Ако някога сте стояли в задръстване в горещ ден, чудейки се какво точно излиза от ауспуха на колата ви, не сте сами. За автомобилните инженери, регулаторните органи и дори за хората в тестовите лаборатории, разбирането, че сместа от отработени газове е голяма работа - защото не става въпрос само за това колите да работят гладко, а за спазване на правилата за емисии и дори за изграждане на по-добри, по-ефективни двигатели. Това е мястото, където се намесва система за газов анализ за автомобилни отработени газове. Работя с техника за газов анализ повече от десетилетие, първо като инженер, тестващ части, сега като част от екип, който доставя тези системи, така че видях от първа ръка как те преминават от изискан инструмент на лабораторен рафт до нещо, което прави истинските коли по-добри. Нека го разбием, без излишен жаргон.
Първо, нека изясним едно нещо: автомобилните изгорели газове не са просто „изпарения“. Това е смес от газове – въглероден оксид (CO), въглероден диоксид (CO2), азотни оксиди (NOx), въглеводороди (HC) и дори малки частици от прахови частици (PM) в наши дни. Работата на системата е да измерва всяко от тях точно, последователно и в реално време, тъй като изгарянето на двигателя се променя всяка част от секундата. Ако системата ви е изключена, в крайна сметка ще получите автомобили, които или замърсяват твърде много, или не работят правилно, или дори се провалят на регулаторните тестове.
И така, как всъщност работи? Нека преминем през процеса, сякаш стоим до тестов стенд. Първа стъпка е вземане на проби от отработените газове. Не можете просто да пъхнете сонда в ауспуха и да го забавите – ауспухът е горещ, мокър и има куп неща, които могат да объркат измерванията ви, ако не се справите правилно. Повечето от нашите системи използват нагрята линия за вземане на проби (обикновено около 190°C, много по-гореща от вряща вода), за да пренесат отработените газове от изпускателната тръба към анализатора. Защо да го нагрявате? Защото ако отработените газове се охладят дори малко, водните пари се кондензират и HC или NOx могат да се залепят от вътрешната страна на линията, изхвърляйки числата. Някои системи дори имат филтър точно при сондата, за да уловят големи прахови частици, преди да попаднат в чувствителните части на анализатора - не искате малки частици сажди да затрупат сензор, който измерва части на милион NOx.
След като пробата премине през линията, тя е готова за анализ. Това е мястото, където се случва магията (научната, а не лабораторните трикове) и различните газове използват различни методи, защото всички действат по различен начин. Най-разпространеният метод, който използваме за CO и CO2, е недисперсионната инфрачервена (NDIR) спектроскопия. Ето как работи това: всяка газова молекула абсорбира инфрачервена светлина при определена дължина на вълната. Така че, ако излъчвате инфрачервена светлина през газовата проба, излиза по-малко светлина, ако има повече CO, например. Анализаторът измерва този спад, включва го във формула и ви дава концентрация. Той е супер точен за тези два газа, което има смисъл, защото CO е токсичен страничен продукт от непълно изгаряне, а CO2 е основният парников газ от автомобилите.
След това има NOx, който е сложен, защото е смес от азотен оксид (NO) и азотен диоксид (NO2). За това използваме хемилуминесцентен детектор (CLD). CLD работи чрез взаимодействие на NO с озон, което създава слабо сияние (хемилуминесценция, разбра ли?), което е пропорционално на количеството на NO. Готината част е, че можете да го настроите, за да измервате общия NOx или да отделите NO2, ако е необходимо - някои автомобили имат системи за селективна каталитична редукция (SCR), които са насочени конкретно към NO2, така че разделянето е ключово. За HC използваме пламъчно-йонизационен детектор (FID). Мислете за това като за изгаряне на газовата проба в малък водороден пламък – всяка въглеводородна молекула се изгаря и пламъкът произвежда заредени частици, които ние броим, което ни казва колко HC има там. Това е важно, защото неизгорелият HC е голяма част от смога.
В наши дни много системи също добавят анализатор на прахови частици (PM), който измерва малки твърди частици, които другите методи пропускат. Навремето бихте използвали филтър, за да събирате PM, да го претегляте и това беше – бавно, дава ви число само след като приключите с тестването. По-новите системи използват разсейване на лазерна светлина, за да преброят отделните частици PM в реално време, така че можете да видите как се променят PM, когато двигателят набира обороти или забавя. Това променя играта за инженерните екипи, които трябва бързо да коригират проблеми с PM.
Сега, защо това има толкова голямо значение за автомобилостроенето? Нека първо да поговорим за правилата. EPA в САЩ, Euro 6d в ЕС и още по-строги правила, идващи от Китай – всички те изискват от производителите да тестват изгорелите газове на всеки нов автомобил, за да се уверят, че не надвишават ограниченията. Лоша система за анализ на газ тук означава, че колата не е преминала тест, което забавя производството и струва милиони. Виждал съм прототип на автомобил на клиент да бъде връщан три пъти, защото старата им система не можеше да измерва достатъчно точно ниско ниво на NOx и почти пропуснаха регулаторния краен срок. Ето защо ние проектираме системите си да се калибрират редовно, с вградени проверки, за да се уверим, че показанията са правилни - няма повече ръчно калибриране, което отнема часове и оставя място за човешка грешка.
Това обаче не са само разпоредби. Дизайнерите на двигатели използват тези системи, за да направят автомобилите по-добри. Ако нов хибриден двигател отделя повече CO от очакваното по време на стартиране, екипът може да коригира момента на впръскване на гориво веднага, вместо да чака лабораторен тест седмица по-късно. Работих с малък стартиращ EV миналата година (да, дори EV имат изгорели газове от техните резервни нагреватели), които използваха нашата система, за да настроят изгарянето на нагревателя си, за да намалят CO с 15%, без да губят топлинна мощност. Това е видът реално въздействие, което имат тези системи, освен просто поставяне на отметки за правила.
Чакай, но системите за газов анализ не работят във вакуум, нали? За да получат пълната картина, инженерите често ги съчетават с други инструменти за тестване, които измерват запалимостта и ефективността на материалите - тъй като изпускателните системи работят при супер високи температури, материалите, от които са направени, трябва да бъдат безопасни. Ето защо ние доставяме и допълнителни инструменти, като автоматичен анализатор на точка на възпламеняване със затворен съд TAG за тестване на запалимостта на гориво и смазочни материали, тестер за запалимост на автомобилни кабелни снопове, за да се уверите, че окабеляването под капака няма да се запали, ако има теч, и дори тестер за точка на запалване със затворен съд Pensky-Martens за стандартни измервания на точка на възпламеняване, на които регулаторите имат доверие. За екипи, работещи върху компоненти, които работят в екстремни условия, разполагаме и с инструменти като тестер за проникване на огън от самолети и тестер за вертикална запалимост на самозалепваща се лента, но те са по-скоро за тежки части като изпускателни колектори и уплътнения – неща, които трябва да издържат под налягане.
През годините ние променихме нашите системи за газов анализ, за да бъдат също по-лесни за потребителя. По-старите системи бяха големи, настолни устройства, които се нуждаеха от собствено лабораторно пространство, но сега имаме преносими, които се побират във ван и могат да тестват коли на пътя или на състезателна писта. Това е идеално за малки гаражи или екипи за тестване, които не могат да измъкнат цяла лаборатория до отдалечено място. Сега също се интегрираме с облачен софтуер, така че всички тестови данни се записват автоматично, няма повече драскане на бележки на хартия, които се губят. Инженерите могат да изтеглят резултатите от тестовете на телефона си по време на среща, което ускорява много вземането на решения.
Но нека бъдем реални, не всичко е перфектно. Все още има предизвикателства. Влажността в пробата от отработените газове може да се обърка с показанията на NDIR, така че добавяме изсушител, който премахва водните пари, без да отделя газовете, които ни интересуват. Високите температури също могат да натоварят сензорите, така че ние използваме материали, които могат да се справят с тези 1000°C изпускателни линии, без да се повредят. Най-големият в наши дни е измерването на двигатели с ниски емисии, като тези с филтри за твърди частици или водородни горивни клетки - те имат много по-малко CO и NOx, така че системата трябва да е достатъчно чувствителна, за да улавя малки количества, като части на милиард. Надградихме нашите CLD и FID сензори през последните две години, за да постигнем това, което беше голяма победа за клиентите на горивни клетки.
Ако сте инженер, ръководител на тестова лаборатория или някой от производител на автомобили, занимаващ се с емисиите, знаете, че надеждният газов анализ не е нещо, което можете да отрежете. Лошото отчитане не води само до неуспешни тестове – то води до автомобили, които са по-малко ефективни, по-замърсяващи или дори опасни. Нашият екип работи с автомобилни клиенти от години, като фино настройва тези системи, за да отговори на техните специфични нужди, независимо дали тества нов газов двигател, хибрид или горивна клетка. Ако искате да надстроите текущата си система или просто искате да поговорите за това как газовият анализ може да помогне на вашите проекти, не се колебайте да се свържете с нашия екип за повече информация. Нека да изградим по-добри, по-чисти коли заедно - като започнем с правилните стойности на изгорелите газове.
Референции
- Емисии на отработени газове от автомобили: методи за измерване и разпоредби. Агенция за опазване на околната среда на САЩ, 2022 г.
- Газов анализ за автомобилни приложения. Международно дружество на автомобилните инженери (SAE), 2021 г.
- Изпитване за запалимост на автомобилни компоненти. Национална асоциация за противопожарна защита (NFPA), 2020 г.
- Недисперсионна инфрачервена спектроскопия за мониторинг на концентрацията на газ. Аналитична химия, 2019, кн. 91, бр. 12, стр. 7523-7538.