國產(chǎn)通用型汽油機的排放現(xiàn)狀及 催化轉(zhuǎn)化器的應(yīng)用

1、設(shè)計研究產(chǎn)一致性。依米泰克金屬載體TS 型結(jié)構(gòu)如圖6,在摩 托車上的應(yīng)用解決了企業(yè)所要考慮的問題。 依米泰克金屬載體的TS 型結(jié)構(gòu)是第一個將氣體的流向由層流轉(zhuǎn)換成紊流的應(yīng)用。由于氣體流向的改善使得:在相同的孔密度下,具有高的轉(zhuǎn)化效率;在相同的轉(zhuǎn)化效率下,具有較低的背壓;在相同的轉(zhuǎn)化效率下,所用的原材料少,因此降低了成本。鑒于中國摩托車市場的特殊性,依米泰克公司目前在國內(nèi)設(shè)有倉儲庫,本地化生產(chǎn)將于2005年啟動。圖6依米泰克金屬載體TS 型結(jié)構(gòu)(a 同心圓型(b S 型(c SM 型圖5不同結(jié)構(gòu)型式對載體耐久性的影響(收稿日期2004-10-12國產(chǎn)通用型汽油機的排放現(xiàn)狀及催化轉(zhuǎn)化器的應(yīng)用賈濱林

2、漫群閻希成孫亞琴景亞兵(天津大學(xué)天津內(nèi)燃機研究所摘要:中國通用小型汽油機的排放現(xiàn)狀與美國現(xiàn)行的第二階段排放限值相比有不小的差距,其中HC +NO x 排放超標(biāo)居多;國產(chǎn)通用小型汽油機二、四沖程并存,且排放特點有顯著的差異,在進行催化轉(zhuǎn)化器應(yīng)用時,要進行針對性設(shè)計。關(guān)鍵詞:排放通用小型汽油機催化轉(zhuǎn)化器The Current Situation of Emissions from Domestic-made Conventional-typeSmall Petrol Engine and Application of Catalystic ConverterJia Bin Lin Manqun Y

3、an Xicheng Sun Yaqin Jing Yabing(Tianjin University,Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute Abstract:There is a big difference between Chinese conventional type small petrol engine and American ones in emission limits,especially the limit of HC +NO x .There coexist small engines of 2an

4、d 4stroke types with greater difference in emission characteristics.When catalystic conversion used,a directional design is needed.Key words :Emission Conventional type engine Catalystic converter1中國通用小型汽油機行業(yè)和美國EPA 通用小型汽油機排放標(biāo)準(zhǔn)簡介通用小型汽油機(Non-road Spark-ignition SmallEngines 有3個主要特征:非道路用;火花點火式;功率小(美國EP

5、A 將通用小型汽油機功率范圍定義為19kW 以下,在我國則定義為30kW 以下。通用小型汽油機的用途廣泛,可作為發(fā)電機組、水泵、割草機、噴霧器、鏈鋸等設(shè)備的動力。在1998年,世界通用小設(shè)計研究型汽油機產(chǎn)量就已經(jīng)超過3000萬臺,其中美國的產(chǎn)量最大,超過2000萬臺,日本和歐盟其次1。中國的通用小型汽油機行業(yè)也已經(jīng)有幾十年的歷史,但由于種種原因,產(chǎn)量一直在幾十萬臺徘徊,與美、歐、日的巨大產(chǎn)量相比有著很大的差距。但近幾年,隨著國外通用小型汽油機生產(chǎn)企業(yè)、國內(nèi)大型摩托車生產(chǎn)企業(yè)、新興民營企業(yè)的介入,通用小型汽油機行業(yè)呈現(xiàn)出飛速發(fā)展的勢頭,并且產(chǎn)品主要以各種形式銷往國外,據(jù)不完全統(tǒng)計,2002年中國

6、通用小型汽油機的產(chǎn)量已接近200萬臺,并預(yù)計2004年,產(chǎn)量將激增到800萬臺。在中國通用小型汽油機行業(yè)飛速發(fā)展的同時,也正面臨許多困難,歐美發(fā)達(dá)地區(qū)針對通用小型汽油機制定的日益嚴(yán)格的排放法規(guī)便是其中之一。20世紀(jì)90年代中期,美國和歐盟研究結(jié)果表明:隨著道路車輛排放控制的成效日益顯著,原本居于次要位置且較少受到關(guān)注的非道路污染源已經(jīng)變?yōu)橹饕廴驹?特別是遍布各個角落但數(shù)量巨大(美國年消耗2000萬臺以上的通用小型汽油機。美國EPA 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,2000年道路車輛與非道路動力機械總排放量中:約23%的CO、20%的HC排放來自通用小型汽油機。美國EPA最先著手制定通用小型汽油機的排放法規(guī),

7、并于1995年頒布了第1階段排放法規(guī),1997年開始實施,并且從1999年開始陸續(xù)頒布和實施非手持式、手持式通用小型汽油機第2階段的排放法規(guī)。與第1階段排放法規(guī)相比,第2階段排放法規(guī)盡管表面放松了一些類別發(fā)動機的排放限值,但由于增加了排放耐久性的考核要求,實際的難度反而更大。另外,美國EPA在排放法規(guī)中明確規(guī)定了通用小型汽油機的分類方法、測試工況以及廢氣分析儀的測試原理2。2國內(nèi)通用小型汽油機排放統(tǒng)計現(xiàn)狀天津內(nèi)燃機研究所作為國家通用小型汽油機行業(yè)的技術(shù)歸口單位,在國內(nèi)率先開展了通用小型汽油機的排放研究,于2002年6月在國內(nèi)建立了通用小型汽油機的工況法排放實驗室,并通過中國實驗室認(rèn)可委員會(C

8、NACL的認(rèn)可。從實驗室建立至今,按照美國EPA的相關(guān)要求,已為國內(nèi)10余家的20多種通用小型汽油機進行了工況法排放測試。圖1、圖2分別給出了國產(chǎn)I類、II類通用小型汽油機的排放在考慮耐久性的情況下(將測取的原機初始排放乘以美國EPA指定的排放劣化系數(shù)得到與美國EPA第2階段I、II類發(fā)動機排放限值的比較3,表1、表2給出了美國EPA第2階段排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的發(fā)動機分類方法和I、II 類發(fā)動機的排放限值。從圖1可以看出,所測試的國產(chǎn)I類發(fā)動機的HC+ NO x排放全部不能滿足美國I類發(fā)動機第2階段限值的要求,而CO排放都能滿足限值的要求。從圖2可以看出,5款樣機有2款可以滿足II類發(fā)動機2003年

9、的限值,但隨著排放法規(guī)的逐年加嚴(yán),只有1款樣機可以滿足2005年的限值。表1美國EPA第2階段的發(fā)動機分類方法 圖3給出了國產(chǎn)I類發(fā)動機(共6臺HC+NO x排放中HC、NO x排放各自所占的比例。數(shù)據(jù)表明,對于所試驗的國產(chǎn)I類發(fā)動機而言,HC在HC+NO x排放中所70010.0CO,g(kWh-160050040030020010020.030.040.0HC+NO,g(kW hx-1圖1國產(chǎn)類通用小型汽油機在考慮耐久性情況下與美國第2階段排放限值的比較7005600500400300200100圖2國產(chǎn)類通用小型汽油機在考慮耐久性情況下與美國第2階段排放限值的比較1015202530CO

10、,g(kWh-1HC+NO,g(kW hx-1EPA20052007年限值EPA2003年限值設(shè)計研究占的比例相對較大,是排放凈化需要考慮的主要排氣成分,與國外相關(guān)研究的結(jié)論是一致的4。表2美國EPA 第2階段I 、II 類發(fā)動機的排放限值 鑒于國產(chǎn)通用小型汽油機的排放現(xiàn)狀,催化器技術(shù)作為一項降低尾氣排放的成熟技術(shù),在通用小型汽油機領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的市場應(yīng)用前景。3國產(chǎn)通用小型汽油機的排放特點3.1國產(chǎn)通用小型汽油機廢氣成分濃度的統(tǒng)計分析目前世界通用小型汽油機總產(chǎn)量中四沖程機多于二沖程機,兩者之比約為1.41,并且出于排放和油耗的考慮,四沖程機份額有繼續(xù)增大的趨勢1。由于二沖程、四沖程發(fā)動機排放特

11、點的顯著差異,本所對20多種樣機的各種廢氣成分濃度在美國EPA 規(guī)定的測試工況下進行了統(tǒng)計,以利于催化器的針對性應(yīng)用。表3和表4分別給出了20多種試驗樣機中二沖程、四沖程樣機各種排氣成分在各個測試工況下排放濃度的平均值、最大值、最小值,涉及的排氣成分包括HC 、CO 、NO x 、CO 2、O 2和H 2。從表3、表4的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出,二沖程通用小型汽油機的HC 平均濃度為15796×10-6(甲烷當(dāng)量,是四沖程通用小型汽油機HC 排放的2倍多;但四沖程通用小型汽油機的NO x 排放明顯高于二沖程通用小型汽油機,約為二沖程通用汽油機的2.7倍,但總體上不論是四沖程還是二沖程機,NO

12、 x 的排放水平相對較低;另外,四沖程通用小型汽油機排氣中的氧濃度相對較低,部分測試工況的氧濃度只有0.1%。表3國產(chǎn)二沖程通用小型汽油機排氣成分的濃度表4國產(chǎn)四沖程通用小型汽油機排氣成分的濃度3.2國產(chǎn)通用小型汽油機廢氣溫度統(tǒng)計分析由于廢氣溫度直接影響催化轉(zhuǎn)化器的性能和壽命,為此筆者對多臺樣機在美國EPA 規(guī)定的測試工況下的廢氣溫度進行了統(tǒng)計,圖4給出了統(tǒng)計分析結(jié)果,其中每臺試驗樣機的每一測試工況下的廢氣溫度作為一個樣本點數(shù)據(jù)(沒有考慮怠速工況。圖4數(shù)據(jù)表明,所有的樣本點中,最低的廢氣溫度也接近350,應(yīng)該足以保證催化轉(zhuǎn)化器的正常起燃,同時一些負(fù)荷下的排氣溫度已接近700,再考慮到加裝催化轉(zhuǎn)

13、化器后氧化反應(yīng)放熱造成的溫升,排氣管局部的溫度可能會更高,因而在催化轉(zhuǎn)化器開發(fā)設(shè)計時,應(yīng)考慮如何減少催化轉(zhuǎn)化器的高溫老化以及熱量的合理分配,從而在保證催化轉(zhuǎn)化器性能的同時,確保通用小型汽油機產(chǎn)品的正常、安全使用。3.3通用小型汽油機工況法排放測試工況分析通用小型汽油機按照美國EPA 的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進行排放測試時,首先根據(jù)通用小型汽油機的用途和排量確定其發(fā)動機類別,然后根據(jù)其類別再確定其適用的排放測試循環(huán)。表5給出了美國EPA 規(guī)定的通用小型汽油機的類HC NO x發(fā)動機編號901H C +N O 排放中H C 、N O 各占比例,%x x80706050圖3國產(chǎn)類發(fā)動機HC 、NO 在HC+NO

14、總量中的各自排放比例x x 234564030201007005排氣溫度,6005004003002001000測試樣本點圖4復(fù)合通用小型汽油機的廢氣溫度數(shù)據(jù)1015202530800設(shè)計研究別與排放測試循環(huán)的對照關(guān)系。表6以B 循環(huán)為例給出了其工況點組成和排放權(quán)重。表5發(fā)動機類別與測試循環(huán) 表6B 循環(huán)的工況點組成和排放權(quán)重 通用小型汽油機的最終排放結(jié)果是各個穩(wěn)態(tài)工況下排放的加權(quán)平均值,因而在進行催化轉(zhuǎn)化器應(yīng)用時,掌握不同工況點排放對最終排放結(jié)果的貢獻率(綜合考慮各工況的排放權(quán)重和成分濃度等因素是非常必要的,在確定了貢獻率較大的工況以后,再根據(jù)那個工況點的廢氣成分特點對催化轉(zhuǎn)化器進行針對性的

15、設(shè)計,對于提高催化轉(zhuǎn)化器的應(yīng)用效果是非常有效的。為了便于讀者理解工況排放貢獻率與測試循環(huán)中規(guī)定的排放權(quán)重的差異,作者定量給出了在國產(chǎn)168F 通用小型汽油機上進行工況貢獻率研究的結(jié)果,圖5、6給出了6臺168F 樣機HC 和CO 的工況排放平均貢獻率與各工況規(guī)定排放權(quán)重的比較。從圖5、6可以看出,對于HC 、CO 排放而言,工況1、2、3、4的排放貢獻率之和均超過90%,為排放控制的主要工況,排放貢獻從大到小依次為工況3、4、2、1。另外,從圖中可以看出,就168F 通用小型汽油機而言,各工況的排放貢獻率的絕對值與測試循環(huán)中規(guī)定的排放權(quán)重的絕對值是不一樣的。并且由于工況排放貢獻率綜合考慮了排放

16、權(quán)重、成分濃度等因素,比排放權(quán)重更能全面反映一個工況的排放貢獻,對于催化轉(zhuǎn)化器的針對性開發(fā)設(shè)計更有指導(dǎo)意義。4結(jié)論a 國產(chǎn)通用小型汽油機行業(yè)發(fā)展迅速,且產(chǎn)品主要面向出口市場;b 國產(chǎn)通用小型汽油機的排放現(xiàn)狀與美國現(xiàn)行的第二階段排放限值相比有不小的差距,其中HC+NO x 排放超標(biāo)居多,為催化轉(zhuǎn)化器的應(yīng)用提供了前提;c 國產(chǎn)通用小型汽油機二、四沖程并存,且排放特點有顯著的差異,在進行催化轉(zhuǎn)化器應(yīng)用時應(yīng)進行針對性設(shè)計;d 通用小型汽油機由于結(jié)構(gòu)緊湊,廢氣溫度足以保證催化轉(zhuǎn)化器起燃,催化轉(zhuǎn)化器設(shè)計時應(yīng)將重點放在熱量的合理分配、抗高溫老化性能的提高和性價比的改善;e 工況排放貢獻率由于綜合考慮了排放權(quán)

17、重和成分濃度等因素,因而比排放權(quán)重更全面地反映一個工況的排放貢獻,是催化轉(zhuǎn)化器針對性設(shè)計開發(fā)的重要參考指標(biāo)。參考文獻1趙士林.小型通用汽油機生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展情況.小型內(nèi)燃機與摩托車,2001(22U.S EPA40CFRPart90-Control of EmissionsfromNon-roadSpark-ignition Engines,19993Jia Bin.Lin Manqun Yan Xicheng et al.An ExperimentalSurvey on the Emissions Characteristic of Non-road Small SI30每種工況H C 的排放

18、比率,%2520151050試驗工況點圖5168F 的HC 排放工況平均貢獻率1234535工況的貢獻率排放全重630每種工況C O 的排放比率,%2520151050試驗工況點圖6168F 的CO 排放工況平均貢獻率12345356工況的貢獻率排放全重設(shè)計研究Engines in China.Society of Automotive Engineers.Small EngineTechnology Conference.USA:Societyof Automotive Engineers,Inc.20034 F.Millo,G.Cornetti,W.Miersch.An Experimen

19、talSurvey on the Emissions Characteristic of Small SI Engines For Non-road Mobile Machinery.Society of Automotive Engineers.Small Engine Technology Conference.USA: Society of Automotive Engineers,Inc.2001逐漸嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)促使摩托車加裝催化轉(zhuǎn)化器J.Laiho(Ecocat Oy芬蘭摘要:Ecocat Oy新型載體和涂層技術(shù)使其能夠涂在前部排氣管的內(nèi)部,這種技術(shù)和蜂窩型載體結(jié)合在一起,對降低摩

20、托車排放效果更佳;四沖程發(fā)動機原機排放中一個最基本的問題是缺少氧氣,因此增加補氣裝置對降低摩托車排放也有顯著效果。關(guān)鍵詞:四沖程Ecocat Oy新型載體和涂層補氣裝置The Gradual Strict Emission Standard Urging Motorcycles toFit Catalystic ConvertersJ.Laiho(Ecocat Oy FinlandAbstract:The new carrier,Ecocat Oy by means of catalysts monolithic technique can be applied to the inner part of the front tube,which together with cellular carriers can reduce emissions from motorcycl