2013-14 Экология Диск Студентам / Газоанализатор Лабораторная №5

21

26 % по сравнению с серийным автомобилем "Волга" ГАЗ-24 (11,1 л/(100 км)

против 15 л/(100 км)). Кроме того, отмечалось значительное снижение расхода топлива автомобиля ЗИЛ-130 с двигателем объемом 3 л по сравнению с 6-

литровым образцом (на скорости движения 25 км/ч на 40 %).

В 1988г. в НАМИ в развитие работ, выполненных ранее на автополигоне института, была создана модульная силовая установка (МСУ) на базе двух роторно-поршневых двигателей ВАЗ-311. Она была установлена на автомобиль

"Волга" и прошла цикл стендовых и эксплуатационных испытаний, которые также подтверждали снижение расхода топлива на 30 ÷ 32 % в европейском ездовом цикле.

Итак, создание двигателя с регулируемым рабочим объемом и степенью сжатия реально может обеспечить снижение расхода топлива в городских условиях движения на 28…32 %. Следует обратить внимание на то, что такое же снижение расхода топлива, а значит, и выброса СО2 (парниковых газов),

рекламируют производители комбинированных энергетических установок

(КЭУ).

Нерешенная конструкторами ДВС проблема резкого снижения расхода топлива и СО2 автомобилями массового производства привлекла внимание конструкторов других отраслей промышленности (в частности,

электротехнической). Они обратились к созданию сначала электромобилей, а

затем и автомобилей с гибридными силовыми энергоустановками.

Под гибридной или комбинированной силовой энергоустановкой (КЭУ)

подразумевают комплексную силовую установку, состоящую из поршневого ДВС, электрогенератора, приводных электродвигателей, накопителя электроэнергии (аккумулятора) и системы микропроцессорного управления и оптимального регулирования.

22

Возможности автомобилей с КЭУ, производство которых планируют начать в ближайшее время, можно оценить, анализируя фирменные рекламные и эксплуатационные данные по топливной экономичности. Так, фирма

«Тойота» на мини-вэне «Estima» повысила его экономичность на 180% и

достигла расхода топлива 3,48л/(100 км), а на новой модели автомобиле

«Приус» достигла расхода топлива 2,8л/(100 км). Фирма «Хонда» на автомобиле «Insight» в городских условиях обеспечила расход на уровне

3,8л/(100 км). Фирма «Дженерал Моторс» объявила о 30%-ном снижении расхода топлива на своем автомобиле с КЭУ.

Однако автомобили с КЭУ имеют дополнительные системы, которые увеличивают массу силовой установки вдвое, в то время как на двигателях с регулируемым рабочим объемом увеличение массы не превышает 10%, а в случае использования блочно-модульной конструкции ДВС превышение составит не более 30%; при этом сохраняется возможность использования комплектующих изделий массового основного производства. На изготовление дополнительных систем КЭУ, которые являются весьма трудоемкими,

требуются цветные металлы (электродвигатели, электрогенератор, накопители энергии (аккумуляторы) и др.), что несопоставимо с затратами на изготовление блочно-модульного ДВС.

Проблемным вопросом как для МСУ, так и для КЭУ остается необходимость оптимизации характеристик ДВС на различных режимах и при различных частотах вращения вала в зависимости от требуемой для автомобиля мощности, то есть для различных условий работы ДВС в городских условиях и на магистралях. Изучение влияния формы универсальной характеристики двигателя на топливно-экономические и экологические показатели автомобиля ведется с 60 – 70 гг. минувшего столетия. В результате анализа был предложен метод обработки площади универсальной характеристики с постоянными значениями изучаемого параметра ДВС (Ge, СО, СН, NОх и др.) в

криволинейные зависимости, что позволило объективно сравнивать любые по

23

литражу ДВС: как бензиновые, так и дизельные, а также работающие на газовом топливе.

При движении автомобиля в городских условиях на малых скоростях от

10 до 60км/ч ДВС работает в диапазоне малых нагрузок и малых частот вращения вала. Реальные режимы работы (ДВС) находятся далеко от зоны минимальных удельных расходов топлива. Исходя из вышеизложенного,

необходимо осуществить изменение формы универсальной характеристики с целью смещения зоны минимальных удельных расходов топлива из области больших частот вращения вала и нагрузок в зону малых оборотов и средних нагрузок. Осуществление этого мероприятия весьма сложно и малоэффективно из-за известных на текущий момент недостатков методов совершенствования рабочих процессов ДВС, связанных с ухудшением показателей экономичности при больших частотах вращения вала и нагрузках.

Таким образом можно сделать вывод о том, что для получения наибольшего эффекта по снижению расхода топлива и СО2 (парникового газа),

а также выброса вредных веществ, необходимо уменьшение литража ДВС (не менее чем вдвое), с тем, чтобы соединить режимы работы в условиях города автомобиля с зоной наименьших удельных расходов топлива.

В настоящее время в мировой практике двигателестроения рассматриваются (исследуются и активно патентуются) два направления регулирования рабочего объема (Vh) ДВС. Наибольший эффект снижения расхода топлива в условиях городского движения можно получить в случае использования силовой установки в блочно-модульном варианте, когда два двигателя малого литража (например, 0,9 л + 0,9 л) соединены через муфту сцепления с электронным управлением. Один из двигателей работает постоянно, а второй может включаться или выключаться системой управления при необходимости. Для получения максимальной мощности или максимальной скорости работают два двигателя. В условиях городского

24

движения на малых (30…40 км/ч) и средних скоростях (60…80 км/ч) работает один двигатель, что позволит снизить расход топлива на 25…30 % благодаря повышению индикаторного и механического КПД Если же этот основной двигатель будет оснащен устройством регулирования рабочего объема от 0,9 до 0,6 л (путем изменения хода поршня), тогда эффект снижения расхода топлива устойчиво может быть достигнут на уровне 30…35 %.

Выполненные расчеты по методике НАМИ "Определение расхода топлива и выбросов вредных веществ" на режимах движения Правил № 83 ЕЭК ООН показали возможность значительного совершенствования двигателей при уменьшении расхода топлива и снижении выбросов СО2. При совместном использовании совершенного двигателя и КЭУ можно прогнозировать снижение расхода топлива и уменьшение выброса СО2 относительно двигателя на 50…60 %.

4. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Миллионная доля — единица измерения концентрации, аналогичная проценту и промилле. Обозначается сокращением ppm (англ. Parts per million,

читается пи-пи-эм, «частей на миллион») или мд.

1 ppm = 0,001 ‰ = 0,0001 % = 10-6

1 % = 10000 ppm

1 ‰ = 1000 ppm

Например, если указано, что массовая доля вещества в смеси составляет

15 ppm, это означает, что на каждый килограмм смеси приходится 15 мг этого вещества.

В случае, если речь идѐт о весовых концентрациях, то ppm эквивалентно граммам на тонну (г/т).

Другие единицы

Parts per billion (ppb) означает 1 часть однородной величины к 999,999,999. Это грубо равно одной капле чернил в среднем бассейне или одной

25

секунде к 32 годам. 1 часть от 109.

Parts per trillion (ppt) означает 1 часть однородной величины к

999,999,999,999. Это грубо равно одной капле чернил в судоходном шлюзе,

заполненном водой, или одной секунде к 320 столетиям. 1 часть от 1012.

Распространѐнная ошибка

Часто мг вещества приведѐнный к 1 кубическому метру газа при нормальных условиях тоже называют ppm. Это верно лишь отчасти, так как масса 1 кубометра воздуха практически равна 1 кг. Но это не совсем верно,

если это определение распространяют на кубометр произвольного газа. Также неверно считать ppm равным мг на литр, что отчасти верно для водных растворов, но даѐт большую погрешность при переходе к углеводородам,

плотность которых 0,5-1 кг/л.

5. УСТРОЙСТВО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА «АВТОТЕСТ CO-CH-Т»

Прибор "АВТОТЕСТ СО-СН-Т" содержит каналы измерения концентраций оксида углерода, углеводородов и частоты вращения коленчатого вала.

5.1.НАЗНАЧЕНИЕ ПРИБОРА

Газоанализатор концентрации оксида углерода и углеводородов

"АВТОТЕСТ СО-СН-Т" (далее по тексту – прибор) предназначен для одновременного определения содержания оксида углерода, углеводородов, а

также частоты вращения коленчатого вала в отработавших газах автомобилей,

работающих на бензине или газовом топливе.

Прибор может применяться при проверке токсичности отработавших газов органами ГИБДД при государственном техническом осмотре автомобилей,

Комитетами охраны природы при инспекционном контроле, в автохозяйствах,

на станциях технического обслуживания и в производстве автомобилей для контроля и регулировки двигателей на соответствие нормам по ГОСТ Р 52033-

2003.

Прибор предназначен для работы в следующих условиях эксплуатации:

26

температура окружающей среды от 0 до 40°С;

атмосферное давление от 86,6 до 106,7 кРэ ( от 650 до 800 тт Нд };

относительная влажность 95%;

рабочее положение прибора - горизонтальное с допускаемым отклонением ±20 градусов;

питание прибора от сети постоянного тока напряжением (12,6+2) В

или сети переменного тока 220В, 50Гц от выносного блока питания;

температура анализируемой смеси на штуцере "ВХОД" не более 50°С;

температура анализируемой смеси на входе в пробозаборник не более

200°С;

расход анализируемой смеси не менее 60 л/ч.

Прибор обеспечивает следующие режимы измерений и функциональные возможности:

- измерение концентрации оксида углерода, углеводородов и частоты вращения коленчатого вала автомобиля с любым числом цилиндров,

индикация и вывод результатов измерений на персональную ЭВМ по выходу К3232 в виде блока данных;

-автоматическая коррекция нуля при включении прибора и в дальнейшем по требованию (с просьбой отключения пробозаборной системы от выхлопной трубы автомобиля);

-доработка прибора для вывода результатов измерений на внешнее печатающее устройство в виде протокола с указанием номера прибора.

5.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРА

Принцип действия прибора основан на измерении величины поглощения инфракрасного излучения источника молекулами углеводородов и оксида углерода в областях 3,4 и 4,7 мкм соответственно. Концентрация кислорода О2

определяется электрохимическим методом (для кислородного канала).

Проба анализируемого газа поступает в проточную зеркальную кювету,

где определяемые компоненты, взаимодействуя с излучением, вызывают его

27

поглощение в соответствующих спектральных диапазонах. Поток излучения характерных областей спектра поочередно выделяется вращающимися интерференционными фильтрами (3,4 и 4,7 мкм) и преобразуется в электрические сигналы, пропорциональные концентрации углеводородов и оксида углерода.

Функциональная схема прибора приведена на рис. 5.1.

Пробозаборник

Блок преобразования сигналов

Блок пробоподготовки

КОМПРЕССОР

Рис. 5.1. Схема соединений элементов системы и подключение их к штуцерам прибора

Проба анализируемого газа отбирается из выхлопной трубы автомобиля пробозаборным зондом. В рукоятке зонда размещается фильтр грубой очистки,

где происходит предварительная очистка газа от частиц сажи и аэрозолей.

Далее проба газа направляется к прибору по трубке доставки.

Дальнейшая обработка пробы газа происходит в каплеуловителе,

совмещенном с фильтром тонкой очистки пробы. В каплеуловителе из пробы отделяется конденсат, который собирается в нижней части фильтра. В

фильтре сверхтонкой очистки типа СВ-702 производится окончательная очистка пробы газа от мешающих компонентов, которая затем поступает в

28

оптическую кювету узлов.

Конструкция узлов системы пробоподготовки прибора и схема их

соединения приведена на рис 5.2.

определения оксида углерода (4,7 мкм) и углеводородов (3,4 мкм)

поочередно выделяется соответствующими интерференционными

фильтрами, установленными на вращающемся диске модулятора, и

формирует на выходе пироэлектрического фотоприемника последовательности электрических импульсов. Амплитуда сигналов несет информацию о концентрации определяемых компонентов газа. Аналитические сигналы каналов измерения концентрации оксида углерода и углеводородов

преобразуются, линеаризуются, нормируются и проходят статистическую

обработку в микропроцессоре.

4

ВХОД СБРОС

GB 702

Рис. 5.2. Схема отбора и подготовки пробы газоанализатора «Автотест»: 1 – пробозаборник; 2 – каплеуловитель; 3 – фильтр тонкой очистки пробы; 4 – фильтр грубой очистки; 5 – пробозаборная трубка;

6 – трубка Т1 (~ 30 мм); 7 – трубка Т2 (~ 65 мм)

Результаты измерения и служебная информация для пользователя

29

отображаются на буквенно-цифровом жидкокристаллическом индикаторе.

Для удобства работы с прибором в ночное время предусмотрена подсветка индикатора.

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

Источником сигнала частоты вращения коленчатого вала двигателя автомобиля служит высоковольтный датчик индуктивного типа,

устанавливаемый на один из высоковольтных проводов системы зажигания. Частота следования импульсов искрообразователя свечи одного из цилиндров двигателя измеряется и преобразуется микропроцессором в частоту вращения коленчатого вала независимо от числа цилиндров.

5.3.КОНСТРУКЦИЯ ПРИБОРА

Прибор состоит из системы пробоотбора и пробоподготовки, блока преобразования и индикации.

Система пробозабора и пробоподготовки (рис.5.2) включает пробозаборник 1, каплеуловитель 2, фильтр тонкой очистки пробы газа 3,

трубку доставки пробы 5. Фильтр грубой очистки 4 располагается в рукоятке пробозаборника.

В блоке преобразования размещается: компрессор пробы газа,

оптический блок, включающий кювету, излучатель, модулятор и термостатированный фотоприемный узел.

Внешний вид прибора и кнопки управления показаны на рис.5.3.1 и

рис.5.3.2.

На лицевой панели прибора (рис. 5.3.1.) размещены:

жидкокристаллический буквенно-цифровой индикатор с подсветкой, отображающий величину концентрации углеводородов, оксида углерода в отработавших газах автомобиля и число оборотов вала