Приборы для измерения токсичности отработавших газов двигателей

Бурное развитие автомобильного транспорта во всех странах ведёт к значительному загрязнению окружающей среды токсичными веществами отработавших газов. Например, при сжигании 1 тонны автомобильного топлива двигатели грузовых автомобилей выбрасывают в атмосферу до 800 кг окиси углерода. В крупных городах около 80 % углеводорода и 60 % окиси азота выделяется автомобильными двигателями.

К токсичным компонентам относятся окись углерода (СО), окислы азота (NО_x), углеводороды (СН), альдегиды, сажа и бензапирен. Эти вещества отрицательно влияют на организм человека и окружающую среду. Норма содержания СО в воздухе не должна превышать 1 мг/м³. Норма содержания окислов азота не более 0,1 мг/м³. Сильное раздражение слизистых оболочек носа и глаз альдегидами наступает при концентрации 0,18 %. Допустимая среднесуточная концентрация паров бензина не более 1,5 мг/м³.

Состав отработавших газов зависит от режима работы двигателя, его технического состояния, условий эксплуатации. Состав отработавших газов карбюраторных двигателей в основном определяется коэффициентом избытка воздуха a. В области низких значений a (богатые смеси) вследствие недостатка кислорода для окисления топлива увеличивается количество СО и СН, снижается эмиссия окислов азота NO_x. При a = 1,05 - 1,11 содержание СО незначительно, но резко возрастает содержание окислов азота. Если a > 1,1, то вследствие замедленного сгорания сильно обеднённых смесей, несколько повышается содержание углеводородов. Содержание окислов азота также снижается.

Изменяя a в пределах 0,8 - 1,2, нельзя добиться одновременного снижения концентрации всех токсических веществ. Это достигается при a > 1,5, но бензовоздушная смесь в таком составе практически не воспламеняется. Если добавить водород, например, в количестве 5 - 15 % расхода бензина, то работа двигателя обеспечивается уже при a = 2. В этом случае снижается токсичность отработавших газов и повышается топливная экономичность двигателя.

Вкарбюраторных двигателях при работе на богатых смесях (холостой ход, малые нагрузки) основными токсичными компонентами являются окись углерода и углеводороды, на бедных смесях – окислы азота. В дизельных двигателях основные токсичные компоненты при разных оборотах и нагрузках – сажа и окислы азота.

На рис. 1 показана зависимость содержания токсичных веществ в отработавших газах от состояния и регулирования приборов системы питания, а также от общего технического состояния автомобиля, нагрузки на двигатель и режимов его работы.

Из представленных кривых следует, что в режиме холостого хода при a = 0,8 в отработавших газах возрастает содержание СО. По мере обеднения смеси, т.е. повышения a, увеличивается содержание NO_x. Оптимальный режим работы – это когда a = 1,2 или приближается к этому значению.

Поскольку в этом режиме двигатель работает значительную часть времени (особенно в городе), оказалось целесообразным ввести ограничения содержания токсичных веществ в отработавших газах именно для режима холостого хода, учитывая также простоту проверки токсичности в этом режиме.

Рис. 1. Зависимость концентрации токсичных веществ

от режимов работы двигателя

Стандарты на выброс токсичных веществ автомобильными двигателями введены во многих странах мира. В России введены следующие допустимые нормы содержания СО в отработавших газах: при минимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу – 1,5 % СО; при 60 % от минимальной – 1 % СО.

Рассмотрим причины образования токсичных компонентов в отработавших газах автомобильных двигателей.

Углеводороды (СН) - это компоненты несгоревшего топлива, их содержание измеряется в частях на миллион по объему (ррm). Нормально работающий двигатель сжигает в цилиндрах практически все топливо, допустимое содержание СН должно быть менее 50 ррm. Бензин является канцерогеном. Повышенное содержание СН может объясняться, например, большим потреблением масла через слабые уплотнительные кольца поршней. Чаще всего увеличенное содержание CH вызывается неполадками в системе зажигания. При этом следует проверить:свечи зажигания; высоковольтные провода; крышку и ротор распределителя (если они имеются); угол опережения зажигания; исправность катушки зажигания.

Вероятной причиной повышенного содержания CH в выхлопных газах являются пропуски воспламенения в системе зажигания, когда несгоревшее топливо начинает поступать в выпускной тракт. Неисправности могут быть такие: загрязнение свечей; неисправность высоковольтных проводов; повреждения катушки зажигания; неисправность крышки или ротора распределителя; нарушение установочного угла опережения зажигания (слишком большой или малый); неисправность датчика положения коленчатого вала; неисправность электронного модуля зажигания.

В непрогретом двигателе условия сгорания смеси неоптимальные из-за конденсации паров топлива на стенках цилиндров и содержание СН в выхлопных газах также выше нормы. Повышенное содержание СН - это признак неполного сгорания топлива, и тогда двигатель работает неэкономично. После устранения неисправностей, связанных с повышенным содержанием СН, экономичность двигателя улучшается.

Окись углерода (СО) -неустойчивое химическое соединение, легко вступающее в реакцию с кислородом, дающую двуокись углерода СО₂. СО - ядовитый газ без цвета, вкуса и запаха. Вступая в легких в реакцию с воздухом, лишает мозг кислорода. Уровень СО в выхлопных газах для современных автомобилей с впрыском топлива не должен превышать 0,5 %. Возможные причины повышения содержания СО следующие: неисправность системы вентиляции картера; засорение воздушного фильтра; нарушение частоты вращения двигателя на холостом ходу; повышенное давление топлива; любые другие неисправности, приводящие к работе двигателя на богатых смесях.

Двуокись углерода (СО₂) - результат соединения углерода из топлива с кислородом воздуха. Допустимое содержание 12 – 15 %. Высокие значения свидетельствуют о хорошей работе двигателя. Низкий уровень СО₂говорит о том, что топливная смесь богатая или бедная. Повышение концентрации СО₂ в атмосфере способствует развитию парникового эффекта.

Кислород (О₂) - в воздухе его 21 %, и в цилиндрах двигателя большая часть вступает в реакцию с топливом. Уровень кислорода в выхлопных газах должен быть низким, не более 0,5 %. Более высокие значения, особенно на холостом ходу, означают утечку во впускном тракте.

Возникает необходимость измерения содержания кислорода и двуокиси углерода в выхлопных газах двигателя. Информации, получаемой от двухкомпонентного газоанализатора по содержанию только компонентов СО и СН, может быть недостаточно для диагностирования состояния двигателя, к тому же эти газы влияют друг на друга, например, в каталитическом нейтрализаторе. В то же время, повышенное содержание кислорода в выхлопных газах - это индикатор работы на обедненной смеси. Следует только иметь в виду, что негерметичность в выпускном тракте также приводит к повышенному содержанию кислорода в выхлопных газах и к ложному указанию на обеднение смеси за счет подсоса воздуха. Чтобы быть уверенным в показаниях газоанализатора по параметру О2, нужно убедиться в исправности выпускного тракта.

Окислы азота NO_x и их измерение.Окислы азота NO_x формируются в камере сгорания двигателя при температуре выше 1370 °С или при большом давлении. При соединении окислов азота с углеводородными компонентами СН (остатки несгоревшего топлива) в атмосфере под воздействием солнечных лучей образуется фотохимический смог, вредный для органов дыхания человека.

Окись азота NO - бесцветный газ без вкуса и запаха. Двуокись азота NO₂ - рыжеватый газ с кислым едким запахом. Из этих компонентов в камере сгорания двигателя образуется группа окислов азота, для краткости обозначаемых, как NO_x.

Содержание NO_x в выхлопных газах определяют с помощью пятикомпонентного газоанализатора. Окислы азота NO_x формируются при работе двигателя под нагрузкой. Поэтому измерения приходится проводить на динамометрическом стенде или в поездке портативным газоанализатором.

В табл. 1 представлен состав отработавших газов для исправных двигателей с отсутствием и применением каталитического нейтрализатора.

Таблица 1

Состав выхлопных газов для исправных автомобилей

На сегодняшний день неплохо зарекомендовал себя в работе четырех канальный газоанализатор модели «Инфракар М» российского производства. Газоанализатор «Инфракар М» имеет каналы для измерения частоты вращения коленчатого вала и температуры масла (исполнение Т) двигателей автомобилей. На основании измеренных значений СО, СН, СО₂ и О₂ газоанализатор осуществляет расчет коэффициента избытка воздуха a.

В соответствии с требованиями ГОСТ Р 52033-2003 газоанализаторы «Инфракар М» делятся на приборы I и II классов точности:

- газоанализатор «Инфракар М1» – прибор II класса.

- газоанализатор «Инфракар М2»– прибор I класса (повышенной точности).

Каждое основное исполнение газоанализаторов «Инфракар М» имеет 2 дополнительных исполнения, отличающихся комплектом поставки:

- исполнение 01- без встроенного принтера;

- исполнение 02 - со встроенным принтером.

Диапазоны измерений газоанализатора«Инфракар М1»:СО – 0-7 %; СН – 0-3000 мин^-1; СО₂ - 0-16 %; О₂ – 0-21 %; коэффициента избытка воздуха a – 0-2; тахометра – 0-6000 мин^-1; температура масла - 20-100 ⁰С; Основная относительная погрешность измерений газовых каналов ±6 %; приведенная погрешность измерений тахометра ±2,5 %.

Время установления показаний канала О₂ - не более 60 с. Питание газоанализатора - 12 / 220 В. Потребляемая мощность - не более 30 ВА. Средняя наработка на отказ 10000 ч. Срок службы - 10 лет. Индикация показаний - светодиодная. Высота цифр - 14 мм. Масса - не более 10 кг. Габаритные размеры - 355×330×180 мм (Ш×Д×В).

Прибор имеет сертификат соответствия № РОСС RU. МЕ48. ВО1586;

Газоанализаторы

Для анализа состава отработавших газов и определения токсичных компонентов используются современные химические, физические и физико-химические методы в сочетании с электронными измерительными приборами.

Газовый анализ отработавших газов необходим как для доводки двигателей при их создании (выбор оптимальных форм газовых каналов, камеры сгорания и др.), так и для регулировки топливной аппаратуры и других узлов двигателя при диагностировании и техническом обслуживании в условиях эксплуатации. При этом должно быть обеспечено получение необходимой мощности и минимального расхода топлива при допустимой концентрации вредных составляющих в отработавших газах.

При испытании и диагностировании двигателей количество выбросов вредных веществ с отработавшими газами определяется при помощи специальных приборов - газоанализаторов, различных по принципу работы и конструктивному исполнению.

Автомобильные газоанализаторы предназначены для оценки состава выхлопных газов бензиновых двигателей внутреннего сгорания и проверки соответствия параметров выхлопных газов экологическим нормам выбросов количества CO (оксида углерода), CO₂ (диоксида углерода), O₂ (кислорода), CH (углеводородов). Автомобильные газоанализаторыспособны определять технические параметры и выдавать информацию о температуре масла двигателя, информацию об оборотах двигателя. На основе полученных данных автомобильные газоанализаторымогут определять коэффициент избытка воздуха a, который называется лямбда параметр.

Существует два типа устройств, способных анализировать параметры выхлопных газов автомобилей, это газоанализаторы - для работы с бензиновыми двигателями и дымомеры - для работы с дизельными двигателями автомобилей.

Автомобильные газоанализаторы подразделяются по количеству параметров на несколько групп: двухкомпонентные газоанализаторы которые определяют параметры CO и CH, четырехкомпонентные автомобильные газоанализаторыопределяющие параметры CO, CH, 0₂, CO₂, пяти компонентные автомобильные газоанализаторы работающие со следующими параметрами NO_x, CO₂, CO, O₂, CH. Некоторые газоанализаторы определяют еще один параметр HC (гидрокарбид).

По функциональности газоанализаторы делятся на газоанализаторы, способные определять дополнительные параметры, такие как частота вращения коленчатого вала двигателя и температура масла. По техническим возможностям автомобильные газоанализаторыподразделяются на устройства, которые оснащаются встроенным минипринтером для печати результатов работы газоанализатора и не имеющие встроенного принтера.

По точности определения параметров автомобильные газоанализаторы разделяются на газоанализаторы повышенной точности и газоанализаторы стандартной точности.

Все современные газоанализаторы имеют возможность подключения к персональному компьютеру или ноутбуку и последующему выводу на него информации о проведенном анализе выхлопных газов. Газоанализаторы выполнены в виде портативных переносных устройств (снабжены ручкой) с целью удобства работы на участке технического обслуживания автомобилей, так как занимают мало места. Кроме этогоавтомобильные газоанализаторы имеют достаточно большой срок службы 5-10 лет.