Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Приборы для измерения концентрации токсичных веществ в отработавших газах

Для проверки концентрации токсичности веществ в отработавших газах применяют многокомпонентные газоанализаторы, а для проверки дымности – дымомеры. Вот о том, какие используются приборы для измерения концентрации токсичных веществ в отработавших газах, мы и поговорим в этой статье.

Для автомобилей с бензиновыми двигате­лями, количество газообразных токсичных веществ в пробах вычисляется исходя из кон­центрации токсичных веществ в пробах отра­ботавших газов и воздуха разбавления. Стан­дартная процедура для этой цели (см. табл. «Методики испытаний» ) определена нормами контроля токсичности отработавших газов.

В основном, для измерения концентраций газообразных токсичных веществ в отрабо­тавших газах автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями используется одни и те же измерительные приборы. Однако в отношении измерения концентрации углеводо­родов (НС) имеют место некоторые различия. Анализу подвергается не содержимое мешков для сбора проб, а часть непрерывного потока разбавленных отработавших газов. Затем к по­лученному значению прибавляется концентра­ция, измеренная в ходе дорожных испытаний. Причина такого подхода заключается в том, что углеводороды (имеющие высокую темпера­туру кипения) конденсируются в (не нагретом) мешке для сбора проб отработавших газов.

В исследовательских целях на многих ис­пытательных стендах установлены системы непрерывного измерения концентраций токсичных веществ в системе выпуска от­работавших газов автомобиля или в системе разбавления отработавших газов. Это необ­ходимо для получения данных о тех или иных подлежащих контролю компонентах, а также компонентах, на которые требования норм не распространяются. Для этого требуется ис­пользовать методы испытаний, не указанные в табл. «Методики испытаний» , например:

• Парамагнитный метод (для измерения кон­центрации O₂);
• Детектор Cutter FID: комбинация пламенно­ионизационного детектора и поглотителя неметановых углеводородов (для измере­ния концентрации СН₄);
• Массовая спектроскопия (многокомпо­нентный анализатор);
• FTIR-спектроскопия (инфракрасная спек­троскопия с преобразованием Фурье, многокомпонентный анализатор);
• Инфракрасная лазерная спектроскопия (многокомпонентный анализатор).

Ниже приведены описания некоторых изме­рительных приборов.

NDIR-анализатор

NDIR-анализатор (недисперсионный инфра­красный анализатор) использует свойство некоторых газов поглощать инфракрасное из­лучение в узком диапазоне длин волн. Погло­щенное излучение преобразуется в энергию колебаний или вращения молекул поглощаю­щего вещества. В свою очередь эту энергию можно измерить, как тепловую энергию. Вы­шеописанное явление относится к веществам, молекулы которого состоят из атомов как ми­нимум двух различных элементов, например, СО, СO₂, С₆Н₁₄ или SO₂.

Существует несколько вариантов NDIR- анализаторов; основными компонентами яв­ляются источник инфракрасного излучения (рис. «Измерительная камера анализатор NDIR» ), поглощающая ячейка (кювета), че­рез которую проходит газ, эталонная ячейка, обычно расположенная параллельно по­глощающей ячейке (заполненная инертным газом, например, N₂), вращающийся преры­ватель и детектор. Детектор состоит из двух камер, соединенных мембраной и содержа­щих образцы анализируемых газов. Излуче­ние из эталонной ячейки поглощается в одной камере детектора, а из кюветы — в другой.

Интенсивность излучения из кюветы может быть снижена за счет поглощения испытуе­мым газом. Разность энергий излучения вы­зывает возникновение потока, который может быть измерен датчиком потока или датчиком давления. Вращающийся прерыватель преры­вает инфракрасное излучение, что вызывает изменение направления потока и, следова­тельно, модуляцию сигнала датчика.

NDIR-анализаторы очень чувствительны к присутствию в анализируемом газе влаги, по­скольку молекулы Н₂O поглощают инфракрас­ное излучение в широком диапазоне длин волн. По этой причине NDIR-анализаторы располага­ются после системы обработки газа (например, газоохладителя), служащей для осушения от­работавших газов, если выполняются измере­ния неразбавленных отработавших газов.

Хемилюминесцентный детектор (CLD)

В реакционной камере испытуемый газ смеши­вается с озоном, производимым из кислорода посредством электрического разряда (рис. «Конструкция хемилюминесцентного детектора (CLD)» ). В этой среде оксид азота, содержащийся в ис­пытуемом газе, окисляется до диоксида азота. Некоторые из вновь образовавшихся молекул находятся в возбужденном состоянии. Когда эти молекулы возвращаются в исходное со­стояние, происходит высвобождение энергии в виде света (хемилюминесценция). Величина излученной световой энергии измеряется де­тектором (например, фотоумножителем). При определенных условиях величина этой энергии пропорциональна концентрации оксида азота (NO) в испытуемом газе.

Поскольку стандарт устанавливает общее предельное содержание оксидов азота в отрабо­тавших газах, требуется определять количество молекул NO и NO₂. Однако, т.к. принцип действия хемилюминесцентного детектора ограничивает область его применения измерением только концентрации NO, испытуемый газ пропускается через преобразователь, в котором диоксид азота восстанавливается до оксида азота.

Пламенно-ионизационный детектор (FID)

Испытуемый газ сжигается в пламени водо­рода (см. рис. «Конструкция пламенно-ионизационного детектора (FID)» ), в результате чего образуются углеродные радикалы, некоторые из которых временно ионизируются. Ионизированные радикалы разряжаются на электроде коллек­тора. Величина возникающего при этом элек­трического тока пропорциональна количеству атомов углерода в испытуемом газе.

Детекторы GC FID и Cutter FID

Существуют два основных метода измерения концентрации метана в испытуемом газе Оба метода включают использование комби­нации сепаратора метана (СН₄) и пламене-­ионизационного детектора. Для сепарирова­ния метана используется хроматографическая колонка (GC FID), или нагреваемый каталитиче­ский нейтрализатор, окисляющий отличные от метана углеводороды.

В отличие от детектора cutter FID, детектор GC FID может определять концентрацию СН₄ только в прерывистом режиме (типичные ин­тервалы между измерениями составляют от 30 до 45 секунд).

Парамагнитный детектор (PMD)

Существуют различные конструкции пара­магнитных детекторов (в зависимости от из­готовителя). Принцип действия этих детекто­ров заключается в том, что в неоднородных магнитных полях вещества с парамагнитными свойствами (такого как кислород) воздей­ствуют на молекулы. Возникающие при этом силы вызывают движение молекул. Это дви­жение регистрируется специальным детекто­ром и его интенсивность пропорциональна концентрации молекул в испытуемом газе.

Измерение содержания твердых частиц

Кроме измерения концентрации газообразных токсичных веществ, измеряется содержание в отработавших газах твердых частиц, поскольку они также являются загрязняющими агентами, содержание которых ограничивается нормами. В настоящее время законодательство предпи­сывает использование для измерения содержа­ния твердых частиц гравиметрического метода.

Гравиметрический метод (с использованием фильтра твердых частиц)

Часть разбавленных отработавших газов от­бирается из канала разбавления во время дорожных испытаний и пропускается через фильтры твердых частиц. Количество твер­дых частиц в отработавших газах (нагрузка фильтров) вычисляется, как разность весов фильтров твердых частиц до испытания и по­сле него. Затем содержание твердых частиц, произведенных во время испытания, вычис­ляется, исходя из нагрузки фильтров, общего объема разбавленных отработавших газов и частичного объема отработавших газов, про­шедших через фильтры твердых частиц.

Гравиметрический метод имеет следую­щие недостатки:

• Относительно высокий предел детектиро­вания, который можно только в ограничен­ной степени снизить, при помощи сложных измерительных приборов, а также путем оптимизации геометрии канала;
• Невозможность непрерывного измерения содержания твердых частиц;
• Необходимость в сложном кондициониро­вании фильтров твердых частиц с целью сведения к минимуму влияния окружаю­щей среды;
• Невозможность определения химического состава и размеров твердых частиц.

Подсчет количества твердых частиц

В связи с вышеуказанными недостатками гравиметрического метода и с целью сниже­ния предельных значений, некоторые законо­датели в будущем также ограничат не только массу, но и количество твердых частиц.

В качестве устройства для подсчета ко­личества твердых частиц в соответствии со стандартом был заявлен «Конденсационный счетчик твердых частиц» (СРС). В этом счет­чике небольшая часть потока разбавленных отработавших газов (аэрозоль) смешивается с насыщенными парами бутанола. Конден­сация паров бутанола на твердых частицах вызывает значительное увеличение размера частиц, что дает возможность подсчитать их количество в рассеянном свете.

Количество твердых частиц в разбавлен­ных отработавших газах определяется непре­рывно. Интегрирование измеренных значе­ний позволяет получить количество твердых частиц, произведенных во время испытаний.

Определение распределения твердых частиц по размеру

В настоящее время возрастает интерес к рас­пределению твердых частиц, содержащихся в отработавших газах по размеру. Примерами устройств, позволяющих получать такие дан­ные, являются:

• Сканирующий мобильный определитель размеров частиц (SMPS);
• Электрический импактор низкого давле­ния (ELPI);
• Дифференциальный мобильный спектро­метр (DMS).

Испытания грузовых автомобилей

Измерения количества выбросов дизельных двигателей большегрузных грузовых авто­мобилей массой свыше 8500 фунтов, тре­буемые в США, начиная с 1986 модельного года, и в Европе, с вступлением силу норм Евро-4 для автомобилей массой свыше 3,5 т производится на динамических испытатель­ных стендах с использованием метода CVS (отбор проб при постоянном объеме). Од­нако, в связи с большими размерами дви­гателей, для обеспечения такой же степени разбавления отработавших газов, как для легковых и малотоннажных грузовых автомо­билей, требуется значительно более высокая производительность вентиляторов. Двойное разбавление (через вторичный канал), одо­бренное законодателем, помогает в некото­рой степени решить эту проблему.

Требуемый объемный расход разбав­ленных отработавших газов в критических условиях может быть обеспечен при помощи воздуходувки Рутса или трубки Вентури. Дру­гой возможностью является определение содержания твердых частиц в частичном по­токе разбавленных отработавших газов (при условии измерения концентраций остальных токсичных веществ в необработанных отра­ботавших газах).

Также ожидается, что с введением следую­щих, более строгих норм (например, Евро-6), для большегрузных грузовых автомобилей будут также установлены предельно допу­стимые значения количества твердых частиц.

Приборы газового анализа выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания

Газовый анализ — это процесс установления качественного и количественного состава газовых смесей. Прибор для проведения газового анализа называется газоанализатором. Газоанализаторы бывают разными, и в сознании автомобилистов, прочно ассоциируются с определением токсичности выхлопных газов автомобиля.

Для этих целей газоанализаторы способны решать широкий диапазон задач по исследованию состояния двигателя и его систем. И, хотя контроль токсичности остается одной из основных функций газоанализатора, его диагностические способности настолько широки, что многие автосервисы используют газоанализаторы, как базовый инструмент диагностики.

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания, по сути, является преобразователем химической энергии топлива (бензина). Таким образом, он потребляя топливо и окислитель (кислород, из воздуха) в результате реакции горения (быстрого окисления) топлива, протекающей в камере сгорания,преобразует химическую энергию в механическую (вращение коленвала).

Однако, в результате горения образуются побочные химические продукты. Некоторые из них являются нейтральными по отношению к окружающей среде (кислород О 2 , углекислый газ СО₂, пары воды Н2О), а некоторые — вредными (оксид углерода СО, углеводороды CН, различные оксиды азота NО_Х).

Эффективность работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в первую очередь зависит от полноты сгорания топлива, которая, в свою очередь, зависит от многих факторов:

— от оптимальности соотношения топлива и окислителя (за это отвечают системы дозирования и расхода топлива и воздуха, «система впуска»);

— от тщательности перемешивания топливной смеси (зависит от состояния форсунок, конструкции впускного коллектора и камеры сгорания);

— от эффективности предварительного сжатия топливного заряда (определяется состоянием ЦПГ и ГРМ);

— от эффективности воспламенения (зависит от исправности всех элементов системы зажигания).

Малейшее отклонение от нормы или неправильность работы одной из систем двигателя приводит к понижению его эффективности и, вследствие чего изменяется концентрация побочных продуктов сгорания топлива, что сказывается на составе «выхлопа». Т.е. состав отработанных газов – это обобщенный параметр, своего рода индикатор, с помощью которого можно сделать вывод об эффективности работы двигателя, правильности и слаженности работы всех компонентов его основных систем: механической, системы зажигания, газораспределения и отведения газов.

Таким образом, становится понятно, чем обусловлено применение газоанализаторов для диагностики автомобилей.

Немножко истории

В конце 60-х годов в США был принят первый закон, который предусматривал контроль за токсичностью выхлопных газов автомобилей. Однако, газовый анализ применяли для исследования процессов в двигателях задолго до этого. Американцы были первопроходцами в борьбе за экологически чистый транспорт.

Первые газоанализаторы, которые применялись для регулировки двигателей, были однокомпонентными, то есть из целого ряда побочных продуктов сгорания топлива могли замерить только концентрацию СО.

Анализ СО позволял судить о соотношении пропорций в топливо-воздушной смеси, а значит, мог помочь в настройке карбюратора. Первые автомобильные газоанализаторы использовали эффект изменения электропроводности платиновой спирали в газовой среде оксида углерода.

К 70-м годам XX века, во времена, когда вредными выбросам автотранспорта, стало уделяться много внимания, благодаря достижениям науки и техники были созданы более современные, качественные двухкомпонентные газоанализаторы, которые дополнительно могли определять концентрацию еще одного вредоносного продукта сгорания — CН (не сгоревшие частицы углеводородов, входящие в состав топлива). Интересным является то, что содержание углеводорода (СH), а также оксида азота (NO_X) определяют в PPM — количестве частиц на миллион, а не в процентах, как все остальные газообразные компоненты. Кроме того, в те времена стал применяться другой, более точный метод определения концентрации, так называемое спектрометрирование выхлопных газов в инфракрасном диапазоне. В современных газоанализаторах до сих пор применяется данный принцип.

Дальнейшее совершенствование газоанализаторов происходило в результате постоянно ужесточавшегося контроля токсичности, а также повышения требований к прибору, как к диагностическому инструменту. Так, в результате модернизаций, появились трехкомпонентные газоанализаторы, которые позволяли дополнительно измерять концентрацию диоксида углерода СО₂. Это безопасный с точки зрения экологии газ без цвета и запаха — натуральный продукт сгорания углеводородов. Информация о концентрации СО₂ с точки зрения определения вредности выбросов в атмосферу не представляет ценности. Однако, такая информация полезна для диагноста, поскольку позволяет судить о полноте сгорания топлива даже в случае, если автомобиль оборудован нейтрализатором выхлопных газов.

Стоит отметить, что немалый импульс развитию приборов газового анализа дала повсеместная установка в выхлопной системе автомобилей каталитического нейтрализатора. Двухкомпонентные газоанализаторы, в изменившихся условиях оказались малоэффективными, поскольку не давали необходимого объема объективной информации о работе двигателя, ведь каталитические нейтрализаторы уменьшали концентрацию именно измеряемых ими параметров — СО и СН.

Современные четырехкомпонентные автомобильные газоанализаторы способны измерять концентрацию СО₂, СО, СН и О₂. При этом, замеры содержания первых трех компонентов выполняются при помощи спектрометрического метода, а концентрация кислорода определяется электрохимическим датчиком. В более сложных, пятикомпонентных приборах. реализована возможность определения содержания оксидов азота (NO_X).

Современные приборы позволяют расчетным путем определять исходный состав топливной смеси даже для двигателей, выхлопная система которых оборудована катализатором. Кроме того, совокупный анализ всех перечисленных параметров позволяет лучше понимать характер процессов, которые происходят в двигателе.

Современные приборы могут иметь стационарное и переносное исполнение, при этом встречаются модели с сетевым питанием, питанием от 12-вольтного автомобильного аккумулятора или комбинированным питанием. Таким образом, существует возможность выполнять замеры состава газов даже в движении автомобиля.

Удобство эксплуатации определяет, также, способ питания устройства. Например, комбинированное питание (сетевое и от 12-вольтового автомобильного аккумулятора) позволяет использовать газоанализатор в различных условиях. Например, при небольших габаритах газоанализатора появляется возможность измерять состав газов при движении автомобиля. Расшифровка записи изменения состава отработанных газов в различных режимах движения автомобиля дает абсолютно другую по качеству информацию для анализа и позволяет прояснить некоторые тонкости рабочих процессов двигателя, которые невозможно выяснить при стационарных испытаниях в боксе в без нагрузки.

Существуют, также, такие вспомогательные устройства, как: встроенный принтер, применяемый для распечатки результатов измерений, порт для подключения и совместной работы с ПК, дополнительные датчики, которые позволяют измерять частоту вращения двигателя и температуру масла.

Не лишними будут, также, наглядные индикаторы, удобные переключатели режимов и автоматизированные режимы подогрева, удаления конденсата, установки «нуля».

В России самыми известными и популярными газоанализаторами, применяемыми для контроля газов ДВС в автосервисах являются приборы серии «ГИАМ-29М» и «ИНФРАКАР-М».

1) «ГИАМ-29М» — это серия переносных автомобильных газоанализаторов, которые предназначаются для измерения содержания: оксида углерода (СО), диоксида углерода (СО₂), суммы углеводородов (СН), оксидов азота (NО), кислорода (О₂) в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания. ГИАМ-29М имеет несколько исполнений, которые отличаются по количеству контролируемых газов, и главное, предназначаются для разных двигателей.

Так, например, «ГИАМ-29М-1 (-2)» предназначается для измерения содержания газов, перечисленных выше, за исключением оксидов азота (NO_X), в выхлопных газах карбюраторных двигателей, а также их настройки. Данные приборы имеют возможность измерения температуры масла, а также количества оборотов коленчатого вала бензиновых ДВС с принудительным воспламенением топлива.

«ГИАМ-29М-3 (-4)» — это переносной газоанализатор контроля отходящих газов судовых силовых установок ДВС. Данный прибор предназначается, помимо основных функций ГИАМ-29М-1 (-2), для вычисления суммарного объемного содержания оксидов азота (NOх), а также расчета коэффициента избытка воздуха по объему.

Измерение СО₂, СО, СН проводится по оптико-абсорбционному принципу, а О₂ и NOх по электрохимическому. Благодаря встроенному насосу, имеют принудительный забор пробы.

Газоанализаторы серии «ГИАМ-29» оснащаются цифровыми выходами RS-232 и USB, имеют возможность проведения измерения при отрицательных температурах, благодаря внутреннему подогреву, оборудованы дисплеем, на который выводятся результаты измерений, имеют степень защиты IP54 для ГИАМ-29М-1 (-2) и IP42 для ГИАМ-29М-3 (-4).

Оба прибора имеют небольшие размер и вес, а также два источника питания от сети переменного тока 220В и бортовой сети в 12В, благодаря чему могут с легкостью применяться в полевых условиях.

2) «Инфракар-М» — это серия переносных автомобильных газоанализаторов, которые предназначаются для измерения обьемной доли оксида углерода (СО), диоксида углерода (СО₂), углеводородов (CН) (в пересчете на гексан), кислорода (О₂) в выхлопных газах автомобилей с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания.

Во всех газоанализаторах серии «Инфракар-М» реализована возможность измерения частоты вращения коленчатого вала, а для исполнения «Т» ещё и возможность измерения температуры масла. На основании результатов измерений газоанализатор рассчитывает коэффициент избытка воздуха Лямбда.

Газоанализаторы «Инфракар-М» выпускаются в исполнениях для двух классов точности и имеют следующие характеристики:

«Инфракар М1»прибор II класса

«Инфракар М2» — прибор I класса (повышенной точности)