Метод нейтрализации выхлопных газов автомобиля основан на применении замкнутой системы управления каталитическими преобразователями, управлении работой катализатора. В качестве способа управления используется управление подогревом катализатора, что увеличит скорость протекания химической реакцией по нейтрализации вредных веществ и тем самым снизит количество неочищенных газов.
Работа такой системы может осуществляться как локально проводной или беспроводной связью, так и с использованием системы ГЛОНАСС (ЭРА-ГЛОНАСС).
«ЭРА-ГЛОНАСС» - система спутникового мониторинга транспорта, предназначенная для автоматического оповещения служб экстренного реагирования при авариях и других чрезвычайных ситуациях. Система включает навигационно-телекоммуникационные терминалы, устанавливаемые на транспортные средства, и соответствующую инфраструктуру операторов мобильной связи и экстренных служб.
Метод системы управления нейтрализации выхлопных газов автомобиля (ЗСУНВГА) имеет 3 варианта:
- простейшая структура, разомкнутая – только контроль
- локальная структура, замкнутая – контроль+нейтрализация ВВГ
- глобальная структура, замкнутая – контроль водителем+нейтрализация ВВГ+контроль диспетчером ПРИРОДНАДЗОРА
Первый вариант имеет катализатор с подогревателем, контроллер для управления нагревателем, датчики измерения ВВГА. Принцип действия такой системы заключается в том, что датчики измеряют количество CO, CH, NOx и передает информацию на индикаторы для визуализации водителя.
Второй вариант, кроме перечисленных в первом варианте элементов, имеет индикатор ВВГА для визуализации водителя. Информация о состоянии выхлопов поступает на индикатор на приборной панели автомобиля и на контроллер, который изменяет температуру в катализаторе.
Замкнутая система включает в себя катализатор с подогревом, контроллер для управления нагревателем, датчики измерения ВВГА, индикаторы ВВГА на приборной панели, модуль ГЛОНАСС, модуль GPRS. Информация с датчиков, стоящих после катализатора, поступают на контроллер, на индикаторы ВВГА и через GPRS передаются на сервер. На сервере происходит сравнивание текущих результатов и норм ПДК загрязняющих веществ, и, в случае, если ВВГА превышают норму ПДК, на контроллер дается команда диспетчером о повышении температуры в катализаторе.
Для того чтобы увеличить эффективность и срок эксплуатации катализатора было принято решение о перемещении катализатора в конец выхлопной системы. Таким образом, катализатор работает в режиме стабилизации и не перегревается. На рисунке 9 изображена схема ЗСУНВГА.
Рисунок 9 - Схема ЗСУНВГА
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении ЗСУНВГА (см. рис.2) является повышение эффективности очистки отработавших газов и надежности (ресурса) катализатора за счет того, что в устройство дополнительно введены датчик концентрации окиси углерода[1], датчик концентрации окислов азота, датчик концентрации углеводородов, блок индикации вредных выбросов – для водителя, блок индикации вредных выбросов – для диспетчера технадзора, блок беспроводной связи с блоком управления нагревателем катализатора, а вход – с передатчиком ГЛОНАСС.
Катализатор с теплонагревателем конструктивно перемещается за глушитель с целью наиболее простого решения задачи стабилизации температурного режима для эффективного процесса катализа.
Рис. 2 Схема ЗСУНВГА (1 - Двигатель, х1- СО + О2, 2 - Выхлопная труба, х2 - СО, 3 - Катализатор, х3 - Остаток СО – СО* и СО2, 4 - Датчик СО, х4 – Информация о конценрации СО**, 5 - Передатчик автомобиля, х5 – сигнал передатчка автомобиля, 6 – Приемник GPRS, х6 – сигнал с приемника GPRS, х7- ПДК по СО, ∆ - ошибка регулирования, 7 –Передатсчик системы GPRS, х8 – Сигнал с передатчкика GPRS, 8 - Приемник автомобиля, х9 – Сингал с приемника автомобиля, 9 - Контроллер автомобиля, х10 – сигнал с контроллера, 10 – Нагреватель, х11 – Тепловое воздействие на катализатор)
Локальная система отличается от системы с включением блоков ГЛОНАСС заменой блоков модуля ГЛОНАСС на соответствующие соединения внутри автомобиля.
ЗСУНВГА (см. рис.2) основана на системе управления работой катализатора. В качестве способа управления предлагается использовать нагревание катализатора до его рабочих температур. Электрический нагрев катализатора дает возможность обойтись без энергии затрачиваемой двигателем на нагрев катализатора горячими газами.
Предлагается три типа системы нейтрализации ВВГА:
Система нейтрализации выхлопных газов автомобиля (СУНВГА) с оператором (водителем) нагревание катализатора производится сразу при включении двигателя от источника-генератора с преобразователем [].Представляет самый простой вариант системы. Датчики передают измеренные данные на контроллер, который с помощью программы определяет допустимый порог концентрация загрязняющих веществ (ЗВ). В случае превышения, контроллер подает тревожный сигнал на индикатор, размещенный на приборной панели. Водитель, получивший сигнал принимает решение по устранению неисправности.
Система нейтрализации выхлопных газов автомобиля с оператором (рис. 4)
Рис. 4 Разомкнутая система нейтрализации выхлопных газов автомобиля
включает двигатель, лямбда-датчик, резонатор, глушитель, катализатор, датчики СО, NОx, контроллер, который считывает информацию о концентрации ВВГА и подает сигнал на индикатор, который в свою очередь сигнализирует о превышении BBГА (загорается «красная лампочка» на индикаторе).
Локальная замкнутая система нейтрализации выхлопных газов автомобиля (ЛЗСУНВГА). Измеренные концентрации ЗВ также передаются на контроллер, который управляет нагревателем, расположенным в катализаторе, доводя его до оптимальной рабочей температуры в режиме автоматического регулирования. При этом обеспечивается минимизация ВВГА в соответствии с предельно допустимой концентрацией (ПДК) ВВА установленной нормой стабилизации (рис.5).
ЛЗСУНВГА включает двигатель, лямбда-зонд, катализатор с теплонагревателем, датчики СО, NОx, CH резонатор и глушитель. К датчикам СО, NОх, CH и катализатору с теплонагревателем подведен контроллер, который считывает информацию о количестве ВВГА, подает сигнал на индикатор, который сообщает о превышении ВВГА, управляет теплонагревателем катализатора в составе замкнутой автоматической системы регулирования. Сравнение измеренных величин ВВГА с установленными по нормам происходит на контроллере.
Рис. 5 Локальная система нейтрализация выхлопных газов автомобиля.
Глобально замкнутая система управления нейтрализацией выхлопных газов автомобиля (ГЗСУНBГА) совмещает в себе принцип работы ЛЗСУНBГА с передачей измеренных данных на сервер системы. Сигналы с датчиков ВВГА поступают на приемники GPRS. Там происходит их регистрация и по автоматической обратной связи преобразование в управляющие сигналы блоков компенсации ВВГА, которые в свою очередь изменяют установку в исполнительных элементах в сторону минимизации ВВГА.(рис.6)
Рис. 6 Глобальная замкнутая система нейтрализации выхлопных газов автомобиля
Представленные на рис.6 система включает следующие элементы: двигатель, лямбда-зонд, резонатор, глушитель, катализатор с теплонагревателем, датчики СО, NОx, СН модуль GPRS. К датчиками СО, NОx, CH подключен модуль GPRS (считывает информацию и передает ее на сервер системы, которая в свою очередь принимает информацию, сравнивает и в дальнейшем передает ее диспетчеру «Росприроднадзора») и контролеру который подключен к катализатору с теплонагревателем. Контроллер считывает информацию о количестве ВВГА подает сигнал на индикатор, как и в п.1 сообщает, управляет теплонагревателем как в п.2, но теперь уже в составе замкнутой системы регулирования с включением модуля GPRS. Сравнение измеренных величин ВВГА с установленными по нормам происходит на сервере.
Далее рассматривается предварительный расчет ЗСУНВГА как САУ. На первом этапе такой расчет проводится только для нейтрализации CO.
2 Расчет замкнутой системы управления нейтрализацией выхлопных газов автомобилей (ЗСУНВГА)
2.1 Структурная схема замкнутой системы управления нейтрализацией выбросов автомобилей
На рисунке 2.1 показана упрощенная схема работы ЗСУНВГА, как САУ для общего случая, - применения ГЛОНАСС.
Рисунок 2.1 - Принципиальная схема работы
Источником ВВГ (возмущающего воздействия) является двигатель автомобиля, где в процессе горения образуются выхлопные газы. Далее смесь этих газов поступает на катализатор, где происходит процесс химической нейтрализации. После чего, уже смесь CO и CO2по выхлопнойтрубе поступает на датчик, который измеряет концентрацию CO. Полученный результат сравнивается с предельно допустимой нормой и в итоге вырабатывается сигнал ошибки. Эти действия происходят, либо в локальной системе на микроконтроллере, либо в центре обработки «ЭРА-ГЛОНАСС». В последнем случае связь осуществляется только при помощи беспроводной связи передача-прием. Далее сигнал ошибки поступает на устройство управления, микроконтроллер, которое в свою очередь, вырабатывает управляющий сигнал, необходимый для устранения ошибки. Этот управляющий сигнал поступает на исполнительное устройство, в нашем случае это нагреватель, который стабилизирует температуру катализатора в требуемом диапазоне с тем, чтобы происходила наиболее эффективная нейтрализация CO.
В процессе расчета ЗСУНВГА как САУ решаются следующие задачи:
- оценка функционирования и выбор звеньев системы.
- обеспечение устойчивости ЗСУНВГА;
- обеспечение качества ЗСУНВГА.
На рисунке 2.2 изображена структурная схема ЗСУНВГА со звеньями, представленными передаточными функциями.
где: W1(p) – передаточная функция катализатора, которая связывает управляющий сигнал U(t) с количеством y1(t), оставшихся в выхлопных газах CO, не вступивших в очистную реакцию, а передаточная функция W1(p) связывает входное воздействие x(t) с результатом нейтрализации, - CO2;
W2(p) – передаточная функция прохождения ЗВ через выхлопную трубу, до датчика, измеряющего концентрацию CO;
W3(p) – передаточная функция измерительного устройства (датчика);
W4(p) – передаточная функция устройства передачи сигнала с автомобиля;
W5(p) – передаточная функция принимающего устройства, входящего в состав системы ГЛОНАСС;
W6(p) – передаточная функция устройства передачи сигнала, входящего в состав ГЛОНАСС;
W7(p) – передаточная функция принимающего устройства расположенного в автомобиле;
W8(p) – передаточная функция управляющего устройства;
W9(p) – передаточная функция исполнительного устройства (нагревателя).
Рисунок 2.2 - Структурная схема предлагаемого метода нейтрализации
В том случае, когда катализатор выполнен с встроенным в него нагревателем [3], передаточная функция будет иметь вид W10(p)=W1(p)*W9(p), а управляющий сигнал (электрическое напряжение) будет U(t).
- y3(t) – измеренная датчиком концентрация CO.
- z(t) – сигнал ошибки, выходящий со сравнивающего устройства. z(t) = y5(t) – y*50(t), разность измеренного и допустимого количеств CO.
- ul(t) – управляющее воздействие от нагревателя.
- u(t) – управляющее воздействие от устройства управления.