汽车尾气检测仪设计

汽车尾气检测仪设计 1、相关定义 1.1、定义实常数 在上一节中单元类型定义选择了 SOLID186 单元,所以就无需再进行厚度实 常数的设置了。第二章中有作介绍,在模态分析中必须给定的材料属性包括: 弹性模量 EX,泊松比 PRXY 以及密度 DENS。在整个装置中总共包括四种材料, 分别是黄铜(气箱材料)、铝(冷却水箱材料)、钢(压紧杠材料)以及热电模 块的材料,它们的属性定义如表 3-1 所示。 26 表 3-1 材料属性 材料类型 弹性模量EX(Pa) 泊松比PRXY 密度DENS(Kg/m3) 黄铜 1.06e11 0.3 8500 铝 7e10 0.3 2700 钢 2e11 0.3 7800 热电材料 9e10 0.3 5600 对于表格中热电材料的属性处理:热电材料是由陶瓷绝缘体、金属导电体、 N型及P型半导体材料所组成,将其近似看成各向同性的均匀性材料后密度取了 绝缘体陶瓷、导体铜以及半导体硅的平均密度;热电材料在弹性限度内的抗拉 或抗压的能力强于铝的但又比铜的弱,所以热电材料的杨氏弹性模量取为 9e11Pa。在ANSYS中给不同的部件赋予不同的材料属性,如图3-8所示。 图3-8 材料属性定义 1.2、环境影响的概念 环境影响是指人类的关于经济、政治以及社会的活动,会导致一系列的环境 变化,同时也会造成人类活动影响。人类的活动会对环境造成影响的同时,环境 也会反作用于人类。人对于环境的作用是环 境影响一个方面,即为通过活动 对环境产生的变化进行分析评价,同时还需要对环境变化反作用于人类进行分 析,即为反作用产生变化的评价及分析。通过对于环境影响进行研究分析,可以 找出对于不利影响的对策及措施,有利于我们生活质量的改善,有效地保护环境, 促进人类健康,使我国不断持续健康发展[49]。 针对建设中的工程项目、开发以及相关政策实施后会对环境产生的影响 进行评价、预测及分析可以在项目及规划的实施前针对环境因素进行考虑及进行 改进,使我国社会发展做到环境友好型发展。 1.3、环境系统分析的定义 应用系统分析针对环境领域的问题进行分析可以有效地解决环境问题。对于 环境中工程控制部分同环境的影响关系,美国 Rich 教授进行了相关研究。日本 专家对于环境系统的治理以及规划进行了相关探索。清华大学对于水污染模型化 利用最优化的观点进行分析。在过去的三十年时间内,国内外发表了大量的相关 文献和专著,使系统分析方法在环境系统中的应用出现了空前繁荣的局面[50]。 1.4、两相流基本概念 相的概念通常指某一系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质部分, 各相间有明显可分的界面[18]。在气固两相流中,为研究问题的方便,引入了浓相和稀相 的概念。所谓浓相、稀相是以气相中颗粒含量多少来划分的[19],但实际上,要确切地给 出浓相和稀 相的界限值是很困难的。—般是以固体颗粒的存在对气相流动尚未形成很大 影响时的颗粒浓度为界限值。例如,按气固两相中固体颗粒质量含量来划分[20]:凡每千 克气体中颗粒的质量小于 l 千克的气固混合物称为稀相,大于 1 千克则称为浓相;也有 按气固混台物中固体颗粒的容积百分含量来划分:凡固体颗粒的密积百分含量低于 5% 的气固混合物称为稀相,而大于 5%的则称为浓相。另外,还有从固体颗粒群运动的机 理来划分[21]。 对于稀相流动,由于固体颗粒相对很少,可以假设固体颗粒不占有体积,固体颗粒 对气相运动的影响不是太大,固体颗粒间的相互作用基本可以略去不计。固体颗粒的运 动规律基本与气相一致。因此,对于稀相流动其性质类似于单相流动,只需把气体和固 体颗粒运动的相互影响加以修正可得到稀相流动规律,这样可使问题大大简化,便于研 究气固两相运动的规律。但必须明确的是,在稀相流动中只是固体颗粒的存在对气相运 动的影响不很大,而气相的存在对固体颗粒运动的影响却非常大。 对于浓相流动,颗粒的浓度较大,颗粒间的相互作用不可忽视。颗粒的存在已经对 气相运动形成了不可忽视的影响。因此,对于浓相流动,需要考虑的影响因素远比稀相 流动更多,更复杂。 1.5、汽车类复杂产品定义 复杂产品是指客户需求复杂、产品组成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂、 项目管理复杂的一类产品[1]。汽车类复杂产品是复杂产品体系中的一类产品,也 是多种复杂因素共同作用的产物,主要由 交通工具和工程机械类产品组成,如汽 车、客车、轨道交通车辆、游艇、工程机械产品等,如图 1.1。 图 1.1 复杂产品与汽车类复杂产品的关系及组成 图片来源:作者自绘 汽车类复杂产品是由众多的部件高度集成组成,实现移动、运载、建造等功 能。产品设计涉及造型美学、工程结构、电子、控制等多个领域,在不同领域设 计者相互协调、沟通和合作完成产品的设计任务。该类产品由于受到多种设计条 件的影响和制约,汽车类复杂产品本身的复杂性决定了设计过程中信息的不确定 性、模糊性,如汽车的开发设计过程中,开发初期不能够完全确定开发车型的准 确尺寸,更多的以参考标杆车和竞品车型制定大致的长、宽、高的尺寸,造型设 计和工程结构设计需要在设计进程中不断根据具体的需要进行协同调整,在较为 动态的过程中逐渐趋向一个确定的、合理的设计结果。 汽车类复杂产品中各个门类产品的研发已经发展成为各自独立的体系,造型 设计也成为汽车类复杂产品研发过程中的核心环节。本文从宏观角度上,将此类 产品作为一个整体进行综合分析和研究,探索适用于此类产品的造型设计方法。 1.6、汽车的概念 汽车的概念在2004年10月1日实施的中华人民共和国家标准GB 7258—2004 中定义是如下: 由动力驱动,具有四个或四个以上车轮的非轨道承载的车辆,主要用于: ——载运人员和/或货物; ——牵引载运货物的车辆或特殊用途的车辆; ——特殊用途。 4 表 1.2 乘用车的分类(按用途)及重庆典型的生产(或有生产能力/资格)的厂家 Table 1.2 Classification of Passenger Vehicle(categorize according to the use)and the company of typical model or with the ability of producing in Chongqing 说 明 分 类 车身 车顶 座位 门车 车窗 图 例 重庆典 型的生 产(或有生产能 力/资格)的厂家 普通乘用 车 封闭 硬顶 ?4 42 重庆长安集团 活顶乘用 车 可 开启 硬顶 软顶 ?4 24 ?4 重马 庆自长达安公福司 特 高级乘用 车 封闭 硬顶 ?4 46 ?6 小型乘用 车 封闭 硬顶 ?2 2 ?2 重庆长安铃木 敞篷车 开可 启 硬软顶顶 ?2 42 ?2 重马庆自长达安公福司 特 轿 车 仓背乘用 车 封闭 硬顶 ?4 42 ?2 车身后部有一仓门 汽重车庆长有安限铃公木司 旅 行 车 封闭 硬顶 ?4 42 ?4 多用途乘用车 座位数超过7个,多用途 重汽庆 车长有限安公铃木司 短头乘用车 短头? 重庆长安集团 越野乘用 车 可在非道路上行驶? 重庆长安铃木 汽车有限公司 乘 用 车 专 用乘用车 专门用途(救护殡车仪、车旅) 居车、防弹车、 业重庆股 市份司 迪有限马实公 资料来源:根据蔡兴旺.汽车概论[M]. 北京:机 械工业出版社;国家发展与改革委员会历次《车 辆生产企业及产品公 告》以及相关企业产品目录整理形成。 表 1.3 商用车的分类(按用途) 及重庆典型的生产(或有生产能力/资格)的厂家 Table 1.3 Classification of Commercial Vehicle(categorize according to the usea)nd the company of typical model or with the ability of producing in Chongqing 说 明 分 类 车身 车顶 座位 门车 车窗 图 例 重庆典 型的生 产(或有生产能 力/资格)的厂家 小型客车 载客,?16座(除驾 驶员座) 重庆恒通客车 有限公司 商 客 城市客车 城市用公共汽车 重庆恒通客车 有限公司 ?短头乘用车:指一半以上的发动机长度位于车辆前风窗玻璃最前点以后,并且方向盘的中心位于车辆总长的 前四分之一部分内。 ?越野车:在其设计上所有车轮同时驱动(包括一个驱动轴可以脱开的车辆),或其几何特性(接近角、离去 角、纵向通过角,最小离地间隙)、技术特性(驱动轴数、差速锁止机构或其他型式机构)和它的性能(爬坡 度)允许在非道路上行驶的一种乘用车。 5 说 明 分 类 车身 车顶 座位 门车 车窗 图 例 重庆典型的生 产(或有生产能 力/资格)的厂家 长途客车 长途客车 重庆恒通客车 有限公司 旅游客车 旅游用车 重庆有限恒公通司客 车 铰接客车 由两节刚性车厢铰接组成的客车 重庆恒通客车 有限公司 无轨电车 经架线由电力驱动的客车 原重庆山花汽 车厂 越野客车 可在非道路上行驶的客车 车 专用客车 专门用途的客车 半 挂 牵 引 车 牵引半挂车的商用车 重庆铁马工业 集团 普通货车 敞开或封闭的载货车 重庆铁马工业 集团 多用途货 车 驾驶座后可载3人以上的货车 重庆长安集团 全挂牵引 车 牵引杆式挂车的货车 越野货车 可在非道路上行驶 专用作业 车 特殊工作的货车(消防车、救险车,垃 圾车、应急车、街道清扫车、扫雪车、 清洁车等) 重庆红岩专用 汽车制造厂 用 车 货 车 专用货车 运输特运殊输物车品、的集货装车箱(运罐输式车车等、) 乘用车 重汽庆车红制岩造专厂 用 资料来源:根据蔡兴旺.汽车概论[M]. 北京:机械工业出版社;国家发展与改革委员会历次《车 辆生产企业及产品公告》以及相关企业产品目录整理形成。 本术语还包括: ?与电力线相联的车辆,如无轨电车; ?整车整备质 量超过 400kg 的三轮车辆。 本文在研究过程中,将采用这一标准对汽车的定义,以达到和各种国家统计 数据及各级政府的统计数据口径相一致的目的。由于重庆汽车和摩托车两个产业 在技术、人员、销售网络等方面都有比较紧密的联系,因此,本文在分析问题、 引用数据时会涉及到一些摩托车产业的整车和零配件产业的数据。在引用时这些 数据时,本文会做出特别的标识。若无特别说明,则不涉及摩托车产业的数据。 1.7、汽车主题公园的定义 汽车主题公园的概念是伴随着汽车工业的发展以及汽车旅游市场的逐渐扩大而产 生的,它是在当今经济环境条件下引发的、具有未来运做空间的产业项目。提出这样一 个概念的理由如下:?汽车工业迅猛发展,有车族数量增多,对运动、休闲场所有需求 ?汽车旅游的多元化引发了会展、商贸和文化传播,需要一定的媒介。 关于汽车主题公园目前还没有明确的定义,作者根据对相关文献的研究,总结出汽 车主题公园是以汽车为主题,集汽车运动与文化、汽车娱乐与科普、汽车贸易与服务为 一体的综合性现代化大型主题园区。园区里可以有专业的汽车赛道、汽车博物馆、汽车 销售中心、酒店服务区,并可以举行汽车展会和开展汽车竞赛。 2、相关背景 2.1、选题背景及意义 业发展现状1.1.1 我国汽车行业发展现状 20 世纪 50 年代我国汽车行业开始发展,但是由于我国当时经济技术手段的 落后,汽车行业发展相对缓慢,落后于其他国家。从 1979 年开始,我国汽车行 业在改革开放政策的不断推动下,有了长足的发展,目前已成为我国国民经济发 展的重要支柱,推动着能源、钢铁、电子等多个行业的发展。我国汽车产业在 90 年代首次突破 100 万辆,自从 2001 年加入 WTO 后,中国汽车产业的发展更 加快速,2002~2004 年汽车年产量相继突破 300 万、400 万和 500 万辆,在 2010 年更是达到了 7802 万辆,如表 1-1 所示。 汽车产业现在已成为我国支柱产业,但是在汽车产业不断发展的同时,也消 耗了大量的能源、资源,并且对环境产生了极大的危害。目前发达国家的汽车保 有量已经处于平稳期,发展速度已经放缓,增长幅度也不断减小。但我国汽车产 销量逐年增长,汽车保有量越来越多,同时汽车保有量的增长率也越来越快。根 据中国统计年鉴中的数据表示,与 1990 年相比,我国 2006 年汽车保有量增长了 8 倍多。到 2008 年为止,美国汽车的人均拥有量为 0.82 辆,日本汽车的人均拥 有量为 0.59,世界的平均拥有量为 0.15,然而我国 2008 年的汽车人均拥有量只 为 0.04,如果按照这个发展趋势继续发展的话,未来我国汽车保有量有可能达到 1.94 亿万辆,达到世界人均水平。如果按照美国人均拥有量计算的话,我国汽车 保有量将达到 10.93 亿辆。我国汽车数量快速的增长,带来每年的汽车报废量也 在不断增多,但废旧汽车的回收拆解行业的发展与汽车的增长状况不相匹配,规 模小且处理成本高,报废车辆经正规拆解程序的约 40%,大量废旧汽 车流入二手 市场和黑市,造成环境污染和交通安全隐患。此外,在汽车 的使用阶段会对环境 造成严重影响。从德国汽车研究机构的研究结 果看出,在汽车使用阶段排放一共 会排放 59.7 吨二氧化碳到大气中, 同时会产生 26.5 吨的固体垃圾。汽车保有量 的增多,汽车尾气的排 放量增大,汽车磨损与消耗零件的不断更替,更加剧了环 境污染的严 重性。从国家环保部公布的信息可知,我国汽车的尾气排放占城市大 气污染中的 79%左右。北京、广州、上海等城市中,机动车已经成为 排放 CO2、 CO、NOx、HC 等污染物的第一大污染源[1]。 1 第一 章 绪 论 2009 和 2010 年间,国家相继出台了一系列关于汽车产业 的鼓励和限制政策, 如成品油税费改革、汽车以旧换新政策、《重 型车用汽油发动机与汽车排气 污染物排放限值及测量方法(中国 III、IV 阶段)》和《关于做好节能汽车推广补 贴兑付工作的通知》 等,从政策、技术等多个方面引导汽车产业的发展。2010 年底,环境保 护部发布《中国机动车污染防治年报(2010 年度)》,首次公布我 国机 动车污染物排放情况[2]。从我国政府相继出台的政策可以看出国家 对汽车产 业发展所带来的环境问题的重视程度。因此我们在继续扶 持汽车产业的同时,也 要将更多的注意力集中于其可持续性研究上。 表 1-1 1997-2010 年我国汽车拥有量及产销量 单位:万辆 年份 民 用汽车拥有量 私人汽车拥有量 产量 销量 2010 7802.0 6539.0 1826.5 1806.2 2009 6280.6 4574.9 1379.1 1364.5 2008 5099.6 3501.4 934.5 938.1 2007 4358.4 2876.2 888.3 879.2 2006 3697.4 2333.3 728.0 721.6 2005 3159.7 1848.1 570.8 575.8 2004 2693.7 1481.7 507.1 507.2 2003 2382.9 1219.2 444.4 439.2 2002 2053.2 969.0 325.4 324.9 2001 1802.0 770.8 234.2 237.1 2000 1608.9 625.3 206.8 207.8 1999 1452.9 533.9 183.2 183.3 1998 1319.3 423.7 162.8 160.3 19971219.1 358.4 158.3 156.6 数据来源:《中国统计年鉴》,中国统计出版社(1998~2011 年) 2.2、背景辐射 背景辐射的影响主要包括背景光和杂散光对检测系统的影响。 探测器在环境中工作,除了接收到光源辐射外,还受到来自环境以及其他 周围杂散光的辐射。这一点已通过增加窗口片、滤光片及减小视场来尽量减小 48 中国计量学院硕士学位 背景辐射的影响。 2.3、发动机尾气能量回收利用的研究背景及意义 题 能源是人类赖以生存和社会经济进步的基础,是达成国民经济迅速发展和提高人 民生活质量的最基本条件。人类对能源的需求随着全球经济持续增长而逐渐提高。《世 界能源展望 2012》中提到,2009 年全球的石油需求量达到了每日 8400 万桶,而到 2035 年,该值将会达到每日 9900 万桶,增长幅度达到了 18%。中国现有较为丰富的能源 资源总量,其中多以煤炭资源为主。在 1970 年以后,我国在一次能源生产量上有了 质的进步,基本上可以满足我国的社会需求和经济发展。然而,由于我国工业化水平 的持续发展,使我国的能源消耗总量主要以一次能源中的石油和天然气的需求为主。 尤其是随着我国汽 车工业的迅速发展,使得人们对石油的需求量急速增长。从图 1-1 可以看出,近十年,我国能源消耗与生产量差值逐年增大,这表明我国能源已逐渐供 不应求。这种趋势随着经济发展将会更加明显[2]。 煤300000生产量 准280000消耗量 260000 吨标240000 /万220000 量200000 费180000 160000 量消和140000 120000 生产2000 2002 2004 2006 2008 2010 年份 图 1-1 2000 年-2010 年我国能源消耗与生产情况 Fig.1-1 2000 -2010 China’s energy consumption and production 汽车是社会发展的产物,其数量的急剧增加是社会文明进步的标志。汽车的出现 不仅给人们的生活提供了便利,同时也给人们带来了一系列环境和能源的问题。据公 安部交通管理局给出的数据表明,截止 2011 年底,中国机动车保有量已达到 2.23 亿 辆,其中有 1.04 亿辆的汽车,而个人名义登记注册的私家车保有量也达到了 7748 万 辆。汽车保有量的不断增加,使我国的燃油消耗量也逐渐增加,这对我国燃油的供应 产生了巨大的冲击。尽管我国是一个重要的石油和天然气生产国:2010 年,我国的原 油产量超过 4 百万桶/日,然而,随着汽车保有量和经济强劲的持续增长,其对石油 的需求也在不断增加,从 2000 年的 4.6 百万桶/日到 2009 年的 8 百万桶/日。据 2011 1 年国际能源机构的世界能源展望报告预测,中国石油需求量在 2020 年将会增长到每 日 12.2 百万桶。即使中国目前是世界石油第五大生产国,但依然从 1993 年起就开始 成为石油净进口国。2011 年,中国进口原油 5 百万桶/日,约占总需求的 54%,其中 超过 50%的原油进口来自中东。下表为我国 2001 年-2011 年石油生产量及消 耗量(千 桶/日)[3]。 表 1-1 2001 年-2011 年中国石油生产量及消耗 量(千桶/日) Table 1-1 2001 - 2011 Chinese oil production and consumption (thousand barrels / day) 年 份 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 生产量 3310 3351 3406 3486 3642 3711 3742 3814 3805 4077 4090 消耗量 5102 5529 6040 7051 7229 7742 8141 8230 8546 9612 10121 图 1-2 各行业占能源消耗百分比 Fig.1-2 Percentage of energy consumption in the industry 图 1-2 表明, 交通运输所占石油消耗量仅次于工业消耗。对汽车来讲,若启动了 空 调系统就相当于多耗用一定的发动机动力,每里程消耗的汽油量就会 增加。不同车 型每升汽油少行里程也不一样。如假定空调油耗量均 为 10%,则空调速度与少行路程 关系及油耗与少行路程关系如表 1-2 及表 1-3 表示。 表 1-2 汽车空调启动后速度与路程关系 Table 1-2 Speed and distance relationship after the start of automotive air conditioning 汽车速度(km/h) 少行路程(m) 32 1000 80 840 2 表 1-3 启动空调后油耗与少行路程关系 Table 1-3 Fuel consumption and less distance after the start of automotive air conditioning 车型 百公里油耗 少行路程(m/L) 微型轿车 6 1520 中型轿车 8 1100 大型轿车 10 910 面对当前的能源和环境问题,目前主要的解决措施体现为两方面:一是 努力研究 和开发可再生能源,调整和优化能源结构,这是未来能源利 用领域的重要发展趋势; 二是节约有限的化石燃料,提高能源的利用 效率。改善能源结构对于像我国这样的国 家来讲将是一个长期的过 程。因此采取有力措施推动用能产品的能源效率就成为我国 乃至当 今世界各国应对能源环境问题的共同选择。 节能并不是把人们的生活水平降低,而是需要引进更先进的、更有效的生产技术 和提高能源利用率的技术,通过改善能源结构的管理,增加能源利用率,以对个人生 活和国际经济发展产生积极影响[4]。 节约能源、减少排放是能源可持续发展的必由之路。能源消耗高、污染浪费严重 等都是我国能源需求结构不完善的突出表现。所以要缓解改善能源供需矛盾问题,从 根本上就是尽可能节约与合理使用能源,提高其利用效率。 2.4、课题背景和意义 类开发利用的自然资源,它可以提供人类生产生活 所必需的各种能量。可见,能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵 观人类社会发展的历史,人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更 替。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。 石油是一种十分重要的能源资源,它在国民经济中有着十分重要的地位和作 用,被誉为”工业的血液”、”黑色的金子”。具有能量高、体积小、运输方便等 优点。相比较而言,煤炭在重量、体积、污染等方面都要比石油大;天然气虽然 燃烧产生的污染少,但其体积巨大,需要提供管道和昂贵的液化费用来运输,而 且这还会引起对其安全性的忧虑。因此石油成为三大矿物燃料中用途最广的能 源。 表 1-1 世界主要产油国及地区 2004-2007 年的产量 2007 年的增幅及所占份额[1] (百万吨) Table 1-1 The production from 2004 to 2007, the growth and the share in 2007 in the world’s major oil producer. 年份 2004 年 2005 年 2006 年 2007 年 2007 年增 幅(%) 2007 年占世 界份额 (%) 沙特阿拉伯 506.0 526.8 514.3 493.1 -4.1 12.6 俄罗斯 458.8 470.0 480.5 491.3 2.2 12.6 美国 329.2 313.3 310.2 311.5 0.4 8.0 伊朗 209.7 210.1 211.3 212.1 0.4 5.4 中国 174.1 180.8 183.7 186.7 1.6 4.8 墨西哥 190.7 187.1 183.1 173.0 -5.5 4.4 加拿大 147.6 144.9 153.4 158.9 3.6 4.1 阿拉伯联合 酋长国 124.7 129.0 139.0 135.9 -2.3 3.5 委 内瑞拉 150.0 151.0 144.2 133.9 -7.2 3.4 科威特 122.3 129.3 132.4 129.6 -2.1 3.3 20 世纪石油越来越多地被应用于各个领域,汽车和柴油 机车的发展使得石 油取代煤炭成为了主要的运输用燃料,运输业所 需燃料中的 95%都是衍生于石油 的汽油、柴油和煤油,而这些燃料又 几乎占据了全世界石油生产量的 60%,这种 类型的石油消费是当代 世界经济中最依赖于石油的一部分,同时它在短期内也没 - 1 - 北京 工业大学工学硕士学位论文 有可立即实用化的替代品。在发达国家, 交通运输部门实际上占了所有石油需求 的新增加量,而发电、家用、 工业使用正逐渐转向使用天然气和一定程度的其他 能源。 表 1-2 世界主要石油消费国及地区 2004-2007 年的消费量 2007 年的增幅 及所占份额[1] (百万吨) Table 1-2 The consumption from 2004 to 2007, the growth and the share in 2007 in the world’s major oil producer. 年份 2004 年 2005 年 2006 年 2007 年 2007 年增 幅(%) 2007 年占世 界份额(%) 美国 948.7 951.4 943.8 943.1 -0.1 23.9 中国 318.9 327.8 353.3 368.0 4.1 9.3 日本 241.1 244.1 237.1 228.9 -3.5 5.8 印度 120.2 119.6 120.4 128.5 6.7 3.3 俄罗斯 123.3 121.9 127.1 125.9 -0.9 3.2 德 国 124.0 122.4 123.6 112.5 -9.0 2.8 韩国 104.9 105.4 105.6 107.6 1.9 2.7 加拿大 100.6 100.3 99.6 102.3 2.7 2.6 沙特阿拉伯 83.7 87.2 92.6 99.3 7.2 2.5 巴西 88.4 90.1 91.2 96.5 5.8 2.4 表 1-3 2006 年 2007 年我国原油加工量和主要油品产量[2] (万吨) Table 1-3 The crude oil processing and the main oil production in China from 2006 to 2007. 类别 2006 年 2007 年 增长(%) 原油加工量 30650.6 32679 6.62 汽煤柴产量合计 18204.8 19517 7.21 其中:汽油 5591.4 5994 7.20 煤油 960 1153 20.10 柴油 11653.4 12370 6.15 润滑油 572.3 649 13.40 燃料油 2264.7 2310 2.00 表 1-1 与表 1-2 说明现在我国的产量远远达不到我国的消费量,需要大量的 从国外进口。事实上,我国石油需求量持续快速增长,2007 年已达到 3.70 亿吨, 石油净进口量达到创纪录的 1.83 亿吨,石油对外依存度已高达 49.5%,直逼 50% 的警戒线。[2] - 2 - 第 1 章 绪 论 我国能源隐藏着巨大的隐患,面临着巨大的挑战,主要表现在以下几个方面: 人均能源资源紧缺;总体需求量大,石油供需缺口大;能耗强度高,利用效率低; 能源结构不佳,污染严重。 汽车工业是我国国民经济的支柱产业之一,伴随着汽车工业的发展,车辆消 耗的能源也与日俱增,使得车辆的节能备受关注。而表 1-3 说明我国的石油大量 用在发动机的油耗上。因此,利用发动机余热做功不仅是解决能源问题的一个有 效途径,也是一个很好的节能途径。[3] 2.5、课题背景 己内酰胺(CPL)作为尼龙6中间体,早在1943年首先由德国BASF 公司实现 了工业化生产[63],随着尼龙纤维的迅速崛起,带动了世界范围内己内酰胺的迅 速发展。近年来由于锦纶(尼龙)6纤维、锦纶树脂、聚酰胺、薄膜和人造革以 及在工程塑料应用领域的扩大和发展,对己内酰胺的需求量也在不断增长。我 国己内酰胺的产量长期不能满足国内的需求,前几年仅能满足消费量的1/3,目 前也只能满足消费量的50%左右[64]。2010年锦纶与规划能力平衡,己内酰胺缺口 20万吨以上,所以大力发展我国的己内酰胺产业是当务之急。生产高质量的己 内酰胺,其市场前景非常看好。 石家庄化纤有限责任公司(以下简称石化纤)拥有年产5万t的己内酰胺装置, 该装置是我国第一套采用意大利SNIA公司甲苯法生产己内酰胺的装置,主要设 备是从意大利TPL公司引进的[65]。石化纤甲苯氧化装置以空气为氧化剂在反应器 中完成,该装置的尾气排放量为16000Nm3/h,尾气中芳烃含量(苯-甲苯) 6~10g/m3,尾气现通过活性炭固定床吸附后排放,从气体蒸汽中回收甲苯和苯。 活性炭固定床共有两套,交替运行:第一固定床在吸附时,第二个固定床进行 再生,再生流程由汽提、干燥、冷却、备用四个步骤组成,当前各步骤的操作 过程如下: (1)吸附: 含有芳烃成分的 5~10?的尾气自下至上流经吸附床,利用活性 炭吸附后通过高点的烟囱排至大气,此过程时间为 3 小时,结束后,活性炭处 于芳烃的饱和状态,需要再生; (2)再生:活性炭的再生主要由汽提、干燥、冷却、备用四个步骤组成, 整个操作周期为 3 小时: A 汽提: 系统汽提的时间为 75min,低压蒸汽经过分布器后自下而上经过活 性炭床,脱除活性炭中的芳烃成分,从床层出来的蒸汽(含炭氢化合物和水蒸汽), 在换热器 E-0129 中用循环水进行冷凝, 然后在换热器 E-0130 中用冷冻水过冷; B 干燥: 系统干燥的时间为 60min,离心风机 K-0102 提供的压缩风经过加 热后达到 90?,自下而上流经活性炭床,经过二级冷却后流至吸附床; 10 2.6、中国新能源汽车发展背景 12 纯电动汽车没有传统的内燃机,动力源于储能电池组。储能电池依靠外界电 源充电,汽车行驶时电池向电机供电,由电机向驱动轴输出扭矩,驱动车辆行驶 。 燃料电池汽车既摒弃了内燃机,也不需要从外界充电,它是通过自身携带的 氢和氧在燃料电池中的化学反应发电,为电机提供能量,进而为汽车驱动周提供 扭矩。 2.7、汽车用户背景特征研究 用户研究的这项内容主要包括: 1.人口统计:主要包括性别、年龄、婚姻状况、亚文化(包括种族及同种文化的民族)及地理位置; 2.社会经济特征: 包括收入、教育、职业和社会地位; 3.心理 (个性和生活方式特征): 包括个性、态度、兴趣、观点和生活方式; 4.使用/消费的时机。 3、研究意义 3.1、选题背景及意义 业发展现状1.1.1 我国汽车行业发展现状 20 世纪 50 年代我国汽车行业开始发展,但是由于我国当时经济技术手段的 落后,汽车行业 发展相对缓慢,落后于其他国家。从 1979 年开始,我国汽车行 业在改革开放政策的不断推动下,有了长足的发展,目前已成为我国国民经济发 展的重要支柱,推动着能源、钢铁、电子等多个行业的发展。我国汽车产业在 90 年代首次突破 100 万辆,自从 2001 年加入 WTO 后,中国汽车产业的发展更 加快速,2002~2004 年汽车年产量相继突破 300 万、400 万和 500 万辆,在 2010 年更是达到了 7802 万辆,如表 1-1 所示。 汽车产业现在已成为我国支柱产业,但是在汽车产业不断发展的同时,也消 耗了大量的能源、资源,并且对环境产生了极大的危害。目前发达国家的汽车保 有量已经处于平稳期,发展速度已经放缓,增长幅度也不断减小。但我国汽车产 销量逐年增长,汽车保有量越来越多,同时汽车保有量的增长率也越来越快。根 据中国统计年鉴中的数据表示,与 1990 年相比,我国 2006 年汽车保有量增长了 8 倍多。到 2008 年为止,美国汽车的人均拥有量为 0.82 辆,日本汽车的人均拥 有量为 0.59,世界的平均拥有量为 0.15,然而我国 2008 年的汽车人均拥有量只 为 0.04,如果按照这个发展趋势继续发展的话,未来我国汽车保有量有可能达到 1.94 亿万辆,达到世界人均水平。如果按照美国人均拥有量计算的话,我国汽车 保有量将达到 10.93 亿辆。我国汽车数量快速的增长,带来每年的汽车报废量也 在不断增多,但废旧汽车的回收拆解行业的发展与汽车的增长状况不相匹配,规 模小且处理成本高,报废车辆经正规拆解程序的约 40%,大量废旧汽车流入二手 市场和黑市,造成环境污染和交通安全隐患。此外,在汽车的使用阶段会对环境 造成严重影响。从德国汽车研究机构的研究结 果看出,在汽车使用阶段排放一共 会排放 59.7 吨二氧化碳到大气中, 同时会产生 26.5 吨的固体垃圾。汽车保有量 的增多,汽车尾气的排 放量增大,汽车磨损与消耗零件的不断更替,更加剧了环 境污染的严 重性。从国家环保部公布的信息可知,我国汽车的尾气排放占城市大 气污染中的 79%左右。北京、广州、上海等城市中,机动车已经成为 排放 CO2、 CO、NOx、HC 等污染物的第一大污染源[1]。 1 第一 章 绪 论 2009 和 2010 年间,国家相继出台了一系列关于汽车产业 的鼓励和限制政策, 如成品油税费改革方案、汽车以旧换新政策、《重 型车用汽油发动机与汽车排气 污染物排放限值及测量方法(中国 III、IV 阶段)》和《关于做好节能汽车推广补 贴兑付工作的通知》 等,从政策、技术等多个方面引导汽车产业的发展。2010 年底,环境保 护部发布《中国机动车污染防治年报(2010 年度)》,首次公布我 国机 动车污染物排放情况[2]。从我国政府相继出台的政策可以看出国家 对汽车产 业发展所带来的环境问题的重视程度。因此我们在继续扶 持汽车产业的同时,也 要将更多的注意力集中于其可持续性研究上。 表 1-1 1997-2010 年我国汽车拥有量及产销量 单位:万辆 年份 民 用汽车拥有量 私人汽车拥有量 产量 销量 2010 7802.0 6539.0 1826.5 1806.2 2009 6280.6 4574.9 1379.1 1364.5 2008 5099.6 3501.4 934.5 938.1 2007 4358.4 2876.2 888.3 879.2 2006 3697.4 2333.3 728.0 721.6 2005 3159.7 1848.1 570.8 575.8 2004 2693.7 1481.7 507.1 507.2 2003 2382.9 1219.2 444.4 439.2 2002 2053.2 969.0 325.4 324.9 2001 1802.0 770.8 234.2 237.1 2000 1608.9 625.3 206.8 207.8 1999 1452.9 533.9 183.2 183.3 1998 1319.3 423.7 162.8 160.3 19971219.1 358.4 158.3 156.6 数据来源:《中国统计年鉴》,中国统计出版社(1998~2011 年) 3.2、汽车尾气监控用传感器的研究意义 车保有量在持续增 长。根据日本汽车情报中心数据[1],2008 年世界汽车保有量为 9.37 亿辆,据估计,2015 年将增加到 11.2 亿辆左右,其中 90%以上是传 统的燃油汽车。我国的汽车保有量增长更快,如图 1.1.1,国家统计 局报告指出,截止 2008 年年底,民用汽车保有量为 6467 万辆,2010 年底已经达到了 7400 万辆。工业信息产业部预测,2020 年我国汽车 保有量将超过 2 亿辆。汽车保有量的增长,不仅导致了能源短缺,而 且对大气环境和局部环境都会造成严重的破坏,这一问题在汽车节能 和环保技术相对落后的我国更为突出。 图 1.1.1 我国汽车保有量增长趋势图 根据国际能源机构的数据,2003 年世界 57%的石油消费在交通 领域,预计到 2020 年这一比例将超过 62%,其中道路运输业占绝大 部分。美国能源部预测,从 2020 年起,世界石油供给将出现净缺口, 1 2050 年的供需缺口将达到 2000 年世界石油总产量的 2 倍。我国的石 油对外依存度在逐年的上升,2010 年为 55%,对进口依赖的原因主 要是由于我国汽车保有量的迅速上升。国家发改委指出,我国”十一 五”计划新增的 1 亿吨的炼油能力,基本上全部被增加的汽车所消耗。 虽然目前关于石油存储量的预测说法不一,但是不可再生的石油资源 最终必然是要枯竭的 [2-3]。 汽车保有量的持续增长同时也是导致环境污染不断恶化的主要 原因,除了燃烧产生的 CO2导致温室效应以外,汽车尾气中的 NOx、 HC、CO 和颗粒物是引起酸雨,光化学烟雾、臭氧层破坏等环境污染 的主要原因。特别是由于汽车的移动性和空间的有限性,使得其尾气 处理更加困难,是难以处理的移动污染源。在空气污染的排放分担率 中,2001 年中国汽车尾气占 30%-60%,美国为 55%;但是我国汽车 主要集中在大中型城市,城市中汽车和汽车尾气中,NOx 的危害十分 严重,除了导致光化学烟雾和酸雨等环境污染外,NO2能引发癌症和 严重的呼吸道疾病;NO 与血液中的 Hb 结合力极强,是 CO 的数百 至一千倍,会引起严重缺氧、窒息、中枢圣经麻痹甚至死亡。《第一 次全国污染普查公报》的数据表明,机动车排放的 NOx 为 549.65 万 吨,占 NOx 总排放量的 34%,在大城市中可高达 75%左右,汽车尾 气已成为大中型城市的首要空气污染源[4]。为了应对能源缺口的不断 扩大和环境持续恶化的双重挑战,世界各国政府制定了越来越严格的 汽车油耗目标和尾气排放标准。欧盟、中国、日本和美国等国制定了 2020 年乘用车油耗标准,分别是 4、5、5 和 5.7L/100km[5]。为保证上 2 述油耗目标的实现,各国制定了分阶段实施目标,我国新油耗法规限 值以第二阶段目标值为最低要求,要求高于此值的乘用车不能上市销 售,同时制定了各车型平均油耗的目标值。第三阶段目标值被第二阶 段要求平均下降 20%;分阶段目标和最终油耗目标的实现都依赖于汽 车综合节能技术的提高,包括发动机、电控系统、传动系统、轻量化、 造型设计等技术,其中发动机和电子 控制技术最为关键,二车载的汽 车尾气监控用传感器在提高发动机效率和构建新型电控系统方面将 发挥重要作用。 为了严格限制汽车尾气污染的排放量,世界各国政府分阶段制 定了相应的汽车尾气排放法规,形成了汽车尾气排放法规体系,欧洲 一直处于世界的领先位置。欧洲一直重视降低油耗和减少 CO2的排 放,因此柴油车的保有量逐年增加,2007 年已经达到 53.3%,但相伴 而生的是 NOx 排放总量的增加。面对这样的问题,欧洲强化了 NOx 的排放标准,欧洲的 NOx 允许排放量(EU6)正在接近日本和美国, 各国最新的允许排放量降低到原最高排放量的 1/5-1/10,我国的最新 排放标准 CHN4 正在和国际接轨[6-7]。 越来越严格的汽车油耗标准和尾气排放标准促使汽车企业必须 持续提高传统燃油汽车的节能环保技术,提高传统汽车节能技术的关 键在于开发新型燃烧技术,最具代表的是稀薄燃烧技术,它是通过增 大空燃比和压缩比来提高燃烧效率。但是由于尾气中氧浓度的升高, 不能充分的利用尾气中 HC 和 CO 有效地还原 NOx,需要在原有的三 元催化剂的后端增加 NOx 吸储型催化剂(NSC)进行二次净化[8-9]。 3 在稀薄燃烧(LEAN)状态下 NSC 吸储尾气中的 NOx,当吸储量接 近饱和时,控制发动机处于富燃状态,利用产生的大量 HC 和 CO 还 原已经吸储的 NOx,使 NSC 再生。因此必须在 NSC 的前后方设置 NOx 传感器,用于控制发动机的燃烧状态和确定吸储型催化剂的再生 时机(图 1.1.2a)。 此外,NOx 吸储型催化剂的最佳工作范围在 250-500?。但是在 该温度范围内,NOx 吸储型催化剂容易发生硫中毒,所以必须把汽 油中的含硫量降到最 低,这对汽油的质量要求很高;当把 NOx 吸储 型催化剂的反应温度提高到 650?以上时,硫就可以通过燃烧而除 去。当汽车在高速行驶时,可以保证这个工作温度,但在城市内进行 低速行驶时,工作温度下降,很难将附着在 NOx 吸储型催化剂表面 的硫除去,因此需要一个 NOx 传感器来监控催化剂的工作状态,确 定提高排气温度来进行除硫工作的时机。由此可见,在稀薄燃烧技术 中,NOx 传感器起着控制燃烧状态,确定 NOx 吸储型催化剂还原和 除硫时机的作用,是稀薄燃烧系统的关键技术之一。 (a) (b) 图 1.1.2 稀薄燃烧技术排气净化系统(a)和柴油车排气净化系统(b) 此外,使用柴油发动机也是燃油汽车的重要节能方案之一。柴 油发动机由于空燃比和压缩比高,其燃烧效率比同等排气量的汽油发 4 动机高 30%左右,有利于减少油耗和降低 CO2排放量,因此广泛的应 用到重型车,公交车,农用车和军用车上;同时也由于高转速柴油机 的技术进步和其低油耗的特点,柴油发动机也在轿车上大量的使用, 特别是在欧洲。但是柴油发动机的不足也在于排气中含有高浓度的氧 气,三元催化剂无法除去排气中的 NOx,必须通过 NOx 吸储型催化 剂或者选择性还原催化系统(SCR)进行脱硝处理[10]。在 SCR 系统 中,由尿素的水溶液产生的 NH3将 NOx 还原成无害的 N2和水,以达 到去除 NOx 的目的。和 NOx 吸储型催化剂相比,选择催化还原系统 具有工作温度低,耐久性好,处理液价格低和不影响油耗等优点,在 日本,美国,欧洲已经普及在重型车上。为了调节发动机燃烧状态、 控制尿素的注入量和监控选择性催化还原系统的工作状态(图 1.1.2b),需要在选择催化还原系统前后都 是用 NOx 传感器;另外也 要防止尿素水溶液的过分注入导致过量氨气的排放,造成二次污染, 因此需要在选择性催化还原系统后方设置NH3传感器检测NH3浓度, 与 NOx 传感器协同控制尿素水溶液的注入量。可见,高性能的汽车 尾气监控用 NOx 传感器是构建柴油车尾气净化系统不可或缺的关键 技术。 总之,高性能 NOx 传感器是燃油汽车的节能减排的关键技术,是 与氧传感器相媲美的重要车载气体传感器之一。 3.3、本课题意义 目前我国汽车行业的发展速度不断提高,与此同时,使用阶段的环境污染以 及持续增长的保有量所造成的燃油消耗、尾气排放压力以及各个部件由于磨损和 消耗造成的环境污染问题日益严重。这也就给我国汽车行业的设计制造以及针对 使用过程中造成的环境污染提出了前所未有的挑战。 本文针对汽车在使用阶段的燃油消耗、尾气排放、轮胎磨损、催化剂磨损以 及噪声等多个方面进行环境影响分析。从中找出在汽车的使用阶段不合理的以及 对环境危害较大的因素,并进行分析后,提出具有针对性的建议。利用 Gompertz 曲线预测方法对我国汽车 2020 年的保有量及油耗、尾气、轮胎和催化剂未来产 生量进行预测。最后对降低当前我国汽车使用阶段的环境影响的解决方法进行定 量化分析,利用经济(Eo)、环境(Env)和能源(En)(简称 3E)综合评价体系,从 2 第一章 绪 论 经济、能源、环境三方面的综合影响进行数据的整合,使评价结果更加具有实际 的应用价值,最后 针对汽车使用阶段环境影响削减方式提出相对最优的解决方 案。对所提出的解决方案进行情景分析,为我国汽车行业实现可持续化发展提供 相关依据。 3.4、本文研究意义 本文的研究意义在于以下几个方面: (1)通过 GT-Power 软件模拟柴油机的工作过程,可以得出柴油机尾气余热与 转速的关系,为以后的有机朗肯循环余热回收系统提供设计参数点。 (2)通过朗肯循环的工质选择计算,为有机朗肯循环系统提供纯备选工质。 (3)通过对潍柴某发动机有机朗肯循环系统方案分析及优化,为柴油机尾气余 热回收系统提供优化路线。 (4)通过对 BJ493ZLQ3 增压柴油机尾气余热利用实验台主要部件的选型,为 - 8 - 第 1 章 绪 论 以后实验台的优化搭建提供经验。 本文通过上述工作,研究发动机与余热利用系统的相互影响规律,为余热利 用系统的设计提供参考依据。 - 9 - 北京工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 第 2 章 利用 GT-Power 软件搭建柴油机模型 第 2 章 利用GT-Power软件搭建柴油机模型 发动机的设计开发能力反映了发动机企业的技术水平,是企业能否长期生存 发展的核心和关键。传统的”图板+经验+发动机台架”的设计方法设计周期长、 开发成本高,难以适应市场对产品多样化和小批量生产的要求。相比之下,计算 机软、硬件技术的巨大进步和相关基础理论如有限元分析(FEA)、计算流体力学 (CFD)等的研究进展,为计算机辅助设计(CAD)的发展和应用提供了必要的前提 条件和坚实的基础。 在汽 车研发过程中,计算机仿真技术应用十分广泛。由于计算机仿真技术可 大大节省试验时间、不受时间、经费、场地等客观条件的限制,显著提高产品开 发速度,因此 GT-POWER 等模拟软件已经成为现代汽车企业必不可少的研发手 段。 3.5、汽车性能检测的意义 ,汽车的结构不断完善,汽车的动力性、经济性、 安全性和舒适性不断改善。汽车作为一种机电混合的复杂系统,自动控制、现代通讯、 信息技术等领域的现代科技发展成果都及时的应用于汽车上。汽车的功能也已由单纯 的运输工具、代步手段逐步向人性化、智能化以及强调安全可靠、节能环保、舒适和 方便使用等方面发展[1]。 在汽车运用过程中,由于现代汽车复杂的结构本身缺陷、外界运用条件等多种因 素的影响,汽车技术状况不断发生变化。随着汽车行驶里程的增加和使用时间的延续, 汽车的技术状况和使用性能将不断恶化,从而导致汽车的动力性下降、经济性变差、 安全可靠性降低,严重影响汽车经济效益和运输效率的发挥。这就要求用现代化的汽 车检测手段对车辆性能进行定期和不定期的检测[2]。 所谓汽车综合性能检测是指运用检测诊断设备,在车辆不解体的情况下,对汽车 进行检查和测试,确定汽车工作能力和技术状况。先对汽车维护和修理前以及各级维 护和修理后必须实施的检测项目制订一个标谁,再通过检测来确定维护或修理的级别, 并在实施相应的维护或修理之后再通过检测来鉴定维护或修理的质量[3]。汽车检测的目 的就是判别汽车技术状 况是否处于规定水平,是否达到合格指标,检测后发出的结果 是合格或不合格,若要查明不合格的原因则需要进一步检测和诊断[4]。 近年来,新型汽车电子产品已被广泛应用,汽车电子化程度不断提高,汽车检测 技术的地位也越来越重要。汽车检测技术以逐渐成为一门独立的学科,成为汽车行业 范畴内一个极其重要的分支。汽车检测技术,贯穿于汽车运用、汽车保养、汽车维护、 汽车修理以及交通安全和环境保护等各个领域,而且起着日益重要的作用[5]。 在汽车使用过程中,及时检测和诊断影响汽车技术状况的原因,对其运行状态做 出判断,并采取相应的对策,可以大大提高汽车的使用可靠性,充分发挥汽车的效能, 提高汽车完好率,延长汽车使用寿命,获得更大的经济效益[6]。 通过检测设备定期对车辆的安全性、动力性和经济性进行检测,对提高汽车的完 好率,保证车辆技术状况和安全性能,提高运输效率、降低运行消耗、减少环境污染, 减少交通事故等方面起到了重要作用。我们在不断研制性能优良的汽车同时也需要不 断发展我国汽车检测事业[7]。 2 3.6、汽车前照灯检测的意义 随着我国经济的高速发展,机动车特别是汽车的数量也在大幅度增长,极大的改 善了人们的出行条件,交通运输业得到快速发展,但也带来了一系列的社会问题,交 通安全问题是其中最严重的问题之一。汽车前照灯是保障汽车安全运行的重要部件之 一,特别是在夜间行车时,前照灯的技术状况对行驶安全显得尤为重要[9]。车辆总行驶 里程 的 25%都是在晚上和自然光线不足的情况下,而在此期间发生的人身伤害行车事 故占到 33%,并且 50%的死亡事故发生在夜间[10][11]。汽车在夜间行车造成事故的原因 主要是驾驶员辨不清道路情况,遇到险情不能及时采取措施,尤其在高速行驶时,前 照灯的照明状况如果满足不了行车安全的需要,就会造成车毁人亡事故[12][13]。 前照灯是汽车在夜间或在能见度较低的条件下,为驾驶员提供行车道路照明的重 要设备,而且也是驾驶员发出警示,进行联络的灯光信号装置。所以前照灯必须有足 够的发光强度和正确的照射方向。由于在行车过程中汽车受到振动,可能引起前照灯 部件的安装位置发生变动,从而改变光束的正确照射方向,同时灯泡在使用过程中会 逐步老化,反射镜也会受到污染使得聚光性能变差,导致前照灯的亮度不足。这些变 化,都会使驾驶员对前方道路情况辨认不清,或在与对面来车交会时造成对方驾驶员 眩目等,严重时将导致事故的发生。因此,前照灯的发光强度和光束的照射方向被列 为机动车运行安全检测的必检项目[14][15]。 3.7、缺陷汽车召回的重要意义 现代交通工具种类繁多,相比于马车、自行车等,汽车拥有较高的行驶速度,相 14 比于飞机、火车等,汽车的行驶空间相对狭小,秩序管控水平低且品类繁多,因此也 更容易因为质量问题造成事故的频繁发生。对于存在缺陷问题的汽车实施召回管理制 度,既是汽车企业维护品牌声誉、勇担责任的体现,更是对消费者人身财产安全负责, 也是对 企业和民族的健康发展负责,其必要性显而易见。 4、研究目的 4.1、课题研究的背景和目的 1.1.1 汽车规模高速扩张 由于中国经济高速度台阶似的飞跃,百姓收入也同我国的 GDP 一样,呈现迅猛 增加的态势,在 2010 年以后,不仅国外的很多大汽车公司在中国建立生产研发基地 和生产车间,我国自主品牌也通过兼并、合作和增加自我研发投入等方式,销售量 和知名度都得到了质的变化。汽车被视为快捷,高效,方便的出行方式,进入了千 家万户,汽车数量在部分发达城市已经接近饱和状态。有的城市采用摇号和限行等 措施控制汽车数量的猛增。 人们日报在 2013 年底刊发了一条源自公安部的消息,我国在 2013 年汽车及驾 驶员继续飙升,到 12 月为止,在册的汽柴油车超过 2.5 亿辆。 过去十年,我国汽车保有量扩张 1 亿多,南京、杭州、大连等发达城市保有量 迈过百万,而北京、上海等都突破五百万大关。在 2003 年底时,在册车辆才只有二 千四百万。图 1-1 为我国居民汽车保有数量激增图。 图 1-1 我国民用汽车保有数量图 但是,汽车数量的急剧增加,环境保护力度的加大,汽车尾气排放产生的污染 因素日益严重,几乎是环境恶化的罪魁之首。所以机动车尾气排放标准的测定和法 律法规的进一步细化的要求日渐升高,不但我国是这样,其他国家的尾气排放标准 也面临着相同的问题。雾霾的加重,使社会更加关注环境问题,然而尾气污染越来 越严重,早就是大气污染的头号公敌。 尾气排放 污染物的问题也随之加剧,因为汽车尾气排放已成为大气污染的最重 要的来源。整改车辆排放设备,使排放标准达到新国标的形势迫在眉睫。汽车排放 的有毒有害污染物已经是我国大气污染的最重要的因素。然而这个因素没有降低, 1 反而由着在册汽柴油车的增高而越来越加大。不少汽车生产厂商出于达到每个国家 尾气排放限制和人类社会对大气污染的治理的角度,大力的研发先进的车辆排放设 备。 因此各国纷纷出台各种,努力控制车辆废气排放。欧洲已经进入第四标准, 然而我国还在缓慢的跟进,紧追美国日本等发达国家的标准。此外还应该对车辆废 气监控进行从严的约束。 4.2、课题的目的和意义 生活有了极大的进步,但随着汽车在全世界范围的使用, 汽车文明的副产物——汽车尾气所造成的环境污染问题也日益突出。 从 1886 年诞生第一辆汽车开始,各国争相发展汽车工业,特别在 20 世纪,世界汽 车保有量的增加大大超过了人口增长的速度。1950 年,全世界只有 5000 万辆汽车,大 约每 1000 人仅有 2 辆汽车[1-5]; 1995 年,全球已经拥有 6.5 亿辆汽车,平均 100 人拥 有 10 辆汽车[6-9];根据目前的估计,2010 年之前全世界机动车的数量可能达到 8.16 亿 辆;到 2050 年全球将拥有 30 亿辆汽车。随着汽车保有量的急剧增加,引发了环境污染、 交通事故和噪声污染等负面问题,而在这些问题中,汽车排气污染物造成的环境污染最 为严重[10-13]。交通事故和噪声污染涉及到的是肇事者和受害者,而汽车排放污染关系着 全球环 境和整个人类。汽车作为一个流动的污染源,到处排放大量有害物质,污染涉及 面广,危害大,对环境更具危害性。世界各国专业技术、科研人员以汽车制造技术和燃 料的选择等为切入点,积极寻求如何减轻污染物的排放,并致力于制造出低排放甚至零 排放汽车的研究。 为确保汽车行驶安全,降低汽车尾气排放污染,限制尾气排放不合格的车辆上路行 驶,保护环境,本文提出利用汽车尾气排放检测系统解决上述问题。本检测系统综合运 用了现代微电子技术和计算机技术,体现了系统的先进性、实用性、可靠性。先进性是 指系统在测试精度、功能及测试技术等几方面的综合指标达到二十一世纪国际和国内标 准;实用性是指系统能够在线检测多台车辆,操作界面良好、简便和利于系统维护;可 靠性是指系统具有较高抗干扰能力和稳定性,示值准确,重复性好,满足检测环境要求。 为了控制汽车排气污染物对生态环境的危害,世界各国政府相继制定了汽车排气污 染物的限制标准,我国机动车排放法规的建立与实施起步较晚,1994年5月我国才开始 实施尾气排放限值法规。我国的尾气排放法规体系就是在全面等效采用欧洲ECE技术内 容和部分采用ECE的基础上形成的。由于我国机动车辆制造技术水平较低,导致了我国 汽车排放限制标准较低。2005年7月1日,国家环保总局执行《点燃式发动机汽车排放污 染物排放限制及测量方法》(双怠速及简易工况法)(GB18285-2005)法规,该标准的 尾气排放限值相当于欧洲20世纪90年代初期的水平,接近欧?法规,这些法规总体上落 后于欧洲发达国家10-20年的水平[14-17]。 基于以上所述,利用本检测系统,能准确、有效地检测出车辆的真实的尾 气排放性 能,减少人为因素的影响,避免车辆性能不合格蒙混过关上路,减少事故的发生。对汽 车尾气排放进行准确的检测和有效的监督,利用相关法规惩处违规者,从而减少尾气污 2 染物的排放,可以很好的保护环境[18—23]。 4.3、选题的目的和意义 目前,全世界范围内环境保护呼声下,汽车排放控制管理规定愈来愈严格。各种 汽车尾气低排放标准都要求空燃比的精确控制。平板式氧化锆氧传感器由于具有尺寸 小、响应快、能耗低,在恶劣环境下工作稳定等优点成为主流产品,相比较而言传统 的外置加热元件的套管式氧传感器升温太慢,并且难以提供电控单元 ECU 必要的控 制准确度,因此具有快速激活特性平板式传感器对于满足上述排放法规是极为重要 的。 目前我国汽车用氧传感器主要依靠进口。上海联合电子有限公司生产汽车氧传感 器,但由于氧传感器关键核心部件全部依赖进口,因此并未实现真正的国产化,其制 造成本也比较高。此外在国际上对此产品具有批量生产能力的企业除德国 BOSCH 外, 还有美国 DELPHI、日本 NTK 等公司。但 BOSCH 及其合资的工厂占全世界市场份额 的 80%。由于我国该项目开发研究较晚,加上还没有一个足够规模的电喷生产企业, 造成氧传感器由国外垄断的局面。通过本项目实施,有望打破国外技术垄断,生产具 有我国自主知识产权的车用氧传感器,提升我国汽车产业,具有十分可观的市场前景 。 本研究致力于开发包括:高品质 YSZ 基体流延工艺;高精度功能层丝 网印刷工艺; 合适的多层素体层压工艺;有效的多层陶瓷基体与功能层共烧结工艺等一系列平板式 氧传感器制备工艺,最终研究开发成功具有工业生产价值的平板式氧传感器成品。 19 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4.4、PVC 生产工艺尾气处理的目的 清洁生产因为国际环境标准的不断的提高,近年来越来越受重视,所以,想 要减少氯乙烯对自然环境的污染,就必须回收精馏装置尾气中乙炔气体、氯乙烯。 尾气回收的目的是将氯乙烯精馏尾气中的氯乙烯、乙炔等气体回收至生产系 统,主要含有氢气、氮气、少量氯乙烯和乙炔等混合气体,尾气排放到生产系统 之外[4]。 同时,回收有经济效应的气体,如氯乙烯精馏装置尾气中的乙炔气体、氯乙 烯、H2等,既可以使企业的生产成本减少,又能增加经济效益,使企业的竞争 力提高。 4.5、研究的目的和意义 要搞好汽车排放污染物的监控与防治,首先必须做好检测工作。用尾气分析仪测 定排气污染物的浓度,目的是控制排气污染物的扩散,使其限定在被允许的范围内,以 达到保护生态环境和自然界生态平衡的目的。同时,汽车发动机所排出的污染物成份和 浓度与发动机的技术状况密切相关,所以通过对发动机的排气污染物进行检测,可评价 发动机的技术状况,特别是燃油供给系统和点火系统的技术状况。 如 何保证抽测数据的准确性,政府出台了各种政策、法规和办法,其中各级环境监 测部门所进行的尾气抽测工作充分利用抽测数据,对数据进行分析、整理、汇总、统计, 8 找出规律,为汽车尾气防治管理工作提供科学依据,是一项非常有意义的工作。 目前,我国对汽车尾气检测系统的需求越来越大,但主要依赖进口,投资大、用汇 多,且维修和零部件来源极不方便,费用高。开展红外汽车分析仪的研究将把我国环境 监测技术推向高技术水平,以及为满足不同档次需求的环境检测仪器研发提供源头和创 新动力,这样,一方面我们拥有了自主知识产权,另一方面可以推动民族环保产业发展, 促进我国产业结构的调整。 4.6、评估目的 通过对投放广告的效果监测,了解媒体真实价值以及营销匹配度,找到最优的投放切 入点,从而缩短广告浏览到购买之间的距离,有利于优化后续媒介采购方案。针对一些”突 发事件”,及时发现效果变化,实时调整营销创意、投放排期等细节。通过对网民广告浏 览后行为的监测,捕捉用户偏好特征,适时推广关联产品,有利于形成 1 对 1 销售,制造 营销机会。 4.7、汽车电磁兼容的研究目的 汽车自发明以来,就开始了向外发射骚扰的历史,对汽车的电磁兼容性研究 可以追溯到上世纪早期。1906 年,人们就发现道路上行驶的汽车发动机对周围的 无线电收音机产生干扰,从而提出对汽车点 火系统产生的电磁干扰加以抑制 [5]。 伴随着现代汽车工业的迅猛发展及国际汽车市场竞争的日益激烈,越来越多的电 子,电气设备应用于汽车各系统之中,汽车电子技术的应用水平已经成为衡量汽 车技术水平的重要标志。据统计,汽车行业的技术创新,有百分之七十来源于汽 2 车电子技术的创新,而在汽车的生产成本中,汽车电子设备则占据了百分之三十 以上的份额。这些电子设备广泛分布于汽车发动机控制系统,制动系统,自动变 速系统,调节系统以及行驶系统中。随着汽车内电子器件的种类及数量不断增多, 这在增加汽车舒适性,经济性与安全性的同时,也使得汽车内的电磁环境日益复 杂,这也直接导致了各种电子器件相互干扰的情况发生,尤其是汽车内各种半导 体逻辑器件,对电磁干扰更加敏感。即便如此,更广泛应用汽车电气设备仍是汽 车设计和生产的主要趋势[6]。从目前的汽车行业发展来看,应用于汽车内的电子设 备将更多,汽车内电磁环境将愈加复杂,如何保证众多的电子器件在如此复杂的 环境下正常地工作,提高汽车的可靠性与安全性,同时保证行驶的汽车不干扰周 围设备的正常工作,成为一个非常重要和急待研究的重大课题。 4.8、汽车侧倾控制研究目的与意义 损失1.1.1 侧倾过大引起侧翻事故及损失 汽车在高附着系数的路面上高速转向行驶时,汽车车身会产生侧倾,如果汽车车 速过大或者转向角过小,侧向加速度超过一定值,汽车运动状态会由侧倾转变为危险 的汽车侧翻,汽车侧翻会带来较大的损失。2011 年 1 月 24 日, 一辆从云南丽江驶往 四川的大客车在途中发生翻车,造成 9 死 29 伤的重大交通事故。根据国务院安委会办 公室的统计,2010 年春节期间仅 2 月 13 日至 2 月 19 日七天时间里发生了 18 次重大 交通事故,其中有 5 次发生侧翻事故,并且每次侧翻事故都有造成人员的伤亡 [1] 。根 据NHTSA(美国公路安全局)的统计数据表明 [2] ,近十年内美国平均每年发生的道路交 通事故中,碰撞事故发生最多,侧翻事故排行第二,而在统计一年内交通事故造成的 人员和财产损失时,侧翻事故排行第一,侧翻事故所造成的损失占所有交通事故损失 的百分之六十左右 [3] 。 图 1.1 侧翻交通事故 通过以上事例知道汽车侧翻会造成极大的损失,包括人员伤亡,财产损失,事故 1 吉林大学硕士学位论文 对道路桥梁等公共设施的破坏以及侧翻事故产成的连锁交通事故,对环境造成严重的 污染等 [4] 。 5、国内外研究现状 5.1、国内外研究现状 1.2.1 国外汽车对环境影响研究现状1.2.1 国外汽车对环境影响研究现状 1.2.1.1 国外汽车环境影响研究现状 20 世纪 90 年以来,美国、日本、英国和德国等发达国家针对汽车产业循环 经济展开了多种方面的研究。1993 年,AT&T 基金会开始进行产业生态学研究 计划,他们将环境设计和产业生态学融入到大学的教育研究中。密西根大学在 AT&T 的资助下首先开设了交叉学科的产业生态学研究生课程,为汽车产业生态 学及汽车产业循环经济系统研究奠定了基础[3]。 对汽车环境影响的研究大致分为 汽车产品生命周期分析框架研究、汽车产业物质流、环境友好的设计和制造研究、 环境管理政策研究等几个方面。 关于汽车生命周期的研究,主要有机动车替代燃料的生命周期评价研究[4,5]。 Mark 等人对电动汽车燃料的生命周期进行了研究,并提出减少电池燃料成本的 方法,可以有效地降低成本并可以延长电池的使用寿命降低对环境的污染[6]。 Patr ′cia 等人对混合动力的燃料电池生命周期进行了分析,对混合燃料电池汽车 能源消耗以及 CO2排放进行了统计计算,并对比电池汽车,得出了混合动力燃 料电池汽车的能源消耗与 CO2排放量会更少的结论[7]。Gregory 等人对汽车生命 周期中产生的环境负荷以及减少这些负荷的政策管理措施问题进行了相关探讨 [8]。Thomas 等人对汽车产业的经济和环境协调问题进行了分析,并利用生命周 期工具分析经济和环境的内在关系,寻求最具效益的政策措施[9]。 关于汽车产业物质流方面,2011 年日本研究部门提出了基于投入和产出分 析方法,即 the unit physical input-output by materials (UPIOM)方法[10],该方法是 针对单个原料物质投入和产出流进行识别的新方法,研究人员采用该方法针对日 本报废汽车中的钢铁流进行了描述和研究。同年 Sarkar 等人[11]利用物质流分析 方法针对加勒比海岛国多米尼加的轮胎、汽车及废旧轮胎的使用及循环情况进行 量化处理,并利用结果进行预算,预算至 2020 年的废旧轮胎量,针对预测结果 提出了循环利用措施和方法。 美国自然科学基金委和能源部从环境友好的设计和制造研究入手进行研究。 3 第一章 绪 论 关于环境友好制造的相关研究由马 里兰大学进行研究探索并得出相关报告。研究 结果总结了关于综合生态系统管理方法(Ecosystem Based Management—EBM) 的相关技术及其应用,并将研究结果同日本及欧洲相关研究进行比较,并对环境 影响的成因及政策进行分析。研究以汽车为对象进行说明,主要针对汽车生命周 期各阶段的环境问题进行分析介绍,最后以 GM、Ford、Toyota、DC 等多个国 家的汽车生产制造公司制定的环境管理战略进行对比分析,并得出相关结论[12]。 Tharumarajah 等人[13]针对汽车轻量化进行了探索[14,15],得出发展汽车轻量化 可以有效的降低汽车油耗及尾气排放量汽车轻量化是当前控制温室气体排放的 关键,可以通过最优化设计以及利用新金属取代来完成汽车的减重。利用镁合金 取代铝合金以及生铁等作为汽车部件,可以有效地降低碳排放。利用自然纤维替 代玻璃纤维运用于汽车工业[16],使汽车产业更经济,更环保,取得更大的环境效 益[17,18]。 关于环境管理和政策方面,主要有关于汽车燃料效率和排放政策在长期汽车 寡头垄断市场中寻求利益的产品设计方案,应用博弈论对各个厂商进行模拟竞 争,对工程设计和系统性能方面进行政策要求[19]。Graedel 认为政府对环境的管 理并不应该只是改进生产设计、过程和技术,而主要应该依靠环境法规,使企业 能够主动安装污染处理装置[20]。Long 认为政府的环境政策和管理应建立在市场 基础上,利用法律以及经济等多种手段针对企业和消费者的环保行为进行合理引 导,同时为政府提供了促进环保行为的政策模型[21]。Das 等人对于汽车循环利用 进行了研究,包括了价格手段、命令控制手段和产品生命周期评价等管理手段 [22]。 1.2.1.2 国外汽车使用阶段对环境影响研究现状 Silvana 等人从发动机角度进行的探索,通过对柴油发动机排放的微粒进行 控制,总结概括世界范围的排放标准,并对可能的减少柴油发动机污染的设备进 行讨论,促进催化剂的完全燃烧[23]。 Ronald 等人从催化剂角度,对汽车当前三元催化方式进行了相关改进[24], 以及对催化剂中重金属的表面磨损对环境造成的污染进行了风险评估,在空气、 路面灰尘沉积物、水体以及植物中的影响进行了分析[25]。 Anna 等人从轮胎角度进行的研究包括轮胎粒子磨损的在环境各个部分环境 毒性,包括水、空气、土壤、生物等各个方面,增加径流探测装置,以保护水体 不受轮胎磨损粒子的污染[26]。对轮胎中 Zn 的研究,表明通过汽车轮胎磨损释放 的 Zn 与废弃物焚烧排放的数量相同,对环境造成沉积与危害[27]。以及 Draper 等人针对汽车轮胎危害的相关研究等[28],研究发现轮胎磨损微粒会对水体、土壤 等多方面环境造成影响,同时微粒会在生物体内富集,影响动植物生长,危害人 4 第一章 绪 论 体健康[29,30]。 5.2、CNG 汽车尾气净化研究现状 国外天然气汽车及尾气净化技术的发展经历了以下四个阶段。(1)在原有供 油系统基础上加装一套供燃气系统,采用比例调解式机械混合器和文丘里管式混 合器,利用发动机进气真空度的变化,调节燃气供应量来满足不同负荷条件下不 同的供气量要求;(2)使用电子控制化油器调节技术,在混合器前安装节流阀, 在排气系统中安装氧传 感器,根据空燃比的变化自动调整供气量;(3)利用电子 控制单点喷射技术,根据发动机转速、负荷和排气空燃比的变化,自动调整供气 量,安装催化剂转化器使污染物排放较同等水平的汽油机降低 10%~50%;(4)研 究闭环控制多点喷射技术,开发 CNG 汽车催化转化器,降低污染物的排放水平达 到欧?的要求[11]。 催化转化是 CNG 汽车尾气处理的必需技术,机动车尾气净化催化剂的开发始 于上世纪 60 年代。最初的催化剂配方以贱金属催化剂(如:Ni、Cu、Co 和 Mn 等的氧化物)为主,1975 年美国开始第一阶段排放控制,形成了以 Pt 和 Pd 为主 的氧化型催化剂。80 年代中期,随着 Rh 的引入三效催化剂(TWC)开始形成。 目前,形成了以 Pd、Pt 和 Rh 为主要活性组分的三效催化剂(TWC),主要有两种 配方,一种为 Pt:Pd:Rh=2:50:1; 另一种配方为 Pd:Rh=(5~15):1[12, 13]。接下 来催化剂的发展主要是开发新的大比表面的涂层材料,调整不同的稀土元素的添 加比例,寻找新的储氧材料。 国内压缩天然气汽车尾气净化的研究近些年也取得了一些进展,主要集中在 以贵金属 Pd 为活性组分,研究不同稀土元素和载体对催化剂性能的影响。姚如杰 2 5.3、国内汽车对环境影响研究现状 我国对汽车环境影响的相关研究还处于刚刚起步阶段,主要是从汽车生命周 期的某个环节的环境影响进行分析[31,32],或从汽车产业价值及循环经济等方面进 行探究[33,34]。已有的研究多注重汽车尾气的排放和控制[35,36],金陶胜,李孟良等 人对天津市不同交通流特 征下机动车排放率进行了精细分析,分析了 3 种不同交 通流特征下汽车排放的污染物(HC、CO、NOX、CO2)的排放情况[37],杜譞,傅 立新对北京市交通微环境汽车尾气污染的浓度特征进行了研究,针对公交车站、 公交车内以及小轿车内的汽车尾气污染物 CO、NOx、PM2.5的浓度进行检测[38]。 刘欢,贺克斌等人对天津市机动车 HC、CO、NOX、PM 的日排放量进行了统计 [39]。谢绍东,宋翔等人应用模型计算得到中国机动车排放 CO、NOx、NMVOC 和 PM 的排放因子[40]。 分析乙醇混合动力汽油车生命周期评价的,如以混合生物乙醇为燃料的中国 汽车经济、环境影响以及能源消耗的生命周期,通过对比普通汽油车,得出 2 种汽车在尾气排放能源消耗上的相对量,判断出混合乙醇汽车比普通汽油车具有 更加经济、环保、低能耗的优势[41]。应用生命周期的方法对木薯乙醇汽油生命周 期的能源损耗和效率以及环境排放进行定量化研究,从木薯的种植、转化成为乙 醇、运输、燃料与乙醇混合与分配以及燃烧的整个生命周期的分析[42]。 针对汽车回收阶段,也有部分的相关研究,如针对汽车报废回收阶段的政策、 法规、产业结构等方面,胡鹏山、周伟进行了详细的探讨[43];在构建汽车回收、 循环模型的基础上,张成等人建立了汽车回收网络结构[44];在循环经济理论和价 值链模型基础上,汪文杰优化了汽车产业价值链,建立了逆向物质流动的逆向价 值流动,并对其提出了构建平台,扶持企业技术创新,加强回收再利用方面的研 发等建议[45]。 对汽车进行环境影响分析的相关研究还比较少。王寿兵等人对汽车生命周期 及环境影响进行了分析[46]。马强对汽车产业的发展对环境 产生的不利影响进行了 分析,并提出相关对策[47]。赵鹏飞针对汽车产业生命周期进行了相关探索,对汽 车产业中技术创新特点进行分析[48]。 5.4、国内外研究现状 1.2.1 发动机的能量利用分析1.2.1 发动机的能量利用分析 内燃机热平衡是指气缸中燃料燃烧放出的热量分配情况,根据热量的分配情 况,可以预估其受热零件的热负荷,特别是估计发动机进一步强化时,可能发生 零件热负荷过高的情况。 根据热平衡理论知识,利用热力学第一定律能量守恒可以得到如表 1-4 所示 的发动机燃料燃烧能量分布比例。 表 1-4 发动机的能量平衡[4] Table 1-4 Energy balance of engine. 汽油机 柴油机 输出功(%) 25-28 34-38 冷却水热量(%) 17-26 16-35 润滑油热量(%) 3-10 2-6 不完全燃烧引起的焓损(%) 2-5 1-2 尾气热量(%) 34-45 22-35 根据表 1-4,结合热平衡原理分析,可以得出如下结论:发动机输出有用功 仅占燃料燃烧总能量的 1/3 左右;冷却水带走的热量、润滑油带走的热量及不完 全燃烧所引起的热量损失占燃料燃烧总能量的 1/3 左右;高温排出的尾气带走的 热量占燃料燃烧总能量的 1/3 左右。如果将汽车尾气余热转换为电能并用于推动 汽车,将可以有效减少燃油消耗,从而在一定程度上节约能源。 由于汽车用发动机特殊的使用场合,汽车废热利用具有鲜明的特点和特殊的 要求,简单归结如下[5 6 7 -8]: (1)汽车废热的品位较低,能量回收较困难; (2)废热利用装置要求结构简单、体积小、重量轻、效率高; (3)废热利用装置要求抗震动,抗冲击,适应汽车运行环境; - 3 - 北京工业大学工学硕士学位论文 (4)保证汽车使用中的安全; (5)不影响发动机工作特性,避免降低发动机动力性和经济性。 5.5、汽车腐蚀现状研究 2.1.1 汽车腐蚀的特点[9] 汽车的腐蚀频率与车龄和运行里程有关。所谓的腐蚀频率是指出现腐蚀的车辆数占被调查 车辆的百分数。图2.1为汽车腐蚀与车龄关系,图2.2为汽车腐蚀与运行里程关系。可见, 汽车腐蚀频率分别随着车龄和运行里程的增加而增加 0 50 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 腐 蚀 率 / % 车龄/a 图2.1 汽车腐蚀与车龄关系 0 50 100 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 运行里程/万Km 腐 蚀 率 / % 图2.2 汽车腐蚀与运行里程关系 8 5.6、汽车风振噪声研究现状 风振噪声是一种空腔噪声(cavity noise),由于空腔开口的上游边缘(前缘) 处存在着不稳定的剪切层,使得涡旋在这个位置脱落并随着气流一起向后流动; 涡漩撞击到开口的后缘发生破碎,产生向四面传播的压力波;传向行驶方向的压 力波到达开口的前缘,将再次引发涡旋的脱落;上述过程每秒钟会重复很多次, 并且引起剪切层产生一个特定的振动频率,当该频率与车厢的固有频率相同时, 将会发生共振。因此,侧窗风振噪声和天窗风振噪声是汽车风振噪声的最重要组 成部分。 2 硕士学位论文 5.7、汽车故障状况分析及研究方法 3.1 汽车故障诊断的一般概念3.1 汽车故障诊断的一般概念 在现代社会,科学技术的日新月异,也直接促进汽车行业的发展,目前汽车 种类及结构都呈现出多样化和复杂化的特点。由于这些特点的存在,使得汽车出 现故障的情况亦花样繁多,加之汽车工作环境的移动特点,就进一步加深了对汽 车故障诊断的难度。汽车故障诊断是一系列程序的综合体,首先要从整体上把诊 断的对象即出现故障的汽车看作是一个完整系统。其次依据相关的技术标准及专 用的工具、设备和软件对汽车故障进行排查,一一分析,做出判断。最后找出故 障产生的部位及原因,从而解决出现的问题使汽车恢复正常。当然,在进行汽车 诊断过程中,应该清楚地认识到这种故障是由什么因素而导致的,这样才能更好 的提升诊断效率。在本论文中最先阐述了汽车故障的种类,分析其产生的原因, 对汽车故障诊断的流程进行必要的介绍,并对主要故障诊断方法进行具体的分析。 6、研究方法、思路 6.1、尾气降解试验评价方法和评价指标研究 对于这种新型光催化剂的应用性能,国内外各行业均没有一套统一的评 价方法和评价指标,本文参考已有研究成果提出的评价方法,结合本论文设 计的试验设备和试验方法特点,针对三种不同的尾气降解试验类型提出了几 组较为合理的室内试验评价方法和评价指标。 6.2、研究目标、方法与技术路线 针对我国汽车在使用阶段环境保护措施相对滞后的问题,本文将在总结归纳 现有研究的基础上,采用我国汽车产业相关数据对汽车使用阶段各方面对环境造 5 第一章 绪 论 成的影响进行定性和定量的分析,识别出系统各环节中的影响较大的环境因素, 对识别出的环境因素进行分析和判断,并对我国汽车保有量进行预测,进一步研 究汽车使用阶段对我国环境危害的严重性,评估其环境风险,最后通过 3E 评价 体系针对我国汽车使用阶段的消减措施进行分析,找出适合我国汽车使用阶段环 境保护的方法手段及政策建议,为相关部门制定战略、政策提供理论依据。 汽油耗 明确车 研究尾气 使 内容用轮胎磨损 与目阶 标段催化剂磨损 噪声 数据收集与分析 利建立模型 用情景1:按当前趋 龚势发展 帕确定参数 茨 曲有效性检验油耗 线情 预预测分析景 测预 测尾气 E建立计算关系式 E E确定参数情景2:优先发展 评乙醇和轻量化汽车 价优化求解 优化方法 政策建议 图 1-1 研究技术路线 6 6.3、尾气降解试验设备研发与试验方法研究 总结国内外相关领域的研究现状,目前对于新材料降解尾气试验还没有 统一的试验方法和试验设备,故针对本论文的研究特点,综合已有的研究经 验,进行试验方法的确定和试验设备的研发,以使其具有常规新材料降解尾 气试验条件的同时也能满足道路用材料的试验要 求。 6.4、分析方法研究 在有机物分析方法中,气相色谱法应用比较广泛,在此介绍一下气相色谱 分析方法的开发。我国有机物监测标准方法体系正处于发展中。对于分析人员, 当接到一个分析任务时,有时没有现成的分析方法,这就需要分析人员针对所 8 6.5、两相流的研究方法 8 第二章 理论及分析第二章 理论及分析 两相流的研究方法和研究流体运动的规律一样,有三种基本研究方法:理论解析、 实验研究和数值方法。由于两相流动现象的复杂性,使得流动规律的研究至今主要还是 依靠实验来观察和测量,但对其它两种方法却不能忽视。 (1) 理论解析法 对于工程实际问题,通过分析所观察到的现象,在了解其物理本质的基础上,导出 数学方程,得出定量结果,这种方法充分利用了数学上的成就,其结果可以用简明的数 学表达式表示出来。 (2) 实验研究 对于许多工程实际问题,流动现象极其复杂,即使经过简化,也不一定能进行定量 的理论解析,或者理论解析所得的结果与实际相去甚远。应用测试技术和实验方法来解 决工程实际问题,即实验研究乃是—种节能基本的方法。通过实验可以验证理论计算的 结果,也可以探索新的流动现象。由于实验方法的逐步完善和测试技术的迅速发展,特 别是非接触测试技术(如激光、超声、电子束测量技术等)的发 展,使人们对复杂流动现 象的物理本质有了更深刻、更真实、更准确的认识、从而推动了有关理论与数值方法的 发展。 (3) 数值方法 电子计算机的广泛应用和数值计算方法的发展,便利数值方法成了和理论解析、实 验研究并列的基本研究方法。数值方法仍是利用各相关学科的基本原理,建立各种复杂 条件下对象或过程的基本守恒方程组,加以封闭,并不加简化地直接用数值计算求解这 些非线性联立偏微分方程组。对于一些机理清楚的流动问题,利用电子计算机不仅能作 准确的数值计算,还能进行数值模拟,代替部分实验研究。这种方法,在两相流动研究 中,已经取得显著成效,先后提出过多种数值模型,并在不同程度上应用于工程实际装 置中。 6.6、汽车噪声的研究方法 汽车设计师们通过不断研究和经验总结,得到了在汽车噪声分析与控制领 域的三种主要方法。它们分别是相似结构外推法、结构-声场耦合分析法和统 计能量分析法[9],各有如下特点: 1.相似结构外推法 它的优点是能快速提供预示数据,但对相似参数和质量载荷处理都很粗 糙,会造成很大的误差。 2.结构-声场耦合分析法——包括有限元方法、边界元方法等。 1)有限元法(FEM) 在汽车噪声问题上,它的研究范围多集中在车内中低频固体传声方面。根 据有限元法研究的需要将整车模型分为多个子结构,它们包括动力总成、副车 架、悬架、车身以及车内声腔等子结构。 研究中一般首先对影响车内噪声的各个子结构分别建立它们的有限元模 型,以正确反映它们对车内噪声 的影响为基础进行车内噪声的控制。然后,在 此基础上使用”组合结构系统分析法”建立整车的结构有限元模型,使用”模 7 态分析法”将整车结构模型与车内声腔子结构模型综合形成整车声腔与结构耦 合模型。最后,利用有限元方法进行车内噪声分析和车内声学最优化设计。 使用有限元方法进行汽车噪声预测时,虽然它可以预测出车内任意一点的 噪声,计算结果直观,但对高频噪声的预测误差较大。 2)边界元法(BEM) 该方法主要是用来解决声场的外部问题,但也可用于车内噪声的研究。在 处理具有复杂边界条件的内部噪声问题时,比如,在处理具有阻抗表面的吸声 问题、孔隙泄漏噪声的问题时,边界元法具有比有限元方法误差低、效率高的 优点。 3.统计能量分析法(SEA) 统计能量法应用能量流动的理念,使用一套独特的建模方法,以梁、杆、 板、壳、柱等子结构模块作为建模基础,分析得出统计意义上的预测结果。 6.7、汽车用户研究的基本思路 明确用户研究的目的,通过市场调研的方法收集一手资料,并进行系统的分析,提出建设性的 建议。汽车用户研究可以分为五个阶段: 第一阶段:明确用户研究的目的,形成用户研究说明需求说明书; 第二阶段:问卷设计,通过多种方式来并执行市场调查; 第三阶段:整理市场调查收集到的数据,结合数据统计方法和相关的数据分析模型,进行综合 的用户行为分析; 第四阶段:根据第三阶段的分析结果和相关图表展示的信息,进行系统的分析; 第五阶段:在数据分析的基础上,提出在 产品、营销、服务等方面的建议。 9 6.8、汽车侧面抗撞性研究的方法 汽车侧面抗撞性的研究方法主要有经验法、试验法和数学分析法等。经 验法是最直接的设计方法,主要是人们凭借日常生活中的经验和直觉来设计 及改进汽车的结构[19]。 试验法是一种直接而客观的设计与验证方法,实车碰撞试验与事故情形 最为接近,试验结果最有说服力,虽然周期较长,费用昂贵且重复性差,但 到目前为止,却是不可替代的一种方法。早期的汽车侧面碰撞的研究几乎完 全依赖试验方法进行,主要的试验方法有两种:实车碰撞试验,台车模拟碰 撞试验。 近几十年来,计算机仿真碰撞技术迅速发展,在安全车身的开发、乘员 保护措施的优化、人体生物力学、碰撞用标准假人开发的工作中发挥了很大 的作用。尽管计算机模拟试验还不能完全取代昂贵的实车碰撞试验,但是在 产品的概念设计阶段,样车的试制、试验次数的减少,开发费用及周期的降 低等方面有明显的优势。从而碰撞研究方法变为以计算机仿真为主,然后以 较少的试验来验证结果。 随着牛顿矢量力学、拉格朗日分析力学,到多刚(柔)体系统动力学和有 限元理论,以及数值方法和计算机技术水平的不断提高,汽车碰撞计算模拟 理论和方法得到了不断发展和完善。 多刚体动力学采用刚体、无质量弹簧、阻尼和各种动态铰来描述刚体的 动态响应,可以对大位移系统做运动分析,能够更好的处理非线性问题,建 模方便,计算速度快,适合于进行人体动力学响应分析,在汽车碰撞中也称 为碰撞受害者模拟 (CVS-Crash Victim Simulation)。现在已开发出来的并且应 用较为广泛的 CVS 类软件有 CAL3D 和 MADYMO。 有限元法是一种数值方法,分析与计算都是在计算机上进行,有限元法 计算准确,能模拟出车身、车架等的撞击变形及动态响应,以及人体的碰撞 响应等多种未知量;求解的结果可直接用来评价车辆或部件碰撞安全性能的 优劣以及碰撞肇事者的判定;能够任意多次地重复再现各个部件的中间变形 过程,方便设计人员对结构的观察、分析和改进。用于碰撞模拟的有限元软 件最常用的是 LS-DYNA3D、PAM-CRASH 和 MSC\DYTRAN。 -5- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 7、相关技术 7.1、天然气发动机尾气处理相关技术的发展与现状 环保、节能是当今人类社会经济发展的主题。目前,在世界一次能源的消费 中石油仍将占据主导地位。但20世纪70年代石油危机的出现,促使了工业化国家 进行代用燃料汽车的研究开发,以对付石油供应的危机及最终的石油枯竭。同时, 随着人们环保意识的增强,尾气排放法规的更为严格,也促使了可清洁燃料的代 用燃料的研究与应用。使用代用燃料是解决空气污染,石油供应不足以及石油储 第 1 章 绪论 - 15 - 藏最终枯竭的最有效的方法之一。 天然气就是可作为汽车代用燃料之一。它与传统的燃料汽油、柴油相比,其 能量储存密度和比能量都较低。同时,天然气汽车在排放方面具有明显的优越性, 与使用汽油车相比,天然气汽车颗粒物排放几乎为零,NOx、CO和 HC的排放也 显著降低,所以天然气汽车在改善空气质量方面有着重要意义。天然气作为汽车 能源的另一个突出优点是:汽车发动机不必作大的改动就可直接使用,且天然气 的价格比汽油便宜,约是汽油的一半。 鉴于这些原因,近年来,许多国家都在积极研制新型的天然气汽车,这种汽 车除了配装有气罐外,还要对发动机的燃烧特性做必要改进,以使它能得到广泛 的应用。国外对天然气汽车的研究已有近60年的时间,目前已有40多个国家推广 应用天然气汽车。从发展趋势上来看,其应用还将进一步扩大[29]。 天然气汽车与汽油车相比,有害排放物少是勿庸置疑的,但不加排放装置仍 然无法满足目前的排放标准。天然气汽车的排放控制装置与汽油车使用的排放控 制装置基本是一样的,不同的是催化剂种类,因为对于不同的未燃烃的氧化反应, 同一催化剂的活性是不同的。天然气汽车发动机排放的未燃烃主要成分是甲烷 (约99%),甲烷排放量约是汽油车的9倍,而甲烷是一种温室气体,它对大气的 加热潜力是CO2的32倍。因此,用于天然气发动机尾气处理的催化剂首先必须对 甲烷的氧化有很好的催化活性,而甲烷是烃类化合物中最难氧化的化合物,因此 用于汽油车的三元催化剂难以达到高的甲烷转化率。此外,天然气辛烷值高,燃 烧速度不同于汽油,气缸内温度高,因此排气温度高,要求催化剂耐高温劣化能 力强[30]。 7.2、国外相关产业技术现状、发展趋势 己内酰胺是重要的有机化工原料,主要用于制备尼龙纤维和树脂。 己内酰 胺的生产方法有多种,如 DSM/HPO、BASF/NO、东丽 PNC、SNIA 工艺等。DSM 公司和 BASF 公司是目前世界上最大的两家己内酰胺生产厂家,DSM/HPO 和 BASF/NO 工艺由此也得到了广泛的应用。SNIA 工艺是由意大利 SNIA 公司发展 的,唯一以甲苯为主要原料的己内酰胺生产工艺,目前国外已无采用 SNIA 工艺 的己内酰胺生产装置。 目前国外在解决有机化工生产过程中甲苯废气的环保污染问题方面,一般 采用活性炭吸附技术,但此技术由于存在活性炭用量大,再生困难,有燃烧危险, 可能造成二次污染等诸多问题。 7.3、国内相关产业技术现状、发展趋势 由于尼龙下游产业-纺织工业的迅速发展,亚洲己内酰胺市场需求持续旺 盛,成为主要的消费增长地区。我国 2005 年己内酰胺消费量已超过 70 万吨, 然而自给率仅约 30%,市场缺口大于 50 万吨(约 2.2 万元/吨),国内己内酰胺 生产厂亟待改扩建、有效提高产能,填补 100 多亿元的己内酰胺缺口。 我国现有的己内酰胺工艺主要包括 DSM/HPO 工艺和 SNIA 工艺,其基础均 11 7.4、汽车设计并行工程应用的主要相关技术 目前,在相当的汽车企业,都已经较好的运用了并行工程技术。首先是在开 发设计软件的突破,使得很多的并行工程技术能够得到充分的应用。在此先介绍 几种在汽车行业可以很好促进并行工程实施的管理技术和几种计算机技术工具 。 管理技术: 协同的工作环境 组 织管理和协同工作是并行工程的首要问题。首先要有称职的领导和完善、 良好的组织管理;其次是以产品为中心,全生命周期中各相关地部门和用户代表 组成学科小组进行团队工作,使他们在设计阶段协同工作,同时设计产品和了解 有关的过程。 汽车并行设计过程中的技术工具: CAX(Computer Aid X)技术 在现代化的汽车设计过程中,已经应用了大量的计算机辅助工程( CAX)技 术。例如,计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助分析(CAE)、计算机辅助制 造(CAM),成为顺利实施并行工程的非常重要的工具。并行工程中 CAX 之间 15 7.5、汽车产品单一数据源相关应用技术 为了应对日益变化的客户需求,快速满足客户需求,整车企业普遍采用可配 置 BOM(Super BOM)形式进行数据管理。各 BOM 视图中除了包含零件及其上下 级关系、单车用量和零件的使用条件、约束等关系集合外,同时还可以包含零部 件所有有价值的属性信息,包括有 CAD 图纸、数模信息、装配要求、装配力矩、 互换信息等。完成企业 BOM 数据管理的基础数据应包含: 7.6、汽车整车开发技术相关概念 2.1.1 设计重用2.1.1 设计重用 在创新设计中,大约有 40%是重用过去零部件设计,约 40%是对已有设计稍作 修改,而只有大约 20%是新设计[34]。对于汽车企业来说,新车型的开发很大程度是 基于已有车型的基础上的变型设计开发。新的车型与已有车型形成同一车型 的系列。 汽车企业如果能把新车型的设计开发建立在一个较好或最好的已有设计(最相似的 实例)的基础上,就有可能实现对已有车型设计的重用,从而可以大大的提高设计 的质量和效率。 尽管各种设计重用系统在知识获取方式、自动化程度、形式化及集成化方面存 在差异,但其采用的关键技术一般都是知识建模、索引和信息检索、知识重用、领 域探索与修改等相关技术。其中研究最为广泛的领域是知识建模和知识重用,支持 技术包括: 基于实例的推理(CBR)。借鉴过去设计实例的经验与知识来求解当前设计 问题。技术路线可归结为 4R 循环,即检索、重用、修改和存储。关键技术 是实例的表示、索引、组织、检索与修改。CBR 是典型的设计重用支持技 术,其中实例的表示(知识建模)对重用效果起着至关重要的作用。 基于模型的推理(MBR)。关键是建立综合知识模型,至少应是过去设计实 例的一级抽象。MBR 与 CBR 的主要区别在于模型代表通用知识,而实例表 示具体知识。一般认为应将 CBR 和 MBR 联合用于设计推理。 第 11 页 计划重用。存储设计决策中的基本原理以及重用适当的设计历史,通过一系 列的辅助决策过程来完成新设计。 定制视图。基于这样一种考虑,要使过去的设计知识得到有效地重用,设计 者需要从不同的视点来观察过去的设计。这种方法试图使存在于过去设计中 的大量隐式知识显式化,以适应设计者的特殊需要。 特征技术、参数化设计。建立系列产品和标准件重用库的关键技术,抽象和 实例化是其主要思想。 8、应用 8.1、涂层材料在汽车尾气三元催化剂中的应用 第五章 涂层材料在汽车尾气三元催化剂中的应用 随着我国轻型汽车第三、四阶段环保法规的出台,对三元催化剂的低温起燃特性和耐 久性提出了更高性能的要求。因此有必要对现有的催化材料进行改进,提高催化剂的性能, 以满足进一步的排放法规的要求。 根据国内外相关技术的发展趋势,我们通过改进制备工艺、以及对氧化铝+CeO2-ZrO2 涂层材料进行掺杂改性,制备出热稳定性良好、储氧能力强的涂层材料,应用于 FD 汽车 尾气催化剂,起到良好的效果。 5. 1 汽车尾气三元催化剂性能的分析 5. 1. 1 三元催化剂样品的制备 以 400 目(400cells/in2,壁厚 0.18mm)的堇青石蜂窝陶瓷为第一载体,以涂层材料为 第二载体,分别合成了以下几个催化剂样品(表 5-1)。涂层材料由比表面大、热稳定性好的 氧化铝(催化中心尾气组提供)和 CeO2-ZrO2储氧材料组成,氧化铝有两类,一类是购买 的氧化铝粉(以 AO 表示),另一类是改进制备方法后按尾气课题组合成方法制备的氧化铝 (以 AN 表示),涂层材料通过球磨配成浆料负载于第一载体上,负载量控制在 45%左右 (干基)。采用浸渍法负载贵金属,贵金属溶液含有比例一定的 Pt、Pd、Rh,催化剂的贵 金属总含量约为 1.2g/l。 表 5-1 涂层材料的制备方式及组成 Tab. 5-1 Preparation and composition of washcoat in samples 涂层材料组成 样品编号 氧化铝 储氧材料 Ce/Al/%百 分比制 备涂层方 法 A AO CeO2 20 浸渍法 B AN CeO2-ZrO2 20 共沉淀 C AN CeO2-ZrO2 27 共沉淀 D AN CeO2-ZrO2 20 混合 用于与同类商品催化剂进行活性比较的 FD 催化剂样品是从大批量生产中制备的一款 大样品中截取,该催化剂样品的贵金属用量约 1.8g/l,进行对比的其他样品为市面上商品 化净化器中催化剂中截取的小样,催化剂小样大小为?18×12mm(容积为 3.05 ml)。 汽车尾气催化剂涂层材料研究 第五章 涂层材料在汽车尾气三元催化剂中的应用 第 58 页 5. 1. 2 催化剂的表征 5. 1. 2. 1 活性评价和老化实验 各样品的三效性能是在同一气源条件下于小样活性评价装置上分别进行初活性和热 老化后的活性检测,控制过量空燃比系数为 1.00?0.01;催化剂的热老化实验在马沸炉中 进行,条件是:空气气氛下,960?焙烧 20 小时。 5. 1. 2. 2 H2 程序升温还原(TPR) 样品的程序升温还原(TPR)表征在 Autochem 2910 上进行,样品经粉碎的样品,用 电子天平准确称取一定量。试验过程如下:样品先 10?/min 升温至 600?用纯氢 30ml/min 还原 3 小时后,切换用 10%O2/Ar30ml/min,600?氧化 30 分钟后在 Ar 气氛中(30ml/min) 降至室温,在室温吹扫 30 分钟后,用 10%H2/Ar 30ml/min 为载气从室温以 10?/min 开始 程序升温还原至 900?。用 TCD 作检测器。 5. 1. 2. 3 样品的金属表面积的测定 样品的金属表面积的测量采用脉冲化学吸附法,仪器为美国麦克仪器公司的 Autochem 2910。样品测试前经捣碎后,新鲜样品称 0.4g,老化样品称 0.6g。试验过程如下:样品先 10?/min 升温至 600?用纯氢 30ml/min 还原 3 小时后,600?条件下用高纯氦气 30ml/min 吹扫 30 分钟后,在氦气氛中降至室温吹扫 30 分钟。之后以高纯氦为载气 50ml/min,5% 的 CO/He 为吸附气脉冲进样,定量管为 0.5 毫升,TCD 检测器。根据吸附的 CO 的量,以 化学计量系数 PM:CO=1:1,忽略 Pt,Pd,Rh 原子截面积的差异,统一用 Pt 的原子截面 积 8.0×10-20m2来进行金属表面积的计算. 5. 1. 2. 4 催化剂活性评价 三元催化剂的活性评价在实验室小样评价系统上进行,原料气采用改装后的丰田 3Y1.8L 发动机发生的尾气,经适当的补气(HC 以 C3H8 气补气)后控制λ值(空燃比过量系 数)为 1.00?0.01,反应气体采用佛山分析仪器厂的 FGA4015 五组分分析仪检测。催化剂 小样大小为?18×12(容积为 3.05 ml),空速 40000h -1 ,从 200?开始,每隔 50?一个温度 点,通气至稳定后,通过分析样品入口和出口 CO、HC、NOx 的浓度,计算转化率。对进行 同一条件比较的样品均在同一个气源条件下进行活性测试。 汽车尾气催化剂涂层材料研究 第五章 涂层材料在汽车尾气三元催化剂中的应用 第 59 页 5. 2 CeO2-ZrO2 的用量及添加方式对催化剂三效性能的影响 图 5-1、5-2 分别是催化剂样品在小样活性评价系统上耐热前后的三效(CO、HC 和 NOx) 特性曲线。在以汽车尾气为基本气的配气系统中,控制 HC 值的补充气为 C3H8,因此,在 小样评价系统上,催化剂对 HC 的活性均表现出较高的起燃温度(转化率为 50%时的反应 温度),在高温区,当 HC 转化率高时 CO 的转化率反而会稍微下降,我们认为这是由于 CO 和 HC 反应之间存在争夺氧的竞争。 HC 耐热后初活性 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 Temperature/? H C C o n v e r s i o n / % NOx 耐热后活性 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 Temperature /? N O x C o n v e r s i o n / % CO 耐热后初活性 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 Temperature /? C O C o n v e r s i o n / % A B C D CO 初活性 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Temperature /? C O C o n v e r s i o n / % A B C D HC 初活性 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Temperature/? H C C o n v e r s i o n / % NOx 初 活性 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Temperature /? N O x C o n v e r s i o n / % 图 5-1 三元催化 剂样品初活性曲线 Fig. 5-1 Activity of fresh TWC 图 5-2 三元催化 剂样品热老化后活性曲线 Fig. 5-1 Activity of thermal aged TWC Test gas: HC=235ppm;CO=2.04%;NOx=100ppm;O2=2.0%;CO2=13.1%;λ=1.00 汽车尾气催化剂涂层材料研究 第五章 涂层材料在汽车尾气三元催 化剂中的应用 第 60 页 比较 B 与 C 的活性结果可知,CeO2-ZrO2 添加量的提高(C 样品),可在一定程度上 提高催化剂的低温活性(CO 的起燃温度低了近 15?),更值得注意的是,经热老化实验后, 其起燃 温度及转化率基本保持不变,表现出很好的热稳定性。 B 样品是经改 进的涂层材料制备出的三元催化剂,与样品 A 相比,其低温活性和热 稳定性都上了一个台阶。CO 初活性的起燃约在 225?,比样品 A 降 低了约 35?,对 NO 的转化在 200?进就已经起燃,至少比样品 A 低了 50?。经热老化实验后,完全未改进的 涂层制备的催化剂 A 对 CO 的起燃温度从 260?上升到 380?,NO 的起燃温度从 225?升 到 325?,三效起燃温度上升了 100-120?;采用改进后的涂层制备的 B 催化剂经热老化 后,CO 的起燃温度上升了 75?,而 NO 上升至 275?,约升了 75?,热稳定性明显比 A 好。 样品 B 与 D 涂层中 CeO2-ZrO2的添加方式不同, D 样品涂层中的 CeO2-ZrO2是以共 混方式加入的,从 B 和 D 的活性结果告诉我们,D 样品的低温活性和热稳定性明显地好于 B。 由此可见,CeO2-ZrO2 涂层材料有利于提高催化剂的活性,降低起燃温度,尤其对催 化剂的热稳定性起到了极大的促进作用,同时,CeO2-ZrO2 多加有利于提高三元催化剂的 性能,以混合法加入的效果要比共沉淀法效果要好。 5. 3 FD 汽车尾气催化剂与国内外同类商品化催化剂性能的比较 为了考察新开发催化剂的性能,在实验室同等条件下对 FD 催化剂与国外的两款催化 剂 USA、GER 以及目前正在国内东南汽车上使用的某国外公司在国内生厂的净化器催化剂 Delphi 进行了比较。通过对这几种催化剂的初活性(图 5-3 a,b,c)比较发现,FD 催化剂 的对 CO 和 NOx 的起燃特性要好于 USA、GER、Delphi,对 HC 的初活性在低温部分活性较 Delphi 稍低,但好于 USA、GER。在高温部分 FD 对 HC 的转化能力与 USA、GER 相当,要好 于 Delphi。从初活比较 FD 催化剂与国外催化剂相比性能优异性不很突出。从耐热后活性 比较发现(图 5-3 d,e,f),经 960?20 小时空气中快速老化后,四种催化剂的活性都有所 降低,但相对于其他催化剂而言,FD 催化剂活性略有下降,其对 CO 和 NOx 的起燃温度由 耐热前的 200?附近上升到 240?左 右。而国外三种催化剂对 HC、CO、NOx 的活性显著下 降,起燃温 度上升到 300?以上。表明 FD 催化剂起燃温度低,具有良好的初活 性和优异的 耐热老化性能。 汽车尾气催化剂涂层材料研究 第五章 涂层材料在汽车尾气三元催化剂中的应用 第 61 页 图 5-3 FD 催 化剂与其他催化剂性能比较 Fig. 5-3 Comparison of TWC samples a,b,c for fresh catalyst;d,e,f for thermal aged catalyst Test gas: HC=418ppm,CO=1.82%, NOx=130ppm, O2=1.6%, CO2=13.2% ,λ=1.00 对不同催化剂进行的 BET 表征和贵金属表征可以发现(表 5-2),FD 涂层面积要比 其他催化剂来得要小,这与我们的涂层负载量和使用 的是低比表面涂层材料有关。而经过 960?20 小时耐热后,所有催化 剂涂层的表面积均下降。从下降的趋势 FD 和 GER 催化剂的 下降 幅度达 60%以上,而其他样品表面积下降幅度为 50%左右。说明与 USA 和 Delphi 催 化剂相比较 FD 涂层材料的稳定性可进一步加 强,一方面要提高涂层的负载量,另一方面 采用更高热稳定性的涂层 材料。 200 250 300 350 400 450 500 0 20 40 60 80 100 (a) H C C o n v e r s i o n / % Temperature/oC FD USA GER Delphi 200 250 300 350 400 450 500 0 10 20 30 40 (d) H C C o n v e r s i o n / % Temperature/oC FD USA GER Delphi 200 250 300 350 400 450 500 0 20 40 60 80 100 (b) C O C o n v e r s i o n / % Temperature/oC FD USA GER Delphi 200 250 300 350 400 450 500 0 20 40 60 80 100 (e) C O C o n v e r s i o n / % Temperature/oC FD USA GER Delphi 200 250 300 350 400 450 500 0 20 40 60 80 100 (c) N O C o n v e r s i o n / % Temperature/oC FD USA GER Delphi 200 250 300 350 400 450 500 0 20 40 60 80 100 (f) N O C o n v e r s i o n / % Temperature/oC FD USA GER Delphi 汽车尾气催化剂涂层材料研究 第五章 涂层材料在汽车尾气三元催化剂中的应用 第 62 页 表 5-2 催化剂耐热前后比表面和金属表面积 Tab. 5-2 Surface and metal surface of catalyst between fresh and aged 比表面 /(m2/L) 金属表面积 /(m2/L) 样品名称 (涂干层载负体载)/量 % Fresh Aged Fresh Aged FD 43.3 20568 7284 150.6 28.4 USA 50.8 30128 15109 208.5 75.3 GER 44.1 23252 7496 125.9 18.6 Delphi 61.3 27227 13553 153.2 22.4 GS 60.0 23561 15543 29.5 9.9 如果不考虑负载工艺可能对金属分散造成的差异,通过新鲜样品的贵金属表面积数据 在一定程度上反应了贵金属用量的多少。相对而言 USA 用量最大,FD 和 Delphi、GER 催化 剂居中,GS 催化剂的用量较少。经耐热后所有样品的金属表面积均大幅度下降。从贵金属 的表面稳定性相互比较而言,USA 最好,GS 其次,FD 和 Delphi 第三,GER 的贵金属稳定 性较差。但是通过活性比较而言 FD 耐热后的活性要比其他的催化剂要好,而从涂层表面 积和金属表面积来看 FD 催化剂都不是最有优势。 从活性曲线比较曲线(图 5-3)可以看出 FD 催化剂与其他催化剂的显著区别在于起 燃活性。而当处于比较高的温度时,这些催化剂都起燃后的完全转化能力差别不是很大。 从催化剂的表面积和金属表面积的的差异无法解释 FD 催化剂与其他催化剂的起燃活性上 的显著差别。我们对 FD、USA、Delphi 进行的 TPR 试验(图 5-4、5-5)发现,FD 催化剂 与 Delphi 和 USA 催化剂的显著区别在于新 鲜 FD 催化剂的第一还原峰出峰温度要低于 USA 和 Delphi 催化 剂,而且老化后的催化剂的出峰温度也明显低于 USA 和 Delphi 催 化剂,而 Delphi 催化剂和 USA 催化剂相比较 Delphi 催化剂无论是 新鲜还是老化后催化剂的第一还 原峰又比 USA 要低,还原第一峰 的出峰温度越低,催化剂的起燃特性越好。这说明这种容 易被还原的 氧物种对活性的影响起决定作用。在这里峰面积与活性的关联并不显 著(表 汽车尾气催化剂涂层材料研究 第五章 涂层材料在汽车尾气 三元催化剂中的应用 第 63 页 5-3),可能是由于第一还原峰的面积 差别不是太大而没有对活性产生显著的影响。这也说 明第一还原物 种的活泼程度对活性的影响更加关键。 表 5-3 催化剂耐热前后 TPR 峰特性 Tab. 5-3 TPR of catalyst between fresh and aged 新鲜催 化剂 热老化后催化剂 还原峰温度 (?) 消耗氢的体积 (cc/g STP) 还原峰温度 (?) 消耗氢的体积 (cc/g STP) 催化剂样品 名 称 Peak1 Peak2 Peak1 Peak2 Peak1 Peak1 FD 79.3 407.1 1.696 0.379 144.2 0.826 USA 240.2 331.9 1.649 1.248 315.0 0.599 Delphi 147.4 319.3 1.423 1.785 217.0 0.720 0 100 200 300 400 500 600 700 -0.400 -0.395 -0.390 -0.385 -0.380 -0.375 -0.370 -0.365 -0.360 -0.355 T C D s i g n a l / m v Temperature/oC USA Delphi FD 图 5-4 新鲜催化剂的 TPR 曲线 Fig. 5-4 TPR spectra of fresh samples 汽车尾气催化剂涂层材料研究 第五章 涂层材料在汽车尾气三元催化剂中的应用 第 64 页 0 100 200 300 400 500 600 700 -0.376 -0.374 -0.372 -0.370 -0.368 -0.366 -0.364 -0.362 -0.360 T C D s i g n a l / m v Temperature/oC USAaged Delphiaged FDaged 图 5-5 老化催化剂的 TPR 曲线 Fig. 5-5 TPR spectra of aged samples 5. 4 本章小结 1)利用改进后 CeO2-ZrO2催化剂涂层的储氧材料,有利于提高三元催化剂的低温活性, 对催化剂的热稳定起到很好的促进作用,同时 CeO2-ZrO2以固溶体的形式与 Al2O3混合而成 的涂层比同时共沉淀形式加入更有利于提高催化剂的活性及耐热性,CeZr 的加入量大有利 于提高催化剂的性能。 2)FD 催化剂与国外同类产品比较具有起燃温度低,耐热性好的特点。FD 催化剂的这 种特性取决于其第一还原峰的温度较低,这有利于催化剂的迅速起燃。 5. 5 存在的问题 与国外同类催化剂比较 FD 催化剂的单位体积表面积和贵金属面积的耐热损失方面表 现不是最好,为了进一步提升 FD 催化剂的性能,需要提高涂层的负载量,采用比表面积 较大的涂层材料,同时进一步耐热条件下研究贵金属表面散失的原因,采取措施提高贵金 属抗烧结的能力,即要进一步研究涂层材料与活性组分贵金属的作用形式。 汽车尾气催化剂涂层材料研究 结论 第 65 页 结 论 1)在 ZrO2 载体制备过程中选择浓度低的锆盐及浓度适宜、分子量较大的高分子聚合 物有利于获得分散较好、颗粒尺寸较小、比表面较大、四方相相对稳定的 ZrO2载体,在所 考察的范围内,阿位伯胶的稳定作用最好,但其添加量有一最佳值(4.4%)。 2)在铂前驱物中引入表面分散剂(增稠剂)在一定程度上可提高 Pt 在载体上的分散 度,但增稠剂的选择应综合考虑铂盐在载体上的吸附形式、酸碱性、分子量大小及引入离 子的影响。在所考察的体系中以含0.5%阿拉伯胶的H2PtCl6为前驱物获得的Pt分散度最高 。 3) 过渡元素 Cu、Ni、Co、W 都具有丙烷氧化活性,低温活性大小顺序依次为 Cu> Ni>Co>W。另外引入过渡元素有利于提高 t-ZrO2 的稳定性,首次提出 t-ZrO2 有利于 C3H8 的氧化反应。 4)通过研究Al2O3的引入对样品中ZrO2体相和表面相结构的影响,结果发现提高Al2O3 的添加量,有利于抑制单斜相二氧化锆的生成。 5)利用 DRS 与 XRD 的特点,两者结合可较好地表征二氧化锆表面与体相的相结构 和组成,用于指导二氧化锆催化剂的制备和性能分析。 6)共沉淀水热回流法有利于获得较大比表面积、孔容、孔径的铈锆复合氧化物,特别 是在 24 小时内织构性质变化幅度较大。继续延长回流时间虽可优化氧化物的织构,但同 时也带来负面的影响,会促进孤立的四方相 Zr0.952O2率先析出,导致复合氧化物的储氧能 力下降。 7)对于铈锆摩尔比为 3:2 的复合氧化物体系,提高沉淀 pH 值,有利于形成较均匀 的铈锆固溶体体系,提高其储氧能力,当 pH 高于 11 时,可获得较高的比表面积。 8)从单位质量的铈锆复合氧化物的储氧性能出发,铈锆比为 3/2 的样品具有最高的储 氧能力。但杂质 Cl - 的引入将导致负载型 CeO2-ZrO2/Al2O3的储氧能力急剧下降。 9)在所考察的体系中,铈锆比为 2/3 的样品由于其组成均匀,具有单一的萤石型相结 构,且晶胞体积较小,使其具有最大的效率发挥单位质量 CeO2的储氧功能。 10)含 25mol%CeO2 的四方相富锆固溶体具有较高的热稳定性,使其具备作为汽车尾 气治理的密偶催化剂的涂层材料的潜能。 11)利用改进后 CeO2-ZrO2催化剂涂层的储氧材料,有利于提高三元催化剂的低温活性, 对催化剂的热稳定起到很好的促进作用, 同时 CeO2-ZrO2以固溶体的形式与 Al2O3混合而成 汽车尾气催化 剂涂层材料研究 结论 第 66 页 的涂层比同时共沉淀形式加入更有 利于提高催化剂的活性及耐热性,CeZr 的加入量大有利 于提高催化 剂的性能。 12)FD 催化剂与国外同类产品比较具有起燃温度低,耐热 性好的特点。FD 催化剂的 这种特性取决于其第一还原峰的温度较 低,这有利于催化剂的迅速起燃。 本论文利用 XRD、DRS、TPR、 N2 物理吸附、脉冲化学吸附等表征手段,阐明 制备条件对 ZrO2、 CeO2-ZrO2 复合氧化物的结构和性能影响,对汽车尾气涂层材 料工 业化提供基础数据,具有重要意义。 [1] Jan Ka?par, Paolo Fornasiero, ect. 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[4] 肖益鸿,蔡国辉,詹瑛瑛,何承安, 魏可镁. 满足欧 3 欧 4 排放标准的 FD 净化器的应用.汽车工 程, 已录用, 收录号:05 录字第 080 号 8.2、钙钛矿型催化剂在汽车尾气催化净化中的应用 钙钛矿型复合氧化物催化剂的研究非常广泛,最早研究的催化作用是电催化[45], LaCoO3、LaMnO3、LaNiO3 或它们 A、B 离子部分被取代的化合物,可用来作为电极材料。 14 早在 1971 年 Libby[46]就提出了 LaCoO3可能是处理汽车尾气的一种良好催化剂,使得这类 材料引起了研究人员的关注,与其它类型催化剂相比,钙钛矿型催化剂用途比较广泛,某 些样品的活性、选择性及抗毒性能超过贵金属催化剂,其稳定的结构及离子价态变化的可 逆性,使其在氧化还原反应中具有很高的催化活性,有望在汽车尾气净化方面替代贵金属 催化剂。 早期的研究中,有研究者考虑利用钙钛矿的结构来稳定贵金属,以提高耐热性能[47-49]。 而现阶段的研究则主要侧重于 ABO3中 A 位或 B 位元素的取代,改变其内部的晶格结构, 由此改变材料的性能,起到提高催化作用的效果。如侯岩峰等[50]人利用 Ce 来部分替代 A 位的 La 制备系列 La1-xCexCoO3钙钛矿型催化剂,将其应用于柴油机尾气净化催化性能的 研究,结果表明 Ce 部分取代 La 后,催化剂表面氧空位浓度增加,同时形成 Co3+-Co2+ 共存体系,催化剂对 THC、NOx催化活性显著提高,且表现出良好的稳定性;李丽等[51] 人采用 Ce 部分取代 A 位的 La 以及采用 Co、Ru 部分取代 B 位的 Fe 制备出 La1-xCexFe1-y-nCoyRunO3 三效催化剂,经结构表征和催化性能测试表明:表层中的 Ce 由与 氧结合转变为与多羟基结合,使得氧种含量增加;而 Co 与 Ru 的引入降低了吸附氧和晶格 氧的脱附温度,增加了 A 离子空位,增强了晶格氧的活动性,显著提高了催化剂的活性 。 8.3、稀土在汽车尾气净化催化剂中的应用 1.5.1 稀土在净化催化剂中的催化特性1.5.1 稀土在净化催化剂中的催化特性 稀土氧化物特有的性质及其催化作用早已引起了催化研 究者们的关注。例如,稀土氧 化物的顺磁性、晶格氧的移动性、阳离子的可变价以及表面碱性与许多催化作用有本质的 联系。但在过去的催化研究中,稀土氧化物多用作催化剂担体和助剂,而对稀土氧化物本 身的催化特性的研究比较肤浅,有关稀土氧化物催化作用的详细深入研究尚不多见,尤其 对稀土氧化物表面性质及其催化特性的认识远远不如过渡金属氧化物那样细致、深入,这 与稀土难于分离和发现的历史相对短暂也有一定的关系。总的来讲,除了以上所提到的晶 格氧移动性、阳离子可变价以及表面碱性外,稀土元素的催化性能有以下三个规律性特征。 一是由于稀土元素外层电子结构相似,稀土元素间的催化性能差别比较小,总的催化活性 比不上外层 d 电子结构的过渡元素及贵金属元素。在大多数的反应中,各轻稀土元素之间 的催化活性变化不超过 l~2 倍,重稀土元素之间几乎无变化。而 d 型结构的过渡元素之间 的活性相差比较大,甚至可以达到几个数量级,存在着明显的选择性差异。二是在现行的 实用工业催化剂中,稀土一般只用作助催化剂或催化剂中的一种活性组份,很少作为主体 催化剂。三是作为贵金属催化剂的助剂,稀土能够提高和改变催化剂的性能,其助剂的作 用远远地大于传统意义上的碱金属或碱土金属元素。催化剂技术是机动车尾气净化器的核 心关键技术,稀土在我国的机动车排放污染控制方面有着广泛的应用。这主要是由于一方 面,我国贵金属贫乏而有丰富的稀土资源,另一方面稀土具有其独特的催化作用和性质。 稀土在机动车尾气净化催化剂中主要是具有贮氧和催化作用,将其加入催化剂活性组 分中,能提高催化剂的抗铅、硫中毒性能、耐 高温稳定性,并能改善催化剂的空燃比工作 特性。 8.4、CDYR-106 型离子液体在工艺尾气脱硫中的应用研究 本节将进行 CDYR 型离子液体在工艺尾气脱硫中的应用研究。主要包括单质 硫取出方式是否可行、材料的选择是否能满足长期运行的要求、工业运用中环境、 物料组分、温度等因素对离子液体脱硫效率的影响等,以期为工业应用打下基础。 8.5、多孔材料的应用 多孔材料具有独特的多孔道结构,高比表面积和大的孔容,以及高的扩散性 和高的存储能力,目前其应用已遍及许多领域,主要应用在以下几个方面: (1) 催化剂载体[45-47] 作为催化剂载体是由于多孔陶瓷比表面积较高,具有良好的吸附能力。当催 化剂涂覆在多孔陶瓷表面时,可以使其与反应流体的有效接触面积大大增加,进 而提高催化转化效率。此外,多孔陶瓷还具有较高的热稳定性和机械强度,便于 加工成形以及成本低等优点。目前国内外应用最广泛的车用催化剂载体为具有优 良的耐高温和耐腐蚀性能,以及良好的吸附能力的堇青石蜂窝陶瓷载体。 (2) 保温隔热材料[48, 49] 多孔陶瓷凭借优良的耐热循环和抗热震性使其成为较理想的耐热隔热材料。 相对于致密体来说,多孔陶瓷中存在大量的闭孔,具有较低的导热系数,可以产 生巨大热阻。利用多孔陶瓷的这种特点,可以将其用于各种防止热辐射的场合, 达到保温节能的作用。此外,多孔陶瓷与同类隔热材料相比还具 有质轻的优点, 因此在航天器的热防护系统中也得到了应用。 (3) 过滤器[50-52] 多孔陶瓷用作过滤器由于其内部具有大量连通且分布均匀的开口气孔,是一 种集吸附、表面过滤和深层过滤相结合的一种过滤方式。因此过滤面积大、效率 高,当流体通过时压力损失小,流体接触效率高。与传统的陶瓷颗粒烧结体和玻 璃纤维相比,多孔陶瓷特别是在熔融金属、高温流体及腐蚀性流体的过滤时,具 有易操作、省能源、低成本、过滤效率高等优点。 8.6、CRM在汽车行业中的应用 CRM在国外先进国家起步较早,发展也较为迅速,已经成功应用于各个行业。 在美国,CRM己应用多年,《财富》100强中的企业多数都使用了 CRM软件。 CRM在中国国内起步较晚,但却有巨大的发展潜力。随着中国加入WTO, 国内企业面临了更严峻的竞争形势,而客户资源必定将成为竞争的核心,如何保 持住优质的客户、管理好企业的客户资源,同时为客户提供高度满意的个性化服 务,将成为企业关注的重点。市场越是开放,竞争越激烈,企业就越需要拥有CRM 系统。而国内企业借助CRM,也将实现企业的管理和运营与国际市场接轨,进一 步提髙企业的管理水平与服务能力,使企业能够真正成为市场中的弄潮者。 上海通用汽车公司是中国第一家引入CRM的汽车企业。2000年9月9日系 统正式上线。面对汽车市场需求的巨大增长,汽车制造商们原有的以手工操作为 主的客户信息管理以及服务手段,远远不能够满足客观现实的需要,实施先进的 CRM系统,无疑成 为了汽车制造商们管理客户信息,提升自身服务水准的必由之 路。正是由于汽车市场上需求的”井喷”,才迎来了汽车行业中CRM应用的新突 破。 2003年2月18日,北京吉普的”北京吉普客户服务中心”正式投入试运行。 客户只需要拨通客服电话,即可享受爱车咨询、售后服务、道路救援等全方位、 全天候24小时的周到服务。 2003年6月13日,南京菲亚特客户服务中心正式启动。只要拨打客服热线, 23 北京交通大学硕士专业学位论文 CRM与企业营销的关系分析 就可以获得产品、销售、服务、配件咨询、意见建议、道路救援、投诉、客户回 访等方面的服务。 一汽大众、上海大众也先后以呼叫中心为切入点实施了 CRM系统。作为当今 欧洲最大的汽车制造厂商,大众公司将CRM视为客户资源战略的重要部分。大众 公司将车友倶乐部和直接营销的宣传活动的专业化,作为客户关系管理的启动。 例如,引进个性化的客户联系项目。客户会收到一个欢迎邮包,里面包含了不同 季节的多种产品的信息。在这个项目中,广告媒体倡导制造商和客户要进行双向 沟通。如此就可以得到每一位客户的有价值的信息,并且每位客户的联系电话、 通讯地址等联系方式会随时得到更新,以保证沟通活动的正确性和有效性,这些 重要的信息为汽车制造商针对客户进行”一对一”营销奠定了数据信息基础。 2003年,华晨宝马引入CRM系统。对中国的宝马汽车用户和经销商进行统 一的销售和售后服务管理。 在2010年,轰动整个车坛的事件不外乎丰田在全球范围内的召回事件了。美 国在11月份开始大范围召回丰田汽车,涉及数量最多的质量问题是油门踏板存在 故障隐患,在国际范围内存 在该问题而被召回的车型有:卡罗拉、雅力士、RAV4、 凯美瑞、汉兰达、威驰等。对比到我国,自2009年11月份丰田在美国召回数百 万辆丰田轿车开始,丰田汽车在我国首度因为油门制动系统故障召回RAV4的时 间为2010年1月29日,丰田公司对问题汽车的快速市场反映,源于丰田汽车公 司良好的客户关系管理理念及其软件的应用。 8.7、镁合金在汽车上的应用 1.2.1 汽车的轻量化发展趋势1.2.1 汽车的轻量化发展趋势 能源、资源和环境是当今世界各国极为关注的三大问题,汽车工业的发展和 应用的普及同这三大问题密切相关。随着全球汽车工业的不断发展,世界汽车保 有量正在飞速增长,石油资源大量消耗,环境问题日趋严重。有关研究数据表明, 若汽车整备质量降低 10%,燃油效率可提高 6%~8%;若滚动阻力减 10%,燃油效率 3 可提高 3%;若车桥、变速器等机构的传动效率提高 10%,燃油效率可提高 7%。由此 可见,伴随轻量化而来的突出优点就是油耗的显著降低。尤其汽车车身约占汽车总 质量的 30%,对空载而言,约 70%的油耗是用在车身质量上的,因此车身的轻质化对 减轻汽车自重,提高整车燃料经济性至关重要[15-16]。鉴于此,研制与开发出排放更 少、能效更低、安全性更高的新一代汽车产品已成为汽车界的最大发展目标。要 实现这一目标,汽车的轻量化是必然选择。 世界交通运输车辆总趋势是轻量化。与二十年前相比,国外汽车自重减轻 20 %~26%。未来汽车不管选用何种动力,都必须轻量化,尤以轿车最为突出。轻 量化、节能降耗和降低排 放污染是发展轿车的三项战略性课题,其轻量化是关键。 世界各国制定出中长远轿车减重目标(中型轿车),美国为l000kg以下,西欧为900kg 以下[17]。针对我国石油资源严重短缺的问题,我国控制汽车燃料消耗量的第一个 强制性国家标准《乘用车燃料消耗量限值标准》(GB19578-2004)按照整车装备质 量对乘用车燃料消耗的限值提出了要求,促进了我国汽车轻量化发展趋势。 汽车轻量化技术包括:? 优化汽车结构设计,? 选用轻质材料,并采用先 进的制造技术,获得质轻、净形、优质、价廉的汽车零部件,是汽车轻量化的重 要途径,引起了世界汽车行业的高度重视。实践证明,选用轻金属(铝、镁)和塑料 等轻质材料代替钢铁,能有效的减轻车重[17]。在铝材和塑料已被广泛应用,汽车 排放法规日趋严格,节能降耗更为迫切的新形势下,世界汽车业把目光投向镁合 金,认为它是比铝合金和塑料更为优良的轻质材料,对汽车的减重效果更明显、 节能降耗更有效、环境保护更有利。 8.8、GPS在汽车性能测试中的应用 随着全球定位系统的不断改进,软硬件的不断完善,GPS卫星定位技术 的应用领域正在不断地扩大。除了航空航天定位导航,GPS在普通定位导航、 调度指挥、车辆监控管理的应用已经相当成熟。 汽车性能测试试验需要高精度的位置信息,要把GPS技术用于汽车的性 能测试并组成相应的测试系统就必须尽量消除GPS定位误差。使用差分技术, 可以完全消除卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差,绝大程度上 消除传播延迟误差。因此,可以将差分定位技术应 用于汽车性能测试中来提高 汽车定位数据的精度。 西华大学硕士学位论文 在汽车性能测试的过程中,首先将GPS提供的高精确经纬度通过高斯- 克吕格坐标转换可以将经纬度变为平面坐标X、Y值,然后把通过坐标转换得 到的一系列点坐标(X,Y)按照时间顺序依次连结成线便得到汽车的运动轨 迹,根据轨迹点坐标以及时间可以求出汽车在该点的速度和加速度。 2.5本章小结 本章对GPS定位原理进行了阐述,并对基于C/A码的测量定位进行误差 分析。结果表明,采用载波相位差分定位,可以基本消除卫星时钟偏差和星历 误差,提高了定位精度,可以满足汽车试验的精度要求。 西华大学硕士学位论文 第三章测试系统的硬件架构 3.1系统总体架构 为了获得更高的试验精度,满足现代汽车高速、行驶工况复杂的要求,新 系统采用性能更优良、精度更高的GPS接收机设备来替换原有的非接触式汽 车性能测试仪。 本测试系统是一套车载测试系统,在汽车行驶过程中能实时测试汽车试验 数据。差分定位时移动站GPS接收机根据基准站发送过来的差分修正信息修 正其实测伪距,然后将修正后的定位信息能过串口传送给笔记本电脑。陀螺仪 同样是通过串口将其相应的数据传送至笔记本电脑,电脑在接收数据后通过相 应的软件对它们进行数据处理。汽车运动性能测试系统的硬件架构如图3一1所 示。 卫星定位系统 陀螺仪 汽车运动性能 测试与分析系统 一王 系统软件七 笔记本电脑(数据采集) 串口程序(RS一232) 试验项目 Fig.3一1 the Struettire oftheAutomotiveTestsystem 图3一1汽车运动性能测试系统组成