Розробка електронної системи контролю викидів автомобільного транспорту

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:

• Тип двигуна: бензиновий;
• Вимірювання концентрації СО без зупинки транспортного засобу;
• Відкритий оптичний канал;
• Швидкодія: не більше 10 мс;
• Кількість вимірювань: не менше 5-6 вимірів;
• Діапазон вимірювання СО: 0 ... 5 об. %;
• межі допустимої абсолютної похибки для діапазону вимірювання від 0 до 5 об. %: не більш ± 5%;
• висота вихлопної труби автомобіля: 25-50 см;
• 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]