摩托车排放应对技术浅析

高国锐　郭　珩（天津内燃机研究所　天津　300072）

摩托车排放应对技术浅析

高国锐郭珩
（天津内燃机研究所天津300072）

在简述摩托车排放法规的技术要求基础上，详细分析了几种应对国Ⅲ排放标准的实用技术方案。

摩托车排放机内净化三元催化排放后处理技术

引言

内燃机的发明和使用为人类交通提供了便捷高效的动力源，大大加快了物资流通的速度，方便和丰富了人们的生活，同时也极大地促进了劳动生产率的提高。随着经济的发展，汽车工业得到了飞速的发展。汽车、摩托车的产量和保有量不断地飙升，世界汽车保有量的增加大大超过了人口增长的速度。改革开放以来，我国汽车、摩托车工业以前所未有的速度向前发展，摩托车年产量居世界第一。但是以石油制品为燃料的内燃机在给人类带来方便的同时，其有害气体排放也给人类造成了很大的危害。全球因燃烧矿物燃料而产生的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NO x）的排放量几乎50%来自于汽油机和柴油机，内燃机给能源和环境带来的负面影响日益突出。世界各国针对机动车辆的有害排放物制定了日益严格的排放法规，必须通过标准来促进排放控制技术的发展，减少尾气对人类健康的危害程度。

摩托车行业的发展也面临严峻的挑战，随着我国摩托车产量的不断攀升，国内市场已趋于饱和，市场竞争日趋激烈。市场上作为主力车型的中小排量摩托车利润空间已经很小，探索既能满足新排放法规要求又符合中国中小排量摩托车市场实际的解决方案成为中国摩托车行业的重要课题。

1　国内外排放标准的发展及现状

1.1欧洲摩托车排放法规

1999年6月17日欧盟指令97/24/EC提出了用于摩托车和轻便摩托车的欧Ⅰ和轻便摩托车欧Ⅱ阶段的排放要求。2002年9月20日欧盟正式发布97/ 24/EC的修订指令2002/51/EC，该指令不仅规定了摩托车欧Ⅱ阶段的排放要求，也规定了两轮摩托车欧Ⅲ阶段的排放要求。表1为摩托车工况法排放限值（欧Ⅲ）。

表1　摩托车工况法排放限值（欧Ⅲ）

1.2我国摩托车排放法规

我国摩托车标准体系与国际接轨，世界上众多国家和地区均采用体系完整的欧洲法规，最终摩托车排放标准技术内容等同或等效采用欧洲相应的法规。现行有效的有GB14622-2007《摩托车排气污染物排放限值及测量方法（工况法）（Ⅲ阶段）》标准，于2007年4月3日发布，具体限值参见表2，耐久试验里程参见表3。

表2　摩托车排气污染物排放限值（工况法）（Ⅲ阶段）

表3　摩托车排气污染物耐久试验里程（Ⅲ阶段）

1.3国Ⅲ排放法规的应对方案

目前行业认可推荐的技术方案主要有：

1）闭环电喷+单三元催化器

2）闭环电控化油器+单三元催化器

3）化油器+双催化器+中间补气

4）化油器+双三元催化器（+缸头补气）

1）、2）方案采用闭环控制，一致性控制能力较高，但制造成本和后期维护保养成本明显偏高。3）、4）方案简单，但为降低NO x一般需调浓化油器，同时又需使用双催化器降低CO，制造成本也不低，而且生产一致性、耐久性控制效果较差。

摩托车达到国Ⅲ标准的技术路线既可以选择是化油器+后处理技术，也可以选择电喷+催化转化技术，但是具体采用哪一条路线，摩托车排量不同选择也不尽相同。例如，排量不小于150mL的车型在高速、高负荷条件下做EUDC实验循环，要求发动机对全工况空燃比进行精确控制，化油器难以保证摩托车在全工况范围内将空燃比控制在理论空燃比附近，而电喷技术则可以比较容易地实现。而排量小于150mL的车型，虽然电喷技术是达到国Ⅲ标准的最佳方案，但采用电喷系统对这类发动机成本上的增加及售后服务上产生的障碍使得非电喷解决方案在较长的一个过渡时期内仍具有较高的性价比和实际意义。

原车型按照国Ⅲ标准规定的工况法进行试验，通过对试验结果的分析，原车型的摩托车各种限制排放物的排放虽然能满足国Ⅱ标准要求，但是CO和NO x的排放值超过国Ⅲ标准限值很多。

2　汽油机的机内净化技术

所谓机内净化就是从有害排放物的生成机理及影响因素出发，以改进发动机燃烧过程为核心，达到减少和抑制污染物生成的各种技术。简单说就是降低污染物生成量的技术，如改进发动机的燃烧室结构，改进点火系统，改进进气系统，采用电控汽油喷射，采用废气再循环技术等[1]。

2.1改善点火系统

采用新的电控点火系统和无触点点火系统，提高点火能量和点火可靠性，对点火正时实行最佳调节。

提高点火能量可以提高着火的可靠性，减小循环波动率，扩大混合气的着火界限。特别是伴随着汽油机燃烧稀薄化，无触点的高能电子点火系统得到了广泛的应用。提高点火能量的措施有增大极间电压；增大火花塞间隙[2]；以及延长放电时间等方法。

推迟点火提前角一直是简单易行的也是最普遍应用的排放控制技术。汽油机推迟点火提前角，除因燃烧温度下降使NO x的生成速度和生成量降低外，还会因后燃使HC也同时降低。但推迟点火提前角减低的效果是有限的，在不使动力性和燃油消耗率明显恶化的前提下，NO x可降低10%～30%。实际中应综合考虑排放特性、动力性及经济性来确定最佳点火提前角[3]。

2.2优化燃烧室设计和开发新型燃烧系统

选用结构紧凑和面容比较小的燃烧室，缩短燃烧室狭缝长度，适当提高燃烧室壁温以削弱缝隙和壁面对火焰传播的阻挡与淬熄作用，可以降低HC 和CO的排放量。采用多气门结构，组织进气涡流、滚流或挤流，并兼用电控配气定时、可变进气流通截面等可变技术，可以有效地改善发动机的动力性、经济性和排气净化性能[1]。

积极开发分层充气及均值稀燃的新型燃烧系统。目前，美、日、德等国已开发出了不少新型燃烧系统，其净化性能及中小负荷时的经济性均较好[1]。

2.3电控汽油喷射技术

汽油喷射系统尤其是电子控制的喷射系统，它利用各种传感器检测发动机的各种状态，经微机判断、计算，使发动机在不同的工况下均能获得合适空燃比的混合气，在燃油经济性、动力性、舒适性和操纵性方面更胜一筹。随着排放法规的日趋严格，电控汽油喷射系统正得到越来越广泛的应用。

电控汽油喷射系统与化油器式发动机相比，电控汽油喷射系统具有以下特点：

1）采用电控汽油喷射，可按各种工况的要求对燃油量进行校正，其废气排放指标比化油器汽油机好得多。

2）燃油雾化特性是由喷油器的特性决定的，与汽油机的转速无关。因此，起动时仍能保持良好的雾化特性。起动性能良好，且起动时HC排放量少。

3）进气系统中没有化油器喉管的节流作用，减少了进气系统的阻力损失，充气效率高。

2.4废气再循环

废气再循环也是一种被广泛应用的排放控制措施，仅对降低NO x有效。一部分排气经EGR阀流回进气系统，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高。两者都造成燃烧温度的降低。因而可以抑制NO x的生成。

3　汽油机的排气后处理净化技术

机内净化技术以改善发动机燃烧过程为主要内容，在降低排气污染的同时不同程度地给汽车的动力性和经济性带来负面影响。随着对发动机排放要求的日趋严格，能统筹兼顾动力性、经济性和排放性能的发动机将越来越复杂，成本也急剧上升。因此，世界各国都先后开发废气后处理净化技术，在不影响或少影响发动机其他性能的同时，在排气系统中安装各种净化装置，采用物理的和化学的方法降低排气中的污染物最终向大气环境的排放。

在发达国家，车用汽油机采用后处理装置较多。这些装置主要有三元催化转化器、热反应器和空气喷射器等。随着我国经济的高速发展，城市机动车辆日益增多，其废气已严重污染了大气环境，对三元催化转化器的需求将更为迫切。

3.1三元催化转化器

三元催化转化器是目前应用最多的废气后处理净化技术。

3.1.1三元催化转化器的基本结构

三元催化转化器的基本结构如图1所示，它由壳体、垫层和催化剂组成。其中，催化剂包括载体、涂层和活性组分。

图1　三元催化转化器的基本构造[4]

3.1.2活性组分

尾气净化用催化剂以铑Rh、铂Pt、钯Pd三种贵金属为主要活性组分，此外还含有铈Ce、镧La等稀土元素作为助催化剂。催化剂各组分的作用如下：

铑Rh：铑是三元催化剂中催化氮氧化物还原反应的主要成分。此外，铑对一氧化碳的氧化以及烃类的水蒸气重整反应也有重要的作用。铑可以改善一氧化碳的低温氧化性能。但其抗毒性较差，热稳定性不高。

铂Pt：铂在三元催化剂中主要起催化一氧化碳和碳氢化合物的氧化反应的作用。铂还可促进水煤气反应，其抗毒性能较好。

钯Pd：钯在三元催化剂中主要用来催化一氧化碳和碳氢化合物的氧化反应。

在尾气净化用三元催化剂中，各个贵金属活性组分的作用是相互协同的，这种协同作用对催化剂的整体催化效果十分重要。

3.1.3助催化剂

助催化剂是加到催化剂中的少量物质，这种物质本身没有活性，或者活性很小，但能提高活性组分的性能—活性、选择性和稳定性。车用三元催化剂中常用的助催化剂有氧化镧和氧化铈，它们具有多种功能：

1）储存及释放氧，使催化剂在贫氧状态下更好地氧化一氧化碳和碳氢化合物，以及在过剩氧的情况下更好地还原氮氧化物；

2）稳定载体涂层，提高其热稳定性，稳定贵金属的高度分散状态；

3）促进水煤气反应和水蒸气重整反应；

4）改变反应动力学，降低反应的活化能，从而降低反应温度。

3.2二次补气技术

二次补气就是将新鲜空气喷射到排气门的后面，使尾气中的HC化合物和CO在排气管内与空气混合，继续氧化的技术。

二次补气技术对中小排量的摩托车的排放降低效果明显，被国内外摩托车企业所广泛使用。该技术可单独采用，也可与其他排放控制技术组合。常见的二次补气装置由缸盖、进气管、补气钢管、补气阀、补气软管（橡胶管）、空滤器和负压管组成。补气阀又由单向阀和负压控制阀两部分组合而成，在原始状态下，单向阀处于常关状态，负压控制阀处于常开状态。

4　结论

摩托车采用上述技术路线，结果达到国Ⅲ排放标准且各项污染物的测试值均低于标准限值，符合国家发改委一次性通过原则。污染物控制装置耐久性也满足标准要求。另外动力性能、油耗、起动性能等均符合企业标准及相应国家标准要求。

1龚金科.汽车排放污染及控制[M].北京：人民交通出版社，2005

2周龙保.内燃机学[M].机械工业出版社，2006

3凯峰.CG125摩托车采用非电喷技术达到欧Ⅲ标准的研究[D].天津：天津大学，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

高国锐（1979—），男，高级工，主要研究方向为发动机冷启动及摩托车检测。

（2015-01-15）