JASO C 470:2020乘用車制動磨損顆粒排放測量方法標(biāo)準(zhǔn)解讀

張新峰　叢一　牛治慧

摘 要：制動系統(tǒng)影響行車和生命安全，是整車中最重要的安全系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)能夠使行駛中的汽車按照駕駛員的要求進(jìn)行強(qiáng)制減速、保持穩(wěn)定、駐車甚至停車。車輛行駛過程中，制動襯塊（片）與制動盤（鼓）之間不斷摩擦，產(chǎn)生粉塵顆粒物并排放到空氣、土壤或河流中，嚴(yán)重空氣及環(huán)境質(zhì)量。本文對日本標(biāo)準(zhǔn)JASO C 470的主要內(nèi)容進(jìn)行解讀，并為我國如何開展該領(lǐng)域研究工作和應(yīng)對國際法規(guī)研究動向提供建議。

關(guān)鍵詞：制動磨損 顆粒排放 JASO C 470 測試方法

1 導(dǎo)言

隨著國內(nèi)新能源車輛的快速發(fā)展，車輛顆粒物排放中的非尾氣排放愈發(fā)凸顯。非尾氣排放主要包括輪胎磨損顆粒排放和制動磨損顆粒排放。據(jù)國外相關(guān)組織研究，在城市工況下，非尾氣顆粒排放約占交通相關(guān)顆粒排放的50%，而制動磨損顆粒排放是非尾氣排放的重要來源，占比16%～55%[1]。對新能源汽車尤其純電動汽車來說，車輛自身燃油尾氣排放降為0，相比之下，非尾氣排放則顯的尤為重要[2]。世界范圍內(nèi)，歐洲、美國、日本等地區(qū)和國家早在2013年就開始對制動磨損顆粒排放進(jìn)行研究，并陸續(xù)出臺了相關(guān)測試規(guī)范草案或標(biāo)準(zhǔn)。本文對日本標(biāo)準(zhǔn)JASO C 470：2020《乘用車制動磨損顆粒排放測量方法》進(jìn)行解讀，介紹標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容，并對我國如何開展下一步工作提出建議。

2 標(biāo)準(zhǔn)解讀

2.1 范圍

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了乘用車常規(guī)制動系統(tǒng)用制動測功機(jī)排放出的磨損顆粒的測試程序。

2.2 測試條件

2.2.1 基本條件

制動裝置組件設(shè)置應(yīng)按JIS D0210：1995 4.3執(zhí)行，慣量計(jì)算和設(shè)置按JASO C406：2019執(zhí)行，溫度測量按JIS D0210：1995 6條款（溫度測量方法）要求安裝熱電偶。

2.2.2 磨損顆粒收集裝置

圖1為磨損顆粒收集裝置基本結(jié)構(gòu)圖。

顆粒收集裝置的主管道材料應(yīng)選用SUS316，需做鏡面處理。采樣管應(yīng)選用SUS316L材料，做電拋光工藝處理。如圖2所示，采樣收集側(cè)的采樣管末端表面應(yīng)有≤30°的錐度。采樣管的尖端應(yīng)放置在距離制動盤（鼓）中心處1000mm處位置（見圖1）。所用管道應(yīng)為高傳導(dǎo)性管道（如導(dǎo)電硅管道），也應(yīng)盡量選用大曲率結(jié)構(gòu)。

在收集裝置的入口和出口側(cè)，需分別安裝鼓風(fēng)機(jī)和抽吸裝置，以保證兩側(cè)不同排風(fēng)量的設(shè)置。推薦排風(fēng)量范圍是0.5～3.0m3/min。采樣管中的氣流速度和主管道中速度需要保持一致，可不改變主管道氣流中的顆粒濃度，以便從采樣管中收集顆粒。采樣管中的氣流速度可通過采樣管直徑或有吸風(fēng)排量要求的顆粒質(zhì)量測量儀器來調(diào)節(jié)。通過以下公式來調(diào)節(jié)，該公式表明了采樣管和主管道的內(nèi)徑和其氣流排量的關(guān)系。圖3顯示了管道的內(nèi)徑和氣流排量的關(guān)系。

Qs：采樣管氣流排量，mm3/min;

Qd：主管道氣流排量，mm3/min;

Ds：采樣管內(nèi)直徑，mm;

Dd：主管道內(nèi)直徑，mm。

在制動系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)側(cè)需安排一套HEPA過濾器，以便能把氣流通過HEPA過濾器輸送到主管道中（見圖1）。測量中，要用帶階式碰撞取樣器的過濾質(zhì)量測量方法和光散射顆粒質(zhì)量濃度方法測量，以便分辨顆粒直徑。

2.3 測試方法

2.3.1 測試準(zhǔn)備

安裝制動器之前，檢查確保沒有異常，尤其是不能存在拖曳。一般情況下，不能使用墊片或油脂。此外，檢查確保摩擦材料表面上沒有附著油脂、污物或其他雜質(zhì)。在安裝制動卡鉗時，將其豎直放置并安裝，能夠保證主管道氣流方向和制動盤旋轉(zhuǎn)方向相匹配，如圖4所示。

清理制動盤（鼓）摩擦面，在制動襯塊外側(cè)和襯片前部的預(yù)設(shè)定位置安裝熱電偶，并選定制動襯塊和襯片上用于測量摩擦材料磨損量的測量點(diǎn)。同時，測量制動襯塊（襯片）和制動盤（鼓）的質(zhì)量，制動襯塊（襯片）質(zhì)量的最小單位是0.01g，制動盤（鼓）質(zhì)量的最小單位是0.1g。

磨損顆粒測量模式（磨合試驗(yàn)后）開始之前，安裝測試樣品，在設(shè)備主軸不旋轉(zhuǎn)的前提下啟動進(jìn)排氣系統(tǒng)1分鐘，然后測量背景數(shù)據(jù)。然后，在光散射顆粒質(zhì)量濃度儀器顯示≤0.001mg/m3時，啟動磨損顆粒測量模式。測試期間，進(jìn)入到管道的溫度和空氣相對濕度推薦為20±5℃和30%～60%。

2.3.2 測試程序

測試程序包括磨合和磨損顆粒測量模式。

磨合條件見表1。

磨合測試后，用鼓風(fēng)空氣充分去除制動襯塊（片）和制動盤（鼓）上的磨損顆粒，然后測量厚度和重量。除此之外，應(yīng)用廢布把主管道中顆粒收集裝置上的磨損顆粒清除。

磨損顆粒測量模式測試條件見表2。

磨損顆粒測量模式基本測試循環(huán)總計(jì)30次，表2中的1）城市道路模式（4次循環(huán)）和2）高速模式（1次循環(huán)）為1次循環(huán)（等效行駛里程11km）。每10次循環(huán)更換新過濾濾芯，并測量每個濾芯質(zhì)量。如果濾芯的質(zhì)量或制動襯塊（片）和制動盤（鼓）的磨損量不充足，需重復(fù)測試循環(huán)直至足量。

2.3.3 磨損顆粒質(zhì)量的測量

過濾收集測量：使用能夠?qū)㈩w粒物（PM10和PM2.5）分級的分類器（一種帶階式碰撞取樣器）。使用直徑為47mm（有效直徑37mm）或更大的收集濾芯。通過測量得到試驗(yàn)前后濾芯質(zhì)量的增加量，計(jì)算PM2.5排放（Ma）。PM2.5排放（Ma）代表了每行駛1km單輪的PM2.5排放，通過以下公式計(jì)算。

Ma：單輪PM2.5排放[mg/km/wheel];

Mb：收集濾芯試驗(yàn)前后增量[mg];

Q1：主管道氣流排量[m3/min];

Q2：分級器（收集）吸風(fēng)量[m3/min];

L：在磨損顆粒測量模式下的總行駛里程[km]。

光散射型顆粒質(zhì)量濃度方法測量：使用顆粒質(zhì)量濃度光散射儀器，用下面公式計(jì)算從測試開始到結(jié)束的PM2.5排放（Mc）。顆粒質(zhì)量濃度光散射儀器能夠?qū)崟r測量顆粒質(zhì)量濃度，但其測量精度因被測量的懸浮顆粒而不同，因此有必要與以上描述的過濾收集測量同時實(shí)施。在測量過程中，安裝一個沖擊器以對要采樣的顆粒直徑進(jìn)行分類。

Mc：從質(zhì)量濃度獲取的PM2.5排放[mg];

P：質(zhì)量濃度[mg/m3];

Q3：顆粒質(zhì)量濃度光散射儀器的吸風(fēng)量[m3/s];

Ts：測量開始時間;

Te：測量結(jié)束時間。

2.4 結(jié)果記錄

測試結(jié)果應(yīng)記錄以下內(nèi)容。

（1）在磨合前后和磨損顆粒測量模式完成后測量制動襯塊（片）和制動盤（鼓）的厚度和質(zhì)量。同時，記錄從磨損顆粒測量模式獲取的PM2.5排放（Ma）和（Mc）;（2）記錄測試過程中的制動扭矩、壓力、溫度和旋轉(zhuǎn)速度;（3）記錄輸入到主管道中空氣的溫度和相對濕度;（4）記錄測功機(jī)測試環(huán)境的溫度和相對濕度。

3 應(yīng)對建議

針對制動磨損顆粒排放研究，最早從2013年開始由UN WP29 GRPE PMP工作組推動開展相關(guān)工作，涉及歐盟等地區(qū)、美國、日本等國家、奧迪、福特、LINK、HORIBA等企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和組織。國內(nèi)目前研究較少，中國汽車技術(shù)研究中心有限公司[3]、南開大學(xué)等在開展相應(yīng)的基礎(chǔ)研究工作。為應(yīng)對國際化前瞻技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，特提出以下建議，為后續(xù)深入研究和跟進(jìn)前瞻技術(shù)提供參考。

（1）集行業(yè)力量，成立基于制動磨損顆粒排放的研究工作組，跟進(jìn)UN WP29 GRPE PMP工作組研究動向，并適時參與到合作研究工作中。

（2）研究制動磨損顆粒排放測試用裝備、測試方法和制動工況譜等關(guān)鍵核心技術(shù)，解析國內(nèi)外技術(shù)差異，持續(xù)投入并開展自主研發(fā)工作，逐步掌握核心技術(shù)。

（3）針對國內(nèi)車輛實(shí)際行駛工況、道路鋪裝質(zhì)量和大氣環(huán)境現(xiàn)狀，研究制定符合實(shí)際國情的研究方向、技術(shù)路線和發(fā)展目標(biāo)。

（4）以研究工作組為陣地，依托各國內(nèi)外行業(yè)組織、UN WP29 GRPE PMP工作組等平臺擴(kuò)大對外交流與合作，爭取在國際前沿技術(shù)研究競爭中占據(jù)重要位置。

參考文獻(xiàn)：

[1]Joint Research Centre. Particle Emissions from Tyres and Brakes - On-Going Literature Review. JRC，UN WP29 GRPE PMP-28-06，2013.

[2]張子鵬，張新峰，劉振國. 輪胎磨損顆粒物排放特性研究現(xiàn)狀綜述[J]. 時代汽車， 2020，336，145-148.

[3]Xinfeng Zhang，Cheng Tian，Zhihui Niu，Xudong Li. Interpretation of Non-exhaust Brake Emission Standard： Laboratory Testing[A]. Processings of the 2nd International Conference on Green Energy，Environment and Sustainable Development[C]，Shanghai： 2021，227-236.