汽车污染现状及控制措施-西游67eGV-搜狐博客
  不断增加的城市空气污染

  经过20年的改革开放,中国私人汽车数量迅速增加,汽车开始进入普通人的家庭生活。汽车需求的迅猛增长是推动2002年中国经济增长的重要力量。去年汽车制造商制造并销售了325万辆,比2001年增长了37%。此外,去年载客汽车的销售首次突破了100万大关,猛增56%,达到了112.6万辆。

  2001年后加入世界贸易组织(WTO),中国已经将汽车的进口关税从70-90%降低到44-51%,到2005年将进一步降低到25%。随着汽车价格的下降以及中国人较低的汽车拥有量,中国的汽车市场将会进一步繁荣。

  随着轿车进入家庭,主要城市及近郊的交通拥挤状况会进一步加剧,从而使汽车废气排放问题更加严重。中国有2000万辆汽车和1亿辆摩托车,而其中大多数都在城市。在城市环境污染物中,汽车所排放的氮氧化物占到了45至60%,而一氧化碳则占到了85%。因此,中国城市居民所吸入的劣质空气主要是由汽车所排放的废气造成的。

  除非政府愿意牺牲这方面的经济支柱产业,限制上路汽车数量。因此,要控制汽车废气排放问题,利用电子技术来减少汽车的废气排放是解决方案之一。

  排放标准

  2001年底,中国政府宣布对中国三大汽车制造商降低30%的汽车消费税,前提是他们所制造的汽车得满足欧II标准。六个月后,在第三届中国亚洲清洁燃料国际会议上,政府的另一项声明进一步表明了控制汽车排放的决心,。声明称,北京将从2003年1月开始对在北京销售的机动车辆实行欧II标准,并计划于2005年实施欧III标准。

  要控制废气排放所面临的挑战并不仅仅是要设计一个具有清洁燃烧能力的xx发动机,还要利用合适的半导体电子器件对发动机的燃烧过程进行合理的控制。英飞凌为今天的发动机管理平台提供了所需要的单片机、传感器和功率半导体器件。

  用于动力总成系统的半导体器件

  为控制废气排放量,可利用半导体传感器来xx测量吸入空气的成份。利用单片机快速计算出所使用的燃料数量,然后再起动燃料喷射器。由于有正确的空气-燃料比,因此可以达到近乎xx的燃烧状态,从而使废气的排放达到最少。

  汽车动力总成应用中需要多个传感器来将"真实"环境与电子部分连接起来。基于半导体的传感器专用于测量速度、位置、温度和压力。对于动力总成应用来说,{zd0}的变化趋势是利用集成了传感器单元和信号处理部分的有源传感器来代替过去的被动式传感器。由于需要更xx地测量发动机的状态,因此这一趋势发展很快。

  在通过传感器测量到发动机的状态以后,单片机就可以处理这些数据并提供合适的控制信号来控制致动器的动作。单片机是利用逻辑技术制造的,而集成度的提高使得可以将功能强大的处理器与外设集成在一起。目前的趋势是将DSP功能集成进来,从而允许实现更为复杂和xx的信号处理软件算法。这样就可用软件实现以前采用硬件实现的功能。

  一旦单片机"知道"下一步该做什么,单片机就发送合适的信号到致动器。通常,致动器需要高电压或者大电流才能动作。因此,需要利用功率半导体器件来驱动致动器,如燃料喷射器或火花塞。过去几年里,功率半导体技术的发展主要集中于优化现有系统的成本和部分集成。这产生了能够集成功率输出级(DMOS或双极)、模拟电路和数字逻辑的混合集成技术(BCD)。高集成度功率器件的优势是可以支持诊断,从而可使系统具有更好的可靠性(动力总成是汽车中的关键应用)。同时,这还可使最终产品所需要的外部器件数量大大降低。

  系统解决方案

  目前的动力总成电子控制单元(ECU)中,电子器件部分主要是半导体器件。

  半导体传感器

  传感器位于动力总成系统的前端。传感器用来测量物理参数,如水温、空气压力以及发动机曲轴的转动速度。这些数据特别关键,它们为闭环控制系统提供了关键信息。除了温度传感、压力传感和霍尔传感器以外,微机械技术还带来了崭新的加速和偏向角速度传感器,同时还允许利用标准晶圆制造工艺集成信号处理电路和数字化电路。

  1.温度传感器

  根据扩展电阻原理,线性和稳定的半导体传感器可低成本地替代镍或铂金属膜传感器,同时还可提供比PTC热电阻技术上更优越的器件。

  2.位置和速度传感器

  动态差分霍尔IC可以测量曲轴或凸轮轴速度、传动速度和车轮速度。通过使用位于单个芯片上的两个霍尔单元,一个差分放大器和处理电路,可以测量到磁场差。这意味着可以将温度移、制造容差和外部电磁环境等破坏性环境影响降到最小。同样的信号水平,与单片机的接口要比采用旧式的有感线圈简单得多、便宜得多。

  英飞凌新开发的TLE4925C非常适合曲轴应用。其集成电路(基于霍尔效应)提供了频率与转速成正比的数字信号输出。额外的自校正模块提供{zy}的精度。利用新的模块型封装所集成的滤波器电容器可以减少干扰。

  3.进气管{jd1}压力/大气{jd1}压力传感器

  在新一代传感器中,复杂的处理电路xx集成在传感器芯片上。随着表面微机械技术得以在标准BiCMOS工艺进行微机械加工,利用其技术制造的传感器称为MEMS(微电子机械系统)。利用微机械技术,可以制作出厚度仅有400 m的多晶硅薄膜。这些薄膜构成在芯片上的多个电容器和两个参考电容器。信号则源于压感区域和参考区域的差别。

  由于需要利用模拟的{jd1}压力传感器来测量进气管{jd1}压力和大气{jd1}压力,因此标准BiCMOS技术就非常重要。这是因为需要复杂的电路来提供模拟输出信号,进行线性化和偏差补偿。一个MAP传感器测量进气管中空气的{jd1}压力,并为发动机管理系统提供一个重要的参数(空气体积)。另一方面,一个BAP传感器则测量环境空气压力(是汽车高度的函数),这也是发动机管理系统所需要的同样重要的一个参数(空气密度)。有了这两个参数,就可算出空气的质量,并利用算出的空气质量来决定喷入多少燃料以实现{zj0}的燃烧。英飞凌的BAP传感器KP120适用于柴油和汽油发动机的管理。

  单片机

  单片机是动力总成系统的大脑。实时运行的高度复杂的算法用来在各种情况下管理发动机及传送动作。由于系统位于发动机罩下的恶劣环境中,因此除了合适的CPU以外,单片机的整个系统架构对于系统性能来说特别重要。目前在动力总成应用中使用的CPU架构有8位、16位和32位。

  8位架构主要用于特别低端的汽车产品,但在摩托车ECU中的应用前景看起来很好。英飞凌提供低成本的增强8位C500核心,以及适合在成本敏感的摩托车市场中应用的高性能外设。由于相应的软件和工具集与业界标准的80C51单片机xx兼容,因此可加快软件开发周期。

  32位单片机的市场份额正越来越大。但是,大批量生产的16位产品仍然在目前的汽车中有很大的市场。英飞凌的16位C167系列旨在满足实时嵌入式控制应用的高性能要求。该系列单片机的架构针对大指令吞吐量和对外部刺激(中断)的快速响应而优化。集成的智能外设子系统可将所需要的CPU干预降低到{zd1}的程度。这还减少了对通过外部总线接口进行通信的需要。C167系列的成功源于其CPU,以及对于动力总成应用的要求来说特别理想的外设组合。

  称为C166v2内核的新一代C166内核采用了单时钟周期执行技术,因此性能提升了一倍。内置的高级乘法和累加指令(MAC)执行单元极大地提高了DSP性能。

  目前功能最强大的单片机采用了32位CPU。此类CPU中的一些源于单片机架构。而象英飞凌TriCore这样的CPU则是针对实时环境中的嵌入式控制应用而设计的,因此特别适用于象动力总成这样的应用。

  功率半导体器件

  在动力总成应用中,,需要开关驱动喷射器、氧气传感器加热器、放气阀、冷却风扇以及一些继电器等负载。在单片IC中集成多个开关可以缩小电路板尺寸,从而降低成本。目前可提供2至18通道的多通道开关器件。根据特定的应用,可驱动从50mA直到30A的电流。负载可以是欧姆负载、容性负载或感性负载。

  越来越多的数字逻辑可以在功率输出级一起实现。随着BCD技术的发展,可以在器件中集成许多此前必须由专用ASIC或单片机完成的新功能。

  除了这一控制功能外,目前的开关器件还集成了保护和检测功能,如短路、过载、超温、过压、负载开路、静电放电(ESD)和反向电流保护等。此外,还可通过实现在过载时断路以及限流模式等故障保护模式来进一步提高系统可靠性。多通道开关器件通常可利用标准通信接口(SPI)进行控制。诊断信息通过SPI传输回单片机。英飞凌公司还提供了一种高速点到点通信接口,可为未来时间关键的应用(如PWM电流调整)提供更大的数据带宽,并降低微控制器和功率开关器件(如超过 8通道的器件)的I/O端口数量。

  1.噪声的主要危害

  噪声污染不仅对人们的自我感觉和工作能力产生消极的影响,而且能导致健康严重失调、疲劳、早期失聪、高血压、神经疾病等。

  2.车用发动机噪声的形成与对策

  发动机噪声主要包括燃烧噪声、机械噪声、进排气噪声、冷却风扇及其他部件发出的噪声。燃烧噪声是在可燃混合气体燃烧时,因气缸内气体压力急剧上升冲击发动机各部件,使之振动而产生的噪声。柴油中的十六烷值不合适或喷油时间过于提前,会引起发动机工作粗暴,使噪声急剧增大。汽油机由于过热、汽油品质不良和点火提前角过大等原因造成高频爆炸声、敲缸。

  发动机内部的燃烧过程和结构振动所产生的噪声,是通过发动机外表面以及与发动机外表面刚性连接结构的振动向大气辐射的,因此称为发动机表面噪声。根据发动机表面噪声产生的机理,又可分为燃烧噪声和机械噪声。燃烧噪声主要是由于气缸内周期性变化的压力作用而产生的,与发动机的燃烧方式和燃烧速度密切相关;机械噪声是发动机工作时各运动件之间及运动件与固定件之间作用的周期性变化的力所引起的,它与激发力的大小和发动机结构动态特性等因素有关。一般来说,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。

  降低燃烧噪声,需改善燃烧条件,提高燃烧质量,以达到圆滑的压力波形。采用合理布置火花塞和气门以及采用合适的燃烧室型式和冷却方式即可以达到xxx的燃烧。在燃油方面,汽油的辛烷值越高,点火质量及抗爆振性能越好;对柴油机来说,要挑选合适的十六烷值的柴油,如果达不到,可加入点火加速剂,提高点火质量,这样可有效地防治因燃油燃烧引起的噪声。

  机械噪声包括活塞敲击声、气门机构冲击声、正时齿轮运转声等。减小活塞敲击声,可采取减小活塞与缸壁之间的间隙和使活塞销中心与曲轴中心偏移等方法。气门机构冲击噪声的大小是由气门间隙决定的,气门间隙太小会使密封不好,太大则在气门开启和关闭时造成很大冲击,产生强烈的噪声,加剧磨损。在使用过程中气门间隙应经常调整,使之处于规定的间隙,一般是在凸轮轴的基本外形(工作段)前后加入缓冲段以减少冲击,或使用液力挺柱。气门传动机构中的推杆与摇臂的刚性不足会引起气门运动时出现严重的振动和噪声,甚至使气门失去控制;气门弹簧的脉动也会产生噪声,因此对气门弹簧要求质量高、弹力足,而且安装时要给予一定的预紧力。

  正时齿轮运转时的噪声在柴油机中是很大的噪声源,装配时应将正时齿轮的记号对准,采用不同材料(如塑料、夹布胶木等)制造的正时齿轮能大大减小噪声,链条传动比齿轮传动能明显有效地降低传动噪声。

  控制进、排气噪声的途径是相同的,在保证发动机输出功率不降低的情况下,可通过改进发动机配气机构或排气机构的方法减小进、排气噪声。目前广泛采用的纸质空气滤清器和排气消声器能明显有效地降低进、排气噪声。

  为了减小高速发动机风扇的噪声,可使用带液力偶合器或变速扭角的风扇,也可采用水温感应电动离合风扇。把风扇材料改为尼龙后,对减小风扇噪声也有一定的效果。

  3.振动噪声

  对振动噪声的解决方法目前主要有:①减振处理。主要用于振动源处,以减少振动波的波幅;②隔振处理。在振动波传递的途径中安装隔振器,以达到减少振动源的目的;③阻尼处理。现代结构多为复杂的多自由度系统,多为宽频带激励,加大阻尼可以有效地抑制振动。处理的常用方法是阻尼自由层处理和约束层阻尼处理。

  4.噪声控制途径及噪声源的识别

  噪声控制的途径是:声源控制、噪声传播途径控制及采取个人防护措施。声源控制是控制机械噪声的最根本途径,而控制噪声传播途径是行之有效的最常用的降噪途径,其常用措施有吸声、隔声、消声、隔振等。

  机器产生的噪声由两种途径向外传播扩散,一种是直接通过空气媒质传播,造成噪声污染,这种空气传播的噪声称为空气声;另一种是直接通过声源激发相邻固体构件振动,这种振动以弹性波的形式在相邻构件中传播,并在薄弱处向空气中辐射较大的噪声,这种经固体传播的噪声称为固体声。控制固体声的主要技术措施是隔振,就是把振源与基础或其他物体间的刚性连接改为弹性连接,从而减弱或阻碍振动能量的传播,达到降噪的目的。

  5.车用发动机噪声控制措施

  发动机舱降噪的具体方法有:吸声??用微孔板与泡沫塑料吸收声能;减振??用减振器将振动源与结构隔离;封闭??用隔音罩或其他隔音装置将噪声封闭,使之难以扩散;阻尼??将机械动能转化为热能并散发出去。

  选用材料必须满足能隔声、吸声、减振、隔热的要求。对发动机进行隔声减振处理的方法有:通过在发动机和水散热器固定支架上安装减振垫,将机械能转换为热能;发动机舱的内部应尽量避免凹凸不平,可采用多孔材料加阻尼层的方法;对车身上所有的骨架细缝应采取措施加以封闭,以免造成衍射波。

  解决车用发动机的噪声是一项涉及到整机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、装配密封性等等。生产厂家在车用发动机结构上采取防治噪声的积极措施包括:采用吸振,隔声技术,改进汽车结构,在距声源一定的距离内设置隔声板、消声器,对客车则采用后悬式发动机,改进消声器结构等等。

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