摩托车有害气体排放的探索与控制
摘要：摩托车使用汽油发动机作为动力，汽油燃烧后的废气会形成有害物排放。对摩托车而言，中国法规限制的排放包括：气体排放（CO、HC、NOx），其中HC是指所有气态碳氢化合物（总碳氢），包括发动机尾气排出的和车辆油箱等其他部件挥发出的。
关键词：摩托车；有害气体；尾气排出
中图分类号：U483 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）05-0100-02
1 有害气体物排放特性
摩托车使用汽油发动机作为动力，因此汽油燃烧后的废气从排气管排出是形成有害物排放的主要方式，另外燃油系统的蒸发、曲轴箱串气也会形成有害物排放。
CO会直接对生命造成伤害，因为CO被人呼吸进体内，将比氧气更易进入血液而替代氧气被输送到身体的所有部位，从而使人血液中缺氧，特别是大脑缺氧，达到一定浓度时将导致人昏迷甚至死亡。人能够忍耐的空气中的CO浓度约几十ppm，而燃料燃烧废气中的CO浓度一般都在2000ppm（=0.2%）以上。
NOx是所有氮氧化合物的总称，其中以NO和NO2为主。对生命的直接威胁，NOx与CO类似，甚至造成伤害所需的浓度更低，另外，NOx和HC组合并经过太阳光照射，还会在局部大气，例如某个城市的上空，形成光化学烟雾，从而影响所有生活在这个地区的人们的健康。
HC包含的物质种类更多，能够在大气环境中以气体方式存在的所有有机物都是HC。因此，HC对人的直接伤害无法细数，但其中有些物质是很危险的，例如多环芳烃、苯并比、二恶英等。不过，摩托车发动机排放的HC包含这类高危物质的可能性极小，主要的成分是燃料的成分（未燃HC），因此，其主要的危害不在于直接对人体，而在于对大气。如上所述，HC是形成光化学烟雾的主要成分，因此是可能对局部大气造成严重影响，进而危害很多人的一种有害排放。另外，某些HC成分，例如CH4（甲烷）还是温室气体，同样浓度的CH4气体比CO2的温室效应更强。
摩托车有害物质排放的特点是：怠速时CO和HC浓度较高，而NOx很少；正常行驶时CO和HC浓度降低但总量可能并不小，NOx也有一定的排放；大油门加速或高速工况，则NOx和CO大幅增加，而HC变化不大。而二冲程发动机摩托车的明显特点是：任何工况HC排放都很高，CO与四冲程差不多，而NOx排放比四冲程低很多。
二轮摩托车国Ⅲ尾气排放限值（工况法g/km）为CO：2.0，HC：0.8（150cc以上排量为0.3），NOx：0.15，所有摩托车燃油蒸发污染物排放限值为：每次试验不大于2g。
2 有害气体排放物的生成机理与控制原理
发动机及车辆的有害物质排放来自于以下几个方面：发动机尾气、燃油系统的燃油蒸发、曲轴箱通风。为了尽可能减少这些排放，必须采取很多方法和装置，这些装置的控制一般也是由ECU来完成的，只有曲轴箱通风系统目前还都是机械系统。
图1 摩托车有害排放物来源汇总
在汽油发动机中产生的有害气体排放物CO、NOx和HC，其来源汇总见图1所示。从中可以看出，HC的来源是很复杂的，但NO（占NOx的90%以上）和CO的来源很单一，都是在燃烧高温过程中由化学反应生成，在膨胀过程中被快速冷却所以不能反向反应回去而被冻结所致。
NO是由空气中的N2和O2反应生成的，与燃料成分无关，但燃烧形成的高温条件又是N2和O2反应生成NO的基本条件，所以仍然可以作为燃烧产物来对待。排气中的NO浓度量级为10-2000ppm，而排气中的CO浓度量级为0.5%～10%，要比NO浓度高一个量级。
CO主要是由于碳氢燃料燃烧时缺少足够的O2所致，但即使在O2足够的稀混合气的条件下，也会由于燃料在高温下的热裂解等中间反应而生成0.2%量级的CO。
尾气HC的来源包括：未完全燃烧的燃料（包括失火造成的未燃烧的燃料）、火焰不能到达的末端混合气及燃烧室内狭缝区域的混合气、壁面机油层吸附又释放的燃料成分、沉积物吸附又释放的燃料成分、活塞环刮气缸壁面形成的HC等。尾气HC浓度的量级为：四冲程汽油机1000ppm、二冲程汽油机6000ppm。尾气HC主要在冷车工况产生，因为此时为了燃烧稳定，不得不共给名以上很浓的混合气，其中大部分可能沉积在进排气气道和气缸壁面上而不能参与燃烧就被排到排气管中。发动机越大，HC排放就越高，因为其进排气气道和气缸壁面面积大。对于小排量的摩托车发动机，尾气HC排放很容易达到目前世界上最严格的法规标准。
3 汽油机有害气体排放物的控制
减少发动机尾气排放的措施可以分为机内净化措施和机外后处理措施。机内措施包括各种改变或控制混合气燃烧的手段，例如点火提前角控制、废气再循环（EGR）、燃烧系统设计等，最重要的是燃烧混合气空燃比的控制。机外后处理措施包括二次空气喷射、废气催化转换处理。
点火主要影响NOx，点火越提前，NOx排放越大，原因在于燃烧温度变高；点火对HC也有一点影响，点火越提前，HC排放越大，原因在于排气温度变低导致后燃氧化变弱；但点火对CO几乎没有影响。过量空气系数对HC的影响是：在理论当量比偏稀的状态，HC排放有一个最小值，过稀则由于失火而快速增加，偏浓则由于不能够完全燃烧而增加；对NOx的影响是：在理论当量比稍偏稀的状态NOx排放有最大值，其原因在于这时燃烧温度最高；对CO的影响是：在理论当量及偏稀的状态都很小，只有混合气偏浓时，CO会因为缺氧直线上升。因此空燃比和点火提前角的精确控制，是机内净化的最重要的措施。
机外净化的最主要的措施是使用催化转换器。催化转换器是由贵金属等制成的表面触媒，在合适的温度和混合气氛围中，能够使HC和CO氧化，同时使NOx还原，所以也叫三效催化转换器或三元触媒。三元催化净化器安装在摩托车发动机的排气装置上，当废气通过净化器的通道时，催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水（H20）和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气，使三种有害气体变成无害气体其净化效率很高，可以净化90%以上的有害物质。
4 结语
为治理大气污染，我国政府已先后颁布了多项法律法规及相关的治理办法，以法律为依据，有效地实现摩托车尾气排放的控制与管理。同时，人们应该遵守各项规章制度，节能减排，用自己的行动，保护自己赖以生存的自然环境，这样才能成为最终的受益者。
参考文献
[1] 杨庆拂.发动机噪声控制.
[2] 汽车发动机噪声控制技术研究.安全管理网.