СПОСОБ ЗАМЕРОВ ПАРАМЕТРОВ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВС
METHOD OF MEASURING PARAMETERS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE EXHAUST GASES

Изобретение относится к приборостроению и может найти применение для измерения параметров, характеризующих качественный, количественный и размерный параметры взвесей выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Известен способ измерения дымности выхлопных газов (см. SU №1203410, кл. G01N 21/53, 1983), предусматривающий ввод газов в дымомер, содержащий расположенные последовательно источник света, измерительный канал, фотоприемник и регистрирующее устройство.
Недостатком прототипа является повышенный расход энергии на обеспечение работы источника сжатого воздуха и увеличенный расход материалов из-за громоздкости конструкции (наличие дополнительного патрубка вывода отработавших газов).
X
Согласно Правилам ЕЭК ООН №49 введено нормирование выбросов углеродных соединений, возникающих в результате крекинга топлива и масел при такте сгорания в цилиндрах ДВС. Установлено, что на этих соединениях адсорбируются тяжелые ароматические углеводороды и канцерогенные бенз(а)пирены. Правила предусматривают оценку количества видимых (сажа) и невидимых визуально частиц выбросов. В качестве средств контроля токсичности ВГ ДВС для анализа СО используются газоанализаторы недисперсного типа с поглощением инфракрасной части спектра, углеводородов СН - газоанализаторы пламенно-ионизационного типа, окисей азота NO, - газоанализаторы хемилюминесцентного типа, а для определения видимых (сажа) и невидимых частиц применяется примитивный процесс фильтрации пробы ВГ через бумажные или тканевые фильтры, которые взвешиваются на коромысловых весах до и после проведения такого «анализа» (Болбас М.М. и др. «Транспорт и окружающая среда», Минск, 2004).
Недостаток такого технического решения - техническая сложность и высокая стоимость технологического оборудования для контроля токсичности выбросов при недостаточной его эффективности, поскольку определяются только четыре из двух-трех сотен компонентов, которые вмещают ВГ, по-видимому, является следствием метрологической несовместимости величин, которые измеряются, и применения аналитической аппаратуры и технологий, предназначенных для анализов настоящих газов и жидкостей, а не сложной физико-химической среды с содержанием коллоидных и золевых частиц разных веществ, содержащихся в ВГ ДВС.
Известен также способ замеров параметров выхлопных газов ДВС, включающий отбор газов в пробоотборник и последующий анализ материала пробы с применением технического средства (RU №2326361, G01M 15/10, 2008). При этом, в качестве технического средства используют оптический прибор для определения содержания взвесей в газовой среде и газоанализатор. Задачей известного способа является измерение дымности и токсичности выхлопных газов ДВС.
Недостаток такого технического решения - отсутствие возможности определения вещественного состава твердых частиц в составе выхлопных газов, а также отсутствие возможности определения распределения этих частиц по размерам и по форме.
Задача изобретения - определение возможности определения вещественного состава твердых частиц в составе выхлопных газов, и достоверное-распределение этих частиц по размерам и по форме.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности исследования характеристик частиц, содержащихся в выхлопных газах ДВС (автомобильных взвесях), новейших методов изучения твердых частиц - лазерной гранулометрии и масс-спектрометрии высокого разрешения. Суспензия выхлопных газов является крайне информативным объектом для получения данных с высокой достоверностью по гранулометрическому и элементному составу твердых нано- и микрочастиц, выделяемых в атмосферу в процессе работы двигателя внутреннего сгорания, позволяя также оценить качественный состав выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания на предмет наличия катионов металлов методом масс-спектрометрии. Особым достоинством способа является возможность выявления и анализа нанодисперсных и микродисперсных твердых частиц (широко известно, что наибольшей опасностью обладают частицы с диаметром менее 10 мкм), содержащихся в выхлопных газах.
Решение поставленной задачи достигается тем, что способ замеров параметров выхлопных газов ДВС, включающий отбор газов в пробоотборник и последующий анализ материала пробы с применением технического средства, отличается тем, что пробоотборник изолируют от окружающей среды и размещают в нем порцию дистиллированной воды, при этом формируют суспензию твердых частиц выхлопных газов ДВС, для чего их выпускают в названную порцию воды, причем формирование суспензии начинают после удаления из выхлопной трубы посторонних частиц пыли и сажи, осевших туда за время простоя ДВС, при этом в процессе отбора пробы суспензию перемешивают и стерильным шприцем отбирают объем жидкости около 40 мл, который исследуют на лазерном анализаторе частиц для определения распределения в нем частиц по размерам и по форме, кроме того, проводят вещественный анализ взвесей на световом микроскопе и электронном микроскопе с энергодисперсионным спектрометром.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствуют о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
При этом признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивает решение следующих функциональных задач.
Признаки «пробоотборник изолируют от окружающей среды и размещают в нем порцию дистиллированной воды» не допускают внешнего загрязнения суспензии материалами, не содержащимися в выхлопных газах ДВС, и обеспечивают возможность улавливания широкого размерного спектра взвесей с формированием из них суспензии. Использование дистиллированной воды исключает возможность искажения результатов содержащимися в недистиллированной воде веществами.
Признаки, указывающие, что «формируют суспензию твердых частиц выхлопных газов ДВС», обеспечивают получение материала, пригодного для изучения на лазерном анализаторе частиц (для определения распределения в нем частиц по размерам и по форме) и вещественного анализа взвесей на световом микроскопе и электронном микроскопе с энергодисперсионным спектрометром.
Признаки, указывающие, что выхлопные газы «выпускают в названную порцию воды», обеспечивают приготовление суспензии твердых частиц выхлопных газов ДВС в воде.
Признаки, указывающие, что «формирование суспензии начинают после удаления из выхлопной трубы посторонних частиц пыли и сажи, осевших туда за время простоя ДВС», исключают попадание в состав суспензии посторонних частиц пыли и сажи, осевших в выхлопной трубе за время простоя ДВС и не входящих в состав выхлопных газов ДВС.
Признаки, указывающие, что «в процессе отбора пробы суспензию перемешивают и стерильным шприцем отбирают объем жидкости около 40 мл», обеспечивают представительность пробы и количество материала, достаточного для проведения последующего анализа техническими средствами.
Признаки, указывающие, что пробу «исследуют на лазерном анализаторе частиц для определения распределения в нем частиц по размерам и по форме», обеспечивают возможность получения достоверных сведений о составе микро- и нанодисперсных взвесей.
Признаки, указывающие, что «проводят вещественный анализ взвесей на световом микроскопе и электронном микроскопе с энергодисперсионным спектрометром», позволяют получить данные о материальном составе твердых частиц, содержащихся в выхлопных газах ДВС.
Заявленный способ иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана Таблица 2 «Морфометрические параметры твердых частиц в суспензии выхлопного газа, определенные с помощью лазерной гранулометрии»; на фиг.2 показана Таблица 3 «Результаты элементного анализа суспензии выхлопного газа»; на фиг.3 показана «Гистограмма размеров частиц и их доли в пробах выхлопа автомобиля VT 2012 дизель 2.0».
Для получения суспензии выхлопных газов и проведения замеров необходимо следующее оборудование и материалы: пластиковая канистра объемом 20 литров, шланг из поливинилхлорида (длиной 1 м для каждого замера), вода дистиллированная (объем 10 л на каждый замер).
В качестве технических средств необходимы лазерный анализатор частиц Analysette 22 NanoTech (фирма Fritsch), световой микроскоп Zeiss Discovery VI 2 (Германия) и электронный микроскоп Zeiss Ultra Plus с энергодисперсионным спектрометром. Масс-спектрометр высокого разрешения с индуктивно-связанной плазмой Element XR (фирма Thermo Scientific).
Заявленный способ реализовывался в следующем порядке.
1. Двигатель испытуемого автомобиля заводился и работал в течение 1-3 минут для того, чтобы из выхлопной трубы были удалены все посторонние частицы пыли и сажи, осевшие туда за время простоя, занесенные извне.
2. Затем двигатель глушился и к выхлопной трубе испытуемого автомобиля подсоединялся гибкий шланг, конец которого опускался в объем воды (10 л), размещенный в пластиковой канистре. Чтобы не допустить внешнего загрязнения, канистра сверху герметично закрывалась целлофановой пленкой, предварительно отмытой дистиллированной водой (измеренное нами содержание микроэлементов в дистиллированной воде оказалось статистически не значимым по сравнению с измеренными значениями этих же элементов в суспензии выхлопных газов).
3. После этого автомобиль заводился, и его двигатель работал на нейтральной скорости в течение 20 минут. Данный временной интервал выбирался с учетом того, что на прогрев двигателя (по показаниям датчика температуры охлаждающей жидкости) отводилось около 10 минут. Далее в режиме холостого хода прогретый двигатель работал оставшиеся 10 минут. Такой временной промежуток работы автомобильного двигателя оказался более чем достаточным, для изучения гранулометрического состава выхлопных газов ДВС автомобилей.
По окончанию замеров канистра с дистиллированной водой, через которую пропускались выхлопные газы, герметично закрывалась крышкой и далее направлялась в лаборатории, где из емкости стерильным пластиковым шприцем отбиралась проба объемом 40 мл (перед отбором пробы содержимое канистры тщательно перемешивалось, с использованием вибростола. Далее проба известным образом исследовалась на лазерном анализаторе частиц Analysette 22 NanoTech (фирма Fritsch). Измерения проводились в режиме «nanotec» с установками «carbon/water 20°C».
Это позволяло в ходе одного измерения устанавливать распределение частиц по размерам, а также определить их форму. Вещественный анализ взвесей производили на световом микроскопе Zeiss Discovery VI 2 (Германия) и электронном микроскопе Zeiss Ultra Plus с энергодисперсионным спектрометром (Германия). Напыление образцов для электронного микроскопа производили золотом.
Примеры реализации способа
Для проведения экспериментов согласно классификациям ОН 025270-66 и Классификации Европейской экономической комиссии нами были выбраны наиболее значимые, с точки зрения экологии (по выбросам), и широко представленные в городской среде типы автомобилей (см. табл.1).
Автомобили 2012 года были любезно предоставлены одним из автосалонов (Приморский край), а автомобили с большим пробегом (более 100000 км) предоставлены авторами и их коллегами. Автомобили заправлялись бензином и дизельным топливом одной марки на заправочной станции одной и той же нефтяной компании.
Микроэлементный анализ проб суспензии выхлопных газов и дистиллированной воды проводился на масс-спектрометре высокого разрешения с индуктивно-связанной плазмой Element XR (фирма Thermo Scientific).
Таблица 1
Легковые автомобили, взятые в эксперимент
Код, год выпуска
Рабочий объем двигателя, л
Тип топлива
Пробег, км
VC 2012
1,1
бензин
44
SJ 1998
1,3
бензин
135000
SE 1998
2,0
бензин
108000
IB 1993
3,1
дизель
275000
MD 1999
2,8
дизель
261000
TS 1998
3,0
бензин
125000
KS 2012
2,0
бензин
395
VP 2012
1,8
бензин
менее 400
VT 2012
2,0
дизель
16,5
VTi 2012
2,0
бензин
менее 400
VQ-2012
2,0
дизель
менее 400
VA 2012
2,0
дизель
менее 400
VC 2012
2,0
бензин
менее 400
VT 2012
3,0
бензин
менее 400
VTo 2012
3,0
дизель
менее 400
Морфометрические параметры твердых частиц в суспензии выхлопного газа определялись с помощью лазерной гранулометрии и представлены на ФИГ.1 (табл.2).
Известно, что исследованию твердых частиц взвесей с помощью пробоотборников, в которых применяются фильтры, обязательно сопутствует потеря частиц наноразмерной фракции (часть пролетает сквозь поры фильтра или агрегирует, что не позволяет оценить их отдельно). Исследование суспензии выхлопного газа, как способ захвата выхлопных газов жидкостью (в нашем случае, дистиллированной водой), позволяет улавливать и оценивать эту фракцию.
Новейшие исследования показывают, что выхлопы автомобилей, работающих на дизеле, являются более опасными для здоровья людей, в том числе и из-за наличия в них нано- и микрочастиц.
Судя по полученным результатам (табл.3 - ФИГ.2), автомобили, работающие на дизельном топливе, также являются источником наиболее опасных частиц взвесей (размером 10 мкм и меньше). Для большей наглядности на ФИГ.3 приведена гистограмма размеров частиц и их доли в выхлопе автомобиля 2012 года выпуска (!), работающего на дизеле (три фракции: от 100 до 500 нм, от 1 до 5 мкм и от 8 до 16 мкм).
Остальные автомобили без пробега (выпуска 2012 г.), судя по полученным результатам, за редким исключением (табл.3), являются источником выброса малоопасных размерных фракций (от 500 до 1000 мкм).
Частицы металлов в выхлопных газах автомобилей могут попадать в результате:
1) механического износа агрегатов и двигателя,
2) химического (коррозионного) износа агрегатов и двигателя,
3) сгорания топлива и моторного масла,
4) попадания воздуха при работе двигателя.
Наиболее весомым источником металлов является двигатель внутреннего сгорания и система выпуска отработанных газов и включает достаточно весомый список из металлов: высоко- и низкоуглеродистые стали, свинца, олова, меди, чугуна, хрома, цинка и других. Вышеприведенные элементы и материалы (сплавы), из которых они изготовлены, вследствие механического износа, коррозионного разрушения, под воздействием кислот образующихся при сгорании топлив и окислении масел, выводятся через систему выпуска отработанных газов и попадают в атмосферу.
Моторное масло, помимо того, что является аккумулятором продуктов износа двигателя, само содержит ряд соединений, выступающих в качестве присадок и добавок для повышения эксплуатационных свойств. В их состав входят модификаторы трения или антифрикционные присадки, одним из самых распространенных являются так называемые «реметаллизаторы», содержащие ионы мягких металлов (свинец, медь, серебро). Частицы металлов (ионы), содержащиеся в моторном масле вследствие его естественного угара, смешиваются с отработанными газами и попадают в атмосферу.
3
5
5
5
5
b
5
5
2
Топливо, представляя собой смесь углеводородов и присадок, является одним из наиболее весомых источников металлов, так как при производстве бензинов и дизельного топлива разных марок используют различные присадки, содержащие соединения металлов. Одним из основных видов присадок к топливу являются антидетонаторы (Mn(СО)(СН), [Ni(CO)(CH), Fe(CH) и другие). Эти антидетонаторы образуют твердый нагар на стенках цилиндров и соответственно попадают вместе с выхлопными газами в атмосферу.
Элементы системы глушителя и каталитических нейтрализаторов также являются источниками металлов в воздухе, так как основные элементы глушителя изготавливают из жаропрочных сплавов на основе железа, никеля, магния, цинка и кобальта, а системы каталитических нейтрализаторов имеют покрытия на основе серебра, платины и иридия. Кроме того, сам корпус нейтрализатора выполнен из нержавеющих сплавов.
Кроме того, источником частиц металлов и минералов является воздух, потребляемый при работе двигателя. Для машин разного объема потребление воздуха составляет десятки литров в час, а объем пыли, попадающий в двигатель, может составлять до 0,05 г/литр воздуха, это связанно с тем, что эффективность воздушного фильтра составляет всего 80-90% в зависимости от его срока службы и качества изготовления. Это имеет значение, так как в воздухе содержится большое количество нано- и микрочастиц металлов как природного, так и техногенного генеза.
Таким образом, суспензия выхлопных газов ДВС (СВГ) является крайне информативным объектом для получения данных с высокой достоверностью по гранулометрическому и элементному составу твердых нано- и микрочастиц, выделяемых в атмосферу в процессе работы двигателя внутреннего сгорания, позволяя также оценить качественный состав выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания на предмет наличия катионов металлов методом масс-спектрометрии.
Проведенный анализ суспензии выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания методом лазерной гранулометрии позволяет дать экологическую оценку твердых частиц по степени влияния на здоровье человека. Так широко известно, что наибольшей опасностью обладают частицы с диаметром менее 10 мкм. Мы обнаружили частицы со среднеарифметическим диаметром около 10 мкм в СВГ более 30% изученных автомобилей (5 из 15), что, несомненно, позволяет отнести и бензиновые, и дизельные автомобили к источникам выброса в атмосферу опасных размерных фракций.
Также можно отметить, что совокупность двух методов исследования СВГ позволила выявить тот факт, что не только машины с большим пробегом ввиду износа деталей являются большим источником микродисперсных частиц и металлов в атмосферу. Новые автомобили (без пробега) также являются источником не меньшего, а иногда и большего количества тяжелых металлов и микрочастиц.