机动车尾气排放-数学实验.pdf

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1、综合实验指导：机动车尾气排放教学目的和要求：通过机动车尾气排放问题，使学生：1.了解可以用统计的知识来解决这种类型的重要问题；2.了解汽车尾气排放对空气造成的污染问题、危害及应对措施；3.体验利用数据拟合和线性回归的思想、方法，图形来分析和解决实际问题的过程；4.激发学生学习数学以及进行探究性学习的兴趣。知识点：数据拟合线性回归函数最值必备技能：1.无穷级数求和技巧2.计算数学期望3.数据拟合主要内容1.应用场景1.1尾气排放遥感探测技术1.2尾气排放数据的采集1.3需要解决的问题2.问题分析与模型建立2.1数据转换2.2回归分析与数据拟合2.3以排放量为目标的车速优化3．任务1.应

2、用场景汽车，卡车，摩托车和公交车排放出大量的一氧化碳，碳氢化合物、氮氧化合物和微粒。主要是这些化合物造成了空气污染。机动车尾气排放物，尤其是一氧化碳、氮氧化合物和碳氢化合物对人类的健康十分有害。一氧化碳是含碳燃料的不完全燃烧所产生的一种无臭、无味、无色的气体。它通过肺进入血流，降低血液的载氧能力，减少血液对人体器官和组织的供氧量。那些心血管疾病患者尤其是心绞痛或者外周血管疾病的患者，暴露在一氧化碳中对健康的危害更为严重。接触高浓度的一氧化碳会降低人的视觉、工作能力、手灵活度、学习能力和处理复杂事物的能力。氮氧化合物也会对健康产生多种影响。二氧化氮会刺激肺组织，并降低人体对呼吸道疾病（

3、例如，流感）的抵抗能力。氮氧化合物是形成酸雨的主要物质，酸雨会影响到陆生和水生生态系统。过度的大气氮沉降将导致营养物质富集（超营养作用）。最后，碳氢化合物和氮氧化合物在热和阳光的作用下将发生化学反应，产生臭氧。通常在炎热的夏季，臭氧在大气中很容易形成。基态臭氧是烟雾污染的主要成分，烟雾污染在夏天将会覆盖很多地区。短时间内（1-3小时）接触高浓度的臭氧，将会提高发病率和增加呼吸道疾病的急诊率。随着世界经济的发展，机动车数量的飞速增加，机动车尾气排放问题更加严峻。许多政府都开始执行一些控制机动车尾气排放的政策。美国、欧洲和日本在降低空气污染的一些问题上，正有着稳步的发展。在全球范围内，先

4、进的控制污染技术（尤其是催化剂和无铅汽油），已经得到了推广。但是，世界经济的持续增长需要政策来支持，而这些政策不能对经济产生消极的影响，即不能限制机动车的所有权。世界上的许多城市已经实施了相关的政策，这些政策包括了先进的公交管制、综合的运输规划和智能运输系统。过去的研究结果表明，行车方式对机动车尾气排放量的影响很大。与平稳的行驶相比，频繁的加速行驶或者减速行驶会排放出更多的汽车尾气。一个高效的交通信号配时系统可以平稳机动车流量，在一定程度上，可以降低尾气排放量。另外，良好的交通运输规划可以宏观地改变城市机动车的行车型态。1.1尾气排放遥感探测技术成功地制定出一项控制尾气排放的政策，关

5、键是在不同的交通量和环境中获得精确的尾气排放数据。“烟雾狗”是在本方案中所使用的尾气排放遥感探测装置。它是通过对环境进行监测来测定出机动车尾气的排放量。“烟雾狗”可以同时检测出尾气中一氧化碳，碳氢化合物，氮氧化合物和二氧化碳的排放浓度。此装置的一个显著特点是可以测定出机动车的瞬时速度和加速度。图1“烟雾狗”正在遥测汽车尾气和车速表1“烟雾狗”在休斯顿采集到的CO和HC浓度数据1.2尾气排放数据的采集在德克萨斯州，休斯顿某条高速公路的斜坡弯道处，用“烟雾狗”采集机动车尾气的排放数据。由于“烟雾狗”在作业时只能采集到行车时的尾气排放数据，因此，汽车空转时的数据并没有采集到。这些数据将通过

6、所建立的回归模型来计算出。表1是采集到的CO（一氧化碳）和HC（碳氢化合物）排放浓度的部分数据。1.3需要解决的问题车辆以多大的车速行驶会使CO和HC的排放系数都达到最小？如果所有的司机都以最佳的车速行驶，总的CO或HC排放量将会最小。另一方面，如果机动车变速行驶，气体的排放量将会增加。分析如下的情况，假设两辆不同的机动车按两种不同的行驶方案行驶。每辆机动车都行驶30秒，第一辆车以时速35公里匀速行驶，而第二辆车的速度在时速29公里到时速42公里不断变化（见表2）。30秒后，两辆机动车都行驶了相同的距离：35英尺。尽管，两辆机动车在相同的时间里行驶了相同的距离，但是每辆机动车的尾气排

7、放量却是不同的。表2详细的说明了这两种不同的行车方案。表2两辆车在30秒内行驶的速度2.问题分析与模型建立2.1数据转换为了建立车速与尾气排放量之间的模型，引入两个排放参量：排放系数（克/英里）和排放速率（克/秒）。排放系数是指每辆机动车每公里的尾气排放量。排放速率是指每辆机动车每秒钟的尾气排放量。定义以下的变量：·CO%:CO的排放浓度(%)；·HC%:HC的排放浓度(%)；·CO：CO的排放速率(g/s)；s·HC:HC的排放速率(g/s)；s·CO: