Методики анализа выхлопных газов

Содержание статьи

• Как снизить вредные автомобильные выхлопы
• Как отогреть выхлопную трубу
• Почему в глушителе много воды и как с ней бороться

По большому счету можно выделить два способа снижения токсичных выхлопов автомобиля. Первый заключается в правильной регулировке топливной системы двигателя, своевременном ремонте шатунно-поршневой группы (замена поршневых колец, вкладышей, расточка блока цилиндров и т.д.), а также использовании авто, имеющих, помимо бензинового двигателя, еще и электрический. Второй способ заключается в применении катализаторов – устройств, призванных нейтрализовать токсичные выхлопы от бензиновых и дизельных моторов. По месту размещению и принципу действия сегодня используют 2 типа катализаторов.

Другие способы раскоксовки: альтернативы

При выборе водородинга необходимо понимать, какие вообще способы раскоксовки существуют.

Всего выделяется два варианта очистки:

• Механический. Подразумевает полную / частичную разборку мотора. После этого клапаны и коллекторные элементы очищаются с помощью специальных щеток и с применением специального текстиля. Поршневые кольца промываются с помощью измельченных косточек фруктов или с применением специального инструмента. Механический метод требует больших затрат времени и привлечения квалифицированного персонала.
• Химический. В этом случае для очистки мотора применяются специальные средства, содержание в составе активные компоненты. В цилиндр ДВС наливается специальная пена, которая не дает формироваться нагару. После завершения процедуры необходимо менять масло, ставить новые свечи и фильтра, что требует дополнительных затрат от автовладельца.

Особенности выхлопной системы дизельного двигателя

Автолюбителям необходимо принимать во внимание тот факт, что силовые агрегаты, работающие на тяжелом топливе, выбрасывают в атмосферу большее количество токсичных веществ. Именно поэтому стоит выделить некоторые особенности системы выхлопа для дизелей:

• начальная температура выхлопных газов в дизельном моторе несколько ниже и варьируется в пределах 500 – 600 градусов Цельсия;
• после выхода из цилиндров отработанные газы в первую очередь направляются в турбокомпрессор, с помощью которого осуществляется наддув;
• далее отработка проходит через лямбда-зонд и направляется в сажевый фильтр, где происходит очистка;
• на завершающем этапе выхлоп проходит через глушитель, после чего попадает напрямую в атмосферу.

Стоит отметить, что эволюция силовых агрегатов, а также выхлопных систем ведется регулярно, и уже, к примеру, для двигателей бензинового и дизельного типа с классом Евро-5 наличие сажевого фильтра, а также катализатора является обязательным моментом. При этом, такие компоненты нельзя поменять на пламегаситель в соответствии с действующим законодательством.

Как это работает

Много вопросов касается принципа действия технологии, ведь не совсем понятно, как обычный водород может очистить двигатель от загрязнений. Для начала отметим, что водород представляет собой газ с высокой температурой горения. Она выше, чем у бензина, этим и обеспечиваются его уникальные качества.

Принцип действия схож с очисткой двигателя путем нажатия в пол педали акселератора. При таком действии водителя повышается поступление горючего, и увеличивается температура внутри мотора, а слой нагара вылетает через систему выхлопа.

Опытные сотрудники СТО рекомендуют проводить такую процедуру на трассе хотя бы два раза в год.

В ситуации с водородом все проще. Газ подается в мотор через систему забора воздуха и увеличивает температуру воспламенения. В результате двигатель очищается, находясь на холостом ходу, поэтому нагрузка на него минимальна.

После завершения процесса можно увидеть, как из выхлопной системы выходит накопившийся «мусор». В отличие от классического метода «газ до пола», здесь не нужно выезжать на трассу и в течении 40-50 минут давить на газ.

Как отмечалось, эффективность водорода объясняется его теплотворной способностью, которая в три раза больше, чем у бензина. После воспламенения газ дает мощный импульс для разрушения молекулярных связей внешнего слоя углеродистых отложений.

В процессе термического воздействия углеродистые отложения разбиваются на молекулы, что обеспечивает очистку сажевого фильтра и катализатора.

При таком способе раскоксовки двигателя применяется стехиометрическая смесь кислорода и водорода (оксигидроген) или по другому газ Брауна, позволяющего удалять загрязнения без забивания системы выхлопа.

В процессе очистки появляется пар, который растворяет загрязнения и помогает выводить их через выхлопную трубу.

Конструкция выпускной системы автомобиля

Для того, чтобы существенным образом снизить пагубное воздействие выбросов CO2 на окружающую среду, а также человеческое здоровье, современные автопроизводители оборудую свои автомобили качественным выхлопом. Он состоит из следующих компонентов:

• коллектор выпускной – в данном случае речь идет про элемент, задействованный для отвода газов, а также последующего охлаждения, методом продувки цилиндров мотора. Коллектор чаще всего выполняется из крепких и жаростойких материалов, которые не будут подвергаться пагубному воздействию отработанных газов, которые могут на выходе разогреваться от 700 до 1000 градусов Цельсия;
• приемная труба – это металлическая труба, которая имеет достаточно сложную форму. Элемент крепится при помощи фланца к коллектору или к турбокомпрессору;
• нейтрализатор каталитического типа – это конструктивный элемент, который устраняет из отработки наиболее вредные примеси, переводя их водяной пар. Это устройство ставится почти на все авто с бензиновыми моторами, соответствующими экологическому классу Евро-2 и выше. Также данное приспособление преобразует углекислый газ в более безопасный азот;
• пламегаситель – это наиболее бюджетный вариант вместо сажевого фильтра или катализатора. Применяется для снижения температуры отработанных газов, а также уменьшения энергии. Это приспособление практически не используется в современных автомобилях, так как никак не уменьшает токсичность выбросов;
• лямбда-зонд – еще один важный атрибут выпускной системы, который контролирует величину кислорода в составе отработке. На сегодняшний день авто может оснащаться одним или сразу двумя датчиками соответствующего типа;
• сажевый фильтр – данное приспособление применяется в обязательном порядке на дизельных моторах. Этот элемент позволяет удалить сажу из выбросов CO. В современных авто он может совмещать в себе также функции катализатора;
• резонатор – этот компонент используется для снижения уровня шума, который вырабатывается в процессе выпуска отработанных газов, а также в результате работы самого силового агрегата;
• трубопроводы – это вспомогательные конструктивные элементы, которые позволяют соединить всю выхлопную систему воедино, чтобы на выходе выбросы не загрязняли окружающую среду, а также не угрожали здоровью человека.

Следует понимать, что современные выхлопные системы далеко не всегда используют сразу все упомянутые компоненты, так как производители автомобилей берут за основу только определенные изделия, способные в полной мере очистить отработанные газы, а также снизить уровень шума авто.

Определение выбросов сажи

Методы фильтрации и поглощения обычно указываются в требованиях по контролю выхлопных газов как методы измерения содержания сажи в выхлопных газах дизельного двигателя. Существует взаимосвязь между результатами измерений обоих методов, если для измерений поглощения (прозрачности) выхлопные газы не содержат паров воды и топливного тумана. Оба метода измерения дают измеряемые величины, которые возрастают логарифмически с увеличением концентрации сажи. Повышенная точность измерений (10%) может быть достигнута с помощью оптических приборов.

В случае метода фильтрации используется почернение фильтровальной бумаги в качестве меры для количества сажи, осажденной на ней.

В некоторых странах (например, Швейцарии) фильтрующее устройство предписано для измерения выбросов дыма при свободном (без нагрузки) разгоне в качестве критерия для оперативного контроля. Для этой цели продолжительность движения плунжера насоса фильтра должна быть увеличена до 6 секунд, чтобы полный выброс дыма мог пройти через фильтровальную бумагу (2) в течение хода плунжера (3 — положение плунжера перед измерением, 5 — после измерения). Оценка производится с помощью фотоячейки (Ь) или с помощью специальной шкалы серости (9).

Дымомер (измеритель поглощения или прозрачности) (а) использует ослабление интенсивности луча света в качестве меры концентрации сажи. При измерении часть выхлопных газов (4) прокачивается насосом через заборное устройство и через шланг в измерительную камеру. Процесс, указанный выше предотвращает давление выхлопных газов и его флуктуации, отрицательно влияющие на результаты измерений.

Луч света (8 — источник света), проходящий через выхлопные газы, поступает в измерительную камеру. Уменьшение интенсивности света измеряется фотоэлектрическим способом (10 — приемник света) и отображается в % коэффициента прозрачности Т или как коэффициент поглощения к. Высокая точность к воспроизводимость измерений требуют, чтобы длина измерительной камеры была точно определена, а окошко измерительной камеры поддерживалось чистым от сажи с помощью методов термической очистки.

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.

Плюсы и минусы по отзывам

В завершение приведем положительные и отрицательные качества раскоксовки водородом, которые необходимо учитывать при обращении на СТО.

• Улучшение динамики автомобиля.
• Значительное повышение ресурса мотора.
• Повышение устойчивости работы ДВС.
• Увеличение компрессии.
• Удаление копоти и гари.
• Снижение шумности во время работы.
• Уменьшение расхода горючего и потребления масла.
• Стабильный запуск двигателя в холодное время года.
• Безопасность для ДВС.
• Соответствие требованиям экологии.
• Универсальность: возможность применения на всех типах ДВС.
• Не нужно дополнительно менять масло и промывать мотор.
• Очистка свечей и форсунок.
• Возможность удаления нагара без вскрытия двигателя.
• Защита катализатора от загрязнения.
• Снижение вибрации.
• Наиболее дешевый метод раскоксковки из существующих, не требующий разбора двигателя.

• Требуется воздухозаборник, конструктивно подходящий для подключения системы, которого нет у некоторых машин.
• Иногда для раскоксовки водородом приходится демонтировать систему забора воздуха, а это занимает время.
• Отложения убираются не на 100%.
• Водород может негативно действовать на некоторые виды металла.
• Пока еще высокая цена услуги, но с повышением конкуренции на рынке, уменьшением стоимости оборудования она будет уменьшаться.
• Максимальный эффект достигается только на дизельных авто. На бензиновых он тоже есть, но в меньшей степени (если сравнивать два типа моторов с одинаковым объемом).

Катализатор топлива (КТ)

Это еще одно устройство, помогающее снизить токсичность газов. Принцип его действия – предварительная обработка топлива, нагнетаемого в цилиндры. Это значительно повышает полноту сгорания и снижает количество вырабатываемых вредных веществ. Т.е., такой катализатор просто дожигает выхлопную смесь до получения экологически безопасного состава. При этом снижается расход топлива, износ элементов двигателя идет не так интенсивно, — возможен даже процесс восстановления геометрии поверхности трения в цилиндрах. Все это увеличивает пробег авто до первого капитального ремонта. КТ монтируется непосредственно в системе подачи топлива, где «занимается» каталитической подготовкой топлива. Говоря научным языком, данное устройство ступенчатым способом улучшает качество молекулярного состава посредством его насыщения солями плакирующих металлов.

Вопросы и ответы

Для разъяснения ситуации приведем ряд дополнительных вопросов, которые чаще всего задают автовладельцы:

• Нужна ли разборка мотора? Раскоксовка водородом не требует разборки двигателя.
• Сколько времени занимает очистка? В среднем на все манипуляции уходит около 1,5 часов.
• Что именно очищается? Водородинг позволяет почистить поршень и кольца, клапаны выпуска, датчик и заслонку рециркуляции, коллектор выпуска, сажевый фильтр, катализатор.
• Какой результат? Во время процедуры убирается до 90% имеющегося нагара.
• Имеется ли риск перегрева из-за воспламенения водорода? Нет, двигатель не боится высоких температур, действие которых кратковременно.
• Сколько стоит процедура? Средний чек в РФ составляет от 2 до 2,5 тысяч рублей.
• В каких странах еще применяется раскоксовка водородом? Такая технология пользуется спросом в Великобритании, Германии, Польше, Франции, США и ряде других стран.

Применяемое оборудование

При раскоксовке водородом используется специальное оборудование, обеспечивающее подачу газа в ДВС для достижение необходимого эффекта.

Выделим несколько моделей реакторов:

• Водород24 Н1000. Это простая установка, позволяющая очищать двигатели объемом до 4 000 куб. см. Применяется для очистки ДВС двухколесного транспорта и малолитражного авто. Выдает до 25 л Н2 в минуту и до 1500 л за час. Мощность 8000 Вт. Размеры устройства — 50х70х77,5 см. Масса — 100 кг.
• Водород24 Н1500. Модель позволяет обслуживать транспорт с объемом ДВС до 14 000 куб см. имеются встроенные модули контроля очистки в дистанционном режиме. Устройство выдает до 40 л Н2 в минуту и до 2400 л за час. Мощность — 12 000 Вт. Размеры — 50х70х77,5 см. Масса — 110 кг.
• Водород24 Н2000 — компактный девайс, работающий от 3-фазного напряжения, выдающий 60 л в минуту и до 3600 л за час. Подходит для обслуживания крупного транспорта (грузового, пассажирского, специальной техники). Мощность потребления — 20 000 Вт. Размеры — 50х85х77,5 см. Масса — 180 кг.

Аналогичные модели можно найти и с другим названием. При этом характеристики и основные параметры идентичны.

Важно учесть, что каждая модель подходит для машины определенного литража. К примеру, Н1000 оптимальна для малолитражек, Н1500 для большей части легковых авто, а Н2000 для грузового, пассажирского и специализированного транспорта

Как проходит водородинг в автосервисе

Для раскоксовки водородом применяется специальное оборудование (упоминалось выше), выступающее в роли источника газа Брауна. Процедура по времени длится около 60 — 90 минут, но все зависит от объема мотора.

К примеру, для двигателя объемом 3.3 литра потребуется 70 минут, а для мотора на 2.0 литра 60 минут.

Общий алгоритм действий имеет следующий вид:

• Подключение аппарата (реактора), генерирующего газ Брауна (оксидроген) к автомобилю через воздухозаборник. Как правило шланг подключается перед воздушным фильтром, но все зависит от конструкции авто, в некоторых случаях подключение осуществляется после воздушного фильтра и расходометра воздух.
• Включение аппарата (в некоторых моделях оборудования предусмотрен специальный блок управления, который подключается к АКБ и автоматически отключается если мотор глохнет).
• Выделение водорода из устройства за счет взаимодействия тока и воды.
• Работа ДВС в течение определенного времени на ХХ с периодическим нажатием на газ.
• Выделение в камере сгорания мотора рекордного количества энергии.
• Протекание внутри химической реакции, подразумевающей разрушение углеводородных отложений с образованием в коллекторе выпуска высокотемпературного пара.
• Размягчение загрязнений и их выброс через трубу выхлопа в виде грязной воды, сажи и углекислого газа.

В результате проведенных манипуляций раскоксовка водородом убирает нагар, а элементы газа действуют по принципу очищающего средства. Они разжижают затвердевшие загрязнения и помогают им выйти через систему выхлопа.

При регулярном прохождении процедуры водородинга можно сэкономить деньги на капремонт. По заявлению специалистов, раскоксовка помогает справиться даже с толстым слоем нагара без риска для мотора.

Принцип работы выхлопной системы

Для того, чтобы автомобилист понимал, из-за чего транспортные средства оказывают пагубное воздействие на окружающую среду, стоит на наглядном примере разобрать принцип работы системы выхлопа, а именно:

• после сгорания топлива, происходит открытие выпускных клапанов и через освободившиеся каналы выходят газы и несгоревшее горючее;
• далее газы попадают в выпускной коллектор, где постепенно объединяются в один сплошной газовый поток;
• отработка проходит по трубе до первого кислородного датчика, который передает в блок управления данные, где учитывается состав топливовоздушной смеси;
• после этого отработка добирается до катализатора, где газы вступают в реакцию с металлами-окислителями, из-за чего теряют свою токсичность;
• далее отработка проходит второй кислородный датчик, где определяется качество очистки газов и работоспособность катализатора;
• практически в самом конце отработанные газы попадают в резонатор, где происходит перенаправление потоков, что снижает уровень шума;
• после прохождения через последний глушитель, отработанные выбросы CO2 напрямую попадают в атмосферу.

Примечательно, что такая система выпуска отработанных газов с каждым годом совершенствуется автомобильными производителями, чтобы существенно снизить вред, наносимый окружающей среде.

Измерение содержания твердых частиц

Кроме измерения концентрации газообразных токсичных веществ, измеряется содержание в отработавших газах твердых частиц, поскольку они также являются загрязняющими агентами, содержание которых ограничивается нормами. В настоящее время законодательство предпи­сывает использование для измерения содержа­ния твердых частиц гравиметрического метода.

Гравиметрический метод (с использованием фильтра твердых частиц)

Часть разбавленных отработавших газов от­бирается из канала разбавления во время дорожных испытаний и пропускается через фильтры твердых частиц. Количество твер­дых частиц в отработавших газах (нагрузка фильтров) вычисляется, как разность весов фильтров твердых частиц до испытания и по­сле него. Затем содержание твердых частиц, произведенных во время испытания, вычис­ляется, исходя из нагрузки фильтров, общего объема разбавленных отработавших газов и частичного объема отработавших газов, про­шедших через фильтры твердых частиц.

Гравиметрический метод имеет следую­щие недостатки:

• Относительно высокий предел детектиро­вания, который можно только в ограничен­ной степени снизить, при помощи сложных измерительных приборов, а также путем оптимизации геометрии канала;
• Невозможность непрерывного измерения содержания твердых частиц;
• Необходимость в сложном кондициониро­вании фильтров твердых частиц с целью сведения к минимуму влияния окружаю­щей среды;
• Невозможность определения химического состава и размеров твердых частиц.

Подсчет количества твердых частиц

В связи с вышеуказанными недостатками гравиметрического метода и с целью сниже­ния предельных значений, некоторые законо­датели в будущем также ограничат не только массу, но и количество твердых частиц.

В качестве устройства для подсчета ко­личества твердых частиц в соответствии со стандартом был заявлен «Конденсационный счетчик твердых частиц» (СРС). В этом счет­чике небольшая часть потока разбавленных отработавших газов (аэрозоль) смешивается с насыщенными парами бутанола. Конден­сация паров бутанола на твердых частицах вызывает значительное увеличение размера частиц, что дает возможность подсчитать их количество в рассеянном свете.

Количество твердых частиц в разбавлен­ных отработавших газах определяется непре­рывно. Интегрирование измеренных значе­ний позволяет получить количество твердых частиц, произведенных во время испытаний.

Определение распределения твердых частиц по размеру

В настоящее время возрастает интерес к рас­пределению твердых частиц, содержащихся в отработавших газах по размеру. Примерами устройств, позволяющих получать такие дан­ные, являются:

• Сканирующий мобильный определитель размеров частиц (SMPS);
• Электрический импактор низкого давле­ния (ELPI);
• Дифференциальный мобильный спектро­метр (DMS).

От чего избавляет водородинг

Раскоксовка водородом позволяет удалить отложения в ДВС.

Последние состоят из трех элементов:

• Шлаки. Незначительные загрязнения, которые накапливаются в тех местах мотора, где имеет место низкая температура. Шлаки состоят из элементов недогоревшего горючего, масла и воды.
• Нагар. Отложения, состоящие из золы и углерода.
• Лаки. Представляют собой эластичную пленку, появляющуюся на цилиндрах и поршнях возле маслосъемных и компрессионных колец.

Причиной коксования может быть низкое качество топлива, несвоевременная замена масла (или его низкое качество), нарушение правил эксплуатации и применение некачественных запчастей.

NDIR-анализатор

NDIR-анализатор (недисперсионный инфра­красный анализатор) использует свойство некоторых газов поглощать инфракрасное из­лучение в узком диапазоне длин волн. Погло­щенное излучение преобразуется в энергию колебаний или вращения молекул поглощаю­щего вещества.

₂₆₁₄₂

Существует несколько вариантов NDIR- анализаторов; основными компонентами яв­ляются источник инфракрасного излучения (рис. «Измерительная камера анализатор NDIR» ), поглощающая ячейка (кювета), че­рез которую проходит газ, эталонная ячейка, обычно расположенная параллельно по­глощающей ячейке (заполненная инертным газом, например, N₂), вращающийся преры­ватель и детектор. Детектор состоит из двух камер, соединенных мембраной и содержа­щих образцы анализируемых газов. Излуче­ние из эталонной ячейки поглощается в одной камере детектора, а из кюветы — в другой.

Интенсивность излучения из кюветы может быть снижена за счет поглощения испытуе­мым газом. Разность энергий излучения вы­зывает возникновение потока, который может быть измерен датчиком потока или датчиком давления. Вращающийся прерыватель преры­вает инфракрасное излучение, что вызывает изменение направления потока и, следова­тельно, модуляцию сигнала датчика.

NDIR-анализаторы очень чувствительны к присутствию в анализируемом газе влаги, по­скольку молекулы Н₂O поглощают инфракрас­ное излучение в широком диапазоне длин волн. По этой причине NDIR-анализаторы располага­ются после системы обработки газа (например, газоохладителя), служащей для осушения от­работавших газов, если выполняются измере­ния неразбавленных отработавших газов.