林區(qū)道路運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1)

李 冰 儲(chǔ)江偉

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

林區(qū)道路運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1)

李 冰 儲(chǔ)江偉

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

針對(duì)我國(guó)北方林區(qū)道路路況條件差、運(yùn)材汽車(chē)長(zhǎng)期重載滿負(fù)荷行駛，導(dǎo)致尾氣排放污染嚴(yán)重的實(shí)際問(wèn)題，以林區(qū)運(yùn)材汽車(chē)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種尾氣排放污染監(jiān)控系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)。利用車(chē)載檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了林區(qū)運(yùn)材汽車(chē)行駛排放特性研究，得出運(yùn)材車(chē)輛行駛工況與排放污染物的關(guān)系：隨著車(chē)輛運(yùn)行速度的增加，CO和HC逐步降低；隨著加速度的增加，CO、HC、NOx的排放值均變大。

林區(qū)道路；運(yùn)材汽車(chē)；污染物排放；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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.

林區(qū)公路是修建在林區(qū)內(nèi)為發(fā)展林業(yè)服務(wù)的道路，不同等級(jí)的林區(qū)公路在林區(qū)內(nèi)縱橫交錯(cuò)而構(gòu)成林道網(wǎng)[1]。林道網(wǎng)一般由基本道路和營(yíng)林道路組成，營(yíng)林道路又分為支線和岔路，各種類(lèi)別的林區(qū)公路都統(tǒng)稱為林區(qū)道路[2]。林區(qū)道路按使用性質(zhì)，分為供運(yùn)材汽車(chē)、集材汽車(chē)、采伐汽車(chē)等作業(yè)車(chē)輛行駛的林業(yè)專用公路和運(yùn)材道路、集材道路、護(hù)林防火道路以及溝通林區(qū)內(nèi)部交通的連接道路[3]。運(yùn)材汽車(chē)是指運(yùn)輸原條或原木的汽車(chē)，通常滿載行駛于林區(qū)道路上[4]。

人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是污染型影響，即環(huán)境污染；另一類(lèi)是破壞型影響，即資源破壞[5]。林區(qū)道路對(duì)林區(qū)生態(tài)環(huán)境的污染屬于污染型影響，主要體現(xiàn)在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由運(yùn)材汽車(chē)等作業(yè)車(chē)輛產(chǎn)生的噪聲、廢氣和振動(dòng)三種污染形式[6-7]。從環(huán)境污染影響的角度看，由于林區(qū)內(nèi)植被豐富密集，噪聲和振動(dòng)污染不明顯[8-9]。

林區(qū)道路往往是低等級(jí)或非等級(jí)路，路況條件差，運(yùn)材汽車(chē)長(zhǎng)期重載滿負(fù)荷行駛，行駛速度變化范圍大，運(yùn)行工況反復(fù)切換，尾氣排放污染嚴(yán)重[10-12]，因此，定期監(jiān)測(cè)運(yùn)材汽車(chē)尾氣排放污染物類(lèi)型、排放量及其時(shí)空差異已成為當(dāng)前林區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要任務(wù)。本文將頻繁往返于林區(qū)道路之間的運(yùn)材汽車(chē)作為研究對(duì)象，擬設(shè)計(jì)一種尾氣排放污染物監(jiān)控系統(tǒng)，從而有效監(jiān)測(cè)運(yùn)材汽車(chē)的各項(xiàng)排放污染物指標(biāo)。

1 污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

運(yùn)材汽車(chē)常在怠速工況、等速工況、加速工況和減速工況之間反復(fù)切換，在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)過(guò)程中，利用傳感器對(duì)運(yùn)材汽車(chē)的速度、加速度和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度等工況參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而準(zhǔn)確判斷運(yùn)材汽車(chē)的實(shí)際工況。

利用氣體濃度傳感器采集運(yùn)材汽車(chē)各種排放污染物的參數(shù)指標(biāo)，通過(guò)放大和濾波信號(hào)處理環(huán)節(jié)后，由DSP處理器進(jìn)一步處理監(jiān)測(cè)傳感器采集到的各種排放污染物信號(hào)。顯示終端包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的液晶顯示屏和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)指令共享，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)材汽車(chē)的排放污染情況。運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 排放污染物計(jì)量方法

運(yùn)材汽車(chē)排放污染物總排放質(zhì)量由N個(gè)瞬時(shí)排放分量疊加而成，其排放總量計(jì)算見(jiàn)公式(1)[13]。

(1)

式中：Cij為j時(shí)刻，i物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)；Mi為i物質(zhì)的排放量；S為運(yùn)材汽車(chē)的實(shí)際里程；ρi為i物質(zhì)的瞬時(shí)密度；Vij為j時(shí)刻，i物質(zhì)的瞬時(shí)流量。

利用壓力傳感器和溫度傳感器實(shí)時(shí)采集壓力和溫度信號(hào)，對(duì)壓力和溫度等環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，按照標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件折算不同排放污染物的瞬時(shí)密度；分別利用各種氣體傳感器，結(jié)合運(yùn)材汽車(chē)的實(shí)際運(yùn)行工況，同時(shí)監(jiān)測(cè)各種排放物的體積分?jǐn)?shù)；將某種排放物的體積分?jǐn)?shù)、瞬時(shí)流量，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下的密度、運(yùn)材汽車(chē)的實(shí)際里程等參數(shù)值代入式(1)，即可得到某種排放污染物的總排放量；分別計(jì)算各種排放物質(zhì)的總排放量，即可得到運(yùn)材汽車(chē)的排放污染物總量以及每種排放污染物的構(gòu)成比例。

圖1 運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 監(jiān)測(cè)傳感器的溫度調(diào)控原理

為降低運(yùn)材汽車(chē)排放的尾氣溫度，而將尾氣通過(guò)一段比較長(zhǎng)的不銹鋼波紋軟管，以達(dá)到監(jiān)測(cè)傳感器的工作溫度范圍。由于軟管具有冷卻及導(dǎo)氣作用，為將運(yùn)材汽車(chē)的排氣溫度調(diào)整至監(jiān)測(cè)傳感器所要求的工作范圍內(nèi)，而在各種氣體濃度傳感器與運(yùn)材汽車(chē)排氣管之間加裝軟管，并將散熱片加裝在不銹鋼波紋軟管外，以保證監(jiān)測(cè)過(guò)程的穩(wěn)定可靠和監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確有效。根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)理論確定軟管的長(zhǎng)度，計(jì)算公式見(jiàn)式(2)[14]。

Q=πD2v/4。

(2)

式中：D為加裝軟管的直徑；v為運(yùn)材汽車(chē)尾氣排放的流速；Q為運(yùn)材汽車(chē)尾氣排放的體積流量。

運(yùn)材汽車(chē)的尾氣排放流速為：

v=4Q/πD2。

(3)

在一定時(shí)間t，管道長(zhǎng)度L的計(jì)算公式為[15]：

L=vt=4Qt/πD2。

(4)

2 污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由存儲(chǔ)器件、DSP處理器和各種通信接口，共同構(gòu)成運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的嵌入式硬件平臺(tái)。利用不同的傳感器模塊，分別采集各類(lèi)排放污染物的原始數(shù)據(jù)；經(jīng)信號(hào)調(diào)理后，將尾氣信號(hào)傳輸至DSP處理器進(jìn)行分析處理，在LED屏幕上實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過(guò)無(wú)線通訊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)終端進(jìn)行分析。

2.1 監(jiān)測(cè)傳感器的選配

選用英國(guó)CITY TECHNOLOGY公司生產(chǎn)的三種電化學(xué)氣體傳感器，作為運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)傳感器。各監(jiān)測(cè)傳感器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

2.2 DSP匹配及電源電路設(shè)計(jì)

由于運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尾氣排放情況，因此，選用美國(guó)德州儀器公司的TMS320F2812作為數(shù)字信號(hào)處理器。該芯片集成度高、運(yùn)行速度快、信號(hào)處理能力強(qiáng)，硬件資源較豐富，能夠同時(shí)控制GPRS無(wú)線傳輸模塊。為保證運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行功率，選用LM2576S-5.0作為系統(tǒng)電源，利用電源調(diào)節(jié)器件的通斷，調(diào)控系統(tǒng)電源工作狀態(tài)的切換；其最大輸出電流為3A，穩(wěn)定輸出5.0 V電壓，設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖2。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

選用TMS320F2812信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換，該處理器具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。在3.3 V的滿負(fù)荷工作電壓條件下，該處理器的極限分辨率為3V/4095，即0.732 6 mV。1路A/D轉(zhuǎn)換的完成時(shí)間為80 ns，16路A/D轉(zhuǎn)換的完成時(shí)間為1.28 μs，該處理器的分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間均能滿足運(yùn)材汽車(chē)尾氣排放測(cè)量信號(hào)的需要。

3 污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

在Windows操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，選用VC++開(kāi)發(fā)了運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，主要包括排放污染物信號(hào)采集程序設(shè)計(jì)、A/D模塊程序設(shè)計(jì)和抗干擾設(shè)計(jì)3個(gè)部分。為便于針對(duì)運(yùn)材汽車(chē)的運(yùn)行工況參數(shù)值，實(shí)時(shí)采集各種排放污染物的參數(shù)值；本文開(kāi)發(fā)了運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人機(jī)交互界面(見(jiàn)圖3)。

圖2 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)方案

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人機(jī)交互界面

3.1 污染物信號(hào)采集程序設(shè)計(jì)

通過(guò)運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的友好交互界面，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)NOx、CO和HC濃度信號(hào)的同時(shí)，可以同時(shí)采集到大氣壓力、相對(duì)濕度、環(huán)境溫度等監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)信號(hào)，還可以采集到車(chē)速、加速度、轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度等運(yùn)材汽車(chē)的運(yùn)行工況參數(shù)信號(hào)。排放污染物信號(hào)采集的主程序流程圖如圖4所示。

3.2 A/D模塊程序設(shè)計(jì)

運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用A/D模塊完成數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換，A/D模塊的主程序流程如圖5所示。通過(guò)調(diào)用A/D初始化子程序，完成對(duì)A/D模塊的初始化；當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換不存在空閑時(shí)，主程序陷入死循環(huán)狀態(tài)；當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換存在空閑時(shí)，啟動(dòng)A/D模塊程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換；直至A/D轉(zhuǎn)換完畢后，再調(diào)用A/D中斷服務(wù)子程序，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；再次啟動(dòng)A/D模塊程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如此循環(huán)往復(fù)，直至完成全部A/D轉(zhuǎn)換為止。

圖4 運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)主程序流程

圖5 A/D轉(zhuǎn)換主程序流程

3.3 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

為保證運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，可靠準(zhǔn)確地采集運(yùn)材汽車(chē)的排放數(shù)據(jù)，而對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。選擇防脈沖干擾平均值濾波法，對(duì)運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行消除干擾處理。消除干擾原理可表示為[16]：

Y=(x2+x3+…+xn-1)/(n-2)。

(5)

式(5)的前提條件為x1≤x2≤x3≤…≤xn(3≤n≤14)。運(yùn)材汽車(chē)排放污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件抗干擾設(shè)計(jì)原理如圖6所示。

；。

4 污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證

4.1 汽車(chē)行駛排放污染特征分析

利用搭建的汽車(chē)排放污染物檢測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)東北林區(qū)內(nèi)的典型道路，進(jìn)行了汽車(chē)實(shí)際運(yùn)行的排放測(cè)試。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，主要以運(yùn)材車(chē)輛為試驗(yàn)對(duì)象，并以如下判斷依據(jù)，判斷車(chē)輛的運(yùn)行工況：

①怠速工況。速度為0，且加速度值在大于-0.15小于0.15 m/s2時(shí)的行駛狀態(tài)。

②加速工況。加速度值為正，且大于0.15 m/s2的行駛狀態(tài)。

③減速工況。加速度值為負(fù)，且小于-0.15 m/s2的行駛狀態(tài)。

④勻速工況。加速度絕對(duì)值不大于0.15 m/s2，且速度不為0的行駛狀態(tài)。

在以上基礎(chǔ)上，將所研究區(qū)域內(nèi)的道路分為主干道、次干路、快速路和支路4類(lèi)，進(jìn)行分類(lèi)研究。

4.2 行駛車(chē)速對(duì)排放的影響

從圖7可看出，在4類(lèi)道路中，CO排放都隨著車(chē)輛運(yùn)行速度的增加而趨于逐步降低。通常來(lái)說(shuō)，車(chē)輛在加速工況下，CO排放會(huì)隨著車(chē)輛運(yùn)行速度的增加而趨于降低更為明顯，而減速工況稍好些。其主要原因：是汽車(chē)低速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣濃度較濃，十分容易導(dǎo)致不完全燃燒，從而導(dǎo)致高速階段排放較高。

從圖8可看出，在4類(lèi)道路中，HC排放在低速段較高，而在相對(duì)高速階段排放相對(duì)較低。主要原因：在較低車(chē)速行駛時(shí)，由于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度較低，混合氣燃燒并不充分，從而導(dǎo)致HC排放較高；但，如果此時(shí)突然加速行駛，又會(huì)造成因?yàn)楣┯瓦^(guò)多，部分燃油不能完全燃燒，HC排放進(jìn)一步增加，這也是車(chē)速超過(guò)50 km/h之后而HC排放進(jìn)一步增加的原因。

圖7 速度對(duì)CO排放的影響

圖8 速度對(duì)HC排放的影響

從圖9可看出，在4類(lèi)道路中，高速階段NOx排放相對(duì)較高。主要原因：NOx的生成依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)溫度。根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度在從2 500 K到2 600 K時(shí)，NOx的生成速率會(huì)增加一倍。同時(shí)，當(dāng)車(chē)輛高速行駛時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，伴隨著氣缸內(nèi)燃燒溫度的提高，進(jìn)入汽缸中的氧濃度并不會(huì)顯著降低，從而會(huì)更導(dǎo)致利于形成高濃度的NOx排放。

圖9 速度對(duì)NOx排放的影響

4.3 行駛加速度對(duì)排放的影響

為了有效分析汽車(chē)行駛加速度對(duì)排放的影響，特選取了不同加速度區(qū)間，進(jìn)行了相關(guān)加速度對(duì)車(chē)輛排放的影響。其中加速度區(qū)間分配如下：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

由圖10、圖11、圖12可以看出，無(wú)論在何種道路類(lèi)型上行駛，CO、NOx、HC的排放隨加速度變化而變化的規(guī)律基本相同，3種污染物的排放，均隨著加速度的增加而變大。主要原因：加速度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，需要一段時(shí)間才能達(dá)到高負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的增壓器轉(zhuǎn)速和增壓壓力。短時(shí)間內(nèi)的空氣不足，空燃比低，燃料不充分燃燒，導(dǎo)致排放增高。但CO、HC的排放，在減速和勻速區(qū)間，排放變化不大，僅在減速比較大的時(shí)候，CO、HC排放稍有升高，主要原因是突然減速時(shí)由于燃料過(guò)量所致。

圖10 加速度對(duì)CO排放的影響

圖11 加速度對(duì)NOx排放的影響

圖12 加速度對(duì)HC排放的影響

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)林區(qū)道路路況條件差、運(yùn)材汽車(chē)長(zhǎng)期重載滿負(fù)荷行駛、尾氣排放污染嚴(yán)重的實(shí)際問(wèn)題，以頻繁往返于林區(qū)道路之間的運(yùn)材汽車(chē)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種尾氣排放污染物車(chē)載監(jiān)控系統(tǒng)。并依此為基礎(chǔ)，對(duì)車(chē)輛在典型路況上的行駛速度和加速度對(duì)CO、NOx、HC排放的影響進(jìn)行了實(shí)測(cè)驗(yàn)證，結(jié)果表明：CO排放，都隨著車(chē)輛運(yùn)行速度的增加而趨于逐步降低；HC排放，在低速段較高，而在相對(duì)高速階段排放相對(duì)較低；NOx排放，在高速階段排放相對(duì)較高。3種污染物的排放，均隨著加速度的增加而變大；但CO、HC的排放，在減速和勻速區(qū)間，排放變化不大，僅在減速比較大的時(shí)候，CO，HC排放稍有升高。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用車(chē)載測(cè)試方法實(shí)現(xiàn)了運(yùn)材汽車(chē)尾氣排放的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效監(jiān)測(cè)運(yùn)材汽車(chē)的各項(xiàng)排放污染物指標(biāo)，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)及車(chē)輛尾氣排放控制具有一定的推廣意義和應(yīng)用前景。

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Design of Emission Pollution Monitoring System for Wood Trucks in Woodland Road/

Li Bing, Chu Jiangwei(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-151～156

Woodland road; Wood trucks; Emission; Monitoring system

李冰，男，1978年10月生，東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，博士研究生。E-mail：great_libing@163.com。

儲(chǔ)江偉，東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，教授。E-mail：cjw_62@163.com。

2013年12月30日。

U467.4+8

1) 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(DL11BB18)。

責(zé)任編輯：張 玉。