第五章 发动机噪声及排放污染
噪声,汽车的主要噪声源 — 发动机。
汽油机的主要噪声源 — 风扇噪声和配气机构噪声。
柴油机的主要噪声源 — 燃烧噪声。
柴油机的噪声比汽油机的大。
排放,汽油机的、和排放比柴油机的多，
柴油机的炭粒排放比汽油机的多。
§5-1 发动机噪声污染及防治
GB规定,城市噪声声压级白天 — ( 42 [ dB ]，夜间 — ( 37 [ dB ]。
一 噪声的评价指标
（一） 噪声的物理参数
1 声压 p
声波通过介质时，波峰处的压力升高量 [ pa ]。
2 声压级 — 无因次参数
[ dB ]
其中 — 1000 [ Hz ]时的基准声压，即听阀声压， [ pa ]。
人耳能听到的听阀声压 [ pa ]，
产生疼痛的痛阀声压 = 20 [ pa ]。相差100万倍左右。
3 声强 I
单位时间、单位面积上通过的声能 [ W/m ] 。
4 声强级 — 无因次参数
[ dB ]
其中 — 1000 [ Hz ]时的基准声强， [ W/m ]。
5 声功率 W
声源在单位时间内所辐射的总能量 [ W ]。
其中S — 包围声源的封闭面面积； — 声强在微元面积ds法线方向的分量。
（1） 在自由场中，声波球面辐射，则
[ W/m ]
（2） 在开阔地面上，声波半球面辐射，则
[ W/m ]
6 声功率级 — 无因次参数
[ dB ]
其中 — 基准声功率， [ W ]。
声压级 ，声强级 和声功率级 的范围均为 0～120 [ dB ]。
7 频率与频带
人耳能听到的声音频率范围为20～20,000 [ Hz ]。
将其分为若干个频率段 — 频带或频程。
常用倍频程和1/3频程。
倍频程的中心频率 — 31.5，63，125，250，500，1000，2000，4000，8000，16000…
中心频率，上限频率和下限频率的关系为
； ； 。
频谱图 — 横坐标,频率 （ 频带 ），纵坐标,声压级 ，声强级 或声功率级 。
（二） 主观评价 — 响度级
即使声压级相同，而频率不同，人耳所感受到的声音响度就会不同，主观评价参数 — 响度级 [ 方 ] （ [ phon ] ） 。
以1000 [ Hz ] 的纯音为基准声音，当某噪声的响度与某声压级的纯音响度相同时，则该纯音的声压级 [ dB ] 即为该噪声的响度级 [ phon ]。
如图的ISO等响曲线由大量试验得出
1 100 Hz以下的噪声，
虽然声压级 [ dB ] 较高，但响度级 [ phon ]却低，人耳不敏感。
低频、低声压级 [ dB ] 的噪声，人耳听不到。
2 同一声压级 [ dB ]下，人耳对频率为3000～4000 Hz的噪声（波谷） 最为敏感，
其响度级 [ phon ] 最高。
3 声压级高于100 [ dB ] 时，等响曲线平缓，响度级 [ phon ] 仅与声压级 [ dB ]
有关，而与频率 [ Hz ] 几乎无关。说明对于高 [ dB ] 的噪声，人耳已分辨不
出高、低频了。
二 发动机噪声分析
（一） 车辆噪声源
1 与发动机转速n有关的噪声源
进、排气噪声；旋转件噪声 — 风扇，空气压缩机，发电机和空调等。
2 与车速有关的噪声源
传动噪声 — 变速器，传动轴等；空气动力噪声 — 轮胎噪声，车体噪声等。
（二） 发动机噪声源 — 主要噪声源
1 直接传向大气的噪声源
进、排气噪声和风扇噪声等 — 属于空气动力噪声。
2 发动机表面辐射噪声源
由发动机零部件的机械振动引起。
（1） 燃烧噪声 — (，(，还与发动机零部件的强度、刚度有关。
（2） 机械噪声 — 发动机零部件之间的间隙撞击和零部件弹性变形，导致零部件振动引起。
三 发动机噪声的防治
（一） 降低燃烧噪声
1 采用油膜蒸发型混合气形成方式 — M过程 ( (，(。
2 尽量使喷油先缓后急 — 推迟喷油开始时刻 ( (，(。
3 使用十六烷值高的燃料 ( (。
（二） 加强结构强度
加固主轴承，多加和加固加强筋。
（三） 采用隔声罩壳
材料,钢板、玻璃纤维和其它消声材料。
部位,曲轴箱侧壁和排气总管。
（四） 采用排气消声器
排气消声器 — 声滤波器，随频率变化。
1 阻性消声器 — 主要用于小轿车
声学性能主要取决于声吸收构造和材料的流动阻力。降低噪声的频带较广。
2 抗性消声器 — 主要用于载货汽车
声学性能主要取决于消声器的几何形状，造成排气声能阻抗失配。阻抗失配使部分声能在消声器内来回反射震阻碍向外辐射。
3 阻抗复合式消声器 — 用于各种汽车
以抗性消声器为基础，同时采用吸声材料，可使排气噪声大幅度降低。
（五） 低噪声发动机设计
在满足基本性能的前提下，按降声原理设计结构参数。
§5-2 发动机排放污染及防治一 发动机的污染源
（一） 排气污染 — 占发动机总污染量的65～85%
1 一氧化碳 CO
2 氮氧化合物
3 碳氢化合物 HC
4 燃料液滴和炭粒
5 各类铅、硫化合物
（二） 曲轴箱通风污染 — 占发动机总污染量的20%左右
主要是碳氢化合物 HC。
（三） 汽油箱通风污染 — 占发动机总污染量的5%左右
主要是碳氢化合物 HC。
（四） 化油器浮子室及油泵接头处的泄漏污染 — 占发动机总污染量的
5～10%
主要是碳氢化合物 HC。
（五） 含铅、磷汽油所形成的铅、磷污染
本课程只讨论第一项 — 发动机的排气污染。
二 发动机排放污染物的形成、危害和防治
（一） 一氧化碳 CO
1 形成
C + O ( CO [ + O ] ( CO
[ 中间产物 ]
产生的原因是缺氧。
汽油机上 — ( < 1 的浓混合气；
柴油机上 — ( > 1，但局部过浓的混合气。
2 危害
煤气中毒 — 人体血液中的血红素对CO的亲和力比对O的高，引起含CO的血红素所占比例增高，造成人体缺氧窒息。
3 防治
（1） 稀薄燃烧与高能点火
使混合气的 ((，而又能够正常燃烧。
（2） 缩小燃烧室的激冷区
激冷区 — 燃烧室中由两个以上冷表面构成的狭窄空间，如挤气间隙。
激冷效应 — 靠近激冷区的可燃混合气，热损失过多而不能着火。
缩小燃烧室的激冷区 ( 燃烧易于完全 ( CO(。
（二） 氮氧化合物
1 形成
（1） 燃烧温度高
（2） 高温持续时间长
（3） 火焰前锋面中氧气的浓度高
产生的原因是高温。
2 危害
（1） 与肺中的水蒸汽粘合而形成稀硝酸，引起肺水肿和肺气流阻力明显上升。
（2） 与HC反应生成光化学过氧化物，是光化学烟雾的主要成分。
3 防治
（1）降低压缩比 ( ( 缸内温度( ( (。
（2）减小点火提前角 ( ( 缸内温度( ( (。
（3） 废气再循环，缸内喷水，采用乳化油，(( 或 (( ( 缸内温度( ( (。
（4）分层燃烧 ( 降低混合气的均匀性 ( 缸内温度( ( (。
（5）加强燃烧室内气流运动(混合气混合、燃烧迅速(高温持续时间(((。
（三） 碳氢化合物 HC
1 形成
（1） 局部混合气过浓或过稀使氧化反应减慢，热损失相对增加，不能着火。
（2） 某微小单元的混合气面容比大，热损失大，不能着火。
（3） 激冷效应。
2 危害
（1） 3.4苯并芘 — 致癌物质。
（2） 苯甲醛和丙烯醛 — 强烈刺激眼睛和呼吸器官。
（3） 光化学烟雾的主要成分。
3 防治
（1） 降低压缩比 ( ( 膨胀冲程中燃烧室壁面温度和排气温度( ( HC(。
（2） 改善燃烧室形状，降低面容比 ( 散热损失( ( HC(。
（3） 稀薄燃烧与高能点火 ( 燃烧完全程度( ( HC(。
（4） 减小点火提前角 ( ( HC在膨胀和排气冲程中燃烧掉。
（5） 缩小燃烧室的激冷区 ( 燃烧易于完全 ( HC(。
（6） 加强燃烧室内气流运动 ( 混合气混合、燃烧完全 ( HC(。
（7） 曲轴箱强制通风
HC — 空气滤清器 ( 进气管 ( 缸内再燃烧。
（四） 燃料液滴和炭粒
1 燃料液滴
柴油机冷起动或低负荷运行时冒蓝、白烟。蓝、白烟之间没有严格的成分差异，均为燃料液滴或水蒸汽，只是微粒的直径不同而对光线的反射不同而已。
2 炭粒
柴油机高负荷运行时冒黑烟。
（1） 形成
缺氧，致使燃烧中间产物C-C，H-C裂化，再聚合成炭粒。
柴油机缓燃期中形成最多。
（2） 危害
A 燃烧不完全 ( 经济性(，动力性(。
B 污染大气。
C 炭粒沉积在活塞、燃烧室和排气门等零件表面，使运动件摩擦损失增大，甚
至卡死。
（3） 防治
A 稀薄燃烧与高能点火 ( 燃烧完全程度( ( 炭粒(。
B 改善雾化质量 ( 混合气混合、燃烧完全 ( 炭粒(。
C 加强燃烧室内气流运动 ( 混合气混合、燃烧完全 ( 炭粒(。
D 改进发动机的结构和使用，加速混合气形成，提高燃烧速率。
E 采用乳化油 ( 缸内温度( ( 中间产物的热裂反应明显减少。
F 加入消烟添加剂 — 钡盐，但有毒。
G 后期处理小颗粒的炭粒经过静电、过饱和水蒸汽、超声波而聚合成较大颗粒的炭粒，再通过除尘过滤器予以净化。
噪声,汽车的主要噪声源 — 发动机。
汽油机的主要噪声源 — 风扇噪声和配气机构噪声。
柴油机的主要噪声源 — 燃烧噪声。
柴油机的噪声比汽油机的大。
排放,汽油机的、和排放比柴油机的多，
柴油机的炭粒排放比汽油机的多。
§5-1 发动机噪声污染及防治
GB规定,城市噪声声压级白天 — ( 42 [ dB ]，夜间 — ( 37 [ dB ]。
一 噪声的评价指标
（一） 噪声的物理参数
1 声压 p
声波通过介质时，波峰处的压力升高量 [ pa ]。
2 声压级 — 无因次参数
[ dB ]
其中 — 1000 [ Hz ]时的基准声压，即听阀声压， [ pa ]。
人耳能听到的听阀声压 [ pa ]，
产生疼痛的痛阀声压 = 20 [ pa ]。相差100万倍左右。
3 声强 I
单位时间、单位面积上通过的声能 [ W/m ] 。
4 声强级 — 无因次参数
[ dB ]
其中 — 1000 [ Hz ]时的基准声强， [ W/m ]。
5 声功率 W
声源在单位时间内所辐射的总能量 [ W ]。
其中S — 包围声源的封闭面面积； — 声强在微元面积ds法线方向的分量。
（1） 在自由场中，声波球面辐射，则
[ W/m ]
（2） 在开阔地面上，声波半球面辐射，则
[ W/m ]
6 声功率级 — 无因次参数
[ dB ]
其中 — 基准声功率， [ W ]。
声压级 ，声强级 和声功率级 的范围均为 0～120 [ dB ]。
7 频率与频带
人耳能听到的声音频率范围为20～20,000 [ Hz ]。
将其分为若干个频率段 — 频带或频程。
常用倍频程和1/3频程。
倍频程的中心频率 — 31.5，63，125，250，500，1000，2000，4000，8000，16000…
中心频率，上限频率和下限频率的关系为
； ； 。
频谱图 — 横坐标,频率 （ 频带 ），纵坐标,声压级 ，声强级 或声功率级 。
（二） 主观评价 — 响度级
即使声压级相同，而频率不同，人耳所感受到的声音响度就会不同，主观评价参数 — 响度级 [ 方 ] （ [ phon ] ） 。
以1000 [ Hz ] 的纯音为基准声音，当某噪声的响度与某声压级的纯音响度相同时，则该纯音的声压级 [ dB ] 即为该噪声的响度级 [ phon ]。
如图的ISO等响曲线由大量试验得出
1 100 Hz以下的噪声，
虽然声压级 [ dB ] 较高，但响度级 [ phon ]却低，人耳不敏感。
低频、低声压级 [ dB ] 的噪声，人耳听不到。
2 同一声压级 [ dB ]下，人耳对频率为3000～4000 Hz的噪声（波谷） 最为敏感，
其响度级 [ phon ] 最高。
3 声压级高于100 [ dB ] 时，等响曲线平缓，响度级 [ phon ] 仅与声压级 [ dB ]
有关，而与频率 [ Hz ] 几乎无关。说明对于高 [ dB ] 的噪声，人耳已分辨不
出高、低频了。
二 发动机噪声分析
（一） 车辆噪声源
1 与发动机转速n有关的噪声源
进、排气噪声；旋转件噪声 — 风扇，空气压缩机，发电机和空调等。
2 与车速有关的噪声源
传动噪声 — 变速器，传动轴等；空气动力噪声 — 轮胎噪声，车体噪声等。
（二） 发动机噪声源 — 主要噪声源
1 直接传向大气的噪声源
进、排气噪声和风扇噪声等 — 属于空气动力噪声。
2 发动机表面辐射噪声源
由发动机零部件的机械振动引起。
（1） 燃烧噪声 — (，(，还与发动机零部件的强度、刚度有关。
（2） 机械噪声 — 发动机零部件之间的间隙撞击和零部件弹性变形，导致零部件振动引起。
三 发动机噪声的防治
（一） 降低燃烧噪声
1 采用油膜蒸发型混合气形成方式 — M过程 ( (，(。
2 尽量使喷油先缓后急 — 推迟喷油开始时刻 ( (，(。
3 使用十六烷值高的燃料 ( (。
（二） 加强结构强度
加固主轴承，多加和加固加强筋。
（三） 采用隔声罩壳
材料,钢板、玻璃纤维和其它消声材料。
部位,曲轴箱侧壁和排气总管。
（四） 采用排气消声器
排气消声器 — 声滤波器，随频率变化。
1 阻性消声器 — 主要用于小轿车
声学性能主要取决于声吸收构造和材料的流动阻力。降低噪声的频带较广。
2 抗性消声器 — 主要用于载货汽车
声学性能主要取决于消声器的几何形状，造成排气声能阻抗失配。阻抗失配使部分声能在消声器内来回反射震阻碍向外辐射。
3 阻抗复合式消声器 — 用于各种汽车
以抗性消声器为基础，同时采用吸声材料，可使排气噪声大幅度降低。
（五） 低噪声发动机设计
在满足基本性能的前提下，按降声原理设计结构参数。
§5-2 发动机排放污染及防治一 发动机的污染源
（一） 排气污染 — 占发动机总污染量的65～85%
1 一氧化碳 CO
2 氮氧化合物
3 碳氢化合物 HC
4 燃料液滴和炭粒
5 各类铅、硫化合物
（二） 曲轴箱通风污染 — 占发动机总污染量的20%左右
主要是碳氢化合物 HC。
（三） 汽油箱通风污染 — 占发动机总污染量的5%左右
主要是碳氢化合物 HC。
（四） 化油器浮子室及油泵接头处的泄漏污染 — 占发动机总污染量的
5～10%
主要是碳氢化合物 HC。
（五） 含铅、磷汽油所形成的铅、磷污染
本课程只讨论第一项 — 发动机的排气污染。
二 发动机排放污染物的形成、危害和防治
（一） 一氧化碳 CO
1 形成
C + O ( CO [ + O ] ( CO
[ 中间产物 ]
产生的原因是缺氧。
汽油机上 — ( < 1 的浓混合气；
柴油机上 — ( > 1，但局部过浓的混合气。
2 危害
煤气中毒 — 人体血液中的血红素对CO的亲和力比对O的高，引起含CO的血红素所占比例增高，造成人体缺氧窒息。
3 防治
（1） 稀薄燃烧与高能点火
使混合气的 ((，而又能够正常燃烧。
（2） 缩小燃烧室的激冷区
激冷区 — 燃烧室中由两个以上冷表面构成的狭窄空间，如挤气间隙。
激冷效应 — 靠近激冷区的可燃混合气，热损失过多而不能着火。
缩小燃烧室的激冷区 ( 燃烧易于完全 ( CO(。
（二） 氮氧化合物
1 形成
（1） 燃烧温度高
（2） 高温持续时间长
（3） 火焰前锋面中氧气的浓度高
产生的原因是高温。
2 危害
（1） 与肺中的水蒸汽粘合而形成稀硝酸，引起肺水肿和肺气流阻力明显上升。
（2） 与HC反应生成光化学过氧化物，是光化学烟雾的主要成分。
3 防治
（1）降低压缩比 ( ( 缸内温度( ( (。
（2）减小点火提前角 ( ( 缸内温度( ( (。
（3） 废气再循环，缸内喷水，采用乳化油，(( 或 (( ( 缸内温度( ( (。
（4）分层燃烧 ( 降低混合气的均匀性 ( 缸内温度( ( (。
（5）加强燃烧室内气流运动(混合气混合、燃烧迅速(高温持续时间(((。
（三） 碳氢化合物 HC
1 形成
（1） 局部混合气过浓或过稀使氧化反应减慢，热损失相对增加，不能着火。
（2） 某微小单元的混合气面容比大，热损失大，不能着火。
（3） 激冷效应。
2 危害
（1） 3.4苯并芘 — 致癌物质。
（2） 苯甲醛和丙烯醛 — 强烈刺激眼睛和呼吸器官。
（3） 光化学烟雾的主要成分。
3 防治
（1） 降低压缩比 ( ( 膨胀冲程中燃烧室壁面温度和排气温度( ( HC(。
（2） 改善燃烧室形状，降低面容比 ( 散热损失( ( HC(。
（3） 稀薄燃烧与高能点火 ( 燃烧完全程度( ( HC(。
（4） 减小点火提前角 ( ( HC在膨胀和排气冲程中燃烧掉。
（5） 缩小燃烧室的激冷区 ( 燃烧易于完全 ( HC(。
（6） 加强燃烧室内气流运动 ( 混合气混合、燃烧完全 ( HC(。
（7） 曲轴箱强制通风
HC — 空气滤清器 ( 进气管 ( 缸内再燃烧。
（四） 燃料液滴和炭粒
1 燃料液滴
柴油机冷起动或低负荷运行时冒蓝、白烟。蓝、白烟之间没有严格的成分差异，均为燃料液滴或水蒸汽，只是微粒的直径不同而对光线的反射不同而已。
2 炭粒
柴油机高负荷运行时冒黑烟。
（1） 形成
缺氧，致使燃烧中间产物C-C，H-C裂化，再聚合成炭粒。
柴油机缓燃期中形成最多。
（2） 危害
A 燃烧不完全 ( 经济性(，动力性(。
B 污染大气。
C 炭粒沉积在活塞、燃烧室和排气门等零件表面，使运动件摩擦损失增大，甚
至卡死。
（3） 防治
A 稀薄燃烧与高能点火 ( 燃烧完全程度( ( 炭粒(。
B 改善雾化质量 ( 混合气混合、燃烧完全 ( 炭粒(。
C 加强燃烧室内气流运动 ( 混合气混合、燃烧完全 ( 炭粒(。
D 改进发动机的结构和使用，加速混合气形成，提高燃烧速率。
E 采用乳化油 ( 缸内温度( ( 中间产物的热裂反应明显减少。
F 加入消烟添加剂 — 钡盐，但有毒。
G 后期处理小颗粒的炭粒经过静电、过饱和水蒸汽、超声波而聚合成较大颗粒的炭粒，再通过除尘过滤器予以净化。
