孫龍， 劉宇， 雷利剛， 張建偉， 寧軍

(1． 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心， 天津 300300； 2. 天津大學(xué)， 天津 300072)

AMA和SRC工況下輕型車催化器溫度對(duì)比分析

孫龍1， 劉宇2， 雷利剛1， 張建偉1， 寧軍1

(1． 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心， 天津 300300； 2. 天津大學(xué)， 天津 300072)

選擇了1輛進(jìn)行輕型車排放控制裝置耐久性試驗(yàn)的車輛，在底盤測(cè)功機(jī)上按照AMA(里程累積循環(huán))和SRC(標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán))工況分別運(yùn)行，采集了測(cè)試車輛的催化器溫度和車速數(shù)據(jù)，研究分析了兩種不同耐久工況下的催化器溫度分布特征和瞬時(shí)變化特征。研究表明：AMA工況下，溫度主要分布在460～640 ℃之間，催化器平均溫度為549.34 ℃；SRC工況下溫度分布在兩組比較集中的溫度區(qū)間，31.6%的溫度點(diǎn)分布在440～560 ℃的低溫區(qū)間，63.5%的溫度點(diǎn)分布在600～740 ℃的高溫區(qū)間內(nèi)，平均值為605.4 ℃，高于AMA工況下平均溫度。AMA工況下催化器溫度變化呈現(xiàn)高低溫反復(fù)變化特征，而SRC工況下溫度反復(fù)變化過(guò)程不明顯。對(duì)于子循環(huán)下催化器溫度變化，AMA工況呈現(xiàn)出左峰始終小于右峰的規(guī)律，SRC工況則取決于催化器溫度整體處在上升還是下降階段。

輕型車； 耐久試驗(yàn)； AMA循環(huán)； SRC循環(huán)； 催化器溫度

標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.5—2013《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第五階段)》對(duì)輕型汽車排放污染物控制裝置耐久性的考核進(jìn)行了明確規(guī)定，規(guī)定要求最大總質(zhì)量大于3 500 kg但基準(zhǔn)質(zhì)量不大于2 610 kg的M1，M2和N2類汽車應(yīng)進(jìn)行污染物控制裝置耐久性試驗(yàn)，即按照指定工況(AMA循環(huán)或SRC循環(huán))在道路或底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行160 000 km耐久試驗(yàn)，而且每隔一定里程(10 000±400 km或更短)測(cè)量排氣污染物。然后還要計(jì)算每一種排氣污染物的劣化系數(shù)來(lái)考核污染物控制裝置的性能[1]。

OBD-Ⅱ系統(tǒng)，即車載診斷系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)工作的各種參數(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，當(dāng)有故障時(shí)及時(shí)報(bào)警和提供維修依據(jù)[2-3]。催化器溫度是所有參數(shù)中重要的參數(shù)，它直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化轉(zhuǎn)化器的催化效果，而三元催化對(duì)控制排放十分重要[4-5]。

通常三元催化器的正常工作溫度為400～800 ℃[6]。如果催化轉(zhuǎn)化器溫度過(guò)高，比如超過(guò)1 000 ℃，其內(nèi)涂層的催化劑會(huì)因燒結(jié)而損壞[7]，其后果是影響對(duì)尾氣的處理效果，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成各種自燃事故[8-9]。所以對(duì)催化器溫度分布及兩種工況條件下的對(duì)比研究具有實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試設(shè)備

利用底盤測(cè)功機(jī)模擬車輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的道路阻力，將測(cè)試車輛安裝固定在底盤測(cè)功機(jī)上，按照法規(guī)要求分別運(yùn)行AMA和SRC循環(huán)。為了保證車輛對(duì)工況的跟蹤有較好的準(zhǔn)確性，車輛測(cè)試過(guò)程中由自動(dòng)駕駛儀按照指定測(cè)試工況操作車輛。車輛運(yùn)行過(guò)程中，利用安裝在車輛OBD診斷接口上的ELM 327設(shè)備讀取車輛CAN通信信息，并記錄車速和催化器溫度數(shù)據(jù)。車輛正前方固定一個(gè)追速風(fēng)機(jī)用于車輛運(yùn)行過(guò)程中的冷卻。試驗(yàn)設(shè)備連接示意見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備示意

按照GB 18352.5—2013中V型試驗(yàn)的要求，道路阻力參數(shù)既可以使用車輛在道路上實(shí)際進(jìn)行滑行試驗(yàn)測(cè)得的阻力數(shù)據(jù)，也可以使用標(biāo)準(zhǔn)推薦值。但標(biāo)準(zhǔn)推薦值是統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值，而實(shí)際滑行阻力值則是針對(duì)當(dāng)前車輛的具體情況，故本試驗(yàn)使用實(shí)際滑行阻力值[10-13]。

1.2 測(cè)試車輛

試驗(yàn)所用車輛為1輛進(jìn)行輕型車排放控制裝置耐久性試驗(yàn)國(guó)Ⅴ階段的試驗(yàn)車輛，試驗(yàn)前車輛測(cè)試?yán)锍?25 177 km,車輛在測(cè)試前進(jìn)行了常規(guī)保養(yǎng)，并磨合運(yùn)行了300 km。試驗(yàn)車輛基本參數(shù)見(jiàn)表1，試驗(yàn)所用燃料為95號(hào)汽油。

表1 試驗(yàn)車輛基本參數(shù)

1.3 測(cè)試工況

測(cè)試車按照GB 18352.5—2013中V型試驗(yàn)的法規(guī)工況AMA(里程累積循環(huán))和SRC(標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán))運(yùn)行[14]。

AMA工況組成見(jiàn)圖2，每經(jīng)歷4個(gè)怠速為一個(gè)子循環(huán)，行程為6 km，一個(gè)完整循環(huán)由11個(gè)子循環(huán)組成。速度及加速度要求在上述國(guó)標(biāo)中有詳細(xì)的規(guī)定[1]。SRC工況由7個(gè)子循環(huán)組成(見(jiàn)圖3)，每個(gè)子循環(huán)6 km，具體速度及加速度要求同樣在國(guó)標(biāo)GB 18352.5—2013中有詳細(xì)的規(guī)定[1]。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)AMA循環(huán)

圖3 標(biāo)準(zhǔn)SRC循環(huán)

1.4 兩種工況速度分布對(duì)比分析

AMA工況和SRC工況的速度數(shù)據(jù)每隔10 km/h為一組，將落入各個(gè)速度區(qū)間的速度點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并分別繪制分布圖(見(jiàn)圖4和圖5)，分析兩種工況下的速度分布特征。AMA工況下怠速占16.74%，顯著大于SRC工況下的怠速比例5.74%。其次，AMA工況除怠速工況外大部分集中在40～70 km/h區(qū)間內(nèi)，所占比例為60%，因此，AMA工況的大部分工況點(diǎn)分布在低速區(qū)域內(nèi)；SRC工況分布區(qū)域相對(duì)較寬，比較均勻地分布在40～120 km/h之間，所占比例約為75%。其中70～120 km/h的高速段比例為32%，可以看出SRC工況較多的工況點(diǎn)分布在高速區(qū)域內(nèi)。車速分布的差異會(huì)造成車輛催化器溫度變化規(guī)律的不同。

圖4 AMA工況速度分布

圖5 SRC工況速度分布

2 數(shù)據(jù)整理與分析

自動(dòng)駕駛儀控制測(cè)試車在底盤測(cè)功機(jī)上按照AMA工況和SRC工況分別運(yùn)行1個(gè)測(cè)試循環(huán)，通過(guò)ELM 327 設(shè)備獲取測(cè)試車的車速和車輛催化器溫度數(shù)據(jù)，采樣頻率為1 Hz。對(duì)獲取的車輛催化器溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，研究?jī)煞N不同工況下的催化器溫度變化特征。

2.1 兩種工況下催化器溫度瞬時(shí)變化規(guī)律

AMA工況和SRC工況下的車輛催化器溫度曲線見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 AMA工況下催化器溫度變化規(guī)律

圖7 SRC工況下催化器溫度變化規(guī)律

AMA工況下，催化器溫度隨著工況的變化呈現(xiàn)出低高溫反復(fù)循環(huán)變化趨勢(shì)。在最后階段催化器溫度呈現(xiàn)出持續(xù)升高、非大幅度下降的趨勢(shì)，這主要因?yàn)锳MA工況的第11個(gè)子工況車速高，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷大，發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)工況需求增加供油量，燃燒產(chǎn)生的熱量多。

SRC工況下溫度變化總體上呈現(xiàn)從低溫到高溫然后又快速到低溫的變化趨勢(shì)。相比AMA工況，SRC工況下的溫度反復(fù)變化趨勢(shì)過(guò)程不明顯。在工況的前半段，催化器溫度呈現(xiàn)逐漸升高的變化趨勢(shì)，在1 250 s達(dá)到最大值，隨后逐漸降低，并呈現(xiàn)溫度先快速下降，隨后快速上升之后再下降的規(guī)律。這主要是因?yàn)镾RC工況下車速是逐漸變大，在1 250 s時(shí)達(dá)到最高車速131 km/h，隨后車速快速下降至怠速工況。車輛在這樣的工況下運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量隨車輛的運(yùn)行負(fù)荷變化，加速和高速工況下，車輛供油量大，燃燒產(chǎn)生的熱量多，催化器溫度高；運(yùn)行至怠速工況時(shí)，車輛負(fù)荷降低，發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)工況要求斷油或減少供油量，此時(shí)催化器溫度隨之降低。

2.2 兩種工況催化器溫度分布對(duì)比分析

將車輛催化器溫度變化范圍按照20 ℃的間隔分成若干個(gè)溫度區(qū)間，分別統(tǒng)計(jì)兩種工況下溫度點(diǎn)落入各個(gè)溫度區(qū)間的頻數(shù)以及累計(jì)分布比例，然后分別繪制成柱狀圖和折線圖(見(jiàn)圖8和圖9)，觀察不同工況下車輛催化器溫度的分布特征。

圖8 AMA工況催化器溫度分布統(tǒng)計(jì)

圖9 SRC工況催化器溫度分布統(tǒng)計(jì)

AMA工況下，溫度主要分布在460～640 ℃之間，80%的溫度點(diǎn)落在該溫度區(qū)域內(nèi)，其中520～560 ℃所占比例最大，為25.7%。AMA工況下車輛催化器平均溫度為549.34 ℃，該工況下的溫度分布相對(duì)比較集中和均勻。AMA工況下的催化器溫度分布特征與工況本身的速度和對(duì)車輛的負(fù)荷要求有很大關(guān)系。AMA工況的平均速度較低，工況運(yùn)行較為平穩(wěn)，加減速度較小，車輛運(yùn)行時(shí)負(fù)荷相對(duì)較小，燃燒的燃料相對(duì)較少，平均溫度較低。

SRC工況下車輛催化器溫度分布呈現(xiàn)兩個(gè)比較集中的溫度區(qū)間，且兩個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)的分布情況也不相同。31.6%的溫度點(diǎn)落入440～560 ℃的低溫區(qū)間內(nèi)，63.5%的溫度點(diǎn)落入600～740 ℃的高溫區(qū)間內(nèi)。SRC工況催化器溫度平均值為605.4 ℃，高于AMA工況下的催化器平均溫度。SRC工況的平均速度較高，工況加減速度大，車輛運(yùn)行時(shí)負(fù)荷變化較大，運(yùn)行情況較為激烈，所以車輛的供油量大，產(chǎn)生的熱量大。

從催化器平均溫度上看，AMA工況下的溫度分布較集中且均勻，工況對(duì)催化器溫度的影響較為穩(wěn)定。車輛進(jìn)行AMA工況累計(jì)16×104km的耐久性試驗(yàn)時(shí)，催化器溫度基本上能夠保持在正常高效的工作溫度范圍內(nèi)，從而為提高車輛排放達(dá)標(biāo)的可能性提供基礎(chǔ)條件。SRC工況下催化器溫度集中在兩個(gè)不同的溫度區(qū)間內(nèi)，且區(qū)間溫度跨度較大，即分布的范圍較寬，但也在催化器的正常工作范圍內(nèi)。SRC工況溫度變化較為劇烈，最高溫度為769.3 ℃，接近催化器工作上限，車輛按照SRC工況進(jìn)行里程累計(jì)耐久性試驗(yàn)時(shí)，催化器工作效率和使用壽命可能會(huì)受到一定影響。因此，從催化器溫度角度上選擇，AMA工況對(duì)于催化器的工作效率能夠提供更好的條件，從而實(shí)現(xiàn)車輛的排放達(dá)標(biāo)。但實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中需要綜合考慮試驗(yàn)成本、試驗(yàn)周期、催化器本身設(shè)計(jì)指標(biāo)和發(fā)動(dòng)機(jī)催化器匹配標(biāo)定等因素來(lái)確定試驗(yàn)工況。

2.3 兩種工況子循環(huán)下催化器溫度變化特征

在AMA工況和SRC工況中分別選擇了2個(gè)子工況，將其催化器溫度瞬時(shí)變化繪成曲線，觀察子工況下的催化器溫度變化特征(見(jiàn)圖 10和圖 11)。

圖10 AMA工況子循環(huán)下催化器溫度變化曲線

圖11 SRC工況子循環(huán)下催化器溫度變化曲線

由圖10對(duì)照?qǐng)D6可以看出，在AMA工況下運(yùn)行，各個(gè)子循環(huán)催化器溫度變化呈現(xiàn)相似的規(guī)律。無(wú)論在整體催化器溫度上升階段(以第1個(gè)子循環(huán)為例)，還是在整體催化器溫度下降階段(以第4個(gè)子循環(huán)為例)，在一個(gè)循環(huán)中，車速按怠速—加速—?jiǎng)蛩佟獪p速然后再加速—?jiǎng)蛩佟獪p速—怠速的規(guī)律變化，如此反復(fù)，催化器溫度變化也呈現(xiàn)升高—平穩(wěn)(或下降)—再升高—再下降的規(guī)律。并且在一個(gè)子循環(huán)中催化器溫度呈現(xiàn)出左峰小于右峰，峰值逐漸走高的趨勢(shì)。

由圖11對(duì)照?qǐng)D7可以看出，在SRC工況下每個(gè)子循環(huán)催化器溫度變化規(guī)律與AMA工況迥然不同。在整體催化器溫度上升階段(以第2個(gè)子循環(huán)為例)，催化器溫度呈現(xiàn)出左峰小于右峰，峰值逐漸變大的趨勢(shì)。在整體催化器溫度下降階段(以第7個(gè)子循環(huán)為例)，催化器溫度呈現(xiàn)出左峰高于右峰，峰值逐漸變小的趨勢(shì)。子循環(huán)中催化器溫度峰值上升或下降取決于整體溫度處于上升還是下降階段。當(dāng)然，SRC工況下每個(gè)子循環(huán)催化器溫度隨車速變化也是正向相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論

a) AMA工況下的車輛催化器溫度變化呈現(xiàn)高低溫反復(fù)變化特征;SRC工況下的溫度變化總體上呈現(xiàn)從低溫到高溫然后快速到低溫的變化趨勢(shì);SRC工況下的溫度變化趨勢(shì)反復(fù)過(guò)程不明顯;

b) AMA工況下車輛催化器溫度分布比較均勻，80%的溫度點(diǎn)集中在460～640 ℃之間，催化器平均溫度為549.34 ℃，對(duì)溫度敏感的車輛應(yīng)該選擇AMA測(cè)試工況;

c) SRC工況下的車輛催化器溫度主要集中分布在兩個(gè)溫度區(qū)間，31.6%的溫度點(diǎn)落入440～560 ℃的低溫區(qū)間，63.5%的溫度點(diǎn)落入600～740 ℃的高溫區(qū)間，催化器溫度平均值為605.4 ℃，對(duì)于溫度有很好適應(yīng)性的車輛可以選在SRC工況進(jìn)行測(cè)試；

d) AMA工況子循環(huán)下催化器溫度呈現(xiàn)出左峰小于右峰，峰值逐漸變大的規(guī)律；SRC工況子循環(huán)下催化器溫度在整體催化器溫度上升階段呈現(xiàn)出左峰小于右峰，峰值逐漸變大的趨勢(shì)；在整體催化器溫度下降階段呈現(xiàn)出左峰高于右峰，峰值逐漸變小的趨勢(shì)。

[1] 環(huán)境保護(hù)部.GB 18352.5—2013 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第五階段)[S].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2013:44-49.

[2] 高海洋.第二代車載診斷系統(tǒng)(OBD-Ⅱ)[J].世界汽車,2003(7):59-60.

[3] 鄭霞君.新一代故障自診斷系統(tǒng)(OBD-Ⅱ)[J]. 內(nèi)燃機(jī),2003(3):34-36.

[4] 王務(wù)林,趙航.汽車三元催化轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)[J].世界汽車,1997(5):5-6.

[5] 王愛(ài)娟.基于催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的三元催化轉(zhuǎn)化器工作效率溫度監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2006.

[6] 張克金,李金成,潘艷春,等. 三元催化轉(zhuǎn)化器(TWC)失效實(shí)例的分析研究[C]//中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.天津：中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)，2007.

[7] 張弛.怠速工況下汽車三元催化器溫度與排放的關(guān)系[J].公路與汽運(yùn),2014(4):5-7.

[8] 馮長(zhǎng)根,陶明濤,王麗瓊,等.車用催化轉(zhuǎn)化器起燃溫度的數(shù)值模擬[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2004(2):3-6.

[9] Chatterjee D,Deutschmann O,Warnatz J.Detailed surface reaction mechanism in a three-way catalyst[J].Faraday Discussions,2001,119:371-384.

[10] 何建, 湯波, 薛松.汽車底盤測(cè)功機(jī)阻力設(shè)定及其典型問(wèn)題分析[J].輕型汽車技術(shù),2008(9):20-22.

[11] 尹濤,鄭義,李晶,等.底盤測(cè)功機(jī)行駛阻力設(shè)定方法比較[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2014,43(1):54-56.

[12] 馬杰,周華,陸紅雨,等.底盤測(cè)功機(jī)阻力設(shè)定對(duì)汽車尾氣排放的影響[J].汽車工程，2006(9):873-875.

[13] The Engineering Society For Advancing Mobility Land Sea Air and Space.SAE J1263-1996 Road Load Measurement and Dynamometer Simulation Using Coast down Techniques[S].USA:The Engineering Society For Advancing Mobility Land Sea Air and Space，1996.

[14] 孫龍，耿艷，曹磊，等. 輕型汽車現(xiàn)行排放法規(guī)測(cè)試工況分析[J].汽車工程師，2016(5)：8-10.

[編輯: 李建新]

Comparison of Catalyst Temperatures of Light Duty Vehicle under AMA and SRC Conditions

SUN Long1, LIU Yu2, LEI Ligang1, ZHANG Jianwei1， NING Jun1

(1. China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300, China;2. Tianjin University, Tianjin 300072, China)

A light duty vehicle was chosen to conduct the durability test of emission control device on a chassis dynamometer under AMA(Approved Mileage Accumulation Cycle) and SRC (Standard Road Cycle) conditions. The vehicle catalytic converter temperature and the speed data were collected and the distribution characteristics and instantaneous changes of temperature under different test cycles were further analyzed. The results show that the temperature distributes mainly at 460-640 ℃ and the average temperature is 549.34 ℃ under AMA condition. Under SRC condition, 31.6% temperature concentrates in low temperature region of 440-560 ℃ and 63.5% temperature concentrates in the high temperature region of 600-740 ℃. The average temperature of high temperature region under SRC is 605.4 ℃, which is higher than that of AMA. The catalyst temperature of AMA changes repeatedly between high and low temperature, but the trend is not obvious under SRC. The catalyst temperature of sub-cycle shows the law that the left peak is lower than the right peak under AMA, but depends on the whole change of catalyst temperature under SRC.

light duty vehicle; durability test; AMA cycle; SRC cycle; catalyst temperature

2016-01-26;

2016-11-29

孫龍(1985—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)檩p型車排放與節(jié)能控制；13682127954@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.012

TK417.13

B

1001-2222(2017)01-0065-05