Методы и приборы контроля токсичности отработавших газов двигателей с воспламенением от сжатия.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 (NОx), 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. При работе двигателя отработавшие газы выносят в атмосферу сажистые и другие дисперсные частицы, в результате отработавшие газы теряют свою прозрачность. По цвету отработавших газов можно судить о качестве протекания рабочего процесса сгорания топлива в двигателе. Так, например, голубовато-синеватые оттенки отработавших газов указывают на наличие в них аэрозолей масла, несгоревших молекул углеводородов, а черный цвет отработавших газов – наличие частиц сажи. Большая дымность отработавших газов недопустима так же, как и повышенное содержание вредных выбросов, поэтому нормированию дымности и методам ее оценки в настоящее время уделяют исключительное внимание. Так как дымность дизелей зависит от технического состояния самого дизеля, его топливной аппаратуры, а также от состава топлива и характеризуется наличием в отработавших газах мельчайших частиц сажи, то для определения дымности отработавших газов используют в основном три метода: · визуальный; · метод фильтрации потока отработавших газов (фильтрации твердых частиц); · метод просвечивания отработавших газов (замер оптической плотности отработавших газов). Визуальный способ, хотя и не требует затрат времени или какого-либо оборудования, но не дает качественной характеристики дымности отработавших газов и не представляет ценности. Метод заключается в том, что дымность отработавших газов определяют визуально. Результаты испытаний (оценочный критерий) являются относительными и субъективным и при этом не обеспечивается возможность их воспроизведения. При оценке можно использовать специальные цветовые эталоны (эталон Bosch) или шкалу Рингельмана, связывающую различные показатели дымности отработавших газов. Метод фильтрации потока. По этому методу степень дымности отработавших газов определяют измерением почернения поверхности бумаги (фильтра), через которую пропускают газы. При определении дымности отработавших газов этим методом требуется сравнительно недорогое оборудование, метод обеспечивает приемлемую воспроизводимость результатов. Однако для того чтобы обеспечить эффективность данного метода, необходимо поддерживать постоянное давление, объем и поток (скорость) газов. Кроме того, фильтровальная бумага должна быть однородной по качеству (желательно использовать бумагу, изготовленную фирмой - производителем дымомера), а для определения степени черноты сажевого отпечатка следует использовать фотоэлектрический способ. Метод фильтрации не может быть использован для непрерывной индикации уровня дымности, так как при анализе используется дискретный отбор порции отработавших газов. Метод просвечивания основан на измерении оптической плотности отработавших газов, характеризуемой ослаблением светового луча (потока) при его прохождении через измерительную трубу, заполненную газами. Ослабление светового потока происходит вследствие поглощения его частицами, содержащимися в отработавших газах. Метод определения оптической плотности отработавших газов находит наиболее широкое применение. Стоимость используемого при этом оборудования обычно выше, чем других систем, но метод дает точные результаты и обеспечивает воспроизводимость последующих показаний (замеров). Дымность отработавших газов, с одной стороны, можно характеризовать как результат уменьшения оптической плотности (прозрачности), а с другой стороны - как массовое содержание в единице объема отработавших газов взвешенных частиц, поглощающих световой поток. Так как коэффициент характеризует поглощение светового потока и является функцией абсорбционной способности и дисперсности частиц, то его величина зависит от совокупности ряда факторов: соотношения массового содержания частиц сажи, несгоревших паров и капель масла и топлива, дисперсности и формы частиц, абсорбционной способности каждого типа аэрозолей и других факторов. Дымомеры как отдельный вид оборудования, анализирующие отработавшие газы дизельных автомобилей, способны определять только один параметр - дымность выхлопов дизельных двигателей. В остальном дымомеры схожи с автомобильными газоанализаторами, могут иметь тахометр, встроенный принтер, связь с компьютером и пр. Дизельный двигатель работает при больших коэффициентах избытка воздуха (a = 1,4 - 1,7), вследствие чего содержание СО в отработавших газах незначительно и составляет десятые доли процента. Установлено, что основным токсичным компонентом отработавших газов дизеля является сажа, опасность которой для человека заключается в том, что среди веществ, адсорбированных на поверхности её частиц, имеется остро токсичное вещество – бензапирен. При работе дизеля в атмосферу выбрасывается в среднем около 20 кг сажи на 1 т сгоревшего топлива. На долю сажи приходится от 30 до 90 % токсичного воздействия, которое обусловлено наличием в ней бензапирена. Анализ отработавших газов дизелей показывает, что количество наиболее токсичных компонентов и сажи обратно пропорционально коэффициенту избытка воздуха. При практическом определении токсичности отработавших газов измеряют содержание сажи в абсолютных (г/м3) или относительных (например, светопоглощающая способность) величинах. Между дымностью газов и содержанием сажи в них существует прямая зависимость, которая позволяет использовать для измерения содержания сажи способ определения светопоглощающей способности. На этом способе основан принцип действия приборов, которые применяют для диагностирования системы питания дизелей. Способ измерения содержания сажи, основанный на отфильтровывании её частиц из отработавших газов, даёт менее надёжные результаты. Он позволяет лишь приблизительно оценить дымность газов сравнением цвета фильтра, на котором осели частицы сажи, с эталоном, имеющим шкалу черноты. Указанный способ используется в приборах моделей К-408 и «УФМД-1П». Прибор модели К-408 состоит из газовой и электроизмерительной частей, которые смонтированы в металлическом корпусе на раме, снабжённой колёсиками для передвижения. Электроизмерительная часть содержит стабилизатор напряжения, электрическую лампочку (12 В, 30 Вт), микроамперметр и потенциометр регулирования тока фотоэлемента. Газовая часть прибора (рис. 2.) представляет собой камеру, имеющую входное устройство 4 с отстойником и вентилятор 1. Лампочка 3 и фотоэлемент 6 жёстко связаны между собой общей осью и могут поворачиваться ручкой 7 в верхнее и нижнее положения. В верхнем положении они устанавливаются против отверстий измерительного цилиндра 5, а в нижнем – против отверстий эталонного цилиндра 2. Вентилятор подаёт воздух через эталонный цилиндр так, что его поток обтекает лампочку 3 и фотоэлемент 6, предохраняя их от загрязнения отработавшими газами. При проведении анализа лампочку и фотоэлемент устанавливают против измерительного цилиндра, в который входное устройство подаёт отработавшие газы. Световой поток от лампочки, проходя через измерительный цилиндр, заполненный газами, уменьшается, и фотоэлемент вырабатывает меньший ток, чем во время тарировки прибора, когда фотоэлемент и лампочку устанавливают против отверстий эталонного цилиндра.
1 – вентилятор; 2, 5 – эталонный и измерительный цилиндры; 3 – лампочка; 4 – входное устройство; 6 – фотоэлемент; 7 – ручка поворота оси
Сравнение показаний прибора при тарировке и в момент замера поглощающей способности газов позволяет определить количество сажи в отработавших газах. Шкала прибора отградуирована в процентах дымности отработавших газов, причём за ноль принимается показание, когда световой поток проходит через эталонный цилиндр с чистым воздухом. Прибор модели «УФМД-1П» (рис. 3.) по принципу действия аналогичен прибору К-408. Он состоит из основной измерительной камеры 6, в которой установлены электрическая лампочка 2 и фотоэлемент 5. Кроме основной камеры, в приборе имеется дополнительная камера 9 измерения количества сажи на фильтре. В этой камере находятся лампочка 10 и фотоэлемент 8 оценки загрязнённости фильтра, устанавливаемого перед фотоэлементом на пути светового потока. Фотоэлементы основной и дополнительной камер соединены с измерительным прибором 7, регистрирующим дымность отработавших газов в процентах.
1 – зонды для отбора отработавших газов; 2, 10 – эл. лампочки; 3 – пьезометр замера избыточного давления в насадке; 4 – насадка; 5, 8 – фотоэлементы измерительной и дополнительной камер; 6, 9 – измерительная (основная) и дополнительная камеры; 7 – измерительный прибор; К1, К4 – краны; В1, В4 – выключатели; Ф – фильтровальная бумага; R1, R2 – потенциометры; Б – аккумуляторная батарея
Это измерение используется при разработке двигателей. Выхлопные газы проходят через специальный фильтр, после чего проводится взвешивание чистого и загрязненного фильтров на специально откалиброванных весах и сравнение результатов. Так определяется масса частиц, содержащихся в определенном объеме ОГ. Поскольку материал фильтра гигроскопичен, взвешивание выполняется при постоянной влажности и температуре. Замечено, что обычные стекловолоконные фильтры поглощают воду и углеводороды сильнее, чем стекловолоконные фильтры с покрытием из тефлона. При методе с фильтрацией показателем улавливания частиц сажи служит потемнение фильтрующего листа. Обработка данных выполняется путем сравнения полученных результатов со шкалой Бахараха-Гротона или с показателем дымности ОГ по Bosch. На рисунке 4 показан принцип измерения массы частиц.
Рис.4. Камера для измерения массы частиц
|
Рис.2. Газовая часть прибора К-408:
Рис. 3. Универсальный фотометрический дымомер «УФМД-1П»:
