Концепция измерения дымности отработавших газов дизелей

УДК 629.113

И.М. Блянкинштейн, к.т.н., доц./ А.М. Асхабов, асп. / Е.С. Воеводин, к.т.н. Сибирский федеральный университет, г. Красноярск

Введение

В настоящее время все большее распространение на транспорте получают дизельные двигатели. Зарубежные и отечественные автомобилестроительные фирмы применяют дизели не только на грузовых автомобилях большой и средней грузоподъемности, и на автобусах, которые традиционно оснащены такими двигателями, но и расширяют применение дизелей на легковых и малотоннажных грузовых автомобилях. Увеличение количества автомобилей с дизелями приводит и к увеличению доли загрязнений от них. Поэтому контроль дымности отработавших газов эксплуатируемых автомобилей — важная государственная задача.

Работа большинства приборов для измерения дымности отработавших газов дизелей основана на оценке поглощения отработавшими газами света определенной длины волны (в видимом спектре). Этот метод измерения, называемый в среде специалистов методом «Hartridge», определен международными стандартами (Правила ЕЭК ООН № 24 [1], ISO-3173 / ISO 11614) и в качестве эталонов при калибровке и поверке приборов предусматривает использование нейтральных светофильтров, аттестованных по коэффициенту пропускания. Метод «Hartridge» общепризнан и широко применяется в конструкциях серийно выпускаемых приборов, применяемых для контроля дымности отработавших газов транспортных средств в сфере эксплуатации. В то же время метод обладает известными недостатками — фотоэлемент прибора реагирует не только на содержащуюся в отработавших газах сажу, но и на пары воды и другие белесые составляющие отработавшего газа, формирующие его непрозрачность.

Известен также второй метод (метод "Bosch") [2], основанный на оценке степени почернения белой фильтровальной бумаги при прокачивании через нее фиксированного объема отработавших газов. Калибровка обеспечивается фотоколориметрическим способом с использованием стандартных фильтров (пластмассовые подложки с затемнением соответствующего уровня). Этот метод («Bosch») не нашел массового применения по ряду причин — во-первых, он более трудоемкий, во-вторых, его не применяют для измерения на режиме свободного ускорения, а именно этот режим является на сегодня единственно регламентированным для контроля автотранспортных средств в эксплуатации.

Совершенствование дымомеров немыслимо без использования новых идейно-методических подходов к измерению. На кафедре «Транспорт» Сибирского федерального университета разработан новый способ измерения дымности отработавших газов [3], суть которого излагается ниже.

Предлагаемый метод измерения дымности отработавших газов дизелей

Суть метода заключается в следующем: поток выхлопных газов дизеля снимается видеокамерой (частота съемки 30 кадров/с) на разлинованном черными и белыми полосами фоне в районе среза выпускной трубы и при достаточной освещенности. Камера и фон неподвижны (рис. 1). Полученное видео раскадровывается на отдельные снимки (изображения) с применением персонального компьютера (ПК), далее полученные изображения обрабатываются, и определяется степень изменения цвета фона к первоначально снятому на видео фону без отработавших газов. Фон с черными и белыми полосами необходим для того, чтобы определять как присутствие сажи в отработавших газах (черный дым на белом фоне), так и присутствие паров масла и воды (белый дым на черном фоне). По результатам суммарной оценки последовательного ряда изображений выдается решение о дымности ОГ двигателя.


Рисунок 1. Схема размещения приборов при измерении: А — вид сверху; Б — вид спереди

Предлагаемый метод измерения дымности является довольно простым и дешевым в аппаратной реализации, поскольку непосредственно для самого измерения необходимо иметь в наличии цифровую видеокамеру (массовое изделие), штатив и рабочий фон. В данном случае необходимость ПК при измерении не учитывается, поскольку в любом современном диагностическом комплексе ПК уже присутствует, остается только установить соответствующее программное обеспечение для обработки полученного видео.

Алгоритм обработки видео

Для того чтобы обрабатывать полученные кадры, необходимо создать эталонную шкалу, выражающую соотношение черного к белому от 0 до 100%. Данную шкалу возможно получить, смоделировав изображения с различными степенями яркости черного цвета (в идеале необходимо 100 изображений с различиями яркости в 1%) и промерив их фотоколориметрическим прибором. В результате получится количественная оценка яркости этих изображений по шкале фотоколориметра от 0 до 100%. Но эта процедура очень трудоемка и требует больших временных затрат. Поэтому предложен другой способ — эталонную шкалу можно получить с помощью стандартизированных программных средств (например, программное обеспечение «Adobe Photoshop»), которые могут изменять яркость белого изображения — из абсолютно белого изображения сделать абсолютно черное с шагом в 1%, а из абсолютно черного сделать абсолютно белое (рис. 2, 3, 4). Эти изображения и будут эталонами.




Принимая во внимание вышесказанное, можно утверждать, что для любого однородного черно-белого изображения можно определить степень его яркости путем сравнения с эталонами. Далее производится видеосъемка ОГ (на срезе выпускной трубы) на фоне упомянутого экрана в режиме свободного ускорения. Полученное видео раскадровывается, на каждом кадре видеоряда программно задается выделение определенной сцены (в районе среза выпускной трубы). ПК автоматически перебирает полученные изображения на выделенной сцене и сравнивает их с эталонными изображениями, пока не будет найдено соответствие для каждого кадра.

После сравнения изображений ПК выдает результат в процентах яркости от абсолютно белого (черного) эталонного изображения. По существу, эта оценка есть не что иное как показатель N%, полученный на толщине столба дыма, равной диаметру среза трубы.

Полученную для каждого кадра оценку приводим к толщине столба дыма L = 0,43 м. Исходную толщину столба у среза трубы принимаем равной диаметру среза трубы. Корректировку проводим следующим образом. Известно, что коэффициент поглощения света k и коэффициент ослабления света N связанны между собой логарифмической зависимостью:


Находим с помощью формулы (1) показатель k на длине L, равной срезу трубы. Далее подставляем найденный коэффициент k и длину L = 0,43 метра в формулу (2) и находим N, тем самым приводя коэффициент ослабления света к эффективной длине дымомера, равной 0,43 м. Данная процедура применяется для каждого кадра и по итогам обработки выдается решение о дымности ОГ испытуемого дизеля.

Пример обработки кадра видеоряда

Рассмотрим пример обработки одного кадра видеоряда (черная составляющая дыма на белом фоне). На полученном кадре выбирается определенная сцена в районе среза выпускной трубы (рис. 5). Выбор сцены в районе среза выпускной трубы обусловлен тем, что, во-первых, чем дальше дым отходит от среза выпускной трубы, тем более интенсивно происходит образование пара, что вносит погрешность. Во-вторых, чем дальше от среза выпускной трубы, тем сильнее изменяется и становится неопределенной толщина слоя анализируемого газа.


Далее полученная сцена «импортируется» в программу Adobe Photoshop. В программе вызывается встроенная функция «тон/насыщенность» изображения, которая позволяет изменять яркость изображения от 0 до 100% с шагом в 1% (рис. 6).


С помощью данной функции подбираем такую яркость, чтобы исходное изображение было чуть темнее основного фона, в нашем случае это 59% (рис. 7).


Затем подбираем такую яркость, чтобы исходное изображение было чуть светлее основного фона, в нашем случае это 64% (рис. 8).


Находим среднее из этих двух значений. Таким образом, коэффициент ослабления света N будет равен Nд = (59 + 64) / 2 = 61,5%. Но, так как исходные полоски на рабочем (используемом) фоне не являются абсолютно белыми (и абсолютно черными), вследствие неидеальной освещенности, то необходимо скорректировать полученное значение N путем вычитания из полученного Nд, которое было получено из кадра с дымом, проценты N, полученные с кадра без дыма, в нашем случае 28%. Итоговый коэффициент ослабления света N данного кадра будет равен Nитог = Nд — N = 61,5 — 28 = 33,5%. Данная процедура повторяется для всех кадров отснятого видеоряда. Таким образом, учитывается конкретная освещенность экрана в момент проведения измерений.

Продолжение читайте в следующем номере

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Единообразные предписания, касающиеся: I. Сертификации двигателей с воспламенением от сжатия в отношении дымности; II. Сертификации автотранспортных средств в отношении установки на них двигателей с воспламенением от сжатия, сертифицированных по типу конструкции; III. Сертификации автотранспортных средств с двигателем с воспламенением от сжатия в отношении дымности; IV. Измерения мощности двигателей. ГОСТ Р 41.24-2003 (Правила ЕЭК ООН № 24). ИПК Издательство стандартов, 2004. — 36 с.

2. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей: Учебное пособие для высшей школы. — Москва: Академический проспект, 2004. — 400 с.

3. Способ измерения дымности отработавших газов дизелей. Патент РФ № 2366930 по заявке RU № 2008131229 от 28.07.2008 МПК G 01N 21/59, Опубл. в Бюл. № 25 от 10.09 2009 г. И.М. Блянкинштейн, А.М. Асхабов.