汽车环境工程 王显会 南京理工大学机械工程学院 2005年2月
目录 1.绪论 1.1环境问题一一当今世界严重的社问 1.2生态平衡与环境 …3 1.2.1环境问题与生态系统 1.2.2自然界的调节和净化功能 …… 1.2.3汽车及内燃机污染的主要表现 …7 1.3排放污染物的组成期 1.3.1排放污染物组成 1.3.2污染物的来源 1.4汽车排放污染物A 1.4.1对人体健康的影响 1.4.2对全球环境的影3 1.5大气环境质量标 2.汽车发动机的总体构造与基本原理 7 2.1汽车的总体构 … ……………… 2.1.1汽车的分类 18 2.1.2汽车的编号规则2 2.1.3汽车的总体构造.23 2.2汽车发动机工作原理 24 2.2.1四冲程汽油机的工作2 2.2.2四冲程柴油机的工作原理 …27 2.2.3多缸发动机的工作特点与点小顺 2.3发动机的总体构造 3 2.4汽车发动机燃烧室 … 2.5汽车发动机的名称和型号规 43 2.5发动机的性能指标与特性 ….44 2.5.1发动机的动力性与经济性指标 第页
汽车排气净化与噪声控制 2.5.2发动机的特 46 2.5.3国产汽车及发动机的主要参数 49 3.汽油车中有害排放物的生成机理及其影响50 3.1一氧化碳(CO) 53 3.2碳氢化合物 …57 3.3氮氧化物(N)6 3.4光化学烟雾 .68 3.5微 4.低污染车用汽油机计 4.1 2 4.2废气再循环(ER) 4.2.1设计原则 4.2.3使用实例 7 4.3燃烧系的设计 .77 4.3.1降低燃烧室的面积/容积比(S/…7 4.3.2压缩比的影响 78 4.3.3缩小燃烧室的激冷区 .78 4.3.4涡流对排气成分A影7 4.4改进点火系统 0 4.4.1延迟点火时间对排放的影8 4.4.2加大点82 4.4.3电子控制点火系统 45燃料供给系的改进 …… .85 4.5.1进气自动调温装 4.5.2化油器的改进 4.5.3配气相位的影响 87 4.6汽油喷 4.6.1电子控制汽油喷射 4.6.2机械控制汽油喷射 9 第Ⅱ页
汽车排气净化与噪声控制 4.7稀薄燃烧 ….97 4.7.1本田CVCC发动机 .99 4.7.2丰田TGP燃烧系统 ….101 4.7.3波尔舍SKS燃烧系103 4.7.5福特发动机 105 5.汽油车机外净化措施装10 5.1燃料的处理 .06 5.1.1液体代 5.1.2气体代用燃0 5.2后处理装置 11 5.2.1二次喷 5.2.2热应 5.2.3再次燃烧法(后燃法 5.2.4催化反应器 11 53防止汽油蒸发措施 117 6.柴油车排烟净化 .19 6.1排气烟标 6.1.1标国标 6.2排烟的种类及生成 12 6.3减小黑烟的措 .122 7.柴油车排净2 7.1柴油车排气限制标准 7.2直喷式柴油机中燃烧和排出物生膜模型….126 8汽车与内燃机噪声及制 145 8.1噪声的性质、来源与分 8.1.1噪声的定义特14 8.1.2噪声的来源与14 8.2与噪声有关的声学基本知识 4 8.2.1声场的类型 146 第页
汽车排气净化与噪声控制 8.2.2声量 146 8.2.3噪声级计算 150 8.2.4噪声的频谱153 8.3评价环境噪声的基本方法5 8.3.1响度 5 8.3.2计权声级和A15 8.3.3统计声级 .6 8.3.4等效连续A 8.3.5交通噪指156 8.3.6噪声评价数 1 8.4汽车的噪声 .158 8.5内燃机噪声 60 8.5.1内燃机噪声分类 16 8.5.2内燃机各类噪声的特点 .160 9.国内外汽车排放标准和测量方法 第Ⅳ页
1.绪论 1.1环境问题—当今世界严重的社会问题 人类进人21世纪,人类社会发展到今天,生产力得到高度发展,创造了高度的物 质文明,但同时也带来了一系列如人口、粮食、能源、资源和环境等严重的社会问题。 环境是人类赖以生存的基本条件,是社会得以持续稳定发展的物质基础 环境分自然环境和人工环境。自然环境是人类生存、生活和生产所必需的自然条 件和自然资源的总称,即阳光、气候、空气、水、土壤以及一切自然现象等自然因素 的总和,是直接或间接影响到人类一切自然形成的物质和能量及自然现象的总体。人 类从环境中获取物质和能量,创造了人类需要的物体和财富,同时也将污染物还给环 境,造成对环境的污染和生态系统的破坏,这就是环境问题。目前全球环境问题表现 为森林植物破坏,水土严重流失,沙漠化扩大,珍稀物种加速灭绝,大气污染日益严 重,温室效应加剧,大气臭氧层破坏,水污染加剧,垃圾成灾,自然灾害频繁发生, 总之,生态平衡遭破坏,环境严重恶化,将严重危害人体健康,发展下去最终将使自 然界失去供养人类生存的能力。因此环境问题己成为国际性热点问题,引起人们的严 重关注。1972年在瑞典斯德哥尔摩举行的联合国人类环境大会,发表了“人类环境宣 言”,向全世界敲起了警钟,唤起人类对环境问题的觉醒,西方国家也开始对环境进 行认真的治理。1985年发表了保护臭氧层的“维也纳公约”。1992年在巴西里约热内 卢召开的有170个国家、102位政府首脑出席的联合国21世纪环境和发展大会指出: “人类已面临全球性环境污染和生态破坏的危险”、喊岀了“保护地球”,提出“可 持续生存和发展的战略”。 在诸多的环境问题中,大气污染是一个十分严重的问题。大气是人类生存的不可 缺少的最基本条件,但由于人类活动和自然过程引起的某些物质介入到大气中,使大 气中固有的正常成分中增加了新的有害成分,积累到足够的浓度,达到足够的时间, 从而对人类活动、动植物以及环境造成危害。1952年12月伦敦上空受强冷空气控制, 形成逆温层。大雾弥漫,连续四天烟雾笼罩,二氧化琉(SO2)浓度高达3.5mg/m, 颗粒物质高达4.5mgm3.成千上万市民胸部憋闷,咳嗽呕吐,心血管、呼吸系统疾病 第1页
汽车排气净化与噪声控制 迅速上升,四天内死亡4000多人,造成震惊世界的“伦敦硫酸烟雾事件”。1955年格 杉矶出现“光化学烟雾事件”,由于汽车排气造成大气中臭氧严重超标,造成大批森 林枯黄死亡,成千上万人得红眼病,呼吸系统疾病迅速上升,65岁以上老人几天内死 亡4000多人。这些典型的大气污染事件表明,大气染与人类对能源的利用有着密切的 关系,发电、取暖、生活、工业加工、交通运输等都和能源的应用与转化分不开,全 世界190年消费的一次能源(包括煤、石油、天然气、水电等)折合为114.7亿T煤当 量,人类利用能源但也排出大量“三废”(废气、废物、废水),造成对大气和环境的 污染,制造社会“公害”。里约热内卢会议指出全球性环境污染的主要责任在于工业 化国家,工业化国家200多年来大量消耗能源,他们的人口只占20%,但消耗着全球 70%的能源。 目前全球汽车保有量已达8亿辆,1997午世界年产汽车5415万辆,汽车已成为人 类最重要的运输工具和代步工具,它提高了社会的生产效率,改善人们的生活质量。 但随着汽车保有量的増加,消耗大批能源,加剧了能源危机,发动机燃烧后排出的废 气也严重污染了大气环境,尤其是人口稠密、交通发达的大城市的空气质量。西方业 化同家经过近30年有步骤的科学治理,汽车排放己得到严格的控制,汽车排放污染物 的浓度已降得很低,目前正在向超低污染、零污染发展。 我国汽车工业近年来有了很大发展,2004年全国年产汽车近507万辆,在世界汽 车产量排序中已居第四位。2004年全国汽车保有量已近2500万辆。一些大城市小汽车 保有量增长更快,如北京市汽车保有量1994年为49.3万辆,1995年为98万辆,1998 年为140万辆,现在已超过200万辆。这个保有量和国外如东京、洛杉矶等大城市的 汽车保有量(超过五六百万辆)比相差甚远,但由于我国汽车发动机水平差,即使是引 进的轿车产品也大都是国外80年代初、中期水平,单车排放量多,排放标准不严,平 均污染物排放量比国外高出几倍、十几倍,甚至几十倍,因而目前我国大城市的大气 污染已相当严重。例如北京市整个城区NO3浓度近年来一直呈上升趋势,已越过国家 二级标准2倍以上,图1.1是北京市NO浓度的年度变化,城市SO2和总悬浮颗粒物 DSP)超标2倍和1.8倍,但近年来基本上呈持平趋势。在二环路内交通环境NO、浓度 更高,1986年0.099mg/m3,到1994年已上升到0.205mg/m3。远远越过国家二标准 限值,交通干线两侧及交通密集区CO浓度严重超标,臭氧O3超标天数已由80年代末期 的40天发展到1994年的75天,超标趋势日趋严重,随着汽车排放的HC、NO、进一步 第2页
汽车排气净化与噪声控制 增加,潜在着发生光化学烟雾的危险。上述情况表明北京市已由煤烟型污染向混合列 (煤烟-尾气型)污染转化。广州、上海等城市NO3的浓度也严重超标,并且己发现光化 学烟雾。这些郁表明,机动车排放放已成了大城市大气污染的一个主要来源。据联合 国统计,在全世界污染最严重的20个城市中,中国占10个。因而,控制汽车排放, 治理城市大气污染已成为我国大城市刻不容缓的重要任务。 20n 50 城区年均值 城区采暖期 城区非采暖期 二坏路内交通区 年代 986198719881989199199199199399199 图1.1北京市NO浓度的年度变化 12生态平衡与环境污染 1.2.1环境问题与生态系统 自然环境是自然界固有的环境,亦即单纯地由空气、日光、水、温度、土壤、岩 石等自然因素构成的环境。自然环境是包括人类在内的一切生物赖以生存和发展的物 质基础。 而环境保护学所指的环境则是人类的生存环境,是“大气、水、土地、矿藏、森 林、草原、野生植物、野生动物、水生生物、名胜古迹、风景游览区、温泉、疗养区 自然保护区、生活居住区等”作用于人类的所有外界事物的总称。 人类与环境的关系是对立统一的,且人类是主导因素,在处理这一关系中占主导 地位。人类能以自己的劳动来改造环境,使之转变为新的生存环境。反过来,环境也 第3页
汽车排气净化与噪声控制 能作用于人类。对人类的生产和消费活动起着适应、制约甚至报复的作用。然而人类 总能通过自身的调节方法来治理环境,使之适应人类的生存。 众所周知,人类对自然资源的不合理开发和工农业生产对环境造成的污染,严重 地影响了某些生物的正常生长和繁殖,并以直接或间接地危及到人类本身,出现了人 为的环境问题。因此,科学家在论及环境污染时常常和生态系统的平衡受到破坏联系 起来,在研究环境保护问题时常常提到生态学方面的问题。 生态学是研究生物与其生存环境之间相互关系的一门学科。生态系统是生态学研 究的基本内容。生态系统是生物与环境的综合体,是指自然界一定空间的不同营养级 生物与环境间相互作用、相互制约、不断演变,通过物质循环和能量交换而达到动态 平衡和相对稳定的统一整体,是具有特定结构和功能的系统。 生态系统在自然界有大有小,达至地球上所有生物都在其中生活的整个生物圈, 在生物圈内部又包含着无数个大大小小的生态系统,甚至小到一片山林、一个池塘 每一个小的生态系统都是自然界的基本活动单元 生态系统的种类多种多样,就生态类型来说,有淡水生态系统、海洋生态系统和 陆地生态系统等;按人为影响来分,有自然生态系统、半自然生态系统,人工生态系 统等。无论多么小的生态系统,都有如图1.2所示的基本结构和功能。 热 生产者 消费者 营养库 分解者 一能量 物质 图1.2生态系统基本结构和功能 生态系统由生产者、消费者、分解者和无生命物质(营养库)四个部分构成一个 有机的统一整体,相互之间沿着各组分之间的营养干线和个生物之间的食物链关系所 确定的途径,不断地进行物质与能量的交换。 第4页
汽车排气净化与噪声控制 物质循环和能量交换是一切生命存在的基本条件太阳能是生态系统中进行能量 交换的根本能源。能量在生态系统中的流动是一种由集中到分散、由高位到低位的单 向传递过程。在传递过程中只有一部分能量为生物用来作为运动和生长的动力,相对 多的能量则以无用的热量形式散失掉。而构成水、大气、各种无机物和有机物的无生 命营养物质在生态系统中的流动是一种循环运动。它们在任何情况下都没有减少,只 是反复地循环和再循环。 生产者主要为含叶绿素植物,它通过光合作用变无机物为有机物(淀粉),将太 阳能转变为化学能,除供给自身生长需要外,还以食物和能量的形式供给人类及其他 生物类群所需。但是,绿色植物的生产效率有限。据介绍,在约1m2的叶片上,如一天 投射的辐射能为12560kJ,其中约有一半作为辐射热而散失,剩下的一半虽可利用,但 真正以淀粉将有机物质将能量固定下来的只有%全世界绿色植物通过光合作用制造 的有机物质每年可达(10~20)×101t 消费者,主要是动物。食草动物是以植物固定的潜能为食物而维持生命的群体, 叫做一级消费者;一级肉食动物是以食草动物为食物的消费者群体,叫做二级消费者; 二级肉食动物是以一级肉食动物为食物的消费者群体,叫做三级消费者其中植 物固定的能量,只有10%为食草动物所利用;食草动物所固定的能量,也只有10%为 一级肉食动物所利用自然界各营养级之间能量转移的效率一般为10%,故有“10% 规律”之说。能量就是通过各营养级组成的食物链的一系列活动进行转移的。显然低 位营养级的生物数量的增减,必使高位营养级生物数量受到影响;反之,高位营养级 生物数量的增减,也必使低位营养级生物数量受到影响,这就是著名的食物链反馈机 理。 分解者,主要指各种有分解能力的微生物。它既可将消费者的排泄物或尸体分解 成简单的可溶性化合物和元素,也能将某些己死亡绿色植物的腐败物进行分解。在分 解时释放的化学能被分解者用以维持生命,释放的营养物质则被送到大自然的营养库 中,已完成物质循环。 自然界每个生态系统都有其自身的物质循环。地球上的物质都通过生态系统经常 保持循环。由于自然界里最基本的元素是碳、氢氮、磷、硫等,包括人类在内的一 切生物也主要是由这些元素构成的,因此生态系统中最主要的物质循环也就是这些物 质的循环,其中水循环、碳循环和氮循环与环境污染关系最为密切。观察物质在生态 第5页