1、兩輪摩托車應對歐排放標準的技術方案歐陽濤(中國汽車技術研究中心天津 300162摘要:分析了幾種應對摩托車歐排放標準的技術方案,從技術先進性、成本、可行性和發展趨勢方面得出了采用閉環電控燃油噴射系統+三效催化轉化器是滿足歐標準的最佳方案。0 前言歐盟自2006年1月1日起開始對摩托車新車型要求達到歐排放標準,2007年1月1日起對市場銷售的摩托車進行歐標準一致性考核,也就是說原來符合歐排放標準的摩托車最多只能賣到2006年底,2007年開始在歐洲銷售的摩托車均必須達到歐標準,我國摩托車產品出口歐洲將面臨嚴峻的考驗。同時我國國內正在起草制定的第3階段摩托車排放標準(相當于歐排放標準,預計將在20

2、08年1月1日開始實施。所以單從時間上看,歐標準距離我們已近在咫尺,成為一道不可回避的技術難關。但是機遇與挑戰并存,如何正確認識眼前形勢,是繼續隨波逐流得過且過,還是畢其功于一役,形成和掌握核心競爭力,走技術提升和產業升級之路,這是一個關鍵的抉擇。1 目前我國摩托車排放控制現狀近年來在我國生產和銷售的摩托車產品以50mL、100 mL、110 mL、125 mL等中小排量為主,這些產品一般采用四沖程、單缸、風冷發動機,化油器供油,功率輸出較低或達到中等水平。由于成本低、使用便利、維修方便,性價比較高,很適合國內城市和鄉村使用。這類產品出口到國外市場,也很受歡迎。以市場較為暢銷的125 mL排量

3、摩托車為例,國內自主品牌產品的價格為4 500元左右,國內合資品牌的價格約7 000元左右,而國外知名品牌的同類產品則賣到10 000元以上。從中可以反映出國內摩托車市場對價格的敏感性,以及對整車企業成本的控制壓力。目前我國摩托車排放標準的水平,相當于歐盟2003年開始實施的摩托車歐排放標準,我國摩托車產品絕大多數為化油器供油方式,發動機空、燃混合氣一般較濃,排放以CO和HC為主,NO x相對較低,絕大部分摩托車原始排放中的NO x可以直接達到歐限值要求,因此在應對歐排放標準的技術方案中,一般都采取精調化油器+缸頭補氣;或精調化油器+2次補氣+氧化型催化轉化器方案,這樣不需太多考慮NO x的凈

4、化,即可達到歐標準。2 歐排放標準的要求歐排放標準相對于歐標準要求大大提高了,針對HC、CO、NO x的排放限值更加嚴格(詳見表1:排量<150 mL車型,HC比歐減少33%;排量150 mL車型,HC比歐減少70%;CO比歐減少64%;NO x比歐減少50%。其實不僅僅是簡單的限值方面的提高,如果考慮到歐測試循環的改變,實際對限值的加嚴,遠遠超過標準中所反映的限值數字變化。歐排放標準中對于排量<150 mL(不包括50 mL,下同的車型,HC的限值比較寬松,這是為了使未安裝電噴系統的車輛也能達到歐排放標準所做的讓步,以便從源頭控制NO x的產生,然后采用排氣催化轉化方式來減少HC

5、和CO的排放。對于應對歐標準中的NO x排放,一般達歐標準車型的NO x排放值都會超出歐限值,對于排量150 mL車型,由于測試循環包含高速工況EUDC,這也會導致較高的NO x排放。另外,歐標準的工況測試循環也比歐標準有較大改變,發動機冷起動即開始采樣,將原先歐測試循環的前2個預熱循環也作為采樣測試循環,由于催化器在發動機剛起動時很難達到起燃溫表1 兩輪摩托車歐與歐標準比較排量<150 mL(不包括50 mL150 mL排放標準歐歐歐歐HC, g/km 1.2 0.8 1.0 0.3 CO, g/km 5.5 2.0 5.5 2.0 NO x, g/km 0.3 0.15 0.3 0.

6、15耐久性里程,km 12000 18000(最高車速小于130km/h;30000(最高車速大于130km/h測試循環對ECE R40中的試驗規程略作修改,刪去了初始40 s的無取樣怠速運轉期采用修訂的ECE R40循環,但是采樣時間從摩托車起動時開始,并將原來的前兩個預循環也作為排放測量循環,共測量6個循環的排放。即冷起動+6個UDC循環。對ECE R40中的試驗規程略作修改,刪去了初始40 s的無取樣怠速運轉期采用修訂的ECE R40循環,采樣時間也是從起動時間開始,測試循環增加一個最高車速為120 km/h的EUDC高速循環,即6個UDC循環+1個EUDC循環。其中,對于最高車速低于1

7、10 km/h的摩托車,EUDC循環的最高車速可以控制在90km/h。度,這時的轉化效率較低,而歐標準中CO和HC 的限值又很低,這對CO和HC的排放控制提出了更高的技術要求,而且對CO和HC排放的一致性和耐久性也提出了更高要求。所以在應對歐標準時,不但要考慮對CO和HC進行高效凈化,而且同時還要充分考慮NO x的凈化效果,這兩方面的凈化要求對發動機空燃比的控制精度提出了相當高的要求,如果能在全工況范圍內將空燃比控制在理論空燃比14.7附近,這將為三效催化轉化器的高效工作提供條件,通過精確匹配發動機空燃比控制點與三效催化轉化器高效工作的空燃比窗口,可以大幅降低CO 、HC和NO x的排放,使整

8、車能夠達到歐標準。考慮到大批量生產的每一輛摩托車排放都必須低于歐限值(一致性,并符合相應耐久性里程的考核,所以在做開發研究試驗時,建議樣車匹配目標設定在所有排放指標均低于標準限值20%以上,這樣才有把握保證批量生產時均能達到限值要求(即排放控制目標應控制在標準限值的80%以內。3 有效控制摩托車排放的技術摩托車排放控制技術是多方面的,對于裝用傳統燃油發動機的摩托車而言,排放控制主要包括機內凈化與機外凈化兩方面的措施。3.1發動機結構優化設計通過發動機的結構改進,完善發動機的工作過程,達到降低污染物排放的目的。主要的技術措施包括:改善燃燒系統(優化空、燃壓縮比和燃燒室設計,改變氣缸數和缸徑行程,

9、采用水冷技術,小排量發動機四沖程化,多氣門技術及可變技術應用等,并嚴格控制加工精度保證產品一致性。此類技術措施對于改善發動機的綜合性能如提高動力性、降低車輛的油耗具有一定的效果,對于降低摩托車的排放也具有一定的效果,但是潛力有限。3.2化油器的改進通過對發動機燃料供給系統的合理匹配,改善混合氣的形成條件,實現混合氣空、燃比的精細化控制。主要技術措施包括:化油器結構改進和優化匹配、化油器混合氣的電控調節等。化油器結構改進和優化匹配主要是優化化油器的量孔、油針結構和尺寸,并嚴格控制加工精度保證產品一致性。但化油器是一個機械產品,一般較好的化油器其空燃比控制精度在±7.5% 左右,很難保證

10、空燃比的波動范圍在很窄的理論空燃比附近,如果要采用各種機械和電子手段提高其控制精度,則成本會大幅增加,不一定很經濟,性價比可能還不如電噴系統。3.3點火系統的改進現在,絕大多數摩托車采用磁電機式點火方式,這種點火方式結構簡單,即使沒有蓄電池,發動機也能正常點火和運轉,這是較突出的優點。但不足之處是:a點火時間(即點火提前角可隨轉速變化而變化,但不能隨負荷變化而變化,點火提前角不是最佳;b低速時點火能量不足,而低速時(特別是怠速時缸內混合氣成分不利于點燃和燃燒,導致低速時可能有斷火現象,使發動機排放變差。如果點火提前角能做到精確和實時控制(如計算機控制MAP圖點火,將對排放控制起到較好效果。3.

11、4采用電控燃油噴射系統采用電控燃油噴射系統可以較精確的控制空燃比,從而使發動機的排放特性、燃油經濟性和動力性達到最佳。同時,由于空燃比的精確控制,為催化轉化器高效工作創造了條件。在技術上,四沖程摩托車電噴系統已比較成熟,一般采用進氣管噴射方式,系統可以采用閉環控制方式,也可以采用開環控制方式,但開環電噴系統沒有氧傳感器進行反饋,所以不能根據行駛過程中發動機及空燃比的變化進行自我調節,無法保證發動機空燃比在全工況的精確控制,且易受發動機制造散差的影響,整車排放的一致性和耐久性均難以保證,故不推薦采用。二沖程摩托車發動機采用缸內噴射能從根本上解決排放高的缺點,但必須解決好缸內混合氣的組織及燃燒控制

12、方面的難題才能在摩托車上批量使用。目前二沖程摩托車的產量逐年減少,占新生產摩托車的比例不足10%,故在我國第3階段排放標準(相當于歐標準實施后,二沖程摩托車有可能全線退出市場。電噴系統根據發動機的MAP圖供油和點火,既可保證動力性,還能滿足嚴格的排放要求,兼有卓越的冷車起動性能。同時減速斷油功能,在電噴系統中很容易實現,所以電噴系統比一般化油器系統可節油10%左右。所以電噴化是摩托車技術發展的趨勢。目前提供摩托車電噴系統集成開發的企業比較多,如國外品牌有:德國博士(BOSCH、美國德爾福(DELPHI、意大利瑪瑞利(Magneti Marelli、美國偉世通(Visteon、德國西門子(SIE

13、MENS、日本京濱(KEIHIN、日本三國(MIKUNI、美國華博羅(Walbro、;臺灣省品牌有:信通集團(SENTEC;國內自主品牌有:飛亞電子(FAI、天內所(MicroEMS、力帆電噴軟件公司等。這些系統的基本控制思路是相同的,但從油壓產生的原理方面分成兩類,一類是演化自汽車電噴系統,靠燃油箱內的燃油泵產生燃油壓力,并由噴油器控制噴油量;另一類是靠電樞的往復運動產生燃油壓力,并噴油,省去了燃油泵和高壓油管,所以成本上占有優勢。我國浙江飛亞電子公司開發的FAI電噴系統和日本三國公司開發的小型電噴系統便是采用這種直線泵的噴油方式。各廠商的電噴系統雖然在名稱、元器件和構造上有些差異,但基本的

14、控制思路是相同的,大家主要將精力放在如何節省成本,用盡量少的傳感器,實現同樣的功能,而不降低電噴系統的整體性能。電噴系統在我國推廣的障礙主要有兩個方面:一方面是成本問題,降低成本是電噴技術在摩托車上推廣的重要前提;另一方面是提高用戶使用水平,同時確保售后服務質量。3.5排氣催化轉化技術催化轉化器是一種能使CO、HC和NO x三種有害成份同時得到凈化的處理裝置。催化作用除了氧化作用以外,還有還原作用。在使用催化劑的情況下,除了利用排氣中的CO、HC和H2作為還原劑,使NO 還原成N2外,還包括在高溫下發生的還原分解反應,即有:2NO+2CO=N2+2CO24NO+CH4=2N2+CO2+2H2O

15、2NO+2H2=N2+2H2O以及在更高的溫度下,需較長時間處理的還原反應:2NO=N2+O2在上述反應中,氧化還原反應是同時發生的,對同一催化劑的氧化與還原作用而言,其催化轉化特性與通過的排氣中氧含量有關,因此催化凈化效率,也就與發動機混合氣的空燃比有關(見圖1。三元催化轉化器要求空燃比被精確地控制在理論空燃比附近的較窄的范圍內,以實現同時對三種有害成分的高效率凈化。三元催化轉化器如果與電控燃油噴射系統結合在一起使用,用氧傳感器檢測排氣中的氧濃度,并向計算機輸出一個隨氧濃度變化的電信號,構成一個控制空燃比的反饋閉路,使所有工況下的空燃比控制在理論空燃比的小范圍內,將取得最佳的凈化效果。圖1

16、HC、CO、NO x的轉化率與過量空氣系數的關系為了使摩托車排氣中的CO、HC及NO x等污染物在催化劑的作用下,高效地轉化為對人體無害的CO2、H2O及N2,以達到較好的排氣凈化效果,必須解決好催化轉化器與發動機的匹配問題:(1采用調整化油器的方法可以使樣車的排放達到較低水平,但產品一致性難以保證。(2配合適量的機后二次空氣補給,對排氣中的CO 和 HC有足夠的氧化能力,使之轉化為CO2和H2O,也還要有一定的還原能力,使NO x還原成N2。例如用單向閥向排氣管補充二次空氣,該方法基本不需要調整,但是有以下問題:單向閥噪聲大,難以滿足噪聲標準;對于跨騎式摩托車,影響造型和美觀。所以,采用單向

17、閥時,一定要進行結構優化,并采用合理的降噪措施。(3應具備良好的排氣動力效應。加裝催化轉化器后,功率損失不應超過5%、油耗增加不應超過5%,且不增加原機噪音。(4應有較高的耐熱沖擊性。因使用的環境溫度急劇變化,在載體上將產生熱應力,當超過了某個界限時會發生龜裂。(5應有良好的耐振性,以及較低的熱膨脹,最好采用金屬載體。4 滿足歐標準的排放控制技術方案日本本田公司在2005年就推出了一款滿足歐標準面向歐洲市場的125 mL排量電噴踏板車。該車采用水冷、單缸、SOHC改良發動機,配備帶有氧傳感器的閉環電噴系統、高目數的金屬載體催化器和二次空氣補給裝置。歐洲摩托車制造商目前也已完成了滿足歐排放標準摩

18、托車的研發和技術準備,如比亞喬(Piaggo、艾普瑞利亞(Aprilia、德比(Derbi、標致(Peugeot、KTM等。他們所采用的技術方案是:125 mL、150 mL、200 mL等排量化油器摩托車,采用歐催化劑+2次空氣裝置;大于250 mL排量摩托車采用閉環電控燃油噴射裝置+歐催化劑。英國里卡多(Ricardo公司的研究報告顯示,有以下4種技術方案均能達到歐排放標準,這4種技術方案基本上涵蓋了目前傳統燃油摩托車達歐排放標準的主要技術措施。改進型化油器+2次空氣裝置(SAI+3效催化轉化器(TWC。采用濃度大的空燃比,以控制NO x的產生,使用SAI保證廢氣中有足夠的氧氣來促進催化劑

19、對HC 和CO的氧化作用。開環電噴系統+2次空氣裝置(SAI+3效催化轉化器(TWC。電噴裝置對空燃比的控制效果比化油器要好。方案a和b在從源頭上控制NO x的排放方面效果基本相同。如果有必要也可以采用MAP圖點火和點火延遲以便催化劑快速起燃。閉環電噴系統+3效催化轉化器(TWC。采用閉環電噴系統在各種工況下精確控制缸內的空燃比,用三效催化劑同時高效地凈化NO x、HC 和CO,有效控制排放。閉環電噴系統+2次空氣裝置(SAI+3效催化轉化器(TWC。NO x若通過方案c不能充分降低NO x排放,則在燃燒系統設定偏濃的混合氣,以抑制NO x產生,再輔以SAI 以使廢氣中的過量空氣系數接近1,以

20、使催化轉化器高效地凈化NO x、HC和CO。需要注意的是,這里所提到的排放控制系統性能的發揮,很大程度上依賴于原始發動機的基本狀態,并不是所有的發動機和車型采用如此方法都能達到歐排放限值,如果原機制造精度不高、散差較大、初始排放較差,則采用其中的某些方案依然不能達標。上述幾種排放控制技術方案的應用及成本對比見表2。表2 幾種摩托車歐排放控制方案應用及成本對比序號排放控制方案技術特征改造成本估計,(元應用狀況改進型化油器+2次空氣裝置(SAI+3元催化轉化器(TWC混合氣濃度較難精確控制,對化油器的供油精度要求高,如果化油器和發動機散差大,整機排放一致性將很難保證,并會犧牲一定的動力性。3004

21、00較適用于排量<150 mL價格相對便宜的車型,但對化油器的精度和原機初始排放水平以及一致性要求較高。開環電噴系統+2次空氣裝置(SAI+3元催化轉化器(TWC混合氣形成及空燃比較為精確控制,但不能在全工況精確匹配空燃比,散差不易控制,一致性保證較困難。650850此方案雖節省了氧傳感器成本,但控制性能損失較大,對原機初始排放水平以及一致性要求較高。不鼓勵采用。閉環電噴系統+3元催化轉化器(TWC混合氣形成及空燃比能精確控制,在全工況范圍能精確匹配空燃比,排放一致性好。700900適用于所有機型,在國內外均已應用,由于采用閉環控制方式,對由發動機制造散差造成的排放不一致,能自動適應并調節,是排放控制技術發展的趨勢。目前國內還開發出擁有自主知識產權的FAI直線泵電噴技術,成本更具優勢。閉環電噴系統+2次空氣裝置(SAI+3元催化轉化器(TWC混合氣形成及空燃比能精確控制,在全工況范圍