汽油機催化器臺架快速老化研究

方晨 錢人杰 楊名名

摘要：按照國家輕型車排放法規對于整車的耐久性要求，臺架快速老化可在短時間內實現催化器在底盤測功機上或試驗跑道進行的耐久性試驗所達到的同等熱老化。基于臺架標準循環（SBC），研究快速老化試驗流程以及完成等同于整車20萬公里耐久的臺架快速老化試驗。使用臺架老化耐久，催化器的熱負荷更高，老化時間可大幅度縮短;但高熱負荷會對發動機壽命產生影響，同時該方法在認證過程中也存在一定的局限性。

Abstract： According to durability requirements from light passenger and commercial vehicles regulations， the vehicle's catalyst could be conducted the same amount of deterioration on bench instead of dynamometer or test track. Based on standard bench cycle （SBC）， the bench ageing procedure was studied. And a catalyst aging test was conducted on the bench， which was referenced to 200 000 km. Within higher catalyst temperature on bench， the aging time was much lower. But high heat load will affect the engine's full useful life， meanwhile， the method is used in certification tests with certain limits.

關鍵詞：汽油機;催化器;快速老化;SBC

Key words： gasoline engine;catalyst;rapid aging;SBC

中圖分類號：U464.17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0017-03

0? 引言

隨著大氣污染防治力度的不斷加大，大家逐漸意識到汽車已經成為我國移動污染源的主要貢獻者。其中柴油車NOX和PM排放量超過汽車排放總量的80%，汽油車CO和HC排放量超過汽車排放總量70%[1]。目前，全球汽車排放標準以歐洲體系、美國體系和日本體系為主，其中以歐美體系被廣泛采納。我國輕型汽油車的排放法規一直沿用歐洲排放標準，并于2005年初次引入整車8萬公里耐久性試驗。發展到目前國六階段，要求在底盤測功機上或試驗跑道進行的16萬公里（6a階段）以及20萬公里耐久性試驗（6b階段）[2-4]。

基于催化轉化器的熱老化原理，可通過調節空燃比，提高催化器溫度，縮短老化試驗時間，這也就是臺架快速老化方法。2008年7月18日，歐盟通過了（EC）No692/2008法規[5]，即歐5/6技術標準，規定了標準臺架循環（Standard Bench Cycle. SBC），正式允許使用臺架快速老化方法取代整車轉轂耐久。與標準臺架循環相比，許多公司[6-8]老化時的催化器溫度更高，也能更快的完成熱老化。

1? 臺架快速老化原理

臺架快速老化法是通過將催化器和氧傳感器急速熱老化，以再現車輛行駛所需求的耐久公里數的后處理排放狀態。目前臺架主要通過補氣、斷油[9]兩種方法實現催化器溫度在遠高于正常行駛溫度，運行此類循環以實現臺架快速老化。SBC是一個60s的循環，在所要求的時間段內，在老化臺架上按照需求重復該循環，以完成老化試驗。根據控制催化劑溫度、發動機空氣/燃料比（A/F）和添加在催化劑前的二次空氣噴射量來規定SBC循環，試驗循環如表1所示。

快速老化系統由發動機、快速老化控制系統、空燃比儀、二次壓縮空氣控制裝置、排氣測量流量計、氣動排氣背壓調節閥等組成。快速老化系統與臺架控制軟件系統進行集成，如圖1所示。按照工況進行編程控制二次空氣噴射，對其噴射時間和噴射量進行控制，同時外接寬氧傳感器對噴射后的過量空氣系數進行監控。

2? 臺架快速老化適用范圍

在認證試驗中，快速老化適應于點燃式發動機汽車，包括使用催化轉化器作為主要后處理排放控制裝置的混合動力汽車。若與進行了整車耐久性試驗的車型相比，試驗車輛僅污染控制裝置的變化超出了GB18352.6-2016中6.3規定的擴展條件，但不能作為基礎車型。認證期間可以采用標準臺架循環（SBC）或者是經環境保護主管部門認可的其他替代循環進行耐久性試驗。

3? SBC試驗流程

與整車在試驗場或者轉轂上的耐久試驗相比，使用臺架老化耐久，催化器的熱負荷更高，催化器的老化時間更短，SBC試驗流程如圖2所示。通過在催化器最高溫度處安裝的溫度傳感器，收集車輛2次標準道路循環（SRC）和臺架SBC循環20分鐘的數據來計算臺架老化時間（The Bench Ageing Time .BAT）。以臺架實際老化時間是否達到BAT的95%作為達到老化效果的判斷依據。

3.1 確定SBC基準溫度

運行SBC循環20min，以1Hz頻率記錄試驗過程中的催化器溫度-時間數據，如圖3所示。溫度數據整體上在符合循環設定要求，在可接受范圍內波動。基于阿累尼烏斯（Arrhenius）方程[10]，定義基準溫度為臺架老化期間經歷不同溫度所產生相同老化效果的某一恒定溫度。統計臺架耐久各頻段內溫度所占時間的總和，通過不斷的調整基準溫度，使得阿累尼烏斯方程式計算出來的SBC時間與臺架耐久實際運行的時間相等，基準溫度計算公式如式（1）所示。該基準溫度與SRC試驗數據一起，用于實現整車耐久公里數與臺架耐久小時數的轉換。

式中：Tr為SBC基準溫度，K;R為催化器熱反應系數，17500;ti為SBC溫度采集頻次，次/s;tSBC為SBC試驗時間，s;TSBC為SBC催化器溫度，K。

3.2 計算臺架老化時間（BAT）

臺架老化時間（BAT）方程，是由SBC基準溫度相對于兩個SRC循環內各個溫度框的等效老化時間累加，并乘以該時間校正到正常壽命的時間系數，如式（2）所示。根據熱老化機理，SBC基準溫度越高，BAT越小。程建康[11]發現， SBC和SRC溫度的分組步長越小，BAT結果越準確。整體上，在法規要求的SRC和SBC步長分別在25℃、10℃以內變化時，步長對BAT的影響在±1%以內，屬于可接受范圍內。

式中：BAT為總臺架老化時間，h;A為非熱老化因素對催化器老化時間影響因子，1.1;th為各個溫度框校正到正常壽命的時間，h;R為催化器熱反應系數，17500;Tr為SBC基準溫度，K;Tv為SRC溫度框，K。

4? 臺架快速老化試驗驗證

以某車型在整車耐久轉轂上連續運行的兩個SRC循環為例，該車車速、催化器溫度曲線如圖4所示。經過數據處理得到的兩個循環時間為1.187h，里程為89.044km。按照法規要求對SRC試驗溫度的25℃步長進行分組統計，結果如圖5所示。

以20萬公里作為全壽命耐久里程數所折算的SBC試驗時間為659.7h，與轉轂耐久預計所需的2666.0h相比，試驗周期縮短四分之三，老化時間計算關鍵參數如表2所示。進行快速老化過程中，發動機長期處于高負荷高轉速運行，對發動機、排氣管路及各種傳感器的壽命產生重要影響。需對發動機及系統進行定期保養，要求每200小時更換發動機機油、冷卻液、溫度傳感器和氧傳感器。

5? 結論

①通過兩次SRC和SBC試驗20分鐘測試，收集催化器最高溫度處溫度數據，得出SRC、SBC各溫度頻段內對應的時間，得出等同于試驗車型20萬公里耐久的臺架快速老化時間。②按照國內輕型車排放法規要求，目前臺架快速老化使用具有一定的局限性，僅適用于部分擴展車型，市場使用范圍在逐漸擴大。

參考文獻：

[1]生態環境部[R].中國移動源環境管理年報（2020），2020：1-13.

[2]李文強.國Ⅴ輕型汽油車排放耐久性試驗技術研究[D].天津大學，2017：6-16.

[3]國家環保局，國家質量監督檢驗局.GB 18352.3-2005，輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）[S].中國環境科學出版社2005：86-88.

[4]國家環保局，國家質量監督檢驗局.GB 18352.6-2016，輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S].中國環境科學出版社，2016：9-11.

[5]Commission Regulation（ EC） No 692 /2008 of 18 July 2008[S].Office Journal of European Union， 2008： 77-86.

[6]曾恩山，熊銳，吳堅，周鑫，張宗瀾.車用催化劑的臺架快速老化研究[J].廣東工業大學學報，2016，33（06）：49-52，56.

[7]業紅玲.適合中國道路的車用催化器快速老化循環研究[J].車用發動機，2013（04）：11-14.

[8]曹麗.基于FOCAS的汽油車用催化轉化器老化試驗研究[D].安徽農業大學，2008：34-55.

[9]國家環保局，國家質量監督檢驗局.HJ/T 331-2006，環境保護產品技術要求-汽油機用催化轉化器[S].中國環境科學出版社，2006：4-22.

[10]靳福泉.阿累尼烏斯方程探討[J].大學化學，2007（05）：45-47，53.

[11]程建康.車用催化器標準臺架循環快速老化試驗應用研究[D].清華大學，2018：22-27.