全面剖析摩托车排放法规及治理污染技术

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欢迎访问e展厅 展厅 5 摩托车/自行车展厅 沙滩摩托车, 电动自行车, 折叠自行车, ... 2004年开始，为了与WTO接轨，国家对生产的摩托车进行排放标准的认证管理。这摩托车生产企业继生产准入后的又一道必须跨越的门槛。 关键词：Ⅰ类（工况法）和Ⅱ类（怠速法）、CO（一氧化碳）、NO（X）（氮氧化合物）、HC（碳氢化合物） 各国的排放法规各不相同 欧洲联盟于1974年开始实行统一的ECE R15法规，以后每隔3年—4年修订加严一次。而对于摩托车的排放控制，直至1988年欧盟才开始讨论限制摩托车排放的法规问题。从1999年6月17日执行EU 97/24/EC指令以前，欧洲没有统一的摩托车排放法规。97/24/EC法规不仅对摩托车、轻便摩托车型式认证和产品一致性检查试验以及按发动机类型（二冲程和四冲程）分别作出限值要求，同时要求进行Ⅰ类（工况法）和Ⅱ类（怠速法）试验，其中Ⅱ类试验仅对CO提出限值要求。 美国是最早认识到车辆排放对环境产生严重污染的国家，且最早于1966年出台了加利福尼亚标准测试循环。摩托车排放污染的控制是从1978年开始的。和欧洲排放标准不同，美国排放法规同时对车辆排放控制系统的耐久性提出要求（按排量将摩托车分为3类，各类别的耐久里程要求不同），规定车辆在整个实用寿命内满足排放限值要求。而对怠速排放不作考核，对NO（X）的排放量不作测试。 相对于其他国家而言，亚洲部分国家和地区的排放标准比欧美的还要严格，而且对于怠速排放物都作了限值规定。除新加坡采用LA－4试验循环、印度采用INDLA IS－9058本国工况循环外，中国、日本、泰国及马来西亚等基本采用ECE工况循环。我国台湾省的标准限值比EU－1还要严50%左右。目前我国台湾省执行的Ⅲ期标准也比即将于2003年开始执行的EU－2要严格30%以上，且执行时间要早于欧洲5年时间。日本从1998年开始控制摩托车排放污染，制定了严格的排放控制计划。由于亚洲国家和地区摩托车运行及交通状况等的限制，摩托车在运行过程中多处于怠速运转状态。因此，日本标准对怠速排放量也规定了严格的限值。 主要污染及生成原理 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（二氧化碳），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（氢气）。其原因在于混合气形成的不均匀和分配不均造成的。 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，所以CO排放较高。 HC生成机理： 二冲程汽油机HC（碳氢化合物）产生的原因有： 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。 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。 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。 二冲程发动机换气过程与四冲程发动机有着很大的不同。二冲程的扫气过程造成一定比例的油气混合气未经燃烧直接排向大气。这也是二冲程发动机HC排放高于相似的四冲程发动机的原因。 NOx的生成机理 NOx（氮氧化合物）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合物大部分是NO（一氧化氮），少量为NO2（二氧化氮），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（氧分子）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。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。 不同的工况循环对应不同的测试循环 车辆排放测试工况循环的建立，是基于当地车辆的实际运行状况的不同而确定的。由于车辆排放结果受到多种因素的影响，如车辆行驶工况、环境状况、车辆状况、环境温度等，所以，理想的测试循环应能再现车辆或发动机的实际运行状况，这样测试的排放结果才具有实际意义。而车辆排放控制主要是针对城市车辆排放，所以测试循环是建立在典型城市摩托车运行工况基础上的模拟运行工况曲线。不同的测试循环所对应的工况循环不同，车辆的运行速度也不一样，所以每一种标准只对应该标准所采用的测试循环。因此，测试循环的确定，对于评价车辆的排放因子而言，非常重要。 目前，摩托车排放测试工况主要有：ECE工况、LA－4工况和印度工况的三种测试循环，其不同之处在于各自不同的运行工况（速度—时间曲线）。 美国LA－4（FTP－15）测试循环。采用LA－4测试循环的国家主要有美国、加拿大、墨西哥和新加坡等。LA－4测试循环要求车辆在测试前，在温度为20℃—30℃的恒温室里放置12小时以上。每一循环持续2477秒，包括冷启动过渡工况（0—505秒）、稳定阶段（506—1372秒）、停机（600秒）和热态过渡工况（1972—2477秒）四部分。该工况循环平均车速为31.5km/h，最高车速达90.1km/h。同时要求在测试循环中允许的最大速度误差为±3.3km/h，最大时间误差为±1秒。其测量结果是根据三个测试阶段的排气收集在不同的取样袋里，其测量值分别乘以加权系数（0.43、1.0、0.57）后相加的结果即为排放结果。 ECE R40测试循环。相对于LA－4工况，ECE运行工况要简单得多，主要由匀速、匀加速和匀减速运行工况组成，平均车速、最高车速都低于LA－4循环。在试验前被测试车辆需在20℃—30℃室内至少放置6小时，而且ECE法规规定排放测量在标准测试循环运行40秒怠速以后再进行。因此，摩托车冷启动时较高的污染物排放很少被测量到，测量结果的真实度较低。同时，由于运行负荷较低，对于安装催化转化器的车辆而言，不利于催化剂快速达到工作温度。ECE在测试循环中允许的最大速度误差为±1km/h，最大时间误差为±0.5秒。 印度工况循环。印度根据本国的机动车运行状况及摩托车战友有率较大（80%）的特点，制定并执行本国的工况，对摩托车排放实施了日趋严格的排放法规。其工况循环特点是最大车速、怠速工况占整个循环的比例低于LA－4和ECE循环，摩托车运行负荷更低于ECE工况，所以印度工况循环的排气温度亦较低，这对于采用催化转化技术的摩托车而言，催化剂起燃更加困难，运行状况较ECE工况复杂性更强。而且由于其测量方法不同，因此对于摩托车污染物排放因子的测量而言更加严格。 摩托车排放法规存越来越相近 为确保实现大气环境治理目标，改善环境空气质量，必须进一步有效控制摩托车排放污染。而控制进程的确立，必须对摩托车在总的机动车排放量中的分担率、城市未来摩托车保有量的发展状况和污染预测、可预见排放控制技术对策的削减效果、控制费用和环境效益以及管理措施等各个方面的技术组合进行优化分析及控制技术应用的可行性研究等方面来确定。同时还应考虑到执行新标准对于排放控制具有一定的滞后性以及摩托车工业企业的应对能力和经济要素。 节能、环保是汽车、摩托车工业进一步发展的必然趋势。因此，世界各个国家依据本国国情和摩托车保有量等特点，都在不断修订摩托车排放标准限值，分阶段制定、实施排放控制限值标准。例如，对于欧洲新的工况测试循环来说，由于ECE R40工况循环相对简单，缺乏对市中心以外高速公路高速运行工况时的排放模拟测试。而从欧洲城市摩托车的运行特点来看，轻便摩托车多数在城市运行，大排量摩托车允许在高速公路行驶，且欧洲大排量摩托车保有量很大。因此，欧盟从2006年执行EU－3标准时起，对排量大于150cc的摩托车增加一个补充性的城郊工况（EUDC）。该工况运行400s，最高车速为120km/h，平均速度为62.6km/h。 另外，随着世界经济全球化的发展，国际贸易和科技交流的不断扩大，特别是贸易全球化及高新科技的飞速发展，对国际标准的需求日益增长，采用国际协调、统一的法规标准，或者说是标准的国际化或标准的国际趋同，已成为各国标准化工作的发展趋势。这不仅有利于消除各国贸易的非关税壁垒，为政府行政管理部门制定更加合理、高效的法规，同时也促进了产品的合理开发和技术进步。(end)

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