（车辆工程专业论文）摩托车多功能排气净化装置的研究开发.pdf

摘要 摘要 随着我国的摩托车工业迅速发展，我国己经成为摩托车的第一生产大国， 同时也是摩托车消费大国，据统计，我国的摩托车保有量已经逼近1 亿。如 此众多摩托车排放的有害气体造成的大气污染严重影响人们的身心健康，因 此制定更加严格的摩托车的排放法规就很有必要。为了使我国的摩托车工业 得到良性发展，而又不给大气造成严重污染，有必要提高摩托车的排放控制 技术。在这种情况下，我们研究开发摩托车多功能排气净化装置。 本科研项目是广东省环保局的应用研究项目。本论文讨论的是根据催化 转化、热反应、二次空气和废气再循环等原理，研究一种降低摩托车有害气 体排放的多功能净化装置。其主要的结构特点是采用了侧流式的热反应室， 此种结构既能够保证热反应的时间，又能保证排气的顺畅。 该净化装置是集催化转化、热反应净化和二次空气供给装置为一体。催 化转化器通过氧化和还原反应将发动机排放的有害物质c 0 、h c 及n o x 转化成 水和c 0 2 等无害物质；热反应器是利用二次空气装置提供的新鲜空气，进一 步燃烧有害气体c o 和h c ，使之转化为无害物质，达到净化尾气的目的。 在评价多功能净化装置净化有害气体的能力、对发动机经济性和动力性 的影响，以及该净化装置的可靠性和耐久性等方面，我们做了l0 0 小时的发 动机强化试验、怠速、负荷特性和外特性试验。试验结果表明，该净化装置 对发动机的动力性和经济性总体上没有负面影响，且能大幅度降低发动机排 放，同时有很好的可靠性和耐久性，适合产品化。 关键词净化装置；摩托车发动机：催化转化；热反应器：强化试验 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h em o t o r c y c l ei n d u s t r yo fc h i n aq u i c kd e v e l o p e d ，c h i n ah a v et h e f i r s tb i gc o u n t r yi nm o t o r c y c l ep r o d u c e da n d c o n s u m e d o ft h ew o r l d ， a c c o r d i n gt os t a t i s t i c ，a l m o s t1 0 0m i l l i o n sm o t o r c y c l e sd r i v e di nm a i n l a n d o fc h i n a l a r g ep o i s o n o u sg a sb yt h e s em o t o r c y c l e se m is s i o ns t r o n gd e s t r o y p e o p l eh e a l t h ya sa i rp o l l u t i o n ，t h e r e f o r e ，i t sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s h t h eseverere m i s s i o nr e g u l a t i o n so fm o t o r c y c l e i tisn e c e s s a r yt oi m p r o v e t h e t e c h n i q u e o fm o t o r c y c i ee m is s i o nf o rw e l id e v e l o p e dm o t o r e y c l e i n d u s t r y ，b u tn o th e a v yp o l l u t e da i r u n d e rt h isc i r c u m s t a n c e ，w er e s e a e h a n d d e v e l o p t h em a n yf u n c t i o n sd e v i c e so fm o t o r c y c l ee m i s s i o n p u r l i c a t i o n t h isr e s e a r c hi sa na p p l i c a t i o nr e s e a r c ha i d e db yg u a n g d o n gp r o v i n c e e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nb e r e a u t h i sp a p e rd i s e u s s e d ，a c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l eo fc a t a l y t i cc o n v e r s i o n ，t h et h e r m a lr e a c t i o n ，s e c o n d a r ya i r a n d e g r ，t h a t as e t t i n go fm a n yf u n c t i o n sd e c r e a s em o t o r c y c l e sw a s t eg a s e m i s s i o nb yo u rd e s i g n e d i t sm a i n l yc h a r a c t e r i s t i co ns t r u c t u r eu s et h e t h e r m a lr e a c t i o no fb e s i d ef l u i dc a v i t y w h i c hn o t0 n 1 yk e e pt h et i m e o f t h e r m a lr e a c t i o n b u ta l s ow a s t eg a sf l o ws m o o t h t h e s e t t i n gi n c l u d e sc a t a l y t i cc o n v e r t o r ，t h e r m a lr e a c t o ra n d s e c o n d a r ya i ri n j e c t i o nd e v i c e e a t a l y t i cc o n v e r t o rt r a n s l a t en o x i o u s g a s e s 一一c o 、h ca n dn o x t oi n n o x i o u so b j e c t s w a t e ra n d c 0 2 b y o x i d a t i o n r e d u c t i o n ：t h e r m a lr e a c t o ru t i l i z ef r e s ha i ro fs u p p l l e db y s e c o i l d a r ya i ri n j e c t i o i ld e v i c et ob u r na w a yi l o x i o u sg a s e s 。_ _ 。c oa n dh cf o r p u r i f i e dw a s t eg a s t h et e s to f1 0 0 h sh o p u p 、i d l i n g 、l o a dc h a r a c t e r i s t i c sa n do u t e r c h a r a c t e r is t i c se v a l u a t et h es e t t i n g sa b i l i t yo fp u r i f i e dw a s t eg a s a n d i t sa f f e c t e dt h ed y n a m i ca n de c o n o m i c a le f f i c i e n e yo fe n g i n ea n di t s r e l l a b i l i t ya n dd u r a h i l i t yp e r f o r m a n c e t h er e s u l to ft e s ts h o w t h a ti t w a sl i t t l ea f f e c t e d t h ed y n a m i ca n de c o n o m i c a le f f i c i e n c yo fe n g i n e ，a n d i tc a np u r i f i e dm o s t l ye x h a u s tg a sf r o mm o t o r c y c l ee n g i n e f u r t h e rm o r e ， i th a sg o o dd u r a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yt ob ep r o d u c t i o n k e yw o r d s p u r l f i c a t i o n d e v i c e ，m o t o r c y c l ee n g i n e ， c a t a l y t i c c o n v e r s i o n ，t h e r m a lr e a c t o r ，h o p u pt e s t i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：殍壮他 日期：扣j 年月版曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在。幺年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 挚懒弱1 飞 刷谧铩掣 1 7 1 期：抄多年t 1 月仁日 日期：加了年月产日 保密声明 保密声明 本课题研究时受广东省环保局以及某大型企业委托进行的应用研究开发项 目，承担着保密的要求和任务。敬请阅看本文的老师和其他同志为本文保密，不 要把文中内容泄露给任何单位和个人，麻烦之处，不胜感谢! i l l 第一章绪论 第一章绪论 1 1大气污染 在经济全球化的今天，世界上许多国家面临大气污染的环境问题，尤其在许多发展 中国家问题更是突出，而我国的大气污染状况是世界上少数最严重的国家之。我国许 多城市，十几年前的山清水秀不见了，到处混浊不堪，整天灰蒙蒙，多日不见阳光。因 此，人们越来越关注空气的污染指数，每天都希望有一个蔚蓝的天空。 什么是大气污染呢? 按照国际标准化组织( i s o ) 作出的定义为：大气污染一一通 常是指由于人类活动和自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，达到足 够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。一所谓对人体的 舒适、健康的危害，包括对人体正常生理机能的影响，引起急性病、慢性病以至死亡等； 而所谓的福利，则包括与人类协调并共存的生物、自然资源以及财产、器物等。 大气污染物是由于人类活动或自然过程排入大气的并对人或环境产生有害影响的那 些物质。其主要分为有害气体( 二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化物、光化学烟 雾和卤族元素等) 及颗粒物( 粉尘和酸雾、气溶胶等) 。它们的主要来源是燃料燃烧、工 业生产和交通运输等过程产生的废气。前两者是固定污染源，往往量大而集中；后者( 汽 车、火车、飞机等) 属于流动污染源，它小型分散、数量众多、来往频繁，排出的污染 物总量已经相当可观。 大气污染物种类同能源结构、工业结构有密切关系。燃煤的主要污染物是烟尘和二 氧化硫，燃油的主要污染是二氧化硫和氮氧化物，车辆主要排放一氧化碳、氮氧化物和 碳氢化合物。工业生产过程因行业不同，排放各种不同的无机和有机气体及有毒金属粉 尘等。 那么大气污染造成什么危害呢? 大气污染对人体健康、植物生产、田物及气候都有 影响，现在举例说明一下大气污染到底会产生什么危害； 一：伦敦烟雾事件，由于大量使用煤炭燃料，煤炭燃烧过程中释放的大量颗粒物、 二氧化硫和二氧化碳，在低温、潮湿的静风天气下，形成了含有硫酸和硫酸盐的气溶胶， 在近底层聚集，严重危害人类的呼吸系统，其造成的危害自然是不言而喻的。 二：洛杉矶光化学烟雾，是由于汽车尾气、燃油锅炉及石化工业所排放出的氮氧化 物、甲烷及一氧化碳，在高温、干燥的静风天气下发生光化学反应，产生臭氧、p a n 、 醛类等具有强氧化性的气体或离子，刺激人的眼睛、喉粘膜等，严重危害人类键康。 三：日本四日市大气污染，由于在工业中心城市，由企业、汽车尾气等排放的二氧 化硫、粉尘、氮氧化物及各种重金属微粒在静风的天气下，在近底层聚集，吸入肺部、 刺激人体呼吸道，引起肺气肿、气管炎、哮喘等。 华南理1 二大学工学硕士学位论文 以上非常有名的大气污染事件，从中我们也能体会到大气污染给我们的环境带来多 大的破坏，危害着人类的身心健康。 下面就机动车辆及一些工业活动产生的污染物比重做一个比较，如表卜l ，使我们 能够对各种工业活动所排放的污染物有一个量的认识。 表1 1不同工业活动产生污染物量的对比 t a b l ei lt h ec o n t r a s to fq u a n t i t ya b o u tc o n t a m i n a t i o n i nd i f f e r e n ti n d u s t r i a lp r o d u c t i o n 污染源 污染物一吨燃料或原料产生污 染物重量( 公斤) 锅炉( 燃料)粉尘、二氧化硫、一氧化碳、 5 1 5 酸类和有机物 车辆( 燃料)氮氧化物、一氧化碳、酸类、 4 0 7 0 碳氢化合物、微粒 炼油( 燃料)二氧化硫、硫化氢、氨、一氧 2 5 1 5 0 化碳、碳化氢、硫醇 化工( 燃料) 二氧化硫、氨、一氧化碳、酸、 5 0 2 0 0 溶媒、有机物、硫化物 冶金( 燃料)二氧化硫、一氧化碳、氟化物、5 0 2 0 0 有机物 采矿( 矿石处理加工)二氧化硫、一氧化碳、氟化物、1 0 0 3 0 0 ( 原料)有机物 从表卜1 中，我1 f i n n 道，车辆的尾气排放的污染物是大气污染物的主要组成部分， 随着我国的机动车辆的保有量的增多，保护我国的大气免受车辆尾气的污染是一项重大 的战略任务，因而充分认识机动车辆的尾气排放带来的大气污染是非常重要的一件事。 1 2 车辆排放与大气污染 随着国内居民收入的增加，越来越多的人拥有自己的机动车辆。机动车辆的保有量 也直线上升，其排放的尾气已变成个无形的杀手，危害着人们的身心健康。机动车辆 排放主要污染物及其对人类的危害有： 一氧化碳( c o ) 是烃燃料燃烧的中间产物，主要是在局部缺氧或低温条件下，由于碳 不完全燃烧而产生，混在内燃机废气中排出。当车辆负重过大、慢速行驶时或怠速运转 时，燃料不能充分燃烧，废气中一氧化碳含量会明显增加。研究表明，人对一氧化碳的 承受能力相当高，个健康的人能短时问承受的血液中c o h 8 含量为2 0 一4 0 。虽然对入 2 第一章绪论 体无副作用的一氧化碳阈值尚未确定，但长期吸收一氧化碳对城市居民身体健康是一个 潜在威胁。 氮氧化物( n o 。) 是在内燃机燃烧室内火焰面和已燃区中生成的，氮氧化物的排放量 取决于燃烧温度、时间和空燃比等因素。人受一氧化氮毒害的事例尚未发现，但二氧化 氮是一种红棕色呼吸道刺激性气体，气味阂值为0 2 5 m g m ，约为空气质量的1 5 倍， 对人体影响甚大。由于其在水中溶解度低，不易为上呼吸道吸收而深入下呼吸道和肺部， 引发支气管炎、肺水肿等疾病。 碳氢化合物( h c ) i l l , 车辆排气中的h c 是燃料中没有燃烧或不完全燃烧、或部分被 分解的产物，含有饱和烃、不饱和烃、芳烃及部分含氧化合物( 如醛、酮和酸等) ，此 外，曲轴箱窜气和燃油蒸发中部分h c 溢出。h c 中的醛r h c o 是烃类不完全燃烧而产生的， 车辆尾气排放的醛类以甲醛为主，占6 0 一7 0 。甲醛是有刺激性的气体，对眼睛有刺激 性作用，也会刺激呼吸道，嗅觉阈值为o 0 6 一1 2m g m ，高浓度时会引起咳嗽、胸痛、 恶心和呕吐。乙醛属低毒性物质，高浓度时有麻醉作用。丙烯醛是一种辛辣刺激性的气 体，对眼睛、呼吸道有强烈刺激，可引起支气管细胞损害，嗅觉阈值为0 4 8 4 1m g m - 3 。 铅略超大气污染允许限度以上时，可引起红血球碍害等慢性中毒症状，高浓度时可 引起强烈的急性中毒症状。 二氧化硫浓度为1 - - 5 p p m 时可闻到嗅味，5 p p m 长时间吸入可引起心悸、呼吸困难等 心肺疾病。重者可引起反射性声带痉挛，喉头水肿以至窒息。 还有碳烟微粒，氟化物及c o 。等等，有害排放物。 虽然这些有害排放物占车辆的排放比例很小，但是由于我国汽车工业迅速发展，到 2 0 0 3 年底，我国仅汽车保有量已经达到2 3 8 3 万辆“，再加上2 0 0 4 年我国汽车销售量 为5 0 0 万辆，当然还有其它的机动车辆，而且每年还在飞速的增加，这些车辆每年向大 气排放的污染物将是一个庞大的数字。机动车辆的有害排放物已经成为我国城市大气污 染最主要的流动污染源。如何控制机动车辆有害污染物的排放，使它们的排放在一个允 许的范围内，这正是我们需要迫切解决的问题，基于此种原因，我们才做此项的试验研 究工作。 1 3 研究开发本净化装置的意义 1 9 9 3 年我国摩托车产量为3 3 5 1 万辆，超过了日本当年产量( 3 0 2 3 万辆) ，首次 位居世界第一位。1 9 9 9 年我国摩托车产销量再创历史新高，产量达到1 1 2 7 万辆，销量 达到1 l1 7 万辆，产销率高达9 9 1 3 。到2 0 0 1 年，我国摩托车行业共生产整车1 2 3 6 7 万辆，销售整车1 2 1 3 万辆，创下一个新的世界纪录“1 。2 0 0 4 摩托车产量将可以突破1 7 0 0 万辆，将占世界总产量的1 2 4 1 0 从这些数据来看，我国的摩托车工业发展非常迅速， 是一个好的方面。 但另一方面，正是我国摩托车迅速发展，摩托车保有量( 参看表1 - 2 ) 逐年的增加， 3 华南理丁大学工学硕士学位论文 给我国城市的大气造成严重污染，所以我国现有1 2 8 个大中城市禁止或限制摩托车和燃 油助力车上牌及上路行驶，而且这种情况大有越演越烈的趋势1 。由于“限摩、禁摩” 将导致全国4 0 0 5 0 0 万辆摩托车不能销售，直接减少销售收入2 0 0 多亿元，使部分企 业的生产能力闲置。所以研究开发一种能降低摩托车有害气体排放的净化装置，无论对 我国的摩托车工业，还是保护我们的环境都是一件很有意义的事情。 表1 - 2 国内摩托车( 含轻便摩托车) 保有量统计和预测( 万辆) “1 t h eq u a n t i t yo fh o l da n da n t i c i p a t i o na b o u tm o t o r c y c l e ( i n c l u d el i g h t d u t y ) ( u n i t s ：t e nt h o u s a n d ) 年份总保有量( 万辆)年份总保有量( 万辆) 2 0 0 16 8 5 42 0 0 69 8 9 3 2 0 0 27 7 3 32 0 0 71 0 2 0 1 2 0 0 38 4 6 12 0 0 8 1 0 6 9 0 2 0 0 49 1 0 52 0 0 91 1 1 6 5 2 0 0 59 5 4 52 0 1 01 1 6 7 7 1 4 本章小结 随着我国经济的快速发展，能源的需求也越来越大，尤其现在使用大量的化石燃 料一一石油，煤等等，化石燃料大量的使用，所产生的大量废气对我国的大气造成严重 的污染。因此人们采取相应的措施，一是寻求替代能源，二是控制排气污染。寻求替代 能源需要很长的过程，因此控制各种向大气排放污染就显得十分迫切了。我国城市大气 污染现状，机动车辆排气污染占有很大比重，因此降低我国的机动车辆有害排放就是一 项十分重要的任务。加快改进和创新机动车辆的低排放技术，既能满足我国保护大气环 境的要求，又能提高我国汽车、摩托车等企业在国际上的竞争力。 4 第二章摩托车排气污染与排放法规 第二章摩托车排气污染与排放法规 2 1 摩托车的排气污染 2 1 1摩托车排气污染的现状 摩托车尾气排放给城市的空气带来污染，已经变成一个世界性的问题，尤其 在亚洲地区。由于近年来亚洲地区的经济迅速发展，人口迅速膨胀，因而交通工 具的发展也非常迅速，而摩托车作为一种方便、快捷、而且又很经济的交通工具， 深受大众的欢迎。 在泰国的曼谷，1 9 9 9 年挂牌注册的摩托车就有1 7 0 万辆，其中有8 0 的摩托 车是二冲程的摩托车17 1 。因为二冲程相比四冲程的摩托车便宜，体积小及功率大， 所以相对较多，但是二冲程的摩托车排放污染物却比四冲程摩托车多，对大气污 染更严重。同时由于这些地区的摩托车使用很差的润滑油，以及很差的维修技术， 使得排放的尾气中冒大量的白烟，使空气中增加颗粒悬浮物，因此给曼谷造成很 大的环境污染。 在我国的台湾地区，1 9 9 5 年机动车排放的c 0 、n o ；、n m h c 及悬浮颗粒分别 是1 7 2 万吨、4 2 万吨、8 4 万吨及5 3 万吨，其中摩托车的排放量分别占到排放量 的3 8 、3 、6 4 及3 0 “1 。而根据台湾“交通部”的最新统计，过去十年间台 湾即摩托车数量持续以4 6 的幅度成长，平均每人拥有摩托车数和每公里道路摩 托车数均高居亚洲第一位。到去年底为止，全台湾摩托车登记数计1 2 7 9 万辆，但 实际使用率约为7 9 5 ，有高达2 4 7 万辆已不使用。根据具体数据我们能了解到 摩托车尾气排放对台湾地区的大气造成一定程度的污染。 在祖国大陆地区，1 9 8 0 年只有区区8 万辆摩托车，现在的摩托车保有量将逼 近l 亿辆。如果按工况法限值及每车每年平均运行f i o o o k m 进行粗略估算，1 9 8 0 年摩托车排放出c 0 有害物为0 8 2 5 万吨，排出的h c 有害物为0 2 6 万吨；1 9 9 7 年新生产摩托车在1 9 9 8 年底排出c o 为4 1 3 万吨，h c 为1 3 1 万吨；若考虑1 9 9 7 年底在用车为2 5 0 0 万辆，则1 9 9 8 年底排放c o 总量为1 0 3 l 万吨、h c 总量为3 2 8 万吨1 9 10 现在近1 亿辆的保有量，对我国大气的造成多大的污染可想而知，难怪 许多城市禁止摩托车。 总之，摩托车尾气排放对大气造成很严重污染，然而现在摩托车大量进入农 村，可能会成为农村最主要的大气污染源，所以我们应重视摩托车排气污染，寻 求切实可行的办法，解决此难题。 2 1 2 摩托车排气污染的特点及主要的污染源 由于我国现在生产的摩托车大部分是四冲程，但二冲程的摩托车保有量还占 华南理工大学工学硕士学位论文 有一定比例，因其价格便宜，对我国的农村还是有一定市场。与汽车排放相比摩 托车排放有下列特点： ( 1 ) 二冲程与四冲程摩托车的c o 排放量与未控制排放的汽油机轿车相近；二冲 程摩托车的h c 排放量比汽油机轿车高许多，通常是2 3 倍，二冲程发动 机排放的p m 颗粒排放物接近柴油机货车的水平“”。 ( 2 ) 由于摩托车发动机最高工作温度、排气温度较低，其n o ，的排放量低于普 通轿车的排放量。 ( 3 ) 摩托车与轻型汽车相比价格便宜，其不同车型价格相差悬殊。这样在摩托 车上采用降低排放的措施所需的费用占其成本的比例大，所以降低摩托车 排放就面临比汽车更为严峻的挑战。 摩托车的排放源主要有曲轴箱窜气、汽油蒸发及排气管排放三部分组成“”： a 曲轴箱窜气是指从活塞环与气缸壁之间的间隙泄漏到曲轴箱，并由曲轴箱通 气孔排到大气，主要是未燃的h c ，约占h c 总排放量的2 0 2 5 。 b 汽油蒸发，是指从汽油箱通气孔、化油器浮子室等处挥发出来的汽油蒸气， 主要成分是h c 。在不加控制的情况下，这部分汽油蒸气约占摩托车h c 总排 放量的1 5 2 0 。由于我国的摩托车保有量很大，因此每年排放到大气这类 污染物也是不容忽视的。 c 排气管排气，是指从排气管排入大气的废气，这些废气中的污染物是由于发 动机的结构、负荷、转速以及燃料燃烧不完全等等因素，使得汽油不能完全 燃烧转化成h 。0 和c o 。而产生的有害排放物，它们主要成分是h c 、c o 及n o ， 等，是摩托车最大的排污源。 2 1 3 摩托车的主要的排放污染物 摩托车主要排放污染物：一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 及氮氧化合物 ( n o x ) ，在氮氧化合物污染物中的9 9 为一氧化氮( n o ) ，其次是二氧化氮( n o 。) 以及铅尘、烟尘和石棉尘等微粒物。此外，尚有少许二氧化硫( s o 。) 、醛类( r c h o ) 、 三四笨芘( 3 、4 b a p ) 等有害气体。 2 。2 摩托车的排放法规 2 2 1 国外的摩托车排放法规 自从美国建立了世界上第1 个汽车排放标准以来，世界各国都纷纷制定自己 的汽车摩托车排放标准，并不断加以强化，逐渐形成了美国、欧盟和日本等几大 法规体系，而且摩托车排放法规有向汽车排放法规靠拢的趋势。但是这些法规相 互之间差异性大，缺乏可比性，故形成一个全球统一的汽车排放法规是众望所归 的事情。随着全球汽车技术法规协议书于1 9 9 8 年6 月2 5 日在日内瓦制订并 签署，这个愿望即将成为现实，相信在不久的将来，1 个包括摩托车排放法规在 6 第二章摩托车排气污染与排放法规 内的全球统一的汽车技术法规将会诞生。到时各国将会采用同1 个程序和规则来 进行测试和评价。 虽然现在从具体的限值来看，日本将实施的新排放法规中h c 限值严于欧i i i 阶 段的摩托车限值，是世界上最严格的摩托车排放法规，但由于我国是参照欧洲标 准来制定我国摩托车排放标准，所以仅列举欧盟摩托车3 个阶段限值( 即欧i 、 欧i i 、欧i i i ) ，具体限值参见表2 一l “”。 从表2 - 1 中，我们能看到欧洲摩托车排放法规不仅对摩托车和轻便摩托车的 定型车( 进行型式认证的新开发试验车) 和新生产车( 进行生产一致性检查的车 型) 分别作出规定，而且均要求进行i 类和i i 类试验。i 类试验是检验在拥挤的 市区行驶时气体污染物的平均排放量，即通常所说的工况法。i i 类试验是检验怠 速时c o 和h c 的排放量，即通常所说的怠速法。 e c e 排放法规规定了定型车认证排放限值和较松的新生产车限值。1 9 8 6 年瑞 士环境保护办公室的研究结论指出：e c er 4 0 0 1 仅需从无控制水平做很少工作就 可以达到，同样，e c er 4 7 的限值也仅略低于无控制轻便摩托车的排放水平。因 此，从减少排放所起的作用看，e c er 4 0 0 1 和e c er 4 7 相当于几乎没有标准限制。 1 9 9 9 年6 月1 7 日欧盟指令9 7 2 4 e c 提出了用于摩托车和轻便摩托车的欧i 和轻便摩托车欧i i 阶段的排放要求。2 0 0 2 年9 月2 0 日欧盟正式发布9 7 2 4 e c 的修订指令2 0 0 2 5 1 e c ，该指令不仅规定了摩托车欧i i 阶段的排放要求，也规定 了两轮摩托车欧i 阶段的排放要求。 欧洲仅对摩托车的怠速排放中的c 0 有限值要求，即不得超过4 5 ，对轻便 摩托车没有限值，仅要求记录c o 的测量数据值。根据最新的欧盟2 0 0 2 5 1 e c 指 令，除了测量怠速排放中的c 0 外，还增加了高怠速工况的c o 排放测量要求，对 两个怠速工况的c o 测量结果均要求进行记录，并作为在用车排放测量的限值要 求。在欧洲对怠速和高怠速下的h c 排放均无要求。根据欧盟指令，要求怠速排放 测量应在完成i 类试验( 工况法试验) 后马上进行。 关于正在拟定的“欧洲摩托车排放法规发展计划”，将针对摩托车提前研究更 具代表性的测试循环，欧盟也考虑直接引用正在开发制定中的全球统一的摩托车 测试循环( w m t c ) ，在欧i 阶段，制造商将可以在修改的e c er 4 0 循环和w m t c 循 环之间任选其一进行检测，当w m t c 循环受到广泛认可后，w m t c 将作为型式认证 惟一有效的测试循环。此计划还将对摩托车c o 。排放、微粒排放、燃油蒸发排放 控制以及轻便摩托车的排放要求等方面进行研究，并且提出相应的法规要求。从 发展方向可以看出，随着摩托车技术的不断进步，对摩托车的排放控制将越来越 严格，并与轻型汽车的排放法规控制内容基本保持一致。 7 华南理工大学工学硕士学位论文 表2 一l 欧i 、欧i i 、欧i 摩托车排放法规限值 t a b l e2 1t h es t a n d a r do fm o t o r c y c l e se m i s s i o na b o u te ui 、i i 、i i i f 标 新车型 生产一拎f耐 排放限值，g k m 式认证致性实试验热 久 h c 准 车型 实施日施同期循环起 性h cn o xc o+ 期备动 k mn o x 摩托车 1 9 9 9 一2 0 0 0 -e c e 热 4 00 1 8 0 ( 二冲程) 0 6 1 70 6 1 7 r 4 0 欧摩托车 1 9 9 9 2 0 0 0 一e c e 热3 0o 3 1 3 0 l ( 四冲程) 0 6 1 70 6 1 7r 4 0 1 9 9 9 2 0 0 0 e c e 轻便摩托车 热 6 o3 0 0 6 1 70 6 1 7r 4 7 摩托车 2 0 0 3 2 0 0 4 - e c e 热 1 2o 35 5 ( i 1 5 0m l )0 4 0 10 7 0 1 r 4 0 摩托车 2 0 0 3 2 0 0 4 e c e 热 1 oo 35 5 ( i i 1 5 0m l ) 0 4 0 10 7 - 0 1r 4 0 欧 轻便摩托车 2 0 0 2 2 0 0 3 e c e 执 1 o1 2 i l 0 6 1 7 0 6 - 1 7 r 4 7 、 三轮、四轮摩托 2 0 0 4 -2 0 0 5 e c e 热 1 5o 47 o 车( 点燃式) 0 1 一0 1 0 7 0 1 r 4 0 三轮、四轮摩托 2 0 0 4 2 0 0 5 - 0e c e 热1 00 6 52 0 车( 压燃式) 0 1 0 17 一0 1r 4 0 摩托车 2 0 0 6 -2 0 0 7 e c e3 0 冷o 80 1 5 2 o 欧 ( i 1 5 0m l )o l 一0 10 l 一0 1r 4 0k i 摩托车2 0 0 6 -2 0 0 7 一e c e3 0 冷o 30 1 52 o ( i i 1 5 0m l ) 0 l o l o l o lr 4 0k 1 在欧i i 中，排量小于1 5 0m l 及三轮、四轮( 点燃式) 的摩托车，对e c er 4 0 中的试验规程略作修改，删去了初始4 0s 的无取样怠速运转期。 备 2 在欧i 中，对于排量1 5 0m l 以下的摩托车采用修订的e c er 4 0 循环，但 是采样时间从摩托车起动时开始，将原来的前两个预循环也作为排放测量 注 循环，共测量6 个循环的排放；排量不小于1 5 0m l 的两轮摩托车，测试循 环增加一个最高车速为1 2 0k m h 的e u d c 高速循环，其中，对于最高车速 低于11 0k m h 的摩托车，e u d c 循环的最高车速可以控制在9 0k m h 。 8 第二章摩托车排气污染与排放法规 2 2 2 国内的摩托车排放法规 我国的三个关于摩托车及轻便摩托车排放的强制性标准，分别是摩托车排 气污染物排放限值及测量方法( 工况法) 、轻便摩托车排气污染物排放限值及测 量方法( 工况法) 和摩托车和轻便摩托车排气污染物排放限值及测量方法( 怠 速法) 。由于我国机动车的排放法规是在参照欧洲的排放法规的基础上，针对我 国的实际情况而制订的，并没有完全照搬照抄欧洲的法规，因此两者之间存在一 定的差异。以下是我国的三个排放法规： 1 摩托车排气污染物排放限值及测量方法( 工况法) ，参看表2 2 。 2 摩托车工况法的测量循环及采样方法与原1 9 9 3 年的摩托车排放国家标准以及 欧洲摩托车排放法规规定相同，即均采用e c e r 4 0 规定的工况测试方法。 3 轻便摩托车排气污染物排放限值及测量方法( 工况法) ，参看表2 3 。 4 在表2 4 中，轻便摩托车的定义为：气缸排量不超过5 0 m l ，并且最高设计车 速不超过5 0 k m h 的装有火花点火式发动机的两轮或三轮轻便摩托车。两轮或 三轮的l 类车辆。 5 摩托车和轻便摩托车排气污染物排放限值及测量方法( 怠速法) ，参看表2 - 4 。 6 轻便摩托车的工况法测量循环及采样方法与欧洲轻便摩托车排放法规规定相 同，即采用e c e r 4 7 规定的工况测试方法。原1 9 9 3 年我国对轻便摩托车并没 有规定相应的排放要求，在2 0 0 0 年我国新制订了g b l 8 1 7 6 - 2 0 0 0 关于轻便摩 托车的排放标准，由于种种原因没有执行。新标准将替代2 0 0 0 年的轻便摩托 车的排放标准，怠速测量方法与原1 9 9 3 年制定的测量方法在车辆预处理方面 进行了修改。 表2 2 摩托车排气污染物排放限值( 工况法) “” t a b l e2 - 2t h es t a n d a r do fm o t o r c y c l e se m i s s i o n ( o p e r a t i n gm o d e ) 排气污染排放限值，g k m 物第一阶段 第二阶段 两轮摩托车三轮摩托车两轮摩托三轮摩托 二种程四冲程二冲程四冲程 生奎 c o81 3 1 21 9 55 57 o h c 4 36 4 51 21 5 n o x o 10 30 1 50 4 50 30 4 备注：1 第一阶段型式认证试验自2 0 0 3 年1 月1 日起执行；生产一致性检查试验自 2 0 0 3 年7 月1 日起执行；2 第二阶段型式认证试验自2 0 0 4 年1 月1 日起执行；生 产一致性检查试验自2 0 0 5 年1 月1 日起执行；3 对加装了污染控制装置的摩托车， 第一阶段的耐久性要求为6 0 0 0 k m ：第二阶段的耐久性要求为1 0 0 0 0 k m 。 9 华南理工大学工学硕士学位论文 表2 - 3 轻便摩托车排气污染物排放限值( 工况法) 1 3 1 t a b l e2 3t h e s t a n d a r do fl i g h t d u t ym o t o r c y c l e se m i s s i o n ( o p e r a t i n gm o d e ) 排放限值，g k m 排气污染 第一阶段 第二阶段 物 两轮轻便摩托三轮轻便摩托车 两轮轻便摩三轮轻便摩托 车托车车 c o61 21 o3 5 t t c + n o x 36i 21 2 1 第一分阶段型式认证试验自2 0 0 3 年1 月1 日起执行，生产一致性 备自2 0 0 4 年1 月1 日起执行； 注2 第二阶段型式认证试验自2 0 0 5 年1 月1 日起执行，生产一致性自 2 0 0 6 年1 月1 日起执行； 3 对加装污染控制装置的车辆，第一阶段耐久性要求6 0 0 0 k m ，第二 阶段耐久性要求为1 0 0 0 0 k m 。 表2 4 摩托车和轻便摩托车排气污染物排放限值( 怠速法) “” t a b l e2 4t h es t a n d a r do fg e n e r a la n d1 i g h t d u t ym o t o r c y c l e s e m i s s i o n ( i d l es p e e d ) h e ( 1 0 “) 标准类型车别 c o ( ) 四冲程 二冲程 2 0 0 3 年1 月1 日起 3 88 0 03 5 0 0 的型式认证试验 2 0 0 3 年7 月1 日起 4 0 1 0 0 04 0 0 0 新国标的生产一致性 2 0 0 3 年7 月1 日起 4 5 1 2 0 04 5 0 0 生产的在用车 2 0 0 3 年7 月1 日以 4 52 2 0 08 0 0 0 前生产的在用车 2 2 3 我国与欧盟摩托车排放法规的比较 ( 1 ) 标准实施时间上的差别： 我国大陆摩托车工况法排放两个阶段的限值都比欧盟标准执行的时间晚。欧 盟标准是轻便摩托车控制在前，摩托车在后，而我国情况正好相反。 ( 2 ) 我国摩托车第二阶段工况法排放限值与e u r o i i 差异： l o 第二章摩托车排气污染与排放法规 主要区别在于e u r o i i 加严了排量大于1 5 0 c c 的摩托车的t h c n 放限值，即由 1 2 9 k m 自f l 严至1 o g k m 。 ( 3 ) 耐久性要求与怠速测量方法和限值要求的差异： 与欧洲法规相比，我国摩托车和轻便摩托车的工况法排放标准均对加装污染 控制装置的车辆增加了耐久性要求，在欧洲欧i 和欧i i 阶段对摩托车和轻便摩托 车均没有耐久性要求。为确保摩托车、轻便摩托车在使用过程中的排放控制，新 国标制定时并没有完全参照欧洲的法规，而针对我国的实际情况对加装了后处理 装置的车辆增加了耐久性要求。欧洲仅对摩托车的怠速c o 排放有限值要求，即不 得超过4 5 ；对轻便摩托车没有限值，仅要求记录c 0 测量数据值。而我国即要 求测摩托车的怠速c o 排放量，又要求测量t h c 的排放量的数据。两者的测量方法 也不一样，欧洲法规要求怠速测量应在完成i 型试验( 即：工况法试验) 后尽快 进行，而我国分三种状况种：一) ，摩托车以车速5 0 k m h 、轻便摩托车以车速4 0 k m h 运行l o k m ；二) ，摩托车按g b l 4 6 2 2 规定工况、轻便摩托车按g b l 8 1 7 6 规定工况 在底盘测功机上运行四个循环。三) ，摩托车和轻便摩托车在正常道路交通条件下 行驶至少1 5 分钟。 ( 4 ) 试验用燃料的差异： 考虑到我国实际的车用汽油的国家标准要求，在国内市场上很难买到欧洲技 术法规内容中对应的试验用基准燃油，因此试验用燃料要求采用满足g b 1 7 9 3 0 1 9 9 9 标准规定的9 5 号无铅汽油。 2 3本章小结 为了保护我国的大气环境，我国需要更加严格的摩托车排放法规，严格的排 放法规又会对我国的摩托车工业发展有一定的限制。如何协调二者之间的关系， 正是我们需要做的工作，所以我们想通过提高摩托车的排放控制技术，这样既可 以解决排放的问题，又能提高我国摩托车工业在国际间的竞争力增强。另外，随 着经济全球化，各国摩托车排放法规存越来越相近，也越来越严格，因而形成全 球统一的摩托车排放法规是早晚的事情，这样有利摩托车工业标准化，有利于节 约开发成本和技术革新。 华南理工大学工学硕士学位论文 第三章摩托车排气污染物的生成机理 3 1 排气污染物的生成机理 3 1 1 一氧化碳( c o ) 的生成机理 一氧化碳( c o ) 是烃燃料燃烧的中间产物。排气中的c o 主要是在局部缺氧或 低温下由于烃的不完全燃烧造成的。理论上讲，当空燃比为化学当量比时 ( a f = 1 4 7 ) ，将实现完全燃烧，生成c o ：( 二氧化碳) 。 烃的燃烧反应经过如下过程“”： c 。h 。+ ：md 2 = m c o + n h 2 ( 3 一1 ) z 氧气足够时： 2 c 0 + 0 2 = 2 c 0 2 ( 3 - 2 ) 2 h 2 + o z = 2 h 2 0 ( 3 - 3 ) 同时c 0 还与生成的水蒸气起反应： h 2 0 + c o = h 2 + c 0 2 ( 3 - 4 ) 当空气不足，a f 1 4 7 时，有部分燃料不能完全燃烧而生成c o ，然而，a f 只是一个比较宏观的概念，实际上，即使在总的a f 1 4 7 的情况下，燃烧生成物仍然包含c o 和h 。( 氢 气) 。其原因在于混合气形成的不均匀和分配不均造成的。 除此以外，由于燃烧高温引起的气体离解可使已经形成的c 0 。和h 2 0 ( 水) 中 一小部分发生离解反应“”： 2 c 0 2 = 2 c 0 + 0 2 ( 3 - 5 ) 2 h 2 0 = 2 h 2 + 0 2 ( 3 - 6 ) 离解反应产生的h 。又会使c 0 。还原成c o ： 口，+ c o ，= h ，0 + c d( 3 7 ) 实际的反应步骤要复杂的多，发动机排气成分中，c o 的排放浓度一般决定于 空燃比。二冲程摩托车油气混合气要经过曲轴箱和扫气道才能进入气缸，路程比 四冲程发动机长许多。二冲程摩托车发动机一般没有专门的加浓泵，为了保证其 加速性，往往化油器设置在比较浓的状态，所以c o 排放较高。 3 1 2 碳氢化合物( h c ) 的生成机理 摩托车发动机碳氢化合物( h c ) 产生的机理： 由于汽油机中混合气体的燃烧是靠火焰的传播进行的，当火焰传播到接近气 缸壁面附近时，由于壁面的冷却作用，火焰不能完全传