Информационно-измерительная система для определения экологических характеристик двигателей внутреннего сгорания

Автомобильный транспорт занимает одно из первых мест среди антропогенных факторов, загрязняющих окружающую среду. Выбрасываемые им вещества составляют порядка 40% всех вредных выбросов в атмосферу 121. Большое значение для уменьшения загрязнения атмосферного воздуха отработавшими газами имеет повседневный технический контроль состояния автомобиля.

Низкий уровень технического обслуживания и полное отсутствие обязательного технического контроля за состоянием автотранспортных средств приводят к повреждению узлов и систем автомобиля. В результате выбросы вредных веществ у таких автомобилей возрастают, намного превышая установленную для данного типа автомобилей норму. Все это приводит к тому, что эффективность мероприятий, осуществляемых автомобильной промышленностью по обеспечению требований стандартов, снижается, а нередко вообще сводится на нет.

Основная причина загрязнения воздуха заключается в неполном и неравномерном сгорании топлива. Всего 15% его расходуется на движение автомобиля, а 85% «летит на ветер». К тому же камера сгорания автомобильного двигателя — это своеобразный химический реактор, синтезирующий ядовитые вещества и выбрасывающий их в атмосферу. Даже безвредный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания, превращается в ядовитые окислы азота/1/.

В отработавших газах двигателя внутреннего сгорания (ДВС) содержится свыше 17 вредных компонентов, из них около 10 — производные углеводородов, прямо обязанные своим появлением неполному сгоранию топлива в двигателе. Наличие в отработавших газах вредных веществ обусловлено в конечном итоге видом и условиями сгорания топлива.

Отработавшие газы, продукты износа механических частей и покрышек автомобиля, а также дорожного покрытия составляют около половины атмосферных выбросов антропогенного происхождения. Наиболее исследованными являются отработавшие и картерные газы автомобиля. В состав этих выбросов, помимо азота, входят такие вредные компоненты, как окись углерода, углеводороды, окислы азота и серы, твердые частицы 121.

Состав отработавших газов зависит от рода применяемых топлив, присадок и масел, режимов работы двигателя, его технического состояния, условий движения автомобиля и др. Токсичность отработавших газов карбюраторных двигателей обуславливается главным образом содержанием окиси углерода и окислов азота, а дизельных — окислов азота и сажи /1/.

К числу вредных компонентов относятся и твердые выбросы, содержащие свинец и сажу, на поверхности которой адсорбируются циклические углеводороды (некоторые из них обладают канцерогенными свойствами). Закономерности распространения в окружающей среде твердых выбросов отличаются от закономерностей характерных для газообразных продуктов. Крупные фракции (диаметром более 1 мкм), оседая поблизости от центра эмиссии на поверхности почвы и растений, в конечном счете накапливаются в верхнем слое почвы. Мелкие фракции (диаметром менее 1 мкм) образуют аэрозоли и распространяются с воздушными массами на большие расстояния.

Двигаясь со скоростью 80−90 км/ч в среднем автомобиль превращает в углекислоту столько же кислорода, сколько это делают 300−350 человек. Но дело не только в углекислоте. Годовой выхлоп одного автомобиля — это 800 кг окиси углерода, 40 кг окислов азота и более 200 кг различных углеводородов. Из них наиболее токсична окись углерода, ее допустимая концентрация в атмосферном воздухе не должна превышать 1 мг/м3. В одноместном гараже смертельная концентрация окиси углерода возникает уже через 2−3 минуты после включения стартера. В холодное время года, остановившись для ночлега на обочине дороги, неопытные водители иногда включают двигатель для обогрева машины, но из-за проникновения окиси углерода в кабину такой ночлег может оказаться последним /1/.

Окислы азота токсичны для человека и, кроме того, обладают раздражающим действием. Особо опасной составляющей отработавших газов являются канцерогенные углеводороды, обнаруживаемые прежде всего на перекрестках у светофоров (до 6,4 мкг/ЮОм3, что в 3 раза больше, чем в середине квартала). При использовании этилированного бензина автомобильный двигатель выбрасывает вместе с отработавшими газами соединения свинца. Свинец опасен тем, что способен накапливаться как во внешней среде, так и в организме человека /1, 2/.

Уровень загазованности магистралей и примагистральных территорий зависит от интенсивности движения автомобилей, ширины и рельефа улицы, скорости ветра, доли грузового транспорта и автобусов в общем потоке и других факторов. Даже при интенсивности движения 500 транспортных единиц в час на открытой территории концентрация окиси углерода на расстоянии 3040 м от автомагистрали снижается в 3 раза и достигает нормы, в противоположность этому в переулках и тесных улицах рассеивание выбросов автомобиля затруднено. В итоге практически все жители города испытывают на себе вредное влияние загрязненного воздуха. На скорость распространения загрязнения и концентрацию его в отдельных зонах города значительно влияют температурные инверсии. Инверсионный слой выполняет роль экрана, поэтому приземные концентрации возрастают в несколько раз /1, 2/.

В этих условиях более актуальной становится задача не только и не столько совершенствования конструкции автомобиля, с точки зрения ограничения токсичности, сколько повышения уровня технического обслуживания и совершенствования систем и методов контроля за техническим состоянием, чего невозможно достичь без совершенствования методов и приборов измерения токсичности отработавших газов двигателей, создания качественных и недорогих средств измерений, отвечающих современным требованиям.

Уже давно созданы и удовлетворительно работают специальные стенды и даже целые лаборатории для диагностики автомобильных двигателей, где возможно исследовать работу двигателя на всех режимах, измерить параметры шума, вибрации, развиваемой мощности и т. д., определить любые отклонения в работе двигателя, измерить количество и определить качественный состав токсичных веществ, выбрасываемых им в атмосферу.

Однако стендовое оборудование является довольно дорогостоящим, требует значительных временных затрат для получения аналитической информации, а измерения проводятся на автомобиле, работающем в «лабораторных условиях», так, например, измерение токсичности отработавшего газа проводится в основном на холостом ходу двигателя, в то время, как при работе под нагрузкой картина может существенно и иногда непредсказуемо измениться.

С этой точки зрения возникает необходимость создания недорогой, по сравнению со стендовым оборудованием, информационно-измерительной системы для проведения экспресс-измерений токсичности выхлопных газов непосредственно во время движения автомобиля в любых, даже самых жестких условиях, системы, дающей водителю возможность непрерывного контроля за изменением объемов вредных выбросов двигателя его автомобиля.

Кроме того, растущее желание автомобилестроителей научиться управлять процессом сгорания топлива в двигателе автомобиля для получения максимально возможной мощности и минимально возможных концентраций токсичных веществ в отработавшем газе не сможет осуществиться без тщательного изучения процессов, протекающих в камере сгорания двигателя. Поэтому необходимо найти способы, позволяющие заглянуть в двигатель во время его работы, получить всю возможную информацию о происходящих в нем процессах, обработать ее и получить значения искомых параметров горения топливо-воздушной смеси. По полученным значениям параметров сгорания удастся определить необходимые действия по управлению работой двигателя и процессом сгорания топлива.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Метод построения математических моделей оптимальной сложности для определения концентраций компонентов ОГ и спектров излучения.

2. Алгоритм обработки аналитической информации с использованием двумерной сплайн-аппроксимации.

3. Алгоритм функционального аналого-цифрового преобразования сигнала для систем измерения светового потока.

4. ИИС для оценки экологических характеристик ДВС по составу ОГ, с использованием метода эмиссионного спектрального анализа.

Основные результаты и выводы.

1. Показано, что для удовлетворения ужесточающихся экологических требований в настоящее время в стендах испытания и диагностики двигателей необходимо использовать сложную современную аналитическую технику оснащенную многофункциональными ИИС для обработки аналитической информации, обеспечивающие проведение многокомпонентного анализа состава отработавших газов в реальном темпе времени.

2. Установлено, что задача оптимизации параметров средств предварительной обработки информации ИИС определения качественного состава во многом определяется информационными характеристиками измеряемых сигналов — динамическим диапазоном, частотным спектром и т. д. Определен перечень параметров таких средств, характеризующих их информационную производительность.

3. На основании классификации и анализа информационных характеристик методов определения состава отработавших газов автомобильных двигателей показано, что для большинства методов динамический диапазон аналитического сигнала определяется в основном значением нижнего предела обнаружения.

4. Определено, что информационная избыточность аналитического метода, используемого при определении состава отработавших газов, может достигать 100, и что применение специальных алгоритмов позволяет снизить возникающую избыточность, а также требования, предъявляемые к информационно-измерительным системам и, соответственно, их стоимость.

5. Предложен упрощенный и достаточно эффективный метод построения математических моделей физико-химических процессов образования компонентов ОГ и излучения света горящими газами камеры сгорания двигателя, позволяющий эффективно оценивать требования к системам измерения интенсивности оптического излучения.

6. Установлено, что информативные параметры объекта измерений имеют тенденцию к сохранению своих номинальных характеристик, а незначительные отклонения значений указанных параметров вызваны по большей мере несовершенством передающего канала и имеют случайный характер, соответствующий нормальному распределению.

7. Определены оптимальные с точки зрения теории информации функции преобразования (в частности, законы квантования) в средствах предварительной обработки измерительной информации, входящих в состав ИИС качественного анализа ОГ двигателей внутреннего сгорания.

8. Предложено осуществлять сжатие объемов обрабатываемой в ИИС информации с учетом особенностей образования и излучения компонентов ОГ, используя оптимальные алгоритмы аппроксимации. В качестве аппроксимирующих функций в ИИС испытательных комплексов обосновано использование параболических и кубических сплайнов, что снижает требования по быстродействию вычислительных средств таких ИИС.

9. Предложено с целью сжатия измерительных сигналов по диапазону использовать в ИИС функциональные аналого-цифровые преобразователи поразрядного уравновешивания, формирующие выходной код в формате с плавающей запятой. Приведены алгоритмы процесса уравновешивания, определяющие формирование цифр выходного кода таких преобразователей.

10. Определены параметров алгоритмов двумерной сплайнаппроксимации, реализуемых в средствах предварительного преобразования ИИС стендового оборудования на основе критерия наименьшего значения средне — квадратичной погрешности аппроксимации. Определены коэффициенты весовых функций сплайн — фильтров и их наиболее эффективное количество. Определены условия, при которых применяемые параболические сплайн — фильтры, свободны от фазовой погрешности.

11. Предложено при использовании алгоритмов сплайн — аппроксимации сигналов определять одновременно с аппроксимацией сигнала и оценки его первой и второй производных, что снижает требования к мощности центрального процессора ИИС. Показано, что такое предложение целесообразно использовать в средствах предварительной обработки информации ИИС качественного анализа ОГ для детектирования максимумов спектральных пиков.

12. Показано, что алгоритмы сплайн — аппроксимации могут быть использованы для непосредственного определения производной измерительного сигнала. Предложено использовать такие алгоритмы при решении задач определения характерных значений функции измерительного сигнала.

13. Определены метрологические характеристики методов и средств функционального аналого-цифрового преобразования и восстановления исходного аналитического сигнала и изучены требования, предъявляемые к ним со стороны прикладных задач по проведению спектрального анализа измерительных сигналов в реальном темпе времени с приемлемой для практических приложений точностью.

14. Разработаны эффективные алгоритмы корректировки цифровыми схемами величины смещения нуля и размера рабочего диапазона шкалы опто-электронных преобразователей.

15. Предложена эффективная структурная схема устройств предварительной обработки информации ИИС определения качественного состава с оптимальной шкалой квантования и эффективным законом формирования выходного кода, отличающиеся простотой и возможностью программирования основных функций преобразования.

16. Показано, что схемы аналого — цифровых преобразователей с оптимальной и квазиоптимальной шкалой квантования, а также функциональных аналого — цифровых преобразователей могут быть построены с использованием одного из основных принципов аналого-цифрового преобразования — поразрядного уравновешивания.

17. Предложено в схемах быстродействующих функциональных аналого — цифровых преобразователей использовать микропроцессорные схемы управления с зашитыми в них табличными функциями с целью повышения их производительности.

18. На основании анализа инструментальных погрешностей ряда устройств предварительной обработки измерительной информации определены практические рекомендации по схемотехническому проектированию таких устройств. Показана необходимость использования прецизионных компараторов для фунциональных аналого-цифровых преобразователей.

19. Предложена схема ИИС для определения качественного и количественного состава отработавшего газа автомобильного двигателя, представляющая собой централизованную структуру. Показано, что в качестве вычислительных средств ИИС целесообразно использовать модули и блоки с архитектурой современных промышленных компьютеров.

20. Предложено использовать ИИС в системах экологического мониторинга на основе передовых технологий всемирной компьютерной сети с использованием многозадачного математического обеспечения. Одним из наиболее показательных принципов работы данной ИИС в таких системах предложена оперативная передача информации по систематическому превышению предельно-допустимых концентраций токсичных компонентов, содержащихся в ОГ автомобиля в компьютерную базу данных.

21. Достоверность научных положений и выводов, приведенных в диссертационной работе, подтверждена теоретическими расчетами и экспериментальными данными, внедрением модуля обработки спектральной оптической информации в качестве информационно измерительной система на одном из предприятий, занимающихся разработкой электронных устройств для автомобилей.

Заключение

.

В результате рассмотрения результатов научно-исследовательской работы комиссия считает обоснованным использование теоретически полученных Чернышевым C.B. значений спектральных интенсивностей и частот излучения горящих в камере сгорания двигателя компонентов в диссертационной работе.

Председатель комиссии (руководитель-эксперт) должность.

Vej.

Фамилия И.О.

ПРОТОКОЛ № 4 от " ?16 «2000 г. проведения научмо-иселедовательской работы по измерению параметров излучения горящей топливно-воздушной смеси посредством эмиссионного спектрального анализа.

Место проведения работы /^^е^^е- ¿-^¿-¿-¿-еиЛ и.

Са^ Г ТУ С.

Приборы и оборудование ту^^&^г^^^е г/? гЪ&Т- ¿->.¿-¿-9-ГОСТ ¦ '. у,. —. ,.,.. , г&сЯг г з //- и.

Цель работы: получить достоверную информацию о спектральных составляющих излучения горящей топливно-воздушной смеси, проверить возможность выделения из общего спектра составляющие, характерные для излучения определенных компонентов отработавшего газа и убедиться в соответствии экспериментальных данных рассчитанным параметрам излучения этих компонентов.

В основу проведения измерений положен метод.

Работа выполнена в соответствии с требованиями следующих нормативных документов /УСТ Р.

ГОСТМ: ГОСТ 6?. Г0СТ 4.4Я?

ГССГММб-М, ГОСТ Ж.

1% ® в 1а ® соводитель работы.

Эксперт.