于津濤，肖廣宇，魏 京 Yu Jintao，Xiao Guangyu，Wei Jing

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用于國(guó)V SBC試驗(yàn)循環(huán)的二次空氣噴射系統(tǒng)氣路部分開發(fā)與驗(yàn)證

于津濤1，肖廣宇1，魏 京2Yu Jintao1，Xiao Guangyu1，Wei Jing2

（1. 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；2. 梅賽德斯-奔馳乘用車中國(guó)研發(fā)中心，北京 100102）

依照GB18352.5—2013中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架循環(huán)（Standard Bench Cycle，SBC）的相關(guān)規(guī)定，設(shè)計(jì)研制一套適用于SBC試驗(yàn)循環(huán)的二次空氣噴射系統(tǒng)，用于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架老化試驗(yàn)。該系統(tǒng)氣路部分由質(zhì)量流量控制器和空燃比傳感器組成雙閉環(huán)系統(tǒng)，可根據(jù)需求調(diào)整每次噴射空氣的質(zhì)量流量，噴射時(shí)刻可嚴(yán)格對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過數(shù)十小時(shí)驗(yàn)證，二次噴射空氣流量穩(wěn)定，重復(fù)性高，可外接在現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行催化器老化試驗(yàn)。

SBC；二次空氣噴射；發(fā)動(dòng)機(jī)耐久

0 引 言

國(guó)Ⅴ排放法規(guī)在耐久性方面增加了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久SBC（Standard Bench Cycle，標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架循環(huán)）。相對(duì)于整車耐久，SBC是一個(gè)全新的耐久方式，并且在管理模式方面，由整車的里程管理模式變換為時(shí)間管理模式[1]。

SBC要求使用一個(gè)能為催化器提供氣源并進(jìn)行定期補(bǔ)氣的發(fā)動(dòng)機(jī)老化臺(tái)架。SBC是一個(gè)60 s的循環(huán)，在所要求的時(shí)間段內(nèi)，按需要重復(fù)該循環(huán)以進(jìn)行老化試驗(yàn)。根據(jù)催化器溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)和添加在第一個(gè)催化器前面的二次空氣噴射量來規(guī)定SBC[2]。

分析市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)設(shè)備相關(guān)參數(shù)，并測(cè)試所開發(fā)設(shè)備是否滿足標(biāo)準(zhǔn)精度及耐久要求。該系統(tǒng)由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電控系統(tǒng)組成，重點(diǎn)介紹氣路部分的開發(fā)及驗(yàn)證，并對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

SBC單個(gè)循環(huán)的介紹見表1。

表1 SBC

時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)空氣/燃油比（A/F）二次空氣噴射 第1 s-第40 s理論空燃比（通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和點(diǎn)火正時(shí)的控制來實(shí)現(xiàn)催化器最低溫度為800 ℃）無 第41 s -第45 s“濃”（選擇A/F比值，以實(shí)現(xiàn)催化器溫度在整個(gè)循環(huán)內(nèi)最高為890 ℃，或比較低的控制溫度高90 ℃）無 第46 s -第55 s“濃”（選擇A/F比值，以實(shí)現(xiàn)催化器溫度在整個(gè)循環(huán)內(nèi)最高為890 ℃，或比較低的控制溫度高90 ℃）3%（±0.1%） 第56 s -第60 s理論空燃比（通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、點(diǎn)火正時(shí)的控制來實(shí)現(xiàn)催化器最低溫度為800 ℃）3%（±0.1%）

1 氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品適用范圍

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)輕型車市場(chǎng)中汽油發(fā)動(dòng)機(jī)2.0 L排量及以下的產(chǎn)銷量占全部數(shù)量的近95%[3]。對(duì)我國(guó)2015年市場(chǎng)上滿足輕型車國(guó)V排放標(biāo)準(zhǔn)的超過20款的2.0 L及以下不同排量發(fā)動(dòng)機(jī)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，催化器容積與發(fā)動(dòng)機(jī)排量的比值主要分布在0.8～1.2。因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的SBC二次空氣噴射系統(tǒng)主要針對(duì)排量為2.0 L（含增壓發(fā)動(dòng)機(jī)）及以下，催化器容積在2.4 L及以下的發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.2 功能需求及氣路圖

氣路系統(tǒng)的要求如下：

1）GB18352.5—2013中并沒有像其他法規(guī)[4]直接規(guī)定SBC中需要的用氣量，因此需要根據(jù)產(chǎn)品需求范圍，設(shè)計(jì)出符合法規(guī)中用氣需求的補(bǔ)氣系統(tǒng)，即該系統(tǒng)能夠在連續(xù)15 s的時(shí)間內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定供給所需要的空氣，保持在該時(shí)間段內(nèi)流速穩(wěn)定，并且在45 s秒時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)以滿足下個(gè)循環(huán)使用量的要求；

2）帶有觸發(fā)功能，能夠周期性地觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的加濃噴油起止時(shí)刻，并將此開關(guān)量信號(hào)作為空氣噴射的觸發(fā)信號(hào)；

3）該補(bǔ)氣系統(tǒng)的空氣供給量不隨溫度、壓力等變化；

4）在催化器溫度超出設(shè)定值或其他需要情況時(shí)，可以自動(dòng)或手動(dòng)緊急切斷二次空氣噴射；

5）可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)。

參考相關(guān)文獻(xiàn)[5]及其他相關(guān)學(xué)者的實(shí)踐，綜合考慮成本、響應(yīng)性、體積及現(xiàn)有設(shè)備的綜合利用，氣路硬件部分設(shè)計(jì)思路如下，氣路圖設(shè)計(jì)如圖1所示。

1）利用車間壓縮空氣作為主氣源而不是自帶氣泵；

2）設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣罐提高穩(wěn)定性和響應(yīng)性，并根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)為兩級(jí)或多級(jí)儲(chǔ)氣罐以減小設(shè)備尺寸和成本；

3）配備質(zhì)量流量控制器進(jìn)行流量控制；

4）配備不同控制閥和不同儀表進(jìn)行控制和指示；

5）使用氧傳感器對(duì)噴氣量進(jìn)行反饋。

2 氣路系統(tǒng)主要零部件計(jì)算

2.1 單位時(shí)間最大排氣流量估算

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，需要在連續(xù)15 s的時(shí)間內(nèi)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量3%（±0.1%）的O2，因此需要結(jié)合適用范圍估算排氣總量exh，kg；或單位時(shí)間最大排氣流量exh，kg/h。

根據(jù)Hendricks等[6]對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)建模采用

2.2 SBC二次空氣噴射量估算

空氣中O2體積含量約為21%，質(zhì)量含量約為23%，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，需要在連續(xù)15 s的時(shí)間內(nèi)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量3%（±0.1%）的O2，即

式中SBC為SBC二次空氣噴射量，則單位時(shí)間最大空氣噴射流量SBC-air與單位時(shí)間最大排氣流量exh的關(guān)系為

SBC-air=0.15×exh（3）

如果exh取460 kg/h，則SBC-air=69 kg/h= 19.2 g/s，即二次空氣噴射系統(tǒng)應(yīng)具備最大提供19.2 g/s空氣的能力。

2.3 流量控制器參數(shù)選擇

為能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)噴射空氣量的閉環(huán)控制，去除氣源壓力、環(huán)境溫度等因素變化所帶來的擾動(dòng)影響，配置質(zhì)量流量控制器（Mass Flow Controller，MFC）對(duì)噴射空氣進(jìn)行精密測(cè)量與控制。

SBC-air=19.2 g/s÷1.2 sl/g×60 s/min=960 slpm（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下升每分鐘），氣體質(zhì)量流量控制器基本參數(shù)應(yīng)滿足：量程>1 000 slpm，精度< 1% F.S.，響應(yīng)時(shí)間< 100 ms。

2.4 儲(chǔ)氣罐設(shè)計(jì)

試驗(yàn)室氣泵最大排量為1.2 m3/min，總儲(chǔ)氣罐容量為300 L，能力較大，所以SBC設(shè)備所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)氣罐為2個(gè)10 L串聯(lián)。

2.5 其他說明

為實(shí)現(xiàn)對(duì)催化器中的閉環(huán)控制，需要配置相應(yīng)的Lambda模塊與傳感器，實(shí)時(shí)采集空燃比，并將空燃比以過量空氣系數(shù)模式輸出，作為控制系統(tǒng)軟件閉環(huán)負(fù)反饋的依據(jù)。其中與/的關(guān)系為=/÷14.7。

同時(shí)配備模擬電壓量采樣模塊、熱電偶信號(hào)采集模塊、輸出控制模塊及USB集線器用于數(shù)據(jù)采集及通訊。軟件功能通過Delphi語言編譯，適用于Windows操作系統(tǒng)，具體操作界面如圖2所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 最大流量確認(rèn)

設(shè)置15 s穩(wěn)定流量為800 slpm，并以50 slpm的步長(zhǎng)增長(zhǎng)，測(cè)試該設(shè)備能提供的最大流量。每次試驗(yàn)10個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)從噴射開始計(jì)時(shí)15 s，采樣頻率1 Hz。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定3%±0.1%的二次空氣噴射偏差，即噴射波動(dòng)可在3%（0.1%/3%=3%）范圍內(nèi)波動(dòng)。

經(jīng)測(cè)試，SBC二次空氣噴射設(shè)備可以提供的最大空氣流量為1 000 slpm，滿足最初設(shè)計(jì)要求。

3.2 溫度壓力—流量穩(wěn)定性

設(shè)備用于臺(tái)架耐久循環(huán)，必須具有良好的耐久性和可靠性，至少能夠無故障連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)24 h（因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架通常每24 h耐久后需要對(duì)中檢查等），且流量不隨環(huán)境溫度、壓力或其他外在因素變化，能保持3%的穩(wěn)定性。

經(jīng)驗(yàn)證，設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)24 h流量不隨試驗(yàn)室環(huán)境溫度、氣泵壓力等因素發(fā)生明顯變化，能維持穩(wěn)定。

3.3 SBC噴射驗(yàn)證試驗(yàn)

選擇某國(guó)產(chǎn)2.0 T增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

參數(shù) 參數(shù)值 排量/L1.967 進(jìn)氣方式增壓中冷 最大凈扭矩/Nm/(r/min）315/ 2 000-4 000 額定功率/kW/(r/min）160/5 500

選擇的試驗(yàn)工況為2 900 r/min、BMEP（Brake Mean Effective Pressure，制動(dòng)平均有效壓力）為800 kPa，該點(diǎn)催化器溫度為807 ℃，空速為60 000 h-1。在這個(gè)選定工況下，輸入空氣量air為146 kg/h，油耗量fuel為10.2 kg/h，軟件根據(jù)式（4）計(jì)算出SBC噴射量SBC-air為325 slpm。

SBC-air=0.15×(air+fuel)×1 000/3 600÷ 1.2×60 =325 （4）

=(air+0.15×(air+fuel))/fuel÷14.7=1.13 （5）

根據(jù)法規(guī)要求，二次空氣噴射量占到排氣總量的3%（±0.1%），也就是過量空氣系數(shù)要在1.16±0.006范圍內(nèi)。將計(jì)算所得的SBC-air流量應(yīng)用于設(shè)定流量后，通過噴射口后端設(shè)置的空燃比傳感器測(cè)得滿足要求，如果超過范圍可通過手動(dòng)微調(diào)設(shè)置流量滿足過量空氣系數(shù)在1.16±0.006范圍的要求，如圖3所示。

為進(jìn)一步驗(yàn)證在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下該設(shè)備的穩(wěn)定性，利用的波動(dòng)來測(cè)試8 h內(nèi)（480個(gè)循環(huán)）設(shè)備穩(wěn)定性。取噴射開始后第11 s至第14 s的平均值作為該循環(huán)的過量空氣系數(shù)，繪制過量空氣系數(shù)變化曲線。經(jīng)過8 h耐久后統(tǒng)計(jì)得出過量空氣系數(shù)90%穩(wěn)定在1.16±0.006范圍內(nèi)，如圖4所示。

4 結(jié) 論

1）所開發(fā)的二次空氣噴射系統(tǒng)氣路部分能夠滿足法規(guī)SBC試驗(yàn)的需要，其硬件組成簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低，且適應(yīng)性強(qiáng)易于推廣。

2）通過配備質(zhì)量流量控制器和空燃比傳感器，可以使整個(gè)系統(tǒng)受壓力、溫度等波動(dòng)變化影響很小，滿足法規(guī)過量空氣系數(shù)精度要求。

3）通過數(shù)十小時(shí)的空機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，該設(shè)備穩(wěn)定性滿足耐久性要求。

[1]劉慶，侯獻(xiàn)軍，李菁元. 歐Ⅴ/Ⅵ輕型車耐久性試驗(yàn)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版，2012，34（3）：317-321.

[2]國(guó)家環(huán)境保護(hù)部，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．GB18352.5—2013 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）[S].

[3]《中國(guó)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)年鑒》編委會(huì). 中國(guó)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)年鑒[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2015.

[4]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局. HJ/T 331—2006 環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求汽油車用催化轉(zhuǎn)化器[S].

[5]遲永昊，何小明，楊正林. 三元催化轉(zhuǎn)化器快速老化試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 輕型汽車技術(shù)，2013（Z1）：32-36.

[6]Hendricks E, Sorenson S C. Mean Value Modelling of Spark Ignition Engines[J]. SAE Technical Paper 900616, 1990, doi:10.4271/ 900616.

2016-09-08

1002-4581（2017）02-0014-04

U467.2+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.02.004