一種機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙感檢測(cè)設(shè)備CO2吸收增量的算法研究

陳文亮，汪 鋒，張 濤，樊海春

(天津同陽(yáng)科技發(fā)展有限公司，天津 300384)

1 引言

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

為了消除煙羽擴(kuò)散對(duì)尾氣中各成分濃度的影響，通過(guò)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(cè)量。對(duì)于同一尾氣煙羽來(lái)說(shuō)，尾氣中各成分的相對(duì)體積濃度比基本保持不變[11～13]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外做機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙感檢測(cè)的廠家，其原理都來(lái)自美國(guó)環(huán)保局2004年發(fā)布的EPA420-B-04-010遙測(cè)指導(dǎo)文件[14]。該文件中通過(guò)大量的數(shù)據(jù)得出，同一尾氣煙羽中，CO、HC、NO與CO2的相對(duì)體積比近似為定值。在此基礎(chǔ)上，各個(gè)廠家都是采用上述方法通過(guò)燃燒方程來(lái)反演各污染物濃度。但不論是哪個(gè)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(jì)算、算法優(yōu)化至關(guān)重要，但目前國(guó)內(nèi)暫沒(méi)有關(guān)于CO2吸收增量的研究[15]。

為解決以上問(wèn)題，本文提出機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙感檢測(cè)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(dòng)車(chē)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(guò)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(duì)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(guò)引入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方程模型，可利用測(cè)量得到的煙羽中各組分的相對(duì)體積比，反演得到尾氣排放的真實(shí)體積濃度值。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)中，為了核查誤差，以符合國(guó)家計(jì)量要求的標(biāo)準(zhǔn)氣體來(lái)進(jìn)行測(cè)試。將標(biāo)準(zhǔn)氣體放置于一輛純電動(dòng)車(chē)后備箱中，通過(guò)管線接入模擬的排氣管中，模擬的排氣管高度處于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙測(cè)光路中。如表1所示。

車(chē)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(guò)遙感檢測(cè)設(shè)備并噴出氣體，主控程序獲取車(chē)輛從進(jìn)入到駛出過(guò)程中的所有煙團(tuán)吸收值，設(shè)備每10 ms測(cè)量一組數(shù)，其中CO2、CO的煙團(tuán)吸收值單位以ppm*m來(lái)計(jì)算，HC、NO的煙團(tuán)吸收值單位以ppm*cm來(lái)計(jì)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(chǔ)方式如表1所示。

圖1 噴氣工裝示意

表1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shì)圖，如圖2所示。

圖2 煙團(tuán)吸引趨勢(shì)

算法設(shè)計(jì)過(guò)程：

(1)當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)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(kāi)始，連續(xù)取50組數(shù)據(jù)，如果上升沿?cái)?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(diǎn)值且煙團(tuán)吸收值大于5000 ppm*m，以這個(gè)點(diǎn)作為起點(diǎn)，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(gè)條件下，算法平滑分別對(duì)不同區(qū)間的每一組數(shù)據(jù)開(kāi)始后的CO/CO2、HC/CO2、NO/CO2三個(gè)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(gè)擬合曲線分別示意，如圖4所示最高點(diǎn)區(qū)間用三個(gè)擬合曲線分別示意，如圖5所示下降沿區(qū)間用三個(gè)擬合曲線分別示意；各圖中帶標(biāo)記點(diǎn)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?cái)M合曲線

圖4 最高點(diǎn)擬合曲線

圖5 下降沿?cái)M合曲線

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

由公式(13)計(jì)算出CO2的體積濃度% CO2。

再由公式(14)、(15)、(16)分別計(jì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”(1)中②的要求，取CO2煙團(tuán)吸收最高點(diǎn)值且增量值大于5000 ppm*m的點(diǎn)，以這個(gè)點(diǎn)作為起點(diǎn)，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(shí)，計(jì)算前50組數(shù)據(jù)，此時(shí)算法按“實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”(2)執(zhí)行。

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

(4)當(dāng)數(shù)據(jù)量在10～30組之間時(shí)，取最大值數(shù)據(jù)，比如15組數(shù)據(jù)，此時(shí)算法按照“實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)往后的吸收增量要大，故取完上升沿?cái)?shù)據(jù)后，需要結(jié)合CO的煙團(tuán)吸收增量計(jì)算出一個(gè)系數(shù)k，具體如下。

假設(shè)以N1升代表上升沿第一個(gè)數(shù)，N15升代表上升沿最后一個(gè)數(shù)；N1降代表下降沿第一個(gè)數(shù)，N15降代表下降沿最后一個(gè)數(shù)。分別計(jì)算(N1升+N1降)/2、……(N15升+N15降)/2，以此30個(gè)數(shù)做出散點(diǎn)圖，k值為此散點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)，無(wú)論算法如何調(diào)整和優(yōu)化，都無(wú)法形成有效的擬合曲線，此時(shí)舍棄本次采集到的數(shù)據(jù)，說(shuō)明本次過(guò)車(chē)過(guò)程沒(méi)有捕獲到污染物排放或者是非機(jī)動(dòng)車(chē)通過(guò)。

(6)考慮到機(jī)動(dòng)車(chē)正常行駛過(guò)程中，影響因素比較多，比如：風(fēng)速、車(chē)速、加速狀態(tài)等，都會(huì)對(duì)污染物排放造成一定影響。在風(fēng)速大于5.0 m/s、車(chē)速大于60 km/h的條件下，捕獲率隨機(jī)性太大，數(shù)據(jù)無(wú)效。

5 結(jié)論

本文提供了一種機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙感檢測(cè)設(shè)備二氧化碳(CO2)吸收增量的算法研究，主要是針對(duì)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(diǎn)、下降沿等。

通過(guò)上述步驟測(cè)試文中算法，實(shí)際模擬測(cè)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(shí)際純電動(dòng)車(chē)?yán)瓨?biāo)氣測(cè)試數(shù)據(jù)