Если вы когда-нибудь сидели в пробке в жаркий день и задавались вопросом, что именно вылетает из выхлопной трубы вашего автомобиля, вы не одиноки. Для автомобильных инженеров, регулирующих органов и даже сотрудников испытательных лабораторий выяснение того, что состав выхлопных газов имеет большое значение, потому что речь идет не только о том, чтобы автомобили работали плавно, но и о соблюдении правил выбросов и даже о создании лучших и более эффективных двигателей. Вот тут-то и приходит на помощь система газового анализа автомобильных выхлопов. Я работаю с технологиями газового анализа более десяти лет, сначала в качестве инженера, тестирующего детали, а теперь как часть команды, которая поставляет эти системы, поэтому я своими глазами видел, как они превращаются из модного инструмента на лабораторной полке в нечто, что делает настоящие автомобили лучше. Давайте разберемся, без перегрузки жаргоном.
Прежде всего, давайте проясним одну вещь: автомобильные выхлопы — это не просто «дымы». В наши дни это смесь газов — оксида углерода (CO), диоксида углерода (CO2), оксидов азота (NOx), углеводородов (HC) и даже небольших частиц твердых частиц (PM). Задача системы заключается в точном, последовательном измерении каждого из этих параметров в режиме реального времени, поскольку процесс сгорания двигателя меняется каждую долю секунды. Если ваша система отключена, вы получите автомобили, которые либо слишком сильно загрязняют окружающую среду, либо работают неправильно, либо даже не проходят нормативные тесты.
Так как же это на самом деле работает? Давайте пройдемся по этому процессу так, как будто мы стоим рядом с испытательным стендом. Шаг первый – отбор проб выхлопных газов. Вы не можете просто воткнуть щуп в выхлопную трубу и положить конец — выхлоп горячий, влажный и содержит кучу вещей, которые могут испортить ваши измерения, если вы не справитесь с этим правильно. В большинстве наших систем используется линия отбора проб с подогревом (обычно около 190°C, намного горячее, чем кипящая вода) для подачи выхлопных газов из выхлопной трубы в анализатор. Зачем его нагревать? Потому что, если выхлопные газы хотя бы немного остынут, водяной пар конденсируется, а HC или NOx могут прилипнуть к внутренней части трубопровода, сбивая цифры. Некоторые системы даже имеют фильтр прямо на зонде, который улавливает крупные твердые частицы до того, как они попадут в чувствительные части анализатора — вы же не хотите, чтобы крошечные частицы сажи засоряли датчик, измеряющий миллионные доли NOx.
Как только образец проходит линию, он готов к анализу. Именно здесь происходит волшебство (научное, а не лабораторное), и разные газы используют разные методы, потому что все они действуют по-разному. Самый распространенный метод, который мы используем для определения CO и CO2, — это недисперсионная инфракрасная (NDIR) спектроскопия. Вот как это работает: каждая молекула газа поглощает инфракрасный свет определенной длины волны. Таким образом, если вы пропустите инфракрасный свет через образец газа, то, например, если в нем больше CO, выйдет меньше света. Анализатор измеряет это падение, подставляет его в формулу и выдает концентрацию. Это очень точный результат для этих двух газов, что имеет смысл, поскольку CO — токсичный побочный продукт неполного сгорания, а CO2 — основной парниковый газ автомобилей.
Еще есть NOx, с которым сложно разобраться, потому что это смесь оксида азота (NO) и диоксида азота (NO2). Для этого мы используем хемилюминесцентный детектор (CLD). CLD работает, реагируя NO с озоном, что создает слабое свечение (хемилюминесценция, понимаете?), пропорциональное количеству присутствующего NO. Самое интересное то, что вы можете настроить его для измерения общего количества NOx или отделения NO2, если вам нужно — некоторые автомобили имеют системы селективного каталитического восстановления (SCR), которые нацелены конкретно на NO2, поэтому разделение является ключевым моментом. Для HC мы используем пламенно-ионизационный детектор (ПИД). Думайте об этом как о сжигании образца газа в небольшом водородном пламени — каждая молекула углеводорода сгорает, и пламя производит заряженные частицы, которые мы подсчитываем и которые говорят нам, сколько в нем содержится углеводородов. Это важно, поскольку несгоревшие углеводороды составляют большую часть смога.
В наши дни во многие системы также добавляются анализаторы твердых частиц (PM), которые измеряют мельчайшие твердые частицы, которые другие методы не пропускают. Раньше вы использовали фильтр для сбора твердых частиц, взвешивания и все — медленно, дает вам число только после того, как вы закончите тестирование. Более новые системы используют рассеяние лазерного света для подсчета отдельных частиц твердых частиц в режиме реального времени, поэтому вы можете видеть, как меняются частицы твердых частиц по мере увеличения или замедления двигателя. Это меняет правила игры для инженерных команд, которым необходимо быстро устранять проблемы с проектированием.
Почему же это так важно для автомобилестроения? Давайте сначала поговорим о правилах. Агентство по охране окружающей среды в США, Евро 6d в ЕС и еще более строгие правила, действующие в Китае, — все они требуют от производителей проверять выхлоп каждого нового автомобиля, чтобы убедиться, что он не превышает допустимые нормы. Плохая система газового анализа означает, что автомобиль не прошел проверку, что задерживает производство и обходится в миллионы. Я видел, как прототип автомобиля клиента трижды отправляли обратно, потому что его старая система не могла достаточно точно измерить низкий уровень NOx, и они почти пропустили нормативный срок. Вот почему мы проектируем наши системы с возможностью регулярной калибровки со встроенными проверками, позволяющими убедиться в точности показаний — больше никакой ручной калибровки, которая занимает часы и оставляет место для человеческой ошибки.
Однако дело не только в правилах. Разработчики двигателей используют эти системы, чтобы сделать автомобили лучше. Если новый гибридный двигатель при запуске выделяет больше CO, чем ожидалось, команда может сразу отрегулировать момент впрыска топлива, не дожидаясь лабораторных испытаний неделю спустя. В прошлом году я работал с небольшим стартапом по производству электромобилей (да, даже у электромобилей есть выхлопы из резервных обогревателей), который использовал нашу систему, чтобы настроить сгорание своего обогревателя, чтобы сократить выбросы CO на 15% без потери тепловой мощности. Вот какое реальное влияние оказывают эти системы, помимо простой установки правил.
Подождите, но системы газоанализа не работают в вакууме, верно? Чтобы получить полную картину, инженеры часто сочетают их с другими инструментами тестирования, которые измеряют воспламеняемость и характеристики материалов — поскольку выхлопные системы работают при сверхвысоких температурах, материалы, из которых они изготовлены, должны быть безопасными. Вот почему мы также поставляем дополнительные инструменты, такие как автоматический анализатор температуры вспышки TAG в закрытом тигле для проверки воспламеняемости топлива и смазочных материалов, тестер воспламеняемости автомобильных жгутов проводов, чтобы убедиться, что проводка под капотом не загорится в случае утечки, и даже тестер температуры вспышки в закрытом тигле Пенски-Мартенса для стандартных измерений температуры вспышки, которым доверяют регулирующие органы. Для команд, работающих над компонентами, работающими в экстремальных условиях, у нас также есть такие инструменты, как тестер огнепроницаемости для самолетов и тестер вертикальной воспламеняемости с клейкой лентой, но они больше предназначены для тяжелых деталей, таких как выпускные коллекторы и прокладки — вещей, которые должны выдерживать давление.
За прошедшие годы мы усовершенствовали наши системы газового анализа, сделав их более удобными для пользователя. Старые системы представляли собой большие настольные устройства, которым требовалось собственное лабораторное пространство, но теперь у нас есть портативные системы, которые помещаются в фургон и могут тестировать автомобили на дороге или на гоночной трассе. Это идеально подходит для небольших гаражей или групп тестировщиков, которые не могут перевезти целую лабораторию в удаленное место. Теперь мы также интегрируемся с облачным программным обеспечением, поэтому все тестовые данные сохраняются автоматически, и больше не нужно писать заметки на бумаге, которые теряются. Инженеры могут просматривать результаты испытаний на своем телефоне во время совещания, что значительно ускоряет принятие решений.
Но давайте будем честными: не все идеально. Есть еще проблемы. Влажность в образце выхлопных газов может искажать показания NDIR, поэтому мы добавляем осушитель, который удаляет водяной пар, не удаляя при этом нужные нам газы. Высокие температуры также могут вызвать нагрузку на датчики, поэтому мы используем материалы, которые могут выдерживать выхлопные трубы при температуре 1000°C, не разрушаясь. Самый большой из них в наши дни — это измерение двигателей с низким уровнем выбросов, таких как двигатели с сажевым фильтром или водородными топливными элементами — в них гораздо меньше CO и NOx, поэтому система должна быть достаточно чувствительной, чтобы улавливать крошечные количества, например части на миллиард. За последние два года мы модернизировали наши датчики CLD и FID, чтобы достичь этой цели, что стало большой победой для клиентов топливных элементов.
Если вы инженер, руководитель испытательной лаборатории или кто-то из производителей автомобилей, занимающийся вопросами выбросов, вы знаете, что надежный газовый анализ — это не то, на чем можно срезать углы. Плохие показания приводят не только к неудачным тестам — они приводят к тому, что автомобили становятся менее эффективными, более загрязняющими окружающую среду или даже небезопасными. Наша команда уже много лет работает с клиентами из автомобильной отрасли, настраивая эти системы в соответствии с их конкретными потребностями, независимо от того, тестируют ли они новый газовый двигатель, гибрид или топливный элемент. Если вы хотите обновить свою текущую систему или просто хотите поговорить о том, как газовый анализ может помочь в ваших проектах, не стесняйтесь обращаться к нашей команде за дополнительной информацией. Давайте вместе создавать лучшие и более чистые автомобили, начав с правильного определения показателей выхлопных газов.
Ссылки
- Выбросы выхлопных газов автомобилей: методы и правила измерения. Агентство по охране окружающей среды США, 2022 г.
- Газовый анализ для автомобильной промышленности. Международное общество автомобильных инженеров (SAE), 2021.
- Испытание автомобильных компонентов на воспламеняемость. Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA), 2020 г.
- Недисперсионная инфракрасная спектроскопия для контроля концентрации газов. Аналитическая химия, 2019, вып. 91, нет. 12, стр. 7523-7538.