Реферат на тему:

«Разработка электронной системы контроля выбросов автомобильного транспорта»

Важное замечание: При написании данного автореферата магистерская работа не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2011 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены после указанной даты.

Актуальность темы. Загрязнение атмосферного воздуха является одной из самых серьезных экологических проблем многих промышленных городов. Влияние загрязнения воздуха на здоровье человека проявляется через сокращение средней продолжительности жизни, увеличение количества преждевременных смертей, рост заболеваемости и негативное влияние на развитие детей. [1]

Одним из источников загрязнения природы Украины является транспорт – автомобильный, воздушный, водный, железнодорожный. Во всех больших городах Украины массовая доля загрязнения воздуха от автотранспорта в последнее время составляет 70-90 % от общей массы загрязнения. [2]

В Донецке 30% всех выбросов в атмосферу – это выхлопные газы автомобилей.

Поэтому измерение выхлопных газов является важной частью концепции экологической защиты.

Мониторинг загрязнения атмосферы в Донецке ведется по следующим вредным веществам: пыль, диоксид и оксид азота, диоксид серы, оксид углерода, формальдегид, фенол, аммиак, тяжелые металлы, бензапирен.

Анализ данных мониторинга атмосферы в городе показывает, что за последние 10 лет общие валовые выбросы вредных веществ уменьшились на 15%. При этом выбросы от промышленных предприятий снизились на 32%, а выбросы транспорта возросли на 76%. В случае сохранения существующих тенденций, количество выбросов вредных веществ от передвижных источников к 2020 году превысит соответствующее количество выбросов от стационарных источников. В этом случае валовое количество выбросов по городу возрастет на 30 – 40% и может составить от 280 до 300 тыс. тонн в год. Поэтому актуальность проблемы состоит в том, что необходим контроль за количеством выбросов от автотранспорта и принятие мер их уменьшения. [3]

В процессе эксплуатации автомобиля, применения различных марок бензина, изменения состояния и настройки двигателя концентрация оксида углерода  увеличивается. Проверка на СТО происходит раз  в два года, что не способствует достаточному контролю и уменьшению выбросов вредных веществ. А внедрение новых евро стандартов на концентрацию токсичных веществ в выбросах автомобильного транспорта сталкивается проблемой отсутствия специальной аппаратуры. Поэтому предлагается разработать ЭС оперативного контроля выбросов без остановки транспортного средства в зоне контроля (зоной контроля может служит однополосный участок асфальтированной дороги), которая проверяла бы на соответствие концентрацию СО в выбросах с принятыми стандартами. Кроме того данная система позволить выполнять промежуточный контроль за качеством выхлопных газов, тем самым предотвращая загрязнения от передвижных источников выбросов.

Еще одной актуальной задачей, которая возлагается на данную систему, является уменьшение стоимости прохождения тестирования качества выхлопных газов, выполняемых стационарными установками.

Для выполнения своих функций электронная система оперативного контроля должна обладать высоким быстродействием, то есть и высокой пропускной способностью. Высокая пропускная способность автомобильного транспорта соответственно уменьшает затраты на тестирование автомобиля стационарными средствами контроля качества выбросов транспортных средств. Этот фактор "стоимости" является основным аргументом в пользу широкого применения данных устройств. [4]

Цель работы. Цель магистерской работы состоит в обосновании и построении структурной схемы системы контроля концентрации оксида углерода в выбросах автомобиля без остановки транспортного средства.

Задачи. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать параметры среды, в которой будет эксплуатироваться система, существующие методы измерения концентрации оксида углерода, поставить требования и ограничения к системе и, исходя из этого, произвести выбор метода измерения  и обосновать его;
2. Разработать математическую модель распространения выбросов транспортного средства в условиях неоднородной газовой среды, для последующей оценки показаний электронной системы;
3. Выполнить математическое моделирование оптической системы, с целью получения мощности сигнала на выходе системы;
4. Оценить влияние концентрации других газов, содержащихся в выхлопе и атмосфере, на точность определения концентрации оксида углерода;
5. Оценить влияние дестабилизирующих факторов, таких как сила и направление ветра, скорость автомобиля, осадков, на точность электронной системы;
6. Оценить адекватность разработанной электронной системы оперативного контроля.

Научная новизна. Научная новизна заключается в разработке импортозамещающей системы контроля концентрации оксида углерода в выбросах транспортных средств с применением оптико-абсорбционного метода оценки качества выхлопов в передвижных источниках загрязнения.

Описание объекта контроля

Выхлопные газы (или отработавшие газы) – это неоднородная смесь различных газообразных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточного воздуха, аэрозолей и различных микропримесей (как газообразных, так и в виде жидких и твердых частиц), поступающих из цилиндров двигателя в его выпускную систему. В своем составе они содержат около 300 веществ, большинство из которых токсичны.

Основными нормируемыми токсичными компонентами выхлопных газов двигателей являются оксиды углерода, азота и углеводороды. Кроме того, с выхлопными газами в атмосферу поступают предельные и непредельные углеводороды, альдегиды, канцерогенные вещества, сажа и другие компоненты. Примерный состав выхлопных газов представлен в таблице 1. [5]

Таблица 1 – Состав выхлопных газов

Подводя итоги анализу состава выхлопных газов, можно сказать, что среди токсичных веществ в отработавших газах содержится наибольшая концентрация:

1. В бензиновых двигателях – оксида углерода;
2. В дизельных двигателях – сажа.

Поэтому в проектируемой схеме контролируемым параметром будет оксид углерода в отработавших газах бензиновых двигателей. Концентрация СО в дизельных двигателях, как правило, не высока, поэтому он не является главным параметром в данных типах двигателей.

В камере сгорания двигателя CO образуется при неудовлетворительном распыливании топлива, в результате холоднопламенных реакций, при сгорании топлива с недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода при высоких температурах. [5]

На рисунке 1 представлены зависимости содержания CO, CO₂ и O₂ в выхлопных газах от соотношения воздух\топливо (идеальное соотношение 14,7:1). Оптимальный режим достигается лишь в так называемой зоне бифункциональности — узком диапазоне (0,97–1,00) коэффициента избытка воздуха α, равного отношению количества воздуха в смеси к тому количеству воздуха, которое нужно для полного сгорания бензина. При α=1 смесь считается нормальной, при α<1 — богатой (воздуха — меньше необходимого, бензина — больше), а при α>1 — бедной. Состав отработавших газов зависит от степени обогащения смеси: при богатой смеси в выхлопе присутствуют угарный газ и несгоревшие углеводороды (для полного сгорания просто не хватает воздуха), а при бедной смеси в цилиндрах образуется много оксидов азота. (При запуске холодного двигателя в цилиндры приходится подавать богатую смесь, иначе двигатель глохнет).

Содержание СО₂ – мера эффективности процесса сгорания топлива в двигателе. При стехиометрическом  составе смеси (14,7:1) содержание СО₂ максимальное и составляет 12-17%, а СО – минимальное и составляет 0,3-0,5%. При  бедной смеси СО снижается (см. рис 1). [6]

Таким образом концентрация СО является не только параметром, который поддается учету и анализу об исправной работе двигателя, но и регулируемым параметром.

Рисунок 1 – Зависимости содержания CO, CO2 и O2 в выхлопных газах от соотношения воздух\топливо в моделях с катализатором

В странах Евросоюза действуют экологические стандарты на концентрацию токсичных примесей в выхлопных газах автомобилей. Нормы содержания оксида углерода в автомобилях категории М1(автомобили разрешенная максимальная масса которых не превышает 3,5 т и число сидячих мест которых, помимо сиденья водителя не превышает 8), М2 и М3 (автобусы) в зависимости от типа экологического стандарта представлены в таблице 2. [7]

Таблица 2 – Европейские стандарты на пассажирские автомобили категорий М (для бензиновых двигателей), гр/км

Так как в Украине действует стандарт Евро 3, который регламентирует наличие концентрации СО в выбросе автомобиля не более 2,3 гр/км, то разрабатываемая электронная система должна иметь порог обнаружения не больше этого значение, то есть обладать высокой чувствительностью. [7]

Общие требования к объекту контроля и выполняемым измерениям

Исходя из описания среды, в которой будет использоваться устройство, к объекту контроля и выполняемым в нем измерениям будут предъявляться следующие требования:

• тип двигателя: бензиновый;
• измерение концентрации СО без остановки транспортного средства;
• открытый оптический канал;
• быстродействие: не более 10 мс;
• количество измерений: не менее 5-6 измерений;
• диапазон измерения СО: 0…5 об. %;
• пределы допускаемой абсолютной погрешности для диапазона измерения от 0 до 5 об. %: не более ±5%;
• высота выхлопной трубы автомобиля: 25-50 см;
• измерительная часть системы должна быть синхронизирована с системой видеонаблюдения автомобилей;
• информация, полученная от измерительной части системы и системы видеонаблюдения, должна  быть готова для передачи по каналу связи.

Требования по пределам, которые не должны превышать влияющие факторы, будут устанавливаться в процессе моделирования, исходя из погрешностей, которую будет вносит каждый из них в измерение.  Такими влияющими факторами, которые необходимо учесть, будут являться:

• неоднородность распределения концентрации СО в выхлопном облаке;
• скорость автомобиля;
• скорость и направление ветра;
• осадки;
• температура.

Исходя из вышеперечисленных требований к системе, выберем метод измерения. Достаточное быстродействие (ок. 2 мс на одно измерение), необходимую точность (погрешность не более ±5%), выполнение измерений без остановки транспортных средств может обеспечить только оптический абсорбционный метод прямого линейного поглощения.

Оптический абсорбционный метод базируются на непосредственном измерении ослабления интенсивности зондирующего излучения при прохождении его через анализируемую газовую среду. Поглощение происходит на резонансных частотах, определяемых в атомах их электронными энергетическими состояниями, а в молекулах — электронно-колебательными энергетическими состояниями. [8]

Структурная схема системы

Структурная схема системы контроля выбросов транспортных средств, основанная на оптическом методе, показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Структурная схема системы контроля выбросов автомобильного транспорта. Gif-анимация: 105 кб, 28 кадров, 7 повторений

Источником излучения является светодиод СД, длина волны которого выбирается исходя из того, концентрацию какого газа необходимо определить. Исходя из спектра поглощения СО (см. рис 3), диапазон ИК излучения должен лежать в пределах (4.5-4.9) мкм. [9] Для того чтобы минимизировать влияние других газов, составляющих выхлоп и окружающую атмосферу, длина волны источника излучения выбирается в районе максимум спектра поглощения либо ограничивается оптическим фильтром в районе λ=4,67 мкм. Ик-луч проходит через объектив О2, предназначенный для фокусировки, попадает в открытый оптический канал, где находится анализируемая смесь газов. Многократно отражаясь от системы оптических зеркал ОЗ, попадает в объектив О1 и фокусируется на фотодиод ФД. Многократное отражение луча необходимо для перекрытия определенной пространственной области, где может находится и куда может распространяться выброс от автотранспорта. Диапазон это области зависит от высоты расположения выхлопной трубы транспортного средства и определяется в процессе моделирования системы при условии достижения определенных метрологических характеристик электронной системы.

Рисунок 3 – Спектр поглощения оксида углерода

На выходе фотодиода формируется ток, определенной величины, который пропорционален мощности ИК излучения, попавшего в окно фотоприемника.

Основные математические выражения

Работа системы основана на поглощении ИК излучения при прохождении анализируемой среды, то есть через выхлопной газ. Ослабление излучения в газе описывается законом Бугера-Ламберта-Бера:

где Ф(l) – мощность выходного излучения;

Ф₀ – мощность входного излучения;

D(l) – оптическая плотность вещества.

Оптическая плотность вещества определяется по формуле:

l – оптическая длина пути луча;

С(l,t) – концентрация определяемого газа;

k(λ) – показатель поглощения.

Показатель поглощения характеризует свойства вещества и зависит от спектра поглощения вещества.

Таким образом, на входе приемника излучения получаем ИК луч с меньшей мощностью, чем на выходе источника излучения. Анализируя степень ослабления мощности излучения, можно определить концентрацию исходного газа. Качественный график зависимости тока фотоприемника от концентрации СО показан на рисунке 3.

Рисунок 3 – Качественный график зависимости тока фотоприемника от концентрации СО

Учет влияющих параметров

При прохождении ИК излучения по оптическому каналу существует ряд влияющих величин, которые также уменьшают мощность ИК луча. Поэтому их также необходимо учитывать при моделировании систему.

Одним из таких факторов является отражение луча от элементов оптической системы. При прохождении через объективы, защитные стекла системы, часть луча отражается от них. Это отражение можно учесть путем нахождения коэффициента пропускания каждого оптического элемента. При нормальном падении луча коэффициент пропускания можно определить по формуле:

где К_проп – коэффициент пропускания оптического элемента;

К_отр – коэффициент отражения оптического элемента;

n_c – показатель преломления материала из которого изготовлен оптический элемент;

n_в – показатель преломления воздуха.

Следующим фактором является расхождение оптического луча. Проходя некоторый путь в пространстве, ИК луч начинает расходиться в пространстве. Это расхождение показано на рисунке 4. Его можно учесть с помощью коэффициента ввода в объектив О1 – это отношение площади луча, попавшего в объектив, ко всей площади луча. [10]

Рисунок 4 – Расхождение оптического луча в пространстве

Аналогично учитывает коэффициент ввода в объектив О2.

Перечень основных направлений в исследовании

Основными направлениями в исследовании являются следующие:

• учет влияния каждой газовой компоненты, входящей в состав выхлопа, и оценка их влияние на метрологические характеристики электронной системы;
• учет влияния погодных условий на работу системы и выработка оптимальных требований к ним для обеспечения заданной точности измерений электронной системы;
• поиск подстроечных коэффициентов, которые позволили бы учесть влияние скорости движущегося транспорта на точность измерения.

Перечень ссылок

1. Экология: учебник для ВУЗов/ В. И. Коробкин, Л. В. Передельский. – изд. 12-е, доп. и перераб. – Ростов н/Д: Феникс, 2007. – 602 с.
2. Экологические карты Украины [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.rav.com.ua/ecological_cards,свободный. — Загл. с экрана;
3. Донецкий экологический портал [Электронный ресурс] / Работа управления - экологическая политика города. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://doneco.org.ua/showwork.php?id=11, свободный. — Загл. с экрана;
4. Доклад на конференции в Бельгии «Study on the Future Options for Roadworthiness Enforcement in the European Union» [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа:http://www.cita-vehicleinspection.org/Portals/cita/autofore_study/LinkedDocuments/Actual%20Situation%20of%20Remote%20Sensing.pdf, свободный. — Загл. с экрана;
5. Выхлопные газы автомобилей [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://autonotes.info/vyhlopnye-gazy/, свободный. — Загл. с экрана;
6. Диагностика двигателя по составу выхлопных газов [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.autodiagnos.com.ua/Diagnos/gaz.htm, свободный. — Загл. с экрана;
7. От Euro 0 к Euro 5 [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.autocentre.ua/tr/tracks/new-technologies/2378.html, свободный. — Загл. с экрана;
8. Раздел 8. Газовый анализ [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://chemanalytica.com/book/novyy_spravochnik_khimika_i_tekhnologa/02_analiticheskaya_khimiya_chast_I/4820, свободный. — Загл. с экрана;
9. The HITRAN Database [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.cfa.harvard.edu/HITRAN/, свободный. — Загл. с экрана;
10. Методические указания к лабораторным работам по курсу « Современные направления электроники » ( для студентов направлений 6.0908 « Электроника », 6.0909 «Приборы») / Хламов М.Г. - Донецк: ДонНТУ, 2006 – Ч.1. – 45с.

© 2011 Dmitriy Sabelnikov