二冲程摩托车发动机排放技术探讨

1、二冲程摩托车发动机排放技术探讨        二冲程发动机由于结构简单紧凑，升功率高，相对四冲程发动机有明显的优点，特别适用于摩托车的动力要求。但在今天这种节能和环保的大环境下由于其高油耗和高排放问题没有得到很好的解决，制约了它的发展。随着科技的日新月异，新技术新工艺的不断进步，二冲程发动机必然会克服其缺点，在车用内燃机的大家庭中从新占有它的一席之地。本文首先从二冲程汽油机工作过程入手，简述排气污染物排放的机理。然后结合二冲程摩托车发动机实际情况，列举了几种目前国外应用于摩托车发动机排放控制的典型技术措施，分别阐述了其工作机

2、理、排放控制效果。1. 二冲程摩托车发动机排放产生的机理1.1 CO的生成机理：CO是烃燃料燃烧的中间产物。排气中的CO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=14.7），将实现完全反应，生成CO2，即：当空气不足，A/F<14.7时，有部分燃料不能完全燃烧而生成CO，即：       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<14.7的情况下，燃烧生成物仍然含有微量的剩余的氧；A/F>14.7的情况下，燃烧生成物仍然包含CO和H2。其原因在于混

3、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CO2和H2O中一小部分发生离解反应：2CO2=2CO+O22H2O=2H2+O2离解反应产生的H2又会使CO2还原成CO：CO2+H2=CO+H2O       实际的反应步骤要复杂的多，发动机排气成分中， CO的排放浓度基本上一般决定于空燃比。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，

4、所以CO排放较高。1.2 HC生成机理：二冲程汽油机HC产生的原因有：1、 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，火焰不能完全传播到壁面，大约0.5mm厚度的混合气不能燃烧，通常把这层烧不着的气体层叫做淬冷层。淬冷层是HC产生的主要来源。2、 由于燃烧室结构存在许多缝隙，如果缝隙几何尺寸很小，火焰同样不能传播过去，所以缝隙也是HC产生的一个主要原因。3、 发动机工作时，如果混合气过浓，由于空气不足，燃烧不充分，使排气中的HC浓度增加是不言而喻的。对于二冲程摩托车发动机，空燃比一般低于14.7，造成HC排放的提高。4、 发动机低速失火

5、。1.3 NOx的生成机理    NOx的生成机理与上述CO和HC的生成机理不同，它不是来自于燃料，而是空气在燃烧室的高温条件下，由氧和氮的反应所形成的，高温富氧和高温持续时间是生成NOx的重要条件。发动机排出的氮氧化物大部分是NO，少量为NO2，通常把NO2、NO和N2O等等统称为NOx。    按照策尔多维奇理论解释：无论所进行的是完全的燃烧还是不完全燃烧反应，其最初燃烧反应所产生的热必将使空气中的O2裂解为氧原子O，并且与空气中的氮分子N2发生反应而生成NO和N，而氮原子N又与空气中的氧分子O2发生反应形成一氧化氮NO和氧原子O

6、。这部分氧原子O又与空气中的氮分子N2重复作用，产生一氧化氮NO。这些反应中，温度越高，燃烧后残余的氧气浓度越大，高温持续时间越长，NOx生成的量就越大。当空燃比为16时，NOx的排放量最多。但是二冲程摩托车发动机一般处于偏浓的状态，加之排量很小、压缩比小（一般为6）、燃气散热面积较大、高转速使得高温持续时间很短，所以二冲程摩托车氮氧化物的生成浓度很小。因此，我国摩托车排放法规对摩托车氮氧化物排放不加控制，欧洲直到1999年6月执行EURO-1之前的ECE R40 和ECE R40.01也没有提出对氮氧化物NOx的控制要求。至于摩托车的EURO-1虽然提出了对NOx的限值，但是这个限值很松。一

7、般二冲程摩托车来说，在原机没有进行任何改造的情况下，NOx的实测数值比限值低许多。    能够降低内燃机排放的技术措施的文章已经频繁地出现在许多专著和学术刊物中，然而这些文章往往针对汽车用四冲程汽油机和柴油机的排放控制。摩托车与汽车相比排放特点、测试方法等方面有很大的差异，摩托车结构更紧凑、更小巧，加之大量二冲程摩托车的存在，我们无法直接照搬汽车的模式。在这里，我们介绍几种摩托车领域典型的排放控制技术，作为摩托车技术人员的参考。2. 澳大利亚ORBITAL的SEFIS燃油喷射系统2.1 燃油缸内直接喷射技术概述    二冲程汽油机排放

8、和油耗比相似的四冲程汽油机高很多，其扫气过程中的短路损失是重要原因。燃油缸内直接喷射系统取代传统化油器的燃油供给系统，主要目的是利用新鲜空气扫气，在进气口接近关闭或已经关闭以后向气缸喷注燃油，从而尽可能降低燃油直接排向大气从而大幅度降低二冲程摩托车的排放水平。目前已经出现多种以解决二冲程摩托车汽油机排放水平为主要目的的燃油喷射系统。从控制方法分类，有机械燃油喷射和电控燃油喷射。图1 SEFIS系统原理图2.2 ORBITAL公司的SEFIS系统简介    以电控缸内直接喷射的ORBITAL公司的SEFIS(Small Engine Fuel Injection S

9、ystem 为代表的电控缸内直喷系统排放控制效果最为明显。图1是SEFIS系统原理示意图。SEFIS系统除了能够很好地解决燃油短路损失问题，它的另一特点是可以实现缸内分层燃烧。SEFIS可以使总空燃比高达100：1图2是某种意大利产二冲程摩托车改装SEFIS前后ECE40工况法质量排放测试结果对比。从图1和2可以看出，ORBITAL公司的SEFIS系统对降低二冲程摩托车发动机质量排放的作用是非常明显的。图3 SEFIS系统的燃油计量泵    由于燃烧方式的改变，气缸盖、气缸体及活塞型线等主要部件必须经过重新设计否则无法组织分层燃烧，而且容易出现拉缸现象。照片3为该

10、机的燃油计量泵。    在欧洲，Aprilia公司购买其专利并表示在2000年投产来满足摩托车EURO-2排放标准限值。3. 意大利Piaggio的Vespa-ET2燃油喷射系统13    同样属于燃油缸内直接喷射的另一个典型示例是意大利PIAGGIO公司ET2机械式二冲程摩托车燃油喷射系统。Piaggio公司正在同时生产两款非常著名的Vespa（黄蜂）二冲程摩托车，他们在排放控制技术方面的最大不同在于Vespa-ET2采用机械式燃油喷射系统，另一种Vespa采用排气后处理技术。     

11、60;                图4 ET2发动机照片                            图5 ET2结构图图6 ET2工作过程示意图    图

12、4-6为ET2的结构图和工作循环过程示意图。据Piaggio公司介绍，Vespa-ET2与原来采用化油器的原型机相比，HC下降70%，CO下降50%。在保证标定功率基本一致的前提下，ET2可以使油耗下降约30%。4. HONDA公司的AR燃烧技术    日本本田公司已经于1998年宣布2002年不再继续生产传统的污染严重的二冲程摩托车。他们推出了以EXP-2。EXP-2摩托车是日本本田公司研发的400cc单缸越野试验样车。EXP-2的研发目的是解决发动机低转速时的不稳定燃烧问题，从而降低二冲程发动机的排放。图7 AR燃烧摩托车发动机 图8 AR阀结构示意图       本田公司所做的就是开发一种利用自点燃特性点燃气缸内所有燃油的方法，这就是活化基燃烧即AR燃烧（Activated Radical Combustion）。这个名称来源于燃油活化燃烧方式。仍然滞留在气缸内的灼热废气中含有很小比例的活化基微团，它们与进气中的燃油混合在一起在低温下引起自燃。通过对压缩初始缸内压力的控制，就可以控制自点燃的发生时刻。图9 AR燃烧过程示意图在EXP-2中本田公司使用排气节流阀系统，即所谓的“AR阀”，（图7、8、9）它的升降控制排气口的上端位置，可以实现从排气口全开到10%开度的连续控制，按需要控制压