Ανάπτυξη μεθόδου προσδιορισμού εκπομπών από οχήματα με μέτρηση σε πραγματικό χρόνο

Abstract

The need of better understanding and further improvement of the operation of modern low emission vehicles has drawn the attention on fast response time resolved emission measurements. The Constant Volume Sampling system (CVS), which is the main setup described by the European Union legislation for the sampling, dilution and measurement of motor vehicle tailpipe emissions over a certain driving cycle, can provide such data. The time resolution of the recorded data though is low due to design limitations of such systems. Transport delays in tubes, mixing and dispersion phenomena etc. are responsible for smoothening and distortion of the original emission signal. Aim of the current thesis is to develop a model to compensate for all these distortion sources, by taking into account the dynamic behaviour of the system. The problem was approached with purely mathematical tools derived from system theory. The CVS system was approached as a combination of different subsystems in series, that were individually modelled due to the specific design and flow characteristics of each. The parameters of each subsystem were estimated using measurements of the subsystem response to known and controlled artificial emission step inputs. The model of each subsystem was inverted and a specifically designed filter was applied to compensate for the noise of the inverted signal. The final model was designed such as to be applicable to already available or future measurements performed on the modelled setup. The model is also applicable on similar exhaust gas sampling and measurement setups with the need of specific system parameter identification measurements. The performance of the final model was evaluated compared against a sophisticated ultra fast response analyzer over a transient driving cycle. The model was proven to be able to reproduce the original signal with high accuracy. Furthermore, applications of the model on measurement devices that are used in series or parallel to the CVS setup were also presented. The methodology was able to reveal phenomena related to gaseous and particulate emission measurements that could not be revealed due to the limited time resolution of the original measurement output.

Η ανάγκη καλύτερης κατανόησης και περαιτέρω βελτίωσης της λειτουργίας των σύγχρονων οχημάτων χαμηλών εκπομπών δημιούργησε το ενδιαφέρον για μετρήσεις εκπομπών υψηλής χρονικής απόκρισης. Το σύστημα δειγματοληψίας καυσαερίου σταθερού όγκου (CVS), το οποίο αποτελεί τη βασική διάταξη που περιγράφεται από τη νομοθεσία της Ευρωπαϊκής Ένωσης για τη δειγματοληψία, αραίωση και μέτρηση των εκπομπών ρύπων των οχημάτων σε συγκεκριμένο κύκλο οδήγησης, παρέχει τέτοιου είδους δεδομένα. Η χρονική ανάλυση των καταγραφόμενων δεδομένων ωστόσο, είναι χαμηλή εξαιτίας περιορισμών του σχεδιασμού τέτοιων συστημάτων. Καθυστέρηση λόγω μεταφοράς σε αγωγούς, φαινόμενα ανάμιξης και διάχυσης κλπ. ευθύνονται για την εξομάλυνση και αλλοίωση του αρχικού σήματος εκπομπής. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός μοντέλου για την αντιμετώπιση όλων αυτών των πηγών αλλοίωσης, λαμβάνοντας υπόψη τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος. Το πρόβλημα προσεγγίστηκε με καθαρά μαθηματικά εργαλεία της θεωρίας συστημάτων. Το σύστημα CVS αντιμετωπίστηκε σαν συνδυασμός διαφορετικών υποσυστημάτων σε σειρά, τα οποία προσομοιώθηκαν ξεχωριστά εξαιτίας των διαφορετικών χαρακτηριστικών σχεδιασμού και ροής του καθενός. Οι παράμετροι κάθε υποσυστήματος προσδιορίστηκαν με χρήση μετρήσεων της απόκρισης του υποσυστήματος σε γνωστές και ελεγχόμενες βηματικές εισόδους συγκέντρωσης ρύπου. Το μοντέλο του κάθε υποσυστήματος αντιστράφηκε και ένα ειδικά σχεδιασμένο φίλτρο εφαρμόστηκε για να αντισταθμίσει το θόρυβο του αντεστραμμένου σήματος. Το τελικό μοντέλο σχεδιάστηκε έτσι ώστε να είναι εφαρμόσιμο τόσο σε ήδη διαθέσιμες μετρήσεις όσο και σε μελλοντικές μετρήσεις στην προσομοιωμένη διάταξη. Το μοντέλο είναι εφαρμόσιμο επίσης σε παρόμοιες διατάξεις δειγματοληψίας και μέτρησης καυσαερίου με την πραγματοποίηση συγκεκριμένων μετρήσεων ταυτοποίησης των παραμέτρων του συστήματος. Η απόδοση του τελικού μοντέλου αξιολογήθηκε συγκρινόμενη με έναν αναλυτή υπερταχείας απόκρισης τελευταίας τεχνολογίας σε μεταβατικό κύκλο οδήγησης. Αποδείχθηκε ότι το μοντέλο είναι ικανό να αναπαράγει το αρχικό σήμα με υψηλή ακρίβεια. Επιπλέον, παρουσιάστηκαν εφαρμογές του μοντέλου σε μετρητικές συσκευές που χρησιμοποιούνται σε σειρά ή παράλληλα με τη διάταξη CVS. Η προτεινόμενη μεθοδολογία ήταν ικανή να αποκαλύψει φαινόμενα σχετικά με τη μέτρηση αέριων και σωματιδιακών εκπομπών που δεν ήταν δυνατό να αποκαλυφθούν εξαιτίας της περιορισμένης χρονικής ανάλυσης του αποτελέσματος της αρχικής μέτρησης