Анализаторы отработавших газов бензиновых и газобензиновых двигателей (газоанализаторы)

Содержание токсичных компонентов в отработавших газах бензиновых двигателей в настоящее время 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. 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. Схема газоанализатора, работающего по принципу инфракрасного излучения, показана на рисунке.

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

Рис. Схема газоанализатора: 1 — газоотборный зонд; 2 — отделитель конденсата; 3 — фильтр тонкой очистки; 4 — защитный фильтр; 5 — мембранный насос; 6 — источники инфракрасного излучения; 7 — синхронный электродвигатель; 8 — вращающийся диск обтюратора; 9 — сравнительная камера; 10 — лучеприемник инфракрасного излучения; 11 — усилитель; 12 — мембранный конденсатор; 13 — измерительная камера; 14 — индикаторные приборы

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, ЕТТ фирмы «Бош» и др.

В более поздних конструкциях газоанализаторов, например АВГ-4, 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.

Рис. Схема оптическая газоанализатора АВГ-4 (Россия): 1 — излучатель; 2 — кювета; 3 — обтюратор; 4 — приемники излучения с интерференционными фильтрами

Вместо четырех приемников может устанавливаться один (газоанализатор «Автотест»). Интерференционные фильтры в такой конструкции устанавливаются в самом обтюраторе. Инфракрасное излучение аналитических областей спектра определяемых компонентов, подаваемое от источника излучения и проходящее через линзу, поочередно выделяется соответствующими интерференционными фильтрами, 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.

Рис. Функциональная схема газоанализатора «Автотест» (Россия): 1 — фотоприемник; 2 — проточная кювета; 3 — интерференционные фильтры; 4 — линза; 5 — источник излучения

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 компонента в отработавших газах, тем меньше интенсивность излучения, принятая фотоприемником. Эта информация преобразуется и проходит статистическую обработку в микропроцессоре, а затем поступает 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.01UPEx» (Россия), MGT 5 фирмы МАХА (Германия) кроме измерения содержания оксида (ТО) и диоксида углерода (ТО2), углеводородов может определяться содержание кислорода (О2) и оксидов азота (NO), а также коэффициент избытка воздуха X. 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 NОж 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.

Общая схема многокомпонентного газоанализатора показана на рисунке:

Рис. Схема многокомпонентного газоанализатора: 1 — зонд отбора проб отработавших газов; 2 — фильтры; 3 — отделитель конденсата; 4 — вход воздуха; 5 — фильтр с активированным углем; 6 — электромагнитный клапан; 7 — мембранный насос газа; 8 — мембранный насос конденсата; 9 — датчик давления; 10 — газоанализатор GA1 (измерительные камеры СО2, СО); 11 — газоанализатор GA2 (измерительная камера СН); 12 — датчик атмосферного давления; 13 — электрохимический датчик О2; 14 — химический датчик NО; 15 — выход газа; 16 — выход для слива конденсата

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, 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 X. 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 пробозабор- ной системы от выхлопной трубы автомобиля
• измерения при отрицательных температурах окружающей среды (до -20 °С) при наличии дополнительной системы подогрева проб измеряемого отработавшего газа

Газоанализаторы могут выдавать информацию о проверяемых параметрах как непосредственно на переднюю панель прибора, так и на экран дисплея компьютера при комплексных проверках автомобилей. При использовании газоанализаторов на станциях гостехосмотра выходные значения измеряемых компонентов выводятся на экран дисплея и автоматически заносятся в диагностическую карту.

Рис. Экран дисплея с данными по составу отработавших газов бензинового двигателя

Газоанализатор может обмениваться данными с программным обеспечением диагностической линии и импортировать туда результаты измерений.

При определении концентрации токсичных компонентов отработавших газов необходимо определять частоту вращения коленчатого вала двигателя и температуру масла в его картере. В некоторых газоанализаторах, например MGT 5 фирмы МАХА, имеются разные способы считывания частоты вращения.

Заборное приспособление газоанализатора содержит гибкий зонд с зажимом для удерживания на срезе выхлопной трубы, предварительный фильтр и шланг достаточной длины для обеспечения доступа к выхлопной трубе.

В рукоятке зонда имеется заглушка, которая предназначена для закрытия зонда и применяется при периодическом контроле герметичности заборного приспособления.

Рис. Заборный зонд