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      SRC工況下輕型車排氣溫度特征分析

      2014-12-29 09:11:06李孟良史廣寶雷利剛張建偉
      車用發(fā)動機(jī) 2014年6期
      關(guān)鍵詞:測功機(jī)底盤排氣

      孫 龍,李孟良,史廣寶,雷利剛,張建偉

      (中國汽車技術(shù)研究中心,天津 300300)

      標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行了明確的規(guī)定,要求最大總質(zhì)量超過3 500kg但基準(zhǔn)質(zhì)量不超過2 610kg的M1,M2和N2類汽車應(yīng)進(jìn)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(jī)上進(jìn)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(jìn)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(jié)果作為行駛距離的函數(shù)進(jìn)行繪圖,并計算每一種排氣污染物的劣化系數(shù),對污染控制裝置的性能進(jìn)行考核[1]。

      常溫下三元催化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化器工作時產(chǎn)生的熱量越高,氧化的溫度也越高,當(dāng)溫度超過1 000℃時,其內(nèi)涂層的催化劑就會燒結(jié)損壞,同時也極易發(fā)生車輛自燃事故,嚴(yán)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(jìn)入催化反應(yīng)器,造成排氣溫度過高,影響催化轉(zhuǎn)化器的效能[5-8]。

      本研究測試了試驗樣車在底盤測功機(jī)上按照SRC工況運(yùn)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(jī)構(gòu)進(jìn)行污染控制裝置耐久性試驗及相關(guān)試驗具有重要的參考價值。

      1 試驗方案設(shè)計

      將試驗樣車固定在底盤測功機(jī)上,利用計算機(jī)發(fā)出指令控制自動駕駛儀,車輛按照標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.5—2013中Ⅴ型試驗的法規(guī)工況SRC運(yùn)行4個循環(huán)。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(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集頻率為1Hz。試驗運(yùn)行過程中,在車輛前端安裝冷卻風(fēng)機(jī)模擬車輛在實際道路上行駛時的風(fēng)冷條件。圖1示出了排氣溫度測試設(shè)備。

      2 試驗參數(shù)設(shè)定

      2.1 試驗樣車轉(zhuǎn)轂阻力設(shè)定

      試驗樣車在底盤測功機(jī)上以80km/h速度勻速行駛30min,對車輛和底盤測功機(jī)進(jìn)行充分熱機(jī)[9]。將車輛在實際道路上進(jìn)行滑行試驗獲得的道路阻力系數(shù)設(shè)置在底盤測功機(jī)控制軟件中,在底盤測功機(jī)上進(jìn)行3次滑行試驗[10-12]?;性囼炌瓿珊?,底盤測功機(jī)控制軟件自動計算出車輛在底盤測功機(jī)上運(yùn)行時的轉(zhuǎn)轂阻力系數(shù)[13]。

      圖2a示出了3次滑行試驗的轉(zhuǎn)轂阻力曲線和車輛道路阻力曲線,圖2b示出了3條轉(zhuǎn)轂滑行阻力與實際道路阻力的差值,在底盤測功機(jī)上進(jìn)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(shù)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(shù)與在底盤測功機(jī)上滑行試驗的轉(zhuǎn)轂阻力系數(shù)見表1。

      表1 車輛道路阻力系數(shù)和在底盤測功機(jī)上的轉(zhuǎn)轂阻力系數(shù)

      2.2 測試車輛

      試驗樣車為一輛進(jìn)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(shù)見表2。

      表2 測試車輛基本參數(shù)

      3 測試工況及數(shù)據(jù)測量

      3.1 測試工況

      樣車按照GB 18352.3—2013中Ⅴ型試驗法規(guī)工況——標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)(SRC)運(yùn)行。一個SRC工況由7個6km的小循環(huán)組成,總共42km。SRC工況規(guī)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(yīng)的加速度值。SRC工況曲線見圖3。

      3.2 工況運(yùn)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(xué)習(xí)操作步驟對車輛油門、制動踏板的位置進(jìn)行機(jī)器人學(xué)習(xí)設(shè)定,并運(yùn)行學(xué)習(xí)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(yùn)行的4個SRC循環(huán)。

      3.3 數(shù)據(jù)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(yùn)行SRC工況的排氣溫度,通過集成在底盤測功機(jī)上的數(shù)據(jù)采集設(shè)備以1Hz的頻率將排氣溫度數(shù)據(jù)記錄下來。同時,利用底盤測功機(jī)上的速度傳感器記錄車輛實際行駛速度。

      4 試驗數(shù)據(jù)整理與分析

      4.1 工況跟蹤重復(fù)一致性

      為了研究重復(fù)運(yùn)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(fù)一致性。本試驗使用自動駕駛儀控制車輛連續(xù)運(yùn)行4個SRC循環(huán),來確保重復(fù)工況的一致性。選取車輛實際運(yùn)行時第2個和第3個測試循環(huán)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(qū)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(huán)的速度散點擬合曲線相關(guān)系數(shù)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(xiàn)相交趨勢。選取的兩個循環(huán)的速度點逐步集中分布在線性回歸直線(圖5中間細(xì)實線)兩側(cè),當(dāng)速度高于80km/h時,速度點比較密集地分布在回歸直線兩側(cè)(圖中橢圓區(qū)域)。因此,采用自動駕駛儀控制車輛的運(yùn)行,其工況跟蹤的重復(fù)一致性非常高。

      4.2 排氣溫度重復(fù)一致性

      車輛重復(fù)運(yùn)行SRC工況時,排氣溫度的重復(fù)一致性可以反映車輛在進(jìn)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(huán)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(huán)下排氣溫度散點非常密集地分布在擬合直線兩側(cè),其相關(guān)系數(shù)的平方R2為0.988,具有很高的重復(fù)一致性。這說明試驗樣車在阻力相同的條件下重復(fù)運(yùn)行SRC工況,其排氣溫度的重復(fù)一致性非常好,具有相同的變化規(guī)律。因此,可以推測,車輛運(yùn)行SRC工況進(jìn)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(fù)運(yùn)行呈現(xiàn)周期性變化。

      4.3 排氣溫度分布與工況的關(guān)系

      4.3.1 排氣溫度與速度的關(guān)系

      為了研究排氣溫度與速度的關(guān)系,按照10km/h的速度間隔將速度分成14個速度區(qū)間,計算各個速度區(qū)間內(nèi)排氣溫度平均值,繪制出不同速度區(qū)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(qū)間平均溫度穩(wěn)定,中速區(qū)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(qū)間內(nèi)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(nèi)各個區(qū)間內(nèi)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(qū)間內(nèi)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(yīng)器性能的主要因素,一般三元催化反應(yīng)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(jìn)行區(qū)間劃分,計算統(tǒng)計出每個區(qū)間內(nèi)排氣溫度的數(shù)量,排氣溫度的區(qū)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(nèi),該溫度區(qū)間所占比例達(dá)到79%,此區(qū)間溫度累計曲線斜率明顯高于其他區(qū)間曲線斜率。800℃以上溫度區(qū)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(chǎn)生過度老化。由此可以看出,車輛在運(yùn)行SRC工況時,其排氣溫度主要分布在三元催化器轉(zhuǎn)化效率較高的區(qū)間內(nèi),車輛可以有效轉(zhuǎn)化污染物,不會發(fā)生過度老化。

      4.3.3 排氣溫度與瞬時車速的關(guān)系

      試驗樣車按照SRC工況運(yùn)行,其排氣溫度隨著瞬時車速的變化發(fā)生變化。圖9示出了車輛在一個SRC循環(huán)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(huán)中,車輛排氣溫度隨著車速變化呈現(xiàn)一些相似的變化特征。每個小循環(huán)下的溫度變化曲線呈現(xiàn)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(xiàn)“急劇升高—達(dá)到峰值—緩慢衰減式下降至某一穩(wěn)定溫度—再急劇升高—達(dá)到另一個峰值—緩慢衰減式下降至另一穩(wěn)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(huán)內(nèi)所達(dá)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(xiàn)在第6個小循環(huán)中,其溫度為874.3℃,該小循環(huán)內(nèi)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(huán)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(xù)小循環(huán),對典型小循環(huán)下的排氣溫度進(jìn)行分析。圖10示出了所選的兩個連續(xù)典型小循環(huán)的排氣溫度。

      由圖10可見,在第1個小循環(huán)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(dá)到峰值溫度782.3℃,在車輛按照勻速工況(B)運(yùn)行一段時間后,排氣溫度由峰值溫度逐漸衰減下降并穩(wěn)定在620℃左右;車輛運(yùn)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(yùn)行至勻速工況(E)時,其排氣溫度又呈現(xiàn)出與A-B段相同的變化趨勢,但達(dá)到的峰值溫度為701.3℃,低于A-B段的峰值溫度;車輛運(yùn)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(huán)中的排氣溫度變化與第1個小循環(huán)的排氣溫度變化相似,但對應(yīng)的峰值溫度分別為804.3℃和723.5℃,高于第1個小循環(huán)中對應(yīng)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(fù)荷增大,油門開度變大,發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)按需增加供油量,發(fā)動機(jī)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(dāng)車輛加速后按照勻速工況運(yùn)行時,車輛處于一個穩(wěn)態(tài)工況,發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)按照此時車輛穩(wěn)態(tài)工況要求,定量供給發(fā)動機(jī)燃油維持車輛的這種狀態(tài),車輛在冷卻系統(tǒng)的作用下,排氣溫度呈現(xiàn)先急后緩的下降變化,逐漸下降并維持在三元催化器轉(zhuǎn)化效率較高的溫度區(qū)間內(nèi),直至運(yùn)行工況發(fā)生變化。

      在小循環(huán)中勻速工況結(jié)束并依次運(yùn)行短減速、短加速工況時,車輛排氣溫度會出現(xiàn)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(fù)荷下加速工況持續(xù)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(huán)中車輛最高排氣溫度都出現(xiàn)在長加速工況結(jié)束后(如圖M點,N點)。加速工況持續(xù)的時間越長,發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)供給的燃油越多,車輛排氣溫度峰值越高。因此,車輛應(yīng)該盡量減少長時間運(yùn)行加速工況。

      5 結(jié)論

      a)車輛重復(fù)運(yùn)行SRC工況時,其排氣溫度變化規(guī)律是相同的,且一致性好;車輛運(yùn)行SRC工況進(jìn)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(fù)運(yùn)行呈現(xiàn)周期性變化;

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

      c)加速工況持續(xù)時間越長,發(fā)動機(jī)供油越多,車輛排氣溫度峰值會越高;應(yīng)該盡量減少長時間加速工況,避免車輛排氣溫度過高,導(dǎo)致三元催化裝置毀滅性的損傷;

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

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

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