Методы и приборы для анализа ОГ ДВС
Введение
C появлением первых автомобилей выяснилось, что выхлопные газы распространяют вредные вещества в атмосферу. Сегодня в выхлопе 20 автомобилей содержится меньше вредных веществ, чем в выхлопе одного автомобиля 40 лет назад. У автомобиля, выполняющего нормы Евро-5, выхлоп в некоторых аспектах оказывается даже чище всасываемого воздуха. Но несмотря на все эти достижения выхлопные газы все также содержат вредные для человека и окружающей среды вещества [1].
В состав отработавших газов автомобилей с дизельным двигателем входят более 450 тыс. компонентов. К основным токсичным компонентам, вызывающим интенсивное загрязнение атмосферного воздуха, относятся оксид углерода (СО), углеводороды (СН), оксиды азота, твердые частицы. Дизельные двигатели, по сравнению с бензиновыми, выбрасывают в атмосферу значительно меньше токсичных веществ: СО – в 5–7 раз, СН – в 1,3–1,5 раза. Однако они обладают значительным недостатком – повышенным выбросом твердых (углерод) и жидких (масло, топливо) частиц. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) загрязняют атмосферу вредными веществами, выбрасываемыми с отработавшими газами (ОГ) и топливными испарениями. При этом 95 % токсичных компонентов, выделяемых дизелями, приходятся на ОГ, представляющие собой аэрозоли сложного состава и включающие в целом до 1000 компонентов. Отработавшие газы дизелей – это сложная по составу многокомпонентная смесь газов, паров, капель жидкостей и дисперсных твердых частиц.. Очевидно, что отработавшие газы дизельных двигателей оказывают негативное воздействие на окружающую среду, поэтому их необходимо контролировать.
Цель данной работы – всесторонне охарактеризовать методы и приборы для анализа ОГ ДВС.
1 Общая характеристика двигателя внутреннего сгорания как источника загрязняющих веществ
В отработавших газах двигателей внутреннего сгорания содержится большое число химических соединений (более 250), опасных для здоровья человека. Время, в течение которого вещества, содержащиеся в ОГ ДВС, сохраняют свою химическую активность в условиях окружающей среды, колеблется от нескольких минут до нескольких (3…6) лет. И в течение всего срока сущест- 297 вования эти вредные выбросы могут оказывать неблагоприятное воздействие на природу и население загрязняемых территорий. В целом по характеру взаимодействия с организмом человека (и животных) химические вещества и соединения, содержащиеся в ОГ ДВС, можно подразделить на токсичные (обладающие выраженным неблагоприятным воздействием) – оксид углерода, углеводороды, оксиды азота и серы, альдегиды, сероводород, сажа и др. и нетоксичные – азот, кислород, водород, водяные пары, диоксид углерода (углекислый газ). Кроме того, в составе токсичных веществ выделяют подгруппу полициклических ароматических углеводородов, обладающих выраженной канцерогенной активностью, одним из основных компонентов которой является мощный канцероген – бенз-(а)-пирен. Все загрязняющие химические вещества, выбрасываемые двигателями мобильных и стационарных энергетических установок и обладающие отравляющим и (или) токсическим действием на организм человека, по степени биологической опасности подразделяются на четыре класса:
– I кл.: чрезвычайно опасные (свинец, тетраэтилсвинец, ртуть и др.);
– II кл.: высокоопасные (хлор, серная кислота, марганец, медь и др.);
– III кл.: умеренно опасные (метиловый спирт, бензол, ксилол и др.);
– IV кл.: малоопасные (неэтилированный бензин, керосин, скипидар, ацетон, оксид углерода, аммиак и др).
Особенности организации процессов горения топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) обуславливают образование вредных веществ, выбрасываемых вместе с отработавшими газами (ОГ) в окружающую среду, оказывающих вредное воздействие на атмосферу, почву, воду, растения, животных и людей. В ОГ дизельных ДВС концентрации оксидов углерода и углеводородов значительно ниже, чем у бензиновых, однако дизеля в больших количествах выбрасывают оксиды азота и твердые частицы (в основном сажу). В идеальном случае при полном сгорании углеводородного топлива должны были бы образовываться только продукты полного сгорания топлива: диоксид углерода СО2 и вода Н2О [1].
Практически же вследствие физико-химических процессов в цилиндрах двигателя действительный состав ОГ очень сложный и включает более 1000 токсичных соединений, большую часть из которых представляют различные углеводороды. Ввиду такого многообразия и сложности идентификации отдельных соединений к рассмотрению обычно принимаются наиболее представительные компоненты или их группы (табл. 1).
Вредных выбросов у бензиновых ДВС в расчете на единицу полезной работы больше, чем у дизелей, в 2…4 раза по массе и в 1,5…2 раза по эквивалентной токсичности. Как видно из табл. 1.1, состав ОГ рассматриваемых типов ДВС существенно различается прежде всего по концентрации продуктов неполного сгорания − оксида углерода, углеводородов, оксидов азота и сажи. Различие в составе ОГ бензиновых и дизельных ДВС объясняется большим коэффициентом избытка воздуха у дизелей и лучшим распыливанием топлива.
Однако дизельные ДВС характеризуются высокой дымностью ОГ. Значение дымности ОГ зависит от содержания в них различных веществ: паров воды, несгоревших частиц масла и топлива, твёрдых частиц [2].
Таблица 1. Ориентировочный состав отработавших газов карбюраторных и дизельных двигателей
Компонент Концентрация по объему, %
Примечание
Бензиновый
двигатель Дизель
N2 74…77 74…78 Нетоксичный
O2 0,3…8 2…18 Нетоксичный
Водяной пар 3…13,5 0,5…10 Нетоксичный
CO2 5…13 1…12 Малотоксичный
CO 0,1…12 0,005…0,4 Токсичный
NOx
0,01…0,8 0,004…0,5 Токсичный
CnHm
0,2…3 0,009…0,5 Токсичный
RCHO 0…0,2 0,001…0,015 Токсичный
SOx, мг/м3 0…0,003 0…0,015 Токсичный
Соед. свинца, мг/м3 0…60 – Токсичный
C (сажа), г/м3 0…0,1 0,01…2 Токсичный
Бенз(а)пирен, мкг/м3 0…25 0…10 Токсичный
Токсичные вещества двигателей составляют 0,02...1% объема ОГ, в который входят вещества, образующиеся в результате термического синтеза из воздуха при высоких температурах (оксиды азота), а также продукты неполного сгорания топлива (несгоревшие углеводороды, окись углерода, спирты, кетоны, кислоты, перекиси, сернистый ангидрид, частицы сажи, продукты конденсации и полимеризации)
. Кроме продуктов сгорания топлива, в ОГ двигателей также присутствуют продукты сгорания смазочного масла, вещества, образующиеся из присадок к топливу и маслу, а также твёрдые частицы, в частности в ОГ найдены многочисленные элементы из материала конструкции двигателя (Fе, Ni, Cu, Cn, Cr).
Сравнение относительной агрессивности Rj составляющих компонентов ОГ дизелей следующее (за единицу принята агрессивность оксида углерода): СО : CnHm : SOX: NOX: С : RCHO : С20Н12 = 1 : 3,16 : 16,5 : 24,1 : 41,1 : 41,5 : 1.260.000 [1].
2 Методы анализа ОГ ДВС
При проведении испытаний двигателей (в частности, на тормозных стендах) с целью оценки их токсических характеристик производится отбор проб отработавших газов с использованием специальных методов. К методам отбора проб ОГ для анализа их на содержание вредных веществ относятся следующие:
1. Непрерывный отбор ОГ. При этом производится замер общего количества газов и анализ их химического состава. Метод наиболее удобен для оценки количества каждого из токсических компонентов, эмитируемых двигателем в единицу времени;
2. Метод постоянного объёма – непрерывный отбор ОГ, разбавляемых воздухом (в соотношении не менее чем 1:10), при соблюдении того условия, 306 что объём газов, отобранный для исследования при разных видах испытаний, остаётся неизменным (постоянным). Данный метод характерен тем, что концентрация токсичных компонентов в образующейся газовоздушной смеси в любой момент времени пропорциональна скорости эмитирования двигателем вредных выбросов;
3. Дискретный, периодический отбор проб ОГ - этом случае отбор газовых проб при испытаниях производится в различные, заранее определённые (фиксированные) моменты времени
В настоящее время для расчёта содержания токсичных компонентов в отработавших газах двигателя с искровым зажиганием в основном используется методика расчёта равновесного состава продуктов сгорания, предложенная В. А. Звоновым [3].
Для расчёта концентрации NOx данная методика дополняется кинетическим уравнением Зельдовича. Математически методика В. А. Звонова представляет собой систему из N нелинейных уравнений с N неизвестными. Для решения такого рода системы используются два основных подхода: численный и алгебраический. Первый подход достаточно сложный для автоматизации расчётов, поэтому программы, его использующие, создаются квалифицированными специалистами и, как правило, являются либо платными, либо закрытыми для общего доступа. Второй подход не требует таких навыков, достаточно широко используется и может быть реализован любым специалистом для решения своих прикладных задач.
Принципы измерений, используемые во всем мире для предусмотренных проверок, являются следующими.
- Анализ содержания углеводородов - общее содержание углеводородов, содержащихся в выхлопных газах дизельного двигателя, определяется с помощью детектора — анализатора ионизации в пламени (FID). Принцип измерения FID основан на образовании ионов из углеводородов в пламени водорода. Выхлопные газы содержат большое количество различных соединений углеводородов, которые содержатся по отдельности в несгоревших, расщепленных и частично окисленных соединениях в различных соотношениях в зависимости от типа топлива и режима работы двигателя. Измерение общего содержания углеводородов в выхлопных газах дизельного двигателя становится особенно проблематичным из-за того, что результаты зависят от метода подготовки образца для измерений. Изза меняющихся процессов конденсации и испарения углеводородов с высокой температурой кипения в выхлопных газах дизельного двигателя, которые находятся в магистрали для отбора в отличие от измерений для бензинового двигателя, необходимо полностью нагреть магистраль для отбора образца, идущей к детектору — анализатору FID и внутри FID к устройству для сжигания. Температура нагрева магистрали для отбора должна быть 190±10°С.
Анализ окиси и двуокиси углерода - оба газообразных соединения анализируются с помощью анализатора инфракрасного поглощения NDIR (инфракрасный бездисперсионный анализатор).
Он использует тот факт, что все многоатомные неэлементарные газы поглощают инфракрасное излучение в определенных областях спектра, особых для каждого газа. Отобранный для измерения газ проходит через измерительную ячейку, расположенную на пути измерительного луча. Газ, который не поглощает излучение определенной длины волны, находится в базовой ячейке на пути второго луча. Колесико прерывателя направляет излучение вначале к одной стороне, а затем к другой и в соответствующую ячейку детектора. Каждая из ячеек детектора заполнена анализируемой составляющей газа и отделена от другой металлической диафрагмой в форме пластины конденсатора. Подающее излучение поглощается только в определенной области спектра поглощения соответствующего газа, т.е. отдельно. Разница в количестве поглощенной энергии приводит к разнице в температуре и давлении между двумя ячейками детектора, которая преобразуется в напряжение, пропорциональное концентрации измеряемого соединения.
Анализ окислов азота - принцип измерения использует явление хемилюминесценции (оптическое излучение, вызванное химической реакцией), которая происходит в области длин волн между 590 и 3000 нм после реакции между окисью азота (N0) и озоном (03).
Образец газа не содержит окись азота, образованную при сгорании топлива в двигателе, но также соединяется с остаточным азотом в выхлопных газах для образования других окислов азота (например, NO2, N20). Вместе с избыточной долей N0 по сравнению с другими окислами азота, N02 также может достигнуть заметной концентрации, тогда как другие окислы азота имеют концентрацию чуть больше основных значений в окружающем воздухе.
Измерение выбросов твердых частиц - в соответствии с определением, выбросами твердых частиц считаются составляющие выхлопных газов, которые при температуре в 52°С осаждаются на стандартных стекловолоконных фильтрах с фтористо-углеродным покрытием. Измерения массы проводятся с использованием разных методов взвешивания (полых или заполненных фильтров) при постоянных уровнях влажности и температуры
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
Задать вопрос
