Реферат на тему:

«Розробка електронної системи контролю викидів автомобільного транспорту»

Важливе зауваження: При написанні даного автореферату магістерська робота не завершена. Остаточне завершення: грудень 2011 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані після зазначеної дати.

Актуальність теми. Забруднення атмосферного повітря є однією з найбільш серйозних екологічних проблем багатьох промислових міст. Вплив забруднення повітря на здоров'я людини проявляється через скорочення середньої тривалості життя, збільшення кількості передчасних смертей, зростання захворюваності та негативний вплив на розвиток дітей. [1]

Одним із джерел забруднення природи України є транспорт - автомобільний, повітряний, водний, залізничний. У всіх великих містах України масова частка забруднення повітря від автотранспорту останнім часом складає 70-90% від загальної маси забруднення. [2]

У Донецьку 30% всіх викидів в атмосферу - це вихлопні гази автомобілів.

Тому вимір вихлопних газів є важливою частиною концепції екологічного захисту.

Моніторинг забруднення атмосфери в Донецьку ведеться за наступними шкідливим речовинами: пил, діоксид та оксид азоту, діоксид сірки, оксид вуглецю, формальдегід, фенол, аміак, важкі метали, бензапірен.

Аналіз даних моніторингу атмосфери в місті показує, що за останні 10 років загальні валові викиди шкідливих речовин зменшились на 15%. При цьому викиди від промислових підприємств знизилися на 32%, а викиди транспорту зросли на 76%. У разі збереження існуючих тенденцій, кількість викидів шкідливих речовин від пересувних джерел до 2020 року перевищить відповідну кількість викидів від стаціонарних джерел. У цьому випадку валова кількість викидів в місті зросте на 30 - 40% і може скласти від 280 до 300 тис. тонн на рік. Тому актуальність проблеми полягає в тому, що необхідний контроль за кількістю викидів від автотранспорту та вжиття заходів їх зменшення. [3]

В процесі експлуатації автомобіля, застосування різних марок бензину, зміни стану і настройки двигуна концентрація оксиду вуглецю збільшується. Перевірка на СТО відбувається раз на два роки, що не сприяє достатньому контролю та зменшенню викидів шкідливих речовин. А впровадження нових євро стандартів на концентрацію токсичних речовин у викидах автомобільного транспорту стикається з проблемою відсутності спеціальної апаратури. Тому пропонується розробити ЕС оперативного контролю викидів без зупинки транспортного засобу в зоні контролю (зоною контролю може слугувати односмугова ділянка асфальтованої дороги), яка перевіряла б на відповідність концентрацію СО у викидах з прийнятими стандартами. Крім того, дана система дозволить виконувати проміжний контроль за якістю вихлопних газів, тим самим запобігаючи забруднення від пересувних джерел викидів.

Ще однією актуальною задачею, яка покладається на дану систему, є зменшення вартості проходження тестування якості вихлопних газів, виконуваних стаціонарними установками.

Для виконання своїх функцій електронна система оперативного контролю повинна володіти високою швидкодією, тобто і високою пропускною здатністю. Висока пропускна здатність автомобільного транспорту відповідно зменшує витрати на тестування автомобіля стаціонарними засобами контролю якості викидів транспортних засобів. Цей фактор "вартості" є основним аргументом на користь широкого застосування даних пристроїв.[4]

Мета роботи. Мета магістерської роботи полягає в обґрунтуванні і побудові структурної схеми системи контролю концентрації оксиду вуглецю у викидах автомобіля без зупинки транспортного засобу.

Задачі. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Проаналізувати параметри середи, в якій буде експлуатуватися система, існуючі методи вимірювання концентрації оксиду вуглецю, поставити вимоги і обмеження до системи і, виходячи з цього, зробити вибір методу вимірювання і обґрунтувати його;
2. Розробити математичну модель розповсюдження викидів транспортного засобу в умовах неоднорідного газового середовища, для подальшої оцінки показань електронної системи;
3. Виконати математичне моделювання оптичної системи, з метою отримання потужності сигналу на виході системи;
4. Оцінити вплив концентрації інших газів, що містяться у вихлопі і атмосфері, на точність визначення концентрації оксиду вуглецю;
5. Оцінити вплив дестабілізуючих факторів, таких як сила і напрям вітру, швидкість автомобіля, опадів, на точність електронної системи;
6. Оцінити адекватність розробленої електронної системи оперативного контролю.

Наукова новизна. Наукова новизна полягає в розробці імпортозамінної системи контролю концентрації оксиду вуглецю у викидах транспортних засобів із застосуванням оптико-абсорбційного методу оцінки якості вихлопів в пересувних джерелах забруднення.

Опис об'єкта контролю

Вихлопні гази (або відпрацьовані гази) - це неоднорідна суміш різних газоподібних речовин з різноманітними хімічними і фізичними властивостями, що складається з продуктів повного та неповного згорання палива, надлишкового повітря, аерозолів і різних мікродомішок (як газоподібних, так і у вигляді рідких і твердих частинок), що надходять з циліндрів двигунів у його випускну систему. У своєму складі вони містять близько 300 речовин, більшість з яких токсичні.

Основними нормованими токсичними компонентами вихлопних газів двигунів є оксиди вуглецю, азоту та вуглеводні. Крім того, з вихлопними газами в атмосферу надходять граничні і неграничні вуглеводні, альдегіди, канцерогенні речовини, сажа та інші компоненти. Приблизний склад вихлопних газів представлений в таблиці 1. [5]

Таблиця 1 - Склад вихлопних газів

Підводячи підсумки аналізу складу вихлопних газів, можна сказати, що серед токсичних речовин у відпрацьованих газах міститься найбільша концентрація:

1. У бензинових двигунах - оксиду вуглецю;
2. У дизельних двигунах - сажа.

Тому в проектованій схемі контрольованим параметром буде оксид вуглецю у відпрацьованих газах бензинових двигунів. Концентрація СО у дизельних двигунах, як правило, не висока, тому він не є головним параметром у даних типах двигунів.

У камері згорання двигуна CO утворюється при незадовільному розпилюванні палива, в результаті холоднополум’яної реакції, при згоранні палива з нестачею кисню, а також внаслідок дисоціації діоксиду вуглецю при високих температурах. [5]

На рисунку 1 представлені залежності вмісту CO, CO₂ і O₂ у вихлопних газах від співвідношення повітря\паливо (ідеальне співвідношення 14,7:1). Оптимальний режим досягається лише в так званій зоні біфункціональності - вузькому діапазоні (0,97-1,00) коефіцієнта надлишку повітря α, рівного відношенню кількості повітря в суміші до тієї кількості повітря, яке потрібно для повного згорання бензину. При α = 1 суміш вважається нормальною, при α <1 - збагаченою (повітря - менше необхідного, бензину - більше), а при α> 1 - збідненою. Склад відпрацьованих газів залежить від ступеня збагачення суміші: при збагаченої суміші у вихлопі присутні чадний газ і незгорілі вуглеводні (для повного згорання просто не вистачає повітря), а при збідненої суміші в циліндрах утворюється багато оксидів азоту. При запуску холодного двигуна в циліндри доводиться подавати багату суміш, інакше двигун глохне.

Вміст СО₂ - міра ефективності процесу згорання палива у двигуні. При стехіометричному складі суміші (14,7:1) вміст СО₂ максимальний і становить 12-17%, а СО - мінімальний і складає 0,3-0,5%. При збідненої суміші СО знижується (див. рис. 1). [6]

Таким чином концентрація СО є не тільки параметром, який піддається обліку та аналізу про справну роботу двигуна, але і регульованим параметром.

Рисунок 1 - Залежності змісту CO, CO2 і O2 у вихлопних газах від співвідношення повітря\паливо в моделях з каталізатором

У країнах Євросоюзу діють екологічні стандарти на концентрацію токсичних домішок у вихлопних газах автомобілів. Норми вмісту оксиду вуглецю в автомобілях категорії М1 (автомобілі дозволена максимальна маса яких не перевищує 3,5 т і кількість сидячих місць яких, крім сидіння водія, не перевищує 8), М2 і М3 (автобуси) залежно від типу екологічного стандарту представлені в таблиці 2. [7]

Таблиця 2 - Європейські стандарти на пасажирські автомобілі категорій М (для бензинових двигунів), гр/км

Так як в Україні діє стандарт Євро 3, який регламентує наявність концентрації СО у викиді автомобіля не більше 2,3 гр / км, то електронна система, що розробляється, повинна мати поріг виявлення не більше цього значення, тобто мати високу чутливість. [7]

Загальні вимоги до об'єкту контролю і вимірювань, що виконуються

Роблячи висновки з опису середовища, в якому буде використовуватися пристрій, до об'єкта контролю і вимірюванням, що будуть виконуватися в ньому, будуть пред'являтися такі вимоги:

• вимірювальна частина системи повинна бути синхронізована з системою відеоспостереження автомобілів;
• Інформація, отримана від вимірювальної частини системи і системи відео спостереження, повинна бути готова для передачі по каналу зв'язку.

Вимоги до меж, які не повинні перевищувати дестабілізуючі фактори, будуть встановлюватися в процесі моделювання, виходячи з похибок, які будуть вносити кожен з них у вимір. Такими впливаючи факторами, які необхідно врахувати, будуть:

• Неоднорідність розподілу концентрації СО в вихлопному хмарі;
• Швидкість автомобіля;
• Швидкість і напрямок вітру;
• Опади;
• Температура.

Виходячи з перерахованих вище вимог до системи, оберемо метод вимірювання. Достатня швидкодія (близько 2 мс на один вимір), необхідну точність (похибка не більше ± 5%), виконання вимірювань без зупинки транспортних засобів може забезпечити тільки оптичний абсорбційний метод прямого лінійного поглинання.

Оптичний абсорбційний метод базується на безпосередньому вимірі ослаблення інтенсивності зондуючого випромінювання при проходженні його крізь аналізоване газове середовище. Поглинання відбувається на резонансних частотах, визначених в атомах їх електронними енергетичними станами, а в молекулах - електронно-коливальними енергетичними станами. [8]

Структурная схема системи

Структурна схема системи контролю викидів транспортних засобів, заснована на оптичному методі, показана на рисунку 2.

Рисунок 2 - Структурна схема системи контролю викидів автомобільного транспорту

Джерелом випромінювання є світлодіод СД, довжина хвилі якого вибирається виходячи з того, концентрацію якого газу необхідно визначити. Виходячи із спектру поглинання СО (див. рис. 3), діапазон ІК випромінювання повинен лежати в межах (4.5-4.9) мкм. [9] Для того щоб мінімізувати вплив інших газів, що становлять вихлоп і навколишню атмосферу, довжина хвилі джерела випромінювання вибирається в районі максимум спектра поглинання або обмежується оптичним фільтром в районі λ = 4,67 мкм. ІЧ-промінь проходить через об'єктив О2, призначений для фокусування, потрапляє у відкритий оптичний канал, де знаходиться аналізована суміш газів. Багаторазово відбиваючись від системи оптичних дзеркал ОД, потрапляє в об'єктив О1 і фокусується на фотодіод ФД. Багаторазове відображення променя необхідно для перекриття визначеної просторової області, де може знаходитися або куди може поширюватися викид від автотранспорту. Діапазон цієї області залежить від висоти розташування вихлопної труби транспортного засобу і визначається в процесі моделювання системи за умови досягнення певних метрологічних характеристик електронної системи.

Рисунок 3 - Спектр поглинання оксиду вуглецю

На виході фотодіода формується струм, певної величини, який пропорційний потужності ІЧ-випромінювання, що потрапляє у вікно фотоприймача.

Основні математичні вирази

Робота системи заснована на поглинанні ІЧ випромінювання при проходженні аналізованого середовища, тобто крізь вихлопний газ. Послаблення випромінювання в газі описується законом Бугера-Ламберта-Бера:

де Ф (l) - потужність вихідного випромінювання;

Ф₀ - потужність вхідного випромінювання;

D - оптична щільність речовини.

Оптична щільність речовини визначається за формулою:

l - оптична довжина шляху променя;

С(l,t) - концентрація газу, що знаходиться;

k (λ) - показник поглинання.

Показник поглинання характеризує властивості речовини і залежить від спектра поглинання речовини.

Таким чином, на вході приймача випромінювання отримуємо ІЧ-промінь з меншою потужністю, ніж на виході джерела випромінювання. Аналізуючи ступінь ослаблення потужності випромінювання, можна визначити концентрацію  невідомого газу. Якісний графік залежності струму фотоприймача від концентрації СО показаний на рисунку 3.

Рисунок 3 - Якісний графік залежності струму фотоприймача від концентрації СО

Огляд дестабілізуючих параметрів оптичної системи

При проходженні ІЧ випромінювання по оптичному каналу існує ряд дестабілізуючих величин, які також зменшують потужність ІК променя. Тому їх також необхідно враховувати при моделюванні систему.

Одним з таких факторів є відображення променя від елементів оптичної системи. При проходженні крізь об'єктиви, захисні стекла системи, частина променя відбивається від них. Це відбиття можна врахувати шляхом знаходження коефіцієнта пропускання кожного оптичного елемента. При нормальному падінні променя коефіцієнт пропускання можна визначити за формулою:

де К_проп - коефіцієнт пропускання оптичного елемента;

К_від - коефіцієнт відбиття оптичного елемента;

n_c - показник переломлення матеріалу з якого виготовлений оптичний елемент;

n_в - показник переломлення повітря.

Наступним фактором є розбіжність оптичного променя. Проходячи певний шлях у просторі ІЧ промінь починає розходитися в просторі. Ця розбіжність показано на рисунку 4. Його можна врахувати за допомогою коефіцієнта введення в об'єктив О1 - це відношення площі променя, що потрапила в об'єктив, до всієї площі променя.

Рисунок 4 - Розбіжність оптичного променя в просторі

Аналогічно враховується коефіцієнт введення в об'єктив О2.

Перелік основних напрямів у дослідженні

Основними напрямками досліджень є наступні:

• облік впливу кожної газової компоненти, що входить до складу вихлопу, і оцінка їх впливу на метрологічні характеристики електронної системи;
• облік впливу погодних умов на роботу системи і вироблення оптимальних вимог до них для забезпечення заданої точності вимірювання електронної системи;
• пошук підстроювальних коефіцієнтів, які дозволили б врахувати вплив швидкості транспорту, що рухається, на точність вимірювання.

Перелік посилань

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