汽車環(huán)保技術(shù)進(jìn)展.ppt

1,汽車環(huán)保技術(shù)進(jìn)展 北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院 李興虎 （E-mail：lxh, Tel 報告內(nèi)容 汽車行業(yè)概況 汽車的環(huán)境危害 汽車面臨的主要環(huán)境問題 汽車環(huán)境問題的主要對策簡介 總結(jié),報告時間：2009-3-6（星期五）下午：2：304：30 報告地點：主M102,2,1、 汽車行業(yè)概況 1.1 汽車的社會角色 代步和運輸工具 流動辦公室和家 文化生活的一部分 國家或地區(qū)的現(xiàn)代化程度標(biāo)志,3,1.2 汽車工業(yè)的特點 支柱產(chǎn)業(yè) 資金和技術(shù)密集 規(guī)模效益明顯 產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度大,4,上游產(chǎn)業(yè)：鋼鐵、有色金屬、電力、塑料、橡膠、紡織、皮革、化工、電子、電器、機(jī)床等； 下游產(chǎn)業(yè)： 筑路、運輸、石油、汽車維修和營銷、保險、加油站、停車場等服務(wù)行業(yè)。 汽車制造業(yè)每增值1元錢，上游產(chǎn)業(yè)增值0.6元，下游增值2.67元。,產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度大(零件數(shù)23萬),5,支柱產(chǎn)業(yè) “1999年全球500強”中，汽車業(yè)占據(jù)23席；在排名的前10位 中，汽車公司占4位，前1至3名均是汽車公司。 “2007年度全球500強企業(yè)”前十名中，通用位居第五名；豐田 居第六名，上汽集團(tuán)第402;一汽集團(tuán),第385位。 國家發(fā)展改革委 (2007.9.22 )宣布:中國與汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)的就業(yè) 人數(shù)，已經(jīng)占到了社會就業(yè)總?cè)藬?shù)的1/6 2007年，我國汽車產(chǎn)量達(dá)888萬輛，占全世界份額的1/8，汽 車工業(yè)總產(chǎn)值已經(jīng)超過了2萬億元（2007年全年中國GDP為 24.6619萬億元 ）。,6,7,高新技術(shù)載體 2000年，汽車平均CPU數(shù)量 35個；CPU逐漸發(fā)展到 32位機(jī) 汽車上已裝有上百個各類傳感器 汽車電子產(chǎn)品的成本在整個汽車制造成本中所占 的比例平均已達(dá)到30%左右 某些高檔汽車上使用的CPU個數(shù)甚至上百個，占整 個汽車制造成本的比例達(dá)70%左右,8,1.3 汽車的產(chǎn)量及保有量的有關(guān)數(shù)據(jù),2006年 世界汽車產(chǎn)量 6834.03萬輛, 保有量2006年底8.5億輛 保有量大國：美國：25141.5萬輛, 日本7923.6萬輛 幾個汽車大國的產(chǎn)量: 日本 1148萬輛; 美國 1126萬輛; 中國 728萬輛; 德國 540萬輛 中國： 2007年 汽車產(chǎn)、銷量：888.2、879.2萬輛 汽車保有量為5696萬輛，僅占世界保有總量的6.7%。 我國每10人擁有汽車約0.44輛（全球平均約1.35輛，0.13513=1.755） 2008年 汽車產(chǎn)、銷量：934.51、938.05萬輛 汽車保有量6467.21萬輛,9,有害排放: CO,HC,NOX, PM 交通噪聲 電波公害 水質(zhì)、土壤等污染 CO2、氟氯烴等溫室氣體,2 汽車的環(huán)境危害,10,2.1 對大氣環(huán)境的主要危害：溫室效應(yīng)、臭氧層破壞和酸雨 主要由汽車排放的CO2、硫化物SOx（指一氧化硫和二氧化硫）、氮氧化物NOx（指一氧化氮和二氧化氮）、氟氯烴等產(chǎn)生；,11,2.2 柴油車的微粒PM PM 可溶性組分（SOF）不可溶性組分（IOF）,SAE2000-01-0473,12,微粒物中PAHs的排放量（9） / g/（kWh）,13,2.3 光化學(xué)煙霧（photochemical smog） 光化學(xué)煙霧：指HC和NOx在太陽紫外線作用下產(chǎn)生的一種具有刺激性的淺藍(lán)色煙霧。它包含有臭氧(O3)、醛類、硝酸酯類（PAN）等多種復(fù)雜化合物。 發(fā)生條件：逆溫層、低風(fēng)速（空氣接近停滯狀態(tài)）、陽光充足 光化學(xué)煙霧的主要危害 第一：甲醛、過氧化苯甲醛酰硝酸酯（PBzN）、PAN和丙烯醛刺激眼睛 第二：損害有機(jī)物和植物等（如橡膠、棉布、尼龍和聚酯等）。 第三，影響呼吸系統(tǒng)，使哮喘病增多。 第四，臭氧引起的胸部壓縮、刺激粘膜、頭痛、咳嗽、疲倦等癥狀,14,例如：C3H6,或, 光化學(xué)煙霧的主要化學(xué)反應(yīng),15,噪聲危害: 引起人體的生理改變和損傷，對心理、生活和工作產(chǎn)生不利影響。使人聽力減弱、視覺功能下降、神經(jīng)衰弱、血壓變化和產(chǎn)生胃腸道消化功能障礙，影響人的睡眠、談話、學(xué)習(xí)、工作和情緒等。 車輛噪聲的特點: 中等強度，移動性, 影響范圍大，干擾時間長，受害人員多 大約為6090dB(decibel)。公共汽車為80dB左右，摩托車90dB左右。 實例：北京市2000年對303條, 總長485.36公里道路的監(jiān)測結(jié)果表明, 交通噪聲平均值為71.0dB, 其中城區(qū)、近郊區(qū)分別為68.1和72.6dB.,2.4 交通噪聲問題,16,3. 汽車面臨的主要環(huán)境問題 節(jié)能減排呼聲日益高漲 新環(huán)境保護(hù)法規(guī)不斷出臺 汽車排放標(biāo)準(zhǔn)逐步加嚴(yán) 能源、資源枯竭，威脅人類的可持續(xù)發(fā)展,17,Seong-Hyon Park（Hyundai Kia Motors）.HMCs Strategy for Future Powertrain with Refined and Confident Innovation. 20056002。The 18th Internal Combustion Engine Symposium Proceedings,如： 歐盟、日本和韓國的乘用車CO2限值,3.1 新的環(huán)境保護(hù)法規(guī)不斷出臺,18,自2007年1月1日起，歐盟各成員國政府將全面執(zhí) 行報廢車輛回收指令。 汽車制造廠商在歐盟國家上市新車時必須出具證 明，證明其投入市場的新款汽車的材料回收率至 少要占重量的85 可利用率至少為95，才能獲得市場準(zhǔn)入許可 證。,回收利用報廢汽車的要求更為嚴(yán)格,3R (Reduce,Reuse,Recycle)技術(shù),19,汽車廠商及進(jìn)口商對氟利昂、安全氣囊、ASR（粉 碎渣）必須進(jìn)行回收、循環(huán)利用和正確處理。 到2015年將ASR的回收再利用率提高到70%以上， 回收再利用率有望從法律施行前的80%提高到95% 以上。 利用電子清單對報廢車從回收到循環(huán)利用的整個流 程進(jìn)行管理。,2005.1.1日本開始執(zhí)行汽車回收再利用法,20,2006.2.26國家發(fā)展改革委、 科學(xué)技術(shù)部和國家環(huán)?？偩?發(fā)布了汽車產(chǎn)品回收利用技術(shù)政策 2010年起，所有國產(chǎn)及進(jìn)口的M2類和M3類、N2類和N3類車輛的可回收利用率要達(dá)到85左右，其中材料的再利用率不低于80；所有國產(chǎn)及進(jìn)口的M1類、N1類車輛的可回收利用率要達(dá)到80，其中材料再利用率不低于75。 2012年起，所有國產(chǎn)及進(jìn)口類和類車輛的可回收利用率要達(dá)到90左右，其中材料的再利用率不低于80。 2017年起，所有國產(chǎn)及進(jìn)口類和類車輛的可回收利用率要達(dá)到95左右，其中材料的再利用率不低于85,我國汽車產(chǎn)品回收利用的三個階段性目標(biāo),21,我國:國、 、 、實施時間依次為 00、04、07、10、12年,EU Emission Standards for Passenger Cars (Category M1*), g/km,3.2 汽車排放標(biāo)準(zhǔn)逐步加嚴(yán),22,EU Emission Standards for Passenger Cars (Category M1*), g/km,23,燃料電池汽車的Pt消耗量降低趨勢10,一般汽車催化器貴金屬的用量為每升載體1g, Pt/Rh比為5:1左右,（1）. 貴金屬的供求矛盾,3.3 資源問題,（2）. 汽車材料與土地資源,中國金屬資訊網(wǎng)貴金屬現(xiàn)貨報價 元/克 2009.2.12 鉑： 248.0/250.0；鈀： 55.0/57.0； 銠粉： 310.0/340.0 2008.3.17：鉑：500.0/502.0；鈀：127.0/129.0； 銠粉： 2410.0/2440.0 2007.1.08：鉑：290.5/292.5；鈀： 93.0/94.0； 銠粉：1615.0/1645.0 2005.9.01 鉑：240.5/242.5；鈀： 56.0/57.5； 銠粉： 639.0/660.0,24,世界主要化石燃料可開采年限預(yù)測,鈾為2001年數(shù)據(jù)，其余為2002年）,3.4 能源枯竭問題,25,13.6,(5.95l/100km),(7.35l/100km),26,總資源（理論地質(zhì)儲量）約1021億t(全球4138.38億噸 ) 至2005年底，可采儲藏量40億t；發(fā)現(xiàn)560個油田，建成 25個 2007年，生產(chǎn)原油1.87億t，可開采年限40/1.87=21.4 2006、 2007年石油表觀消費量（產(chǎn)量加上凈進(jìn)口量 ）分別 為 3.4655、 3.70167億噸；對外依存度 47.0和46.05,3.4.1 我國面臨的能源形勢-石油,27,3.4.2 我國面對的能源形勢-天然氣與煤,天然氣總資源量為47.04萬億m3(世界438.85萬億m3) 2006年, 累計探明天然氣可采儲量3.84萬億m3， 剩余可采儲量約為3.09萬億m3 . 已發(fā)現(xiàn)193個氣田，建成25個基地。 2006 、2007 、 2008年全國天然氣產(chǎn)量585.51億m3 、693.1億m3 ，（比06年增長23.1%）和760.82億m3（比07年相比增長12.3%）。 可開采年限 3.09/0.058551=52.7 我國煤儲藏量:6000億t(世界可采資源量:48400億t標(biāo)準(zhǔn)煤) 截至2006年底煤炭探明可采儲量1145億t 2006、 2007、2008年原煤產(chǎn)量分別為23.25、25.23億t和27.16億t 可開采年限 1145/25.23=45.4,28,4. 汽車環(huán)境問題的對策,29,日本2005年以降自動車排出規(guī)制対策技術(shù)10JAMA Deterioration purification,4.1 傳統(tǒng)汽油車的排放對策,30,31,12-cylinder Audi A8 L （November 25, 2003）,32,金屬載體催化器,汽油機(jī)的三效催化器,蜂窩陶瓷載體催化器,33,三效催化器的“窗口”,寬域與普通空燃比傳感器的控制精度比較,雙氧傳感器系統(tǒng),34,優(yōu)勢 分層、稀混燃燒，油耗低。 燃燒完全,有害排放少 混合氣溫度低，抗爆性及充氣效率高。 無進(jìn)氣道燃料粘附，過渡反應(yīng)性能良好,稀混合氣燃燒技術(shù) （GDI汽油機(jī)）,主要不足 所有工況下分層燃燒混控制困難； 大負(fù)荷時,容易產(chǎn)生碳煙； 分層燃燒區(qū)域NOx排放高； 噴油器易產(chǎn)生沉積物，機(jī)油會被稀釋； 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。,三種混合氣引導(dǎo)方式,35,吸附還原型催化器的原理,NO的控制方法,36,實例：源頭控制和后處理并用 本田公司ZLEV（Zero Level Emission Vehicle）排放控制系（1998年）。,本田公司的3階段排放控制系統(tǒng),絕熱層的低熱慣量金屬板沖壓排氣管，并且緊接其后安裝了1200孔in2的Pd型緊湊型催化器。 具有HC吸附功能和三效效催化功能的復(fù)合式主催化凈化催化器以及電加熱催化器EHC (Electrical Heated Catalyst)。 高精度EFI系統(tǒng)及空燃比分缸控制技術(shù)； 可變氣門相位和升程裝置及改善冷起動時燃燒過程的燃燒系統(tǒng)。,37,SAE-2006-01-0030-Diesel Emission Control,SAITO20060822World Trend of Exhaust Emission,4.2 傳統(tǒng)柴油車的排放對策,38,39,著火點當(dāng)量比4附近 碳煙生成于噴霧之中 NO產(chǎn)生于霧注外殼,柴油機(jī)的噴霧燃燒與排放,40,噴油壓力對柴油機(jī)煙度排放的影響,41,42,共軌燃油系統(tǒng)的多次噴射技術(shù) 超前預(yù)噴射（pilot injection）和前噴射（pre-injection）：減少噪聲； 高壓初期噴射的目的：減少噪聲和NOx排放； 高壓噴射過程：用于控制PM的生成和改善燃燒； 后噴射的目的：減少PM和控制PDF裝置； 后補噴射（post injection）的目的：控制NOx的催化凈化。,43,顆粒過濾器 DPF的過濾效率：車輛行駛每單位里程或單位時間在過濾器中收集到的顆粒質(zhì)量 與車輛行駛每單位里程或單位時間進(jìn)入過濾器的顆粒質(zhì)量之比。 DPF的過濾效率一般應(yīng)不低于5080%。,44,PM在NO2和O2氛圍中的燃燒特性,45,四效催化器,DPNR（Diesel Particulate-NOx Reduction System）,46,四效催化凈化器,47,/topics/93/2.pdf#search=%E3%83%88%E3%83%A8%E3%82%BF%20DPNR,放大圖,48,NOx吸附凈化原理,Catalys-Based Diesel Particulate Filters and NOx Adsorbers,49,4.3 汽車的代用燃料 天然氣NG（CNG、 LNG、ANG， NGH), GTL(Gas To Liquid):重慶壓縮天然氣(CNG)汽車保有量目前已達(dá)4萬輛,全國共有CNG（壓縮天然氣）公交車20萬臺, LNG公交車700臺 液化石油氣LPG （Liquefied Petroleum Gas）: 廣州市6400臺LPG公交車和1.6萬臺LPG出租車 醇類燃料（包括甲醇、乙醇等）汽油醇 生物燃料(Bio Fuels) 植物油脂、乙醇等 煤及煤基油 CTL(Coal To Liquid) 二甲醚 氫氣,50,TOYOTA Prius,混合動力電動氣車HEV（Hybrid Electric Vehicle）,4.4 電動汽車,1-控制裝置總成 2，5- ECVT動力分配系統(tǒng)總成（無級變速） 3-鎳氫電池組 4-1NZ-FXE發(fā)動機(jī),51,2005年前世界混合動力電動氣車的銷售情況12,美國 2002年車型2種，銷量約10000輛，2005年車型11種，銷量約212000輛,預(yù)測2012年銷量約780000輛,2005年世界HEV市場 百分比分布 12,52,TOYOTA Prius混合動力車銷售情況/千輛,53,純電動汽車普及的困難,54,純電動汽車（ EVERY LE-DA62V ）購入后必須的設(shè)施 和5年內(nèi)的維護(hù)費用舉例,http:/www.env.go.jp/air/car/vehicles2003/htm/ele002.htm,(300+20+79+79+2+2+2)/91.3=5.3,55,FCEV組成示例34,燃料電池電動汽車FCEV（Fuel Cell Electric Vehicle）,燃料電池系統(tǒng),驅(qū)動電機(jī),氫氣瓶,二次電池,56,部分汽車制造商發(fā)布的 FCV限定銷售和市場銷售預(yù)定時間（2003年年末）,57,日本國內(nèi)FCV限定租賃銷售情況（2002.122004.310,本田公司2008年推出的上市版燃料電池車FCX Clarity 首批100輛在美國加利福尼亞州以租賃形式投放市場,58,HONDA FCX Clarity,59,2007,60,4.5 汽車使用中排氣污染的控制措施 4.5.1 環(huán)境友好的汽車使用方法示例 提高駕駛技巧: 經(jīng)濟(jì)車速，避免急加速和急速 停止無用的怠速 節(jié)制使用汽車空調(diào)，不妨把空調(diào)設(shè)定溫度提高1 保持良好的汽車技術(shù)狀況（如胎壓等） 安排好出行計劃，避免無用空駛 不加滿燃油，不加入過量機(jī)油 不裝載不必要行李（減重10%，可節(jié)油8%）,61,4.5.2 停止無用的怠速 “自動停止怠速和起動（automatic stop idling and start system）”的概念：指汽車在駐車、等待交通信號、乘客上下車、塞車等情況下，使汽車在停止（車速為零）時發(fā)動機(jī)也停止運轉(zhuǎn)，并且，當(dāng)汽車重新起步時又能正常起動的一種自動裝置。 作用：減少汽車怠速時的燃料消耗、產(chǎn)生噪聲和有害氣體（包括CO2）。 普通汽車怠速1分鐘、要消耗1毫升的燃料，排出 33g CO2。,62,ISS 的燃油（CO2 ）經(jīng)濟(jì)性的改善率 和 CO、NOx、HC 的減少率,豐田公司試驗結(jié)果：汽車燃油經(jīng)濟(jì)性提高了7% 五十鈴公司試驗結(jié)果：汽車燃油經(jīng)濟(jì)性提高14%,63,4.6 汽車噪聲的控制方法舉例,鑲嵌隔音材料的發(fā)動機(jī)底蓋,吸聲材料,排氣系統(tǒng)的消聲器,64,排水性道路降低汽車噪聲的機(jī)理,普通路面 聲音被反射,高性能路面 部分聲音被吸收,空氣進(jìn)入縫隙， 難以產(chǎn)生噪聲減少,改進(jìn)道路性能，設(shè)立隔、吸聲屏及林帶等,夾在輪胎溝槽和路面間的 空氣無處可逃，產(chǎn)生噪聲,65,4.7 HCCI技術(shù)節(jié)能排放的新希望 Homogeneous Charge Compression Ignition,發(fā)動機(jī)的燃燒方式（符號的意義：-差；-較好；-好）,66,HCCI內(nèi)燃機(jī)的燃燒特點,67,3 Kamimoto, T. and Bae, M. H. High temperature for the reduction of particulate in diesel engines. SAE Paper 880423, 1988. 4 Akihama, K., Takatori, Y., Inagaki, K., Sasaki, S. and Dean, A. M. Mechanism of the smokeless rich diesel combustion by reducing temperature. SAE Paper 2001-01-0655, 2001. 5 Ryan, T. W. and Callahan T. J. Homogeneous charge compression ignition of diesel fuel. SAE Paper 961160, 1996. 6 Hashizume, T., Miyamoto, T., Asaumi, Y. and Aoyagi,Y. Low smoke combustion using stratified charge compression ignition (in Japanese with English abstract).JSAE Trans., 2000, 31(3), 17- 23, Paper 20004340. 7 Kimura, S., Aoki, O., Kitahara, Y. and Aiyoshizawa, E. Ultra-clean combustion technology combining a lowtemperature and premixed combustion concept for meeting future emissions standards. SAE Paper 2001-01-200, 2001.,68,NOx生成少。 一是稀燃，火焰溫度低，難以生成NOx； 二是多點