автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и исследование метода измерения дымности отработавших газов дизелей

Асхабов Андрей Михайлович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЕЙ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005015805

Красноярск - 2012

005015805

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (г. Красноярск)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Блянкинштейн Игорь Михайлович

Официальные оппоненты Подвезенный Валерий Никифорович

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», кафедра топливообеспечения и горючесмазочных материалов, профессор.

Бразовский Василий Владимирович

кандидат технических наук, доцент, ФГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», кафедра физических методов и приборов контроля качества, доцент.

Ведущая организация Открытое акционерное общество

«Научно-исследовательский институт автомобильного транспорта» (ОАО «НИИАТ»), г. Москва

Защита состоится 25 мая 2012 г. на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.05 при Сибирском федеральном университете по адресу: г. Красноярск, ул. Киренского 26, ауд. УЖ 115. ВЛЬ°°>х.йсоо.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского федерального университета.

Автореферат разослан 25 апреля 2012 г. Ученый секретарь

диссертационного совета '/ Непомнящий Олег Владимирович

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы всё большее распространение на автомобильном транспорте получают дизельные двигатели. Следствием этого является увеличение доли загрязнений атмосферного воздуха отработавшими газами (ОГ) дизелей, что обуславливает необходимость их контроля.

Первые приборы контроля дымности ОГ, основанные на оптическом методе, появились в Германии в 1939 г. (дымомер Bokemueller). Исследованиям контроля токсичности ОГ и разработке дымомеров посвящены работы специалистов компаний: Volvo, Percins - 1946 г., BP, Hartridge - 1953 г. Среди отечественных ученых, занимавшихся вопросами контроля токсичности ОГ дизелей и разработкой средств измерения, в первую очередь следует отметить В .И. Смайлиса, В.А. Звонова, Г.Б. Розенблита, К.Н. Очередного и др. Тем не менее в исследованиях как зарубежных, так и отечественных авторов нет сведений об измерении дымности ОГ дизелей при помощи видеорегистрации.

Применяемые сегодня средства измерения дымности ОГ дизелей основаны на оценке поглощения света отработавшими газами в видимом спектре (оптический метод), что закреплено в международных стандартах (Правила ЕЭК ООН № 24, ISO 3173), а также в ГОСТ Р 52160-2003, гармонизированном с вышеназванными стандартами. Стандартизированный показатель дымности ОГ (коэффициент поглощения света К, м-1, либо коэффициент ослабления света N, %) дает только обобщенную оценку качества протекания рабочего процесса в двигателе и его технического состояния, не разделяя при этом ОГ на компоненты. Следовательно, общий показатель дымности обладает ограниченной информативностью при оценке технического состояния дизелей. Разделение общего показателя дымности ОГ на компоненты позволило бы повысить информативность процесса диагностирования дизеля, однако методики и инструментарий для проведения данной процедуры, согласно доступным источникам, неизвестны. Поэтому разработка методов и средств дифференцированной регистрации и анализа составляющих дымности ОГ дизелей на основе последних достижений в области вычислительной техники, программного обеспечения и систем технического зрения является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы — разработка и исследование видеорегистрационного метода измерения дымности ОГ дизелей и аппаратных средств его реализации.

Задачи исследования:

1. Установить зависимости, связывающие непрозрачность и цветовые характеристики ОГ.

2. Разработать метод измерения дымности ОГ дизелей, основанный на цифровой видеорегистрации потока ОГ.

3. Выявить влияние локальной освещенности на точность измерения дымности ОГ дизелей разработанным методом и обосновать вид статических регрессионных и динамических моделей, связывающих регистрируемые цветовые параметры ОГ со стандартизированными показателями дымности.

4. Провести оценку адекватности статических регрессионных и динамических моделей экспериментальным данным, определить вариации и закономерности формирования их параметров в контексте диагностирования технического состояния дизелей по цветовым характеристикам дымности ОГ.

Объект исследований - методы и средства измерения дымности ОГ дизелей на режиме свободного ускорения.

Предмет исследования - повышение информативности измерения дымности ОГ для оценки технического состояния дизелей на основе применения элементов технического зрения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Видеорегистрационный метод измерения дымности ОГ дизелей.

2. Зависимости, связывающие непрозрачность и цветовые характеристики изображений ОГ, предназначенные для определения дымности ОГ дизелей путем анализа цветности изображений ОГ программными средствами.

3. Модели, связывающие цветовые параметры ОГ, регистрируемые разработанным методом, со стандартизированным показателем дымности ОГ, при различных вариантах локальной освещенности.

4. Аппаратно-программный измерительный комплекс для определения дымности ОГ дизелей.

Научная новизна:

1. Разработан метод измерения дымности ОГ дизелей, основанный на элементах технического зрения, предусматривающий видеосъемку и обработку в режиме реального времени изображений ОГ на фоне черно-белого экрана, позволяющий разделять поток ОГ на черные и белесые компоненты, проводить их раздельную обработку и анализ формирования во времени.

2. Установлены зависимости, связывающие непрозрачность и цветовые характеристики изображений ОГ, позволяющие на основе измерения цветности изображений программными средствами регистрировать и анализировать непрозрачность потока ОГ.

3. Получены статические регрессионные и динамические модели, связывающие цветовые параметры ОГ, регистрируемые разработанным методом, со стандартизированным показателем дымности ОГ при различных вариантах локальной освещенности, позволяющие повысить точность измерения дымности.

4. Разработана методика определения количественного соотношения черных и белесых компонентов в стандартизированном показателе дымности ОГ на режиме свободного ускорения, позволяющая оценивать техническое состояние дизелей, находящихся в эксплуатации.

Значение для теории. Развиты теоретические положения измерения дымности ОГ и определения технического состояния дизелей на основе элементов технического зрения.

Значение для практики. Разработан и внедрен в практическую эксплуатацию аппаратно-программный комплекс, позволяющий вести дифференцированную регистрацию и анализ черных и белесых составляющих дымности ОГ дизелей.

Реализация результатов работы. На разработанный видеорегистрационный метод получен патент Российской Федерации. Результаты диссертационной работы внедрены в практику испытательной лаборатории продукции машиностроения ООО «УНИК-АВТО». Материалы исследований также используются в учебном процессе СФУ при подготовке инженеров специальностей 190601.65 «Автомобили и автомобильное хозяйство», 190603.65 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (автомобильный транспорт)», бакалавров направления 190500.62 «Эксплуатация транспортных средств». Все результаты практического применения диссертационных исследований подтверждаются соответствующими актами.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы цифровой видеорегистрации; методы колориметрии и цифровой обработки изображений; методы математического моделирования, математической статистики, численного решения дифференциальных и разностных уравнений. При разработке программного обеспечения измерительного комплекса использовался лицензионный программный пакет Qt Creator.

Достоверность полученных результатов обеспечена корректным использованием методов математического моделирования и математической статистики, непротиворечивостью исследованиям других авторов, использованием сертифицированного измерительного оборудования, необходимым объемом экспериментальных исследований и доказана удовлетворительной сходимостью результатов расчетов с экспериментальными данными.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции (НТК) студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука: начало XXI века» (Красноярск, 2008), VI Всероссийской НТК «Политранспортные системы» (Новосибирск, 2009), 66-й Международной НТК Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) «Автомобиль и окружающая среда» (НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ», п. Автополигон, Московская область, 2009), VI Всероссийской НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука» (Красноярск, 2010), VII Всероссийской НТК «Политранспортные системы» (Красноярск, 2010), VII Всероссийской НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука» (Красноярск, 2011), 74-й Международной НТК ААИ «Экология и энергетическая эффективность автотранспортных средств» (НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ», п. Автополигон, Московская область, 2011).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 9 печатных работах, в том числе в трех статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложения. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, 41 рисунок, приложение, список использованной литературы, включающий 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор литературы по теме исследования. Анализ научных работ показал, что исследования токсичности и дымности ОГ автотракторных дизелей, а также разработка средств измерений проводились в НАМИ, МГТУ, НИЦИАМТ, ХИИТ, ЦНИТА, ЦНИДИ, НИИАТ, Красноярском государственном техническом университете, СФУ, Алтайском государственном техническом университете им И.И. Ползунова, Санкт-Петербургском аграрном университете, Владимирском государственном университете, а также в НПП «Мета», производственных объединениях «Авеста», «Аналитприбор», «Химавтоматика», «Экоинтех», в зарубежных фирмах BOSCH, МАНА, Lantek и других организациях. Токсичности и диагностике автотракторных двигателей посвящены труды В.Ф. Кутенева, Ю.Б. Свиридова, A.JI. Новосёлова, А.Р. Кульчицкого, В.А. Маркова, Г. В. Веденяпина, Ю.А. Голубихина, Е.В. Дороганова, В.Н. Ложкина, В.В. Бразовского, Е.С. Воеводина и др. отечественных и зарубежных авторов. Экологические требования к АТС, аспекты нормирования и измерения дымности ОГ дизелей в РФ сформулированы благодаря трудам В.В. Донченко, Ю.И. Кунина, Е.В. Парфёнова, Г.С. Корнилова, М.Е. Вайсблюма, Т.Р. Филипосянца, А.П. Дядина. Приведенный обзор наиболее полно охватил научные исследования в данной области за последние 30 лет.

В настоящее время для контроля дымности ОГ дизельных двигателей, находящихся в эксплуатации, применяются средства измерения, в которых реализованы два принципиальных метода измерения:

1. Метод фильтрования (метод Bosch), основанный на оценке степени почернения белой фильтровальной бумаги при прокачивании через нее фиксированного объема отработавших газов. В этом методе используются эталоны разной степени черноты - от белого до черного.

2. Оптический метод, основанный на оценке поглощения отработавшими газами света определенной длины волны (в видимом спектре). Этот метод измерения, называемый среди специалистов методом Hartridge, определен международными стандартами (Правила ЕЭК ООН № 24, ISO-3173/ ISO

11614) и в качестве эталонов при калибровке и поверке приборов предусматривает использование нейтральных светофильтров, аттестованных по коэффициенту светопропускания.

Из обзора, приведенного в первой главе, следует, что вопрос измерения дымности ОГ дизелей на основе видеорегистрации и обработки изображений ОГ на персональном компьютере (ПК) до настоящего времени не рассматривался, хотя развитие современной цифровой техники и элементов технического зрения на сегодняшний день позволяет с высокой точностью оценивать цветность снимаемых объектов. Предпосылки применения цифровых камер для получения количественных значений цветности вытекают из характеристической кривой светочувствительного материала, которая позволяет количественно оценить процесс получения оптического изображения. Применимо к цифровым видеоустройствам данная кривая позволяет получить числовые значения цветности (яркости) пикселей, эквивалентные оригинальным.

По результатам анализа литературы поставлена цель работы и сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке видеорегистрационного метода измерения дымности ОГ дизелей.

Системный подход к анализу характеристик дымности ОГ показал, что наряду с непрозрачностью они обладают определенной цветовой характеристикой. Непрозрачность ОГ дизельного двигателя формируют различные компоненты, входящие в их состав. Эти компоненты условно можно разделить на две группы: а) компоненты, формирующие черноту ОГ (т. е. частицы сажи); б) компоненты, формирующие белизну ОГ (т. е. частицы несгоревшего топлива, сгоревшего масла и паров воды). Спектр цветов представленных компонентов сильно ограничен, в основном это оттенки белого, черного или голубого цвета.

В соответствии с поставленными задачами исследовалась возможность установления взаимосвязи между параметрами непрозрачности и цветовыми характеристиками ОГ дизельного двигателя на фоне черно-белого экрана. Для установления такой принципиальной возможности были проведены исследования. В качестве объекта исследования использовался комплект нейтральных светофильтров (КНФ) как физических аналогов ОГ, поскольку, во-первых, такие светофильтры применяются при поверке и калибровке про-мышленно производимых дымомеров, а во-вторых, наряду со свойствами светопропускания и непрозрачностью, они обладают определенной степенью черноты.

В комплекте содержалось семь светофильтров, коэффициенты пропускания т (%), которых составляли следующие значения, представленные в табл. 1.

Непрозрачность светофильтров N (%) как аналог дымности ОГ определяется по известной формуле

Л/ = (1-т)-100. (1)

Параметр Порядковый номер светофильтра

1 2 3 4 5 6 7

т,% 91,68 76,76 51,73 31,91 16,01 10,76 4,93

N,% 8,32 23,24 48,27 68,09 83,99 89,24 95,07

В качестве эталонной шкалы, отражающей отношение белого к черному от 0 до 100 %, использовали стандартизированное программное обеспечение (ПО), которое позволяет моделировать яркость черного изображения, т. е. из абсолютно черного (100 %) изображения сделать абсолютно белое (0 %) с шагом в 1 % и наоборот. Эти изображения, по сути, и будут эталонами. Следовательно, для любого черно-белого изображения можно определить степень его яркости путем сравнения с эталонами.

В качестве аппаратуры для исследования использовались цифровой фотоаппарат Canon Digital Ixus 800 IS, люксметр, ПК со стандартизированным ПО и белый фон (ватман). План эксперимента предполагал фотосъемку КНФ на фоне белого ватмана (расположенных на его поверхности, рис. 1), истинную черноту которого в ходе исследований принимали за 0 %, в черно-белом (сером) спектре при различной степени освещенности. Полученные изображения обрабатывались с помощью стандартизированного ПО.

ФФФФ

Рисунок 1 - Фотография нейтральных светофильтров на белом фоне

В ходе обработки определялась чернота исходного фона (белого ватмана, вследствие его неидеальной белизны), влияние на неё общей освещенности (т. е. смещение значения «нуля»), а также степень черноты КНФ по шкале от 0 до 100 %. Оценку вели с учетом того, что абсолютно черное изображение равно 100 % черноты, а абсолютно белое - 0 % черноты. По результатам обработки построен график (рис. 2) зависимостей степени черноты и непрозрачности светофильтров, полученных с фотографий. Для сглаживания использовали линейные уравнения

N = 0,851 L + 20,90 , (2)

N = 1,015L — 1,280 , (3)

N= 1,357¿- 32,09, (4)

где N - непрозрачность светофильтров, %; L - измеренная чернота, % (шкала стандартизированного ПО).

Рисунок 2 - Зависимости степени измеренной черноты от непрозрачности нейтральных светофильтров при различной освещенности: I - 6240 лк; 2 -3180 лк; 3 -1040 лк

Результаты эксперимента и их анализ показывают, что при личной освещенности и автоматических настройках цифровой камеры зависимость непрозрачности и черноты нейтральных светофильтров, измеренная с помощью стандартизированного ПО, носит линейный характер с коэффициентом детерминации R2, близким к единице, т. е. эту зависимость можно идентифицировать практически как функциональную и близкую к линейной. Различная общая освещенность сказывается только на пороге чувствительности черноты, при этом наклон сглаженной линии изменяется незначительно.

Изучено влияние настроек экспозиции цифровой камеры на получаемые значения черноты КНФ. В качестве регистрирующей аппаратуры использовали веб-камеру Logitech В905 и ПК. План эксперимента предполагал видеосъемку каждого эталонного светофильтра на всех доступных уровнях изменения экспозиции указанной веб-камеры. Для исключения бликования поверхностей и влияния внешней освещенности на результаты эксперимента, светофильтры помещались в горизонтальный цилиндр длиной 250 мм. На торце цилиндра была смонтирована матовая белая подложка, за которой была помещена подсветка в виде белых светодиодов, расположенных по кругу. В ходе обработки определялась чернота исходного фона (белой подложки), а также чернота КНФ на фоне подложки по шкале от 0 до 100 %. По результатам обработки построен график (рис. 3) зависимостей степени черноты и непрозрачности нейтральных светофильтров, полученных на разных уровнях экспозиции цифровой камеры.

Изменение уровней экспозиции влияет на чувствительность камеры в части фиксирования черноты КНФ: это видно на самом прозрачном светофильтре.

При автоматических настройках веб-камеры чернота самого светлого светофильтра равна нулю (кривая 4 на рис. 3), при уменьшении уровня экспозиции чувствительность

. _ камеры к восприятию слабых серых

Рисунок 3 - Зависимости степени изме- . г

ренной яркости от непрозрачности КНФ тонов Увеличивается, и фильтр становится

на разных уровнях экспозиций темнее основного фона (кривые 1-3 на

N.%

Уровни экспозиции

рис. 3). Однако при увеличении уровня экспозиции чувствительность камеры к определению серых тонов уменьшается, о чем свидетельствуют кривые 515 на рис. 3.

Результаты вышеприведенного эксперимента показывают, что при изменении уровней экспозиции камеры (ее чувствительности) зависимости цветовых характеристик и непрозрачности КНФ, помещенных в цилиндре, смещаются в нелинейную область. Однако статистические параметры нелинейных моделей также высоки. Коэффициенты детерминированности кривых 1, 4, 8, 12 на рис. 3 имеют следующие значения: К2\ = 0,996, Л24 = 0,969, Л28 = 0,840, Я2п= 0,724.

Поскольку регистрация ОГ дизелей, как правило, ведется на открытом воздухе в условиях естественной освещенности, то предпочтительной является линейная модель связи цветовых характеристик и непрозрачности КНФ, полученная в условиях естественной освещенности (рис. 2), а не модель, представленная на рис. 3, полученная для КНФ в горизонтальном цилиндре. Поэтому далее базируемся на линейной модели.

Полученные результаты свидетельствуют об очень тесной взаимосвязи непрозрачности и измеренной черноты КНФ, а следовательно, открывается возможность определения дымности (непрозрачности) ОГ дизелей на основе измерения яркости (цветности) изображений с помощью общеизвестных стандартизированных программных пакетов.

На основании вышеизложенного был разработан видеорегистрационный метод измерения дымности (непрозрачности) ОГ дизельных двигателей (Патент РФ № 2366930 от 10 сентября 2009 г.). Алгоритм вычисления дымности ОГ, реализуемый разработанным видеорегистрационным методом, представлен на рис. 4.

Методика измерения дымности ОГ заключается в следующем:

1. Поток ОГ дизеля фиксируется цифровой камерой на фоне рабочего экрана, в районе среза выпускной трубы. При этом камера и фон неподвижны (рис. 5).

Рабочий фон представляет собой белый лист ватмана (эталон белизны), закрепленный на жесткой основе с вмонтированным в него эталоном черноты.

2. Полученное видео разбивается на максимально возможное количество кадров (изображений)

с применением ПК.

3. На каждом полученном кадре из отснятого видеоряда выбирается определенная сцена - в непосредственной близости от среза выпускной трубы.

Рисунок 4 - Алгоритм вычисления дымности ОГ

4. Далее, путем сравнения с эталонными изображениями, определяется степень изменения параметров цветности (по шкале RGB от 0 до 255) сцены каждого кадра по отношению к первоначальной сцене, снятой на видео без отработавших газов. Полученные значения цветности переводятся в яркость по одной из известных в цифровой телеметрии формул, например

L = (0,212671 * Red +0,715160 * Green +0,072169*Blue), (5)

где L - яркость; Red - численное значение красного цвета; Green - численное значение зеленого цвета; Blue - численное значение синего цвета.

а б

Рисунок 5 - Схема размещения приборов при измерении: а - вид сверху; б - вид спереди;

1 - цифровая камера; 2 - выпускная труба; 3 - люксметр; 4 - рабочий фон; 5 - ОГ дизеля; б - ПК;

7 - дымомер; 8 - источник освещения

5. Найденное значение переводится в непрозрачность по зависимости (3) как наиболее близкой к линейной.

6. Непрозрачность приводится к стандартизированной толщине столба дыма по известной логарифмической зависимости коэффициента поглощения светового потока К и коэффициента ослабления света N.

7. Данная процедура применяется для всех полученных кадров отснятого видеоряда (/ = 1, ...,«- порядковый номер кадра видеоряда).

Предложенный алгоритм обработки был формализован в виде ПО, позволяющего в автоматизированном режиме вести обработку отснятого видеоряда. Пример полученных данных с шести циклов свободного ускорения двигателя автобуса Hyundai-County при помощи ПО и стандартизованного поверенного дымомера представлены соответственно на рис. 6 и 7.

Как следует из графиков рис. 6 и 7, разработанный метод позволяет разделить дымность ОГ дизелей на составляющие «черное на белом» (сажа) и «белое на черном» (белесые компоненты ОГ) и, кроме того, обладает высокой чувствительностью.

1 |

,1 1

• ш -<•- и 1 (Л: 1 к*.,.... щм Лг

Вдп

Рисунок 6 - Временные развертки, полученные при помощи ПО: 1 - показатель «черное на белом»; 2 - показатель «белое на черном»

кадр ов

ю.оо о.оо 1 1 ¥1 11

*-> 1 \ \ \ \

Рисунок 7 - Временная развертка, полученная при помощи дымомера

Время,

Изучено влияние настроек веб-камеры на чувствительность регистрации дымности ОГ дизелей. Проведенные исследования показали, что видеосъемку ОГ необходимо производить только в режиме автонастроек веб-камеры.

Третья глава посвящена исследованию влияния локальной освещенности на точность измерения дымности ОГ дизелей разработанным методом и разработке моделей, описывающих процесс формирования дымности ОГ дизелей.

Влияние локальной освещенности на процесс регистрации дымности ОГ оценивалось по качественным показателям регрессионного уравнения, связывающего зафиксированные исследуемым методом компоненты с дым-ностью ОГ, измеренной традиционным сертифицированным дымомером. Регрессионное уравнение, связывающее исследуемые факторы имеет вид

£> = аШ + ЬВ,

(6)

где £> - дымность ОГ, зафиксированная стандартным дымомером, %; а и Ъ -регрессионные коэффициенты; IV- значение компонента «белое на черном» в общей дымности, %; В - значение компонента «черное на белом» в общей дымности, %.

Для проведения экспериментов использован комплект аппаратуры, схема которого представлена на рис. 5, а. Камера регистрировала фактическое значение черноты и белизны, люксметр фиксировал значения освещенности, ПО позволяло вести обработку полученных видеорядов и определяло численное значение компонентов «черного на белом» и «белого на черном», а

сертифицированный дымомер фиксировал истинные значения дымности ОГ. Управляемым фактором являлась локальная освещенность поста измерения (рабочего экрана и контролируемого рабочего тела (ОГ)), градации которой были разделены на четыре различных варианта (табл. 2).

Дымность ОГ регистрировалась разработанным методом, реализованным в ПО, и (параллельно) стандартизированным дымомером для каждого из вариантов локальной освещенности.

Таблица 2 - Варианты освещения рабочего экрана и исследуемого объекта (ОГ)

Схемы вариантов освещения

1*1 -щ А % №

№ 1 - Всё на свету № 2 - Дым на свету, экран в тени № 3 - Экран на свету, дым в тени №4-Всёвтени

При данном варианте прямые лучи света падают как на рабочий экран, так и на ОГ При данном варианте прямые лучи света подсвечивают только ОГ, при этом лицевая сторона рабочего экрана остается неосвещенной (в тени) При данном варианте прямые лучи света освещают только лицевую сторону рабочего экрана, при этом ОГ остаются не освещенными (находятся в тени) При данном варианте освещения всё находится в тени, прямые лучи света не попадают ни на рабочий экран, ни на ОГ

Совместив данные, полученные при обработке видео и с эталонного дымомера, на одной временной шкале, имеем развернутые во времени параметры дымности ОГ в режиме свободного ускорения дизеля. График изменения во времени черной и белесой составляющих ОГ, а также дымности ОГ, зафиксированной прибором Lantech Premier 70ISM, представлен на рис. 8, где 1 - данные дымомера; 2 - составляющая «черное на белом»; 3 - составляющая «белое на черном».

Исследованы способы сопоставления данных, полученных предлагаемым методом и традиционным сертифицированным дымомером: а) сопоставление временных разверток, выровненных по началу формирования переднего фронта дымности; б) сопоставление временных разверток измерений по пиковым значениям данных, полученных с дымомера и предложенным методом.

Регрессионные уравнения, полученные по данным, совмещенным по пикам, имели лучшие статистические параметры, чем уравнения, построен-

О 10 20 30 40 50 Кадры

Рисунок 8 - Покадровая развертка исследуемых компонентов и совокупной дымности ОГ

ные при выравнивании по переднему фронту дымности. Вследствие чего предпочтение отдано варианту «б»: корректнее сопоставлять временные развертки измерений по пиковым значениям числовых рядов значений дымности ОГ.

На формирование дымности ОГ дизеля влияет большое количество факторов, следовательно, связь стандартизированного показателя дымности ОГ с компонентами «белое на черном» и «черное на белом» при различной локальной освещенности может носить не только линейный, но и нелинейный характер. Рассмотрено применение следующих видов уравнений: линейные уравнения, уравнения второго и третьего порядка, уравнения с добавлением парного эффекта «белое на черном» и «черное на белом» в линейной и нелинейной комбинациях, со свободным членом и без него.

По результатам обработки программным пакетом ШМ SPSS Advanced Statistics 20.0 были отобраны модели (табл. 3), наилучшим образом описывающие процессы формирования дымности ОГ.

Таблица 3 - Сводная таблица предпочтительных моделей формирования дымносш ОГ

§ Статические регрессионные модели, Критерий Стьюдента t для коэффициентов

§ Си 1 §3- и >тч CQ К в я о -в" связывающие измеренные компоненты со стандартизированным показателем дымности ОГ а Ъ с щ ы § 1

1 4 050 В = аЖ+ЬВ 0 = а№2+ЬВг 0 = а1Г3+ЬВ> 3,13 5,41 7,06 16,73 5,30 10,25 - 0,919 0,830 0,810

2 380 Б = а!У + ЪВ 0 = аТ¥2+ЬВ2 0 = а№3+ЬВ3 0 = а1У2В+ЬВ2Ц' о=а]уг+ьв1+сат1 4,47 6,90 3,01 2,32 5,99 5,56 5,01 2,88 7,13 3,70 2,1 0,810 0,907 0,792 0,682 0,856

3 3 780 0 = аУГ+ЬВ £> = а№2+ ЬВ2 В =аМг3+ЬВ1 £> = а\¥2+ ЬВ2 + с (ЦЪ)2 4,52 6,60 13,62 2,05 5,13 8,00 6,79 4,07 8,43 0,824 0,851 0,719 0,834

4 180 0 = аЖ+ЬВ + сЖВ 0 = а№2В+ЬВ2ГГ 0 = аГ¥2+ЬВ2+сШ? 20,85 9,47 20,66 6,34 5,11 6,24 5,19 7,25 0,899 0,760 0,895

Наиболее высокие статистические параметры имеют модели, построенные при вариантах освещения «всё на свету» и «всё в тени», вследствие чего при практической реализации метода целесообразно производить видеосъемку именно при таких вариантах освещения.

Установлено, что коэффициенты регрессионных уравнений дымности ОГ в функции от исследуемых компонентов для различных автомобилей и условий освещенности имеют вариацию, однако уравнения имеют высокую степень корреляции. Для того чтобы определить возможности диагностирования технического состояния дизелей по цветовым характеристикам дымности ОГ с использованием разработанного метода, необходимо проанализиро-

вать статистические параметры регрессионных уравнений, полученные на реальной группе автомобилей, эксплуатируемых в г. Красноярске.

Предложенный видеорегистрационный метод измерения отображает изменение компонентов «черное на белом» и «белое на черном» во времени цикла свободного ускорения. Стандартизированные дымомеры также позволяют отобразить изменения совокупной дымности ОГ на цикле свободного ускорения, однако в зачет измерений принимаются только пиковые значения. Поэтому обработка массива статистических данных велась тремя различными

способами сопоставления (рис. 9):

1. Обработка данных, полученных по всему циклу свободного ускорения дизеля.

2. Обработка данных, полученных в интервале 15 кадров в обе стороны от пикового значения дымности цикла свободного ускорения дизеля.

3. Обработка данных, полученных в интервале 3 кадра в обе стороны от пикового значения дымности цикла свободного ускорения дизеля.

Результаты исследования свидетельствуют о том, что самые лучшие статистические показатели имеют линейная модель и модель с добавлением парного эффекта, полученные на интервале 3 кадра в обе стороны от пикового значения дымности цикла свободного ускорения. Итоговые уравнения с найденными коэффициентами имеют вид

В = \A66W + 0,670В, (7)

О = 2,398И/ + 1,485В - 0,038ИЛВ. (8)

При этом коэффициенты детерминированности имеют значения: в линейной модели Л2 = 0,897, в линейной модели с добавлением парного эффекта Я2 = 0,936. Расчетные значения критерия Стьюдента V. для коэффициента при факторе Ж- от 18,29 до 35,15, а для коэффициента при факторе В - от 14,31 до 31,43. Доверительный интервал 95% в линейной модели: при факторе 1У -от 1,303 до 1,617; при факторе В - от 0,582 до 0,767. Доверительный интервал 95% в модели с добавлением парного эффекта: при факторе й7 — от 2,189 до 2,449; при факторе В - от 1,379 до 1,563; при факторе Я7В - от -0,039 до -0,033. Полученные уравнения (7) и (8) характеризуются приемлемой точностью для определения технического состояния дизелей.

Наряду с регрессионными (статическими) построены динамические модели дымности ОГ в функции от рассмотренных компонентов, отражающие характер формирования (изменения) дымности во времени на режиме свободного ускорения. Динамические модели строились на основе разностных уравнений с использованием метода последовательной линеаризации (МПЛ).

15 вздрав 15 кадров

0 10 2С 30 40 50 Кядрн

Рисунок 9 - Варианты рассматриваемых границ в статистическом обосновании коэффициентов

Наилучшие результаты получены для разностной модели с двумя входами (9) второго порядка (первый вход - компонент «белое на черном» н(/), второй вход - компонент «черное на белом» и выходом (дымность ОГ ХО) четвертого порядка.

УМ = «1 ■ у[£ - 1] + а2 ■ у[£ - 2] + ос3 ■ у[г - 3] + сц • у[г - 4] +

+а5 • и[Ь - 1] + а6 ■ и[Ь - 2] + сс7 • - 1] + а8 ■ - 2], (9) У[0] = у[~1] = у[~2] = у[-3] = О

где а( - вектор г'-го параметра модели.

Метод последовательной линеаризации позволяет за 4-5 итераций с высокой точностью идентифицировать динамические характеристики дымности ОГ на режиме свободного ускорения. Примеры итоговой идентификации для одного автомобиля на различных временных интервалах представлены на рис. 10.

О 10 20 30 40 50 Время. 1/30

Рисунок 10 - Модель дымности ОГ с двумя входами на различных временных интервалах

Значения коэффициентов а,- уравнения (9), найденные для различных временных интервалов, представлены в табл. 4.

Таблица 4 - Значения коэффициентов а,-

Коэффициент а,- Значения коэффициента а,- для временного интервала

2с 14 с

Щ 1,117775 1,0070797

а2 0,0921513 0,0598842

аз -0,810551 -0,615632

щ 0,4186891 0,2775199

а5 0,1390694 0,2309282

Об -0,011012 -0,084602

а7 1,0826057 1,0770474

а8 -0,972921 -0,864093

Как следует из графиков на рис. 10 и данных табл. 4, для конкретного объекта (автомобиля) данная динамическая модель позволяет с высокой точностью отобразить во времени картину формирования дымности ОГ как для отдельного измерения, так и для группы измерений. Таким образом, динамические модели, в отличие от регрессионных, позволяют не только смоделировать дымность по ее пиковым значениям, но и показать процесс формирования дымности ОГ во времени, в зависимости от зафиксированных предлагаемым методом черных и белесых компонентов ОГ.

Четвертая глава посвящена разработке методики определения технического состояния дизелей по цветовым характеристикам изображений ОГ и включает результаты внедрения видеорегистрационного метода на действующем предприятии.

Цветовые характеристики ОГ не только несут в себе информацию о дымности (как одном из факторов оценки технического состояния дизеля), но и свидетельствуют о состоянии всех остальных параметров, влияющих на качество процесса сгорания топлива в цилиндрах дизельного двигателя.

Предложено анализировать цвет ОГ посредством ПО для получения дополнительной информации о техническом состоянии двигателя транспортного средства. Методически данная процедура выглядит следующим образом. Разработанное ПО определяет цветность каждого пикселя на выделенных сценах кадров в формате RGB и выдает среднеарифметическое значение по каждому цвету в итоговый файл. Далее путем аддитивного смешивания полученные значения трех составляющих переводятся в цвет, соответствующий их сумме, который, в свою очередь, является оттенком одного из семи главных цветов радуги. Пример смешивания цветов R =196, G = 204, В = 212 представлен на рис. 11.

С учетом цвета ОГ на фоне эталонных изображений и известного способа определения технического состояния дизелей, основанного на сравнении с эталонами цвета осажденных на белую бумагу твердых и капельно-жидких Рисунок 11 - Аддитивное смешивание частиц ОГ, производится оценка тех-полученных цветов в один нического состояния дизельного дви-

гателя транспортного средства. На фоне белого эталонного изображения определяются темные и бурые составляющие ОГ дизельного двигателя, а на фоне черного эталонного изображения определяются белые и голубые составляющие ОГ дизельного двигателя. Если полученный цвет близок:

к темно-бурому (черному), то ОГ содержат значительное количество частиц несгоревшего углерода (в виде сажи), что указывает на излишнюю подачу топлива или на засорение воздухоочистителя;

к белому, то ОГ содержат значительное количество частиц несгоревше-го жидкого топлива либо пары охлаждающей жидкости, попавшей в цилиндры дизеля. Белый цвет ОГ может быть и у исправного дизеля, в том случае если он не прогрет до рабочей температуры;

к голубому (сизому), то ОГ содержат значительное количество частиц необуглившегося смазочного масла или их смесь с частицами несгоревшего жидкого топлива, что указывает на неисправности цилиндропоршневой группы (ЦПГ) либо головки блока цилиндров.

Апробация комплекта аппаратуры и видеорегистрационного метода измерения дымности ОГ дизелей прошла в испытательной лаборатории продукции машиностроения ООО «УНИК-АВТО», г. Красноярск (аттестат аккредитации ИЛ РОСС.1Ш.0001.21МТ69).

Для анализа преимуществ разработанного метода и комплекта аппаратуры производились замеры дымности ОГ дизелей АТС, находящихся в эксплуатации. Замеры проводились разработанным методом и (параллельно) сертифицированным поверенным дымомером в соответствии с методикой, регламентируемой ГОСТ Р 52160-2003. Измеренные значения дымности ОГ дизелей разработанным методом и сертифицированным дымомером представлены в табл. 5, из которой следует, что погрешность измерения дымности разработанным методом и сертифицированным дымомером не превышает 2 %.

Разработанный метод и комплект аппаратуры позволяет разделять поток ОГ на два компонента - «белое на черном» и «черное на белом», а также вести их обработку в дальнейшем.

Таблица 5 - Измеренные значения дымности ОГ дизелей, %

Транспортное средство Дымность ОГ, измеренная Заключение

дымомером видеорегисграционным методом

Компонента «белое на черном» Компонента «черное на белом» Итоговая

КамАЗ-55111 74 26,4 51 72,8 Большая доля черного цвета -неисправность в системе подачи топлива, или загрязнен воздушный фильтр

ЗИЛ-5301 68 39,4 12,7 66,3 Преобладает голубой цвет - угар масла из-за износа ЦПГ

НуипсЫ-Соигйу 32 14,7 17,1 33 Исправен

ПАЗ-4234 37 16,3 18,4 36,3 Исправен

Разработанный методический подход и ПО позволяет с высокой точностью решать задачу определения технического состояния дизеля по цветовым

характеристикам потока ОГ. Разделение дымности ОГ на компоненты «черное на белом» и «белое на черном», а также прямое измерение цвета изображений ОГ в системе цветности RGB предлагаемым методом значительно повышает информативность оценки технического состояния дизелей, что позволяет повысить достоверность, снизить затраты и себестоимость диагностирования.

Таким образом, подтверждено, что видеорегистрационный метод имеет преимущества перед стандартизированным методом и, следовательно, является перспективным для широкого применения в сфере эксплуатации транспортных средств.

Выводы и основные результаты работы

1. Разработанный видеорегистрационный метод измерения дымности ОГ дизелей позволяет разделять поток ОГ на компоненты, формирующие черноту ОГ, и компоненты, формирующие белизну ОГ, проводить их раздельную обработку и анализ, что повышает информативность оценки технического состояния дизелей.

2. Установленные зависимости, связывающие непрозрачность и черноту нейтральных светофильтров (как физических моделей дымности ОГ), измеренную стандартизированным программным пакетом обработки изображений, при автоматических настройках цифровой камеры носят линейный характер.

3. Установлено влияние локальной освещенности на точность измерения дымности ОГ дизелей и обоснован вид регрессионных моделей, связывающих цветовые параметры, регистрируемые разработанным методом, со стандартизированными показателями дымности ОГ.

4. Построенные динамические модели дымности ОГ в виде разностного уравнения с двумя входами второго порядка (первый вход - компонент «белое на черном», второй вход - компонент «черное на белом») и выходом (дымность ОГ) четвертого порядка позволяют с высокой точностью отобразить во времени картину формирования дымности ОГ как для отдельного измерения, так и для группы измерений на конкретном автомобиле.

5. В результате проведенных экспериментальных исследований дымности ОГ дизелей на группе эксплуатируемых автомобилей зафиксировано соотношение черных и белесых компонентов в итоговой дымности ОГ и разработана методика определения технического состояния дизелей по цветовым характеристикам дымности ОГ с применением стандартизированного ПО.

6. Разработанный аппаратно-программный измерительный комплекс внедрен в испытательной лаборатории продукции машиностроения' ООО «УНИК-АВТО».

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I. Журналы из перечня ВАК

1. Асхабов, А.М. Концепция измерения дымности отработавших газов дизелей (часть 1) / И.М. Блянкинпгтейн, A.M. Асхабов, Е.С. Воеводин // Журнал Автомобильных Инженеров. - 2010. - № 2 (61). - С. 38-41.

2. Асхабов, А.М. Концепция измерения дымности отработавших газов дизелей (часть 2) / И.М. Блянкинпггейн, AM. Асхабов, Е.С. Воеводин // Журнал Автомобильных Инженеров. - 2010. - № 3 (62). - С. 60-61.

3. Асхабов, А.М. Методические аспекты реализации виртуального метода измерения дымности отработавших газов дизелей / И.М. Блянкинштейн, А.М. Асхабов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 4 (22), - С. 41-44.

П. Статьи в других периодических изданиях

4. Асхабов, А.М. Исследование взаимосвязи параметров светопропускания и черноты нейтральных светофильтров / ИМ. Блянкинштейн, AM. Асхабов, Е.С. Воеводин // Политранспортные системы: материалы VI Всерос. науч.-техн. конф., Новосибирск, 21-23 апр. 2009 г.: в 2 ч. Ч. 1. - Новосибирск: Изд-во СГУПС, - 2009. - С. 83-87.

5. Асхабов, AM. Влияние освещенности на взаимосвязь параметров светопропускания и черноты нейтральных светофильтров / ИМ. Блянкинштейн, AM Асхабов // Молодежь и наука : Сборник материалов VI Всерос. науч.-техн. конф, Красноярск [Электронный ресурс] / Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. ISBN 978-5-7638-1994-6.

6. Асхабов, А.М. Исследование влияния локальной освещенности на результаты измерения дымности отработавших газов дизелей видеорегистрационным методом [Электронный ресурс] / А.М. Асхабов // Молодежь и наука 2011: сб. науч. тр. / СФУ. -Красноярск: 2011, - Режим доступа : httpy/conf.sfu-kras.ru/sites/mn201 l/thesis/s29/ s29_48.pdf- Загл. с экрана.

7. Асхабов, А.М. Анализ степени соответствия видеорегистрационного метода измерения дымности отработавших газов дизелей сертификационным требованиям / И. М. Блянкинштейн, AM. Асхабов, Е.С. Воеводин // Политранспортные системы: материалы VII Всерос. науч.-техн. конф, Красноярск, 25—27 нояб. 2010 г. — Новосибирск : Изд-во СГУПС, 2010. -С. 77—82.

8. Асхабов, AM. Динамическая модель дымности отработавших газов дизелей, зафиксированной видеорегистрационным методом / ИМ. Блянкинштейн, А.М. Асхабов, Е.С. Воеводин // Авиамашиносгроение и транспорт Сибири: сб. ст П Всерос. на-уч.-практ. конф, приуроченной ко Дню космонавтики, Иркутск, 11—13 апр. 2012 г. — Иркутск:Изд-воИрГТУ,2012,- С. 34—38.

Ш. Изобретения и патенты

9. Пат. 2366930 Российская Федерация, МПК G 01N 21/59. Способ измерения дымности отработавших газов дизелей / ИМ. Блянкинштейн, AM. Асхабов; заявитель и патентообладатель Сиб. федер. ун-т. - № 008131229/28; заявл. 28.07.2008; опубл. 10.092009.-8 с.

Подписано в печать 19.04.2012. Печать плоская. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 7467

Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел/факс (391)206-26-58,206-26-49 E-mail: print_sfu@mail.ru; http://lib.sfu-kras.ru

61 12-5/3652

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Асхабов Андрей Михайлович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЕЙ

05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент, И.М. Блянкинштейн

Красноярск - 2012

Содержание

Введение 4

Глава 1 Анализ источников научно-технической информации 8

1.1 Вклад отечественных и зарубежных ученых в решение проблемы 8 контроля и снижения токсичности отработавших газов дизелей

1.2 Обзор методов измерения дымности ОГ дизелей 16

1.3 Обзор серийных приборов (дымомеров), применяемых для измере- 21 ния дымности отработавших газов дизелей (по данным заводов изготовителей)

1.4 Обзор нормативных документов, регламентирующих измерение 26 дымности ОГ автомобилей, оснащенных дизелями

1.5 Средства видеофиксации 3 3

1.6 Выводы из обзора. Цель и задачи исследования 35 Глава 2 Разработка видеорегистрационного метода измерения дымности 37 отработавших газов дизелей

2.1 Обоснование концепции измерения дымности ОГ дизелей 37

2.2 Идентификация зависимости между параметрами непрозрачности 39 и цветовыми характеристиками изображений ОГ

2.3 Исследование влияния настроек цифровой веб-камеры на регист- 43 рируемые значения черноты нейтральных светофильтров

2.4 Методика измерения дымности отработавших газов дизелей на ос- 47 нове видеорегистрации

2.5 Программное обеспечение для реализации видео- 55 регистрационного метода измерения дымности ОГ

2.6 Комплект аппаратуры, необходимый для измерения дымности ОГ 61 дизелей разработанным методом

2.7 Выводы по главе 2 63 Глава 3 Исследование влияния локальной освещенности на результаты 64

измерения дымности ОГ видеорегистрационным методом

3.1 Методика эксперимента 65

3.2 Обработка экспериментальных данных 68

3.2.1 Выбор способа сопоставления экспериментальных данных 68

3.2.2 Анализ и обоснование регрессионных моделей для вариан- 71 тов локальной освещенности

3.3 Определение коэффициентов обобщенных уравнений 78

3.3.1 Автоматизация обработки сигнала о дымности ОГ, получен- 79 ного с дымомера Lantech Premier-701SM

3.3.2 Обоснование границ интервалов сопоставления данных для 81 расчета коэффициентов уравнений

3.3.3 Результаты проведенных исследований 83

3.4 Динамические модели процесса формирования дымности отрабо- 85

тавших газов дизелей

3.5 Выводы по главе 3 93 Глава 4 Определение технического состояния дизелей по цветовым харак- 94 теристикам дымности ОГ. Практическое внедрение результатов исследования

4.1 Методика определения технического состояния по цветовым ха- 94

рактеристикам ОГ

4.2 Внедрение результатов исследования 97

4.3 Выводы по главе 4 99 Выводы и основные результаты работы 100 Список использованных источников 101 Приложение А. Акты внедрения результатов исследований 114

Введение

В последние годы всё большее распространение на автомобильном транспорте получают дизельные двигатели. Следствием этого является увеличение доли загрязнений атмосферного воздуха отработавшими газами (ОГ) дизелей, что обуславливает необходимость их контроля.

Первые приборы контроля дымности ОГ, основанные на оптическом методе, появились в Германии в 1939 г. (дымомер Bokemueller). Исследованиям контроля токсичности ОГ и разработке дымомеров посвящены работы специалистов компаний: Volvo, Percins - 1946 г., BP, Hartridge - 1953 г. Среди отечественных ученых, занимавшихся вопросами контроля токсичности ОГ дизелей и разработкой средств измерения, в первую очередь следует отметить В.И. Смайлиса, В.А. Звонова, Г.Б. Розенблита, К.Н. Очередного и др. Тем не менее в исследованиях как зарубежных, так и отечественных авторов нет сведений об измерении дымности ОГ дизелей при помощи видеорегистрации.

Применяемые сегодня средства измерения дымности ОГ дизелей основаны на оценке поглощения света отработавшими газами в видимом спектре (оптический метод), что закреплено в международных стандартах (Правила ЕЭК ООН № 24, ISO 3173), а также в ГОСТ Р 52160-2003, гармонизированном с вышеназванными стандартами. Стандартизированный показатель дымности ОГ (коэффициент поглощения света К, м-1, либо коэффициент ослабления света N, %) дает только обобщенную оценку качества протекания рабочего процесса в двигателе и его технического состояния, не разделяя при этом ОГ на компоненты. Следовательно, общий показатель дымности обладает ограниченной информативностью при оценке технического состояния дизелей. Разделение общего показателя дымности ОГ на компоненты позволило бы повысить информативность процесса диагностирования дизеля, однако методики и инструментарий для проведения данной процедуры, согласно доступным источникам, неизвестны. Поэтому разработка методов и средств дифференцированной регистрации и анализа составляющих дымно-

4

сти ОГ дизелей на основе последних достижений в области вычислительной техники, программного обеспечения и систем технического зрения является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы - разработка и исследование видеорегистрационного метода измерения дымности ОГ дизелей и аппаратных средств его реализации.

Объект исследований - методы и средства измерения дымности ОГ дизелей на режиме свободного ускорения.

Предмет исследования - повышение информативности измерения дымности ОГ для оценки технического состояния дизелей на основе применения элементов технического зрения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Видеорегистрационный метод измерения дымности ОГ дизелей.

2. Зависимости, связывающие непрозрачность и цветовые характеристики изображений ОГ, предназначенные для определения дымности ОГ дизелей путем анализа цветности изображений ОГ программными средствами.

3. Модели, связывающие цветовые параметры ОГ, регистрируемые разработанным методом, со стандартизированным показателем дымности ОГ при различных вариантах локальной освещенности.

4. Аппаратно-программный измерительный комплекс для определения дымности ОГ дизелей.

Научная новизна:

1. Разработан метод измерения дымности ОГ дизелей, основанный на элементах технического зрения, предусматривающий видеосъемку и обработку в режиме реального времени изображений ОГ на фоне черно-белого экрана, позволяющий разделять поток ОГ на черные и белесые компоненты, проводить их раздельную обработку и анализ формирования во времени.

2. Установлены зависимости, связывающие непрозрачность и цветовые характеристики изображений ОГ, позволяющие на основе измерения цветности изображений программными средствами регистрировать и анализировать непрозрачность потока ОГ.

3. Получены статические регрессионные и динамические модели, связывающие цветовые параметры ОГ, регистрируемые разработанным методом, со стандартизированным показателем дымности ОГ при различных вариантах локальной освещенности, позволяющие повысить точность измерения дымности.

4. Разработана методика определения количественного соотношения черных и белесых компонентов в стандартизированном показателе дымности ОГ на режиме свободного ускорения, позволяющая оценивать техническое состояние дизелей, находящихся в эксплуатации.

Значение для теории. Развиты теоретические положения измерения дымности ОГ и определения технического состояния дизелей на основе элементов технического зрения.

Значение для практики. Разработан и внедрен в практическую эксплуатацию аппаратно-программный комплекс, позволяющий вести дифференцированную регистрацию и анализ черных и белесых составляющих дымности ОГ дизелей.

Реализация результатов работы. На разработанный видеорегистрационный метод получен патент Российской Федерации. Результаты диссертационной работы внедрены в практику испытательной лаборатории продукции машиностроения ООО «УНИК-АВТО». Материалы исследований также используются в учебном процессе СФУ при подготовке инженеров специальностей 190601.65 «Автомобили и автомобильное хозяйство», 190603.65 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (автомобильный транспорт)», бакалавров направления 190500.62 «Эксплуатация транспортных средств». Все результаты практического применения диссертационных исследований подтверждаются соответствующими актами.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы цифровой видеорегистрации; методы колориметрии и цифровой обработки изображений; методы математического моделирования, математической статистики, численного решения дифференциальных и разност-

ных уравнений. При разработке программного обеспечения измерительного комплекса использовался лицензионный программный пакет Qt Creator.

Достоверность полученных результатов обеспечена корректным использованием методов математического моделирования и математической статистики, непротиворечивостью исследованиям других авторов, использованием сертифицированного измерительного оборудования, необходимым объемом экспериментальных исследований и доказана удовлетворительной сходимостью результатов расчетов с экспериментальными данными.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции (НТК) студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука: начало XXI века» (Красноярск, 2008), VI Всероссийской НТК «Политранспортные системы» (Новосибирск, 2009), 66-й Международной НТК Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) «Автомобиль и окружающая среда» (НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ», п. Автополигон, Московская область, 2009), VI Всероссийской НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука» (Красноярск, 2010), VII Всероссийской НТК «Политранспортные системы» (Красноярск, 2010), VII Всероссийской НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука» (Красноярск, 2011), 74-й Международной НТК ААИ «Экология и энергетическая эффективность автотранспортных средств» (НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ», п. Автополигон, Московская область, 2011).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 9 печатных работах, в том числе в трех статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложения. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, 41 рисунок, приложение, список использованной литературы, включающий 107 наименований.

Глава 1 Анализ источников научно-технической информации

1.1 Вклад отечественных и зарубежных ученых в решение проблемы контроля и снижения токсичности отработавших газов дизелей

Исследования токсичности и дымности отработавших газов (ОГ) автотракторных дизелей, а также разработка оборудования проводились в НАМИ, МГТУ, НИЦИАМТ, ХИИТ, ЦНИТА, ЦНИДИ, НИИАТ, СФУ, Красноярском ГТУ, Алтайском ГТУ им И.И. Ползунова, Санкт-Петербургском аграрном университете, Владимирском государственном университете и других организациях. Исследованию токсичности автотракторных двигателей посвящены труды В.И. Смайлиса, Кутенева В.Ф., В.А. Звонова, Ю.Б. Свиридова, А.Л. Новоселова, А.Р. Кульчицкого, В.А. Маркова, В.Н. Ложкина, В.В. Бразовского и других авторов. Экологические требования к АТС, аспекты нормирования и измерения дымности ОГ дизелей в России сформулированы в трудах В.В. Донченко, Ю.И. Кунина, Е.В.Парфенова, Г.С. Корнилова, М.Е, Вайсблюма, Т.Р. Филипосянца, А.П. Дядина, Г.Б. Розенблита, К.Н. Очередного.

Большую значимость имеют труды В.И. Смайлиса [1], посвященные токсичности ОГ дизелей. В его работах рассмотрены вопросы проектирования, испытания и эксплуатации малотоксичных дизелей. Приводятся материалы о механизме образования вредных веществ в двигателе и зависимость их выброса от различных факторов. Также рассмотрены способы борьбы с загрязнением воздуха ОГ дизелей.

В работе Звонова В.А. [15] рассмотрены вопросы образования основных токсичных веществ в цилиндрах дизелей, методы расчета их образования, спо-

собы уменьшения выделения токсичных веществ воздействием на рабочий процесс и конструкцию двигателя.

В другой своей работе [16] Звонов В.А. предлагает в качестве решения проблемы снижения выбросов вредных веществ с ОГ дизелей использование метанола. Проведенные им в Восточно-Украинском государственном университете исследования показали, что замена более 60 % дизельного топлива метанолом нецелесообразна из-за заметного падения индикаторного КПД. В случае добавления метанола необходимо уменьшать угол опережения подачи топлива на 5-7 градусов. При этом КПД остается неизменным, выбросы оксидов азота снижаются на 30-50 %, твердых частиц - на 70-80 %, приведенный к монооксиду углерода выброс - на 40-60 %.

Свиридовым Ю.Б. [17] рассматривались вопросы, связанные с работой систем питания тракторов и автомобилей на загрязненном топливе в условиях реальной эксплуатации, способы снижения токсичности ОГ дизелей, а также пути улучшения конструкции насосов, форсунок, фильтров, процессы смесеобразования в зональной модели топливного факела, воспламенения и горения расслоенных зарядов, камеры сгорания дизелей.

В монографии Кульчицкого А.Р. [18] в систематизированном виде изложены вопросы образования токсичных веществ в ОГ двигателей, а также методы их измерения и снижения. Также в монографии представлено соотношение шкал приборов работающих по оптическому и фильтрационному методам.

В работах Маркова В.А. [19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30] рассмотрены вопросы улучшения характеристик транспортных дизелей путем управления и оптимизации процесса топливоподачи.

В монографии Марков В.А., Баширов P.M., Габитов И.И. [31] в систематизированном виде изложили вопросы, связанные с особенностью образования токсичных компонентов в отработавших газах дизелей и зависимость их токсичности от ряда конструктивных и эксплуатационных факторов. Рассмотрены

возможности оптимизации параметров дизелей, обеспечивающие улучшение их экономических и экологических показателей. Показана возможность уменьшения токсичности выбросов путем установки систем очистки ОГ дизелей и использованием нетрадиционных топлив.

Варнаковым В.В. и Кочетковым Е.Г. [32] установлены закономерности, позволяющие оценить степень влияния технического состояния дизелей на процессы образования СО в процессе сгорания топлива и уровень дымности.

Ложкиным В.Н. рассматривается влияние регулировочных параметров топливной аппаратуры на эксплуатационные показатели дизелей [33, 34, 35]. Кроме того им в составе международной группы специалистов проведено комплексное исследование по прогнозу результативности регулирования выбросов вредных веществ транспортом в Санкт-Петербургском регионе на период до 2030 г. [36].

Немало работ, связанных с токсичностью отработавших газов дизелей, написано и за рубежом.

Так, в работе японских ученых [37] приведена схема экспериментальной установки с высокоскоростной кинокамерой, лазерным устройством и камерой с прозрачными стенками, на которой выполнены исследования струи топлива, впрыскивавшегося дизельной форсункой с прозрачным носком распылителя. Исследовалась цикловая нестабильность направления и формы струи, подъема иглы форсунки и движения топлива в подыголочной полости распылителя. Установлено, что смещение оси иглы и соответственно смещение топлива к одной стенке подыгольного объема при впрыскивании, вызывали изменение направления и деформацию формы струи. Показано, что при устранении нестабильности работы форсунки выбросы СпНт и дымление существенно снижаются.

Реммелс Вернер (Германия) исследовал эффективность рециркуляции ОГ [39]. Являясь эффективным средством для снижения выбросов Ж)х, рециркуляция ОГ вызывает одновременно увеличение выбросов сажи на 2-5 единиц по

шкале дымности Bosch. В результате исследований, выполненных с помощью специально разработанной программы, показано, что процессы образования и окисления сажи аналитически определяются молярным содержанием кислорода в потоках до и после цилиндра. Практически эти процессы определяются в функции определенных значений а и степени рециркуляции отработавших газов, Представлены расчетные уравнения и графически - результаты расчетов.

Обеспечение экологического благополучия связано с выполнением конкретных научно-технических программ и решений. Снижение вредных выбросов автотранспорта связано с созданием фильтрующих элементов, применением альтернативных видов топлив, оптимизацией процессов сгорания топлива и т. д. Для этого необ�