汽油机催化器台架快速老化研究
2021-05-28方晨钱人杰杨名名
方晨 钱人杰 杨名名
摘要：按照国家轻型车排放法规对于整车的耐久性要求，台架快速老化可在短时间内实现催化器在底盘测功机上或试验跑道进行的耐久性试验所达到的同等热老化。基于台架标准循环（SBC），研究快速老化试验流程以及完成等同于整车20万公里耐久的台架快速老化试验。使用台架老化耐久，催化器的热负荷更高，老化时间可大幅度缩短;但高热负荷会对发动机寿命产生影响，同时该方法在认证过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.
关键词：汽油机;催化器;快速老化;SBC
Key words： gasoline engine;catalyst;rapid aging;SBC
中图分类号：U464.17 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）08-0017-03
0 引言
随着大气污染防治力度的不断加大，大家逐渐意识到汽车已经成为我国移动污染源的主要贡献者。其中柴油车NOX和PM排放量超过汽车排放总量的80%，汽油车CO和HC排放量超过汽车排放总量70%[1]。目前，全球汽车排放标准以欧洲体系、美国体系和日本体系为主，其中以欧美体系被广泛采纳。我国轻型汽油车的排放法规一直沿用欧洲排放标准，并于2005年初次引入整车8万公里耐久性试验。发展到目前国六阶段，要求在底盘测功机上或试验跑道进行的16万公里（6a阶段）以及20万公里耐久性试验（6b阶段）[2-4]。
基于催化转化器的热老化原理，可通过调节空燃比，提高催化器温度，缩短老化试验时间，这也就是台架快速老化方法。2008年7月18日，欧盟通过了（EC）No692/2008法规[5]，即欧5/6技术标准，规定了标准台架循环（Standard Bench Cycle. SBC），正式允许使用台架快速老化方法取代整车转毂耐久。与标准台架循环相比，许多公司[6-8]老化时的催化器温度更高，也能更快的完成热老化。
1 台架快速老化原理
台架快速老化法是通过将催化器和氧传感器急速热老化，以再现车辆行驶所需求的耐久公里数的后处理排放状态。目前台架主要通过补气、断油[9]两种方法实现催化器温度在远高于正常行驶温度，运行此类循环以实现台架快速老化。SBC是一个60s的循环，在所要求的时间段内，在老化台架上按照需求重复该循环，以完成老化试验。根据控制催化剂温度、发动机空气/燃料比（A/F）和添加在催化剂前的二次空气喷射量来规定SBC循环，试验循环如表1所示。
快速老化系统由发动机、快速老化控制系统、空燃比仪、二次压缩空气控制装置、排气测量流量计、气动排气背压调节阀等组成。快速老化系统与台架控制软件系统进行集成，如图1所示。按照工况进行编程控制二次空气喷射，对其喷射时间和喷射量進行控制，同时外接宽氧传感器对喷射后的过量空气系数进行监控。
2 台架快速老化适用范围
在认证试验中，快速老化适应于点燃式发动机汽车，包括使用催化转化器作为主要后处理排放控制装置的混合动力汽车。若与进行了整车耐久性试验的车型相比，试验车辆仅污染控制装置的变化超出了GB18352.6-2016中6.3规定的扩展条件，但不能作为基础车型。认证期间可以采用标准台架循环（SBC）或者是经环境保护主管部门认可的其他替代循环进行耐久性试验。
3 SBC试验流程
与整车在试验场或者转毂上的耐久试验相比，使用台架老化耐久，催化器的热负荷更高，催化器的老化时间更短，SBC试验流程如图2所示。通过在催化器最高温度处安装的温度传感器，收集车辆2次标准道路循环（SRC）和台架SBC循环20分钟的数据来计算台架老化时间（The Bench Ageing Time .BAT）。以台架实际老化时间是否达到BAT的95%作为达到老化效果的判断依据。
3.1 确定SBC基准温度
运行SBC循环20min，以1Hz频率记录试验过程中的催化器温度-时间数据，如图3所示。温度数据整体上在符合循环设定要求，在可接受范围内波动。基于阿累尼乌斯（Arrhenius）方程[10]，定义基准温度为台架老化期间经历不同温度所产生相同老化效果的某一恒定温度。统计台架耐久各频段内温度所占时间的总和，通过不断的调整基准温度，使得阿累尼乌斯方程式计算出来的SBC时间与台架耐久实际运行的时间相等，基准温度计算公式如式（1）所示。该基准温度与SRC试验数据一起，用于实现整车耐久公里数与台架耐久小时数的转换。
式中：Tr为SBC基准温度，K;R为催化器热反应系数，17500;ti为SBC温度采集频次，次/s;tSBC为SBC试验时间，s;TSBC为SBC催化器温度，K。
3.2 计算台架老化时间（BAT）
台架老化时间（BAT）方程，是由SBC基准温度相对于两个SRC循环内各个温度框的等效老化时间累加，并乘以该时间校正到正常寿命的时间系数，如式（2）所示。根据热老化机理，SBC基准温度越高，BAT越小。程建康[11]发现， SBC和SRC温度的分组步长越小，BAT结果越准确。整体上，在法规要求的SRC和SBC步长分别在25℃、10℃以内变化时，步长对BAT的影响在±1%以内，属于可接受范围内。
式中：BAT为总台架老化时间，h;A为非热老化因素对催化器老化时间影响因子，1.1;th为各个温度框校正到正常寿命的时间，h;R为催化器热反应系数，17500;Tr为SBC基准温度，K;Tv为SRC温度框，K。
4 台架快速老化试验验证
以某车型在整车耐久转毂上连续运行的两个SRC循环为例，该车车速、催化器温度曲线如图4所示。经过数据处理得到的两个循环时间为1.187h，里程为89.044km。按照法规要求对SRC试验温度的25℃步长进行分组统计，结果如图5所示。
以20万公里作为全寿命耐久里程数所折算的SBC试验时间为659.7h，与转毂耐久预计所需的2666.0h相比，试验周期缩短四分之三，老化时间计算关键参数如表2所示。进行快速老化过程中，发动机长期处于高负荷高转速运行，对发动机、排气管路及各种传感器的寿命产生重要影响。需对发动机及系统进行定期保养，要求每200小时更换发动机机油、冷却液、温度传感器和氧传感器。
5 结论
①通过两次SRC和SBC试验20分钟测试，收集催化器最高温度处温度数据，得出SRC、SBC各温度频段内对应的时间，得出等同于试验车型20万公里耐久的台架快速老化时间。②按照国内轻型车排放法规要求，目前台架快速老化使用具有一定的局限性，仅适用于部分扩展车型，市场使用范围在逐渐扩大。
参考文献：
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