劉其林 康光景

摘 要：本文基于對(duì)大氣污染的分析，說(shuō)明“雙向監(jiān)測(cè)駕駛室空氣品質(zhì)的汽車(chē)空調(diào)智能控制系統(tǒng)及方法”這一項(xiàng)目存在的現(xiàn)實(shí)意義，旨在為駕乘人員營(yíng)造更好的駕駛乘坐環(huán)境。重點(diǎn)分析汽車(chē)各種排放對(duì)大氣的污染以及和汽車(chē)空調(diào)之間的關(guān)系，及汽車(chē)智能空調(diào)所能實(shí)現(xiàn)的功能對(duì)駕駛員及乘客帶來(lái)的利處。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)排放;大氣污染;汽車(chē)空調(diào)智能控制系統(tǒng)

1 分析背景

工業(yè)革命以來(lái)的一個(gè)多世紀(jì)，由于內(nèi)燃機(jī)以及鍋爐等的大量使用，大氣環(huán)境惡化，大氣污染越來(lái)越嚴(yán)重，歷史上曾爆發(fā)過(guò)幾次大氣污染造成的惡性事件，如英國(guó)煙煤型大霧、美國(guó)的洛杉磯光化學(xué)煙霧等，造成大量的人員患病死亡、嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失以及大量樹(shù)木枯黃死亡，全球?qū)Υ髿猸h(huán)境越來(lái)越重視。

所謂大氣污染是指由于人類(lèi)活動(dòng)或自然過(guò)程引起某些物質(zhì)進(jìn)入大氣中，呈現(xiàn)出足夠的濃度，達(dá)到足夠的時(shí)間，并因此危害了人體的舒適、健康和福利或環(huán)境的現(xiàn)象[1]。大氣污染物由人為源或者天然源進(jìn)入到大氣，當(dāng)這些污染物超過(guò)大氣環(huán)境所能承載（稀釋、降解）的能力，就會(huì)導(dǎo)致大氣污染物在大氣中相對(duì)聚集，濃度達(dá)到一定值后，便導(dǎo)致了大氣污染。

2 汽車(chē)排放對(duì)大氣的影響

2.1 汽車(chē)排放污染的分布特點(diǎn)

（1）汽車(chē)排放污染主要集中在大城市，1994年我國(guó)人口達(dá)到100～200萬(wàn)的城市，NOx超標(biāo)率為17.9%，人口在200萬(wàn)以上的城市超標(biāo)率達(dá)到19.5%。

（2）機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染多發(fā)生在道路網(wǎng)密集、交通繁忙的地區(qū)。我國(guó)大氣環(huán)境中NOx污染多發(fā)生在大城市，超標(biāo)嚴(yán)重的區(qū)域又往往集中在人口稠密、道路網(wǎng)密集、交通繁忙的地區(qū)[2]。

2.2 汽車(chē)排放對(duì)空氣質(zhì)量的影響

汽車(chē)排放是目前大氣污染的主要來(lái)源，直接與汽車(chē)及交通源排放有關(guān)的大氣污染物包括CO、NOx（NO NO2）、HC（苯、苯并芘）、鉛、細(xì)微顆粒物、SO2、臭氧。

自80年代以來(lái)，我國(guó)汽車(chē)保有量迅速增長(zhǎng)，隨著城市化的進(jìn)程，汽車(chē)保有量增加相對(duì)集中在大城市，導(dǎo)致大量汽車(chē)污染物集中在城市排放使一些城市空氣質(zhì)量惡化。近些年霧霾天氣頻發(fā)，其主要原因?yàn)闄C(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放與燃煤，以北京為例，在北京中心城區(qū)堵車(chē)時(shí)PM2.5增加至平時(shí)值的4-6倍，另外由于城市峽谷效應(yīng)的存在，機(jī)動(dòng)車(chē)在兩邊高樓林立的街道行駛時(shí)排放的尾氣不易擴(kuò)散，且車(chē)流量大，速度較慢，經(jīng)常怠速，尾氣排放多，污染物積累多[3]。

如下圖所示，以北京為例，可以明顯地得出結(jié)論，機(jī)動(dòng)車(chē)的尾氣排放是城市區(qū)域性大氣污染的主要來(lái)源。

3 現(xiàn)有汽車(chē)空調(diào)功能及其局限性

汽車(chē)空調(diào)即汽車(chē)空氣調(diào)節(jié)裝置（air conditioning device），用于把汽車(chē)車(chē)廂內(nèi)的溫度、濕度、空氣清潔度及空氣流動(dòng)調(diào)整和控制在最佳狀態(tài)，為乘員提供舒適的乘坐環(huán)境，減少旅途疲勞;為駕駛員創(chuàng)造良好的工作條件，對(duì)確保安全行車(chē)起到重要作用的通風(fēng)裝置。一般包括制冷裝置、取暖裝置和通風(fēng)換氣裝置。這種聯(lián)合裝置充分利用汽車(chē)內(nèi)部有限的空間，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作，是國(guó)際上流行的現(xiàn)代化汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)[4]。

汽車(chē)空調(diào)目前也存在著許多問(wèn)題及功能的局限性需要解決。

（1）除了汽車(chē)尾氣排放會(huì)影響大氣的空氣質(zhì)量，汽車(chē)空調(diào)的運(yùn)行也會(huì)排放一定的溫室氣體，目前，汽車(chē)空調(diào)使用的工質(zhì)為HFC134a，其作為一種過(guò)渡性質(zhì)的替代工質(zhì)，雖其污染效應(yīng)指數(shù)（GWP）僅為已淘汰的CFC12的1/6，但仍是二氧化碳的1300倍，汽車(chē)空調(diào)運(yùn)行引起的溫室氣體排放量約為汽車(chē)尾氣溫室氣體排放量的2%～10%，且隨著汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能的不斷提升，占有率也會(huì)相應(yīng)的增加。

（2）另外，汽車(chē)空調(diào)運(yùn)行時(shí)的功率大約相當(dāng)于2至3臺(tái)家用空調(diào)，空調(diào)系統(tǒng)中最消耗能量的是壓縮機(jī)，汽車(chē)空調(diào)消耗的功率約占發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的10%至15%，結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)空調(diào)的使用提高發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)，提高機(jī)動(dòng)車(chē)的耗油量，對(duì)汽車(chē)空調(diào)性能的改進(jìn)會(huì)一定程度上提高汽車(chē)的使用經(jīng)濟(jì)性。

（3）隨著5G以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，工具的智能化成為發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)存的汽車(chē)空調(diào)功能較為單一，有一定的局限性。

4 汽車(chē)空調(diào)智能化的實(shí)現(xiàn)及現(xiàn)實(shí)意義

4.1 汽車(chē)空調(diào)智能化的必要性

4.1.1 汽車(chē)外部狀況

由上文結(jié)論，汽車(chē)大多集中在人口密集，道路繁忙的城市，隨著城市的空氣污染愈發(fā)嚴(yán)重，汽車(chē)空調(diào)作為汽車(chē)內(nèi)部的空氣凈化裝置，其智能化的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)是個(gè)必然的趨勢(shì)。在城市道路環(huán)境中，駕駛員需集中精力操縱車(chē)輛，智能化的汽車(chē)空調(diào)可以在不分散駕駛員注意力的情況下，完成汽車(chē)內(nèi)部空氣的更換。

4.1.2 汽車(chē)內(nèi)部狀況

由于汽車(chē)運(yùn)行廢氣和污染氣體在汽車(chē)內(nèi)部的累積，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的乘坐或駕駛汽車(chē)，車(chē)內(nèi)的乘客會(huì)出現(xiàn)不同程度惡心眩暈的問(wèn)題，在加之汽車(chē)內(nèi)外空氣流通不順，車(chē)內(nèi)氧氣含量減少，二氧化碳的含量增加，若其含量超過(guò)2000pm，則會(huì)對(duì)駕駛員的注意力造成影響，增大行車(chē)危險(xiǎn)，若某些有毒氣體，如CO超過(guò)閾值，就會(huì)對(duì)成員的健康有威脅，智能化的汽車(chē)空調(diào)則可以對(duì)這種情況做出反應(yīng)，提高汽車(chē)舒適度的同時(shí)提高安全性。

4.2 汽車(chē)空調(diào)智能化的實(shí)現(xiàn)

我們小組提出了一種雙向監(jiān)測(cè)駕駛室空氣品質(zhì)的汽車(chē)空調(diào)智能控制方法，通過(guò)對(duì)汽車(chē)內(nèi)部以及外部進(jìn)行有關(guān)大氣污染物的檢查，以集成傳感器與單片機(jī)為處理媒介和技術(shù)基礎(chǔ)，并借助于設(shè)計(jì)算法，來(lái)保障行駛過(guò)程或者怠速過(guò)程中駕駛室內(nèi)空氣品質(zhì)的安全性。

5 雙向監(jiān)測(cè)駕駛室空氣品質(zhì)的汽車(chē)空調(diào)智能控制系統(tǒng)及方法設(shè)計(jì)原理

5.1 傳感器布設(shè)

在設(shè)計(jì)檢測(cè)路徑和傳感器布設(shè)的方面，考慮到車(chē)內(nèi)外集聚的有害氣體含量不盡相同，且在汽車(chē)行駛或者怠速情況下，車(chē)內(nèi)外有害氣體集聚速度也不同。因此，為了更大范圍的處理車(chē)內(nèi)外有害氣體保障駕駛室內(nèi)人員的生命健康和安全，我們選取在車(chē)內(nèi)外各自布設(shè)一個(gè)傳感器。

關(guān)于氣體收集方法的特殊說(shuō)明：由于沉積法收集氣體極大降低了裝置的靈敏度，在裝置正式使用過(guò)程中，容易影響可靠性，因此對(duì)于氣體收集將采取兩種方式進(jìn)行，處于空調(diào)濾芯處的傳感器利用冷卻風(fēng)扇的吹動(dòng)進(jìn)行聚集，位于駕駛室內(nèi)的傳感器可根據(jù)壓強(qiáng)原理在空調(diào)管路設(shè)置低壓高壓區(qū)進(jìn)行空氣自動(dòng)沉積（或直接形成半封閉區(qū)域利用氣壓泵）。

5.2 邏輯算法設(shè)計(jì)

在對(duì)具體的運(yùn)行工況進(jìn)行討論時(shí)，分為車(chē)內(nèi)和車(chē)外兩部分。

5.2.1 車(chē)內(nèi)傳感器的算法設(shè)計(jì)（圖2）

車(chē)內(nèi)傳感器感應(yīng)車(chē)內(nèi)的二氧化碳、甲醛、一氧化碳、氧氣以及車(chē)內(nèi)顆粒物的濃度，相應(yīng)的濃度信息轉(zhuǎn)化為電壓信息輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理。一氧化碳和甲醛歸為一類(lèi)，它們都有毒性，會(huì)對(duì)駕乘人員造成安全威脅，單片機(jī)首先處理它們的信息，其次是二氧化碳和氧氣，它們濃度之間的比值影響車(chē)內(nèi)環(huán)境的舒適性，最后分析車(chē)內(nèi)顆粒物的濃度信息。對(duì)它們的濃度進(jìn)行判斷（是否超過(guò)對(duì)應(yīng)的閾值），根據(jù)系統(tǒng)判斷出的結(jié)果做出相應(yīng)的反應(yīng)操作。

5.2.2 車(chē)外傳感器的算法設(shè)計(jì)（圖3）

車(chē)外的傳感器相對(duì)簡(jiǎn)單，只測(cè)得一氧化碳和顆粒物的濃度。同樣，把它們的濃度信息轉(zhuǎn)換為電壓信息輸入到單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理。外側(cè)一氧化碳的濃度同樣影響駕乘人員的安全，通過(guò)監(jiān)測(cè)其濃度還能檢測(cè)車(chē)輛問(wèn)題，外側(cè)顆粒物的濃度則關(guān)系到能否開(kāi)窗通風(fēng)。在單片機(jī)中對(duì)濃度是否超過(guò)對(duì)應(yīng)氣體閾值進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷的結(jié)果做相應(yīng)的處理。

5.3 數(shù)據(jù)處理與優(yōu)化建模

借助于keil進(jìn)行軟件編寫(xiě)，并將程序下載至stc89c52單片機(jī)，通過(guò)LCD1602液晶顯示器進(jìn)行顯示，之后通過(guò)MATLAB設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

6 創(chuàng)新特色

（1）系統(tǒng)采集度高、對(duì)傳感器的布設(shè)，氣體的收集有著獨(dú)特的設(shè)計(jì);

（2）算法完備、處理效率高：基于單片機(jī)對(duì)采集到的氣體信息進(jìn)行處理，并通過(guò)程序計(jì)算模擬輸出結(jié)果;

（3）系統(tǒng)實(shí)用性高：對(duì)駕駛?cè)诉M(jìn)行警告并自動(dòng)進(jìn)行應(yīng)急處理;

（4）系統(tǒng)移植性好，市場(chǎng)廣泛：每款車(chē)都具備汽車(chē)空調(diào)，對(duì)有汽車(chē)空調(diào)智能化的需求。

7 應(yīng)用前景

汽車(chē)空調(diào)是目前汽車(chē)產(chǎn)品的必備功能，且國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)仍然龐大，因此對(duì)汽車(chē)空調(diào)的智能化屬于必備要求。較大的汽車(chē)銷(xiāo)量，提供了汽車(chē)空調(diào)智能控制系統(tǒng)廣闊的市場(chǎng)。本產(chǎn)品面對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)廣闊的汽車(chē)市場(chǎng)，具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）本方案以宜人性為出發(fā)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的產(chǎn)品力;（2）項(xiàng)目易于操作，推廣便利，效果顯著，容易獲得廣大駕駛員的接受;（3）系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)更新維護(hù)，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。一旦產(chǎn)品批量生產(chǎn)投入市場(chǎng)，得到汽車(chē)廠(chǎng)家的采購(gòu)，本系統(tǒng)將會(huì)為保障人體健康做出貢獻(xiàn)。

8 結(jié)論

隨著工業(yè)化的進(jìn)程，大氣的污染越來(lái)越嚴(yán)重，汽車(chē)的尾氣排放是其中的主要來(lái)源之一，在城市內(nèi)部，汽車(chē)排放是造成大氣污染的最大的原因，運(yùn)行在城市中的汽車(chē)，同時(shí)還要面對(duì)汽車(chē)內(nèi)部污染氣體的威脅，汽車(chē)空調(diào)的智能化是一個(gè)必然的趨勢(shì)，在各種空氣質(zhì)量的運(yùn)行工況下，保證汽車(chē)內(nèi)部空氣的清潔，以保證舒適性、空調(diào)壽命和行駛安全。

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