林区道路运材汽车排放污染物监测系统设计1)

2014-08-02储江伟

东北林业大学学报 2014年6期

关键词：林区尾气加速度

李冰储江伟

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

林区道路运材汽车排放污染物监测系统设计1)

李冰储江伟

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

针对我国北方林区道路路况条件差、运材汽车长期重载满负荷行驶，导致尾气排放污染严重的实际问题，以林区运材汽车为研究对象，设计了一种尾气排放污染监控系统，完成了系统硬件设计和系统软件开发。利用车载检测系统进行了林区运材汽车行驶排放特性研究，得出运材车辆行驶工况与排放污染物的关系：随着车辆运行速度的增加，CO和HC逐步降低；随着加速度的增加，CO、HC、NOx的排放值均变大。

林区道路；运材汽车；污染物排放；监测系统设计

In the north woodland of China, because of the serious pollution emissions caused by poor road conditions and long-term overloading of wood trucks, we designed a kind of automobile exhausts pollution monitoring system for wood trucks, including hardware system and software system, and studied the emission characters of wood truck. The emission contents of CO and HC decline with the increase of vehicle speed, and those of CO, HC and NOxincrease with the increase of accelerated speed.

林区公路是修建在林区内为发展林业服务的道路，不同等级的林区公路在林区内纵横交错而构成林道网[1]。林道网一般由基本道路和营林道路组成，营林道路又分为支线和岔路，各种类别的林区公路都统称为林区道路[2]。林区道路按使用性质，分为供运材汽车、集材汽车、采伐汽车等作业车辆行驶的林业专用公路和运材道路、集材道路、护林防火道路以及沟通林区内部交通的连接道路[3]。运材汽车是指运输原条或原木的汽车，通常满载行驶于林区道路上[4]。

人类活动对环境的影响可分为两大类：一类是污染型影响，即环境污染；另一类是破坏型影响，即资源破坏[5]。林区道路对林区生态环境的污染属于污染型影响，主要体现在生产运营过程中，由运材汽车等作业车辆产生的噪声、废气和振动三种污染形式[6-7]。从环境污染影响的角度看，由于林区内植被丰富密集，噪声和振动污染不明显[8-9]。

林区道路往往是低等级或非等级路，路况条件差，运材汽车长期重载满负荷行驶，行驶速度变化范围大，运行工况反复切换，尾气排放污染严重[10-12]，因此，定期监测运材汽车尾气排放污染物类型、排放量及其时空差异已成为当前林区经济可持续发展的一项重要任务。本文将频繁往返于林区道路之间的运材汽车作为研究对象，拟设计一种尾气排放污染物监控系统，从而有效监测运材汽车的各项排放污染物指标。

1 污染物监测系统工作原理

运材汽车常在怠速工况、等速工况、加速工况和减速工况之间反复切换，在远程监测过程中，利用传感器对运材汽车的速度、加速度和节气门开度等工况参数进行实时监测，从而准确判断运材汽车的实际工况。

利用气体浓度传感器采集运材汽车各种排放污染物的参数指标，通过放大和滤波信号处理环节后，由DSP处理器进一步处理监测传感器采集到的各种排放污染物信号。显示终端包括监测系统的液晶显示屏和远程监测中心，通过数据传输实现信号数据和监测指令共享，从而实时监测运材汽车的排放污染情况。运材汽车排放污染物监测系统结构如图1所示。

1.1 排放污染物计量方法

运材汽车排放污染物总排放质量由N个瞬时排放分量叠加而成，其排放总量计算见公式(1)[13]。

(1)

式中：Cij为j时刻，i物质的体积分数；Mi为i物质的排放量；S为运材汽车的实际里程；ρi为i物质的瞬时密度；Vij为j时刻，i物质的瞬时流量。

利用压力传感器和温度传感器实时采集压力和温度信号，对压力和温度等环境指标进行实时监测，按照标准大气压条件折算不同排放污染物的瞬时密度；分别利用各种气体传感器，结合运材汽车的实际运行工况，同时监测各种排放物的体积分数；将某种排放物的体积分数、瞬时流量，转换为标准大气压条件下的密度、运材汽车的实际里程等参数值代入式(1)，即可得到某种排放污染物的总排放量；分别计算各种排放物质的总排放量，即可得到运材汽车的排放污染物总量以及每种排放污染物的构成比例。

图1 运材汽车排放污染物监测系统结构示意图

1.2 监测传感器的温度调控原理

为降低运材汽车排放的尾气温度，而将尾气通过一段比较长的不锈钢波纹软管，以达到监测传感器的工作温度范围。由于软管具有冷却及导气作用，为将运材汽车的排气温度调整至监测传感器所要求的工作范围内，而在各种气体浓度传感器与运材汽车排气管之间加装软管，并将散热片加装在不锈钢波纹软管外，以保证监测过程的稳定可靠和监测结果的准确有效。根据流体力学的相关理论确定软管的长度，计算公式见式(2)[14]。

Q=πD2v/4。

(2)

式中：D为加装软管的直径；v为运材汽车尾气排放的流速；Q为运材汽车尾气排放的体积流量。

运材汽车的尾气排放流速为：

v=4Q/πD2。

(3)

在一定时间t，管道长度L的计算公式为[15]：

L=vt=4Qt/πD2。

(4)

2 污染物监测系统硬件设计

由存储器件、DSP处理器和各种通信接口，共同构成运材汽车排放污染物监测系统的嵌入式硬件平台。利用不同的传感器模块，分别采集各类排放污染物的原始数据；经信号调理后，将尾气信号传输至DSP处理器进行分析处理，在LED屏幕上实时显示监测结果，通过无线通讯将数据传输到监测终端进行分析。

2.1 监测传感器的选配

选用英国CITY TECHNOLOGY公司生产的三种电化学气体传感器，作为运材汽车排放污染物监测传感器。各监测传感器的关键技术指标见表1。

2.2 DSP匹配及电源电路设计

由于运材汽车排放污染物监测系统要求实时监测尾气排放情况，因此，选用美国德州仪器公司的TMS320F2812作为数字信号处理器。该芯片集成度高、运行速度快、信号处理能力强，硬件资源较丰富，能够同时控制GPRS无线传输模块。为保证运材汽车排放污染物监测系统的运行功率，选用LM2576S-5.0作为系统电源，利用电源调节器件的通断，调控系统电源工作状态的切换；其最大输出电流为3A，稳定输出5.0 V电压，设计方案见图2。

2.3 A/D转换电路设计

选用TMS320F2812信号处理器实现运材汽车排放污染物监测系统的A/D转换，该处理器具有12位模数转换模块。在3.3 V的满负荷工作电压条件下，该处理器的极限分辨率为3V/4095，即0.732 6 mV。1路A/D转换的完成时间为80 ns，16路A/D转换的完成时间为1.28 μs，该处理器的分辨率和转换时间均能满足运材汽车尾气排放测量信号的需要。

3 污染物监测系统软件开发

在Windows操作系统基础上，选用VC++开发了运材汽车排放污染物监测系统软件，主要包括排放污染物信号采集程序设计、A/D模块程序设计和抗干扰设计3个部分。为便于针对运材汽车的运行工况参数值，实时采集各种排放污染物的参数值；本文开发了运材汽车排放污染物监测系统人机交互界面(见图3)。

图2 系统电源设计方案

图3 监测系统人机交互界面

3.1 污染物信号采集程序设计

通过运材汽车排放污染物监测系统的友好交互界面，在实时监测NOx、CO和HC浓度信号的同时，可以同时采集到大气压力、相对湿度、环境温度等监测环境参数信号，还可以采集到车速、加速度、转速、节气门开度等运材汽车的运行工况参数信号。排放污染物信号采集的主程序流程图如图4所示。

3.2 A/D模块程序设计

运材汽车排放污染物监测系统，利用A/D模块完成数据采集及转换，A/D模块的主程序流程如图5所示。通过调用A/D初始化子程序，完成对A/D模块的初始化；当A/D转换不存在空闲时，主程序陷入死循环状态；当A/D转换存在空闲时，启动A/D模块程序进行转换；直至A/D转换完毕后，再调用A/D中断服务子程序，读取A/D转换结果；再次启动A/D模块程序进行转换。如此循环往复，直至完成全部A/D转换为止。

图4 运材汽车排放污染物监测主程序流程

图5 A/D转换主程序流程

3.3 软件抗干扰设计

为保证运材汽车排放污染物监测系统稳定工作，可靠准确地采集运材汽车的排放数据，而对系统软件进行抗干扰设计。选择防脉冲干扰平均值滤波法，对运材汽车排放污染物监测系统采集到的数据进行消除干扰处理。消除干扰原理可表示为[16]：

Y=(x2+x3+…+xn-1)/(n-2)。

(5)

式(5)的前提条件为x1≤x2≤x3≤…≤xn(3≤n≤14)。运材汽车排放污染物监测系统的软件抗干扰设计原理如图6所示。

；。

4 污染物监测系统实测验证

4.1 汽车行驶排放污染特征分析

利用搭建的汽车排放污染物检测系统，针对东北林区内的典型道路，进行了汽车实际运行的排放测试。在实际测试过程中，主要以运材车辆为试验对象，并以如下判断依据，判断车辆的运行工况：

①怠速工况。速度为0，且加速度值在大于-0.15小于0.15 m/s2时的行驶状态。

②加速工况。加速度值为正，且大于0.15 m/s2的行驶状态。

③减速工况。加速度值为负，且小于-0.15 m/s2的行驶状态。

④匀速工况。加速度绝对值不大于0.15 m/s2，且速度不为0的行驶状态。

在以上基础上，将所研究区域内的道路分为主干道、次干路、快速路和支路4类，进行分类研究。

4.2 行驶车速对排放的影响

从图7可看出，在4类道路中，CO排放都随着车辆运行速度的增加而趋于逐步降低。通常来说，车辆在加速工况下，CO排放会随着车辆运行速度的增加而趋于降低更为明显，而减速工况稍好些。其主要原因：是汽车低速行驶时，发动机混合气浓度较浓，十分容易导致不完全燃烧，从而导致高速阶段排放较高。

从图8可看出，在4类道路中，HC排放在低速段较高，而在相对高速阶段排放相对较低。主要原因：在较低车速行驶时，由于汽车发动机缸内温度较低，混合气燃烧并不充分，从而导致HC排放较高；但，如果此时突然加速行驶，又会造成因为供油过多，部分燃油不能完全燃烧，HC排放进一步增加，这也是车速超过50 km/h之后而HC排放进一步增加的原因。

图7 速度对CO排放的影响

图8 速度对HC排放的影响

从图9可看出，在4类道路中，高速阶段NOx排放相对较高。主要原因：NOx的生成依赖于发动机的缸内温度。根据化学动力学原理，当发动机工作温度在从2 500 K到2 600 K时，NOx的生成速率会增加一倍。同时，当车辆高速行驶时，由于发动机转速较高，伴随着气缸内燃烧温度的提高，进入汽缸中的氧浓度并不会显著降低，从而会更导致利于形成高浓度的NOx排放。

图9 速度对NOx排放的影响

4.3 行驶加速度对排放的影响

为了有效分析汽车行驶加速度对排放的影响，特选取了不同加速度区间，进行了相关加速度对车辆排放的影响。其中加速度区间分配如下：v1<-0.5m/s2；-0.5 m/s2≤v2<-0.3 m/s2；-0.3 m/s2≤v3<-0.1 m/s2；-0.1 m/s2≤v4<0；0

由图10、图11、图12可以看出，无论在何种道路类型上行驶，CO、NOx、HC的排放随加速度变化而变化的规律基本相同，3种污染物的排放，均随着加速度的增加而变大。主要原因：加速度的增加，发动机负荷增大，由于转动惯量的影响，需要一段时间才能达到高负荷所对应的增压器转速和增压压力。短时间内的空气不足，空燃比低，燃料不充分燃烧，导致排放增高。但CO、HC的排放，在减速和匀速区间，排放变化不大，仅在减速比较大的时候，CO、HC排放稍有升高，主要原因是突然减速时由于燃料过量所致。

图10 加速度对CO排放的影响

图11 加速度对NOx排放的影响

图12 加速度对HC排放的影响

5 结束语

本文针对林区道路路况条件差、运材汽车长期重载满负荷行驶、尾气排放污染严重的实际问题，以频繁往返于林区道路之间的运材汽车为研究对象，设计了一种尾气排放污染物车载监控系统。并依此为基础，对车辆在典型路况上的行驶速度和加速度对CO、NOx、HC排放的影响进行了实测验证，结果表明：CO排放，都随着车辆运行速度的增加而趋于逐步降低；HC排放，在低速段较高，而在相对高速阶段排放相对较低；NOx排放，在高速阶段排放相对较高。3种污染物的排放，均随着加速度的增加而变大；但CO、HC的排放，在减速和匀速区间，排放变化不大，仅在减速比较大的时候，CO，HC排放稍有升高。

该监测系统，利用车载测试方法实现了运材汽车尾气排放的实时监测，有效监测运材汽车的各项排放污染物指标，对环境监测及车辆尾气排放控制具有一定的推广意义和应用前景。

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