ДВЗ ТА ШУМОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

 

На сьогодні є газоаналізуюча апаратура та прилади, якими можна виміряти практично усі відомі компоненти відпрацьованих газів двигунів внутрішнього згорання (ДВЗ). Проте, в першу чергу, вимірюють концентрації шкідливих речовин, яких під час роботи ДВЗ викидається найбільше, це – оксиди вуглецю і , вуглеводні , оксиди азоту і сажа С_с, концентрацію якої оцінюють за димністю відпрацьованих газів.

Для визначення концентрацій оксидів і та вуглеводнів , (переважно за гексаном ) у відпрацьованих газах ДВЗ застосовують спосіб вибіркового поглинання ними інфрачервоного випромінювання. Цей спосіб, грунтується на принципі селективного поглинання компонентами відпрацьованих газів інфрачервоного випромінювання: кожен газ поглинає інфрачервоне випромінювання лише певної довжини хвиль. Наприклад, спектр поглинання оксидом вуглецю інфрачервоних променів розміщений в зоні довжин хвиль близьких до 4,7... 5,0 мкм.

На рис. 2 показана принципова схема інфрачервоного газоаналізатора. Два однакових потоки Е1 і Е2 від джерел інфрачервоного випромінювання проходять крізь оптичні порівняльний і вимірюваний канали. Джерела мають спільний блок живлення У1 з високим рівнем стабілізації напруги, необхідної для забезпечення стабільності світлових потоків. Потоки променів одночасно перериває обтюратор О1, який приводить в рух синхронний електродвигун змінного струму М1.

Відпрацьовані гази проходять крізь вимірювальний канал. Симетрична камера порівняльного каналу заповнена газом, який не поглинає інфрачервоне випромінювання. На виході із каналів потоки випромінювання будуть відрізнятися на величину, пропорційну вмісту компоненту у відпрацьованих газах, який поглинув частину інфрачервоного випромінювання певної довжини хвилі.

Рис. 2. Принципова схема бездисперсного інфрачервоного газоаналізатора

Після вимірювального та порівняльного каналів промені надходять в об'єми V1 і V2 мірної камери. Ці об'єми розділені мембраною конденсаторного мікрофону С і заповнені сумішшю інертного газу і компоненту, вміст якого вимірюється. Через те, що у вимірювальному каналі відбулося поглинання частини променевої енергії і перетворення її в теплову, температура і тиск суміші в об'ємі V1 будуть меншими ніж в об'ємі V2. Через те, що тиск в об'ємі V1 буде більшим – мембрана конденсаторного мікрофону С буде міняти своє положення відносно нерухомого електрода з частотою, пропорційною частоті обертання обтюратора і на величину, пропорційну різниці тисків. Ємність конденсатора С буде змінюватись. Через опір R конденсатор живиться постійним струмом. Коли ємність конденсатора змінюється на його обкладинках виникає перемінна напруга, частота якої пропорційна частоті обертання обтюратора, а амплітуда відповідає поглинанню потоку променів в камері вимірювального каналу.

Змінний електричний сигнал через підсилювач У2, перетворюється в уніфікований вихідний сигнал постійного струму перетворювачем У3. Вимірювальний прилад Р1 надсилає сигнал на шкалу газоаналізатора. Балансування світлових потоків здійснюється заслінкою О2. Для підтримування постійного тиску ВГ на вході у вимірювальний канал застосовують регулятор абсолютного тиску (РАД). Підтримування однакового тиску в усьому вимірювальному каналі здійснює регулятор тиску (РГ), а витрату ВГ контролюють за витратоміром (РМ).

 

Вимірювання вуглеводнів здійснюють за однією сполукою (гексаном ) відслідковуючи, таким чином, лише характер зміни концентрації вуглеводнів залежно від режимів роботи двигуна. Найбільш інформативним для визначення вмісту вуглеводнів є спосіб вимірювання електропровідності водневого полум'я при іонізації вуглеводневими сполуками. Вимірювання у такий спосіб дає повну інформацію про сумарний вміст вуглеводневих сполук у ВГ.

Суть методу полягає у тому, що водневе полум'я, практично, є діелектриком (опір водневого полум'я становить 10¹⁴ Ом), але якщо в полум'я надходять вуглеводневі сполуки, вони іонізуються і опір полум'я різко зменшується. При цьому падіння опору (збільшення струму іонізації) пропорційне концентрації вуглеводневих сполук в суміші.

Рис. 3. Принципова схема вимірювальної частини

полум'яно-ізаційного газоаналізатора

 

Принципова схема приладу для реалізації цього способу показана на рис. 3. Водень пальником 2 надходить в камеру, змішується з повітрям і згорає. Запалювання здійснюється від свічки 3. При цьому між електродами 1 і 4 сила струму, практично, дорівнює нулю. В разі надходження в камеру проби з вуглеводневими сполуками, опір між електродами зменшується і виникає іонний струм. Цей сигнал підсилюють і фіксують стрілковим чи цифровим приладом або самописцем. Часто, як паливо, використовують суміш водню і гелію. Експериментально встановлено, що покази вимірів сумарного вмісту вуглеводнів такими приладами відрізняються від заміряних приладами, що ґрунтуються на вибірковому поглинанні інфрачервоного випромінювання у 2,5 рази.

 

Для неперервного вимірювання концентрацій оксидів азоту у ВГ застосовують спосіб хімічної люмінесценції, що базується на миттєвій реакції NОі озону у вакуумі в результаті якої утворюється двооксид азоту NО^*₂ , частина якого (близько 10%) активна і при переході в стабільний стан випромінює енергію, яка спричиняє люмінесцентне свічення. Механізм реакції такий:

 

де h_v – випромінювана енергія.

Структурна схема хімлюмінесцентного газоаналізатора показана на рис. 4. Прилад складається із двох блоків. Блок 1 призначений для відбору газів, очищення їх від механічних домішок і подачі під стабілізованим тиском у вимірювальний блок 2. Блок 1 складається із забірника проби 3, який підігрівають (180...200°С) з тим щоб уникнути конденсації водяної пари і розчинення у воді оксидів азоту та пристрою підготовки проби 4 де перед тим, як направити ВГ на аналіз двооксид азоту відновлюють до оксиду азоту. Вимірювальний блок 2 призначений для отримання електричного сигналу, пропорційного вмісту оксидів азоту у відпрацьованих газах. В цей блок входить камера 6, в яку подають ВГ із блока 1 і озон із генератора 5. Світлове випромінювання (хімлюмінесценсія), яке виникає в результаті реакції озону з оксидом азоту, що входить в склад відпрацьованих газів, сприймає фотоелектронний помножувач 7, сигнал від якого потрапляє на вхід підсилювача постійного струму 8. З підсилювача уніфікований сигнал струму (0...5 мкА) надходить на вимірювальний цифровий прилад 9 і на вихід газоаналізатора.

 

Рис. 4. Структурна схема хімлюмінесцентного газоаналізатора

 

На схемі товстими стрілками – І показано газові потоки, тонкими – ІІ потік струму.

На рис. 5 наведено принципову схему вимірювального блоку 2. Світлофільтр 4 виокремлює свічення, що виникає від оксидів азоту від свічення спричиненого реакцією озону з іншими компонентами ВГ. Лабораторія облаштована приладом 344ХЛ-01.

Основні характеристики газоаналізатора 344ХЛ-01: діапазон вимірювань вмісту NО_х – 0-200; 0-500; 0-1000; 0-2000; 0-5000 млн^-1.

 

Димність відпрацьованих газів дизелів вимірюють декількома методами. Найбільшого розповсюдження набули методи фільтрування (нефелометричний метод) і просвічування (турбодиметричний метод) ВГ дизеля.

Метод фільтрування базується на просмоктуванні певного відомого об'єму ВГ крізь фільтрувальний папір і визначенні оптичної густини фільтру за принципом поглинання відбитого чи того, що проходить крізь фільтр, світла.

Рис. 5. Схема хімлюмінесцентного газоаналізатора:

1 – вакуумний насос; 2 – реакційна камера; 3 – вакууметр; 4 – світлофільтр; 5 – фотопримножувач; 6 – підсилювач; 7 – шкала стрілкового приладу; 8 – самописець; 9 – озонатор (генератор озону)

Найбільш широко (зокрема в умовах експлуатації транспортних засобів) застосовують метод просвічування, що базується на вимірюванні ступеня послаблення світлового потоку, який проходить шар ВГ певної товщини (як правило 0,43 м). Принципова схема димоміра, в якому реалізовано цей метод, показана на рис. 6.

Рис. 6. Принципова схема димоміра

 

Димомір складається із блоку вимірювання 1 (БВ), блоку перетворення інформації 3 (БПІ) і блоку живлення 4 (БЖ) димоміра змінним струмом 220В, 50Гц. БПІ з'єднують з БВ і БЖ з'єднувальні джгути 2. Блок вимірювання трубопроводами і тримачем 8 з ручкою 7 приєднують до випускної труби 9 дизеля.

В приладі реалізовано метод просвічування ВГ. Здійснюють вимірювання їх температури з наступною корекцією коефіцієнта послаблення світлового потоку за температурою і величиною фотометричної бази (відповідно стандартам).

Рис.7. Схема оптичного блоку димоміра

Блок вимірювання призначений для аеродинамічного формування потоку газів і перетворення оптичного і температурного параметрів ВГ в електричний сигнал. Принципова схема оптичного блоку, який побудовано за однопроменевою оптичною схемою, показано на рис. 7. Як джерело світла, використовується лампа розжарювання 1, а приймача світла – фотодіод 7. Світло від джерела 1 формується об'єктивом 2 в паралельний пучок променів, який проходить крізь потік ВГ і потрапляє на лінзу 5, яка збирає пучок променів і спрямовує на світлоприймач 7. На шляху променів передбачено місце для встановлення повірочного фільтра 4, який призначений для контролю шкали приладу.

Світлофільтр 6 призначений для приведення спектральної характеристики світлоприймача до кривої видимості. Для захисту оптики встановлюються захисні скельця 3.

Призначення БПІ полягає в обробці електричного сигналу, перетворенні його в показник непрозорості (димності) ВГ, а також в індикації значень коефіцієнта послаблення світлового потоку (N), натурального показника послаблення світлового потоку (К) і температури.

Під час проведення лабораторних робіт вимірювання димності здійснюється димоміром ИНА-109, МЕТА-01.

 

Для вимірювання інтенсивності шумів та вібрації існують спеціальні прилади шумоміри. В лабораторії випробування двигунів застосовують шумомір ВШВ-003 (структурна схема представлена на рис. 8), в якому реалізовано принцип перетворення звукових і механічних коливань досліджуваних двигунів в пропорційні їм електричні сигнали, які підсилюють і виводять на шкалу приладу.

Шумомір складається з таких головних частин: мікрофона і узгоджуючого пристрою.

Рис. 8. Структурна схема шумоміра:

1 – капсуль мікрофонний; 2 – перепідсилювач; 3 – вхідний і вихідний перемикачі діапазонів вимірювальних сигналів; 4 – підсилювачі; 5 – ланцюг фільтрів частотних характеристик; 6 – зовнішні фільтри; 7 – квадратичний детектор; 8 – ланцюг експоненціального усереднення; 9 – індикатор, градуйований у децибелах.

 

На передню панель приладу (рис.9) винесено:

Рис. 9. Передня панель шумоміра ВШВ-003

1 – потенціометр для регулювання коефіцієнта передачі при калібруванні вимірювача ВШВ-003;

2 – кнопка «КАЛИБР» для включення калібрувального генератора;

3 – гніздо для калібрувального сигналу на вхід перепідсилювача

4 – гніздо для підключення перепідсилювача;

5 – шкала реєструючого приладу для фіксації одиниць рівня звукового тиску в межах від 0 до 10 дБ та контролю напруги живлення батарей;

6 – перемикач для зменшення електричної напруги вимірюваного сигналу, щоб забезпечити нормальну роботу вузлів вимірювального приладу;

7 – кнопка для включення інтегратора під час вимірювання віброшвидкості;

8 – кнопка для включення фільтра нижніх частот для вимірювання віброприскорення;

9 – кнопка «ФИЛЬТРЫ ОКТАВНЬІЕ»

10 – перемикач «ФИЛЬТРЫ ОКТАВНЫЕ» для вибору одного з десяти октавних фільтрів з середніми геометричними частотами 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц;

11 – перемикач «РОД РАБОТЫ» для відключення вимірювального приладу, контролю батарей і підключення часових характеристик (F – стала часу 125 мс "Швидко"; S – стала часу 1000 мс "Повільно").

Характеристика "Повільно" нівелює показники шумоміру і робить їх прийнятними для виміру стаціонарного шуму машин, характеристика "Швидко" встигає реєструвати нетривалі зміни шуму, її застосовують для виміру нестаціонарного шуму машин;

12 – перемикач «ФИЛЬТРЫ» для підключення коригувальних частотних характеристик А, В, С та ЛИН;

13 – світодіод «ПЕРЕГРУЗ» інформує про перевантаження сигналами функціональних вузлів вимірювального приладу; dВІ та dВІІ – перемикачі для настроювання приладу на вимірювальний сигнал;

14 – шкали приладу:

а) для фіксації десятків рівня звукового тиску в межах 20... 130 дБ;

б) для вимірювання віброшвидкості та віброприскорення;

15 – дванадцять світодіодів, які розташовано під названими шкалами. За тим, що світиться в даний момент вибирають конкретне числове значення вимірюваної величини.

Вимірам має передувати калібрування приладу. Для цього еквівалент капсуля 4 проводом довжиною 0,5 м з'єднують з гніздом 3. Перемикачі приладу встановлюють в положення: dВІ – 40, dВІІ – 50, 11 – “F”, фільтр 12 – “ЛИН”.

Після натискання кнопки 2 за дві хвилини стрілка приладу має установитися на величині 2,5 – що відповідає 94 дБ. У разі невідповідності перемикачами dВІ та dВІІ здійснюють коригування.