汽车环保技术进展.ppt

1,汽车环保技术进展 北京航空航天大学 交通科学与工程学院 李兴虎 （E-mail：lxh, Tel 报告内容 汽车行业概况 汽车的环境危害 汽车面临的主要环境问题 汽车环境问题的主要对策简介 总结,报告时间：2009-3-6（星期五）下午：2：304：30 报告地点：主M102,2,1、 汽车行业概况 1.1 汽车的社会角色 代步和运输工具 流动办公室和家 文化生活的一部分 国家或地区的现代化程度标志,3,1.2 汽车工业的特点 支柱产业 资金和技术密集 规模效益明显 产业关联度大,4,上游产业：钢铁、有色金属、电力、塑料、橡胶、纺织、皮革、化工、电子、电器、机床等； 下游产业： 筑路、运输、石油、汽车维修和营销、保险、加油站、停车场等服务行业。 汽车制造业每增值1元钱，上游产业增值0.6元，下游增值2.67元。,产业关联度大(零件数23万),5,支柱产业 “1999年全球500强”中，汽车业占据23席；在排名的前10位 中，汽车公司占4位，前1至3名均是汽车公司。 “2007年度全球500强企业”前十名中，通用位居第五名；丰田 居第六名，上汽集团第402;一汽集团,第385位。 国家发展改革委 (2007.9.22 )宣布:中国与汽车相关产业的就业 人数，已经占到了社会就业总人数的1/6 2007年，我国汽车产量达888万辆，占全世界份额的1/8，汽 车工业总产值已经超过了2万亿元（2007年全年中国GDP为 24.6619万亿元 ）。,6,7,高新技术载体 2000年，汽车平均CPU数量 35个；CPU逐渐发展到 32位机 汽车上已装有上百个各类传感器 汽车电子产品的成本在整个汽车制造成本中所占 的比例平均已达到30%左右 某些高档汽车上使用的CPU个数甚至上百个，占整 个汽车制造成本的比例达70%左右,8,1.3 汽车的产量及保有量的有关数据,2006年 世界汽车产量 6834.03万辆, 保有量2006年底8.5亿辆 保有量大国：美国：25141.5万辆, 日本7923.6万辆 几个汽车大国的产量: 日本 1148万辆; 美国 1126万辆; 中国 728万辆; 德国 540万辆 中国： 2007年 汽车产、销量：888.2、879.2万辆 汽车保有量为5696万辆，仅占世界保有总量的6.7%。 我国每10人拥有汽车约0.44辆（全球平均约1.35辆，0.13513=1.755） 2008年 汽车产、销量：934.51、938.05万辆 汽车保有量6467.21万辆,9,有害排放: CO,HC,NOX, PM 交通噪声 电波公害 水质、土壤等污染 CO2、氟氯烃等温室气体,2 汽车的环境危害,10,2.1 对大气环境的主要危害：温室效应、臭氧层破坏和酸雨 主要由汽车排放的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）、氟氯烃等产生；,11,2.2 柴油车的微粒PM PM 可溶性组分（SOF）不可溶性组分（IOF）,SAE2000-01-0473,12,微粒物中PAHs的排放量（9） / g/（kWh）,13,2.3 光化学烟雾（photochemical smog） 光化学烟雾：指HC和NOx在太阳紫外线作用下产生的一种具有刺激性的浅蓝色烟雾。它包含有臭氧(O3)、醛类、硝酸酯类（PAN）等多种复杂化合物。 发生条件：逆温层、低风速（空气接近停滞状态）、阳光充足 光化学烟雾的主要危害 第一：甲醛、过氧化苯甲醛酰硝酸酯（PBzN）、PAN和丙烯醛刺激眼睛 第二：损害有机物和植物等（如橡胶、棉布、尼龙和聚酯等）。 第三，影响呼吸系统，使哮喘病增多。 第四，臭氧引起的胸部压缩、刺激粘膜、头痛、咳嗽、疲倦等症状,14,例如：C3H6,或, 光化学烟雾的主要化学反应,15,噪声危害: 引起人体的生理改变和损伤，对心理、生活和工作产生不利影响。使人听力减弱、视觉功能下降、神经衰弱、血压变化和产生胃肠道消化功能障碍，影响人的睡眠、谈话、学习、工作和情绪等。 车辆噪声的特点: 中等强度，移动性, 影响范围大，干扰时间长，受害人员多 大约为6090dB(decibel)。公共汽车为80dB左右，摩托车90dB左右。 实例：北京市2000年对303条, 总长485.36公里道路的监测结果表明, 交通噪声平均值为71.0dB, 其中城区、近郊区分别为68.1和72.6dB.,2.4 交通噪声问题,16,3. 汽车面临的主要环境问题 节能减排呼声日益高涨 新环境保护法规不断出台 汽车排放标准逐步加严 能源、资源枯竭，威胁人类的可持续发展,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： 欧盟、日本和韩国的乘用车CO2限值,3.1 新的环境保护法规不断出台,18,自2007年1月1日起，欧盟各成员国政府将全面执 行报废车辆回收指令。 汽车制造厂商在欧盟国家上市新车时必须出具证 明，证明其投入市场的新款汽车的材料回收率至 少要占重量的85 可利用率至少为95，才能获得市场准入许可 证。,回收利用报废汽车的要求更为严格,3R (Reduce,Reuse,Recycle)技术,19,汽车厂商及进口商对氟利昂、安全气囊、ASR（粉 碎渣）必须进行回收、循环利用和正确处理。 到2015年将ASR的回收再利用率提高到70%以上， 回收再利用率有望从法律施行前的80%提高到95% 以上。 利用电子清单对报废车从回收到循环利用的整个流 程进行管理。,2005.1.1日本开始执行汽车回收再利用法,20,2006.2.26国家发展改革委、 科学技术部和国家环保总局 发布了汽车产品回收利用技术政策 2010年起，所有国产及进口的M2类和M3类、N2类和N3类车辆的可回收利用率要达到85左右，其中材料的再利用率不低于80；所有国产及进口的M1类、N1类车辆的可回收利用率要达到80，其中材料再利用率不低于75。 2012年起，所有国产及进口类和类车辆的可回收利用率要达到90左右，其中材料的再利用率不低于80。 2017年起，所有国产及进口类和类车辆的可回收利用率要达到95左右，其中材料的再利用率不低于85,我国汽车产品回收利用的三个阶段性目标,21,我国:国、 、 、实施时间依次为 00、04、07、10、12年,EU Emission Standards for Passenger Cars (Category M1*), g/km,3.2 汽车排放标准逐步加严,22,EU Emission Standards for Passenger Cars (Category M1*), g/km,23,燃料电池汽车的Pt消耗量降低趋势10,一般汽车催化器贵金属的用量为每升载体1g, Pt/Rh比为5:1左右,（1）. 贵金属的供求矛盾,3.3 资源问题,（2）. 汽车材料与土地资源,中国金属资讯网贵金属现货报价 元/克 2009.2.12 铂： 248.0/250.0；钯： 55.0/57.0； 铑粉： 310.0/340.0 2008.3.17：铂：500.0/502.0；钯：127.0/129.0； 铑粉： 2410.0/2440.0 2007.1.08：铂：290.5/292.5；钯： 93.0/94.0； 铑粉：1615.0/1645.0 2005.9.01 铂：240.5/242.5；钯： 56.0/57.5； 铑粉： 639.0/660.0,24,世界主要化石燃料可开采年限预测,铀为2001年数据，其余为2002年）,3.4 能源枯竭问题,25,13.6,(5.95l/100km),(7.35l/100km),26,总资源（理论地质储量）约1021亿t(全球4138.38亿吨 ) 至2005年底，可采储藏量40亿t；发现560个油田，建成 25个 2007年，生产原油1.87亿t，可开采年限40/1.87=21.4 2006、 2007年石油表观消费量（产量加上净进口量 ）分别 为 3.4655、 3.70167亿吨；对外依存度 47.0和46.05,3.4.1 我国面临的能源形势-石油,27,3.4.2 我国面对的能源形势-天然气与煤,天然气总资源量为47.04万亿m3(世界438.85万亿m3) 2006年, 累计探明天然气可采储量3.84万亿m3， 剩余可采储量约为3.09万亿m3 . 已发现193个气田，建成25个基地。 2006 、2007 、 2008年全国天然气产量585.51亿m3 、693.1亿m3 ，（比06年增长23.1%）和760.82亿m3（比07年相比增长12.3%）。 可开采年限 3.09/0.058551=52.7 我国煤储藏量:6000亿t(世界可采资源量:48400亿t标准煤) 截至2006年底煤炭探明可采储量1145亿t 2006、 2007、2008年原煤产量分别为23.25、25.23亿t和27.16亿t 可开采年限 1145/25.23=45.4,28,4. 汽车环境问题的对策,29,日本2005年以降自動車排出規制対策技術10JAMA Deterioration purification,4.1 传统汽油车的排放对策,30,31,12-cylinder Audi A8 L （November 25, 2003）,32,金属载体催化器,汽油机的三效催化器,蜂窝陶瓷载体催化器,33,三效催化器的“窗口”,宽域与普通空燃比传感器的控制精度比较,双氧传感器系统,34,优势 分层、稀混燃烧，油耗低。 燃烧完全,有害排放少 混合气温度低，抗爆性及充气效率高。 无进气道燃料粘附，过渡反应性能良好,稀混合气燃烧技术 （GDI汽油机）,主要不足 所有工况下分层燃烧混控制困难； 大负荷时,容易产生碳烟； 分层燃烧区域NOx排放高； 喷油器易产生沉积物，机油会被稀释； 发动机结构复杂化。,三种混合气引导方式,35,吸附还原型催化器的原理,NO的控制方法,36,实例：源头控制和后处理并用 本田公司ZLEV（Zero Level Emission Vehicle）排放控制系（1998年）。,本田公司的3阶段排放控制系统,绝热层的低热惯量金属板冲压排气管，并且紧接其后安装了1200孔in2的Pd型紧凑型催化器。 具有HC吸附功能和三效效催化功能的复合式主催化净化催化器以及电加热催化器EHC (Electrical Heated Catalyst)。 高精度EFI系统及空燃比分缸控制技术； 可变气门相位和升程装置及改善冷起动时燃烧过程的燃烧系统。,37,SAE-2006-01-0030-Diesel Emission Control,SAITO20060822World Trend of Exhaust Emission,4.2 传统柴油车的排放对策,38,39,着火点当量比4附近 碳烟生成于喷雾之中 NO产生于雾注外壳,柴油机的喷雾燃烧与排放,40,喷油压力对柴油机烟度排放的影响,41,42,共轨燃油系统的多次喷射技术 超前预喷射（pilot injection）和前喷射（pre-injection）：减少噪声； 高压初期喷射的目的：减少噪声和NOx排放； 高压喷射过程：用于控制PM的生成和改善燃烧； 后喷射的目的：减少PM和控制PDF装置； 后补喷射（post injection）的目的：控制NOx的催化净化。,43,颗粒过滤器 DPF的过滤效率：车辆行驶每单位里程或单位时间在过滤器中收集到的颗粒质量 与车辆行驶每单位里程或单位时间进入过滤器的颗粒质量之比。 DPF的过滤效率一般应不低于5080%。,44,PM在NO2和O2氛围中的燃烧特性,45,四效催化器,DPNR（Diesel Particulate-NOx Reduction System）,46,四效催化净化器,47,/topics/93/2.pdf#search=%E3%83%88%E3%83%A8%E3%82%BF%20DPNR,放大图,48,NOx吸附净化原理,Catalys-Based Diesel Particulate Filters and NOx Adsorbers,49,4.3 汽车的代用燃料 天然气NG（CNG、 LNG、ANG， NGH), GTL(Gas To Liquid):重庆压缩天然气(CNG)汽车保有量目前已达4万辆,全国共有CNG（压缩天然气）公交车20万台, LNG公交车700台 液化石油气LPG （Liquefied Petroleum Gas）: 广州市6400台LPG公交车和1.6万台LPG出租车 醇类燃料（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 氢气,50,TOYOTA Prius,混合动力电动气车HEV（Hybrid Electric Vehicle）,4.4 电动汽车,1-控制装置总成 2，5- ECVT动力分配系统总成（无级变速） 3-镍氢电池组 4-1NZ-FXE发动机,51,2005年前世界混合动力电动气车的销售情况12,美国 2002年车型2种，销量约10000辆，2005年车型11种，销量约212000辆,预测2012年销量约780000辆,2005年世界HEV市场 百分比分布 12,52,TOYOTA Prius混合动力车销售情况/千辆,53,纯电动汽车普及的困难,54,纯电动汽车（ EVERY LE-DA62V ）购入后必须的设施 和5年内的维护费用举例,http:/www.env.go.jp/air/car/vehicles2003/htm/ele002.htm,(300+20+79+79+2+2+2)/91.3=5.3,55,FCEV组成示例34,燃料电池电动汽车FCEV（Fuel Cell Electric Vehicle）,燃料电池系统,驱动电机,氢气瓶,二次电池,56,部分汽车制造商发布的 FCV限定销售和市场销售预定时间（2003年年末）,57,日本国内FCV限定租赁销售情况（2002.122004.310,本田公司2008年推出的上市版燃料电池车FCX Clarity 首批100辆在美国加利福尼亚州以租赁形式投放市场,58,HONDA FCX Clarity,59,2007,60,4.5 汽车使用中排气污染的控制措施 4.5.1 环境友好的汽车使用方法示例 提高驾驶技巧: 经济车速，避免急加速和急速 停止无用的怠速 节制使用汽车空调，不妨把空调设定温度提高1 保持良好的汽车技术状况（如胎压等） 安排好出行计划，避免无用空驶 不加满燃油，不加入过量机油 不装载不必要行李（减重10%，可节油8%）,61,4.5.2 停止无用的怠速 “自动停止怠速和起动（automatic stop idling and start system）”的概念：指汽车在驻车、等待交通信号、乘客上下车、塞车等情况下，使汽车在停止（车速为零）时发动机也停止运转，并且，当汽车重新起步时又能正常起动的一种自动装置。 作用：减少汽车怠速时的燃料消耗、产生噪声和有害气体（包括CO2）。 普通汽车怠速1分钟、要消耗1毫升的燃料，排出 33g CO2。,62,ISS 的燃油（CO2 ）经济性的改善率 和 CO、NOx、HC 的减少率,丰田公司试验结果：汽车燃油经济性提高了7% 五十铃公司试验结果：汽车燃油经济性提高14%,63,4.6 汽车噪声的控制方法举例,镶嵌隔音材料的发动机底盖,吸声材料,排气系统的消声器,64,排水性道路降低汽车噪声的机理,普通路面 声音被反射,高性能路面 部分声音被吸收,空气进入缝隙， 难以产生噪声减少,改进道路性能，设立隔、吸声屏及林带等,夹在轮胎沟槽和路面间的 空气无处可逃，产生噪声,65,4.7 HCCI技术节能排放的新希望 Homogeneous Charge Compression Ignition,发动机的燃烧方式（符号的意义：-差；-较好；-好）,66,HCCI内燃机的燃烧特点,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，火焰温度低，难以生成NOx； 二是多点