基于汽車排放及大氣污染對汽車智能空調(diào)設(shè)計理念的論述

劉其林 康光景

摘 要：本文基于對大氣污染的分析，說明“雙向監(jiān)測駕駛室空氣品質(zhì)的汽車空調(diào)智能控制系統(tǒng)及方法”這一項目存在的現(xiàn)實意義，旨在為駕乘人員營造更好的駕駛乘坐環(huán)境。重點分析汽車各種排放對大氣的污染以及和汽車空調(diào)之間的關(guān)系，及汽車智能空調(diào)所能實現(xiàn)的功能對駕駛員及乘客帶來的利處。

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

1 分析背景

工業(yè)革命以來的一個多世紀，由于內(nèi)燃機以及鍋爐等的大量使用，大氣環(huán)境惡化，大氣污染越來越嚴重，歷史上曾爆發(fā)過幾次大氣污染造成的惡性事件，如英國煙煤型大霧、美國的洛杉磯光化學煙霧等，造成大量的人員患病死亡、嚴重的經(jīng)濟損失以及大量樹木枯黃死亡，全球?qū)Υ髿猸h(huán)境越來越重視。

所謂大氣污染是指由于人類活動或自然過程引起某些物質(zhì)進入大氣中，呈現(xiàn)出足夠的濃度，達到足夠的時間，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入到大氣，當這些污染物超過大氣環(huán)境所能承載（稀釋、降解）的能力，就會導(dǎo)致大氣污染物在大氣中相對聚集，濃度達到一定值后，便導(dǎo)致了大氣污染。

2 汽車排放對大氣的影響

2.1 汽車排放污染的分布特點

（1）汽車排放污染主要集中在大城市，1994年我國人口達到100～200萬的城市，NOx超標率為17.9%，人口在200萬以上的城市超標率達到19.5%。

（2）機動車排放污染多發(fā)生在道路網(wǎng)密集、交通繁忙的地區(qū)。我國大氣環(huán)境中NOx污染多發(fā)生在大城市，超標嚴重的區(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 汽車排放對空氣質(zhì)量的影響

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

自80年代以來，我國汽車保有量迅速增長，隨著城市化的進程，汽車保有量增加相對集中在大城市，導(dǎo)致大量汽車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)，其主要原因為機動車尾氣排放與燃煤，以北京為例，在北京中心城區(qū)堵車時PM2.5增加至平時值的4-6倍，另外由于城市峽谷效應(yīng)的存在，機動車在兩邊高樓林立的街道行駛時排放的尾氣不易擴散，且車流量大，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，機動車的尾氣排放是城市區(qū)域性大氣污染的主要來源。

3 現(xiàn)有汽車空調(diào)功能及其局限性

汽車空調(diào)即汽車空氣調(diào)節(jié)裝置（air conditioning device），用于把汽車車廂內(nèi)的溫度、濕度、空氣清潔度及空氣流動調(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，對確保安全行車起到重要作用的通風裝置。一般包括制冷裝置、取暖裝置和通風換氣裝置。這種聯(lián)合裝置充分利用汽車內(nèi)部有限的空間，結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，是國際上流行的現(xiàn)代化汽車空調(diào)系統(tǒng)[4]。

汽車空調(diào)目前也存在著許多問題及功能的局限性需要解決。

（1）除了汽車尾氣排放會影響大氣的空氣質(zhì)量，汽車空調(diào)的運行也會排放一定的溫室氣體，目前，汽車空調(diào)使用的工質(zhì)為HFC134a，其作為一種過渡性質(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，汽車空調(diào)運行引起的溫室氣體排放量約為汽車尾氣溫室氣體排放量的2%～10%，且隨著汽車發(fā)動機的性能的不斷提升，占有率也會相應(yīng)的增加。

（2）另外，汽車空調(diào)運行時的功率大約相當于2至3臺家用空調(diào)，空調(diào)系統(tǒng)中最消耗能量的是壓縮機，汽車空調(diào)消耗的功率約占發(fā)動機輸出功率的10%至15%，結(jié)果就會導(dǎo)致汽車空調(diào)的使用提高發(fā)動機的負擔，提高機動車的耗油量，對汽車空調(diào)性能的改進會一定程度上提高汽車的使用經(jīng)濟性。

（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，現(xiàn)存的汽車空調(diào)功能較為單一，有一定的局限性。

4 汽車空調(diào)智能化的實現(xiàn)及現(xiàn)實意義

4.1 汽車空調(diào)智能化的必要性

4.1.1 汽車外部狀況

由上文結(jié)論，汽車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)嚴重，汽車空調(diào)作為汽車內(nèi)部的空氣凈化裝置，其智能化的開發(fā)設(shè)計是個必然的趨勢。在城市道路環(huán)境中，駕駛員需集中精力操縱車輛，智能化的汽車空調(diào)可以在不分散駕駛員注意力的情況下，完成汽車內(nèi)部空氣的更換。

4.1.2 汽車內(nèi)部狀況

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

4.2 汽車空調(diào)智能化的實現(xiàn)

我們小組提出了一種雙向監(jiān)測駕駛室空氣品質(zhì)的汽車空調(diào)智能控制方法，通過對汽車內(nèi)部以及外部進行有關(guān)大氣污染物的檢查，以集成傳感器與單片機為處理媒介和技術(shù)基礎(chǔ)，并借助于設(shè)計算法，來保障行駛過程或者怠速過程中駕駛室內(nèi)空氣品質(zhì)的安全性。

5 雙向監(jiān)測駕駛室空氣品質(zhì)的汽車空調(diào)智能控制系統(tǒng)及方法設(shè)計原理

5.1 傳感器布設(shè)

在設(shè)計檢測路徑和傳感器布設(shè)的方面，考慮到車內(nèi)外集聚的有害氣體含量不盡相同，且在汽車行駛或者怠速情況下，車內(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，我們選取在車內(nèi)外各自布設(shè)一個傳感器。

關(guān)于氣體收集方法的特殊說明：由于沉積法收集氣體極大降低了裝置的靈敏度，在裝置正式使用過程中，容易影響可靠性，因此對于氣體收集將采取兩種方式進行，處于空調(diào)濾芯處的傳感器利用冷卻風扇的吹動進行聚集，位于駕駛室內(nèi)的傳感器可根據(jù)壓強原理在空調(diào)管路設(shè)置低壓高壓區(qū)進行空氣自動沉積（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

在對具體的運行工況進行討論時，分為車內(nèi)和車外兩部分。

5.2.1 車內(nèi)傳感器的算法設(shè)計（圖2）

車內(nèi)傳感器感應(yīng)車內(nèi)的二氧化碳、甲醛、一氧化碳、氧氣以及車內(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中進行處理。一氧化碳和甲醛歸為一類，它們都有毒性，會對駕乘人員造成安全威脅，單片機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內(nèi)環(huán)境的舒適性，最后分析車內(nèi)顆粒物的濃度信息。對它們的濃度進行判斷（是否超過對應(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 車外傳感器的算法設(shè)計（圖3）

車外的傳感器相對簡單，只測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進行相應(yīng)處理。外側(cè)一氧化碳的濃度同樣影響駕乘人員的安全，通過監(jiān)測其濃度還能檢測車輛問題，外側(cè)顆粒物的濃度則關(guān)系到能否開窗通風。在單片機中對濃度是否超過對應(yīng)氣體閾值進行判斷，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進行軟件編寫，并將程序下載至stc89c52單片機，通過LCD1602液晶顯示器進行顯示，之后通過MATLAB設(shè)計的算法進行數(shù)據(jù)處理。

6 創(chuàng)新特色

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

（2）算法完備、處理效率高：基于單片機對采集到的氣體信息進行處理，并通過程序計算模擬輸出結(jié)果;

（3）系統(tǒng)實用性高：對駕駛?cè)诉M行警告并自動進行應(yīng)急處理;

（4）系統(tǒng)移植性好，市場廣泛：每款車都具備汽車空調(diào)，對有汽車空調(diào)智能化的需求。

7 應(yīng)用前景

汽車空調(diào)是目前汽車產(chǎn)品的必備功能，且國內(nèi)汽車市場仍然龐大，因此對汽車空調(diào)的智能化屬于必備要求。較大的汽車銷量，提供了汽車空調(diào)智能控制系統(tǒng)廣闊的市場。本產(chǎn)品面對全國范圍內(nèi)廣闊的汽車市場，具有以下優(yōu)勢：（1）本方案以宜人性為出發(fā)點，具有較強的產(chǎn)品力;（2）項目易于操作，推廣便利，效果顯著，容易獲得廣大駕駛員的接受;（3）系統(tǒng)會實時更新維護，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。一旦產(chǎn)品批量生產(chǎn)投入市場，得到汽車廠家的采購，本系統(tǒng)將會為保障人體健康做出貢獻。

8 結(jié)論

隨著工業(yè)化的進程，大氣的污染越來越嚴重，汽車的尾氣排放是其中的主要來源之一，在城市內(nèi)部，汽車排放是造成大氣污染的最大的原因，運行在城市中的汽車，同時還要面對汽車內(nèi)部污染氣體的威脅，汽車空調(diào)的智能化是一個必然的趨勢，在各種空氣質(zhì)量的運行工況下，保證汽車內(nèi)部空氣的清潔，以保證舒適性、空調(diào)壽命和行駛安全。

參考文獻：

[1]《環(huán)境科學大辭典》編委會.環(huán)境科學大辭典（修訂版）[M].中國環(huán)境科學出版社，2008.

[2]范秀英，張微，韓圣慧.我國汽車尾氣污染狀況及其控制對策分析[J].環(huán)境科學，1999（05）：105-111.

[3]賀克斌，郝吉明，傅立新，李銘哲，劉陽.我國汽車排氣污染現(xiàn)狀與發(fā)展[J].環(huán)境科學，1996（04）：80-83+96.

[4]陳家瑞.汽車構(gòu)造：人民交通出版社，2001.