《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 第五章发动机噪声及排放污染 噪声:汽车的主要噪声源一发动机。 汽油机的主要噪声源一风扇噪声和配气机构噪声 柴油机的主要噪声源一燃烧噪声。 柴油机的噪声比汽油机的大。 排放:汽油机的CO、MO和HC排放比柴油机的多 柴油机的炭粒排放比汽油机的多。 §5-1发动机噪声污染及防治 GB规定:城市噪声声压级白天一Ln≤42[dB],夜间一Ln≤37[dB] 噪声的评价指标 )噪声的物理参数 1声压p 声波通过介质时,波峰处的压力升高量[pa]。 2声压级L,一无因次参数 L=201g p(d B 其中P0-10001Hz]时的基准声压,即听阀声压,p0=2×10[pa 人耳能听到的听阀声压=2×10[pa], 产生疼痛的痛阀声压=20[pa]相差100万倍左右。 3声强I 单位时间、单位面积上通过的声能[W/m2 4声强级L一无因次参数 =10lg ∥[dB 其中l0-1000Hz时的基准声强,L0=102Wm2 5声功率W 声源在单位时间内所辐射的总能量[W] w=f., ds 其中S一包围声源的封闭面面积;ln一声强在微元面积ds法线方向的分量。 (1)在自由场中,声波球面辐射,则 球 22[Wm 4 (2)在开阔地面上,声波半球面辐射,则
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 60 ― 第五章 发动机噪声及排放污染 噪声: 汽车的主要噪声源 — 发动机。 汽油机的主要噪声源 — 风扇噪声和配气机构噪声。 柴油机的主要噪声源 — 燃烧噪声。 柴油机的噪声比汽油机的大。 排放: 汽油机的 CO、 NOx 和 HC 排放比柴油机的多， 柴油机的炭粒排放比汽油机的多。 §5-1 发动机噪声污染及防治 GB规定: 城市噪声声压级白天 — Lp 42 [ dB ]，夜间 — Lp 37 [ dB ]。 一 噪声的评价指标 （一） 噪声的物理参数 1 声压 p 声波通过介质时，波峰处的压力升高量 [ pa ]。 2 声压级 Lp — 无因次参数 L p p p = 20 0 lg [ dB ] 其中 p0 — 1000 [ Hz ]时的基准声压，即听阀声压， p0 5 = 2 10− [ pa ]。 人耳能听到的听阀声压 = − 2 10 5 [ pa ]， 产生疼痛的痛阀声压 = 20 [ pa ]。相差 100 万倍左右。 3 声强 I 单位时间、单位面积上通过的声能 [ W/m 2 ] 。 4 声强级 LI — 无因次参数 L I I I = 10 0 lg [ dB ] 其中 I0 — 1000 [ Hz ]时的基准声强， L0 12 = 10− [ W/m 2 ]。 5 声功率 W 声源在单位时间内所辐射的总能量 [ W ]。 W I ds = s n 其中 S — 包围声源的封闭面面积； In — 声强在微元面积 ds 法线方向的分量。 （1） 在自由场中，声波球面辐射，则 I W r 球 = 4 2 [ W/m 2 ] （2） 在开阔地面上，声波半球面辐射，则
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 W 半球 6声功率级L一无因次参数 W 其中W一基准声功率,W=102[W 声压级L,声强级L和声功率级L1的范围均为0~120[dBl 7频率与频带 人耳能听到的声音频率范围为20~20,000Hz] 将其分为若干个频率段一频带或频程。 常用倍频程和1/3频程 倍频程的中心频率一31.5,63,125,250,500,1000,2000,4000,8000, 16000… 中心频率/中,上限频率∫上和下限频率∫下的关系为 下 频谱图—橫坐标频率(频带),纵坐标声压级Ln,声强级L或 声功率级Ln 主观评价一响度级 即使声压级相同,而频率不同,人耳所感受到的声音响度就会不同,主观 评价参数—响度级[方]([phon])。 以1000[Hz]的纯音为基准声音,当某噪声的响度与某声压级的纯音响度 相同时,则该纯音的声压级[dB]即为该噪声的响度级[phon]。 H++ 200400800Hz2kHz3 频率 如图的ISO等响曲线由大量试验得出
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 61 ― I W r 半球 = 2 2 [ W/m 2 ] 6 声功率级 Lw — 无因次参数 L W W w = 10 0 lg [ dB ] 其中 W0 — 基准声功率， W0 12 = 10− [ W ]。 声压级 Lp ，声强级 LI 和声功率级 Lw 的范围均为 0～120 [ dB ]。 7 频率与频带 人耳能听到的声音频率范围为 20～20,000 [ Hz ]。 将其分为若干个频率段 — 频带或频程。 常用倍频程和 1/3 频程。 倍频程的中心频率 — 31.5，63，125，250，500，1000，2000，4000，8000， 16000… 中心频率 f 中 ，上限频率 f 上 和下限频率 f 下 的关系为 f 上 = 2 f 中 ； f 下 = f 中 1 2 ； f上 = 2 f下。 频谱图 — 横坐标: 频率 （ 频带 ），纵坐标: 声压级 Lp ，声强级 LI 或 声功率级 Lw。 （二） 主观评价 — 响度级 即使声压级相同，而频率不同，人耳所感受到的声音响度就会不同，主观 评价参数 — 响度级 [ 方 ] （ [ phon ] ） 。 以 1000 [ Hz ] 的纯音为基准声音，当某噪声的响度与某声压级的纯音响度 相同时，则该纯音的声压级 [ dB ] 即为该噪声的响度级 [ phon ]。 如图的 ISO 等响曲线由大量试验得出
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 1100Hz以下的噪声 虽然声压级[dB]较高,但响度级[phon]却低,人耳不敏感 低频、低声压级[dB]的噪声,人耳听不到。 2同一声压级[dB]下,人耳对频率为3000~4000Hz的噪声(波谷)最为敏 感 其响度级[phon]最高。 3声压级高于100[dB]时,等响曲线平缓,响度级[phon]仅与声压级[dB] 有关,而与频率[Hz]几乎无关。说明对于高[dB]的噪声,人耳已分辨不 出高、低频了 发动机噪声分析 (一)车辆噪声源 与发动机转速n有关的噪声源 进、排气噪声;旋转件噪声一风扇,空气压缩机,发电机和空调等。 2与车速有关的噪声源 传动噪声一变速器,传动轴等;空气动力噪声一轮胎噪声,车体噪声 等 发动机噪声源一主要噪声源 1直接传向大气的噪声源 进、排气噪声和风扇噪声等一属于空气动力噪声。 2发动机表面辐射噪声源 由发动机零部件的机械振动引起。 (1)燃烧噪声 △p ↑,Pmx,还与发动机零部件的强度、刚度有关。 △q (2〕机械噪声一发动机零部件之间的间隙撞击和零部件弹性变形,导致零 部 件振动引起。 发动机噪声的防治 (一)降低燃烧噪声 采用油膜蒸发型混合气形成方式M过程→,pm 2尽量使啧油先缓后急一推迟喷油开始时刻→△P pr max vo 3使用十六烷值高的燃料→r;。 (二)加强结构强度 加固主轴承,多加和加固加强筋。 (三)采用隔声罩壳
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 62 ― 1 100 Hz 以下的噪声， 虽然声压级 [ dB ] 较高，但响度级 [ phon ]却低，人耳不敏感。 低频、低声压级 [ dB ] 的噪声，人耳听不到。 2 同一声压级 [ dB ]下，人耳对频率为 3000～4000 Hz 的噪声（波谷） 最为敏 感， 其响度级 [ phon ] 最高。 3 声压级高于 100 [ dB ] 时，等响曲线平缓，响度级 [ phon ] 仅与声压级 [ dB ] 有关，而与频率 [ Hz ] 几乎无关。说明对于高 [ dB ] 的噪声，人耳已分辨不 出高、低频了。 二 发动机噪声分析 （一） 车辆噪声源 1 与发动机转速 n 有关的噪声源 进、排气噪声；旋转件噪声 — 风扇，空气压缩机，发电机和空调等。 2 与车速有关的噪声源 传动噪声 — 变速器，传动轴等；空气动力噪声 — 轮胎噪声，车体噪声 等。 （二） 发动机噪声源 — 主要噪声源 1 直接传向大气的噪声源 进、排气噪声和风扇噪声等 — 属于空气动力噪声。 2 发动机表面辐射噪声源 由发动机零部件的机械振动引起。 （1） 燃烧噪声 — p ， pmax ，还与发动机零部件的强度、刚度有关。 （2） 机械噪声 — 发动机零部件之间的间隙撞击和零部件弹性变形，导致零 部 件振动引起。 三 发动机噪声的防治 （一） 降低燃烧噪声 1 采用油膜蒸发型混合气形成方式 — M 过程 → p ， pmax 。 2 尽量使喷油先缓后急 — 推迟喷油开始时刻 → p ， pmax 。 3 使用十六烷值高的燃料 → i 。 （二） 加强结构强度 加固主轴承，多加和加固加强筋。 （三） 采用隔声罩壳
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 材料:钢板、玻璃纤维和其它消声材料。 部位:曲轴箱侧壁和排气总管 (四)采用排气消声器 排气消声器一声滤波器,随频率变化 1阻性消声器一主要用于小轿车 声学性能主要取决于声吸收构造和材料的流动阻力。降低噪声的频带较广 2抗性消声器一主要用于载货汽车 声学性能主要取决于消声器的几何形状,造成排气声能阻抗失配。阻抗失 配使部分声能在消声器内来回反射震阻碍向外辐射。 3阻抗复合式消声器一用于各种汽车 以抗性消声器为基础,同时采用吸声材料,可使排气噪声大幅度降低。 (五)低噪声发动机设计 在满足基本性能的前提下,按降声原理设计结构参数。 §5-2发动机排放污染及防治 发动机的污染源 排气污染一占发动机总污染量的65~85% 一氧化碳CO 2氮氧化合物NO 3碳氢化合物HC 4燃料液滴和炭粒 5各类铅、硫化合物 (二)曲轴箱通风污染一占发动机总污染量的20%左右 主要是碳氢化合物HC。 (三)汽油箱通风污染一占发动机总污染量的5%左右 主要是碳氢化合物HC。 (四)化油器浮子室及油泵接头处的泄漏污染一占发动机总污染量的 5~10% 主要是碳氢化合物HC。 (五)含铅、磷汽油所形成的铅、磷污染 本课程只讨论第一项一发动机的排气污染。 发动机排放污染物的形成、危害和防治 氧化碳CO 1形成 C+O→CO[+O]→>CO2 [中间产物] 产生的原因是缺氧
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 63 ― 材料: 钢板、玻璃纤维和其它消声材料。 部位: 曲轴箱侧壁和排气总管。 （四） 采用排气消声器 排气消声器 — 声滤波器，随频率变化。 1 阻性消声器 — 主要用于小轿车 声学性能主要取决于声吸收构造和材料的流动阻力。降低噪声的频带较广。 2 抗性消声器 — 主要用于载货汽车 声学性能主要取决于消声器的几何形状，造成排气声能阻抗失配。阻抗失 配使部分声能在消声器内来回反射震阻碍向外辐射。 3 阻抗复合式消声器 — 用于各种汽车 以抗性消声器为基础，同时采用吸声材料，可使排气噪声大幅度降低。 （五） 低噪声发动机设计 在满足基本性能的前提下，按降声原理设计结构参数。 §5-2 发动机排放污染及防治 一 发动机的污染源 （一） 排气污染 — 占发动机总污染量的 65～85% 1 一氧化碳 CO 2 氮氧化合物 NOx 3 碳氢化合物 HC 4 燃料液滴和炭粒 5 各类铅、硫化合物 （二） 曲轴箱通风污染 — 占发动机总污染量的 20%左右 主要是碳氢化合物 HC。 （三） 汽油箱通风污染 — 占发动机总污染量的 5%左右 主要是碳氢化合物 HC。 （四） 化油器浮子室及油泵接头处的泄漏污染 — 占发动机总污染量的 5～10% 主要是碳氢化合物 HC。 （五） 含铅、磷汽油所形成的铅、磷污染 本课程只讨论第一项 — 发动机的排气污染。 二 发动机排放污染物的形成、危害和防治 （一） 一氧化碳 CO 1 形成 C + O → CO [ + O ] → CO 2 [ 中间产物 ] 产生的原因是缺氧
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 汽油机上—α1,但局部过浓的混合气 2危害 煤气中毒一人体血液中的血红素对CO的亲和力比对O2的高,引起含CO 的血红素所占比例增高,造成人体缺氧室息 3防治 (1)稀薄燃烧与高能点火 使混合气的α个,而又能够正常燃烧。 (2)缩小燃烧室的激冷区 激冷区—燃烧室中由两个以上冷表面构成的狭窄空间,如挤气间隙。 激冷效应一靠近激冷区的可燃混合气,热损失过多而不能着火 缩小燃烧室的激冷区→燃烧易于完全→CO↓ (二)氮氧化合物MO 1形成 (1)燃烧温度高 (2)高温持续时间长 (3)火焰前锋面中氧气的浓度高 产生的原因是高温。 2危害 (1)与肺中的水蒸汽粘合而形成稀硝酸,引起肺水肿和肺气流阻力明显上升。 (2)与HC反应生成光化学过氧化物,是光化学烟雾的主要成分。 3防治 (1)降低压缩比ε→>缸内温度↓→>NO3。 (2)减小点火提前角θ→缸内温度↓→NO。 (3)废气再循环,缸内喷水,采用乳化油,以或a↑→>缸内温度↓→NO1↓。 (4)分层燃烧→降低混合气的均匀性→缸内温度↓→丶NO↓。 5)加强燃烧室内气流运动丶混合气混合、燃烙迅速→>高温持续时间 NO↓。 (三)碳氢化合物HC 1形成 (1)局部混合气过浓或过稀使氧化反应减慢,热损失相对增加,不能着火。 (2)某微小单元的混合气面容比大,热损失大,不能着火 (3)激冷效应。 2危害 (1)34苯并芘一致癌物质。 (2)苯甲醛和丙烯醛一强烈刺激眼睛和呼吸器官 (3)光化学烟雾的主要成分
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 64 ― 汽油机上 — 1，但局部过浓的混合气。 2 危害 煤气中毒 — 人体血液中的血红素对CO 的亲和力比对 O 2 的高，引起含CO 的血红素所占比例增高，造成人体缺氧窒息。 3 防治 （1） 稀薄燃烧与高能点火 使混合气的 ，而又能够正常燃烧。 （2） 缩小燃烧室的激冷区 激冷区 — 燃烧室中由两个以上冷表面构成的狭窄空间，如挤气间隙。 激冷效应 — 靠近激冷区的可燃混合气，热损失过多而不能着火。 缩小燃烧室的激冷区 → 燃烧易于完全 → CO。 （二） 氮氧化合物 NOx 1 形成 （1） 燃烧温度高 （2） 高温持续时间长 （3） 火焰前锋面中氧气的浓度高 产生的原因是高温。 2 危害 （1） 与肺中的水蒸汽粘合而形成稀硝酸，引起肺水肿和肺气流阻力明显上升。 （2） 与 HC 反应生成光化学过氧化物，是光化学烟雾的主要成分。 3 防治 （1）降低压缩比 → 缸内温度 → NOx 。 （2）减小点火提前角 → 缸内温度 → NOx 。 （3）废气再循环，缸内喷水，采用乳化油， 或 → 缸内温度 → NOx 。 （4）分层燃烧 → 降低混合气的均匀性 → 缸内温度→ NOx 。 （5）加强燃烧室内气流运动→混合气混合、燃烧迅速→高温持续时间 → NOx 。 （三） 碳氢化合物 HC 1 形成 （1） 局部混合气过浓或过稀使氧化反应减慢，热损失相对增加，不能着火。 （2） 某微小单元的混合气面容比大，热损失大，不能着火。 （3） 激冷效应。 2 危害 （1） 3.4 苯并芘 — 致癌物质。 （2） 苯甲醛和丙烯醛 — 强烈刺激眼睛和呼吸器官。 （3） 光化学烟雾的主要成分
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 3防治 (1)降低压缩比ε→膨胀冲程中燃烧室壁面温度和排气温度↑→HC↓。 (2)改善燃烧室形状,降低面容比→散热损失↓→≯HC↓。 3)稀薄燃烧与高能点火→燃烧完全程度↑→HC↓。 (4)减小点火提前角θ→丶HC在膨胀和排气冲程中燃烧掉。 (5)缩小燃烧室的激冷区丶燃烧易于完全→HC↓ 6)加强燃烧室内气流运动→丶混合气混合、燃烧完全≯HC。 (7)曲轴箱强制通风 HC一空气滤清器→进气管→缸内再燃烧 (四)燃料液滴和炭粒 1燃料液滴 柴油机冷起动或低负荷运行时冒蓝、白烟。蓝、白烟之间没有严格的成分 差异,均为燃料液滴或水蒸汽,只是微粒的直径不同而对光线的反射不同而已。 2炭粒 柴油机高负荷运行时冒黑烟。 (1)形成 缺氧,致使燃烧中间产物C-C,HC裂化,再聚合成炭粒。 柴油机缓燃期中形成最多。 (2)危害 A燃烧不完全→经济性↓,动力性↓。 B污染大气。 C炭粒沉积在活塞、燃烧室和排气门等零件表面,使运动件摩擦损失增大,甚 至卡死 (3)防治 A稀薄燃烧与髙能点火→燃烧完全程度↑丶炭粒、 B改善雾化质量→丶混合气混合、燃烧完全→炭粒↓。 C加强燃烧室内气流运动→丶混合气混合、燃烧完全→炭粒↓。 D改进发动机的结构和使用,加速混合气形成,提高燃烧速率 E采用乳化油→缸内温度↓→>中间产物的热裂反应明显减少。 F加入消烟添加剂一钡盐,但有毒。 G后期处理 小颗粒的炭粒经过静电、过饱和水蒸汽、超声波而聚合成较大颗粒的炭粒, 再通过除尘过滤器予以净化
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 65 ― 3 防治 （1） 降低压缩比 → 膨胀冲程中燃烧室壁面温度和排气温度→ HC。 （2） 改善燃烧室形状，降低面容比 → 散热损失 → HC。 （3） 稀薄燃烧与高能点火 → 燃烧完全程度→ HC。 （4） 减小点火提前角 → HC 在膨胀和排气冲程中燃烧掉。 （5） 缩小燃烧室的激冷区 → 燃烧易于完全 → HC。 （6） 加强燃烧室内气流运动 → 混合气混合、燃烧完全 → HC。 （7） 曲轴箱强制通风 HC — 空气滤清器 → 进气管 → 缸内再燃烧。 （四） 燃料液滴和炭粒 1 燃料液滴 柴油机冷起动或低负荷运行时冒蓝、白烟。蓝、白烟之间没有严格的成分 差异，均为燃料液滴或水蒸汽，只是微粒的直径不同而对光线的反射不同而已。 2 炭粒 柴油机高负荷运行时冒黑烟。 （1） 形成 缺氧，致使燃烧中间产物 C-C，H-C 裂化，再聚合成炭粒。 柴油机缓燃期中形成最多。 （2） 危害 A 燃烧不完全 → 经济性，动力性。 B 污染大气。 C 炭粒沉积在活塞、燃烧室和排气门等零件表面，使运动件摩擦损失增大，甚 至卡死。 （3） 防治 A 稀薄燃烧与高能点火 → 燃烧完全程度→ 炭粒。 B 改善雾化质量 → 混合气混合、燃烧完全 → 炭粒。 C 加强燃烧室内气流运动 → 混合气混合、燃烧完全 → 炭粒。 D 改进发动机的结构和使用，加速混合气形成，提高燃烧速率。 E 采用乳化油 → 缸内温度 → 中间产物的热裂反应明显减少。 F 加入消烟添加剂 — 钡盐，但有毒。 G 后期处理 小颗粒的炭粒经过静电、过饱和水蒸汽、超声波而聚合成较大颗粒的炭粒， 再通过除尘过滤器予以净化