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        摩托車排放應(yīng)對(duì)技術(shù)淺析

        2015-07-21 01:42:33高國(guó)銳天津內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072
        關(guān)鍵詞:化油器三元催化電控

        高國(guó)銳 郭 珩(天津內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072)

        摩托車排放應(yīng)對(duì)技術(shù)淺析

        高國(guó)銳郭珩
        (天津內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072)

        在簡(jiǎn)述摩托車排放法規(guī)的技術(shù)要求基礎(chǔ)上,詳細(xì)分析了幾種應(yīng)對(duì)國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用技術(shù)方案。

        摩托車排放機(jī)內(nèi)凈化三元催化排放后處理技術(shù)

        引言

        內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明和使用為人類交通提供了便捷高效的動(dòng)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(shí)也極大地促進(jìn)了勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高。隨著經(jīng)濟(jì)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(guò)了人口增長(zhǎng)的速度。改革開放以來(lái),我國(guó)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(jī)在給人類帶來(lái)方便的同時(shí),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?xì)浠衔铮℉C)和氮氧化物(NO x)的排放量幾乎50%來(lái)自于汽油機(jī)和柴油機(jī),內(nèi)燃機(jī)給能源和環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響日益突出。世界各國(guó)針對(duì)機(jī)動(dòng)車輛的有害排放物制定了日益嚴(yán)格的排放法規(guī),必須通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)促進(jìn)排放控制技術(shù)的發(fā)展,減少尾氣對(duì)人類健康的危害程度。

        摩托車行業(yè)的發(fā)展也面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),隨著我國(guó)摩托車產(chǎn)量的不斷攀升,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已趨于飽和,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。市場(chǎng)上作為主力車型的中小排量摩托車?yán)麧?rùn)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(guó)中小排量摩托車市場(chǎng)實(shí)際的解決方案成為中國(guó)摩托車行業(yè)的重要課題。

        1 國(guó)內(nèi)外排放標(biāo)準(zhǔn)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(guó)摩托車排放法規(guī)

        我國(guó)摩托車標(biāo)準(zhǔn)體系與國(guó)際接軌,世界上眾多國(guó)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)量方法(工況法)(Ⅲ階段)》標(biāo)準(zhǔn),于2007年4月3日發(fā)布,具體限值參見(jiàn)表2,耐久試驗(yàn)里程參見(jiàn)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(yàn)里程(Ⅲ階段)

        1.3國(guó)Ⅲ排放法規(guī)的應(yīng)對(duì)方案

        目前行業(yè)認(rèn)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(bǔ)氣

        4)化油器+雙三元催化器(+缸頭補(bǔ)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(hù)保養(yǎng)成本明顯偏高。3)、4)方案簡(jiǎn)單,但為降低NO x一般需調(diào)濃化油器,同時(shí)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(dá)到國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)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(fù)荷條件下做EUDC實(shí)驗(yàn)循環(huán),要求發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)全工況空燃比進(jìn)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(shí)現(xiàn)。而排量小于150mL的車型,雖然電噴技術(shù)是達(dá)到國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的最佳方案,但采用電噴系統(tǒng)對(duì)這類發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǎng)的一個(gè)過(guò)渡時(shí)期內(nèi)仍具有較高的性價(jià)比和實(shí)際意義。

        原車型按照國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工況法進(jìn)行試驗(yàn),通過(guò)對(duì)試驗(yàn)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(guó)Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)要求,但是CO和NO x的排放值超過(guò)國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)限值很多。

        2 汽油機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)

        所謂機(jī)內(nèi)凈化就是從有害排放物的生成機(jī)理及影響因素出發(fā),以改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程為核心,達(dá)到減少和抑制污染物生成的各種技術(shù)。簡(jiǎn)單說(shuō)就是降低污染物生成量的技術(shù),如改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu),改進(jìn)點(diǎn)火系統(tǒng),改進(jìn)進(jìn)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(diǎn)火系統(tǒng)

        采用新的電控點(diǎn)火系統(tǒng)和無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng),提高點(diǎn)火能量和點(diǎn)火可靠性,對(duì)點(diǎn)火正時(shí)實(shí)行最佳調(diào)節(jié)。

        提高點(diǎn)火能量可以提高著火的可靠性,減小循環(huán)波動(dòng)率,擴(kuò)大混合氣的著火界限。特別是伴隨著汽油機(jī)燃燒稀薄化,無(wú)觸點(diǎn)的高能電子點(diǎn)火系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。提高點(diǎn)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(zhǎng)放電時(shí)間等方法。

        推遲點(diǎn)火提前角一直是簡(jiǎn)單易行的也是最普遍應(yīng)用的排放控制技術(shù)。汽油機(jī)推遲點(diǎn)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(huì)因后燃使HC也同時(shí)降低。但推遲點(diǎn)火提前角減低的效果是有限的,在不使動(dòng)力性和燃油消耗率明顯惡化的前提下,NO x可降低10%~30%。實(shí)際中應(yīng)綜合考慮排放特性、動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性來(lái)確定最佳點(diǎn)火提前角[3]。

        2.2優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì)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(zhǎng)度,適當(dāng)提高燃燒室壁溫以削弱縫隙和壁面對(duì)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(jìn)氣渦流、滾流或擠流,并兼用電控配氣定時(shí)、可變進(jìn)氣流通截面等可變技術(shù),可以有效地改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(guó)已開發(fā)出了不少新型燃燒系統(tǒng),其凈化性能及中小負(fù)荷時(shí)的經(jīng)濟(jì)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(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種狀態(tài),經(jīng)微機(jī)判斷、計(jì)算,使發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)性、動(dòng)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(yán)格,電控汽油噴射系統(tǒng)正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

        電控汽油噴射系統(tǒng)與化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)相比,電控汽油噴射系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

        1)采用電控汽油噴射,可按各種工況的要求對(duì)燃油量進(jìn)行校正,其廢氣排放指標(biāo)比化油器汽油機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。因此,起動(dòng)時(shí)仍能保持良好的霧化特性。起動(dòng)性能良好,且起動(dòng)時(shí)HC排放量少。

        3)進(jìn)氣系統(tǒng)中沒(méi)有化油器喉管的節(jié)流作用,減少了進(jìn)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(duì)降低NO x有效。一部分排氣經(jīng)EGR閥流回進(jìn)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(shí)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(jī)的排氣后處理凈化技術(shù)

        機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)以改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程為主要內(nèi)容,在降低排氣污染的同時(shí)不同程度地給汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)負(fù)面影響。隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放要求的日趨嚴(yán)格,能統(tǒng)籌兼顧動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的發(fā)動(dòng)機(jī)將越來(lái)越復(fù)雜,成本也急劇上升。因此,世界各國(guó)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(dòng)機(jī)其他性能的同時(shí),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(dá)國(guó)家,車用汽油機(jī)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(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,城市機(jī)動(dòng)車輛日益增多,其廢氣已嚴(yán)重污染了大氣環(huán)境,對(duì)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(duì)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?xì)浠衔锏难趸磻?yīng)的作用。鉑還可促進(jìn)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(lái)催化一氧化碳和碳?xì)浠衔锏难趸磻?yīng)。

        在尾氣凈化用三元催化劑中,各個(gè)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(duì)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(méi)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(chǔ)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?xì)浠衔?,以及在過(guò)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(jìn)水煤氣反應(yīng)和水蒸氣重整反應(yīng);

        4)改變反應(yīng)動(dòng)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(bǔ)氣技術(shù)

        二次補(bǔ)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(bǔ)氣技術(shù)對(duì)中小排量的摩托車的排放降低效果明顯,被國(guó)內(nèi)外摩托車企業(yè)所廣泛使用。該技術(shù)可單獨(dú)采用,也可與其他排放控制技術(shù)組合。常見(jiàn)的二次補(bǔ)氣裝置由缸蓋、進(jìn)氣管、補(bǔ)氣鋼管、補(bǔ)氣閥、補(bǔ)氣軟管(橡膠管)、空濾器和負(fù)壓管組成。補(bǔ)氣閥又由單向閥和負(fù)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(fù)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(dá)到國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)且各項(xiàng)污染物的測(cè)試值均低于標(biāo)準(zhǔn)限值,符合國(guó)家發(fā)改委一次性通過(guò)原則。污染物控制裝置耐久性也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。另外動(dòng)力性能、油耗、起動(dòng)性能等均符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(jī)學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2006

        3凱峰.CG125摩托車采用非電噴技術(shù)達(dá)到歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的研究[D].天津:天津大學(xué),2007

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