Обоснование структуры системы непрерывного контроля выбросов автомобильного транспорта

Актуальность поставленной задачи

На сегодняшний день все чаще и чаще поднимается вопрос сложной экологической обстановки в крупных городах и мегаполисах, вызванной чрезмерным количеством выбрасываемых автотранспортом вредных веществ в атмосферу. Это является следствием неисправности двигателя автомобильного средства, т.к. при тех или иных неисправностях двигателя возрастает концентрация вредных веществ в выбросах автомобильного транспорта [1], что обуславливает необходимость периодической профилактики двигателя. Существует множество приборов, позволяющих выполнять контроль выхлопных газов автотранспорта. Подобные устройства позволяют выполнять оценку выхлопных газов лишь среди отдельно взятых транспортных средств, не находящихся в движении. Это является наиболее существенным недостатком таких устройств газового контроля автомобилей.

Цели и задачи исследования

Целью работы является разработка и обоснование системы, позволяющей выполнять контроль выхлопных газов автомобильного транспорта в реальном времени, автоматически и непосредственно во время движения автомобиля.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Осуществить выбор метода, обеспечивающий требуемую точность и быстродействие проводимых газоаналитических измерений.
2. Разработать математическую модель процесса измерений, учитывающую влияние внешних воздействующих факторов.
3. Разработать структурную схему и конструктивное исполнение системы контроля выбросов автотранспорта.

Обоснование выбранного метода, лежащего в основе принципа работы устройства

Наиболее подходящим методом, позволяющим решить поставленную задачу, является оптико-абсорбционный метод, основанный на законе Бугера-Ламберта-Бера, обладающий необходимым быстродействием и точностью.

Рисунок 1 – Принцип измерений

Суть метода заключается в определении ΔФ – изменения мощности оптического излучения (отношение мощности на выходе оптической системы к мощности на входе). Мощность оптического излучения, преодолевая расстояние L в среде с концентрацией исследуемого вещества C, с ростом концентрации экспоненциально убывает на выходе системы. Аналитическое выражение, описывающее данный метод измерений, согласно закону Бугера-Ламберта-Бера, имеет вид [2]:

здесь: Ф и Ф0 – мощности оптического излучения на выходе и на входе системы соответственно; k – некоторый коэффициент поглощения, зависящий от длины волны оптического излучения λ; C – концентрация компонента, являющаяся функцией длины L и времени t.

Особенности проводимых исследований

Во время движения автомобиля облако выхлопных газов распространяется в пространстве неравномерно (неоднородная среда измерения) и подвергается воздействию множества внешних факторов (ветер, давление, температура и др.). Как следствие, распределение концентрации имеет неравномерный характер. Существенное влияние оказывает турбулентность. На основании данных теоретических положений было получено решение одного из уравнений рассеивания примесей [3]. Это решение было положено в основу математической модели измерительного процесса:

здесь: ay, az, Sz(x) – некоторые коэффициенты рассеивания связанные с текущим состоянием атмосферы; u – скорость движения автомобиля; x,y – пространственные координаты; h – высота сопла трубы; ξ(v,p,ρ,t) – некоторая функция внешних воздействий; C – концентрация компонента (%); М – массовый выброс вредных веществ (г/с).

Использование разработанной математической модели позволяет провести градуировку средства измерения для получения результатов измерений с необходимой точностью. Предлагается также дополнить общую модель процесса измерения вспомогательной моделью, учитывающей диффузные свойства (в том числе и турбулентные) струи газа, основанной на гидродинамическом понятии затопленной струи и ее турбулетных свойствах[4].

Особенности конструкции системы

Структура разрабатываемой системы будет включать в себя: измерительный блок и блок передачи данных. Расположение системы предусмотрено вдоль определенных участков дороги, при этом конструктивно система будет состоять из: блока газоанализатора, блока питания, фотокамеры, интернет-модема и трех зеркал. Использование зеркал позволит выполнять измерения в различных сечениях для автомобилей с различной высотой расположения выхлопных труб.

Рисунок 2 – Теоретическое расположение измерительной системы на проезжей части в рабочем режиме [5]

Разрабатываемая система не является инновационной разработкой во всем мире [6], однако, подобные системы не распространены в странах СНГ. В результате данного исследования будут совершены доработки уже известных зарубежных систем по контролю выхлопных газов движущегося автомобильного транспорта. В качестве результата исследований будет синтезирован некий отечественный аналог некоторых подобных измерительных систем.

Список использованной литературы

1. Волгин В.В., «Мобильный автосервис», 2014
2. Википедия – свободная энциклопедия: Закон Бугера-Ламберта-Бера
3. Википедия – свободная энциклопедия: Модели рассеивания примесей
4. Монин А.С., Яглом А.М. – Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности. Часть 1.
М.: Наука, 1965 г. // 505 с.
5. Dr. Jens Borken-Kleefeld – Guidance note about on-road vehicle emissions remote sensing, 2013.
6. Institute for transport studies – Vehicle Emission Measurement System