Методики анализа выхлопных газов

Проведение измерений в режиме максимальной частоты вращения

Измерения на этом режиме производятся не позднее, чем через 60 с после испытаний на режиме сво­бодного ускорения. Плавно нажимают на педаль управления подачей топлива и удерживают ее в нажатом положении 2…3 с.. При этом частота вращения коленчатого вала двигателя будет поддерживаться регулятором частоты вращения ТНВД. Дымность измеряют не ранее, чем через 10 се­кунд после впуска ОГ в прибор. Измерение считают достоверным, если значения дымности расположены в зоне шириной не более 6 % по шка­ле N. За результат измерения следует принимать среднее арифмети­ческое значение крайних показаний дымности.

Предельно допустимые показатели дымности при испытаниях авто­мобилей с дизелями по ГОСТ 21393-75 с изменениями №2 указаны в таблице:

Таблица. Допустимые нормы дымности для автомобилей с дизельными двигателями

При контрольных проверках дымности ОГ при эксплуатации (на до­роге) нормы Кдоп., указанные в таблице, для режима свободного ус­корения могут быть превышены, но не более чем на 0,5 м-1.

Показания по дымности и содержанию оксида углерода и углеводородов в отработавших газах изменяются в зависимости от атмосферного давления, поэтому при проверках необходимо учитывать поправочный коэффициент на отклонение атмосферного давления от нормального. Коэффициент изменяется по прямолинейной зависимости от 1,21 при атмосферном давлении 650 мм рт. ст. до 0,92 при давлении 800 мм рт. ст.

Анализ окислов азота

Принцип измерения использует явление хемилюминесценции (оптическое излучение, вызванное химической реакцией), которая происходит в области длин волн между 590 и 3000 нм после реакции между окисью азота (N0) и озоном (03).

Образец газа не содержит окись азота, образованную при сгорании топлива в двигателе, но также соединяется с остаточным азотом в выхлопных газах для образования других окислов азота (например, NO2, N20). Вместе с избыточной долей N0 по сравнению с другими окислами азота, N02 также может достигнуть заметной концентрации, тогда как другие окислы азота имеют концентрацию чуть больше основных значений в окружающем воздухе. Наличие N0 в образце делает необходимым его термическое или термокаталитическое превращение в N0. В камере для реакций концентрация окислов азота преобразуется в концентрацию N0. Излучение от хемилюминесценции, вызванной 0 3, соответствует общему содержанию окиси азота. Для того чтобы уменьшить постороннюю люминесценцию, вызванную другими молекулами, содержащимися в смеси газов, учитывается только излучение в области длин волн между 600 и 660 нм, которое фильтруется с помощью оптического фильтра. Благодаря такому процессу отбора и очень низкому регистрируемому пределу принцип хемилюминесценции подходит для измерений N0 в «разбавленных» или «неразбавленных» выхлопных газах дизельного двигателя. Так как NO2 растворяется в воде, то измерительный контур нагревается до 80°С, чтобы предотвратить конденсацию водяных паров.

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.

₂₆₁₄₂

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.

Двигатель со впрыском

Чёрный дым, как и в карбюраторных двигателях, появляется при слишком обогащенной горючей смеси. Неисправность, как правило, говорит о выходе из строя какого-либо из датчиков или же блока управления системы впрыска. При наличии запасных датчиков желательно их поочередно заменить, а если и это не поможет, необходимо заменить и блок управления. Постоянно открыт инжектор холодного впуска (механическое зависание запорной иглы). Постоянно подается напряжение на инжектор холодного пуска. Постоянное небольшое напряжение на рабочих инжекторах («смещение»). Дефекты в блоке управления (слишком широкие импульсы управления).

Сизый (синий) и белый дым у бензиновых двигателей с впрыском вызван теми же причинами, что и у карбюраторных двигателей. Если двигатель оборудован турбонаддувом, а сизый дым появляется после его прогрева, то это связано с неисправностью турбины, как и у дизельных двигателей.

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).

Дымомер (фильтрационный метод)

В соответствии с этим методом измерений определенный объем отработавших газов прокачивается через бумажный фильтр (см. рис. «Дымометр (фильтрационный метод)» ). Степень зачернения бумаги выра­жается в виде показателя содержания сажи (от нуля до десяти).

малых концентраций сажи, можно скомпен­сировать при помощи непрерывно рабо­тающего насоса. Степень зачернения бумаги затем преобразуется в стандартный объем при стандартных условиях. Система также учитывает «мертвый объем» между пробоот­борником и бумажным фильтром.

Для оптико-электронной оценки почер­нения фильтрующей бумаги применяется светоотражающий фотометр. Результат предоставляется в виде показателя содержания сажи или дымового числа филь­тра (FSN). Для перевода дымового числа в концентрацию по массе в мг/м3 может быть применена эмпирическая корреляция.

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Карбюраторный двигатель

Черный дым является признаком наличия в отработанных газах несгоревшего топлива, что свидетельствует о неполном сгорании слишком богатой смеси. Наиболее частый виновник излишне обогащенной смеси — карбюратор. Не полностью открыта воздушная заслонка. Увеличенный уровень топлива в поплавковой камере. Засорен воздушный жиклер. Изношены калибровочные отверстия жиклеров. Установлены несоответствующие жиклеры. Неисправность ЭПХХ (постоянно открыт клапан системы холостого хода). Не работает одна или несколько свечей зажигания.

Белый дым свидетельствует о присутствии воды в горючей смеси. Вода в виде пара может появляться при сгорании топлива из-за повышенной влажности воздуха, накопления конденсата на стенках впускных трубопроводов, также вода (чистая или антифриз) может попадать из системы охлаждения, что является признаком неисправности. Попадание влаги в топливо. Пробита прокладка головки блока. Утечка воды из системы подогрева впускного коллектора или карбюратора (если такие существуют).

Сизый (синий) дым образуется при попадании масла в камеру сгорания. Определить износ деталей цилиндро-поршневой группы можно путем измерения компрессии. Если значение компрессии имеет требуемые числа, — значит, в повышенной дымности и расходе масла виновны уплотнители клапанов (направляющие втулки и резиновые манжеты). Залегли маслосъемные кольца. Износ или поломка маслосъемных колец. Износ седел клапанов и их направляющих. Потеря упругости резиновых манжет и колец в направляющих втулках и тарелках пружин клапанов. Износ деталей цилиндро-поршневой группы. Повышенный уровень масла в картере двигателя. Некачественное топливо с содержанием масла

Определение выбросов сажи

Методы фильтрации и поглощения обычно указываются в требованиях по контролю выхлопных газов как методы измерения содержания сажи в выхлопных газах дизельного двигателя. Существует взаимосвязь между результатами измерений обоих методов, если для измерений поглощения (прозрачности) выхлопные газы не содержат паров воды и топливного тумана. Оба метода измерения дают измеряемые величины, которые возрастают логарифмически с увеличением концентрации сажи. Повышенная точность измерений (10%) может быть достигнута с помощью оптических приборов.

В случае метода фильтрации используется почернение фильтровальной бумаги в качестве меры для количества сажи, осажденной на ней.

В некоторых странах (например, Швейцарии) фильтрующее устройство предписано для измерения выбросов дыма при свободном (без нагрузки) разгоне в качестве критерия для оперативного контроля. Для этой цели продолжительность движения плунжера насоса фильтра должна быть увеличена до 6 секунд, чтобы полный выброс дыма мог пройти через фильтровальную бумагу (2) в течение хода плунжера (3 — положение плунжера перед измерением, 5 — после измерения). Оценка производится с помощью фотоячейки (Ь) или с помощью специальной шкалы серости (9).

Дымомер (измеритель поглощения или прозрачности) (а) использует ослабление интенсивности луча света в качестве меры концентрации сажи. При измерении часть выхлопных газов (4) прокачивается насосом через заборное устройство и через шланг в измерительную камеру. Процесс, указанный выше предотвращает давление выхлопных газов и его флуктуации, отрицательно влияющие на результаты измерений.

Луч света (8 — источник света), проходящий через выхлопные газы, поступает в измерительную камеру. Уменьшение интенсивности света измеряется фотоэлектрическим способом (10 — приемник света) и отображается в % коэффициента прозрачности Т или как коэффициент поглощения к. Высокая точность к воспроизводимость измерений требуют, чтобы длина измерительной камеры была точно определена, а окошко измерительной камеры поддерживалось чистым от сажи с помощью методов термической очистки.

Дымомер оптического типа (абсорбционный метод)

Непрозрачность отработавших газов опреде­ляется степенью ослабления света, проходя­щего через отработавшие газы за счет абсорбции, дифракции и отражения света от твердых частиц, содер­жащихся в отработавших газах.

Для измерения полного потока на выхлоп­ной трубе монтируются излучатель и фото­детектор. В устройствах с отбором части по­тока отработавшие газы проходят через пробоотборный зонд и через трубопроводы с нагревателями нагнетаются насосом в изме­рительную камеру.

Во время свободного ускорения часть от­работавших газов, выходящих из выхлоп­ной трубы, проходит через пробоотборный зонд (см. рис. «Дымомер оптического типа (абсобционный метод)» ) и пробоотборный шланг и поступает в камеру (без вспомогательного вакуума). Поскольку давление и температура контролируются, на результаты измерений не оказывают влияния колебания давления отработавших газов.

Через отработавшие газы, находящиеся в испытательной камере, пропускаются свето­вые лучи. Фотоэлементы регистрируют сни­жение интенсивности света после прохож­дения камеры; это снижение соответствует непрозрачности Т (в %) или коэффициенту абсорбции к. Точно определенная длина ка­меры и поддержание в чистоте оптического окна (при помощи воздушной завесы, т.е. поперечного воздушного потока) являются основными условиями обеспечения высокого уровня точности и повторяемости результа­тов измерений.

Во время испытаний под нагрузкой обе­спечивается непрерывный процесс изме­рений дымности с индикацией получаемых данных. Результаты испытаний при свобод­ном ускорении могут быть сохранены в виде кривой изменений дымности в цифровом виде. Дымометр автоматически определяет максимальное значение и производит расчет среднего значения дымности для нескольких периодов подачи газа (см. рис. «График изменения дымности выхлопа при резком открытии дроссельной заслонки» ).