摩托車排放應(yīng)對技術(shù)淺析

高國銳　郭　珩（天津內(nèi)燃機研究所　天津　300072）

摩托車排放應(yīng)對技術(shù)淺析

高國銳郭珩
（天津內(nèi)燃機研究所天津300072）

在簡述摩托車排放法規(guī)的技術(shù)要求基礎(chǔ)上，詳細分析了幾種應(yīng)對國Ⅲ排放標準的實用技術(shù)方案。

摩托車排放機內(nèi)凈化三元催化排放后處理技術(shù)

引言

內(nèi)燃機的發(fā)明和使用為人類交通提供了便捷高效的動力源，大大加快了物資流通的速度，方便和豐富了人們的生活，同時也極大地促進了勞動生產(chǎn)率的提高。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車工業(yè)得到了飛速的發(fā)展。汽車、摩托車的產(chǎn)量和保有量不斷地飆升，世界汽車保有量的增加大大超過了人口增長的速度。改革開放以來，我國汽車、摩托車工業(yè)以前所未有的速度向前發(fā)展，摩托車年產(chǎn)量居世界第一。但是以石油制品為燃料的內(nèi)燃機在給人類帶來方便的同時，其有害氣體排放也給人類造成了很大的危害。全球因燃燒礦物燃料而產(chǎn)生的一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）和氮氧化物（NO x）的排放量幾乎50%來自于汽油機和柴油機，內(nèi)燃機給能源和環(huán)境帶來的負面影響日益突出。世界各國針對機動車輛的有害排放物制定了日益嚴格的排放法規(guī)，必須通過標準來促進排放控制技術(shù)的發(fā)展，減少尾氣對人類健康的危害程度。

摩托車行業(yè)的發(fā)展也面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，隨著我國摩托車產(chǎn)量的不斷攀升，國內(nèi)市場已趨于飽和，市場競爭日趨激烈。市場上作為主力車型的中小排量摩托車利潤空間已經(jīng)很小，探索既能滿足新排放法規(guī)要求又符合中國中小排量摩托車市場實際的解決方案成為中國摩托車行業(yè)的重要課題。

1　國內(nèi)外排放標準的發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1歐洲摩托車排放法規(guī)

1999年6月17日歐盟指令97/24/EC提出了用于摩托車和輕便摩托車的歐Ⅰ和輕便摩托車歐Ⅱ階段的排放要求。2002年9月20日歐盟正式發(fā)布97/ 24/EC的修訂指令2002/51/EC，該指令不僅規(guī)定了摩托車歐Ⅱ階段的排放要求，也規(guī)定了兩輪摩托車歐Ⅲ階段的排放要求。表1為摩托車工況法排放限值（歐Ⅲ）。

表1　摩托車工況法排放限值（歐Ⅲ）

1.2我國摩托車排放法規(guī)

我國摩托車標準體系與國際接軌，世界上眾多國家和地區(qū)均采用體系完整的歐洲法規(guī)，最終摩托車排放標準技術(shù)內(nèi)容等同或等效采用歐洲相應(yīng)的法規(guī)?，F(xiàn)行有效的有GB14622-2007《摩托車排氣污染物排放限值及測量方法（工況法）（Ⅲ階段）》標準，于2007年4月3日發(fā)布，具體限值參見表2，耐久試驗里程參見表3。

表2　摩托車排氣污染物排放限值（工況法）（Ⅲ階段）

表3　摩托車排氣污染物耐久試驗里程（Ⅲ階段）

1.3國Ⅲ排放法規(guī)的應(yīng)對方案

目前行業(yè)認可推薦的技術(shù)方案主要有：

1）閉環(huán)電噴+單三元催化器

2）閉環(huán)電控化油器+單三元催化器

3）化油器+雙催化器+中間補氣

4）化油器+雙三元催化器（+缸頭補氣）

1）、2）方案采用閉環(huán)控制，一致性控制能力較高，但制造成本和后期維護保養(yǎng)成本明顯偏高。3）、4）方案簡單，但為降低NO x一般需調(diào)濃化油器，同時又需使用雙催化器降低CO，制造成本也不低，而且生產(chǎn)一致性、耐久性控制效果較差。

摩托車達到國Ⅲ標準的技術(shù)路線既可以選擇是化油器+后處理技術(shù)，也可以選擇電噴+催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，但是具體采用哪一條路線，摩托車排量不同選擇也不盡相同。例如，排量不小于150mL的車型在高速、高負荷條件下做EUDC實驗循環(huán)，要求發(fā)動機對全工況空燃比進行精確控制，化油器難以保證摩托車在全工況范圍內(nèi)將空燃比控制在理論空燃比附近，而電噴技術(shù)則可以比較容易地實現(xiàn)。而排量小于150mL的車型，雖然電噴技術(shù)是達到國Ⅲ標準的最佳方案，但采用電噴系統(tǒng)對這類發(fā)動機成本上的增加及售后服務(wù)上產(chǎn)生的障礙使得非電噴解決方案在較長的一個過渡時期內(nèi)仍具有較高的性價比和實際意義。

原車型按照國Ⅲ標準規(guī)定的工況法進行試驗，通過對試驗結(jié)果的分析，原車型的摩托車各種限制排放物的排放雖然能滿足國Ⅱ標準要求，但是CO和NO x的排放值超過國Ⅲ標準限值很多。

2　汽油機的機內(nèi)凈化技術(shù)

所謂機內(nèi)凈化就是從有害排放物的生成機理及影響因素出發(fā)，以改進發(fā)動機燃燒過程為核心，達到減少和抑制污染物生成的各種技術(shù)。簡單說就是降低污染物生成量的技術(shù)，如改進發(fā)動機的燃燒室結(jié)構(gòu)，改進點火系統(tǒng)，改進進氣系統(tǒng)，采用電控汽油噴射，采用廢氣再循環(huán)技術(shù)等[1]。

2.1改善點火系統(tǒng)

采用新的電控點火系統(tǒng)和無觸點點火系統(tǒng)，提高點火能量和點火可靠性，對點火正時實行最佳調(diào)節(jié)。

提高點火能量可以提高著火的可靠性，減小循環(huán)波動率，擴大混合氣的著火界限。特別是伴隨著汽油機燃燒稀薄化，無觸點的高能電子點火系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。提高點火能量的措施有增大極間電壓；增大火花塞間隙[2]；以及延長放電時間等方法。

推遲點火提前角一直是簡單易行的也是最普遍應(yīng)用的排放控制技術(shù)。汽油機推遲點火提前角，除因燃燒溫度下降使NO x的生成速度和生成量降低外，還會因后燃使HC也同時降低。但推遲點火提前角減低的效果是有限的，在不使動力性和燃油消耗率明顯惡化的前提下，NO x可降低10%～30%。實際中應(yīng)綜合考慮排放特性、動力性及經(jīng)濟性來確定最佳點火提前角[3]。

2.2優(yōu)化燃燒室設(shè)計和開發(fā)新型燃燒系統(tǒng)

選用結(jié)構(gòu)緊湊和面容比較小的燃燒室，縮短燃燒室狹縫長度，適當提高燃燒室壁溫以削弱縫隙和壁面對火焰?zhèn)鞑サ淖钃跖c淬熄作用，可以降低HC 和CO的排放量。采用多氣門結(jié)構(gòu)，組織進氣渦流、滾流或擠流，并兼用電控配氣定時、可變進氣流通截面等可變技術(shù)，可以有效地改善發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排氣凈化性能[1]。

積極開發(fā)分層充氣及均值稀燃的新型燃燒系統(tǒng)。目前，美、日、德等國已開發(fā)出了不少新型燃燒系統(tǒng)，其凈化性能及中小負荷時的經(jīng)濟性均較好[1]。

2.3電控汽油噴射技術(shù)

汽油噴射系統(tǒng)尤其是電子控制的噴射系統(tǒng)，它利用各種傳感器檢測發(fā)動機的各種狀態(tài)，經(jīng)微機判斷、計算，使發(fā)動機在不同的工況下均能獲得合適空燃比的混合氣，在燃油經(jīng)濟性、動力性、舒適性和操縱性方面更勝一籌。隨著排放法規(guī)的日趨嚴格，電控汽油噴射系統(tǒng)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。

電控汽油噴射系統(tǒng)與化油器式發(fā)動機相比，電控汽油噴射系統(tǒng)具有以下特點：

1）采用電控汽油噴射，可按各種工況的要求對燃油量進行校正，其廢氣排放指標比化油器汽油機好得多。

2）燃油霧化特性是由噴油器的特性決定的，與汽油機的轉(zhuǎn)速無關(guān)。因此，起動時仍能保持良好的霧化特性。起動性能良好，且起動時HC排放量少。

3）進氣系統(tǒng)中沒有化油器喉管的節(jié)流作用，減少了進氣系統(tǒng)的阻力損失，充氣效率高。

2.4廢氣再循環(huán)

廢氣再循環(huán)也是一種被廣泛應(yīng)用的排放控制措施，僅對降低NO x有效。一部分排氣經(jīng)EGR閥流回進氣系統(tǒng)，稀釋了新鮮混合氣中的氧濃度，導(dǎo)致燃燒速度降低，同時還使新鮮混合氣的比熱容提高。兩者都造成燃燒溫度的降低。因而可以抑制NO x的生成。

3　汽油機的排氣后處理凈化技術(shù)

機內(nèi)凈化技術(shù)以改善發(fā)動機燃燒過程為主要內(nèi)容，在降低排氣污染的同時不同程度地給汽車的動力性和經(jīng)濟性帶來負面影響。隨著對發(fā)動機排放要求的日趨嚴格，能統(tǒng)籌兼顧動力性、經(jīng)濟性和排放性能的發(fā)動機將越來越復(fù)雜，成本也急劇上升。因此，世界各國都先后開發(fā)廢氣后處理凈化技術(shù)，在不影響或少影響發(fā)動機其他性能的同時，在排氣系統(tǒng)中安裝各種凈化裝置，采用物理的和化學(xué)的方法降低排氣中的污染物最終向大氣環(huán)境的排放。

在發(fā)達國家，車用汽油機采用后處理裝置較多。這些裝置主要有三元催化轉(zhuǎn)化器、熱反應(yīng)器和空氣噴射器等。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市機動車輛日益增多，其廢氣已嚴重污染了大氣環(huán)境，對三元催化轉(zhuǎn)化器的需求將更為迫切。

3.1三元催化轉(zhuǎn)化器

三元催化轉(zhuǎn)化器是目前應(yīng)用最多的廢氣后處理凈化技術(shù)。

3.1.1三元催化轉(zhuǎn)化器的基本結(jié)構(gòu)

三元催化轉(zhuǎn)化器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由殼體、墊層和催化劑組成。其中，催化劑包括載體、涂層和活性組分。

圖1　三元催化轉(zhuǎn)化器的基本構(gòu)造[4]

3.1.2活性組分

尾氣凈化用催化劑以銠Rh、鉑Pt、鈀Pd三種貴金屬為主要活性組分，此外還含有鈰Ce、鑭La等稀土元素作為助催化劑。催化劑各組分的作用如下：

銠Rh：銠是三元催化劑中催化氮氧化物還原反應(yīng)的主要成分。此外，銠對一氧化碳的氧化以及烴類的水蒸氣重整反應(yīng)也有重要的作用。銠可以改善一氧化碳的低溫氧化性能。但其抗毒性較差，熱穩(wěn)定性不高。

鉑Pt：鉑在三元催化劑中主要起催化一氧化碳和碳氫化合物的氧化反應(yīng)的作用。鉑還可促進水煤氣反應(yīng)，其抗毒性能較好。

鈀Pd：鈀在三元催化劑中主要用來催化一氧化碳和碳氫化合物的氧化反應(yīng)。

在尾氣凈化用三元催化劑中，各個貴金屬活性組分的作用是相互協(xié)同的，這種協(xié)同作用對催化劑的整體催化效果十分重要。

3.1.3助催化劑

助催化劑是加到催化劑中的少量物質(zhì)，這種物質(zhì)本身沒有活性，或者活性很小，但能提高活性組分的性能—活性、選擇性和穩(wěn)定性。車用三元催化劑中常用的助催化劑有氧化鑭和氧化鈰，它們具有多種功能：

1）儲存及釋放氧，使催化劑在貧氧狀態(tài)下更好地氧化一氧化碳和碳氫化合物，以及在過剩氧的情況下更好地還原氮氧化物；

2）穩(wěn)定載體涂層，提高其熱穩(wěn)定性，穩(wěn)定貴金屬的高度分散狀態(tài)；

3）促進水煤氣反應(yīng)和水蒸氣重整反應(yīng)；

4）改變反應(yīng)動力學(xué)，降低反應(yīng)的活化能，從而降低反應(yīng)溫度。

3.2二次補氣技術(shù)

二次補氣就是將新鮮空氣噴射到排氣門的后面，使尾氣中的HC化合物和CO在排氣管內(nèi)與空氣混合，繼續(xù)氧化的技術(shù)。

二次補氣技術(shù)對中小排量的摩托車的排放降低效果明顯，被國內(nèi)外摩托車企業(yè)所廣泛使用。該技術(shù)可單獨采用，也可與其他排放控制技術(shù)組合。常見的二次補氣裝置由缸蓋、進氣管、補氣鋼管、補氣閥、補氣軟管（橡膠管）、空濾器和負壓管組成。補氣閥又由單向閥和負壓控制閥兩部分組合而成，在原始狀態(tài)下，單向閥處于常關(guān)狀態(tài)，負壓控制閥處于常開狀態(tài)。

4　結(jié)論

摩托車采用上述技術(shù)路線，結(jié)果達到國Ⅲ排放標準且各項污染物的測試值均低于標準限值，符合國家發(fā)改委一次性通過原則。污染物控制裝置耐久性也滿足標準要求。另外動力性能、油耗、起動性能等均符合企業(yè)標準及相應(yīng)國家標準要求。

1龔金科.汽車排放污染及控制[M].北京：人民交通出版社，2005

2周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].機械工業(yè)出版社，2006

3凱峰.CG125摩托車采用非電噴技術(shù)達到歐Ⅲ標準的研究[D].天津：天津大學(xué)，2007

TheM otorcycle Em ission Technology

Gao Guorui,Guo Hang Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute（Tianjin，300072，China）

This paper introduces the technical requirements of motorcycle emission regulations，and analyzes in detailseveralpractical techniquesofChinese State IIIemission standard.

Motorcycleemission，In-engine purification，Threeway catalyst，Emission aftertreatment

U483

A

2095-8234（2015）01-0091-04

高國銳（1979—），男，高級工，主要研究方向為發(fā)動機冷啟動及摩托車檢測。

（2015-01-15）