基于I 型試驗探究高速磨合對汽車顆粒物排放的影響

鐘能超 胡偉 蔣一春 胡秋云

寧波梅山卡達克汽車檢測有限公司 浙江省寧波市 315832

1 前言

自2020 年7 月1 日起，《GB18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》正式替代了GB18352.5—2013，成為了新車型式檢驗的最新標準。相較于國五排放標準，國六對于點燃式輕型汽車污染物排放要求更加嚴格。關于顆粒物排放，除了提出了更高的顆粒物質量PM（particle mass）限值要求，還增加了顆粒物數量PN（particle number）排放限值。

汽油機排放的顆粒物主要成分是碳煙和有機氣溶膠（SOA）。碳煙主要來源于缸內局部高濃度局域的燃燒、附著在氣缸壁上油膜的池火燃燒以及噴油器結焦后在其附近的擴散燃燒。有機氣溶膠（SOA）則是機動車尾氣中含有的可揮發性有機物（VOCs）、NOx 和SO2等在大氣中發生復雜的光化學反應而生成。目前主流的點燃式輕型汽車顆粒物污染物機外控制技術包括三元催化轉化器（TWC）和汽油機顆粒捕集器（GPF），通過催化顆粒物發生氧化反應和通過顆粒捕集器對顆粒物進行捕集達到凈化尾氣中顆粒物的目的。

但是新車出廠下線后，檢測部門或制造廠商在進行排放檢驗時，一些客觀因素會對實際的排放結果產生影響，導致排放結果失真甚至不能滿足法規要求。例如：進排氣和發動機系統由于生產工藝導致覆蓋了一些薄膜/ 涂層等物質以及裝配、運輸等過程進入雜物，或尾氣后處理系統催化性物質未充分激活，或各運動部件之間存在毛刺以及未被充分潤滑增加發動機的負荷等。為避免這些客觀因素對最后的排放檢測結果造成影響，因而在GB18352.6-2016 附錄C 的7.2.3.1條的內容中指出：如生產企業提出書面申請，對僅使用三元催化器（TWC）作為后處理裝置的車輛，試驗前最多磨合300km；采用其他排放后處理技術的，如有特殊需要，可適當延長磨合里程，但不得超過3000km。

本文通過研究高速磨合對點燃式輕型汽車顆粒物排放的影響，對比不同公里數高速磨合后的顆粒物排放變化，分析該變化和高速磨合公里數之間的關系，為后續檢測部門或相關企業在進行排放一致性檢驗時能夠得到準確的排放結果提供一些參考。

2 試驗樣車、設備及方法

2.1 試驗樣車、測試循環及試驗用設備

本次試驗樣車選用某型號點燃式輕型汽車，整車相關參數見表1 所示。所有排放試驗均按照《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）》附錄C 中I 型試驗的各項要求進行操作，測試循環采用WLTC（全球統一輕型車測試循環），循環總時長為1800 秒，分為低速段、中速段、高速段和超高速段四個階段，具體工況曲線見圖1。試驗所用設備見表2 所示。

圖1 WLTC 工況曲線

表1 整車參數

表2 試驗用設備

2.2 試驗方法

對該款樣車按照GB18352.6-2016附錄C 中I 型試驗的各項要求依次進行磨合前、磨合100km、磨合200km 和磨合300km 后常溫下冷起動排放試驗，磨合地點為轉鼓臺架，磨合工況選擇為車速120km/h。每次磨合結束后，進行一個WLTC 循環的預處理，然后在23℃±5℃的環境溫度中浸車6 小時以上，保證在正式試驗前，發動機初始機油溫度和冷卻液溫度維持在23℃±2℃，同時控制每次試驗的道路載荷系數設置為相同數值。所有試驗結束后，對每次的排放結果進行記錄和對比，分析磨合前和不同里程磨合后的顆粒物排放結果變化。

3 試驗結果及分析

3.1 不同里程數高速磨合后的I 型試驗結果如表3 所示：

如表3 所示，該車型在磨合前，PM 和PN 的排放水平較高，均超過了國6b 的限值要求。但之后隨著高速磨合公里數的增加，PM、PN 的排放逐步改善，最終在磨合300km之后，PM 由3.37mg/km 降低到1.90mg/km，PN 由7.15E+11 個降低到3.88E+11 個，該車型的I 型試驗排放結果滿足了法規的限值要求。

表3

3.2 低速、中速、高速、超高速四個階段WLTC 瞬態PN 對比如圖2 所示：

圖2

從圖中所示的PN 瞬態排放結果也可以看出，該車型通過高速磨合之后，低速、中速、高速和超高速四個階段的瞬態PN 排放相較于磨合前WLTC 工況全程都有了明顯改善，并且隨著磨合公里數的提升，改善的效果愈發明顯，尤其是在中速、高速及超高速段，300km 磨合后的PN 瞬態排放的峰值降低為磨合前水平的1/5 左右。

3.3 試驗結果分析

從上述的排放結果和瞬態測量結果可以看出，高速磨合對于改善整車的顆粒物排放有明顯的效果，分析可能的原因有：

高速磨合使得汽車的各運動部件之間得到充分的摩擦，有助于消除因為生產工藝導致的毛刺。同時通過磨合，可以幫助機油等潤滑油液在各接觸部件之間形成“油膜”，減少發動機和汽車在運行過程中的異常摩擦，從而降低發動機的額外負荷。這一點從I型試驗結果中整車的油耗變化也可以看出，隨著磨合公里數的增加，實際的百公里油耗數值也有了一定程度的降低。

高速磨合的過程中，進排氣量都比較大，發動機工作溫度和排氣溫度都比較高，有助于清除由于生產、裝配或運輸等過程中附著在進排氣系統和發動機氣缸內的一些雜物，避免其在排放試驗中對顆粒物的采集和測量造成影響。

汽車在高速磨合時，發動機負荷大，排氣溫度高，有助于快速并充分激活新裝的后處理催化器。尾氣后處理催化器在出廠并剛安裝到發動機排氣端時，并不會立刻達到最佳的工作狀態，催化劑中涂覆的催化物質需要在一定的高溫狀態運行一段時間才能被激活。已有相關學者論證過，在低溫冷起動試驗中，催化器激活前的排放物對于最終排放結果的貢獻率達到90% 左右。激活后的后處理催化器相較于激活前，催化反應溫度閾值要求降低，催化響應時間更加快速，催化轉化效率也得到提升。

4 總結與展望

通過以上的試驗結果和分析可以得出，高速磨合對于汽車顆粒物排放的影響是顯著的，在一定范圍內，隨著磨合公里數的提升，顆粒物的排放水平逐步優化。高速磨合可以在一定程度上消除了進排氣及發動機系統內雜物、運動部件之間毛刺及未充分潤滑帶來的發動機額外負荷、尾氣后處理催化器未充分激活等其他因素對試驗排放結果造成的影響，有助于得到最真實的排放結果。

本次試驗也存在一些可以提升的地方。例如，伴隨著汽車的運行時間和公里數的提升，零部件和后處理催化裝置的老化也會對排放結果產生負面的影響，因而高速磨合的公里數也并不是越多越好。本次試驗受限于GB18352.6-2016 法規三元催化器（TWC）裝置車型300km 磨合公里數的限制，未進行更高公里數磨合的測試，在后續工作中，可以結合整車的耐久試驗進一步探究高速磨合公里數增長和汽車顆粒物排放之間的關系。