用于國V SBC試驗循環的二次空氣噴射系統氣路部分開發與驗證

于津濤，肖廣宇，魏 京 Yu Jintao，Xiao Guangyu，Wei Jing

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用于國V SBC試驗循環的二次空氣噴射系統氣路部分開發與驗證

于津濤1，肖廣宇1，魏 京2Yu Jintao1，Xiao Guangyu1，Wei Jing2

（1. 中國汽車技術研究中心，天津 300300；2. 梅賽德斯-奔馳乘用車中國研發中心，北京 100102）

依照GB18352.5—2013中對標準臺架循環（Standard Bench Cycle，SBC）的相關規定，設計研制一套適用于SBC試驗循環的二次空氣噴射系統，用于發動機臺架老化試驗。該系統氣路部分由質量流量控制器和空燃比傳感器組成雙閉環系統，可根據需求調整每次噴射空氣的質量流量，噴射時刻可嚴格對應標準，經過數十小時驗證，二次噴射空氣流量穩定，重復性高，可外接在現有發動機臺架上進行催化器老化試驗。

SBC；二次空氣噴射；發動機耐久

0 引 言

國Ⅴ排放法規在耐久性方面增加了發動機臺架耐久SBC（Standard Bench Cycle，標準臺架循環）。相對于整車耐久，SBC是一個全新的耐久方式，并且在管理模式方面，由整車的里程管理模式變換為時間管理模式[1]。

SBC要求使用一個能為催化器提供氣源并進行定期補氣的發動機老化臺架。SBC是一個60 s的循環，在所要求的時間段內，按需要重復該循環以進行老化試驗。根據催化器溫度、發動機過量空氣系數和添加在第一個催化器前面的二次空氣噴射量來規定SBC[2]。

分析市場需求，設計設備相關參數，并測試所開發設備是否滿足標準精度及耐久要求。該系統由氣動執行機構和電控系統組成，重點介紹氣路部分的開發及驗證，并對電控系統進行簡要說明。

SBC單個循環的介紹見表1。

表1 SBC

時間發動機空氣/燃油比（A/F）二次空氣噴射 第1 s-第40 s理論空燃比（通過發動機轉速、負荷和點火正時的控制來實現催化器最低溫度為800 ℃）無 第41 s -第45 s“濃”（選擇A/F比值，以實現催化器溫度在整個循環內最高為890 ℃，或比較低的控制溫度高90 ℃）無 第46 s -第55 s“濃”（選擇A/F比值，以實現催化器溫度在整個循環內最高為890 ℃，或比較低的控制溫度高90 ℃）3%（±0.1%） 第56 s -第60 s理論空燃比（通過發動機轉速、負荷、點火正時的控制來實現催化器最低溫度為800 ℃）3%（±0.1%）

1 氣路系統設計

1.1 產品適用范圍

據統計，目前國內輕型車市場中汽油發動機2.0 L排量及以下的產銷量占全部數量的近95%[3]。對我國2015年市場上滿足輕型車國V排放標準的超過20款的2.0 L及以下不同排量發動機的統計發現，催化器容積與發動機排量的比值主要分布在0.8～1.2。因此，本項目設計的SBC二次空氣噴射系統主要針對排量為2.0 L（含增壓發動機）及以下，催化器容積在2.4 L及以下的發動機。

1.2 功能需求及氣路圖

氣路系統的要求如下：

1）GB18352.5—2013中并沒有像其他法規[4]直接規定SBC中需要的用氣量，因此需要根據產品需求范圍，設計出符合法規中用氣需求的補氣系統，即該系統能夠在連續15 s的時間內持續穩定供給所需要的空氣，保持在該時間段內流速穩定，并且在45 s秒時間內使系統恢復初始狀態以滿足下個循環使用量的要求；

2）帶有觸發功能，能夠周期性地觸發發動機的加濃噴油起止時刻，并將此開關量信號作為空氣噴射的觸發信號；

3）該補氣系統的空氣供給量不隨溫度、壓力等變化；

4）在催化器溫度超出設定值或其他需要情況時，可以自動或手動緊急切斷二次空氣噴射；

5）可以對采集到的數據進行顯示、存儲。

參考相關文獻[5]及其他相關學者的實踐，綜合考慮成本、響應性、體積及現有設備的綜合利用，氣路硬件部分設計思路如下，氣路圖設計如圖1所示。

1）利用車間壓縮空氣作為主氣源而不是自帶氣泵；

2）設計儲氣罐提高穩定性和響應性，并根據實際需求設計為兩級或多級儲氣罐以減小設備尺寸和成本；

3）配備質量流量控制器進行流量控制；

4）配備不同控制閥和不同儀表進行控制和指示；

5）使用氧傳感器對噴氣量進行反饋。

2 氣路系統主要零部件計算

2.1 單位時間最大排氣流量估算

按照標準要求，需要在連續15 s的時間內噴射發動機排氣量3%（±0.1%）的O2，因此需要結合適用范圍估算排氣總量exh，kg；或單位時間最大排氣流量exh，kg/h。

根據Hendricks等[6]對進氣系統建模采用

2.2 SBC二次空氣噴射量估算

空氣中O2體積含量約為21%，質量含量約為23%，按照標準要求，需要在連續15 s的時間內噴射發動機排氣量3%（±0.1%）的O2，即

式中SBC為SBC二次空氣噴射量，則單位時間最大空氣噴射流量SBC-air與單位時間最大排氣流量exh的關系為

SBC-air=0.15×exh（3）

如果exh取460 kg/h，則SBC-air=69 kg/h= 19.2 g/s，即二次空氣噴射系統應具備最大提供19.2 g/s空氣的能力。

2.3 流量控制器參數選擇

為能有效實現對噴射空氣量的閉環控制，去除氣源壓力、環境溫度等因素變化所帶來的擾動影響，配置質量流量控制器（Mass Flow Controller，MFC）對噴射空氣進行精密測量與控制。

SBC-air=19.2 g/s÷1.2 sl/g×60 s/min=960 slpm（標準狀態下升每分鐘），氣體質量流量控制器基本參數應滿足：量程>1 000 slpm，精度< 1% F.S.，響應時間< 100 ms。

2.4 儲氣罐設計

試驗室氣泵最大排量為1.2 m3/min，總儲氣罐容量為300 L，能力較大，所以SBC設備所設計的儲氣罐為2個10 L串聯。

2.5 其他說明

為實現對催化器中的閉環控制，需要配置相應的Lambda模塊與傳感器，實時采集空燃比，并將空燃比以過量空氣系數模式輸出，作為控制系統軟件閉環負反饋的依據。其中與/的關系為=/÷14.7。

同時配備模擬電壓量采樣模塊、熱電偶信號采集模塊、輸出控制模塊及USB集線器用于數據采集及通訊。軟件功能通過Delphi語言編譯，適用于Windows操作系統，具體操作界面如圖2所示。

3 試驗驗證

3.1 最大流量確認

設置15 s穩定流量為800 slpm，并以50 slpm的步長增長，測試該設備能提供的最大流量。每次試驗10個循環，每個循環從噴射開始計時15 s，采樣頻率1 Hz。標準中規定3%±0.1%的二次空氣噴射偏差，即噴射波動可在3%（0.1%/3%=3%）范圍內波動。

經測試，SBC二次空氣噴射設備可以提供的最大空氣流量為1 000 slpm，滿足最初設計要求。

3.2 溫度壓力—流量穩定性

設備用于臺架耐久循環，必須具有良好的耐久性和可靠性，至少能夠無故障連續運轉24 h（因為發動機臺架通常每24 h耐久后需要對中檢查等），且流量不隨環境溫度、壓力或其他外在因素變化，能保持3%的穩定性。

經驗證，設備連續運轉24 h流量不隨試驗室環境溫度、氣泵壓力等因素發生明顯變化，能維持穩定。

3.3 SBC噴射驗證試驗

選擇某國產2.0 T增壓直噴汽油發動機進行試驗，發動機基本參數見表2。

表2 試驗發動機基本參數

參數 參數值 排量/L1.967 進氣方式增壓中冷 最大凈扭矩/Nm/(r/min）315/ 2 000-4 000 額定功率/kW/(r/min）160/5 500

選擇的試驗工況為2 900 r/min、BMEP（Brake Mean Effective Pressure，制動平均有效壓力）為800 kPa，該點催化器溫度為807 ℃，空速為60 000 h-1。在這個選定工況下，輸入空氣量air為146 kg/h，油耗量fuel為10.2 kg/h，軟件根據式（4）計算出SBC噴射量SBC-air為325 slpm。

SBC-air=0.15×(air+fuel)×1 000/3 600÷ 1.2×60 =325 （4）

=(air+0.15×(air+fuel))/fuel÷14.7=1.13 （5）

根據法規要求，二次空氣噴射量占到排氣總量的3%（±0.1%），也就是過量空氣系數要在1.16±0.006范圍內。將計算所得的SBC-air流量應用于設定流量后，通過噴射口后端設置的空燃比傳感器測得滿足要求，如果超過范圍可通過手動微調設置流量滿足過量空氣系數在1.16±0.006范圍的要求，如圖3所示。

為進一步驗證在發動機運轉情況下該設備的穩定性，利用的波動來測試8 h內（480個循環）設備穩定性。取噴射開始后第11 s至第14 s的平均值作為該循環的過量空氣系數，繪制過量空氣系數變化曲線。經過8 h耐久后統計得出過量空氣系數90%穩定在1.16±0.006范圍內，如圖4所示。

4 結 論

1）所開發的二次空氣噴射系統氣路部分能夠滿足法規SBC試驗的需要，其硬件組成簡單實用，成本低，且適應性強易于推廣。

2）通過配備質量流量控制器和空燃比傳感器，可以使整個系統受壓力、溫度等波動變化影響很小，滿足法規過量空氣系數精度要求。

3）通過數十小時的空機運轉試驗，該設備穩定性滿足耐久性要求。

[1]劉慶，侯獻軍，李菁元. 歐Ⅴ/Ⅵ輕型車耐久性試驗研究[J]. 武漢理工大學學報：信息與管理工程版，2012，34（3）：317-321.

[2]國家環境保護部，國家質量監督檢驗檢疫總局．GB18352.5—2013 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）[S].

[3]《中國內燃機工業年鑒》編委會. 中國內燃機工業年鑒[M]. 上海：上海交通大學出版社，2015.

[4]國家環境保護總局. HJ/T 331—2006 環境保護產品技術要求汽油車用催化轉化器[S].

[5]遲永昊，何小明，楊正林. 三元催化轉化器快速老化試驗系統的設計[J]. 輕型汽車技術，2013（Z1）：32-36.

[6]Hendricks E, Sorenson S C. Mean Value Modelling of Spark Ignition Engines[J]. SAE Technical Paper 900616, 1990, doi:10.4271/ 900616.

2016-09-08

1002-4581（2017）02-0014-04

U467.2+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.02.004