第八章發(fā)動機噪聲及排放污染

第八章發(fā)動機噪聲及排放污染噪聲:汽車的主要噪聲源—發(fā)動機。汽油機的主要噪聲源—風(fēng)扇噪聲和配氣機構(gòu)噪聲。柴油機的主要噪聲源—燃燒噪聲。柴油機的噪聲比汽油機的大。排放:汽油機的HC、CO和NOx排放比柴油機的多，柴油機的微粒(PM)排放比汽油機的多。第一節(jié)發(fā)動機噪聲污染及防治

GB規(guī)定:城市噪聲聲壓級白天—

42[dB]

夜間—

37[dB]

一、噪聲的評價指標(biāo)（一）噪聲的物理參數(shù)

1、聲壓p:聲波通過介質(zhì)時，波峰處的壓力升高量[pa]。

2、聲壓級Lp—無因次參數(shù):

[dB]

其中P0—1000[Hz]時的基準(zhǔn)聲壓，即聽閥聲壓，P0=2×10-5[pa]。人耳能聽到的聽閥聲壓=2×10-5[pa]，產(chǎn)生疼痛的痛閥聲壓=20[pa]。相差100萬倍左右。3、聲強I

單位時間、單位面積上通過的聲能[W/m]。4、聲強級—無因次參數(shù)

[dB]

其中I0—1000[Hz]時的基準(zhǔn)聲強，

[W/m]。5、聲功率W

聲源在單位時間內(nèi)所輻射的總能量[W]。其中S—

包圍聲源的封閉面面積；

—

聲強在微元面積ds法線方向的分量。（1）在自由場中，聲波球面輻射，則

[W/m]

（2）在開闊地面上，聲波半球面輻射，則

[W/m]6、聲功率級—

無因次參數(shù)

[dB]

其中—

基準(zhǔn)聲功率，[W]。聲壓級，聲強級和聲功率級的范圍均為0～120[dB]。

7、頻率與頻帶人耳能聽到的聲音頻率范圍為20～20,000[Hz]。將其分為若干個頻率段—

頻帶或頻程。常用倍頻程和1/3頻程。倍頻程的中心頻率—31.5，63，125，250，500，1000，2000，4000，8000，16000…

中心頻率，上限頻率和下限頻率的關(guān)系為；；。頻譜圖—橫坐標(biāo):頻率（頻帶）縱坐標(biāo):聲壓級，聲強級或聲功率級。

（二）主觀評價—

響度級即使聲壓級相同，而頻率不同，人耳所感受到的聲音響度就會不同，主觀評價參數(shù)—

響度級[方]（[phon]）。以1000[Hz]的純音為基準(zhǔn)聲音，當(dāng)某噪聲的響度與某聲壓級的純音響度相同時，則該純音的聲壓級[dB]即為該噪聲的響度級[phon]。

如圖的ISO等響曲線由大量試驗得出

1、100Hz以下的噪聲，雖然聲壓級[dB]較高，但響度級[phon]卻低，人耳不敏感。低頻、低聲壓級[dB]的噪聲，人耳聽不到。

2、同一聲壓級[dB]下，人耳對頻率為3000～4000Hz的噪聲（波谷）最為敏感，其響度級[phon]最高。

3、聲壓級高于100[dB]時，等響曲線平緩，響度級[phon]僅與聲壓級[dB]有關(guān)，而與頻率[Hz]幾乎無關(guān)。說明對于高[dB]的噪聲，人耳已分辨不出高、低頻了。

二、發(fā)動機噪聲分析（一）車輛噪聲源

1、與發(fā)動機轉(zhuǎn)速n有關(guān)的噪聲源進、排氣噪聲；旋轉(zhuǎn)件噪聲—

風(fēng)扇，空氣壓縮機，發(fā)電機和空調(diào)等。

2、與車速有關(guān)的噪聲源傳動噪聲—

變速器，傳動軸等；空氣動力噪聲—

輪胎噪聲，車體噪聲等。

（二）發(fā)動機噪聲源—

主要噪聲源

1、空氣動力學(xué)噪聲—進、排氣噪聲和風(fēng)扇噪聲等。是直接傳向大氣的噪聲源。

2、燃燒噪聲—

，。還與發(fā)動機零部件的強度、剛度有關(guān)。

3、機械噪聲—

發(fā)動機零部件之間的間隙撞擊和零部件彈性變形，導(dǎo)致零部件振動引起。由發(fā)動機零部件的機械振動引起。

三、發(fā)動機噪聲的防治（一）降低燃燒噪聲

1、采用油膜蒸發(fā)型混合氣形成方式—M過程

，

。

2、盡量使噴油先緩后急—

推遲噴油開始時刻

，

。

3、使用十六烷值高的燃料

。

（二）加強結(jié)構(gòu)強度加固主軸承，多加和加固加強筋。（三）采用隔聲罩殼材料:鋼板、玻璃纖維和其它消聲材料。部位:曲軸箱側(cè)壁和排氣總管。

（四）采用排氣消聲器

1、阻性消聲器—

主要用于小轎車聲學(xué)性能主要取決于聲吸收構(gòu)造和材料的流動阻力。降低噪聲的頻帶較廣。

2、抗性消聲器—

主要用于載貨汽車聲學(xué)性能主要取決于消聲器的幾何形狀，造成排氣聲能阻抗失配。阻抗失配使部分聲能在消聲器內(nèi)來回反射震阻礙向外輻射。

3、阻抗復(fù)合式消聲器—

用于各種汽車以抗性消聲器為基礎(chǔ)，同時采用吸聲材料，可使排氣噪聲大幅度降低。（五）低噪聲發(fā)動機設(shè)計在滿足基本性能的前提下，按降聲原理設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)。

第二節(jié)發(fā)動機排放污染及防治

一、發(fā)動機的污染源（一）排氣污染—

占發(fā)動機總污染量的65～85%1、一氧化碳CO2、氮氧化合物NOx碳?xì)浠衔颒C4、燃料液滴和炭粒

5、各類鉛、硫化合物

（二）曲軸箱通風(fēng)污染—

占發(fā)動機總污染量的20%左右。主要是碳?xì)浠衔颒C。（三）汽油箱通風(fēng)污染—

占發(fā)動機總污染量的5%左右。主要是碳?xì)浠衔颒C。（四）化油器浮子室及油泵接頭處的泄漏污染—

占發(fā)動機總污染量的5～10%。主要是碳?xì)浠衔颒C。（五）含鉛、磷汽油所形成的鉛、磷污染本課程只討論第一項—

發(fā)動機的排氣污染。

二、發(fā)動機排放污染物的形成、危害和防治（一）一氧化碳CO

1、形成

C+O

CO[+O]

CO[中間產(chǎn)物]

產(chǎn)生的原因是缺氧。汽油機上—

<1的濃混合氣；柴油機上—

>1，但局部過濃的混合氣。

2、危害煤氣中毒—

人體血液中的血紅素對CO的親和力比對O的高，引起含CO的血紅素所占比例增高，造成人體缺氧窒息。

CO是一種無色無味的氣體，它和血液中輸送的載體血紅蛋白的親和力是氧的240倍。

CO與血紅蛋白結(jié)合生成羰基血紅蛋白，就剝奪了血紅蛋白對人體組織的供氧能力。空氣中CO的體積分?jǐn)?shù)超過0.1%時，就會導(dǎo)致人體中毒；超過0.3%時，則可在30min內(nèi)使人致命。3、防治（1）稀薄燃燒與高能點火使混合氣的

，而又能夠正常燃燒。（2）縮小燃燒室的激冷區(qū)激冷區(qū)—

燃燒室中由兩個以上冷表面構(gòu)成的狹窄空間，如擠氣間隙。激冷效應(yīng)—

靠近激冷區(qū)的可燃混合氣，熱損失過多而不能著火。縮小燃燒室的激冷區(qū)

燃燒易于完全

CO

。

（二）氮氧化合物NOx1、形成（1）燃燒溫度高（2）高溫持續(xù)時間長（3）火焰前鋒面中氧氣的濃度高.產(chǎn)生的原因是高溫富氧。內(nèi)燃機排放的氮氧化物大部分是一氧化氮NO，少量是二氧化氮NO2，一般NOx表示。

NO是無色氣體，本身毒性不大，但在大氣中緩慢氧化成NO2。

NO2呈褐色，具有強烈的刺激味，對肺和心肌有很強的毒害作用。

2、危害（1）與肺中的水蒸汽粘合而形成稀硝酸，引起肺水腫和肺氣流阻力明顯上升。（2）與HC反應(yīng)生成光化學(xué)過氧化物，是光化學(xué)煙霧的主要成分。

3、防治（1）降低壓縮比

缸內(nèi)溫度

NOx

。（2）減小點火提前角

缸內(nèi)溫度

NOx

。（3）廢氣再循環(huán)，缸內(nèi)噴水，采用乳化油，

或

缸內(nèi)溫度

NOx

。（4）分層燃燒

降低混合氣的均勻性

缸內(nèi)溫度

NOx

。（5）加強燃燒室內(nèi)氣流運動

混合氣混合、燃燒迅速

高溫持續(xù)時間

NOx

。

（三）碳?xì)浠衔颒C

1、形成（1）局部混合氣過濃或過稀使氧化反應(yīng)減慢，熱損失相對增加，不能著火。（2）某微小單元的混合氣面容比大，熱損失大，不能著火。（3）激冷效應(yīng)。

2、危害

HC包括未燃和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解和部分氧化產(chǎn)物，如烷烴、烯烴、芳香烴、醛、酮、酸等數(shù)百種成分。未然碳?xì)銱C的毒性取決于其中的成分及數(shù)量。

烷烴基本上無味，對人體健康不產(chǎn)生直接影響。

烯烴略帶甜味，有麻醉作用，對粘膜有刺激，經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化會變成對基因有毒的環(huán)氧衍生物。烯烴是與氮氧化物一起在太陽光的紫外線作用下形成有毒的“光化煙霧”的罪魁首之一。芳香烴對血液和神經(jīng)系統(tǒng)有害，特別是多環(huán)芳香烴（PAH）及其衍生物有致癌作用。

醛類是刺激性物南，對眼、呼吸道、血液有毒害。3、防治（1）降低壓縮比

膨脹沖程中燃燒室壁面溫度和排氣溫度

HC

。（2）改善燃燒室形狀，降低面容比

散熱損失

HC

。（3）稀薄燃燒與高能點火

燃燒完全程度

HC

。（4）減小點火提前角

HC在膨脹和排氣沖程中燃燒掉。（5）縮小燃燒室的激冷區(qū)

燃燒易于完全

HC

。（6）加強燃燒室內(nèi)氣流運動

混合氣混合、燃燒完全

HC

。（7）曲軸箱強制通風(fēng)

HC—

空氣濾清器

進氣管

缸內(nèi)再燃燒。

（四）燃料液滴和炭粒PM1、燃料液滴柴油機冷起動或低負(fù)荷運行時冒藍、白煙。藍、白煙之間沒有嚴(yán)格的成分差異，均為燃料液滴或水蒸汽，只是微粒的直徑不同而對光線的反射不同而已。

2、炭粒PM

柴油機高負(fù)荷運行時冒黑煙。

排氣中的微粒PM是指空氣稀釋、溫度降至52℃后用涂有聚四氟乙烯的玻璃纖維濾紙收集的除水以外的物質(zhì)。柴油機排出的微粒大多小于0.3μm，其主要成分是碳及其吸附的有機物質(zhì)。吸附物中有多種PAH，具有不同程度的致癌作用。（1）形成缺氧，致使燃燒中間產(chǎn)物C-C，H-C裂化，再聚合成炭粒。柴油機緩燃期中形成最多。（2）危害

A燃燒不完全

經(jīng)濟性

，動力性

。

B污染大氣。

C炭粒沉積在活塞、燃燒室和排氣門等零件表面，使運動件摩擦損失增大，甚至卡死。（3）防治

A稀薄燃燒與高能點火

燃燒完全程度

炭粒

。

B改善霧化質(zhì)量

混合氣混合、燃燒完全

炭粒

。

C加強燃燒室內(nèi)氣流運動

混合氣混合、燃燒完全

炭粒

。

D改進發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和使用，加速混合氣形成，提高燃燒速率。

E采用乳化油

缸內(nèi)溫度

中間產(chǎn)物的熱裂反應(yīng)明顯減少。

F加入消煙添加劑—

鋇鹽，但有毒。

G后期處理小顆粒的炭粒經(jīng)過靜電、過飽和水蒸汽、超聲波而聚合成較大顆粒的炭粒，再通過除塵過濾器予以凈化。

第五節(jié)排氣后處理為什么要采用排氣后處理？因為僅僅通過缸內(nèi)過程（內(nèi)燃機本身設(shè)計、工作過程優(yōu)化來降低污染物的排放，總有一定限度，不可能達到日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。因此，世界各國都先后開發(fā)排氣后處理技術(shù)，在不影響或少影響其他性能的同時，來降低污染物的排放。最成功排氣后處理裝置是：汽油機用的三效催化轉(zhuǎn)換器(TWC)，它使車用汽油機的CO、HC和NOx排放量削減了80%~90%，已成為發(fā)達國家汽油車的必備裝置。車用柴油機微粒捕集器(DPF)正在開發(fā)之中，已研制的樣品可降低柴油機微粒排放50%~80%，但技術(shù)上和經(jīng)濟上尚存在一系列問題，目前尚未大量推廣。此外，柴油機用的NOx催化器和三效催化轉(zhuǎn)換器也正在研究中。

一、三效催化轉(zhuǎn)換器三效催化轉(zhuǎn)換器可以同時凈化汽油排氣中的三種主要污染物CO、HC和NOx。

1、三效催化轉(zhuǎn)換器特性：只有在化學(xué)當(dāng)量燃燒時，也就是過量空氣系數(shù)φa=1時，三效催化轉(zhuǎn)換器才能實現(xiàn)同時凈化三種排放物的效果。因為NOx在催化劑上還原時，需要H2、CO和HC等作為還原劑。當(dāng)空氣過量（φa>1）時,這些還原劑首先與氧反應(yīng)，NOx的還原反應(yīng)就不能進行；當(dāng)空氣不足（φa<1）時，CO和HC則不能被完全氧化。因此，三效催化轉(zhuǎn)換器只能與排氣管中帶有φa傳感器反饋控制的汽油噴射發(fā)動機相配，才能很好起作用。2、溫度對催化劑轉(zhuǎn)化效率影響：除了φa外，溫度對催化劑的轉(zhuǎn)化效率也有很大影響。一般稱轉(zhuǎn)化效率為50%所對應(yīng)的溫度為催化劑的