การเปรียบเทียบประสิทธิภาพการกรองของตัวกรองอากาศในห้องโดยสารของรถยนต์ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดกับมลพิษในอากาศต่างๆ ประเทศไทย

เวลา: 2024-11-06

นามธรรม

ไส้กรองไอดีของเครื่องยนต์ยานยนต์ช่วยให้ส่งอากาศสะอาดเข้าสู่เครื่องยนต์ได้ แม้ว่าเมื่อเวลาผ่านไป ไส้กรองเหล่านี้จะเต็มไปด้วยสารปนเปื้อนที่ขัดขวางการไหลเวียนของอากาศ แนวทางการบำรุงรักษาไส้กรองอากาศแบบเปิดในปัจจุบันทำให้ผู้ขับขี่ต้องเปลี่ยนไส้กรองตามระยะเวลาการให้บริการที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ซึ่งทำให้ต้องเปลี่ยนไส้กรองมากเกินไปหรือไม่เพียงพอซึ่งอาจก่อให้เกิดอันตรายได้ ผลลัพธ์ก็คือ รถยนต์หลายคันทำงานโดยมีกำลังลดลง สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงมากขึ้น หรือสึกหรอจากอนุภาคมากเกินไป ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อตัวเร่งปฏิกิริยาหรือทำให้พื้นผิวของเครื่องยนต์เสียหายได้

เราขอเสนอวิธีการตรวจจับการปนเปื้อนของตัวกรองจากข้อมูลเสียงที่รวบรวมโดยสมาร์ทโฟนและไมโครโฟนแบบตั้งพื้น แนวทางการเรียนรู้ของเครื่องของเราในการดูแลตัวกรองใช้คุณลักษณะ Mel-Cepstrum, Fourier และ Wavelet เป็นอินพุตในแบบจำลองการจำแนกประเภท และใช้การจัดอันดับคุณลักษณะเพื่อเลือกคุณลักษณะที่แยกแยะได้ดีที่สุด เราแสดงให้เห็นถึงความทนทานของเทคนิคของเราโดยแสดงประสิทธิภาพสำหรับยานพาหนะสองประเภทและไมโครโฟนที่แตกต่างกัน โดยพบผลลัพธ์ที่ดีที่สุดที่มีความแม่นยำ 79.7% เมื่อจำแนกตัวกรองออกเป็นสามสถานะการโหลด

การปรับปรุงเทคนิคนี้จะช่วยให้ผู้ขับขี่สามารถควบคุมตัวกรองของตนได้และช่วยกำหนดเวลาเปลี่ยนตัวกรองได้อย่างเหมาะสม ซึ่งจะส่งผลให้ประสิทธิภาพ ประสิทธิผล และความน่าเชื่อถือของรถยนต์ดีขึ้น ขณะเดียวกันก็ลดต้นทุนการบำรุงรักษาสำหรับเจ้าของรถด้วย

บริษัท

ทุกปี อายุเฉลี่ยของยานพาหนะและระยะทางที่เดินทางต่อปีเพิ่มขึ้น กระทรวงคมนาคมแห่งสหรัฐอเมริกา (2016b), IHS Inc (2016) และด้วยการเปลี่ยนแปลงไปสู่การขับเคลื่อนร่วมกัน ความต้องการยานพาหนะที่มีประสิทธิภาพ เชื่อถือได้ และทนทานจึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

ส่วนใหญ่

260

กองยานขนส่งเบาของสหรัฐอเมริกา (กระทรวงคมนาคมของสหรัฐอเมริกา, 2016a) ขับเคลื่อนด้วยน้ำมันเบนซิน (สำนักงานสารสนเทศด้านพลังงานของสหรัฐอเมริกา, 2016) โดยมีเครื่องยนต์ที่กินอากาศและเชื้อเพลิง จุดระเบิดส่วนผสมนี้เพื่อขับเคลื่อนลูกสูบ และปล่อยไอเสียเป็นผลพลอยได้ การทำงานที่ไม่มีประสิทธิภาพใดๆ ก็ตามจะทำให้ประสิทธิภาพ ความประหยัด และอายุการใช้งานของเครื่องยนต์ลดลง

ระบบไอดีมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพการทำงานที่เหมาะสมที่สุด อากาศที่เข้ามาจะต้องไหลได้อย่างอิสระเพื่อให้มีประสิทธิภาพ สะอาด ปกป้องพื้นผิวเครื่องยนต์จากการสึกกร่อนและความเย็น ทำให้ความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นช่วยให้เผาไหม้เชื้อเพลิงได้มากขึ้น ส่งผลให้มีกำลังเพิ่มขึ้น

ไส้กรองเป็นองค์ประกอบสำคัญของช่องรับอากาศเข้าของเครื่องยนต์ โดยจะช่วยลดความเข้มข้นของสารปนเปื้อนให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัย (Jaroszczyk et al., 1993) พร้อมทั้งรักษาการไหลของของเหลวอย่างอิสระเพื่อจำกัดความร้อนของอากาศเข้า ไส้กรองเหล่านี้เป็นของที่สึกหรอและจำเป็นต้องทำความสะอาดหรือเปลี่ยนใหม่เมื่อเต็มไปด้วยสิ่งสกปรก ฝุ่นละออง และเศษวัสดุ

การกรองที่เหมาะสมจะช่วยปรับปรุงการกักเก็บอนุภาค ช่วยลดการกัดกร่อนของกระบอกสูบเครื่องยนต์ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยต่อประสิทธิภาพมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญ: การสึกหรอของเครื่องยนต์

8

เร็วกว่าสำหรับตัวกรองที่

98

% เทียบกับ

99

มีประสิทธิภาพ % (Jaroszczyk et al., 1993) นอกจากนี้ การกรองที่เหมาะสมยังช่วยลดระดับเสียงในห้องโดยสาร และปรับปรุงกำลังและการตอบสนองของเครื่องยนต์ ในทางตรงกันข้าม ตัวกรองที่สกปรกจะจำกัดกำลัง ทำให้เกิดเสียง สิ้นเปลืองเชื้อเพลิง Norman et al. (2009), Toma (2016) และอาจทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ปลายน้ำขัดข้อง ความท้าทายเหล่านี้มีความสำคัญมากที่สุดในยานยนต์ที่ใช้คาร์บูเรเตอร์ (Thomas et al., 2012) ซึ่งขาดการควบคุมเชื้อเพลิงแบบวงจรปิด ในขณะที่รถยนต์รุ่นใหม่เปลี่ยนมาใช้ระบบหัวฉีดเชื้อเพลิงในช่วงกลางทศวรรษ 1990 รถยนต์ รถจักรยานยนต์ และยานพาหนะขนส่งขนาดเบาอื่นๆ ทั่วโลกยังคงใช้คาร์บูเรเตอร์

การเปลี่ยนไส้กรองตั้งแต่เนิ่นๆ ดูเหมือนจะเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ชัดเจน แต่การเปลี่ยนไส้กรองตั้งแต่เนิ่นๆ อาจทำให้เกิดปัญหาเล็กๆ น้อยๆ แต่ร้ายแรงได้ ประสิทธิภาพในการดักจับอนุภาคจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณที่เติมเข้าไป (Norman et al., 2009) ดังนั้นไส้กรองที่ใช้เพียงเล็กน้อยจะช่วยลดการสึกหรอของเครื่องยนต์และยืดอายุการใช้งานได้ มีช่วงเวลาที่เหมาะสมที่สุดในการเปลี่ยนไส้กรอง ซึ่งไส้กรองจะดักจับอนุภาคส่วนใหญ่และจำกัดการไหลให้น้อยที่สุด

เซ็นเซอร์ในรถได้รับการออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหาการเปลี่ยนไส้กรองให้เหมาะสม แต่รถยนต์ใหม่ส่วนใหญ่ที่มีระบบวินิจฉัยบนรถยนต์มักจะไม่ตรวจสอบสภาพนี้ และรถยนต์รุ่นเก่ามักจะไม่มีการตรวจจับใดๆ รถยนต์เพียงไม่กี่คันมีเซ็นเซอร์วัดความดันไอดีแบบสุญญากาศ (Norman et al., 2009) ซึ่งบ่งชี้ว่าความดันไอดีลดลงจากค่าพื้นฐาน

1

2.5 ปาสคาล

Toma (2016), Thomas et al. (2012) หากไม่มีเซ็นเซอร์ ผู้ขับขี่มักจะไม่ทราบข้อมูล จึงต้องใช้การจับเวลาโดยไม่คำนึงถึงข้อมูล โดยผู้ขับขี่ส่วนใหญ่เปลี่ยนไส้กรองตามระยะเวลาที่กำหนด (มักจะเป็น 15,000 กม. (Toma, 2016)) หรือเมื่อไส้กรองดูสกปรก วิธีการเหล่านี้ไม่แม่นยำ โดยมีการใช้ยานพาหนะในสภาพแวดล้อมที่หลากหลายซึ่งมีปริมาณอนุภาคที่แตกต่างกันและอัตราการไหลของอากาศที่ไม่แน่นอน (Jaroszczyk et al., 1993)

ในการสำรวจของ

21

ทดสอบตัวกรองอากาศหลังถอดออก

15

ถูกถอดออกก่อนกำหนดในขณะที่อีกสองอันถูกเปลี่ยนหลังจากเริ่มมีการอุดตันที่ทำให้ประสิทธิภาพลดลง (Toma, 2016) ซึ่งบ่งชี้ว่าผู้ขับขี่นำรถเข้ารับบริการเปลี่ยนไส้กรองเร็วเกินไป แต่โดยเนื้อแท้แล้วมีความลำเอียง เนื่องจากพบไส้กรองที่สกปรกที่สุดในรถที่ไม่เคยเข้ารับบริการ โดยถือว่า

2

การสูญเสียการประหยัดเชื้อเพลิง % ในรถยนต์ที่ไม่ได้รับการซ่อมบำรุงเพียงพอ ผู้ขับขี่โดยเฉลี่ยใช้เงิน 1680 ดอลลาร์ต่อปีไปกับเชื้อเพลิง ส่งผลให้สิ้นเปลือง 33.60 ดอลลาร์ในการขับรถที่มีไส้กรองสกปรก ซึ่งมากกว่าต้นทุนของไส้กรองทั่วไป และแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการประหยัดจากการเปลี่ยนไส้กรองในเวลาที่เหมาะสม โดยไม่ต้องพูดถึงความเสียหายระยะยาวต่อเครื่องยนต์และตัวเร่งปฏิกิริยา

การจำแนกประเภทตัวกรองแบบเรียลไทม์ที่ปรับปรุงใหม่สามารถลดต้นทุนการดำเนินงานของยานพาหนะและการปล่อยมลพิษได้ พร้อมทั้งปรับปรุงความน่าเชื่อถืออีกด้วย ข้อมูลนี้ยังคงมีความต้องการอยู่ โดย 81.4% ของผู้คนจะรับคำแนะนำจากระบบที่อาศัยข้อมูล (Toma และ Bobalca, 2016)

เพื่อลดความจำเป็นในการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรม การตรวจจับแบบแพร่หลายที่มีต้นทุนต่ำโดยใช้สมาร์ทโฟนอาจนำมาใช้เพื่อนำอุปกรณ์ที่มีอยู่มาปรับใช้ใหม่ (Engelbrecht et al., 2015) ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อการบริโภคได้เพิ่มความสามารถในการตรวจจับบนอุปกรณ์พกพา อินพุตใหม่เหล่านี้ ตั้งแต่ความดันบรรยากาศและทิศทางของอุปกรณ์ ไปจนถึงอุณหภูมิ การสัมผัส และความใกล้ชิด ได้รับการปรับปรุงอย่างเท่าเทียมกันในด้านการคำนวณ การจัดเก็บ และการเชื่อมต่อบนอุปกรณ์พกพา (Han และ Cho, 2016) งานของเราเองแสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้ที่จะตรวจสอบการจุดระเบิดเครื่องยนต์โดยใช้อุปกรณ์ดังกล่าว (Siegel et al., 2016b)

เรามุ่งมั่นที่จะเปลี่ยนผ่านจากรูปแบบการบำรุงรักษาเชิงรับในปัจจุบันไปสู่เชิงรุก โดยใช้ประโยชน์จากทรัพยากรเหล่านี้ เราใช้เสียงเคลื่อนที่เพื่อสังเกตการที่รถยนต์ "หายใจ" เพื่อจำแนกประสิทธิภาพของตัวกรองอากาศ โดยมีเป้าหมายเพื่อสร้างตัวบ่งชี้ "อายุการใช้งานที่เหลือ" และตัวตรวจสอบสภาพสำหรับตัวกรองอากาศ เพื่อปรับปรุงการปฏิบัติตามแนวทางปฏิบัติด้านการบำรุงรักษารถยนต์ที่ดีที่สุด เอกสารนี้สาธิตวิธีการใช้ข้อมูลเสียงเคลื่อนที่และการจำแนกกลุ่มเพื่อจำแนกสภาพตัวกรองอากาศเป็นสถานะโหลดหลายสถานะ

ในส่วนที่ 2 เราตั้งสมมติฐานว่าเสียงที่เปล่งออกมาจากช่องรับอากาศจะเปลี่ยนไปเมื่อมีการบรรจุอนุภาคเข้าไป ในขณะที่ส่วนที่ 3 จะอธิบายเกี่ยวกับงานที่เกี่ยวข้อง ส่วนที่ 4 จะอธิบายขั้นตอนการทดลองเพื่อรวบรวมข้อมูลและจำลองสารปนเปื้อนที่จำกัดการไหลของอากาศ เราจะอธิบายอัลกอริทึมการจำแนกกลุ่มของเราในส่วนที่ 5 และนำเสนอผลลัพธ์ในส่วนที่ 6 ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความแม่นยำสูงในการแยกแยะระหว่างตัวกรองใหม่ ตัวกรองที่ใช้งานอย่างระมัดระวัง ตัวกรองที่สกปรก และตัวกรองที่อุดตัน ในที่สุด ส่วนที่ 7 จะกล่าวถึงการปรับปรุงในอนาคตสำหรับอัลกอริทึมนี้และการประยุกต์ใช้การตรวจจับแบบแพร่หลายกับข้อผิดพลาดอื่นๆ ของรถยนต์

ตัวอย่างส่วน

คำอธิบายปัญหา

เครื่องยนต์สันดาปในอุดมคติต้องการอากาศเย็นที่สะอาดและไหลอย่างอิสระไม่จำกัด ในความเป็นจริง เครื่องยนต์ต้องใช้ตัวกรองเพื่อทำความสะอาดอากาศและจำกัดการสึกหรอ เมื่อเป็นของใหม่ ตัวกรองเหล่านี้จะจำกัดการไหลของอากาศเข้า และเมื่อตัวกรองเต็มไปด้วยสิ่งปนเปื้อน การจำกัดนี้และการลดแรงดันที่เกี่ยวข้องจะเพิ่มขึ้น ในขณะที่ระบบไอดีได้รับการปรับแต่งให้ลดเสียงรบกวน การสั่นสะเทือน และความกระด้าง การเปลี่ยนแปลงของการไหลจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่รับรู้ได้ในเสียงที่ส่งออกมาจากไอดี เราขอยืนยันว่าแรงดันเหล่านี้

ศิลปะสมัยก่อน

การกำหนดลักษณะสมรรถนะของยานพาหนะ การจำแนกประเภทสภาพของส่วนประกอบ และการระบุพฤติกรรมที่ผิดปกติโดยใช้สัญญาณโดเมนเวลาไม่ใช่สาขาใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การตรวจจับภายในยานพาหนะได้รับการนำมาใช้ในการตรวจสอบตัวกรองอากาศ อย่างไรก็ตาม การจำแนกประเภทหลายสถานะและการตรวจสอบสภาพแบบแพร่หลายยังคงไม่ได้รับการสำรวจอย่างเพียงพอ

ไม่ใช่เพราะขาดการวินิจฉัยยานพาหนะอย่างแพร่หลาย การใช้สัญญาณเสียงนั้นแพร่หลายอย่างยิ่งในการวิจัยและการใช้งานในอุตสาหกรรม เนื่องจากสัญญาณเสียงไม่ต้องการ

ขั้นตอนการทดลองและการตรวจสอบสมมติฐาน

หัวข้อนี้จะอธิบายถึงวิธีการสร้างตัวอย่างเสียงจากยานพาหนะที่มีการปนเปื้อนของตัวกรองอากาศในระดับต่างๆ เพื่อฝึกเครื่องจำแนกประเภทสามสถานะสำหรับรถยนต์หลายคัน

ขั้นแรก เราจะหารือเกี่ยวกับการทดลองรวบรวมข้อมูลเพื่อพิสูจน์แนวคิดในการใช้ฟีเจอร์เสียงเพื่อแยกความแตกต่างระหว่างตัวกรองแบบเก่าและแบบใหม่ จากนั้น เราจะนำเสนอขั้นตอนการสร้างข้อมูลที่ควบคุมได้สำหรับการจำแนกประเภทการปนเปื้อนแบบหลายสถานะ และอธิบายว่าแนวทางนี้ช่วยให้มั่นใจถึงความทนทานของตัวจำแนกประเภทของเราได้อย่างไร ในที่นี้ เราจะรวบรวมข้อมูล

การพัฒนาอัลกอริทึม

จากรูปที่ 5 เราตั้งสมมติฐานว่าความแตกต่างของค่าพีค FT สามารถใช้เพื่อแยกความแตกต่างระหว่างสามสถานะได้ โดยมีคุณลักษณะเพิ่มเติมที่ช่วยเพิ่มความแม่นยำในการจำแนกประเภท ในส่วนนี้ เราจะหารือถึงวิธีการสร้างคุณลักษณะ ปรับแต่งตัวจำแนกประเภท และเลือกพารามิเตอร์อินพุตที่เหมาะสมที่สุดเพื่อเพิ่มความแม่นยำในการจำแนกประเภทการโหลดฟิลเตอร์ให้สูงสุดในขณะที่ลดการโอเวอร์ฟิตติ้งให้น้อยที่สุด

ผลการสุ่มตัวอย่าง

ส่วนนี้แสดงผลลัพธ์การสุ่มตัวอย่างที่ได้รับการเพิ่มประสิทธิภาพสำหรับชุดข้อมูลที่ทดสอบทั้งสามชุดในรูปแบบตาราง

ในตารางที่ 1 เราจะเห็นการกำหนดค่าที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแต่ละโมเดลทั้งสาม และประสิทธิภาพของการตรวจสอบแบบ 5 เท่าของตัวอย่าง รวมถึง

25

ประสิทธิภาพการสุ่มตัวอย่าง %

เราสังเกตเห็นแนวโน้มในพารามิเตอร์ของแบบจำลองที่เหมาะสมที่สุด แบบจำลองแต่ละแบบมีแนวโน้มที่จะเลือกขนาดถังที่เล็ก ซึ่งแสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบ DFT จะมีบทบาทสำคัญในการแยกความแตกต่างระหว่างสถานะต่างๆ และคุณลักษณะที่น่าสนใจจะเน้นที่ขนาดแคบ

สรุป

เราได้แสดงให้เห็นถึงความแม่นยำ 80% ในการตรวจจับปริมาณอนุภาคในไส้กรองอากาศแบบสามสถานะโดยใช้ MFCC, DFT และคุณลักษณะของเวฟเล็ตและต้นไม้การตัดสินใจแบบบรรจุถุง ซึ่งพิสูจน์ถึงความสามารถใช้งานได้ของเสียงจากสมาร์ทโฟนที่ประมวลผลเป็นชุดสำหรับการจำแนกประเภทไส้กรอง การจำแนกประเภทแบบหลายสถานะถือเป็นก้าวหนึ่งสู่การตรวจสอบสภาพ ในขณะที่ความไวของตัวจำแนกประเภทที่สาธิตนั้นบ่งชี้ว่าสามารถตอบสนองได้เร็วยิ่งขึ้น แอปพลิเคชันมือถือที่ใช้แนวทางนี้อาจช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและประสิทธิผลของยานพาหนะได้ในที่สุด

ผล

ก่อนหน้า: ความสำคัญอย่างยิ่งของตัวกรองน้ำมัน

ต่อไป : เรื่องจริงเกี่ยวกับไส้กรองรถยนต์

หมวดหมู่ทั้งหมด

ข่าวสาร