Анализаторы отработавших газов бензиновых и газобензиновых двигателей (газоанализаторы)

Содержание токсичных компонентов в отработавших газах бензиновых двигателей в настоящее время определяется с помощью газоанализаторов, работающих на основе использования инфракрасного излучения. В таких газоанализаторах анализ содержания оксида, диоксида углерода и углеводородов производится с помощью недисперсионных инфракрасных лучей. Физический смысл процесса заключается в том, что эти газы поглощают инфракрасные лучи с определенной длиной волны. Так, например, оксид углерода поглощает инфракрасные лучи с длиной волны 4,7 мкм, углеводороды — 3,4, а диоксид углерода — 4,25 мкм. Следовательно, с помощью детектора, чувствительного к инфракрасным лучам с определенной длиной волны, можно определить степень их поглощения при прохождении анализируемой пробы, в результате чего можно установить концентрации того или иного компонента. Схема газоанализатора, работающего по принципу инфракрасного излучения, показана на рисунке.

Отработавшие газы с помощью мембранного насоса через газоотборный зонд, отделитель конденсата и фильтры закачиваются в измерительную камеру. Сравнительная камера при этом заполнена инертным газом и закрыта. Источниками инфракрасного

Рис. Схема газоанализатора: 1 — газоотборный зонд; 2 — отделитель конденсата; 3 — фильтр тонкой очистки; 4 — защитный фильтр; 5 — мембранный насос; 6 — источники инфракрасного излучения; 7 — синхронный электродвигатель; 8 — вращающийся диск обтюратора; 9 — сравнительная камера; 10 — лучеприемник инфракрасного излучения; 11 — усилитель; 12 — мембранный конденсатор; 13 — измерительная камера; 14 — индикаторные приборы

излучения являются нихромные нагреватели, которые нагреваются до температуры около 700 °С. Отражаясь от параболических зеркал, поток инфракрасного излучения, периодически прерываемый обтюратором, приводимым во вращение от синхронного электродвигателя, проходит через измерительную и сравнительную камеры. (Обтюратор необходим для обеспечения ритмичного прерывания инфракрасного излучения.) В измерительной камере происходит поглощение инфракрасного излучения определенного компонента отработавших газов в зависимости от его концентрации. В сравнительной же камере этого не происходит, и возникает разница температур и давлений в обеих камерах. Вследствие этого изменяется емкость мембранного конденсатора 12, расположенного между камерами лучеприемника. Сигнал с конденсатора подается на усилитель 11 и далее на регистрирующий прибор.

По такому принципу работают газоанализаторы типа ГИАМ 27-01, ЕТТ фирмы «Бош» и др.

В более поздних конструкциях газоанализаторов, например АВГ-4, применяется метод измерения, частично отличающийся от рассмотренного выше. Анализируемый газ после очистки проходит через измерительную проточную кювету, где определяемые компоненты, взаимодействуя с излучением, вызывают его поглощение в соответствующих спектральных диапазонах (3,4; 3,9; 4,25 и 4,7 мкм). Инфракрасное излучение аналитических областей спектра определяемых компонентов, подаваемое излучателем, прерывается вращающимся диском обтюратора. Поток излучения характерных областей спектра выделяется приемниками излучения с интерференционными фильтрами и преобразуется в электрические сигналы, пропорциональные концентрации анализируемых компонентов.

Рис. Схема оптическая газоанализатора АВГ-4 (Россия): 1 — излучатель; 2 — кювета; 3 — обтюратор; 4 — приемники излучения с интерференционными фильтрами

Вместо четырех приемников может устанавливаться один (газоанализатор «Автотест»). Интерференционные фильтры в такой конструкции устанавливаются в самом обтюраторе. Инфракрасное излучение аналитических областей спектра определяемых компонентов, подаваемое от источника излучения и проходящее через линзу, поочередно выделяется соответствующими интерференционными фильтрами, установленными на вращающемся диске обтюратора. Этот диск вращается с шагом (углом поворота), равным каждому смонтированному в нем интерференционному фильтру. Кроме того, во вращающемся диске смонтирован «сравнительный» фильтр, которым ни один компонент отработавших газов не поглощается.

Рис. Функциональная схема газоанализатора «Автотест» (Россия): 1 — фотоприемник; 2 — проточная кювета; 3 — интерференционные фильтры; 4 — линза; 5 — источник излучения

В зависимости от концентрации определенного газа (углеводородов, диоксида и оксида углерода) на выходе пироэлектрического приемника формируются последовательные электрические импульсы, пропорциональные концентрации газа. Амплитуда сигналов дает информацию о концентрации определяемых компонентов отработавших газов. Анализ этих компонентов производится в режиме разделения (по очереди). Чем больше концентрация компонента в отработавших газах, тем меньше интенсивность излучения, принятая фотоприемником. Эта информация преобразуется и проходит статистическую обработку в микропроцессоре, а затем поступает на блок отображения информации.

Для исключения дополнительной погрешности от изменения температуры окружающего воздуха и анализируемого газа фотоприемник и кювета защищены теплоизоляционными оболочками и термостатируются системами стабилизации.

В современных многокомпонентных газоанализаторах типа «Автотест», «Инфакар М-1т.01UPEx» (Россия), MGT 5 фирмы МАХА (Германия) кроме измерения содержания оксида (ТО) и диоксида углерода (ТО2), углеводородов может определяться содержание кислорода (О2) и оксидов азота (NO), а также коэффициент избытка воздуха X. Однако молекулы газа с одинаковым количеством атомов не вызывают абсорбцию в инфракрасном диапазоне спектра, поэтому для измерения их концентрации метод инфракрасного излучения неприемлем.

Определение содержания NОж в газоанализаторах осуществляется химическим датчиком, посылающим электрический сигнал, который пропорционален содержанию измеряемых компонентов. Концентрация кислорода определяется электрохимическим методом. В датчике кислорода имеются измерительный и сравнительный электроды, находящиеся в электролите и отделенные от анализируемого газа полимерной мембраной. На измерительном электроде кислород, продиффундировавший через мембрану, электрохимически восстанавливается, и во внешней цепи возникает электрический ток, сила которого пропорциональна парциальному давлению кислорода в газе над мембраной.

Общая схема многокомпонентного газоанализатора показана на рисунке:

Рис. Схема многокомпонентного газоанализатора: 1 — зонд отбора проб отработавших газов; 2 — фильтры; 3 — отделитель конденсата; 4 — вход воздуха; 5 — фильтр с активированным углем; 6 — электромагнитный клапан; 7 — мембранный насос газа; 8 — мембранный насос конденсата; 9 — датчик давления; 10 — газоанализатор GA1 (измерительные камеры СО2, СО); 11 — газоанализатор GA2 (измерительная камера СН); 12 — датчик атмосферного давления; 13 — электрохимический датчик О2; 14 — химический датчик NО; 15 — выход газа; 16 — выход для слива конденсата

Измеряемые отработавшие газы отбираются из системы выпуска автомобиля с помощью зонда. Они закачиваются установленным в измерительном приборе мембранным насосом 7 и подаются через фильтр в отделитель конденсата. Здесь, прежде чем измеряемый газ очистится в следующем фильтре еще раз, отделяются грубые загрязнения и конденсат водяных паров. Второй мембранный насос (8) откачивает конденсат на выход для слива конденсата.

Сначала измеряемый газ проходит через газоанализатор GA1. Здесь определяется концентрация СО2 и СО. Затем газ направляется в газоанализатор GA2, который измеряет концентрацию СН. Прежде чем газ покинет измерительный прибор через выход 15, он проходит через датчики 13 и 14, которые измеряют содержание кислорода и оксида азота.

Когда происходит автоматическая установка прибора на «нуль» (так называемая «продувка»), вход измерительной камеры переключается электромагнитным клапаном 6, который установлен перед насосом, с отработавших газов на воздух.

Фильтр 5 с активированным углем защищает измерительный прибор от проникновения углеводородов, содержащихся в окружающем воздухе.

Датчик давления 9 служит для проверки плотности всего газового тракта. Второй датчик давления (12) регистрирует атмосферное давление, которое используется в расчетах.

Во многих странах нормируется коэффициент избытка воздуха X. Это безразмерная величина — отношение массы воздуха, поступающего в цилиндры двигателя при его работе, к массе воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания горючей смеси. Этот коэффициент рассчитывается микропроцессором газоанализатора.

В зависимости от комплектации анализатор может также производить:

• определение частоты вращения коленчатого вала двигателя
• индикацию и вывод результатов измерений в виде протокола с указанием текущей даты и времени
• автоматическую коррекцию «нуля» при включении прибора и в дальнейшем по требованию без отключения пробозабор- ной системы от выхлопной трубы автомобиля
• измерения при отрицательных температурах окружающей среды (до -20 °С) при наличии дополнительной системы подогрева проб измеряемого отработавшего газа

Газоанализаторы могут выдавать информацию о проверяемых параметрах как непосредственно на переднюю панель прибора, так и на экран дисплея компьютера при комплексных проверках автомобилей. При использовании газоанализаторов на станциях гостехосмотра выходные значения измеряемых компонентов выводятся на экран дисплея и автоматически заносятся в диагностическую карту.

Рис. Экран дисплея с данными по составу отработавших газов бензинового двигателя

Газоанализатор может обмениваться данными с программным обеспечением диагностической линии и импортировать туда результаты измерений.

При определении концентрации токсичных компонентов отработавших газов необходимо определять частоту вращения коленчатого вала двигателя и температуру масла в его картере. В некоторых газоанализаторах, например MGT 5 фирмы МАХА, имеются разные способы считывания частоты вращения.

Заборное приспособление газоанализатора содержит гибкий зонд с зажимом для удерживания на срезе выхлопной трубы, предварительный фильтр и шланг достаточной длины для обеспечения доступа к выхлопной трубе.

В рукоятке зонда имеется заглушка, которая предназначена для закрытия зонда и применяется при периодическом контроле герметичности заборного приспособления.

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.