Контроль содержания оксида углерода, углеводородов и дымности в отработавших газах

Цель работы — изучить конструкцию, основные технические данные, методику и режимы работы газоанализатора комплексного типа АВТОТЕСТ СО—СН—Д и приобрести практические навыки по контролю содержания углеводородов, оксида углерода в отработавших газах (ОГ) бензинового двигателя и дымности — дизеля.

Общие сведения и основные понятия

На долю автомобильного транспорта в европейской части Российской Федерации приходится свыше 42% выбросов вредных для жизнедеятельности человека веществ с ОГ.

Продукты сгорания топливовоздушной смеси ДВС содержат сложную смесь, насчитывающую более 200 соединений. В основном это газообразные вещества с небольшим количеством твердых частиц. Твердые частицы — это продукты дегидрирования топлива, металлы и другие вещества, содержащиеся в топливе, которые не могут сгореть.

По характеру воздействия на организм человека химические соединения, составляющие ОГ, подразделяют на нетоксичные (N₂, СО₂, Н₂О, Н₂) и токсичные (СО, C_mH_n, NO_x, H₂S, альдегиды и др.). Ежегодно в России из выпускных труб автомобилей в атмосферу выбрасывается примерно 9 млн. т оксида углерода (СО), 1,5 млн т оксидов азота (оксида NO и диоксида NO₂) и свыше 40 тыс. т сажи (С).

За последние 10 лет существенно ужесточены нормативы предельных значений выбросов токсичных компонентов. В странах Европейского союза и России для бензиновых ДВС действуют нормативы, предусмотренные директивами ЕЭС 91/542, 99/96 (Правила ЕЭК ООН № 49 — единые предписания, касающиеся транспортных средств, оснащенных двигателями с воспламенением от сжатия, двигателями, работающими на природном газе — сжиженном нефтяном газе (СНГ), и двигателями с принудительным зажиганием, работающими на СНГ, в отношении выделяемых ими загрязняющих веществ — EURO I — EURO V) и ГОСТ Р 17.2.02.06—99 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерения содержания оксида углерода и углеводородов в отработавших газах газобаллонных автомобилей», ГОСТ Р 52033—2003 «Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния». Для контроля непрозрачности (дымности) ОГ дизелей применяют нормы Правила ЕЭК ООН № 24-03, ГОСТ Р 52160-2003 «Автотранспортные средства, оснащенные двигателями с воспламенением от сжатия. Дымность отработавших газов. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния» (01.05.2005) и ГОСТ Р 41.24— 2003 (01.01.2005).


Эти документы прежде всего необходимы, чтобы стимулировать производителей автомобилей на совершенствование конструкции ДВС и его управляющих систем, отвечающих за чистоту воздушного бассейна.

В процессе эксплуатации автомобилей из-за постоянного изменения технического состояния элементов двигателя технологическим процессом ТО-2 предусмотрены испытания на токсичность и дымность ОГ. Анализ состава ОГ проводится также после ремонта или регулировки топливной и других систем и механизмов двигателя, влияющих на их состав.

Для этих целей отечественная промышленность выпускает газоанализаторы ГИАМ, ИНФРАКАР, ГАЗТЕСТ-АВЕСТА 4.01, АСКОН-01.03 — для контроля бензиновых двигателей и измерители дымности МД-01, ДО-1 — для дизелей. Имеются и комплексные приборы для совмещенного контроля основных токсичных компонентов в ОГ всех типов ДВС.

В данных методических указаниях приводятся сведения о технических характеристиках автомобильного газоанализатора комплексного типа АВТОТЕСТ СО—СН—Д, подготовке его к работе, порядке работы с ним в режимах проверки дымности или содержания СО, С_mН_n в ОГ. В результате выполнения данной лабораторной работы студент должен:

• иметь представление об общем назначении, устройстве и принципах работы газоанализатора и измерителя дымности;
• знать диагностические параметры, нормативы и технологии проверок состава химических соединений и дымности ОГ автомобильных двигателей;
• уметь выполнять контрольно-диагностические работы систем питания бензиновых двигателей и дизелей с помощью газоанализатора и дымомера.

Порядок выполнения работы

Техническое обеспечение: автомобили КАМАЗ, ВАЗ, газоанализатор комплексного типа АВТОТЕСТ СО—СН—Д, комплект слесарного инструмента, учебные плакаты по устройству систем и механизмов бензиновых ДВС и дизелей.


Место выполнения — пост диагностирования двигателей автомобилей КАМАЗ, ВАЗ.

Занятия проводятся под руководством преподавателя со всей группой или подгруппой из 5—7 студентов.

Успешное выполнение работы возможно после ознакомления с методическими указаниями по проведению лабораторных работ и техническим обеспечением, а также при условии соблюдения правил техники безопасности работы с прибором АВТОТЕСТ СО-СН-Д.

К работе с прибором допускаются лица, ознакомленные с инструкцией по его эксплуатации.

Запрещается сброс анализируемой пробы или поверочных газовых смесей в помещении. Перед проведением измерений на штуцер «СБРОС» надевают резиновую или полиэтиленовую трубку с внутренним диаметром не менее 8 мм, а второй конец трубки выводят за пределы помещения. Длина отводящей трубки не должна превышать 5 м.

При анализе ОТ автомобиля необходимо принять меры безопасности, исключающие его самопроизвольное движение.

Следует предусмотреть общие требования защиты от воздействия ОГ автотранспортных средств на органы дыхания оператора.

По окончании учебных занятий оформляется отчет по всем заданиям лабораторной работы и осуществляется его защита.

Продолжительность работ — 6 ч.

Задание 1. Изучить конструкцию и принцип работы устройства

Газоанализатор концентрации оксида углерода и углеводородов, а также дымности ОГ АВТОТЕСТ СО—СН—Д предназначен для определения содержания углеводородов (С_mН_n), оксида углерода (СО) в ОГ и их непрозрачности (дымности), частоты вращения коленчатого вала автомобильных двигателей(я). В комплектацию прибора входят элементы систем отбора проб ОГ для бензиновых двигателей и дизелей, их подготовки к анализу, а также блоки электронных преобразователей анализируемых параметров и индикации.


Общий вид прибора представлен на рис. 2.2.



К органам управления газоанализатора ОГ АВТОТЕСТ СО—СН—Д относят (см. рис. 2.2) индикатор 1 включения устройства; цифровой индикатор 3 отображения концентрации углеводородов; цифровой индикатор 4 отображения концентрации оксида углерода и дымности (в зависимости от режима работы); стрелочный прибор 5 числа оборотов двигателя или оптимальной настройки топливной аппаратуры двигателя (в зависимости от режима работы «Тахометр/Оптимизатор»); тумблер 14 включения побудителя расхода анализируемого газа «Продувка»; кнопку 13 коррекции нуля дымности ОГ; переключатель 6 режима работы «Тахо-метр/Оптимизатор»; переключатель 7 шкалы диапазона измерения частоты вращения тахометром; переключатель 11 режима работы «Газоанализатор/Дымомер»; регуляторы коррекции нуля «О—СО» и «О—СН» «грубо—точно» 9 и 10 соответственно; кнопку контроля чувствительности прибора «Контроль»; переключатель 12 режима измерений дымомера («Текущее/Пиковое О» значения). На приборе это большой кружок.




На задней панели прибора (рис. 2.3) размещены тумблер 1 включения питания; штуцер «Вход» 2 для подачи пробы газа в прибор; штуцер «Сброс» 3 для сброса анализируемого газа из прибора; фильтр 4 тонкой очистки газа; штуцеры 5 и 6 фильтра тонкой очистки «Вход» и «Выход» соответственно; гнездо 7 для подключения кабеля сети питания (220 В); разъем 8 подключения кабеля тахометра; держатель 9 предохранителя, разъем 10 подключения датчика измерителя дымности.

Принцип действия газоанализатора состава ОГ бензиновых ДВС основан на измерении степени поглощения газами инфракрасного излучения, которая пропорциональна их концентрации.

При проведении измерений содержания оксида углерода и углеводородов анализируемый газ из выхлопной трубы автомобиля поступает в пробоотборник, снабженный зажимом для закрепления его на выхлопной трубе. Длина заглубления пробоотборника 300 мм. Из пробоотборной трубки проба ОГ поступает в фильтр грубой очистки, в котором отделяются жидкий конденсат при охлаждении газа, пыль, сажа и другие механические примеси, содержащиеся в ОГ. Далее проба газа доставляется по поливинилхлоридной трубке в прибор через входной штуцер, где производится дополнительная очистка газа в фильтре тонкой очистки и анализ компонентов газа в кювете оптического блока.

Модуляция инфракрасного излучения, прошедшего кювету, посредством вращающегося диска модулятора, снабженного тремя интерференционными фильтрами, формирует на выходе фотоприемника последовательность электрических импульсов. Амплитуда импульсов передает информацию о концентрации анализируемых компонентов газа CO и С_mН_n, значения которых отображаются цифровыми индикаторами на лицевой панели прибора.

Импульсный сигнал, снимаемый с клеммы катушки зажигания автомобиля, преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов, частота которых пропорциональна частоте вращения коленчатого вала автомобиля. Частота вращения коленчатого вала двигателя фиксируется стрелочным индикатором в положении переключателя режима работы прибора «Тахометр».

В другом положении переключателя режима работы («Оптимизатор») стрелочный индикатор отображает сигнал, пропорциональный сумме значений концентрации оксида углерода CO и углеводородов СтН„. Минимальное их значение, достигаемое регулированием систем зажигания и питания двигателя, соответствует оптимальной его настройке по топливной экономичности и мощности.

Измерение непрозрачности (дымности) ОГ основано на эффекте ослабления светового потока непрозрачными частицами, содержащимися в газах. Непрозрачность ОГ в основном определяется наличием частиц сажи, несгоревшего топлива, моторного масла и водяного пара.

Аналоговый сигнал светового потока, проходящего через анализируемую среду ОГ автомобиля, преобразуется прибором в единицы коэффициента поглощения, приведенного к длине фотометрической базы оптического датчика, с учетом теплового расширения газов по измеряемой температуре:



где К — коэффициент поглощения, м^-1; L — физическая фотометрическая база измерителя дымности; Т — оптическое пропускание поглощающего слоя газа; t — температура газа,°C.

Система отбора пробы измерителя дымности ОГ включает в себя пробоотборник, совмещенный с фильтром грубой очистки из стекловолокна, гибкий шланг, фильтр тонкой очистки и оптический датчик (рис. 2.4). Оптический датчик снабжен кабелем связи 1 и телескопической рукояткой 2, раздвигающейся до длины 1,5 м.



В патрубках излучателя 10 и фотоприемника 3 располагаются отверстия 4, 9 для очистки оптических элементов. Одновременно отверстие 9 является пазом для установки контрольного светофильтра. В нерабочем положении отверстия закрыты первым звеном рукоятки и защитным колпачком 11. Перфорированный отверстиями патрубок измерительного канала 7 с двумя противоположно установленными диафрагмами-перегородками снабжен направляющим пазом для установки пробоотборника.

Алгоритм функционирования прибора в режиме измерения непрозрачности (дымности) ОГ дизеля предусматривает сравнение величин прозрачности исходного (эталонного) светового потока Ф₀ и светового потока Ф_х, ослабленного слоем непрозрачных частиц испытуемого газа. Полученная величина оптического пропускания



путем логарифмирования исходных сигналов преобразуется в коэффициент поглощения



который, в свою очередь, корректируется с учетом коэффициента теплового расширения газа



Измерение температуры t газа осуществляется термодатчиком 6, установленным в измерительной камере оптического датчика (см. рис. 2.4).

Задание 2. Подготовить прибор к работе в режиме газоанализатора

Установить прибор на слесарном верстаке, тумблер 11 режима работ (см. рис. 2.2) переключить в положение «Газоанализатор СО». Закрепить на задней панели (см. рис. 2.3) фильтр тонкой очистки 4. Соединить коротким шлангом штуцер фильтра «Выход» 6 со штуцером 2 подачи газа «Вход» прибора. К разъему питания 7 на задней панели подключить кабель питания К1 из комплекта принадлежностей. Ответные провода электрического кабеля питания К1 подключаются к испытуемому автомобилю следующим образом:

• красный зажим — к клемме аккумулятора «+» 12 В;
• черный зажим — к клемме аккумулятора «-».

К гнезду «Тахометр» присоединить кабель К2, зажимы которого подключаются к системе зажигания автомобиля в следующем порядке:

• красный зажим — к клемме катушки зажигания, соединенной с прерывателем (электронным коммутатором);
• черный зажим — к корпусу («массе») автомобиля.

При питании прибора от сети 220 В необходимо блок питания соединить с прибором через разъем «Питание» на задней панели, а затем подключить блок питания БПИ 220/12 к розетке сети 220 В, 50 Гц.

К штуцеру «Вход» 5 фильтра (см. рис. 2.3) подключить систему отбора пробы. Подвести к выхлопной трубе испытуемого автомобиля рукав системы отвода ОГ. Установить рычаг переключения передач автомобиля в нейтральное положение и затормозить автомобиль стояночным тормозом.

Перед измерением концентрации оксида углерода и углеводородов в ОГ двигатель должен быть прогрет до рабочей температуры охлаждающей жидкости — не ниже 80°C.

Включить тумблер «Питание» на задней панели прибора и через 5 с — тумблер «Продувка» на 20 с, затем его выключить. На цифровых индикаторах прибора должны установиться показания:

• по каналу CO 0,00±0,02;
• по каналу СН 0,000±0,002.

Если показания индикаторов отличаются от указанных, необходимо выполнить коррекцию показаний регуляторами «0—СО», «0 —СН» и «грубо—точно», расположенных на лицевой панели прибора (см. рис. 2.2).

Окончательный контроль правильности показаний прибора осуществляется с использованием эталонного светофильтра:

• установить на ноль цифровые индикаторы шкал концентрации СО, СН;
• тумблером 12 (см. рис. 2.2) переключить прибор в режим непрерывных измерений;
• отвернуть крышку оптического датчика (см. рис. 2.4) и установить контрольный светофильтр в специальное гнездо 9;
• снять численные показания на шкалах 4, 5 прибора (см. рис. 2.2). Они должны соответствовать данным, указанным на светофильтре, в пределах±10%; коррекцию показаний индикаторов производят с помощью регуляторов коррекции нуля 9, 10.

Таким образом, прибор и автомобиль подготовлены к измерению концентрации оксида углерода и углеводородов в ОГ.

Задание 3. Измерить концентрацию оксида углерода и углеводородов

Установить пробоотборник газоанализатора в выпускную трубу автомобиля с бензиновым ДВС на глубину не менее 300 мм от среза (до упора) и зафиксировать его зажимом.

Полностью открыть воздушную заслонку карбюратора (для автомобиля ВАЗ-2106).

Пустить двигатель. Увеличить частоту вращения коленчатого вала двигателя до значений, близких к максимальной (4 500... 5 000 мин^-1) и проработать в этом режиме не менее 15 с.

При достижении температуры охлаждающей жидкости 80...95°C установить минимальную частоту вращения вала двигателя (n_{min х.х} = 750...800 мин^-1) и проработать в этом режиме не менее 20 с.

Включить тумблер 14 «Продувка» (см. рис. 2.2) на передней панели прибора и через 20...30 с выключить.

Считать показания на цифровых индикаторах 4, 5 передней панели прибора измеренных концентраций измеряемых компонентов и занести их в протокол испытаний.

Повторно произвести измерение концентраций СО, С_mН_n при номинальной частоте вращения вала (n_ном.х.х=3200...3600 мин^-1) двигателя и занести их в протокол.

Заглушить двигатель. Вынуть пробоотборник газоанализатора из выпускной трубы автомобиля.

Включить тумблер 14 «Продувка» и через 20...30 с выключить его. Операция продувки прибора осуществляется атмосферным воздухом; на цифровых индикаторах должны установиться нулевые показания.

Содержание оксида углерода и углеводородов в ОГ автомобиля должно быть в пределах значений, установленных предприятием-изготовителем автомобиля, но не выше тех, которые предусмотрены ГОСТ Р 52033 — 2003 «Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния» (для автомобилей категорий М1 и N1 значения CO и С_mН_n приведены в табл. 2.5).

Таблица 2.5. Предельно допустимые значения показателей отработавших газов автомобилей категорий М1 и N1, оборудованных двухкомпонентной системой нейтрализации газов и не оборудованных ею (для последних значения указаны в скобках)

Задание 4. Отрегулировать двигатель на минимальную токсичность отработавших газов

Известно, что в процессе эксплуатации двигатель, изнашиваясь, ухудшает первоначальные экологические показатели, однако при конкретном техническом состоянии минимально возможное сочетание значений концентрации CO и СтН„ соответствует оптимальной его настройке по экологичности, топливной экономичности и мощности. Минимально возможное сочетание значений концентрации CO и С_mН_n достигается изменением регулировочных параметров систем питания и зажигания ДВС.

Газоанализатор отработавших газов АВТОТЕСТ СО—СН—Д позволяет оптимизировать рабочий процесс ДВС путем непрерывного контроля суммарного значения концентрации CO и С_mН_n в ОГ при его работе. Для этого необходимо переключатель 6 режима работы (см. рис. 2.2) прибора перевести в положение «Оптимизатор». В таком режиме работы прибора стрелочный индикатор 5 отображает сигнал, пропорциональный сумме значений концентраций оксида углерода CO и углеводородов С_mН_n.

Установить пробоотборник газоанализатора в выхлопную трубу автомобиля и пустить двигатель. При достижении температуры охлаждающей жидкости 80...95°C установить минимальную частоту вращения вала двигателя (для автомобилей ВАЗ n_{min х.х}=750...800 мин^-1) и проработать в этом режиме не менее 20 с.

Включить тумблер 14 «Продувка» (см. рис. 2.2) и регулировать работу двигателя поворотами винтов качества и токсичности смеси карбюратора, добиваясь минимального отклонения стрелки прибора 5 по шкале «Оптимизация», что соответствует минимальному расходу топлива и содержанию токсичных компонентов в ОГ при работе двигателя. Более точная настройка ДВС возможна при изменении не только регулируемых параметров системы холостого хода карбюратора, но и значения начального угла опережения зажигания.

Задание 5. Подготовить прибор к работе в режиме дымомера

Переключить тумблер 11 режима работ (см. рис. 2.2) прибора в положение «Дымомер».

Привести оптический датчик в рабочее положение, раздвинув телескопическую рукоятку до максимальной длины.

Установить изогнутую трубку в отверстие корпуса пробоотборника в положение, перпендикулярное плоскости корпуса. Зафиксировать положение трубки винтом.

Подключить оптический датчик к приборному блоку через разъем 10 «Датчик дымомера» (см. рис. 2.3).

Для контроля правильности показаний цифрового индикатора дымности прибора провести проверку его работы по контрольному светофильтру:

• установить переключатель режима 12 измерений (см. рис.2.2) в положение «Текущее значение дымности», соответствующее знаку «~»;
• отвернуть крышку оптического датчика. Нажать кнопку 10 коррекции нуля, при этом на цифровом индикаторе прибора должно отобразиться значение 0,00±0,02, затем кнопку отпустить;
• установить контрольный светофильтр в гнездо 9 (см. рис. 2.4) оптического датчика, при этом показания прибора должны соответствовать данным по шкале дымности (К, м-1), нанесенным на светофильтре в пределах±10% (при температуре окружающего воздуха (23±5)°С).

Таким образом, прибор АВТОТЕСТ СО—СН—Д подготовлен к измерению дымности (непрозрачности) ОГ дизельных автомобилей.

Задание 6. Измерить дымность отработавших газов дизельного двигателя внутреннего сгорания

Измерение дымности ОГ дизелей выполняется в двух режимах: при максимальной частоте вращения коленчатого вала (ограниченной регулятором) и максимальной нагрузке.

В соответствии с ГОСТ Р 52160—2003 «Автотранспортные средства, оснащенные двигателями с воспламенением от сжатия. Дымность отработавших газов. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния» для дизелей без наддува, находящихся в эксплуатации, значение дымности при максимальной частоте вращения (n_max) не должно превышать 15%, соответственно коэффициент поглощения К≈0,3...0,4 м^-1; для режима максимальной мощности — не более 66% (К≈2,5 м^-1). Для двигателей с наддувом показатель дымности в последнем случае не должен превышать 72,5% (К≈3,5 м^-1). Более точные сведения о значении дымности двигателя указываются заводами-изготовителями.

Максимальная нагрузка двигателя создается кратковременным нажатием на педаль акселератора, при этом осуществляется режим свободного ускорения (разгона) вала двигателя. Возникает динамическое самонагружение двигателя его возвратно-поступательно движущимися и вращающимися инерционными массами кривошипно-шатунного механизма и маховика.

Для измерения дымности ОГ в режиме свободного ускорения двигателя установить переключатель 12 (см. рис. 2.2) режима измерений «~/О» прибора в положение «О» (режим регистрации пиковых значений); для измерения в режиме максимальной частоты вращения вала — в положение «~».

Ввести изогнутую трубку пробоотборника в выхлопную трубу автомобиля и измерить дымность ОГ испытуемого автомобиля в режиме ускорения двигателя и в режиме максимального числа оборотов.

Повторить измерения не менее трех раз. Результаты занести в протокол испытания (см. табл. 2.6).

После каждой серии измерений дымности выдержать паузу 30...60 с для естественной вентиляции измерительного канала от остатков ОГ и произнести коррекцию нуля. Не допускается нажатие кнопки 9 коррекции нуля при наличии газов в оптическом датчике.

После завершения измерений демонтировать пробоотборник дымомера с оптического датчика и мягкой ветошью очистить поверхности перфорированного патрубка оптического датчика и трубки пробоотборника от сажи.

Протереть поверхность светофильтра через специальное отверстие оптического датчика ватным тампоном, навернутым на спичку или другой стержень диаметром 1...2 мм и длиной SOSO мм.

Ватный тампон смочить спиртоэфирной смесью (применение воды, моющих средств или растворителей не допускается).

Выключить питание прибора и произвести демонтаж элементов газоанализатора с автомобиля.

Оформить отчет по лабораторной работе.

Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен отражать наиболее важные положения и нормативные документы, направленные на ограничение выбросов токсичных компонентов подвижным составом автомобильного транспорта, с обязательным включением следующих сведений:

• название и цель работы;
• описание конструкции газоанализатора;
• краткие сведения по технологии определения концентрации оксида углерода, углеводородов и дымности ОГ ДВС;
• результаты измерений (протокол испытаний, табл. 2.6);
• ответы по индивидуальным заданиям;
• выводы по работе.

Таблица 2.6. Протокол испытаний двигателя газоанализатором АВТОТЕСТ СО—СН—Д

Контрольные вопросы

1. Перечислите нормативные документы, направленные на ограничение содержания оксида углерода, углеводородов и дымности ОГ автомобилей.

2. Повторите требования по технике безопасности при работе с прибором АВТОТЕСТ СО—СН—Д.

3. Расскажите о назначении, устройстве и принципе работы прибора в режиме газоанализатора.

4. Расскажите об общем назначении, устройстве и принципе работы прибора в режиме измерителя дымности.

5. Какие устройства входят в систему отбора пробы при измерении дымности ОГ?

6. Для какой цели в оптическом датчике установлен термодатчик?

7. Приведите последовательность операций по подготовке газоанализатора к работе.

8. Каким образом осуществляется контроль показаний прибора?

9. Укажите режимы работы ДВС, при которых определяются объемные доли оксида углерода и углеводородов.

10. Приведите методику измерения концентрации оксида углерода и углеводородов.

11. Как осуществить оптимизацию рабочего процесса в цилиндрах ДВС с помощью газоанализатора АВТОТЕСТ СО—СН—Д?

12. Назовите режимы работы ДВС, при которых определяется показатель дымности ОГ.

13. Приведите методику измерения показателя дымности прибором АВТОТЕСТ СО—СН—Д.

14. Укажите предельно допустимые значения показателей ОГ автомобилей категорий M1 и N1, оборудованных двухкомпонентной системой нейтрализации ОГ и не оснащенных ею.

15. Укажите предельно допустимые значения показателей дымности ОГ автомобилей с дизелями.