第九章 内燃机排放污染与噪声

第九章内燃机排放污染与噪声汽车公害：汽车对公众生活造成的危害，包括排气污染、交通噪声、电波干扰、汽车废弃污染物的污染四个方面。排气公害：组成主要有CO、HC、NOX、SO2、铅化合物、碳烟、和油雾第一节汽车排放污染（一）汽车排放公害的成分一．排放成分和形成汽车排放污染物含量表8-1排放源排放污染物主要成分的含量（占污染物排放总量的百分数）COHCNOX排气管98~996598~99曲轴箱1~2251~2燃油系统0100来源

1.汽车发动机排出的燃烧产物；

2.发动机曲轴箱通风污染（主要是HC)；

3.燃料箱溢出的汽油蒸汽1.一氧化碳CO一氧化碳是当发动机发动机供给的混合气中的空气不足，燃烧不完全的产物。危害：CO是无色、无味、无臭的窒息性易燃有毒气体。CO易与人体中的血红素结合，降低血液输氧能力而引起缺氧。人体大量吸入CO，会恶心、头晕、疲劳，严重时使人窒息死亡。美国、日本的大气污染物中的一氧化碳有95％～99％来自汽车。2.碳氢化合物HC碳氢化合物是发动机燃烧不彻底所剩余燃料分解出来的有害废气，汽油机燃料供给系统也有挥发的碳氢化合物。碳氢化合物成分非常复杂，包括多种烃类化合物。美国和日本的大气污染物中的碳氢化合物有60～90％来自汽车。汽车排放中的HC与NOx一样是生成光化学烟雾的参与物质。3.氮氧化合物NOx氮氧化物有：NO,NO2,N2O,N2O3,N2O4,NO3等。造成空气污染的主要是NO和NO2，统称NOx。NO：无色、无味的气体，稍溶于水，一般空气中的NO对人体无害。NO2：一种褐色的刺激性很强的污染性气体，具有腐蚀性和生理刺激作用，能降低远方物体的亮度和反差，同时又是形成光化学烟雾的主要物质。近地面的NOx主要来自机动车的排放。一些发达国家氮氧化物已成为主要污染源，如英国伦敦、美国洛杉矶、德国慕尼黑等。4.颗粒汽车排放有害成分对人体和环境的影响一氧化碳（CO）碳氢化合物（HC）氮氧化合物（NOX）微粒影响与血液中的血红蛋白结合，使血液携带氧的能力降低引起缺氧高浓度的HC对粘膜和组织有破坏；在紫外光照射下和NOX反应生成光化学烟雾，对眼、鼻和咽喉粘膜有较强的刺激作用；严重时可致癌NO2能刺激眼、鼻粘膜，麻痹嗅觉，甚至引起肺气肿；NOX与HC在紫外光照射下反应生成光化学烟雾硅：矽肺镉铅：中毒铅锌：中毒碳粉：癌症光化学烟雾事件20世纪60年代起，汽车保有量剧增，造成对大气的污染。其特点不仅是流动污染源，而且数量很大，在居民稠密处散发，常易造成局部地区污染物浓度过高，危害人体。汽车排放成了大气污染的主要污染源，进入“光化学烟雾”时期。美国洛杉机成为世界上第一个受到光化学烟雾危害的城市！洛杉机光化学烟雾事件洛杉矶处北太平洋沿岸，西面临海，其他三面环山，形成一个盆地。空气在水平方向流动缓慢，每年约有300天从西海岸到夏威夷群岛的北太平洋上空出现逆温层，像盖子一样压在洛杉矶上空，使光化学烟雾容易形成和蓄积起来，扩散不开。洛杉机光化学烟雾事件洛杉矶美国第三大城市，汽车保有量剧增。20世纪60年代每天有1000多吨碳氢化合物，500吨氮的氧化物和4000多吨一氧化碳排入大气中，约占全部大气污染物的70％。洛杉机光化学烟雾事件1943年以来，每年5月至10月期间经常出现烟雾几天不散的严重污染，前后经过七八年。1955年9月，由于大气污染和高温，使烟雾的浓度高达0．65ppm。在两天里，65岁以上的老人死亡四百余人，为平时的三倍多。许多人眼睛痛、头痛、呼吸困难。到20世纪50年代，人们才发现洛杉矶烟雾是由汽车排放物造成的。汽油、柴油机排气公害特点

汽油机主要是CO、HC、和NOX；柴油机的CO和HC排放量要比汽油机少得多，而碳烟的成分远高出汽油机，同时NOX的排气量也较多。CO：不完全燃烧的产物，混合气过浓，空气不充分等；

当燃料在供给的空气不充足的条件下燃烧时，便产生不完全燃烧而生成CO。此外，若燃烧后的温度很高，会使已经形成的CO2分解成CO和O2。所以排气中总会有CO存在。

HC：燃料未燃烧，混合气过浓、过稀，点火能量不足、过迟；

NOx：高温、富氧的条件下生成。在发动机排出的氮氧化物中，NO占绝大部分（约占99％），而NO2的含量较少（约占1％）,当废气排放到大气中后，部分NO与空气中的氧相结合又生成NO2，因此被汽车污染的大气同时存在着NO和NO2。NO的形成机理比较复杂，迄今尚无定论。一般认为是链式反应的产物。（二）汽车排放的形成CO的形成1）混合气：混合不均匀或分配不均，造成局部缺O2，会产生少量CO。HC的形成:

除了泄露、逸出之外，其主要原因是燃烧不完全产生的。对于四冲程发动机：

(2)激冷面温度过低，火焰传不到，反应终止，HC化合物随废气排出。

(3)狭缝的熄焰效应，可燃混合气不能燃烧。

对于二行程发动机，由于扫气作用，HC排出。微粒(PM）的形成柴油机排出的微粒物一般要比汽油机高30~80倍，通常用PM(ParticulateMatter）表示。一般来说，柴油机的微粒由三部分组成，即炭烟、可溶性有机成分和硫酸盐。炭烟的形成

炭烟的形成一般认为是燃油在高温缺氧的情况下进行燃烧，致使燃烧中间产物C-C、C-H裂化聚合成碳粒，这些碳粒氧化速度较慢，抑制着燃烧过程进行，使燃烧时间拖长。未燃碳粒一般还能在随后的燃烧中找到空气进一步燃烧。但如果空气不足或混合不好，则炭粒不能燃烧而聚合成炭烟或附于气缸内壁或随废气排入大气，形成柴油机特有的炭烟现象。二、使用因素对排气污染物浓度的影响（一）发动机混合气浓度的影响当混合气处于比理论混合气（其空燃比A/F=14.7）浓的范围内时，随着空燃比的下降，CO和HC的浓度增加，NOX的浓度下降。当混合气处于比理论混合气稀的范围内时，随着空燃比的增加，HC增加，NOX减少，理论上不会产生CO，但实际上由于混合气混合不均匀，以及CO2在高温下的分解，因此仍有少量的CO生成。（二）发动机负荷的影响1．负荷对汽油机排气污染物的影响在发动机大负荷和全负荷时，燃烧不完全，生成的CO量增多；中等负荷时，混合气变稀，燃烧效率高，CO和HC排放量减少，而NO增多；怠速和小负荷时，NO排放量减少，而CO和HC显著增多。（三）发动机转速的影响汽油机怠速运转时，由于混合气过浓，燃烧不充分，CO和HC排放量较大，提高怠速转速可使CO和HC量下降。当发动机的转速增加时，HC和CO含量减少。而HC排放量在高速时，由于燃烧时间短，易于产生未燃烃使HC含量增加。（四）点火时刻的影响

点火时刻对HC排放浓度的影响

从图中可以看出，推迟点火时间，HC的排放将减少，这是因为点火时刻推迟后，在燃烧室内的燃烧时间将缩短，由于后燃，将使排气温度上升，促进了HC和CO的后氧化。另外由于燃烧时降低了气缸的面容比，使燃烧室内的淬冷面积减小，使排出的HC减少。点火滞后时，由于混合气进人排气管后继续燃烧，提高了排气系统温度，使废气中的HC浓度减小。

（四）点火时刻的影响

点火时刻对NO排放浓度的影响

点火时刻对NOx、HC浓度的影响很大，如图所示。由图可以看出，无论在任何转速和负荷条件下，增加点火提前角，均使NO的排放浓度增加。这是因为点火提前角增大时，循环压力和燃烧温度提高，废气中NOx的浓度随之增大；反之，NOx浓度减少。（五）汽车运行工况的影响汽车在减速和停车工况下，汽油机排气中HC和CO浓度较大。汽车加速使发动机转速较高时，NO浓度明显增大。强制怠速（即发动机制动）工况：汽油发动机节气门开度小，CO、HC浓度都很高。（六）温度的影响1．冷却液温度的影响冷却液温度升高时，排出的HC减少，这种情况在过量空气系数

较大时尤为明显。NOX排放量随着冷却液温度的升高而增加。2．进气温度的影响随着进气温度的提高，NOX和CO的含量增加，HC的浓度减小，在HC浓度最小处NOX达到最大值。三、汽车排放污染物的控制（一）设计措施1．改进发动机结构，改善发动机的燃烧过程从有害气体的生成机理出发，对发动机的燃烧方式本身进行改进，抑制其有害气体成份的产生，使排出的废气尽可能变得无害，采取这种措施，被认为是治理汽车发动机排气公害的根本方法。

2．提高油品质量使用清洁燃油3．选用恰当的润滑剂－机械摩擦改进剂4．开发新能源，生产零排放汽车在机油中添加一定量（比例为3%~5%）石墨、二硫化铝和聚四氟乙烯等固体添加剂，可节约发动机燃油5%左右，同时可使发动机气缸密封性大大改善。目前，我国车用燃料中的平均含硫含量在500－2000ppm之间，而欧美已达到低于150ppm的水平。

1)曲轴箱强制通风装置(PCV)positivecrankcaseventilation

将窜入曲轴箱内的混合气引入气缸内燃烧掉。5．采用汽车排气净化技术2)排气再循环(EGR)系统exhaustgasre-circulation目前用于降低NOx排放的种有效措施。它是将一部分排气引入进气管与新混合气混合后进入气缸燃烧，从而实现再循环。可使燃烧温度下降，抑制NOx生成。3）燃油蒸发污染物排放控制装置evaporativeemissioncontrolsystem限制燃油蒸发气体直接排入大气，避免对大气的污染，并把它重新引入气缸进行燃烧。它是利用活性炭吸附原理，在汽油蒸气散入大气之前，用活性炭加以吸附，然后在发动机工作时，根据各种运行工况，由进气管真空度控制碳罐上的脱附阀的开启，来控制汽油蒸气的脱附，活性炭罐内的汽油蒸气再次分离出来，送入发动机内燃烧。4）二次空气吸入装置

利用排气管中废气压力有规律的突然变化，打开和关闭片簧阀，把新鲜空气吸入排气岐管，利用废气的热量，使废气中残留的HC和CO与空气相混合后燃烧。5)氧化催化反应器采用沉积在面容比很大的载体表面上的催化剂作为媒介质，发动机排出的气体在其通过，使未燃HC和CO的再氧化反应能在较低的温度下更快进行，生成H2O、CO2。一般用贵金属铂、钯或其氧化物作为催化剂，常用的催化剂载体材料是氧化铝。其外观、使用条件与三元催化反应器基本相同。6)三元催化反应器既促使CO、HC的氧化反应，也促使NOx的还原反应，使CO、HC和NOx都得到净化。三元催化剂在以理论空燃比为中心的某一狭小范围内同时具有氧化、还原反应，使CO、HC和NOx净化率都高。发动机气缸压力正常：及时检查，适时维修；供油系正常：供油量调整，防混合气过浓，清洁空滤器防阻塞造成空气量减少，混合气过浓；点火正常：火花塞间隙、分电器间隙正常，点火线圈良好，点火能量充足；（二）使用措施1．保持发动机良好的技术状况1）对发动机的技术状况做到心中有数，特别是供油系和点火系的技术状况应处于良好状态；尽量减少启动次数。2）根据道路、交通情况，适当调整节气门开度，以保持汽车在经济速度下稳定行驶；避免急加速或急减速。3）保持发动机正常工作温度。4）较长时间等候时，及时关闭发动机，以减少燃油消耗和污染物排放。2．提高驾驶技术（三）环境措施1．严格执行国家质量技术标准，控制燃料标准。2．开展机动车辆污染申报登记工作，为建立机动车辆防治管理档案和信息系统奠定良好基础。3．加大机动车辆污染控制力度，开展路检执法和治理工作。4．加强在用汽车的维护。四、汽车排放污染物排放限值标准和测量方法标准项目标准编号车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法GB3847-2005点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）GB18285-2005装用点燃式发动机重型汽车燃油蒸发污染物排放限值及测量方法GB14763-2005装用点燃式发动机重型汽车曲轴箱污染物排放限值及测量方法GB11340-2005摩托车和轻便车排气烟度排放限值及测量方法GB19758-2005车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法GB17691-2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）GB18352.3-2005一、点燃式发动在用汽车机怠速排放标准车型类别怠速高怠速CO(%)HC(

10-6)CO(%)HC(

10-6)1995年7月1日前生产的轻型汽车4.512003.09001995年7月1日起生产的轻型汽车4.59003.09002000年7月1日起生产的第一类轻型汽车0.81500.31002001年10月1日前生产的第二类轻型汽车1.02000.51501995年7月1日前生产的重型汽车5.020003.512001995年7月1日起生产的重型汽车4.512003.09002004年9月1日起生产的重型汽车1.52500.7200二、压燃式发动机在用汽车排气污染物限值车型排气污染物限值1995年7月1日前生产的汽车波许烟度值

5.0Rb1）1995年7月1日起至2001年9月30日期间生产的汽车波许烟度值

4.5Rb2001年10月1日起至2005年7月1日期间生产的汽车自然吸气式光吸收系数

2.5m-1涡轮增压式光吸收系数

3.0m-12005年7月1日起生产的汽车光吸收系数不应大于车型核准批准的自由加速排放限值再加0.5m-1注：1）波许烟度范围为0~10Rb，Rb0表示无色，Rb10表示纯黑。1．怠速法怠速法是测量汽油车在怠速工况下排气污染的方法，一般仅测CO和HC，测量仪器采用便携式排气分析仪。这种方法具有简便易行、测试装置价格便宜和便于携带以及检测时间短等优点，因而怠速法极适用于汽车检测站对在用车排放性能的年检测试、环保部门对在用车的排放监测。但由于怠速时间占汽车运行时间的比例并不大，因而怠速工况下所排出的污染物总量并不高，且怠速是稳态工况，而对于汽车排放影响最大的是非稳态工况。因此，怠速法的测量结果缺乏全面代表性。三、汽车排气污染物排放的测量方法为提高测量精度，并监控因化油器量孔磨损而造成的汽车排放恶化，或监控因催化转化器效率降低而造成的汽车排气恶化，我国开始采用双怠速法，即用怠速和高怠速进行排放测量。根据GB18285—2000《在用汽车排气污染物限值及测试方法》的规定，按GB14761通过B类认证的M1、M和N1类车辆，对排气污染物的检测应采用双怠速法或ASM试验；而对其他的在用汽油车，则采用怠速法。1)怠速测量法怠速测量法对汽油车在怠速运行时排气中的CO和HC浓度进行监测，其测量步骤如下：

(1)使发动机运行至规定的热状态，将发动机怠速转速和点火正时调整至规定值，并确保排气系统无泄漏。

(2)发动机空转，离合器处于接合状态，变速器置于空挡位置，加速踏板松开，采用化油器的供油系统应使其阻风门全开。(3)发动机由怠速工况加速到0.7倍的额定转速，维持60s后降至怠速。

(4)发动机降至怠速状态后，将取样探头插入排气管中，深度等于400mm，并固定于排气管上。

(5)发动机在怠速状态维持15s后开始读数，读取30s内的最高值和最低值，其平均值即为测量结果。

(6)若为多排气管，则取各排气管测量结果的算术平均值。怠速测量法的检测仪器可采用不分光红外气体分析仪，其检测的CO、HC浓度应符合排放标准的要求，否则为不合格。2)双怠速测量法我国采用的双怠速测量法是参照国际标准化组织ISO3929中制定的双怠速排放测量程序进行的，其测量步骤如下：

(1)必要时在发动机上安装转速计、点火正时仪、发动机冷却液和机油测温计等测试仪器。

(2)发动机由怠速工况加速到0.7倍的额定转速，维持60s后降至高怠速(即0.5倍的额定转速)。(3)发动机降至高怠速状态后，将取样管插入排气管中，深度等于400mm，并固定于排气管上。

(4)发动机在高怠速状态维持15s后开始读数，读取30s内的最低值和最高值，其平均值即为高怠速排放测量结果。

(5)发动机从高怠速降至怠速状态，在怠速状态维持15s后开始读数，读取30s内的最低值和最高值，其平均值即为怠速排放测量结果。

(6)若为多排气管，则分别取各排气管高怠速排放测量结果的平均值和怠速排放测量结果的平均值。怠速和高怠速检测的CO、HC浓度应分别符合排放标准的要求，否则为不合格。

2．工况法

工况法是将汽车若干常用工况和排放污染较重的工况结合在一起测量排放污染物的方法。工况法的循环试验模式应根据汽车的排放性能、行驶特点、交通状况、道路条件、车流密度和气候地形等因素，对大量统计数据进行科学分析后制定，这样可最大限度地重现汽车运行时的排放特性。工况法是当今世界最为科学并得以广泛使用的汽车排放试验方法，是汽车排放检测的必然发展趋势。

与怠速法相比，工况法检测结果能全面评价车辆的排放水平。但工况法比怠速法要复杂得多，工况法要有转鼓试验台，并具有齐备的模拟汽车行驶动能的飞轮系统，还要有经过大量调查研究与数据处理制定出的模拟城市(城区和郊区)道路上汽车运行工况的试验程序，还要配备复杂而昂贵的大型综合分析仪和保证发动机按试验程序运转所需的程序自动控制系统。因此，工况法的执行受到了很大限制，一般用于新车的认证许可检测和出厂抽查检测。世界各国的排放法规中，对测试装置、取样方法和分析仪器的规定基本上是一致的，但测试的循环工况及排放限值的差别较大。我国于2000年1月1日起开始实施的GB14761—1999《汽车排放污染物限值及测试方法》规定，在车辆型式认证和生产一致性检查过程中，对冷起动后排气污染物进行排放试验(Ⅰ型试验)。我国于2001年7月1日起开始实施的GB18285—2000《在用汽车排气污染物限值及测试方法》规定，按GB14761通过B类认证的M1、M和N1类车辆，可在底盘测功机上采用ASM试验。

3．烟度法烟度法是指对柴油车排烟浓度进行监测的方法，它可分为稳态和非稳态两种。

1)稳态烟度测量柴油车冒黑烟在全负荷运转时较为严重，因此稳态烟度测量通常是在柴油车全负荷稳定运转时进行的。各国都有各自的烟度测量规范与排放标准，我国自己制定的车用柴油机全负荷烟度测量方法规定：由最低转速至额定转速之间选取6或7个转速对各种车用柴油机进行全负荷烟度测量，其中包括最大转矩转速和最大功率转速。最低转速是指45%额定转速或1000r/min中较高的一个，每一转速的烟度测量必须在柴油机运转稳定后进行，任何一次测量结果都不得超过允许值。

2)非稳态烟度测量柴油机在非稳态下的排气烟度受多种不稳定因素影响而变化很大，为了客观公正地反映柴油车的排烟特性，对非稳态烟度测定应有严格控制的试验程序。目前，非稳态烟度测定有自由加速法和控制加速法两种规范，我国使用的是自由加速法。自由加速法是指柴油机从怠速状态突然加速至高速空载转速过程中进行排气烟度测定的一种方法。由于自由加速法不需对柴油机加载，因此该法适用于检测站对在用柴油车的年检以及环保部门对柴油车的监测。

我国对2001年1月1日以前上牌照的在用柴油车采用自由加速滤纸烟度法测量烟度，其检测规范如图6-3所示。检测通常在汽车上进行，其检测步骤如下：

(1)将取样探头固定于排气管内，插入深度为300mm，并使探头中心线与排气管中心线平行。

(2)使发动机在怠速工况(离合器处于接合位置，加速踏板与手油门处于松开位置；变速器处于空挡位置；具有排气制动装置的发动机的蝶形阀处于全开位置)下运转。

(3)将加速踏板急速踏到底，维持4 s后松开，如此重复三次，以吹净排气系统的沉积物。

(4)取样测量。将加速踏板急速踏到底，维持4s后松开，并按照图6-3所示的规定循环测量四次，取后三次读数的算术平均值作为所测的烟度值。

(5)当汽车发动机黑烟冒出排气管的时间和抽气泵开始抽气的时间不同步时，应取最大烟度值作为所测的烟度值。用滤纸烟度计所测的烟度值不得超过标准中的允许限值，否则为不合格。

4．可见污染物测量法可见污染物测量法是指利用不透光度计对柴油车排气的可见污染物进行监测的方法。柴油机排放的黑烟、蓝烟、白烟和油雾等均为可见污染物。

我国对2001年1月1日以后上牌照的在用柴油车使用不透光度计，采用自由加速法检测柴油车排出的可见污染物。其检测方法是：车辆处于规定的热状态，排气系统装有消声器并且不得有泄漏，在发动机怠速时，按规定的要求插入不透光度计取样探头，迅速但不猛烈地踏下加速踏板，使喷油泵供给最大油量。在发动机达到调速器允许的最大转速前，保持此位置，一旦达到最大转速，立即松开加速踏板，使发动机恢复至怠速，不透光度计恢复到相应的状态。重复测量6次，记录不透光度计的最大数值，若读数值连续四次均在0.25m－1的带宽内，并且没有连续下降趋势，则记录值有效，其中四次测量结果的算术平均值即为该车的排放结果。第三节汽车噪声公害噪声会使人心情不安、烦躁、疲倦、工作效率下降和语言、通讯困难等，从而严重地影响到人们正常学习、工作、休息和生活。长时间处于噪声环境的人还会导致心脏病和胃病，以及神经官能症，甚至影响正常听力范围，出现难听或听力损伤。因此，控制噪声污染越来越引起人们的重视。汽车噪声噪声：是一种声波，是使人烦躁的、讨厌的、不需要的并有害于身心健康的声音。>100dB(A)：产生生理性的不良影响>90dB(A)：人的眼睛区别光亮度的敏感性降低，识别弱光反应时间延长85～110dB(A)：使40％人的瞳孔放大112～120dB(A)：使人的眼睛从某一角度注视物体的运动速度变慢汽车噪声噪声是汽车第二大公害，城市噪声中汽车噪声约占75％。汽车噪声：车外噪声——危害环境车内噪声——危害驾驶员和乘员汽车主要噪声源风扇噪声1．发动机噪声包括燃烧、机械、进气、排气、冷却风扇及其它部件发出的噪声。是在可燃混合气燃烧时，气缸压力急剧上升而产生的，它是柴油发动机噪声的主要来源。机械躁声是指气门发出的冲击声和活塞与气缸之间的敲击声。是由于发动机在进、排气过程中的气体流动和气体压力波动导致振动而产生的噪声，它随发动机转速和负荷状态而改变。是汽车最大噪声之一。特别是近年来，由于车内普遍安装了空调系统和排气净化装置等使发动机罩内的温度上升，冷却风扇负荷加大，噪声变得更为严重，风扇噪声与发动机转速有直接关系。2．传动机构噪声

在汽车行驶中，由于传动机构吸收来自路面的振动所引起的噪声，频率为400～2000Hz，其中齿轮传动的机械噪声是主要部分。3．轮胎噪声

产生轮胎噪声最主要的因素是轮胎的花纹。汽车在行驶时，因轮胎胎面花纹槽内的空气在接地时被挤压，并有规则地排出，引起周围压力变化而产生噪声。各类汽车噪声参考值汽车类型声级范围（dB(A)）重型载货汽车88～92轻型载货汽车79~87小客车70～84跑车81～91降噪措施制定汽车噪声限制法规汽车制造厂针对噪声源在汽车设计制造中采取降噪措施：吸振、隔音汽车使用维修中，严格执行汽车噪声限值和测量方法的国家标准在噪声集中路段建立隔声板或隔声墙，在隔离带中种植植物。加强管理，在一些路段禁止鸣喇叭。声学基本知识

声音物体震动压力波通过介质（气、液、固）人耳耳膜震动。（电铃、玻璃罩、真空试验，证明声波的存在与传播）。（二）声学基本知识1．声调声调高低：取决于频率，每秒钟震动次数，单位Hz。人耳可听频率范围：