陳文亮，汪 鋒，張 濤，樊海春

(天津同陽科技發(fā)展有限公司，天津 300384)

1 引言

機(jī)動車尾氣遙感檢測主要是利用原子或分子吸收光譜法測量煙羽中的CO2、CO、NO、HC等污染物濃度[1～5]。汽車尾氣排出后，由于周圍環(huán)境的影響，再加上擴(kuò)散作用，煙羽會不斷地被稀釋，直接測量排氣煙羽中的各成分絕對濃度不能有效地反映車輛的實際排放狀況[6～9]。

為了消除煙羽擴(kuò)散對尾氣中各成分濃度的影響，通過引入燃燒方程，使用CO2作為參比氣體進(jìn)行各種排氣污染物的測量。對于同一尾氣煙羽來說，尾氣中各成分的相對體積濃度比基本保持不變[11～13]。

當(dāng)前國內(nèi)外做機(jī)動車尾氣遙感檢測的廠家，其原理都來自美國環(huán)保局2004年發(fā)布的EPA420-B-04-010遙測指導(dǎo)文件[14]。該文件中通過大量的數(shù)據(jù)得出，同一尾氣煙羽中，CO、HC、NO與CO2的相對體積比近似為定值。在此基礎(chǔ)上，各個廠家都是采用上述方法通過燃燒方程來反演各污染物濃度。但不論是哪個廠商，其方法都是基于CO2作為參比氣體進(jìn)行的，所以CO2本身的采集、計算、算法優(yōu)化至關(guān)重要，但目前國內(nèi)暫沒有關(guān)于CO2吸收增量的研究[15]。

為解決以上問題，本文提出機(jī)動車尾氣遙感檢測設(shè)備二氧化碳(CO2)吸收增量的算法研究。

2 理論基礎(chǔ)

機(jī)動車燃油中的主要成分包括碳和氫兩種元素，其比例約為1∶2；空氣約含21%的O2和79%的N2。假定燃燒過程為不完全燃燒，標(biāo)準(zhǔn)燃燒方程如式1 所示：

CH2+m(0.21O2+0.79N2)→aCO+bH2O+cC4H6+dCO2+eNO+(0.79m-e/2)N2

(1)

定義尾氣中各成分相對體積濃度比系數(shù)為：

Q=CO/CO2=a/d

(2)

Q'=HC/CO2=c/d

(3)

Q〃=NO/CO2=e/d

(4)

根據(jù)物質(zhì)守恒定律，由碳原子、氫原子和氧原子的守恒可以得到：

a+4c+d=1

(5)

2b+6c=2

(6)

a+b+2d+e=0.42m

(7)

由公式(1)和(2)得到a=dQ和c=d Q＇，代入公式(5)、(6)、(7)，可以推導(dǎo)出：

(8)

b=1-3dQ'

(9)

0.42m/d=2Q+Q'+3

(10)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)燃燒方程，燃燒后排放尾氣中的CO2濃度為：

(11)

經(jīng)推導(dǎo)后可以得到：

(12)

即CO2、CO、HC和NO的體積百分比濃度分別為：

(13)

%CO=%CO2·Q

(14)

%HC=%CO2·Q'

(15)

%NO=%CO2·Q〃

(16)

綜上，通過引入發(fā)動機(jī)燃燒方程模型，可利用測量得到的煙羽中各組分的相對體積比，反演得到尾氣排放的真實體積濃度值。

3 實驗系統(tǒng)

本實驗中，為了核查誤差，以符合國家計量要求的標(biāo)準(zhǔn)氣體來進(jìn)行測試。將標(biāo)準(zhǔn)氣體放置于一輛純電動車后備箱中，通過管線接入模擬的排氣管中，模擬的排氣管高度處于機(jī)動車尾氣遙測光路中。如表1所示。

車輛帶著標(biāo)氣瓶分別以15 km/h、30 km/h、45 km/h的速度經(jīng)過遙感檢測設(shè)備并噴出氣體，主控程序獲取車輛從進(jìn)入到駛出過程中的所有煙團(tuán)吸收值，設(shè)備每10 ms測量一組數(shù)，其中CO2、CO的煙團(tuán)吸收值單位以ppm*m來計算，HC、NO的煙團(tuán)吸收值單位以ppm*cm來計算。

將采集到的數(shù)據(jù)保存并可根據(jù)需要導(dǎo)出為Excel或TXT形式，數(shù)據(jù)存儲方式如表1所示。

圖1 噴氣工裝示意

表1 數(shù)據(jù)存儲格式

根據(jù)主控程序采集到的數(shù)據(jù)，繪制出4種氣體的煙團(tuán)吸收趨勢圖，如圖2所示。

圖2 煙團(tuán)吸引趨勢

算法設(shè)計過程：

(1)當(dāng)車輛經(jīng)過后去查找CO2煙團(tuán)吸收值的變化。

①選取CO2煙團(tuán)吸收值上升沿，從CO2煙團(tuán)吸收值大于500 ppm*m開始，連續(xù)取50組數(shù)據(jù)，如果上升沿數(shù)據(jù)量不夠，則繼續(xù)往后取夠50組數(shù)(圖4)。

②選取CO2煙團(tuán)吸收最高點值且煙團(tuán)吸收值大于5000 ppm*m，以這個點作為起點，選取CO2煙團(tuán)吸收增量連續(xù)大于500 ppm*m的50組數(shù)據(jù)；這里所述的CO2煙團(tuán)吸收增量是指CO2煙團(tuán)吸收值與CO2煙團(tuán)吸收的初始值相比的增量；CO2煙團(tuán)吸收的初始值一般情況下為零。

③選取CO2煙團(tuán)吸收值下降沿，CO2煙團(tuán)吸收值大于3000 ppm*m往后，選取CO2煙團(tuán)吸收增量連續(xù)大于500 ppm*m的50組數(shù)據(jù)。

以上3種情況，匯總為表2所示。

表2 數(shù)據(jù)段選擇

(2)在步驟1中①、②、③三個條件下，算法平滑分別對不同區(qū)間的每一組數(shù)據(jù)開始后的CO/CO2、HC/CO2、NO/CO2三個50組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到若干種不同的擬合曲線圖。如圖3所示上升沿區(qū)間用三個擬合曲線分別示意，如圖4所示最高點區(qū)間用三個擬合曲線分別示意，如圖5所示下降沿區(qū)間用三個擬合曲線分別示意；各圖中帶標(biāo)記點的曲線代表CO/CO2、HC/CO2、NO/CO2的曲線，鄰近各曲線的虛線圖代表該曲線的擬合曲線。

圖3 上升沿擬合曲線

圖4 最高點擬合曲線

圖5 下降沿擬合曲線

4 實驗結(jié)果

根據(jù)上述的擬合曲線，通過實際的標(biāo)氣濃度比對，最終選擇第二種擬合算法，并根據(jù)公式(2)、(3)、(4)計算出Q、Q'、Q〃。

由公式(13)計算出CO2的體積濃度% CO2。

再由公式(14)、(15)、(16)分別計算出CO、HC、NO的體積濃度%CO、%HC、%NO。

特殊情況處理(表3)：

表3 特殊情況處理

(1)在上升沿或下降沿模式中，如果數(shù)據(jù)量不夠50組，則繼續(xù)往后取夠50組數(shù)，且CO2煙團(tuán)吸收增量大于500 ppm*m；如果不滿足此條件，則取最大滿足條件的數(shù)據(jù)組數(shù)。

(2)當(dāng)CO2煙團(tuán)吸收值滿足步驟“實驗系統(tǒng)”(1)中②的要求，取CO2煙團(tuán)吸收最高點值且增量值大于5000 ppm*m的點，以這個點作為起點，選取CO2煙團(tuán)吸收增量連續(xù)大于500 ppm*m的50組數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)量大于50組時，計算前50組數(shù)據(jù)，此時算法按“實驗系統(tǒng)”(2)執(zhí)行。

(3)當(dāng)數(shù)據(jù)量在30～50組之間時，取最大值數(shù)據(jù)，比如35組數(shù)據(jù)，此時算法也按照“實驗系統(tǒng)”(2)執(zhí)行。

(4)當(dāng)數(shù)據(jù)量在10～30組之間時，取最大值數(shù)據(jù)，比如15組數(shù)據(jù)，此時算法按照“實驗系統(tǒng)”(2)執(zhí)行后的擬合曲線如圖6所示，此數(shù)據(jù)區(qū)間經(jīng)燃燒方程反演發(fā)現(xiàn)污染物偏差超出范圍。

圖6 10～30組數(shù)據(jù)擬合曲線

故在此數(shù)據(jù)區(qū)間，算法調(diào)整為：從最高點往后取15組數(shù)據(jù)，再在上升沿取15組數(shù)據(jù)。由于上升沿的CO2煙團(tuán)吸收增量一般比最高點往后的吸收增量要大，故取完上升沿數(shù)據(jù)后，需要結(jié)合CO的煙團(tuán)吸收增量計算出一個系數(shù)k，具體如下。

假設(shè)以N1升代表上升沿第一個數(shù)，N15升代表上升沿最后一個數(shù)；N1降代表下降沿第一個數(shù)，N15降代表下降沿最后一個數(shù)。分別計算(N1升+N1降)/2、……(N15升+N15降)/2，以此30個數(shù)做出散點圖，k值為此散點圖的斜率。k* CO2煙團(tuán)吸收增量即為修正后的數(shù)據(jù)，并以此按照“實驗系統(tǒng)”(2)執(zhí)行后的擬合曲線如圖7所示，此數(shù)據(jù)區(qū)間經(jīng)燃燒方程反演發(fā)現(xiàn)污染物偏差在要求范圍內(nèi)。

圖7 k* CO2煙團(tuán)吸收擬合曲線

(5)當(dāng)數(shù)據(jù)量小于10組時，無論算法如何調(diào)整和優(yōu)化，都無法形成有效的擬合曲線，此時舍棄本次采集到的數(shù)據(jù)，說明本次過車過程沒有捕獲到污染物排放或者是非機(jī)動車通過。

(6)考慮到機(jī)動車正常行駛過程中，影響因素比較多，比如：風(fēng)速、車速、加速狀態(tài)等，都會對污染物排放造成一定影響。在風(fēng)速大于5.0 m/s、車速大于60 km/h的條件下，捕獲率隨機(jī)性太大，數(shù)據(jù)無效。

5 結(jié)論

本文提供了一種機(jī)動車尾氣遙感檢測設(shè)備二氧化碳(CO2)吸收增量的算法研究，主要是針對采集到的數(shù)據(jù)如何利用算法去取得最優(yōu)值。包括取CO2增量上升沿、最高點、下降沿等。

通過上述步驟測試文中算法，實際模擬測試29組數(shù)據(jù)，25組誤差滿足要求，4組誤差不滿足要求，滿足率為86%；誤差不滿足要求的4組數(shù)據(jù)中，CO2增量均在5000以下，數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 實際純電動車?yán)瓨?biāo)氣測試數(shù)據(jù)