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1、,单元四 汽车与环境保护,学习目标,知识目标正确描述汽车未来的发展方向,简单描述电动汽车、混 合动力汽车的基本构造 与原理；2.正确描述汽车排放污染物的生成和危害，简单描述汽车噪声及其危害；3.正确描述汽车排放与噪声的控制方法。能力目标 会获取汽车环保、节能方面的最新知识。,汽车与环境保护,1.汽车的未来,2.汽车公害,汽车的未来,1.1,我国新能源汽车产业化发展技术路线,电动汽车,燃料电池电动汽车,混合动力电动汽车,节能环保新技术,1.2,1.3,1.4,1.5,1.1 节能环保新技术,为了应对能源短缺和环境污染对全球经济和人们生存环境的挑战,促进汽车产品技术 进步、保护环境、推进能源节约和
2、可持续发展,全球各大汽车公司均制订了其新能源车的 发展战略，确定了发展新能源车的近期、中期和远期目标。这些发展战略既凸显了各大汽车公司各自的技术特色，又与当今车坛新能源车的发展 方向相吻合。(1)优化内燃机。喷雾引导式汽油直喷技术。涡轮增压汽油直喷发动机。复合燃烧系统(CCS，Combined Combustion System)。柴油机Bluetec技术。,汽车的未来,(2)替代能源。面对能源和环保两大挑战，全球汽车制造商和燃料供应商一起进行两方面的主要研究，一是改善传统化石燃料的硫化物和芳香烃含量，二是开发替代能源。在众 多替代能源中，利用生物原料生产的生物燃料受到业界重视，产业前景光明。
3、压缩天然气(CNG)。天然气制油(GTL)。二甲醚(DME)。液化石油气(LPG)。乙醇汽油。生物柴油和阳光燃油。(3)混合动力。从技术上讲，混合动力车是指使用两种动力源的汽车，涉及“机电”和“电电”两大技术领域。多数混合动力装置是将内燃机、电机和能量储存装置(蓄电池)结合在一起，称作机电 混合动力。随着氢能的开发和利用，出现了由燃料电池和蓄电池组成的电电混合动力。,汽车的未来,近年来，也研发出使用内燃机和超级电容器、燃料电池和超级电容器、超级电容器和蓄电池、内燃机和液压蓄能器组合的混合动力车型。在混合动力车系统中,根据电机输出功率在整个系统输出总功率中占的比重(又称混合度)，可细分为以下四类
4、：微混合动力(Micro Hybrid)系统。轻度混合动力(Mild Hybrid)系统。中度混合动力(Medium Hybrid)系统。重度/完全混合动力(Full Hybrid)系统。双模式混合动力系统 内燃机和超级电容器混合动力。插电式混合动力车 内燃机和液压蓄能器混合动力。(4)氢能源。氢是一种无味、无色的气体。在所有的分子结构中，氢的质量能量最高(是天然气的2.2倍，汽油的3倍)。氢气的全球年产量约为2250亿立方米，以能源等量计，其产量仅占全球基础能源的1.5%。,汽车的未来,因而，开发氢能源车(燃料电池车和氢发动机车)前景广阔。燃料电池车。燃料电池被国际业界认为是继蒸汽机和内燃机
5、后的第三代动力系统，是汽车工业未来的发展方向，它是一种将化学能转变为电能的发电装置，具有能量转换效率高、零排放、噪声低、运动部件少等优点，被视为绿色汽车的终极技术解决方案。氢发动机。在氢能源开发领域，当今国际车坛的主攻方向是燃料电池车，但由于受到诸多因素的制约，从氢能利用角度看，宝马则认为开发氢发动机更具现实意义。(5)纯电动车。纯电动车与燃料电池车一样，是当今最清洁的汽车，它由蓄电池供电、电机驱动。与内燃机车相比，电动车具有结构简单、控制容易、无污染、振动小等特点。由于纯电动车受比能量低(相对于汽油)、动力性、续驶里程及使用寿命短等因素影响，其商业化和大量生产尚未成熟，但随着锂离子蓄电池技术
6、的进步，电动车商业化可能将比燃料电池车来得早。,汽车的未来,总而言之，新能源技术的适用性因市场而异，因此，唯有通过充分研究市场特点，加 快技术开发，才能达到节能减排的目的，从而实现汽车工业可持续发展。从目前技术发展 看，首先应挖掘内燃机的潜力，提高其效能；其次，发展混合动力和推动替代能源的应 用，最终使燃料电池车和电动车商业化。,汽车的未来,1.2我国新能源汽车产业化发展技术路线,我国早在“八五”期间就启动了电动汽车的研究和开发工作，在“九五”期间，又进 而启动了“空气净化工程”。到了“十五”，科技部提出了我国发展新能源汽车的实施方 案，电动汽车重大专项被国家科教工作领导小组批准为国家“十五”
7、期间重点组织实施的12个重大科技专项之一。国家“863”计划电动汽车重大专项，从国家汽车产业发展战略的高度出发，选择新一代电动汽车技术作为国内汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，以“官、产、学、研”四位一体的方式，联合进行攻关。2006年，在国家节能减排的宏观政策指导下，科技部在“十一五”启动了“863”计 划新能源汽车重大项目。通过该项目的实施，到2010年，燃料电池汽车将实现综合技术的跨越，燃料电池汽车将有一定规模的示范运行；混合动力汽车将在掌握产品开发技术的基础上，实现产业,汽车的未来,规模的突破；纯电动汽车技术满足产业化需求,并将实现商业应用的市场开拓；代用燃料汽车将
8、实现技术的综合提升,进一步完善基础设施，并实现大规模推广应用。在新能源汽车重大项目的不断推动下,在汽车行业及相关产学研单位共同努力下，我国建立起了电动汽车“三纵三横”(燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动车三种整车技术为“三纵”,多能源动力总成系统、驱动电机、动力电池三种关键技术为“三横”)的研发布局，采取了整车企业牵头、关键零部件配合、第三方监理、“产、学、研”结合、政策法规技术标准同步研究、基础设施协调发展的创新研发体制。2009年，国家正式公布了汽车产业调整和振兴规划,其规划新能源汽车发展的短期目标为电动汽车产销形成规模,目标包括：建立电动汽车基础设施配套体系；到2011年.形成50万辆纯
9、电动车、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能。,汽车的未来,1.3 电动汽车,电动汽车是指以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。电动汽车的优点是：它本身不排放污染大气的有害气体；电厂大多远离人口密集的城市，对人类伤害较少；电力可以从多种一次能源获得，解除人们对石油资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富裕的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个热点。电动汽车的困难是目前蓄电池单位质量储存的能量太少，价格较贵，且没形成经济规模。至于使用成本，有些试用结果比
10、汽车贵，有些结果仅为汽车的1/3，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。我国大城市的大气污染已不能忽视，汽车排放是主要污染源之一，我国已有 10个城市被列入全球大气污染最严重的20个城市之中。我国石油资源不足，每年需进口几千万吨石油。因此在我国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施，而是意义重大的、长远的战略考虑。,汽车的未来,1.4 燃料电池电动汽车,燃料电池是把燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置,它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。它的工作原理是：将氢气送到负极,经过催化剂(铂)的作用,氢原子中两个电子被分离出来,这两个电子在
11、正极的吸引下，经外部电路产生电流,失去电子的氢离子(质子)可穿过质子交换膜(即固体电解质),在正极与氧原子和电子重新结合为水。由于氧可以从空气中获得，只要不断给负极供应氢,并及时把水(蒸汽)带走，燃料电池就可以不断地提供电能,如图4-1所示。,汽车的未来,燃料电池的优点是能量转化效率高，不污染环境。目前，燃料电池在汽车上的应用已取得重大进展，质子交换膜电池(简称PEM燃料电池)功率密度已大大提高。,汽车的未来,1.5 混合动力电动汽车,混合动力电动汽车是指车上装有两个以上动力源,包括有电动机驱动,符合汽车道路交通、安全法规的汽车。车载动力源有蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组等多
12、种。当前混合动力电动汽车一般是指内燃机车发电机,再加上蓄电池的电动汽车。1.5.1 混合动力电动汽车的特点 采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。混合动力电动汽车基本的工作方式包括串联式、并联式和串并联(或称混联)式。混合动力驱动汽车的缺点是有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统，结构复杂，技术较难，价格较高。,汽车的未来,1.5.2 混合动力汽车原理(1)混合动力汽车的组成。尽管混合动力汽车有并联与串联之分,但其主要组成部分却相差不大。混合动力汽车主要由以下几部分组成,如图4-2所示。,燃油发动机:油箱:电动机:发电机:电池组:传动
13、装置:,汽车的未来,(2)工作原理。车辆起步或极低速运行并在下陡坡时,发动机将在低效率区域工作,此时控制系统将切断燃油,使发动机停止。车辆低速行驶时,特别是在下坡道路上行驶时,发动机效率下降。故可以根据发动机发生空转信号进行燃油切断,利用电动机向车辆提供输出动力,如图4-3所示。电动机驱动车辆的路径如图中路径A所示。在正常行驶时，发动机的动力通过动力分配机构分为两条输出通路,其中之一为驱动发电机使之发电,并用所发电能驱动电动机,从而增加车轮的驱动力(路径B),另一方面 是直接驱动车轮(路径C)。这两条动力输出路径的关系,是由计算机进行控制,使之达到最优效率,如图4-4所示。,汽车的未来,全开加
14、速时,除了上述正常行驶工况中所需的动力外,还要从电瓶中输出电流,增加车轮的驱动力,如图4-5所示,车辆的动力来自图中的路径A、B、C三条。在减速与制动时,车轮驱动电动机,图中的路径D。这时,电动机变成了发电机,利用减速或制动的能量进行再生发电。利用这一工作过程，把回收的能量存储在蓄电池中,如图4-6所示。,汽车的未来,对蓄电池进行控制,使之保持一定的充电状态。所以,当蓄电池的充电量减少时,通过发动机驱动发电机进行充电,使之一直达到规定的充电状态，如图4-7所示。蓄电池被控制在规定的充电状态,当充电量降低时,则驱动发电机开始充电,如图中路径E。车辆停止时,发动机也自动停止。没有常规发动机那样的怠
15、速,无有害物和CO2排放,同时也节约了能源。当蓄电池没达到规定的充电状态时,即使停车,发动机也会驱动发电机,通过路径E给蓄电池充电。当汽车起步时,图4-7蓄电池充电接通点火电源,发动机达到规定的热状态后会自动停止运转。如果和空调开关联动的话,停车后发动机也会运转。,汽车的未来,1.5.3 节能原理 混合动力汽车提高燃油效率的方法主要有：(1)恢复和向电池储存能量。混合动力汽车行驶中节能如图4-8所示。(2)适时关闭发动机。,(3)利用空气动力学原理减少空气阻力。(4)使用低阻力轮胎。(5)使用轻质材料。,汽车的未来,汽车公害,2.1,排气污染物的主要成分与危害,减少汽车排放的措施,汽车噪声及其
16、危害,汽车噪声的控制,汽车排放与大气污染,2.2,2.3,2.4,2.5,2.1 汽车排放与大气污染,目前，大气污染已逐渐发展成为世界性的问题，尤其是在一些大中城市，随着汽车保有量的增加，汽车的生产、销售、使用、报废还带来了环境大气危害和城市的空气污染，如图4-9所示。,汽车公害,2.2 排气污染物的主要成分与危害,汽车排放的主要污染物有一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、二氧化 碳(CO2)和颗粒物(PM)。2.2.1 一氧化碳(CO)在内燃发动机中，CO是空气不足或其他原因造成不完全燃烧时，所产生的一种无色、无味的气体。2.2.2碳氢化合物(HC)HC是指发动机废气
17、中的未燃部分,还包括供油系中燃料的蒸发和滴漏。2.2.3氮氧化合物(NOx)NOx是发动机有一定负荷时大量产生的一种褐色的有臭味的废气。,汽车公害,2.2.4颗粒物(PM)由燃烧室排放出的颗粒物(PM，Particulate Matter)有三个来源，其一是不可燃物质，其二是可燃的但未进行燃烧的物质，其三是燃烧生成物。燃烧过程排出的颗粒物质的组成中大部分是固态炭，火焰中形成的固体炭粒子称为炭黑。炭黑可以在燃烧纯气体燃料时形成，但更多的则是在燃烧液体燃料燃烧时形成。颗粒物质的组成中除炭黑外还有碳氢化合物、硫化物和含金属成分的灰分等。含金属成分的颗粒物主要来自于燃料中的抗爆剂、润滑油添加剂以及运动
18、产生的磨屑等。柴油发动机燃料燃烧不完全时，其内含有大量的黑色炭颗粒。形成的炭烟能影响道路 上的能见度，并因含有少量的带有特殊臭味的乙醛，往往引起人们恶心和头晕。炭烟不仅 本身对人的呼吸系统有害，而且炭烟粒的孔隙中往往吸附着二氧化硫及有致癌作用的多环 芳香烃等物质。2.2.5二氧化碳(CO2)世界工业化进程引起的能源大量消耗，导致大气CO2的剧增，其中约30来自汽车排 气。CO2为无色无毒气体，对人体无直接危害，但大气中的CO2大幅度增加，因其对红外热辐射的吸收而形成的温室效应，,汽车公害,会使全球气温上升，南北极冰层融化，海平面上升，大陆腹地沙漠趋势加剧,使人类和动植物赖以生存的生态环境遭到破
19、坏。因此，近年来对CO2的 控制也已上升为汽车排放研究的重要课题，提高汽车的经济性和使用低排量汽车是减少CO2排放的重要措施。2.2.6温室效应 汽车污染已成为世界性公害，其对于温室气体浓度增加的“贡献”不容忽视。汽车的内燃机实际上是一座小型化工厂，消耗大量石油资源。汽油燃爆后产生驱车动力，同时也产生了许多复杂的化学反应，排放出大量温室气体，加剧了温室效应。汽车排放造成的大气污染还会破坏臭氧层，而臭氧损耗与气候变化通过某些机制相互联系。一些专家认为，臭氧层的破坏造成太阳辐射过强，也会导致高温天气。,汽车公害,2.3 减少汽车排放的措施,减少汽车大气环境公害的基本方法可以归纳为两类。一是从源头着
20、手的降低技术,称为源头法；二是采取一些措施减少已产生的汽车环境公害,通常把与此相关的技术称为后治理法。2.3.1源头控制法 源头控制法是把燃烧污染物消灭在燃料化学能转化为机械能的过程之中的有关技术，因为发生在发动机的汽缸之内，故这种方法以前被称之为机内净化。源头控制法主要包括四个方面的内容。其一是对现有的车用发动机进行改造。其二是设法使发动机始终工作在低排放工况，各种混合动力车的上市即为这种方法的成功范例，混合动力汽车可以减少CO2的排放，如图4-10所示。其三是电动汽车技术，包括燃料电池和各种电动汽车。其四是在汽车使用中控制污染的排出法，主要有使汽车保持良好技术状况和采用合理的驾驶方法,采用
21、“自动停止怠速和起动”技术等。,汽车公害,2.3.2后治理法 后治理法降低发动机排出的有害物的技术主要有各种催化转换器和过滤器等。汽油车使用最多的是三元催化转换器和吸附还原(NO)催化净化器。柴油车使用最多的是颗粒捕捉器DPF(Diesel Particulate Filter)等，其原理是把排出的颗粒物PM(Particulate Matter)过滤捕捉起来，使其燃烧变成CO2排出。,汽车公害,此外，还有利用氧化催化剂使CO、HC和PM变为H2O和CO2排出的氧化催化法等。在实际的汽车排放控制措施中，都是源头控制和后治理并用的。2.3.3 使用中减少排放的措施 生产出的汽车在使用中减少排放，
22、有时更加重要，具体措施如下：(1)汽车渗漏的润滑剂和其他渗漏的液体对空气的污染极大，因此，应每天进行检查，及时发现汽车的渗漏现象并立即修复故障。(2)每年应对车内空调进行一次彻底的检查，这是预防制冷剂渗漏的最好方法。(3)避免燃烧机油。(4)使用清洁的滤清器。(5)按期更换机油。(6)不要冷起动就开动汽车。(7)尽量减少发动机空转。(8)加速要谨慎。(9)装油不能太满。,汽车公害,2.4 汽车噪声及其危害,在日常生活中，有的声音是我们所需要的，而另一些声音则是我们不需要的，甚至是厌恶的。从生理学和心理声 的观点，把这些不需要的声音，不论是什么样的声音，统称为噪声。噪声污染与大气污染、水源污染不
23、同。噪声污染是局部的、多发性的，除飞机噪声等 特殊情况外，其特点是从声源到受害者的距离很近。经过长期的研究表明噪声确实会危害人的健康，噪声级越高，危害性越大。即便噪声级较低，如小于80dB(A)的噪声，虽然不致直接危害人的健康，但会影响和干扰人们的正常活动。汽车噪声一方面对环境产生噪声污染，影响人们的工作和生活；另一方面使驾驶员反应时间加长，进而影响行车安全。,汽车公害,2.5 汽车噪声的控制,汽车的噪声源有多种，如发动机、变速器、驱动桥、传动轴、车厢、玻璃窗、轮胎、继电器、喇叭、音响等都会产生噪声。这些噪声有些是被动产生的，有些是主动发生的(如人为按动喇叭)。但是，主要来源只有两个方面，一个
24、是发动机，另一个是轮胎。它们都是 被动发生的，只要汽车行驶就会产生噪声。在发动机产生各种噪声中，发动机表面辐射噪声是主要的。发动机表面辐射噪声由燃烧噪声和机械噪声两大类构成，是发动机内部的燃烧及机械振动所产生的噪声。燃烧噪声是指汽缸燃烧压力通过活塞、连杆、曲轴、缸体等途径向外辐射产生的噪声；机械噪声是指活塞、齿轮、配气机构等运动件之间机械撞击产生的振动噪声。一般情况下，低转速时燃烧噪声占主导地位，高转速时机械噪声占主导地位。两者是密切相关，相互影响的。实践表明，减少振动是降低噪声的根本措施。增加发动机结构的刚度和阻尼，是减少表面振动从而达到降低噪声的目的的主要方法(图4-11)。,汽车公害,轮
25、胎在路面滚动产生的噪声也是很大的。有关研究表明，在干燥路面上，当汽车时速 达到100km/h，轮胎噪声成为整车噪声的重要噪声源。而在湿路面上，即使车速低，轮胎噪声也会盖过其他噪声成为最主要的噪声源。轮胎噪声来自泵气效应和轮胎振动。所谓泵气效应是指轮胎高速滚动时引起轮胎变形，使得轻胎花纹与路面之间的空气受压挤，随着轮胎滚动，空气又在轮胎离开接触面时被释放，这样连续的“压挤释放”，空气就,汽车公害,迸发出噪声,而且车速越快,噪声越大；车辆越重,噪声越大。轮胎振动与轮胎的刚度和阻尼有关,刚度增大(例如轮胎帘布层数目增加),阻尼减少,轮胎的振动就会增大,噪声也就大了。要降低轮胎的噪声,胎面可采用多种花纹节距,采用高阻尼橡胶材料,调整好轮胎的负载平衡以减少自激振动等。为了防止发动机噪声和轮胎噪声窜入乘员厢,工程师除了尽量减少噪声源外,也在车厢的密封结构上下工夫,尤其是前围板和地板的密封隔音性能。解决汽车的噪声是一项涉及整车方方面面的技术问题,包括发动机的结构、材料质量分布、工艺水平、装配密封性等。实际上,汽车噪声的大小已经反映出这辆车的质量和技术性能的高低了。汽车噪声的大小是衡量汽车质量水平的重要指标,因此，降低汽车噪声也是世界汽车工业的一个重要课题。,汽车公害,
