汽车尾气检测仪设计

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1、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

2、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

3、于人类。人对于环境的作用是评价环境影响一个方面,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、开发计划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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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 72582004 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

9、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

10、 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 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;

11、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

12、(除驾驶员座) 重庆恒通客车 商 客 城市客车 城市用公共汽车 重庆恒通客车 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 旅游客车 旅游用车 重庆有限恒公通

13、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 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

14、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

15、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

16、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,20022004 年汽车年产量相继突破 300 万、400 万和 500 万辆,在 2

17、010 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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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(19982011 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论文 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

23、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。

24、 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 Chinas 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

25、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

26、 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

27、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

28、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 automoti

29、ve 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

30、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

31、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 worlds

32、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

33、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

34、- 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 worlds major oil producer. 年份 2004 年 2005 年 2006 年 2007 年 200

35、7 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 10

36、2.3 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

37、 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

38、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

39、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) 610g/m3,尾气现通过活性炭固

40、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 510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

41、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。

42、 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

43、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,20022004 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

44、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

45、,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 20

46、10 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

47、 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.

48、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(19982011 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

49、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

50、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

51、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,

52、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/100km5。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、

53、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

54、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 N

55、Ox,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

56、,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

57、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

58、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

59、 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

60、 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

61、,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(FE

62、A)、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

63、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

64、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

65、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1011。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,