輕型車制動磨損顆粒物排放與測試

錢國剛，孫 龍，付鐵強，吳 迪Qian Guogang，Sun Long，Fu Tieqiang，Wu Di

輕型車制動磨損顆粒物排放與測試

錢國剛，孫 龍，付鐵強，吳 迪
Qian Guogang，Sun Long，Fu Tieqiang，Wu Di

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

美、歐研究顯示，傳統動力下LDV（Light Duty Vehicle，輕型車）制動磨損顆粒物的排放量為5～7 mg/km，此值高于國6b排放標準Ⅰ型試驗PM（Particulate Matter，顆粒物）限值。車輛技術配備是關鍵影響因素，制動能量回收可以顯著降低PM排放數值，采用NAO（Non Asbestos Organic friction material，非石棉有機物混合纖維摩擦材料）技術相比少金屬襯片配置的車輛其PM排放量會降低。雖然在2018年有關制動器襯片的標準規定了一部分危害身體健康的物質含量上限，但對人體危害顯著的元素銻Sb卻未在列，相關標準規范亟需補充。歐盟的測試方法已基本完成框架搭建和要素設定，預計2022年發布法規標準。在制動磨損測試中，速度循環、環境溫度和冷卻風設定對測量值有影響，分析WLTP-Brake Cycle（World Light-duty Vehicle Test Procedure-brake Cycle，全球輕型車測試規程-制動工況）是否符合我國輕型車使用規律。

制動磨損；制動磨損顆粒物排放；測試方法；WLTP-Brake Cycle；輕型車

0 引 言

輕型乘用車的一次PM（Particulate Matter，顆粒物）排放主要來源除了尾氣，還有非金屬旋轉/運轉件與其摩擦副間的磨損，包括制動摩擦副、輪胎與路面間的摩擦副、干式雙離合變速器的摩擦盤、驅動發動機附件的傳動皮帶等。近年來，對制動盤和制動器襯片摩擦副產生的PM10、PM2.5排放研究取得了進展，行業監管舉措已在醞釀中。

1 制動磨損排放量

美、歐研究顯示，乘用車有顯著的PMBW（Brake Wear Particulate Matter Emissions，制動磨損排放），其排放量與尾氣一次PM排放當前限值大體相當。

1983年美國已研究評估制動磨損的顆粒物排放量[1]。CARB（California Air Resource Board，美國加州空氣資源局）采用EMFAC（Emission Factor, 排放因子）模型來計算各城市地區的移動源排放量，服務于該州的空氣監管目標。為了給該模型的202x版本設定PMBW因子，2020年CARB測試了6款代表性車輛的制動磨損[2]，發現有/無制動能量回收的車輛存在差異；HEV（Hybrid Electric Vehicle，混合動力電動汽車）減速時，得益于驅動電機制動能量回收提供的負扭矩，制動器摩擦副的負擔減少。對應有/無制動能量回收，式（1）、式（2）分別給出了PMBW因子基數[2]。

式中：PMBWN_RG和PMBWRG分別為無制動能量回收車型和有制動能量回收車型的PMBW因子，mg/mile；DO為車輛總里程，mile。式（1）、式（2）換算成公制單位后的數值規律如圖1所示，制動回收功能使車輛制動磨損量減少超過50%。圖中橫軸為總里程，縱軸為制動磨損因子。

總里程值DO通常對應車輛的購置年份。近年來，少金屬襯片配置的份額逐步被NAO（Non Asbestos Organic friction material，非石棉有機物混合纖維摩擦材料）取代，NAO制動磨損較低。

圖1 有/無制動回收功能的車輛制動磨損

CARB對PMBW賦值幾經變更，2007年之前采用EPA（Environment Protect Agency，美國環保局）評估辦法，前、后各兩輪的輕型乘用車PMBW取值為12.8 mg/mile，如式（3）所示。

式中：為PM10和PM2.5在總磨損物中的占比，取值約為31%；為Raleigh city（美國羅利市）駕駛循環下每英里制動次數的平均值，取值5.1；由于制動時前輪負荷大體為后輪的2.3～2.4倍，則式（3）中前輪排放率取值2.43大于后輪取值1.68[3]110。

2011年，CARB研究推算出輕型乘用車的制動磨損典型值為34 mg/mile[3]110，后調為37.5 mg/mile，換算后為23.3 mg/km。這個調整基于兩方面考慮：（1）半金屬/少金屬襯片在美國輕型乘用車市場的占有率升至73%，但耐磨損性能不及石棉材料襯片；（2）LA92（Los Angeles 92，洛杉磯1992年）循環作為加州行駛特征代表，其制動時車速、制動頻次和負加速度比美國羅利市循環更激烈。2020年基于6款實車測試得出的排放值如式（1）、式（2）所示，顛覆了前述估值。

歐盟在2014年匯總了1995～2012年共9家機構測評的數據，平均值為6.7 mg/km。

制動磨損的影響因素包括車輛載荷和車速。加州通過一個由中速、高速、低速3個片段組合而成的4.1 h速度循環下的制動磨損PM排放量試驗，結果給出了各速度段的單位里程排放值與整體綜合值之間的比例關系，定義了SCF（Speed Correction Factor，速度修正因子）隨車速的變化規律，如圖2所示。從單位里程角度看，激烈加、減速情況在車速為21～69 km/h時相對頻繁，制動摩擦副的摩擦生熱大于空氣風冷攜熱速率，容易出現制動摩擦副高溫和制動排放PM偏高的傾向，此時修正因子最高范圍為1.9～2.0。高速片段下，制動摩擦副風冷相對充分，單位里程下的激烈加、減速頻率相對較低，則速度修正因子較低。

圖2 速度修正因子

環境溫度既影響制動磨損PM的生成量，又影響PM的粒徑分布。如前所述，摩擦副的材料影響制動磨損PM，NAO材料制動磨損低于少金屬襯片。

2 制動磨損PM分析

在分析制動磨損對人體和生物體的危害時，成分和粒徑是關鍵維度。

2.1 制動磨損PM的成分

制動磨損中PM2.5及PM10的成分見表1，大于PM10的顆粒物成分與之類似，含碳物質主要有多環芳烴、正烷烴、正鏈烷酸、苯甲醛。

表1 制動磨損中PM2.5及PM10成分[4]9

GB 5763—2018《汽車用制動器襯片》[5]中規定：不得含有石棉，并且Cd的質量分數不得高于0.01%，而6價Cr、Pb和Hg的質量分數不得高于0.1%。

除了有機成分、水溶性離子和無機碳元素，金屬元素也是制動磨損PM的主要成分之一。圖3為10款制動器樣品中制動磨損顆粒物PM10中的金屬成分[6]。圖中第2號、3號樣本為某車型的前輪制動器及后輪制動器，Cu元素顯著；其中Sb2O3疑似肺致癌物，在Sb排放方面，少金屬襯片優于半金屬襯片，在同一樣品中，以Fe元素為比較基準，半金屬襯片中Sb與Fe之比為1%～2%，在少金屬襯片中Sb與Fe之比為0.03%～0.13%。

圖3 10個制動器樣本的制動磨損PM成分

2.2 制動磨損PM的粒徑

關于制動磨損PM數量隨粒徑的分布業界有兩種認識：一種認為有兩個峰值，分別在0.01 μm和1 μm；另一種認為在1 μm或2 μm粒徑附近有一個峰值，如圖4所示，圖中以峰值處粒徑區間的質量和為基準，其他粒徑段的質量和與其相比，得出縱軸數值。

圖4 制動磨損PM粒徑分布[4]9

1995年，美國研究了制動磨損顆粒物粒徑分布，質量累計百分率曲線如圖5所示，PM2.5占比顯著。

圖5 制動磨損PM粒徑分布（PM10及以下）[7]

3 行業監管測評

監管制動磨損需要一套行業適用的測評方法。

3.1 美國測試方法

美國官方在非尾氣排放顆粒物方面關注MOVES(Motor Vehicle Emission Simulator, 機動車排放模擬計算)模型及EMFAC模型相應的排放因子。

采用運行損失蒸發排放測試的密閉倉可實現制動磨損和輪胎磨損的綜合測量。在密封腔室設有底盤測功機，車輛尾氣被單獨導出，與腔室隔絕，避免對非尾氣測試干擾。哈根-史密特實驗室經驗認為密閉艙內累積的PM取決于行駛循環的制動頻繁程度（次/mile）。

美國福特公司開發了新的測試方法，測試裝置見圖6。圖6（a）中的車輪被一罩蓋遮蔽，借助負壓捕獲車輪制動摩擦副生成的磨損顆粒，防塵罩減少其他部位PM的竄入量；圖6（b）為該裝置在車輛上的裝載布局，可實現道路測試；圖6（c）為實驗室測試狀況。該裝置的弊端是減弱了制動冷卻，使制動部件的溫度略高于實際應用情況。

2018年起，CARB借鑒JRC（Joint Research Center, 聯合研究中心）方法，借助帶封閉倉的制動器測功機，與研發公司合作研究制動磨損規律，探究反映加州行駛、制動行為規律的車速循環，該研究尚在進行中。

近些年，福特公司采用3h-LACT（3 hour Los Angeles City Traffic，3小時洛杉磯城市交通），該循環有217個怠速，最大減速度為0.3，速度曲線如圖7（a）所示；制動盤在該車速下的溫度波動如圖7（b）所示，LACT-20對應于溫度升高最顯著的20min，此時車輛的加減速劇烈且頻繁。在圖7（b）中LACT-20時段里測試車輛制動器溫度相對較高，PN（Particulate Number，顆粒物數量）值超過7×1012個/km。

圖6 福特公司的非尾氣顆粒物排放測試裝置

圖7 3h-LACT的車速和制動盤溫度波動

3.2 歐盟的測試方法

歐盟JRC牽頭制定了制動磨損PM測試規程，定義了模擬典型制動行為的行駛循環，模擬輕型車的典型制動行為。測試設備的內部容積大小可以把制動系統的制動盤/襯片部件容納其中，測儀內腔的PM被鼓風機輸送至分析儀，制動盤的轉速和扭矩等指標由制動測功機控制。

3.2.1 歐盟的測試循環

WLTP-Brake Cycle的速度曲線如圖8所示，總里程192.2 km，行駛時長15 827 s，制動（或減速）片段有303個。

圖8 WLTP-Brake Cycle速度曲線[8]

制動時長的分布頻率如圖9所示。303個制動片段以制動時長秒數為指標統計發生的總次數，數據點即次數值，曲線為數據點分布情況的一元6次方程擬合線。3～6 s的制動時長最為頻發，占比72.6%。制動發生時刻的速度平均值為42 km/h，制動期間的平均減速度為0.9 m/s2，減速度峰值為2.2 m/s2。

圖9 WLTP-Brake Cycle制動或減速時長頻次分布

圖8中整個循環過程為4.4 h，在每個行程之間需進行表2所示浸車過程，則試驗總耗時為41.4 h。

表2 各行程和浸車參數

續表2

3.2.2 歐盟的測試設備

將受測對象置于設備內腔，測試時，制動磨損PM被氣流帶出。設備內腔設計應兼顧輸送效率最優、停留時間最小，顆粒物在氣流中均勻分布，從而配合氣溶膠采樣。測試儀內腔應避免急劇彎曲和橫截面突變，以及使用光滑的內表面（即彎曲邊緣）以減少回流區域。允許逐步改變橫截面，但是建議采用平滑曲度，避免大于90o的轉曲。內表面材料采用不銹鋼等導電材料，電解拋光，以避免靜電引起的顆粒物沉降。將制動器裝卡固定位置選在上部，降低其對冷卻空氣的干擾。為使具有滲透性的顆粒減少至少99.95%，冷卻空氣在進入設備內腔前應予有效過濾。主過濾器級別不低于EN 1822中H13級[9]，附加的活性炭過濾器應安裝在主過濾器的上游。

行駛循環下制動盤溫度的升降變化一例見圖7（b）。溫度會影響制動磨損，故在測試規程的多個環節規定了制動盤溫度。使用一只熱電偶來測量制動盤的溫度，設置在制動盤的外側盤片，其中徑向在受摩擦環狀部分居中，軸向在距外側盤片外表面0.5 mm處，如圖10所示。實測中發現，溫度高的工況片段會頻繁出現PM和PN瞬態峰值。

圖10 熱電偶在制動盤的位置

3.3 歐盟測試方法的要素指標

3.3.1 冷卻空氣溫度和濕度

冷卻空氣溫度和濕度應調節至（20±2）°C和（50±5）％RH，可偶爾超限，但累計時長不得超過循環總時長10%，且應滿足（20±5）°C和（50±10）％RH要求。

3.3.2 制動盤溫度

在WLTP-Brake Cycle中，當制動事件（停頓、加速、巡航或減速）開始時，制動盤或制動鼓總體溫度為IBT（Initial Brake Temperature，初始溫度）；制動完結時的溫度為FBT（Final Brake Temperature，結束溫度）。IBT和FBT由熱電偶測量。

在WLTP-Brake Cycle中，除了第1個循環的第1個行程之外（含磨合和正式），其他各個行程都應在IBT達到40℃時開始進行。

借助第10行程來找出適當的冷卻氣流流量設定。冷卻流量不能過低，否則IBT及FBT不能滿足表3中的溫度目標值。設定常需依據工程經驗重復多輪，當降溫過慢時則在下一輪里增大冷卻流量。采用第10行程的第1～7次制動所對應的前330 s作為熱機過程，隨后待溫度不高于40℃時開始第10行程，實時記錄熱電偶溫度。以第10行程的第46、101、102、103、104和106次制動期間的溫度為基準，來確定IBT的平均值和FBT的平均值。若參數值不符合表3限值范圍，則調整重復執行本段的前述流程，直至滿足。找出符合條件的冷卻流量后，在該值下進行正式測試。

表3 行程10制動盤的溫度要求

3.3.3 磨合規程

考慮到測試過程的可復現性，制動器摩擦副在測試前應經過磨合，該過程通常包括至少5個WLTP-Brake Cycle。磨合過程中各行程的觸發條件是制動盤溫度采集點的測值低于40℃，則可免去表2所列浸車環節。

3.3.4 背景濃度檢查

可分2個步驟測量背景氣狀況。

第1步：在未安裝制動組件的情況下進行測量。背景氣檢查應在進入的冷卻空氣流量穩定后5 min開始，并在3種設置（最大氣流的10％、50％和90％）下運行，每次運行至少持續30 min（或背景氣濃度穩定所需的時間）。

第2步：在制動排放測試之前和之后進行背景氣檢查。制動組件安裝后，進行磨合之前先進行背景氣預測試。當進入的冷卻空氣穩定5 min后開始，并在排放測試的氣流下運行至少5 min（或達到背景氣濃度穩定所需的時間）；完成磨合后以及測試完成后，再分別進行背景氣檢查[9]。

3.3.5 測試參數清單

測試參數包括速度、制動壓力、制動扭矩、減速度、制動溫度（制動盤和制動襯塊）、摩擦系數、PM10、PM2.5、PN值以及冷卻空氣的溫度、相對濕度和速度/流量。

4 結 論

歐盟和美國研究認為傳統動力的制動磨損PM排放量約為5～7 mg/km，比國6b階段排放標準中Ⅰ型試驗PM排放限值3 mg/km高。車輛技術配備是影響PM排放的關鍵，配備制動能量回收可顯著降低PM數值，采用NAO技術其排放量低于少金屬襯片配置下數值。

制動器襯片相關標準規定了一部分有害物質含量上限，但Sb的含量未列出，相關研究亟需補充。

歐盟測試方法已基本完成了框架搭建和要素設定，將開始編纂法規正文，預計2022年發布。日本乘用車制動磨損PM法規JASO C470-2020已經發布。速度循環、環境溫度和冷卻風等因素對PM排放數值有影響。有必要考察WLTP-Brake Cycle與我國輕型車使用規律是否相對應，進而探索適合我國國情的測試循環。

[1]CHA S , CARTER P, BRADOW R L. Simulation of Automobile Brake Wear Dynamics and Estimation of Emissions[C]// Passenger Car Meeting & Exposition,1983.

[2]Mobile Source Analysis Branch of Air Quality Planning and Science Division of California Air Resources Board. EMFAC202x updates[S/OL]. 2020-07-30: 165-166[2020-09-09]. https://ww2.arb.ca. gov/ sites/default/files/2020-07/EMFAC202x_2nd_Workshop_07302020_ADA.pdf.

[3]ARB. EMFAC2011 Technical Documentation[R/OL]. 2012-07:110[2020-09-09]. https://ww3.arb.ca.gov/msei/emfac2011-technical- documentation- final-updated-0712-v03.pdf.

[4]Sustainable Transport Unit of Institute for Energy and Transport of Joint Research Centre. Particle Emissions From Tyre and Brake Wear On-going Literature Review[R/OL]. 2014-01:9[2020-09-09]. https://wiki. unece. org/download/attachments/15761629/GRPE-PMP-29-05%20Brakes- Tyres%202V%20GRPE.pptx?api=v2.

[5]國家市場監督管理總局，中國國家標準化管理委員會.汽車用制動器襯片：GB 5763—2018[S].北京：中國標準出版社.

[6]SCHAUER J J, LOUGH G C, SHAFER M M , et al. Characterization of Metals Emitted from Motor Vehicles[J/OL]. Research Report (Health Effects Institute).2006-03:35[2020-09-09]. https://www. healtheffects.org/ system/ files/Schauer.pdf.

[7]EPA.Particulate Emission Factors for Mobile Sources as Calculated in the Model Part5[S/OL]. 1998:66[2020-09-09]. https:// 19january2017snapshot.epa.gov/www3/otaq/models/part5/part5uga.pdf.

[8]IWG on PMP. Non-Exhaust Brake Emissions — Laboratory testing—Part 1：Inertia Dynamometer Protocol to Measure and Characterise Brake Emissions Using the WLTP-Brake Cycle[S/OL]. Informal Document GRPE-81-12 81st GRPE. 2020-06:1-29[2020-09-09]. https://wiki.unece.org/download/attachments/105185696/GRPE%20Brake %20 Emissions%20Protocol%20-%20Part%201%20Final_Clean.pdf?api=v2.

[9]UN/ECE Grpe Particle Measurement Program Informal Working Group. Recommendations on the Definition of Commonly Accepted Parameters for Testing[R/OL]. 2020-3-30:1-2[2020-09-09]. https://wiki. unece.org/download/attachments/101552422/M%2326-Common%20Testing %20Parameters%20V9%2013MAR2020.pdf?api=v2.

U467.4+95

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.01.004

1002-4581（2021）01-0015-06

2020-10-19