基于I 型試驗(yàn)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(dá)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(yàn)的最新標(biāo)準(zhǔn)。相較于國五排放標(biāo)準(zhǔn)，國六對于點(diǎn)燃式輕型汽車污染物排放要求更加嚴(yán)格。關(guān)于顆粒物排放，除了提出了更高的顆粒物質(zhì)量PM（particle mass）限值要求，還增加了顆粒物數(shù)量PN（particle number）排放限值。

汽油機(jī)排放的顆粒物主要成分是碳煙和有機(jī)氣溶膠（SOA）。碳煙主要來源于缸內(nèi)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(jié)焦后在其附近的擴(kuò)散燃燒。有機(jī)氣溶膠（SOA）則是機(jī)動(dòng)車尾氣中含有的可揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）、NOx 和SO2等在大氣中發(fā)生復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)而生成。目前主流的點(diǎn)燃式輕型汽車顆粒物污染物機(jī)外控制技術(shù)包括三元催化轉(zhuǎn)化器（TWC）和汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF），通過催化顆粒物發(fā)生氧化反應(yīng)和通過顆粒捕集器對顆粒物進(jìn)行捕集達(dá)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(jìn)行排放檢驗(yàn)時(shí)，一些客觀因素會對實(shí)際的排放結(jié)果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致排放結(jié)果失真甚至不能滿足法規(guī)要求。例如：進(jìn)排氣和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由于生產(chǎn)工藝導(dǎo)致覆蓋了一些薄膜/ 涂層等物質(zhì)以及裝配、運(yùn)輸?shù)冗^程進(jìn)入雜物，或尾氣后處理系統(tǒng)催化性物質(zhì)未充分激活，或各運(yùn)動(dòng)部件之間存在毛刺以及未被充分潤滑增加發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷等。為避免這些客觀因素對最后的排放檢測結(jié)果造成影響，因而在GB18352.6-2016 附錄C 的7.2.3.1條的內(nèi)容中指出：如生產(chǎn)企業(yè)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(yàn)前最多磨合300km；采用其他排放后處理技術(shù)的，如有特殊需要，可適當(dāng)延長磨合里程，但不得超過3000km。

本文通過研究高速磨合對點(diǎn)燃式輕型汽車顆粒物排放的影響，對比不同公里數(shù)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(shù)之間的關(guān)系，為后續(xù)檢測部門或相關(guān)企業(yè)在進(jìn)行排放一致性檢驗(yàn)時(shí)能夠得到準(zhǔn)確的排放結(jié)果提供一些參考。

2 試驗(yàn)樣車、設(shè)備及方法

2.1 試驗(yàn)樣車、測試循環(huán)及試驗(yàn)用設(shè)備

本次試驗(yàn)樣車選用某型號點(diǎn)燃式輕型汽車，整車相關(guān)參數(shù)見表1 所示。所有排放試驗(yàn)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(yàn)的各項(xiàng)要求進(jìn)行操作，測試循環(huán)采用WLTC（全球統(tǒng)一輕型車測試循環(huán)），循環(huán)總時(shí)長為1800 秒，分為低速段、中速段、高速段和超高速段四個(gè)階段，具體工況曲線見圖1。試驗(yàn)所用設(shè)備見表2 所示。

圖1 WLTC 工況曲線

表1 整車參數(shù)

表2 試驗(yàn)用設(shè)備

2.2 試驗(yàn)方法

對該款樣車按照GB18352.6-2016附錄C 中I 型試驗(yàn)的各項(xiàng)要求依次進(jìn)行磨合前、磨合100km、磨合200km 和磨合300km 后常溫下冷起動(dòng)排放試驗(yàn)，磨合地點(diǎn)為轉(zhuǎn)鼓臺架，磨合工況選擇為車速120km/h。每次磨合結(jié)束后，進(jìn)行一個(gè)WLTC 循環(huán)的預(yù)處理，然后在23℃±5℃的環(huán)境溫度中浸車6 小時(shí)以上，保證在正式試驗(yàn)前，發(fā)動(dòng)機(jī)初始機(jī)油溫度和冷卻液溫度維持在23℃±2℃，同時(shí)控制每次試驗(yàn)的道路載荷系數(shù)設(shè)置為相同數(shù)值。所有試驗(yàn)結(jié)束后，對每次的排放結(jié)果進(jìn)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(jié)果變化。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同里程數(shù)高速磨合后的I 型試驗(yàn)結(jié)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(shù)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(gè)降低到3.88E+11 個(gè)，該車型的I 型試驗(yàn)排放結(jié)果滿足了法規(guī)的限值要求。

表3

3.2 低速、中速、高速、超高速四個(gè)階段WLTC 瞬態(tài)PN 對比如圖2 所示：

圖2

從圖中所示的PN 瞬態(tài)排放結(jié)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(gè)階段的瞬態(tài)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(shù)的提升，改善的效果愈發(fā)明顯，尤其是在中速、高速及超高速段，300km 磨合后的PN 瞬態(tài)排放的峰值降低為磨合前水平的1/5 左右。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從上述的排放結(jié)果和瞬態(tài)測量結(jié)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(yùn)動(dòng)部件之間得到充分的摩擦，有助于消除因?yàn)樯a(chǎn)工藝導(dǎo)致的毛刺。同時(shí)通過磨合，可以幫助機(jī)油等潤滑油液在各接觸部件之間形成“油膜”，減少發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車在運(yùn)行過程中的異常摩擦，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的額外負(fù)荷。這一點(diǎn)從I型試驗(yàn)結(jié)果中整車的油耗變化也可以看出，隨著磨合公里數(shù)的增加，實(shí)際的百公里油耗數(shù)值也有了一定程度的降低。

高速磨合的過程中，進(jìn)排氣量都比較大，發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度和排氣溫度都比較高，有助于清除由于生產(chǎn)、裝配或運(yùn)輸?shù)冗^程中附著在進(jìn)排氣系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的一些雜物，避免其在排放試驗(yàn)中對顆粒物的采集和測量造成影響。

汽車在高速磨合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)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(fā)動(dòng)機(jī)排氣端時(shí)，并不會立刻達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，催化劑中涂覆的催化物質(zhì)需要在一定的高溫狀態(tài)運(yùn)行一段時(shí)間才能被激活。已有相關(guān)學(xué)者論證過，在低溫冷起動(dòng)試驗(yàn)中，催化器激活前的排放物對于最終排放結(jié)果的貢獻(xiàn)率達(dá)到90% 左右。激活后的后處理催化器相較于激活前，催化反應(yīng)溫度閾值要求降低，催化響應(yīng)時(shí)間更加快速，催化轉(zhuǎn)化效率也得到提升。

4 總結(jié)與展望

通過以上的試驗(yàn)結(jié)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(nèi)，隨著磨合公里數(shù)的提升，顆粒物的排放水平逐步優(yōu)化。高速磨合可以在一定程度上消除了進(jìn)排氣及發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)雜物、運(yùn)動(dòng)部件之間毛刺及未充分潤滑帶來的發(fā)動(dòng)機(jī)額外負(fù)荷、尾氣后處理催化器未充分激活等其他因素對試驗(yàn)排放結(jié)果造成的影響，有助于得到最真實(shí)的排放結(jié)果。

本次試驗(yàn)也存在一些可以提升的地方。例如，伴隨著汽車的運(yùn)行時(shí)間和公里數(shù)的提升，零部件和后處理催化裝置的老化也會對排放結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面的影響，因而高速磨合的公里數(shù)也并不是越多越好。本次試驗(yàn)受限于GB18352.6-2016 法規(guī)三元催化器（TWC）裝置車型300km 磨合公里數(shù)的限制，未進(jìn)行更高公里數(shù)磨合的測試，在后續(xù)工作中，可以結(jié)合整車的耐久試驗(yàn)進(jìn)一步探究高速磨合公里數(shù)增長和汽車顆粒物排放之間的關(guān)系。