摩托車國Ⅳ蒸發(fā)排放標(biāo)準(zhǔn)中預(yù)處理運(yùn)行次數(shù)的研究

張智軒　王建超　王玉冬（天津內(nèi)燃機(jī)研究所　天津　300072）

摩托車國Ⅳ蒸發(fā)排放標(biāo)準(zhǔn)中預(yù)處理運(yùn)行次數(shù)的研究

張智軒王建超王玉冬
（天津內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

摘要：中國摩托車排放第Ⅲ階段標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱“國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)”）對燃油蒸發(fā)污染排放開始進(jìn)行控制。國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)中，對于兩輪和邊三輪摩托車采用了世界摩托車測試循環(huán)（Word Motorcycle TestCycle，簡稱WMTC）作為工況法排放測試循環(huán)。因此，需要對國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)與國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)兩種不同循環(huán)下脫附流量進(jìn)行研究，才能確定國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)中蒸發(fā)測試項(xiàng)目預(yù)處理循環(huán)次數(shù)。通過測量典型兩輪摩托車分別在國Ⅲ和國Ⅳ的不同測試循環(huán)下的脫附流量、脫附總量，以提出國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)中蒸發(fā)試驗(yàn)預(yù)處理運(yùn)行次數(shù)的建議。

關(guān)鍵詞：燃油蒸發(fā)預(yù)循環(huán)次數(shù)摩托車排放標(biāo)準(zhǔn)（國Ⅳ）

引言

隨著中國摩托車排放第Ⅲ階段標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱“國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)”）的執(zhí)行，我國發(fā)布GB20998-2007《摩托車和輕便摩托車燃油蒸發(fā)污染物排放限值及測量方法》這一標(biāo)準(zhǔn)，并強(qiáng)制實(shí)施，加強(qiáng)了對燃油蒸發(fā)污染物的控制。隨著標(biāo)準(zhǔn)的深入執(zhí)行，各個(gè)摩托車企業(yè)，對標(biāo)準(zhǔn)中的具體細(xì)節(jié)和試驗(yàn)方法的理解以及具體的操作方法，也進(jìn)行了深入的研究。

1　蒸發(fā)污染物排放試驗(yàn)簡介

在標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于蒸發(fā)測試試驗(yàn)前車輛預(yù)處理運(yùn)行的次數(shù)，在20998-2007中C.5.2和C.5.5條款是這樣規(guī)定的“將摩托車放置在底盤測功機(jī)上，至少運(yùn)行一次GB 14622或GB 18176附錄 C規(guī)定的運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)。”[1]，如圖1中的內(nèi)容。由于對預(yù)處理運(yùn)行的次數(shù)規(guī)定是“至少運(yùn)行一次”，因此，不同的摩托車企業(yè)根據(jù)自身的設(shè)計(jì)要求，在進(jìn)行型式認(rèn)證試驗(yàn)時(shí)，對預(yù)處理運(yùn)行次數(shù)提出了不同的要求，有要求運(yùn)行一次、有的要求運(yùn)行兩次、甚至有的要求運(yùn)行三次。這樣，對測試的結(jié)果造成了不統(tǒng)一的因素。

目前，我國摩托車排放第Ⅳ階段標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱“國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)”）正在制定過程中。2013年，歐盟發(fā)布了EU No.168/2013法規(guī)《Regulation（EU）No 168/2013 Of The European Parliament And Of The Council of 15 January 2013 On The Approval And Market Surveillance Of Two-or Three-wheel Vehicles And Quadricycles》，在2014年發(fā)布其相關(guān)附件EU No. 134/2014《COMMISSION DELEGATED REGULATION（EU）No 134/2014 supplementing Regulation （EU）No 168/2013 of the European Parliament and of the Council with regard to environmental and propulsion unit performance requirements andamending Annex V thereof》，這就是通常所稱的歐Ⅳ排放法規(guī)。與歐Ⅲ法規(guī)相比，歐Ⅳ法規(guī)對于兩輪摩托車采用了WMTC測試循環(huán)；增加了燃油蒸發(fā)污染物排放的測試項(xiàng)目，明確規(guī)定了預(yù)處理運(yùn)行一次。

國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)中，對于兩輪和邊三輪摩托車同樣采用了WMTC的工況法排放測試循環(huán)。因此，需要對國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)與國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)下兩種不同循環(huán)下脫附流量進(jìn)行研究，才能確定國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)中蒸發(fā)測試項(xiàng)目預(yù)處理循環(huán)次數(shù)。

圖1　GB20998-2007蒸發(fā)污染物排放試驗(yàn)流程[1]

2　研究內(nèi)容

1）對近年中國摩托車產(chǎn)銷量進(jìn)行分析，找到中國摩托車L3類的典型樣車，作為本項(xiàng)目的主要研究對象。

2）通過測量典型L3類摩托車分別在國Ⅲ和國Ⅳ的不同測試循環(huán)下，炭罐在摩托車上實(shí)際脫附的工作狀態(tài)，研究其在不同測試循環(huán)下的脫附流量、脫附總量，對比二者的數(shù)量關(guān)系，為制定中國摩托車排放第Ⅳ階段標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)蒸發(fā)試驗(yàn)預(yù)循環(huán)次數(shù)的要求，提供數(shù)據(jù)支持，以確定預(yù)處理運(yùn)行的次數(shù)。

3　測試方案

3.1試驗(yàn)樣車的選取

對2007年至2012年，中國摩托車銷售情況進(jìn)行分析，對于市場上不同排量摩托車的銷售情況進(jìn)行分析，以銷售量最大的摩托車作為典型樣車。

由于騎式車和踏板車，其兩種車型的蒸發(fā)污染物排放測試結(jié)果存在差異。因此，以上兩種備選樣車，分別選取1輛騎式車和1輛踏板車作為研究對像。

3.2測量不同工況下炭罐的脫附流量

根據(jù)GB 14622-2007《摩托車污染物排放限值及測量方法（工況法，中國第Ⅲ階段）》，工況法測試循環(huán)如圖2所示。

圖2　三輪摩托車和發(fā)動(dòng)機(jī)排量小于150m L的兩輪摩托車的運(yùn)行循環(huán)（UDC）[2]

WMTC測試循環(huán)不同于目前我國執(zhí)行的GB14622-2007的排放測試循環(huán)（采用的ECE測試循環(huán)），它更為接近摩托車實(shí)際道路的行駛特征，按照摩托車排量和最高車速的不同，WMTC測試循環(huán)由三個(gè)測試部分組成。考慮到一些小排量的摩托車和踏板摩托車的最高車速不高，每個(gè)部分各包含一個(gè)正常測試循環(huán)和減速測試循環(huán)，每個(gè)循環(huán)持續(xù)600s，其速度－時(shí)間曲線如圖3所示。第一部分為低速部分，代表市區(qū)內(nèi)道路情況，第二部分代表鄉(xiāng)村公路，第三部分代表高速道路情況。

對兩種不同測試循環(huán)下，炭罐在摩托車上實(shí)際脫附的工作狀態(tài)進(jìn)行測量，研究其在不同測試循環(huán)下的脫附流量、脫附總量及脫附質(zhì)量。

3.3測試設(shè)備

3.3.1氣體流量的測試設(shè)備

a）　測試循環(huán)第一部分

目前，我們進(jìn)行氣體流量測量所使用的氣體流量計(jì)，大部分是計(jì)量氣體的體積流量，即轉(zhuǎn)子流量計(jì)。由于摩托車按照工況運(yùn)行的實(shí)際工作工程中，炭罐的脫附流量氣體的體積隨溫度與壓力的不同而變動(dòng)，所以常發(fā)生較大的計(jì)量誤差，無法測量動(dòng)態(tài)下的氣體流量，同時(shí)一般不具備自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)的功能。

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的工作原理源自熱擴(kuò)散原理，采用恒溫差法設(shè)計(jì)，測量端內(nèi)置2個(gè)鉑熱電阻，一個(gè)用來做熱源，一個(gè)用來測量溫度。當(dāng)被測氣體通過時(shí)，帶走一定的熱量，2個(gè)熱電阻之間產(chǎn)生溫度差。根據(jù)熱效應(yīng)的金氏定律，加熱功率P、溫度差ΔT與質(zhì)量流量Q有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

式中：K1、K2、K3是與氣體物理性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。當(dāng)溫度差ΔT不變時(shí)，加熱功率與流體的流量Q成指數(shù)函數(shù)遞增關(guān)系。

圖3　WMTC測試循環(huán)的構(gòu)成[3]

氣體質(zhì)量流量計(jì)是一種熱導(dǎo)式儀表，其主要特點(diǎn)是不受溫度與壓力變動(dòng)的影響，其顯示讀數(shù)直接指示氣體的質(zhì)量流量。它具有一系列優(yōu)點(diǎn)：

1）在常壓、高壓或負(fù)壓的條件下均可選用；

2）可在常溫、100℃，甚至更高的溫度下正常運(yùn)行；

3）適用的量程范圍寬，既能用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)小流量的場所也可用于工廠生產(chǎn)中的大型裝置；

4）流量計(jì)的阻力降極微小；

5）抗介質(zhì)腐蝕的能力強(qiáng)；

6）計(jì)量精度高；

7）輸出電訊號(hào)，可遠(yuǎn)傳顯示，還便于與其他儀表配合后實(shí)現(xiàn)流量記錄．自控或累計(jì)。

3.3.2主要儀器設(shè)備

本項(xiàng)目需要使用的主要儀器設(shè)備，見表1。

表1　主要設(shè)備一覽表

4　測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

4.1近年來中國摩托車產(chǎn)量分析

根據(jù)中國2007年至2012年全國摩托車的產(chǎn)量，按照不同的排量進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示[4]。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，可以看出111mL~125mL排量段的摩托車產(chǎn)量最大，其次是101mL~110mL排量段的摩托車。因此，本項(xiàng)目選擇此2個(gè)排量段的摩托車樣車作為研究對象。同時(shí)，考慮到典型的車輛類別，選擇1輛125mL的騎式車、1輛125 mL的踏板和1 輛110mL排量的彎梁車作為測試對象進(jìn)行研究。

4.2測試結(jié)果

試驗(yàn)對選定的3種不同排量、不同類型的兩輪摩托車，分別按照國Ⅲ排放工況以及WMTC排放工況進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，測量炭罐脫附流量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算1次工況下炭罐的脫附總量，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2　中國摩托車產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)表　　　輛

表3　3輛樣車的脫附總量　　　L

三輛測試樣車的瞬時(shí)脫附流量如圖4、圖5所示。

4.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.3.1測試工況的對比分析

對于本項(xiàng)目所研究的3輛摩托車所對應(yīng)的工況，國Ⅲ排放采用的是1170 s的等速工況循環(huán)，行駛距離為5.95 km；對于WMTC工況是圖3中第一部分和第二部分的工況，持續(xù)1 200 s，行駛距離為7.67 km。因此，WMTC工況與國Ⅲ工況相比，時(shí)間增加了2.56%，行駛距離增加了28.91%；對應(yīng)的最高車速都是在50 km/h。

圖4　國Ⅲ工況下的脫附流量模態(tài)圖

圖5 WMTC工況下的脫附流量模態(tài)圖

炭罐的脫附原理是：利用進(jìn)氣歧管或空濾器等處的負(fù)壓，使炭罐的控制閥打開，利用進(jìn)氣系統(tǒng)的負(fù)壓將新鮮空氣從炭罐的通氣孔吸進(jìn)炭罐，利用新鮮氣流對碳粉中的碳?xì)浠衔锓肿樱℉C）執(zhí)行脫附，并將HC帶入進(jìn)氣系統(tǒng)，參與發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于負(fù)壓狀態(tài)下，炭罐處于脫附狀態(tài)。

4.3.2測試樣車各模態(tài)數(shù)據(jù)分析

從表3中可以看出，3輛樣車在WMTC工況下比國Ⅲ工況的脫附總量大。由于國Ⅲ工況與WMTC工況相比，有比較多的怠速時(shí)間，此時(shí)油門處于關(guān)閉狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速狀態(tài)負(fù)壓較小；同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速下處于不對外做功的狀態(tài)，因此不希望混合氣過濃，因此，一般在進(jìn)行炭罐脫附流量的工況設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)減少怠速下脫附流量的設(shè)計(jì)值。

各車模態(tài)脫附流量如圖6至圖8所示。從模態(tài)數(shù)據(jù)來看，炭罐的脫附流量和車速成正比的關(guān)系。對于踏板車來講，車速和油門開度成正比關(guān)系，且所研究的樣車的炭罐脫附都是利用進(jìn)氣負(fù)壓來打開炭罐脫附的控制閥，因此踏板車炭罐的瞬時(shí)脫附流量和油門開度成正比關(guān)系。由于工況的變化，增加運(yùn)行的時(shí)間和行駛的距離，使得脫附總量增加了20%。

各車熱車起動(dòng)試驗(yàn)的脫附總量比常溫起動(dòng)試驗(yàn)的脫附總量低，原因在于熱車起動(dòng)的試驗(yàn)，車輛狀態(tài)穩(wěn)定，在前100s內(nèi)的油門開度比較穩(wěn)定、比較低，且總體來看也要低一點(diǎn)。

5　結(jié)論及建議

5.1結(jié)論

WMTC工況與國Ⅲ工況相比，延長了工況的運(yùn)行時(shí)間，更利于炭罐的脫附，脫附總量比國Ⅲ工況增加。

同時(shí)，由于國IV燃油蒸發(fā)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中刪除了炭罐預(yù)處理的要求，因此，進(jìn)行一次對應(yīng)工況的預(yù)處理運(yùn)行就能對炭罐進(jìn)行充分的脫附。

5.2相關(guān)建議

目前，在國際上只有少數(shù)國家或地區(qū)對燃油蒸發(fā)污染物排放進(jìn)行控制，在這方面，中國摩托車蒸發(fā)污染排放法規(guī)走在世界的前沿。隨著世界排放法規(guī)的加嚴(yán)，隨著中國摩托車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)第Ⅳ階段、甚至第V階段的出臺(tái)，對蒸發(fā)污染物排放會(huì)控制得更加嚴(yán)格，其主要目的是為了將節(jié)能減排的工作落到實(shí)處。因此，在未來中國的排放法規(guī)中，會(huì)對產(chǎn)品的一致性進(jìn)行更加嚴(yán)格的要求和控制。本標(biāo)準(zhǔn)所進(jìn)行的研究和規(guī)定，可以為蒸發(fā)污染排放控制關(guān)鍵部

圖6　騎式車國Ⅲ和WMTC工況下的模態(tài)脫附流量對比

圖7　踏板車國Ⅲ和WMTC工況下的模態(tài)脫附流量對比

圖8　彎梁車國Ⅲ和WMTC工況下的模態(tài)脫附流量對比

件和系統(tǒng)的生產(chǎn)和研發(fā)，提供指導(dǎo)意義；同時(shí)為相關(guān)管理部門進(jìn)行產(chǎn)品一致性監(jiān)督，提供相關(guān)的試驗(yàn)方法。

參考文獻(xiàn)

1環(huán)境保護(hù)部.GB 20998-2007摩托車和輕便摩托車燃油蒸發(fā)污染物排放限值及測量方法[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2007

2環(huán)境保護(hù)部.GB 14622-2007摩托車污染物排放限值及測量方法（工況法，中國第Ⅲ階段）[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2007

3全球技術(shù)法規(guī)No.2《裝用點(diǎn)燃式或壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的摩托車的氣體排放污染物、CO2排放物以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗的測量程序》[EB/OL]．http://wenku.baidu.com，2015-03-20

4日本自動(dòng)車工業(yè)會(huì).MotorcycleStatistics.World MotorVehicle Statistics，2014，13：200

中圖分類號(hào)：U483

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8234（2015）02-0033-09?

收稿日期：（2015-03-12）

作者簡介：張智軒（1983-），男，工程師，主要研究方向?yàn)槟ν熊嚈z測技術(shù)。

Study on the Number of Precondition Driving Cycles in Standard of Evaporation Em ission from M otorcycle in ChinaⅣ

Zhang Zhixuan，W ang Jianchao，W ang Yudong
Tianjin InternalCombustion Engine Research Institute，Tianjin Motorcycle TechnicalCenter,Tianjin
Motorcycle Quality Supervisory&Testing Institute（Tianjin，300072，China）

Abstract：Chinamotorcycle emissions standards（stageⅢ）started to control the evaporative emissions.In ChinaⅣ,theWorld Motorcycle TestCycle（WMTC）was accepted as the exhaustemission test cycle for motorcycle with two-wheels orwith sidecar.So the different purging flow between the ChinaⅢtest cycle and ChinaⅣtest cycle need to be studied,in order to decide the numberofprecondition driving cycles in ChinaⅣ.Thispaper studies the purging flow and totalpurging volume between the different testcycles on classicalmotorcyclemodels，in order to suggest the number ofprecondition driving cycles in ChinaⅣ.

Keywords：Evaporation，Numberofprecondition，Standard ofemissions frommotorcycles（ChinaⅣ）