元催化反應器的理想工作溫度在400～800℃之間。將4個SRC工況下的排氣溫度按照50℃的溫度間隔進行區間劃分，計算統計出每個區間內排氣溫度的數量，排氣溫度的區間分布及累計分布見圖8。

由圖8可見，排氣溫度主要分布在650～800℃溫度范圍內，該溫度區間所占比例達到79%，此區間溫度累計曲線斜率明顯高于其他區間曲線斜率。800℃以上溫度區間占12%，最高排氣溫度不超過1 000℃，未超過上極限溫度，不會產生過度老化。由此可以看出，車輛在運行SRC工況時，其排氣溫度主要分布在三元催化器轉化效率較高的區間內，車輛可以有效轉化污染物，不會發生過度老化。

4.3.3 排氣溫度與瞬時車速的關系

試驗樣車按照SRC工況運行，其排氣溫度隨著瞬時車速的變化發生變化。圖9示出了車輛在一個SRC循環工況下車輛排氣溫度與瞬時車速曲線。

在SRC工況7個小循環中，車輛排氣溫度隨著車速變化呈現一些相似的變化特征。每個小循環下的溫度變化曲線呈現出一個左峰高于右峰的“M”形狀。在每一個“加速—勻速—減速—加速—勻速—減速”的工況變化過程中，車輛排氣溫度呈現“急劇升高—達到峰值—緩慢衰減式下降至某一穩定溫度—再急劇升高—達到另一個峰值—緩慢衰減式下降至另一穩定溫度”的變化過程。

車輛由怠速工況加速到勻速工況時，勻速工況車速越高，該小循環內所達到的車輛排氣溫度峰值越高。SRC工況中車輛的最高排氣溫度出現在第6個小循環中，其溫度為874.3℃，該小循環內車輛由怠速工況加速到勻速工況后，其速度值為105km／h。

4.3.4 典型小循環下排氣溫度變化分析

在SRC工況下，車輛排氣溫度變化隨工況變化具有相似性。選取了SRC工況中的兩個連續小循環，對典型小循環下的排氣溫度進行分析。圖10示出了所選的兩個連續典型小循環的排氣溫度。

由圖10可見，在第1個小循環中，車輛由加速工況（A）變成勻速工況（B）時，其排氣溫度急劇上升并達到峰值溫度782.3℃，在車輛按照勻速工況（B）運行一段時間后，排氣溫度由峰值溫度逐漸衰減下降并穩定在620℃左右；車輛運行至短減速工況（C）時，其排氣溫度沒有明顯變化；車輛從短加速工況（D）運行至勻速工況（E）時，其排氣溫度又呈現出與A－B段相同的變化趨勢，但達到的峰值溫度為701.3℃，低于A－B段的峰值溫度；車輛運行在長減速工況（F）時，排氣溫度沒有明顯變化。第2個小循環中的排氣溫度變化與第1個小循環的排氣溫度變化相似，但對應的峰值溫度分別為804.3℃和723.5℃，高于第1個小循環中對應峰值溫度。

加速工況下車輛排氣溫度急劇升高，主要是該工況下車輛負荷增大，油門開度變大，發動機供油系統按需增加供油量，發動機燃燒了更多燃料來滿足車輛加速要求，從而使車輛在該工況下排氣溫度急劇升高。

當車輛加速后按照勻速工況運行時，車輛處于一個穩態工況，發動機供油系統按照此時車輛穩態工況要求，定量供給發動機燃油維持車輛的這種狀態，車輛在冷卻系統的作用下，排氣溫度呈現先急后緩的下降變化，逐漸下降并維持在三元催化器轉化效率較高的溫度區間內，直至運行工況發生變化。

在小循環中勻速工況結束并依次運行短減速、短加速工況時，車輛排氣溫度會出現一個短暫急劇上升的過程，但該階段溫度峰值低于上階段加速過程后溫度峰值，這主要是該階段高負荷下加速工況持續時間較短，多供油時間較短，車輛排氣溫度上升幅度也低于上階段溫度峰值。

第1個和第2個小循環中車輛最高排氣溫度都出現在長加速工況結束后（如圖M點，N點）。加速工況持續的時間越長，發動機供油系統供給的燃油越多，車輛排氣溫度峰值越高。因此，車輛應該盡量減少長時間運行加速工況。

5 結論

a）車輛重復運行SRC工況時，其排氣溫度變化規律是相同的，且一致性好；車輛運行SRC工況進行排放控制裝置耐久性試驗時，催化器的工作溫度隨SRC工況重復運行呈現周期性變化；

b）SRC工況7個小循環中，車輛排氣溫度隨車速變化呈現相似的變化特征；每個小循環下的溫度變化曲線呈現出左峰高于右峰的“M”形狀；

c）加速工況持續時間越長，發動機供油越多，車輛排氣溫度峰值會越高；應該盡量減少長時間加速工況，避免車輛排氣溫度過高，導致三元催化裝置毀滅性的損傷；

d）車輛運行SRC工況時，其排氣溫度主要分布在650～800℃之間，所占比例達79%；排氣溫度主要分布在三元催化器轉化效率較高的區間內，使其能夠有效轉化污染物；

e）在SRC工況下，車輛排氣溫度在低速區間（低于60km／h）和高速區間（高于110km／h）平均溫度較穩定，中速區間（60～110km／h）平均溫度隨車速逐漸升高。

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