车用二冲程发动机排放控制与分析.docx
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车用二冲程发动机排放控制与分析
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1本课题研究目的与意义1
1.2车用二冲程摩托车排放在国外、国内研究现状1
1.2.1国外摩托车和轻便摩托车排放标准1
1.3.1我国车用二冲程摩托车排放标准2
第二章二冲程发动机结构与基本原理与分析4
2.1车用二冲程发动机结构特点4
2.1.1二冲程汽油机结构及工作原理4
2.2二冲程发动机主要性能指标与特性6
2.2.1发动机的主要性能指标6
2.2.2车用二冲程发动机排放特性8
2.3车用二冲程发动机有害排放物的来源及成因9
2.3.1CO生成机理9
2.3.2碳氢化合物HC的生成机理9
2.3.3氮氧化物NOx的生成机理10
第三章控制车用二冲程发动机排放途径与分析方法11
3.1国内车用二冲程发动机控制排放的途径11
3.1.1电喷技术11
3.1.2废气再循环系统11
3.1.3汽油蒸发控制系统12
3.2目前车用二冲程发动机主要采取的控制方法12
3.2.1二次空气喷射系统的应用12
3.2.2排气催化转化器系统的应用13
3.2.3曲轴箱窜气污染物的控制14
结论15
致谢16
参考文献17
摘要
随汽车工业的发展和汽车保有量的增加，其大气环境的污染日趋严重。
因此，世界各国已相应地制定法规标准，而且随着节能和环保意识的提高，对汽车排放控制的法规标准日趋强化。
我国摩托车产品在不采取专门的净化措施的情况下，二冲程产品几乎达不到标准，每年将有400万辆摩托车排放不达标，形势非常严峻，因此研究摩托车排放控制技术非常重要。
针对车用二冲程发动机结构与原理的分析，调整车用二冲程发动机化油器的安装位置，采用催化转化技术，合理布置催化器并采用合乎规格的催化器。
通过试验分析：
对比控制前后排放性能。
改进后二冲程发动机保持了体积小、重量轻、功率大、机构简单、维修方便等突出优点，同时又解决了其存在的油耗高、排气污染严重的问题。
力争在不降低发动机动力性的基础上，实现二冲程发动机低排放、高效率和高经济的技术要求。
关键词：
二冲程；发动机；排放；控制
Abstract
Withthedevelopmentoftheautomobileindustryandtheincreaseincars,Theatmosphericpollutionoftheenvironmenthasbecomeincreasinglyserious.Therefore,allcountriesintheworldhasbeenacorrespondingdevelopmentofregulationsandstandards,andalongwithenergy-savingandenvironmentalprotectionawareness,Controlofvehicleemissioncontrolregulationsandstandardsandregulationsbecomemoreenhanced.MotorcycleproductsinChinadonottakespecialmeasuresinthecaseofpurification,almosttwo-strokeproductsarenotuptostandard,Eachyeartherewillbefourmillionmotorcycleemissionsstandardsdonot,thesituationwasveryserious,Therefore,thestudyofmotorcycleemissioncontroltechnologyisveryimportant.
Fortwo-strokeenginevehiclestructureandprinciplesofanalysis,Adjustthevehicle'stwo-strokecarburetorengineplacement,theuseofcatalyticconvertertechnology,Rationalarrangementoftheuseofcatalyticconvertersandcatalyticconvertersmeetthespecifications.Throughexperimentalanalysis:
Comparedbeforeandaftertheemissioncontrolperformance.Improvedtwo-strokeenginehasmaintainedasmallsize,lightweight,power,andinstitutionssimplytohighlighttheadvantagesofeasymaintenance.Solvedatthesametime,theexistenceofthehighfuelconsumption,exhaustpollutionproblem.Strivetoreducetheenginepowerisnotbasedontherealizationoftwo-strokeenginewithlowemissions,highefficiencyandhightechnicalrequirements.
Keywords:
two-stroke;engine;emissions;control
第一章绪论
1.1本课题研究目的与意义
长期以来，我国二冲程摩托车占了较大比重。
随着我国摩托车排放法规日益严谨和面对国际竞争的要求，二冲程摩托车的生命力受到了严峻的考验。
由于小型二冲程汽油机具有突出的优点——重量轻、结构简单、升功率大,同时又有严重的缺点——扫气时新鲜气体高达30%～40%短路损失使油耗高、HC排放量大。
二冲程发动机原有的优点的基础上，降低其排放，达到法规要求，延长其生命力满足市场需求。
这将是未来二冲程发动机研究的重点。
1.2车用二冲程摩托车排放在国外、国内研究现状
1.2.1国外摩托车和轻便摩托车排放标准
1.美国及加州摩托车排放标准
美国的摩托车分为公路用车和非公路用车两类，其中有近60%摩托车注册为公路用车，其余的为非公路用车。
美国对非公路用摩托车没有排放法规要求。
美国联邦和加州对排量在50ml以上的公路用摩托车的排放。
如表1-1所示。
表1-1美国联邦和加州公路用摩托车排放标准
年型
试验工况
发动机排量
ml
排放量g/km
CO
HC
美国联邦标准
1998
FTP75
50-169
17.0
5.0
170-749
17.0
5+0.0155（D
-170）
17.0
14.0
2002
—
50
12.0
5.0
曲轴箱排放标准：
不允许曲轴箱排放泄露到大气
美国加州标准
1999
FTP75
50-169
17.0
5.0
170-749
17.0
5+0.0155（D
-170）
750
17.0
14.0
2006
—
50
17.0
5.0
1995
—
50-297
12.0
1.0
280
12.0
2.5
2001.3
—
50-297
12.0
1.0
280
12.0
1.4
续表1-1
2003
—
50-297
12.0
1.0
280-699
12.0
1.0
700
12.0
1.4
燃油蒸发排放标准：
采用密闭室法，当前限值为：
2g/试验
注：
1．D为发动机排量，单位：
ml。
另外，美国联邦和加州排放法规对摩托车都有耐久性要求，即在规定的寿命期限内都要满足其排放限值，其寿命期为：
I类（50～169ml）6000km；
Ⅱ类（170～279ml）90000km；
Ⅲ类（280ml）1500km。
1.3.1我国车用二冲程摩托车排放标准
1.北京摩托车排放法规
我国首次制定摩托车排放法规标准是在2005年GB5366《摩托车主要性能指标》中的怠速排放标准。
2004年，国家颁布实施了GB14621–2004《摩托车排气污染物排放标准》[2]，该标准规定了工况法和怠速法的排放限值。
该标准规定的摩托车工况法排放试验方法及限值采用欧洲ECE法规，修正后又采用EUDC法规。
2005年以后，我国为了加强对排放的控制，陆续颁布实施了GB18176–2005《轻便摩托车排气污染限值及测试方法》及GB14622–2005《摩托车排气污染物限值及测试方法》。
其限值见表1-6所示。
表1-6摩托车及轻便摩托车限值
实施年份
车型
CO
g/km
HC
g/km
NOxg/km
2006.1.1
轻便摩托车
6
3
0.1
摩托车
二冲程
8
4
0.1
四冲程
13
3
0.3
为了遏制北京市大气污染加重的趋势，自2005年底至今市环保局建立了完善的摩托车排放地方法规[3]，该法规基本等同于我国台湾地区Ⅲ期排放水平，其限值水平如表1-7所示。
表1-7工况法排放标准值
车型
排气污染物
排放标准值（g/km）
第一阶段自2005年1月1日起
第二阶段自2006年1
月1日起
新生产摩托车1
及轻便摩托车
CO
4.5
3.5
HC+NOx
3.0
2.0
耐久性里程2
6000km
15000km
注：
1．新生产残疾人专用车第一阶段排放标准值放宽到CO：
60g/km，HC：
4.0g/km；2．耐久性里程，即要求车辆行驶里程在6000km（15000km）内时，仍按照本标准值。
表1-8怠速法排放法规限值
车型及实施日期
排放标准值
CO（%）
HC（ppm）
四冲程
二冲程
2007年1月1日以后生产的摩托车及轻便摩托车
新生产车
1.5
300
3000
在用车
2.0
500
3500
2007年1.月1日以前生产的摩托车及轻便摩托车在用车
4.5
2200
8000
第二章二冲程发动机结构与基本原理与分析
2.1车用二冲程发动机结构特点
2.1.1二冲程汽油机结构及工作原理
二冲程发动机的工作循环是在两个活塞行程内，即曲轴旋转一周的时间内完成的。
图2-1表示一种用曲轴箱扫气的二冲程化油器式汽油机的工作示意图。
图2-1二冲程汽油机工作原理示意图
1—进气孔2—排气孔3—扫气孔
发动机气缸上有三个孔，这三个孔可分别在一定的时刻为活塞所关闭。
进气孔1与化油器相连通，可燃混合气经孔1流入曲轴箱，继而可经扫气孔3进入气缸内，而废气则可经过与排气管连通的排气孔2被排出。
图2-1表示活塞向上移动，到活塞将三孔都关闭时，开始压缩在上一循环即已经吸入缸内的可燃混合气，同时在活塞下面的曲轴箱内形成真空度（这种发动机的曲轴箱必须是密封的）。
当活塞继续上行时，进气孔1开启，在大气压力作用下，可燃混合气便自化油器流入曲轴箱。
活塞接近上止点时，火花塞发出电火花，点燃被压缩的混合气体。
高温、高压气体膨胀迫使活塞向下移动。
进气孔1逐渐被关闭，流入曲轴箱的混合气则因活塞的下移而被预先压缩。
当活塞接近下止点时，排气孔2开启，废气经过排气孔2、排气管、消声器流入大气中。
受到预压的新鲜混合气便自曲轴箱经扫气孔3流入缸内，并扫除废气。
废气从气缸内被新鲜混合气扫除并取代的过程，称为气缸的换气过程，因此孔3被称为扫气孔或换气孔。
由上述可知，在二冲程发动机内，一个工作循环所包括的两个行程是：
1．第一个行程活塞自下止点向上移动，事先已充入活塞上方气缸内的混合气被压缩，新的可燃混合气又自化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内。
2．第二个行程活塞自上止点向下移动，活塞上方运行着作功过程和换气过程，而活塞下方则进行可燃混合气的预压缩。
为了防止新鲜混合气体大量与废气混合并随废气一起排出气缸而造成浪费，活塞顶做成特殊的形状，使新鲜混合气的气流被引向上部。
这样还可以利用新鲜混合气来扫除废气，使排气更为彻底。
但在二冲程发动机中，要完全避免可燃混合气的损失是很困难的。
图2-2为二冲程发动机示功图。
它的工作循环如下：
图2-2二冲程发动机示功图
活塞由下止点向上止点移动，当将排气口a点关闭时，压缩过程开始。
到上止点前开始点火燃烧，缸内压力迅速增高，
段即燃烧过程。
接着活塞下行膨胀做功，一直到
点，排气口被打开，开始排气。
此时，缸内压力较高，一般为0.3~0.6Mpa，故废气以声速从缸内排出，压力迅速下降。
当活塞继续下移将换气口打开，曲轴箱内的新鲜可燃混合气进入气缸。
这段时间里的排气称为自由排气。
排气一直延续到活塞下行到下止点后再向上将排气口关闭为止。
示功图
曲线为二冲程发动机的换气过程，大约占
130°~150°曲轴转角。
接着活塞继续向上，便重复压缩过程，进行新的循环。
二冲程化油器式发动机与四冲程化油器式发动机相比较，其主要优点如下：
1．曲轴每转一周就有一个作功行程，因此，当二冲程发动机的工作容积和转速与四冲程发动机相同时，在理论上它的功效应等于四冲程发动机的2倍。
2．由于发生作功过程的频率较高，故二冲程发动机的运转比较均匀平稳。
3．由于没有专门的换气机构，所以其构造较简单，质量也比较小。
4．使用方便。
因为附属机构少，所以易受摩损，经常需要修理的运动部件数量也比较少。
由于构造上的原因，二冲程发动机的最大缺点是不易将废气自气缸排除的较干净，并且在换气时减少了有效工作行程。
因此，在同样的工作容积和曲轴转速下，二冲程发动机的功率并不等于四冲程发动机的2倍，只等于1.5~1.6倍；而且在换气时有一部分新鲜可燃混合气随同废气排出，因此二冲程发动机不如四冲程发动机经济。
由于上述缺点，二冲程化油器式发动机在汽车上较少被采用。
但这种发动机的制造费用低廉，构造简单，质量小，所以在摩托车上广泛应用。
2.2二冲程发动机主要性能指标与特性
2.2.1发动机的主要性能指标
发动机的主要性能指标有动力性能指标（有效转矩、有效功率、转速等）、经济性能指标（燃油消耗率）。
1.动力性能指标
（1）．有效转矩
发动机通过飞轮对外输出的平均转矩称为有效转矩，以
表示。
有效转矩与外界施加于发动机曲轴上的阻力矩相平衡。
（2）．有效功率
发动机通过飞轮对外输出的功率称为有效功率，以
表示。
它等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。
发动机的有效功率可以用台架试验方法测定，也可以用测功器测定有效转矩和曲轴角速度，然后运用下面的公式计算发动机的有效功率（km），即
（2–1）
式中：
——有效转矩（N·m）；
——曲轴转速（r/min）。
发动机曲轴转速的高低，关系到单位时间内的作功次数的多少或发动机有效功率的大小，即发动机的有效功率随曲轴转速的不同而转变。
因此，在说明发动机有效功率的大小时，必须同时指明相应的转速。
在发动机产品标牌上规定的功率及相应的转速分别称作标定功率和标定转速。
发动机在标定功率和标定转速下的工作状况，称为标定工况。
标定功率是发动机所能发出的最大的功率，它是根据发动机用途而制定的有效功率最大使用限度。
同一种型号的发动机，当其用途不同时，其标定功率值并不相同。
按照汽车发动机可靠性试验方法的规定，汽车发动机应能在标定工况下连续运行300~1000h。
2.经济性能指标
发动机每发出1KW有效功率，在1h内所消耗的燃油质量（以g为单位），称为燃油消耗率，用
表示。
很明显，燃油消耗率越低，经济性越好。
燃油消耗率[g/（kw·h）]为
（2–2）
式中：
——发动机在单位时间内的耗油量（kg/h）可由试验测定；
——发动机的有效功率（kw）。
发动机的性能是随着许多因素而变化的，其变化规律称为发动机特性。
2.2.2车用二冲程发动机排放特性
也可以用万有特性的形式表示内燃机其它变化的特性，例如排放特性。
虽然内燃机的排放特性不是以特性曲线形式进行估计，而是按规定的测试工况加权计算的比排放量或按规定的行驶循环累计的整车单位里程的排放量估计的，测定排放特性对于拟定改善法定排放指标的途径有一定的帮助。
1.汽油机的排放特性
一台具有代表性的2L排量4气门进气道喷射汽油机的CO、HC和NOx排放特性。
各种排放都用比排放量[g/（km·h）]表示。
当然也可用其它单位表示，如小时排放质量（g/h）或排放物体积分数，但不同单位将引起特性曲线形状的改变。
现代车用汽油机在常用的部件负荷区，为了满足三效催化转化器高效工作的要求，将过量空气系数
控制在1.0左右，所以CO排放较低。
在负荷很小（
<0.2MPa）时，为保证燃烧稳定，混合气适当加浓，导致CO排放略有上升，尤其以比排放量形式表达时，看上去上升较多。
当负荷超过全负荷的95%左右时，CO的比排放量开始急剧上升（绝对排放浓度和质量则上升更快），显然是由于混合气显著加浓，使发动机能发出较大的功率和转矩。
汽油机未燃HC比排放量的变化趋势。
可见HC的变化趋势与CO有些类似，都是中等负荷比排放量较小，大负荷和小负荷的相对增加。
不同之处有两点：
一是全负荷时HC排放增加不如CO严重；二是小负荷时HC比排放随负荷的减少增加得比CO更快。
排放规律不同的原因可用CO和HC生成机理不同来解释。
大负荷时混合气过浓，主要生成CO，碳氢燃料完全不氧化是不大可能的。
HC排放主要来自淬熄等多相因素，循环绝对排放量变化不大，它的比排放在负荷增加时应下降。
在达到全负荷时HC比排放量增大，可能是因为排气中严重缺氧，使未燃HC的后期氧化受阻所致；在负荷很小时HC比排放急剧增加。
除了因输出功率减小外，还在于排气温度过低，未燃HC后期氧化减弱。
汽油机NOX的排放特性与CO、HC截然不同。
在中等转速以上当转速一定时，NOx比排放随负荷增大而下降而且当接近全负荷时下降更快。
实际上，在中等负荷区域，NOx的绝对排放量是随负荷增大而增大的（原因是燃烧温度提高），但NOx的增加未与负荷成正比，所以比排放逐渐下降。
此外，当负荷一定时，NOx的比排放随转速升高而增大，当然绝对排放量增加更快。
由此可知，转速上升造成的燃烧温度提高，促进NOx的生成，这一影响要超过反应时间下降的影响。
2.3车用二冲程发动机有害排放物的来源及成因
汽车排放的污染源：
1．发动机曲轴箱排放。
2．燃油箱蒸发排放。
3．汽车尾气排放。
汽车排放主要是和发动机的混合气形成、燃烧过程及燃烧结束后在排气过程中的化学反应有关，此外，还与燃油的蒸发等因素有关。
2.3.1CO生成机理
CO的生成机理主要是可燃混合气中缺氧（过量空气系数
<1时或由于可燃混合气局部混合不均匀使局部
<1）造成不完全燃烧。
另外，由于CO2和H2O的高温离解反应，其中H2使CO2还原成CO和H2O的水煤气反应，造成不缺氧时生成CO。
发动机工作循环排气行程中的残余废气会冲淡可燃混合气，造成某些工况（如怠速工况）燃烧不良，会使CO排放量增多。
内燃机燃烧过程中，化学动力学浓度冻结现象对CO消失的反应也有限制。
2.3.2碳氢化合物HC的生成机理
HC主要来自三部分：
曲轴箱气体约占20%，燃油蒸气（主要为燃油箱）约占20%，其余60%来自排放的废气。
可燃混合气中未燃烧或不完全燃烧的汽油都可以形成HC。
汽油机燃烧室内混合气是通过火焰传播进行燃烧的，当冷的气缸壁表面形成一层低温混合气冷凝层以及活塞顶与气缸壁间缝隙中存留着低温混合气时，火焰无法传播到这些冷凝层和缝隙层中去，在排气行程中，这些未混合气排出去便形成HC。
由于混合气过稀（
>1）或过浓（
<1）、废气严重稀释、点火不良等因素均可造成燃料燃烧不完全而排出HC。
二冲程发动机进气终了时，进排气门重叠开启的过程中，进入气缸中的新鲜混合气会有少量从排气门逃逸，尤其是二冲程发动机利用可燃混合气从排气口中逃逸，会产生HC。
2.3.3氮氧化物NOx的生成机理
发动机排出的废气中所含NOx成分不是燃料燃烧的产物，它是在气缸内高温高压下空气中的N2与O2。
但通常NO是主要的，而NO2含量极少（通常的废气仪检测出的所谓NOx其实是NO而不含NO2）。
NOx生成机理较复杂，有不同的机理解释，通常认为NOx的生成主要取决于燃烧温度和氧的浓度，在氧充足时，燃烧室内瞬间的最高温度越高，生成NOx越多[7]。
第三章控制车用二冲程发动机排放途径与分析方法
由于汽车排放问题的重要性日趋增强，排放已成为主导汽车发动机发展的关键问题。
为达到日益严格的排放法规，首先从机械上大力提高加工精度和采用优良的材料及结构设计，把内燃机的曲轴箱窜气减少到最小，同时开发新的低污染燃烧系统，改进化油器，采用电喷射系统等等。
3.1国内车用二冲程发动机控制排放的途径
近几年，由于我国加大了控制汽车尾气排放的力度，新生产二冲程发动机因种种原因一时不能满足排放的要求，尤其是在用车由于使用、维护、修理上的问题尾气超标情况十分严重。
这种情况促使种类繁多的针对化油器式在用车的净化器进入市场，然而实际使用过程中，大多数净化装置达不到满意的净化效果。
其中最显著的成果有：
电子控制燃油喷射系统（EFI）、进气排气过程补气系统（电控或阀控）等。
3.1.1电喷技术
电子控制燃油系统是以电子计算机芯片作为智能化控制中心，对布置在发动机上的各个传感器所测得的各发动机运行参数进行精确计算，确定出最佳喷油量和点火时间并输出指令作用于喷油和点火控制系统，使发动机获得最佳工作工况。
发动机上安装的转速、进气流量、温度、压力等传感器，及时将所接受到的相应参数传输给ECU（控制单元），ECU对这些参数进行计算后，发出指令给喷油器，从而使喷油器的喷油量及喷出时刻达到该工况下的最佳值。
由于此法在理论上可使发动机能够获得最佳空燃比，因而燃油在气缸内能充分燃烧，不但排污低，而且提高了发动机的功率和转矩。
应用电子控制燃油喷射技术，其节油和降低排放的效果非常显著。
当采用开环控制（不设置氧传感器）。
已可使尾气排放基本达到欧洲I号标准。
如采取闭环控制（加装氧传感器控制装置），则可使排放远低于欧洲I号标准所规定的限值。
该法不仅能出色的降低排放，而且使发动机的功率和转矩得到提高，油耗有所降低。
但由于装置了计算机控制单元（ECU）、各种传感器、燃油泵和喷油器等装置，其制造成本较高。
3.1.2废气再循环系统
废气再循环是指把发动机排出的部分废气回送到进气管，并与新鲜混合气一起再次进入气缸。
由于废气中含大量CO2，而CO2不能燃烧却吸收大量的热，使气缸中混合气的燃烧温度降低，从而抑制NOx的生成量。
废气再循环是净化排气中NOx的主要措施，因而得到广泛应用。
3.1.3汽油蒸发控制系统
汽油箱等燃料供给系统中的燃料随时都在蒸发汽化，若不加已利用或控制，则当发动机停机时，汽油蒸发物HC将进入大气，造成对环境的污染。
汽油蒸发控制系统的作用就是将这些汽油蒸发物收集和储存在炭罐内，当发动机工作时再将其送入气缸烧掉。
有些发动机为了防止液态汽油流入炭罐，在汽油箱顶部设置气–液分离器，以分离液态汽油蒸气，使汽油蒸发经汽油箱蒸汽管进入炭罐，分离出来的液态油
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