Анализ токсичных веществ по требованиям, предусмотренные соответствующими правилами, относящимися к производителям автомобилей, которые должны сертифицировать свои автомобили на соответствие правилам по оксиду углерода производится газоанализатором недисперсионного типа с поглощением в инфракрасной части спектра, углеводородов – газоанализатором пламенно-ионизационого типа, окислов азота – газоанализатором хемилюменесцентного типа. Для определения твёрдых частиц в отработавших газах применяются специальные фильтры, которые взвешиваются до и после анализа.
Содержание токсичных компонентов в отработавших газах бензиновых двигателей 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 (рис. 25. 5).
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.
На рис. показана схема измерения поглощения инфракрасного излучения в определенной области спектра при прохождении света от источника через анализируемые отработавшие газы. Каждый газ, входящий в состав отработавших газов, поглощает излучения в свойственных ему участках, обусловливаемых частотами собственных колебаний атомов и ионов в молекуле (рис. 25.6).
Свет интенсивностью Io от источника 1 проходит через мерное пространство, линзу 2 и поступает на детектор 3 с интенсивностью 4 (лучи 5). При этом интенсивность Ix меньше, чем, Io так как часть света поглощается (лучи А), часть отражается (лучи В). Степень поглощения лучистой энергии зависит от концентрации исследуемой пробы отработавших газов и толщины ее слоя. Рефлектор 4 служит для создания параллельного пучка света.
Интенсивность потока излучения определяется из выражения:
Ix = I0 е (-CkL)
где Ix , Io – интенсивности (монохроматические, т. е. имеющие определенную длину волны) конечного и начального потоков излучения;
Схема газоанализатора, работающего по принципу инфракрасного излучения, показана на рис. 25.7.
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 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 (Россия), ЕТТ фирмы «Бош» и др.
В более поздних конструкциях газоанализаторов, например, АВГ-4 (рис. 25.8), 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.
Интерференционные фильтры в такой конструкции устанавливаются в самом обтюраторе. Инфракрасное излучение аналитических областей спектра определяемых компонентов, подаваемое от источника излучения 5 и проходящее через линзу 4, поочередно выделяется соответствующими интерференционными фильтрами 3, 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.
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 компонентов в отработавших газах, тем меньше интенсивность излучения, принятая фотоприемником. Сигнал с фотоприёмника через устройство выборки и хранения, а также аналого-цифровой преобразователь поступает на микропроцессор для дальнейших вычислений, а далее 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.0ШРЕх» (Россия), MGT 5 фирмы МАХА (Германия) кроме измерения содержания оксида (СО) и диоксида углерода (СО2), углеводородов (СН) может определяться содержание кислорода (О2) и оксидов азота (NO), а также коэффициент избытка воздуха λ. 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 NОх 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. Величина полноты сгорания топлива λ вычисляется микропроцессором газоанализатора на основании данных по содержанию СО2, О2, СО, СН.
Определение значений λ и O2 позволяют применять газоанализаторы, кроме определения пригодности автомобилей к эксплуатации, для диагностики топливных систем автомобилей с каталитическими нейтрализаторами и лямбда-зондом.
Общая схема многокомпонентного газоанализатора показана на рис. 25.9.
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 7, 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 λ. 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 пробозаборной системы от выхлопной трубы автомобиля;
— измерения при отрицательных температурах окружающей среды (до -20 °С) при наличии дополнительной системы подогрева проб измеряемого отработавшего газа.
Дымность дизельных двигателей определяется с помощью анализаторов отработавших газов (дымомеров), работающих на использовании принципа определения поглощения света отработавшими газами. Принцип измерения дымности отработавших газов в дымомерах основывается на том, что отработавший (дымовой) газ дизельного двигателя обладает определенной степенью непрозрачности и в зависимости от ее величины пропускает меньше света, чем воздух. Это свойство используется в приборе для измерения дымности отработавших газов посредством абсорбционной фотометрии.
Общая схема дымомера показана на рис. 25.10. Отработавшие газы поступают в измерительную камеру, вытянутую в длину. С одной стороны камеры расположен источник, с другой – приемник света (фотодиод). Источник представляет собой светоизлучающий диод, который испускает свет с длиной волны 675 нм. Длина световой волны адаптирована под абсорбционную характеристику дымового газа. На противоположной стороне камеры фотодиод принимает поступающий свет. В зависимости от непрозрачности дыма изменяется степень прохождения света, падающего на фотоэлемент. Для защиты стекол дымомера от осадков отработавших газов и удаления их после работы в дымомерах предусматривают продувку с помощью воздуха, который подается через специальный клапан.
Подобный принцип используется в дымомерах 3.010, 3.011 фирмы «Бош», ДО-1, ИД-1 (Беларусь), MDO2-LON (МАХА), КИД-2 (ГАРО), «Инфракар-Д» (Россия), которые имеют широкое распространение и в большинстве дымомеров других фирм.
Дополнительно см. учебные фильмы
Технология проверки токсичных компонентов в отработавших газах бензиновых двигателей:
https://www.youtube.com/watch?v=oVJSxNx-oDI
Технология проверки коэффициента светопоглощения (дымности) в отработавших газах дизельных двигателей: