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基于digital tachograph 的装置改良与行车节能系统的搭建

作者:2015-07-30 15:21文章来源:未知

  1 研究的目的和意义

  1.1 研究背景

  根据MinghuiTao,LiangfuChen 等人的研究,2013 年1月10 日中国华北地区、华东地区受不同程度的雾霾影响,如图1 所示。同月,北京持续受到雾霾天气的影响。该研究又分别为我们提供了2001 年到2013 年石家庄、郑州的年PM10 污染情况。分析以上的资料得知,治理雾霾应当是中国目前刻不容缓的任务之一。雾霾的形成与化石燃料的燃烧密切相关, 在全球因燃烧矿物燃料而产生的CO、HC 和x NO 排放量中,机动车排放量约占50%; 空气中CO 含量的90%~95%、HC 和x NO 含量的80%~90% 以及大部分颗粒物来自行驶的机动车。可见汽车尾气是形成雾霾的重要原因之一。

  1.2 减少汽车尾气排放的方法和该产品完成的部分工作

  尾气排放控制方法有以下三类:①改进驾驶员操作;②改进发动机的设计;③尾气后处理。国内外的研究重点主要集中在第②和③,忽视了①。该方法显然不适合我国的人口现状。因此忽略①的治理,环境压力会明显增大。

  驾驶员的操作对汽车尾气的排放主要体现在调节空气燃料比和调节燃料时间,由空燃比与污染物排放的关系可见,轻微的贫燃可使HC 和CO 的生成减到最小,而x NO 在很贫或很富的空燃比下排放最少。在空转时,多数发动机需要富燃混合物,以补偿在气缸中的残余燃烧产物,因此空转过程中CO 的排放量是最高的。减速时,气缸中有残留燃料,导致未燃烧的HC 水平较高,CO 的浓度随空气- 燃料比的减少而增加,所以在空转和减速时CO 浓度较高。在需要高功率(如在最大加速)时,产生的CO 浓度比中等功率巡行时为高,中等功率巡行时CO 的排放量最低。

  通俗地说,这种影响体现在不同驾驶习惯产生的加速、减速剧烈程度。有研究者利用车载测量的方式对汽油轿车在不同驾驶习惯下的排放特征进行了测试,实验结果表明, 激进冲动的驾驶习惯及其它不规范的驾驶操作与正常的驾驶习惯相比可以使油耗增加30%~40%,废气污染物也大大增加,HC 甚至可以增加到正常驾驶习惯下的4 倍。另一个证明这种影响的案例为郭耀骏的研究,其研究表明,不同驾驶水平的驾驶员在相同条件下驾驶相同的汽车,油耗可相差20%~40%。

  因此,我们的产品完成的主要工作为改良digital tachograph的装置,改进了原装置耗费大量人力物力的数据记录、储存和传递方式,增加了实时警告驾驶员的警报系统和改良了原装置易被篡改的身份认证系统,科学地采集相关数据并确定适合我国的评判标准,帮助驾驶员形成良好的驾驶习惯,构建行车节能系统,减少汽车尾气的排放从而缓解雾霾现状。

  1.3 国外案例典范——日本的经典节能环保

  早在上世纪50 年代,日本强制性地要求一些高速运行的巴士安装digital tachograph,以监督超速,运行时间及驾驶员疲劳程度等。本世纪初,日本接着对这个设备进行初步改造,其中最引人注目的革新者为西日本铁道公司。其改良的主要手段为:实现每隔半小时对汽车的运行情况采集一次数据,将数据送到各个分公司里进行电脑解读,通过分析系统对这些数据进行分析,公司利用这些数据对每个驾驶员的驾驶情况进行细微的监督,如运行的最高速度,发动机空转的时间,急速启动的次数,引擎转速等,在数据分析的基础上对每一个驾驶员的驾驶技术进行考评,通过评比制度与奖惩制度规范驾驶员的操作。结果digital tachograph的使用大大提高了公司的驾驶员水平,催生了实际运行中较优良的驾驶模式,特别是在减少汽车发动机空转的方面,大大减少了汽车尾气向大气中的碳排放,同时提高了行车的安全性,缓解了汽车尾气对环境造成的压力。

  1.4 国内应用与研究现状

  在中国大陆,digital tachograph 并没得到应用,仅出现了类似的装置“汽车行驶记录仪”,其可视为一种简化的粗放型DT 装置。经过张明明等人的研究,20 多年来, 汽车行驶记录仪在我国的研究和应用几经起伏, 虽然在法律依据、产品标准和产品技术水平方面取得了长足进步, 但其应用效果还没有完全展示出来,存在以下个3 个主要问题:①缺乏统一认识和足够的理解,汽车行驶记录仪的安装只是增加了一个摆设而已, 并没有发挥应有的作用;②法律法规及标准尚须细化和完善。我国汽车行驶记录仪应用管理的法律体系还仅仅是一个初步搭起的框架,例如,国标GB/T19056-2003 对记录仪的结构、功能、技术指标和测试方法等方面都做出了明确规定,但对于通信协议和数据格式并未做具体统一的规定;③售后服务严重滞后。目前我国还没有形成维修服务网络,现有的记录仪生产厂家, 在售后服务上均存在较严重缺陷, 主要表现为服务网点很少、人力与资源缺乏等问题。而且目前的售后服务同于一般的电子产品, 没有考虑到记录仪作为一种交通执法辅助工具应有的特殊对待( 精确严格的校准、维修及更换等服务)。

  2 基于digitaltachograph 的装置改良

  digitaltachograph 原型机存在以下6 个不足之处:①与I/M制度(机动车检查维护制度)分开,没有构建完整的行车节能系统;②数据采集的目的性不明显,不利于对驾驶员进行客观公正的评判;③没有与尾气处理装置联合使用;④数据储存方式大量浪费人力物力;⑤缺少警告驾驶员的警报系统;⑥插卡身份认证容易被篡改。

  车辆运行参数上我们借鉴digital tachograph 原型,沿用了一套数据采集方案,主要内容有单次身份验证后所行驶和停靠怠速的时间、该时间内的单位时间速度等,工作原理如图5 所示。同时为促进节能,我们增加了2 项测量参数,均利用OBD测量:

  (1)行车温度。汽车行车温度直接影响行车燃料的消耗。首先进气温度影响燃料的气化,水温又影响气缸及机体各部分的表面温度。适宜的水温有利于汽油气化和进气均匀分配,使机油保持正常粘度和润滑性能,减少摩擦阻力,节省燃油。

  (2)车辆起步与运行档位。相关研究表明,城市公共汽车一个班(按8h 算)需停靠150-200 次,若做好起步,仅这项就可节油1750ml。

  装置尾气排放数据利用车载诊断系统OBD- Ⅱ监控三元催化转化器的双氧传感器法进行采集,主要针对HC、CO 和x NO三种汽车尾气主要污染物。如果是新鲜催化器,因其储氧能力强而使下游氧传感动态响应曲线的振幅变小;反之如果是老化的催化器,则下游氧传感器信号电压的波形非常接近上游氧传感器。

  尾气排放数据方面我们结合中国排放法规,利用OBD进行处理。对于其中发动机失火检测我们借鉴了MahieuV,DuponcheeleP 等人的方法。

  3 基于改良装置的行车节能系统的搭建

  查阅相关文献,国家在机动车节能技术上制定了措施,但仍然存在许多问题:①政府有意识的推广行车节能,但由于近年来国内外复杂的形势,2008 年后行车节能工作有所停滞;②没有构建行车——监管——维修的完整系统,即使DT 和OBD技术能得到应用,也只能靠民众自觉进行节能减排,效益低;③相关部门通过I/M 制度发现机动车存在问题前,超标尾气已对大气环境造成了一定程度的污染。针对以上问题改良DT 装置,搭建行车节能系统。。

  数据采集后经51单片机处理器初始化GPRS 模块TC35,使之附着在GPRS 网络上,获得网络运营商动态分配的GPRS 终端IP 地址,并与目的终端建立连接进行数据传输。数据传输至终端后,对数据进行波形的显示和分析。由GPRS 模块MC35 与上位机组成接收机和汽车无线通讯。嵌入式GPRS 无线通信模块主要由嵌入TCP/IP 的单片机、GPRS 模块、SIM 卡座、外部接口和扩展数据存储器等部分组成。AT89C52 控制GPRS 模块接收和发送信息,通过串口和外部控制器进行数据通信。用软件实现中断,完成数据的转发。

  4 预计应用前景

  我们引用灰色GM(1,1)模型进行2015-2018 年中国私人汽车的数量的预测。数学表达为:^ (1)X (t 1)  3479e0.2298t  2708.3(公式4-1)预测数列(0) ^X 的推导式: X (0) (t 1)  (X (1) (t 1)  X (1) (t))(公式4-2)根据余晨曦在汽车拥有量与石油消费量上作的分析[14],设未来石油消费量的预期值为t Y,其具有不可预测性,我们可对其预期变化的一部分, 即石油消费量t Y 作局部调整,该估计模型的数学表达如下:1 ln 4.3024 0.4518ln 0.2643ln t t t Y X Y(公式4-3)预期需求的模型估计式:e 346.5392 0.6141t t Y  X (公式4-4)由模型可知,近期汽车数量每增加1 万辆,石油消费量将增加0.4518 万吨标准煤的石油量,远期将增加0.6141 万吨标准煤石油量。2015-2018 年使用改良DT 与节能系统后理论上可减少的能耗如表4-1 所示,在目前无法大幅度改进发动机的动力结构和供能方式的现状下,改良DT 装置与行车节能系统的应用将大大减少因机动车驾驶员操作不当、车辆故障等问题造成的能源浪费,在交通领域节能减排的工作上具有可行性和高效性,预示着广泛的应用前景,特别是在中国这个人口大国。此外,行车节能系统的搭建还能为我国增加一条新的产业链,在一定程度上缓解就业压力。

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