基于汽车排放及大气污染对汽车智能空调设计理念的论述

刘其林 康光景

摘 要：本文基于对大气污染的分析，说明“双向监测驾驶室空气品质的汽车空调智能控制系统及方法”这一项目存在的现实意义，旨在为驾乘人员营造更好的驾驶乘坐环境。重点分析汽车各种排放对大气的污染以及和汽车空调之间的关系，及汽车智能空调所能实现的功能对驾驶员及乘客带来的利处。

关键词：汽车排放;大气污染;汽车空调智能控制系统

1 分析背景

工业革命以来的一个多世纪，由于内燃机以及锅炉等的大量使用，大气环境恶化，大气污染越来越严重，历史上曾爆发过几次大气污染造成的恶性事件，如英国烟煤型大雾、美国的洛杉矶光化学烟雾等，造成大量的人员患病死亡、严重的经济损失以及大量树木枯黄死亡，全球对大气环境越来越重视。

所谓大气污染是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和福利或环境的现象[1]。大气污染物由人为源或者天然源进入到大气，当这些污染物超过大气环境所能承载（稀释、降解）的能力，就会导致大气污染物在大气中相对聚集，浓度达到一定值后，便导致了大气污染。

2 汽车排放对大气的影响

2.1 汽车排放污染的分布特点

（1）汽车排放污染主要集中在大城市，1994年我国人口达到100～200万的城市，NOx超标率为17.9%，人口在200万以上的城市超标率达到19.5%。

（2）机动车排放污染多发生在道路网密集、交通繁忙的地区。我国大气环境中NOx污染多发生在大城市，超标严重的区域又往往集中在人口稠密、道路网密集、交通繁忙的地区[2]。

2.2 汽车排放对空气质量的影响

汽车排放是目前大气污染的主要来源，直接与汽车及交通源排放有关的大气污染物包括CO、NOx（NO NO2）、HC（苯、苯并芘）、铅、细微颗粒物、SO2、臭氧。

自80年代以来，我国汽车保有量迅速增长，随着城市化的进程，汽车保有量增加相对集中在大城市，导致大量汽车污染物集中在城市排放使一些城市空气质量恶化。近些年雾霾天气频发，其主要原因为机动车尾气排放与燃煤，以北京为例，在北京中心城区堵车时PM2.5增加至平时值的4-6倍，另外由于城市峡谷效应的存在，机动车在两边高楼林立的街道行驶时排放的尾气不易扩散，且车流量大，速度较慢，经常怠速，尾气排放多，污染物积累多[3]。

如下图所示，以北京为例，可以明显地得出结论，机动车的尾气排放是城市区域性大气污染的主要来源。

3 现有汽车空调功能及其局限性

汽车空调即汽车空气调节装置（air conditioning device），用于把汽车车厢内的温度、湿度、空气清洁度及空气流动调整和控制在最佳状态，为乘员提供舒适的乘坐环境，减少旅途疲劳;为驾驶员创造良好的工作条件，对确保安全行车起到重要作用的通风装置。一般包括制冷装置、取暖装置和通风换气装置。这种联合装置充分利用汽车内部有限的空间，结构简单，便于操作，是国际上流行的现代化汽车空调系统[4]。

汽车空调目前也存在着许多问题及功能的局限性需要解决。

（1）除了汽车尾气排放会影响大气的空气质量，汽车空调的运行也会排放一定的温室气体，目前，汽车空调使用的工质为HFC134a，其作为一种过渡性质的替代工质，虽其污染效应指数（GWP）仅为已淘汰的CFC12的1/6，但仍是二氧化碳的1300倍，汽車空调运行引起的温室气体排放量约为汽车尾气温室气体排放量的2%～10%，且随着汽车发动机的性能的不断提升，占有率也会相应的增加。

（2）另外，汽车空调运行时的功率大约相当于2至3台家用空调，空调系统中最消耗能量的是压缩机，汽车空调消耗的功率约占发动机输出功率的10%至15%，结果就会导致汽车空调的使用提高发动机的负担，提高机动车的耗油量，对汽车空调性能的改进会一定程度上提高汽车的使用经济性。

（3）随着5G以及物联网技术的发展，工具的智能化成为发展趋势，现存的汽车空调功能较为单一，有一定的局限性。

4 汽车空调智能化的实现及现实意义

4.1 汽车空调智能化的必要性

4.1.1 汽车外部状况

由上文结论，汽车大多集中在人口密集，道路繁忙的城市，随着城市的空气污染愈发严重，汽车空调作为汽车内部的空气净化装置，其智能化的开发设计是个必然的趋势。在城市道路环境中，驾驶员需集中精力操纵车辆，智能化的汽车空调可以在不分散驾驶员注意力的情况下，完成汽车内部空气的更换。

4.1.2 汽车内部状况

由于汽车运行废气和污染气体在汽车内部的累积，导致长时间的乘坐或驾驶汽车，车内的乘客会出现不同程度恶心眩晕的问题，在加之汽车内外空气流通不顺，车内氧气含量减少，二氧化碳的含量增加，若其含量超过2000pm，则会对驾驶员的注意力造成影响，增大行车危险，若某些有毒气体，如CO超过阈值，就会对成员的健康有威胁，智能化的汽车空调则可以对这种情况做出反应，提高汽车舒适度的同时提高安全性。

4.2 汽车空调智能化的实现

我们小组提出了一种双向监测驾驶室空气品质的汽车空调智能控制方法，通过对汽车内部以及外部进行有关大气污染物的检查，以集成传感器与单片机为处理媒介和技术基础，并借助于设计算法，来保障行驶过程或者怠速过程中驾驶室内空气品质的安全性。

5 双向监测驾驶室空气品质的汽车空调智能控制系统及方法设计原理

5.1 传感器布设

在设计检测路径和传感器布设的方面，考虑到车内外集聚的有害气体含量不尽相同，且在汽车行驶或者怠速情况下，车内外有害气体集聚速度也不同。因此，为了更大范围的处理车内外有害气体保障驾驶室内人员的生命健康和安全，我们选取在车内外各自布设一个传感器。

关于气体收集方法的特殊说明：由于沉积法收集气体极大降低了装置的灵敏度，在装置正式使用过程中，容易影响可靠性，因此对于气体收集将采取两种方式进行，处于空调滤芯处的传感器利用冷却风扇的吹动进行聚集，位于驾驶室内的传感器可根据压强原理在空调管路设置低压高压区进行空气自动沉积（或直接形成半封闭区域利用气压泵）。

5.2 逻辑算法设计

在对具体的运行工况进行讨论时，分为车内和车外两部分。

5.2.1 车内传感器的算法设计（图2）

车内传感器感应车内的二氧化碳、甲醛、一氧化碳、氧气以及车内颗粒物的浓度，相应的浓度信息转化为电压信息输入到单片机中进行处理。一氧化碳和甲醛归为一类，它们都有毒性，会对驾乘人员造成安全威胁，单片机首先处理它们的信息，其次是二氧化碳和氧气，它们浓度之间的比值影响车内环境的舒适性，最后分析车内颗粒物的浓度信息。对它们的浓度进行判断（是否超过对应的阈值），根据系统判断出的结果做出相应的反应操作。

5.2.2 车外传感器的算法设计（图3）

车外的传感器相对简单，只测得一氧化碳和颗粒物的浓度。同样，把它们的浓度信息转换为电压信息输入到单片机进行相应处理。外侧一氧化碳的浓度同样影响驾乘人员的安全，通过监测其浓度还能检测车辆问题，外侧颗粒物的浓度则关系到能否开窗通风。在单片机中对浓度是否超过对应气体阈值进行判断，根据判断的结果做相应的处理。

5.3 数据处理与优化建模

借助于keil进行软件编写，并将程序下载至stc89c52单片机，通过LCD1602液晶显示器进行显示，之后通过MATLAB设计的算法进行数据处理。

6 创新特色

（1）系统采集度高、对传感器的布设，气体的收集有着独特的设计;

（2）算法完备、处理效率高：基于单片机对采集到的气体信息进行处理，并通过程序计算模拟输出结果;

（3）系统实用性高：对驾驶人进行警告并自动进行应急处理;

（4）系统移植性好，市场广泛：每款车都具备汽车空调，对有汽车空调智能化的需求。

7 應用前景

汽车空调是目前汽车产品的必备功能，且国内汽车市场仍然庞大，因此对汽车空调的智能化属于必备要求。较大的汽车销量，提供了汽车空调智能控制系统广阔的市场。本产品面对全国范围内广阔的汽车市场，具有以下优势：（1）本方案以宜人性为出发点，具有较强的产品力;（2）项目易于操作，推广便利，效果显著，容易获得广大驾驶员的接受;（3）系统会实时更新维护，保证系统的安全稳定运行。一旦产品批量生产投入市场，得到汽车厂家的采购，本系统将会为保障人体健康做出贡献。

8 结论

随着工业化的进程，大气的污染越来越严重，汽车的尾气排放是其中的主要来源之一，在城市内部，汽车排放是造成大气污染的最大的原因，运行在城市中的汽车，同时还要面对汽车内部污染气体的威胁，汽车空调的智能化是一个必然的趋势，在各种空气质量的运行工况下，保证汽车内部空气的清洁，以保证舒适性、空调寿命和行驶安全。

参考文献：

[1]《环境科学大辞典》编委会.环境科学大辞典（修订版）[M].中国环境科学出版社，2008.

[2]范秀英，张微，韩圣慧.我国汽车尾气污染状况及其控制对策分析[J].环境科学，1999（05）：105-111.

[3]贺克斌，郝吉明，傅立新，李铭哲，刘阳.我国汽车排气污染现状与发展[J].环境科学，1996（04）：80-83+96.

[4]陈家瑞.汽车构造：人民交通出版社，2001.