ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛЛОИДОВ И ЗОЛЕЙ, ИХ МАССОВОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ В ПОЛНОМ ПОТОКЕ ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ В ПРЕДЕЛАХ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ДВС) Российский патент 2012 года по МПК G01N21/85 

Экстремальные природно-климатические условия первого десятилетия XXI века, которые чувствует на себе почти все человечество планеты, свидетельствуют, что предупреждения ученых подтверждаются. Особенно эти предупреждения касаются загрязнения атмосферы и возникновения парникового эффекта, что на 75-80% зависит от выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

При сжигании топлива в цилиндрах ДВС создаются: нетоксичные вещества - вода Н₂О и углекислый газ СО₂; токсичные соединения - окись углерода СО, углеводороды СН, окиси азота NO_Х, а также канцерогенные частицы - сажа, бенз(а)пирен, альдегиды и др. Только ядовитых соединений СН насчитывается больше 200 ед., в то же время общее количество контролируемых соединений в выхлопных газах (ВГ) ДВС, которые выбрасываются в атмосферную среду, вместе не превышает 13,5% [1]. При этом нормативами Евросоюза (Евро-6) предусмотрено содержание СО в выбросах ДВС с 2010 г. не больше 1,5 г/кВт/час, то есть за время действия правил ЕЭК ООН №49 (с поправками) за период с 1990 по 2010 г. «чистота выбросов» ВГ ДВС увеличилась почти в 10 раз - норматив СО Евро-О - 11,2; норматив СО Евро-6 - 1,5 г/кВт/час. Однако уменьшение в выбросах токсичного СО не снизило влияния ВГ ДВС как весомого фактора повышения общей заболеваемости и смертности населения.

В последние годы наиболее всего вредными, относительно заболеваемости людей, компонентами ВГ ДВС считают видимые (сажа) и невидимые частицы, которые образуются в цилиндрах ДВС при сгорании топлива, масел и износа деталей, которые по своим размерам такие малые, что беспрепятственно проникают во все органы и системы людей, не задерживаясь в легких и носовой полости [2].

Согласно Правил №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. Техникой 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_Х, - газоанализаторы хемилюменисцентного 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» [3].

Химико-физический состав газов имеет очень условное понимание, особенно ВГ ДВС, которые являют собой микродисперсную смесь в азоте воздуха (до 80%) коллоидных частиц топлива, масел и золевых частиц, их крекинга и износа металлических деталей. Принадлежность смесей веществ в жидкостях и газах к коллоидным и золевым системям определяется только возможностью возникновения в них явления Фарадея-Тиндаля: при прохождении через такую смесь луч света создает конус [4].

Если освещать эти частицы светом с разной длиной (частотой) волн, наименьшими частицами будут рассеиваться лучи с самыми короткими волнами - ультрафиолетового спектра. Истоки ВГ из выхлопных труб автомобилей при дневном освещении имеют голубоватый цвет, который свидетельствует о принадлежности этой смеси газов и частиц к физико-химическим системам коллоидов и золей.

Токсичные частицы ВГ таких систем способны проникать во все органы и ткани человека не только через систему дыхания, но и через кожу, которая не в состоянии их задерживать ввиду маленького размера, и это является очень весомым фактором отравления всего организма [2].

Анализ их количества, согласно Правилам №49, нуждается в тщательном контроле, особенно при проведении сертификации автомобилей на «зеленый» и «зеленый и безопасный». Суммарное количество токсичных веществ в ВГ согласно нормативов Евро-6 (с 2010 г.) не должно превышать 3,92 г/кВт/час, или 0,5% от всей массы токсинов в ВГ. Сертификационные испытания ДВС должны выполняться по 13 динамическим режимам путем отбора небольшого количества (пробы) ВГ при каждом режиме работы.

Эталонные полнопоточные системы анализа содержат громоздкие, очень дорогие и энергоемкие элементы, например система CVS для определения лишь компонентов СО, СН, NO_Х, СО₂ с мощностью полного потока ВГ в 90 м³/мин и полнопоточным туннелем для отбора проб частиц фильтрами-уловителями, на мировом рынке превышает 800 тыс. евро. Имеющиеся в РФ частичнопоточные системы с туннелем для определения содержания частиц в выбросах ВГ с производительностью до 30 м³/мин и с ограниченной функцией определения эмиссии других газообразных загрязняющих элементов на мировом рынке стоят 300 тыс. евро без стоимости растамаживания и других налогов [2, с.22-23].

Техническая сложность и высокая стоимость технологического оборудования для контроля токсичности выбросов самого распространенного творения человека - автомобилей, при недостаточной его эффективности, поскольку определяются только четыре из двух-трех сотен компонентов, которые вмещают ВГ, на наш взгляд, 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.

Технический прогресс нуждается в развитии проблем анализа веществ не только как повышение точности измерений, но и всестороннего расширения номенклатуры компонентов, которые применяются. Решение этого направления нуждается не только в высоком качестве приборов и технологий выполнения, а в создании точной аттестации веществ-эталонов с известным химическим составом и физико-химическими свойствами [5].

Это позволит создать ряд универсальных приборов, специализированных для выполнения анализов жидкостей и газов с содержанием коллоидов и золей, учитывая их лиофильные, лиофобные и другие потенциалоопределяющие свойства. В качестве прототипа изобретения принят Патент РФ №2336519 от 09.01.2007 г. «Прибор для анализа коллоидных жидкостей и золей». Функциональным узлам прототипа и технологии использования свойственен ряд недостатков:

- прибор является специализированным для выполнения анализов жидкостей с содержанием коллоидов и золей, а не их смесей в газовой среде;

- емкости для проб жидкостей (поз.26) не герметизированы от атмосферы, что делает невозможным выполнение анализов газовых смесей этим прибором;

- расположение конструктивных элементов - световодов 33, их кронштейнов крепления 14,37 и емкостей 26 - предусматривает выполнение анализов жидкостей только в их статическом состоянии, ориентированного вдоль поля земного притяжения;

- оптические элементы 20, 22, создающие конусы Фарадея-Тиндаля внутри эталонной и анализируемых жидкостей, не изолированные от контакта с ними, что приведет к их загрязнению и ухудшению точности измерений.

Технологической основой изобретения является определение принадлежности физико-химического состояния среды, которая анализируется, к настоящим жидкостям, газам, эмульсиям или суспензиям. Из предыдущих определений известно, что ВГ ДВС являют собой смесь продуктов сгорания - крекинга разнообразных нефтепродуктов - топлив и масел, а также металлических продуктов износа деталей ДВС.

Эти частицы имеют такие размеры, что они зависают в азоте воздуха, который является рабочим телом ДВС, после его отрабатывания выбрасываются и находятся в состоянии аэрозолей в атмосфере как угодно долго, переносятся с ее течением, создавая системы разных конструкций: смог, туман и др.

Такие системы относятся к коллоидам - если это частицы жидкостей, и золей - если твердого вещества.

Одной из особенностей систем, частицы которых невидимы, есть взаимодействие их с дневным светом. Установлено, что лучи разного цвета - разной длины волны, в прозрачном воздухе невидимые, а в воздухе с частицами рассеваются по-разному: большие остаются невидимыми, так как длина волн красного спектра такова, что позволяет их огибать, а волны фиолетового и синего цвета коротки и огибать малые, соотносительные длине волны частицы не в состоянии, потому они рассеиваются и становятся видимыми в синих и голубых цветах. Именно такой цвет при дневном свете имеют ВГ ДВС, что вытекают из выхлопных труб автомобилей.

Линейные размеры волн ультрафиолетового спектра находятся в пределах 180-350 Нм (нано - 10^-9). В 1970 г. физиками было обговорено, что работа с частицами вещества в пределах такого размера составляет собой основу нанотехнологий [6, с.911-915].

Следовательно, определение меры загрязнения окружающей среды и токсичности компонентов ВГ ДВС нуждается в инструментарии и процессах анализа на уровне нанотехнологий.

Современные научные труды в сфере нанотехнологий в основном касаются вопросов создания новых материалов, нанофармакологии, нанороботов, лечебных нанокластеров и др. Относительно нанотоксикологии, то таких трудов насчитываются единицы [6]. Более того, имеющийся исследовательско-контрольный инструментарий для определения наночастиц в ВГ ДВС на сегодня ограничен «приборами» из бумажных или тканевых фильтров и коромысловыми весами для их взвешивания до и после выполнения сертификационных «испытаний-анализов».

Целью изобретения является создание прибора на уровне соответствия его метрологических возможностей физико-химическому составу, исследуемой газовой среды с содержанием коллоидов и золей на основе явления Фарадея-Тиндаля и открытых ими взаимодействий световых волн разных спектров.

Сущность изобретения достигается тем, что метрологическая база перед каждым измерением создается в измерительных каналах объемами световых конусов Фарадея-Тиндаля, из одинаковых по длине волн, в пределах ультрафиолетового и инфракрасного спектров с одинаковой их светимостью в потоке эталонного газа (например, профильтрованного через противогазовые элементы воздуха), который пропускают по обоим каналам. При этом потенциометром измерительного прибора с О посередине устанавливают его указывающую стрелку на О, то есть выполняют сверку за эталоном качества профильтрованного воздуха в обоих каналах (аналогично, как перед измерением линейных размеров штангенциркулем, сдвигают его губки и сверяют совпадение черточек градуирования шкалы со шкалой нониуса инструмента). Потом действием на трехходовой пневмокран в левом канале оставляют поток фильтруемого воздуха, а в правый впускают полный поток ВГ ДВС соответствующей литровой мощности и фиксируют меру отклонения указывающей стрелки прибора от О положения на каждом из 13 режимов работы ДВС (установленных Правилами №49) и сверяют с допустимыми величинами отклонения, руководствуясь нормативами и таблицей предыдущего тарирования прибора по определению номенклатуры и массовой части загрязняющих и токсичных элементов, которые содержат в себе ВГ ЛВС.

Общий вид прибора приведен на чертежах, а составных элементов - в их перечне, то есть:

Рис.1 - главный вид прибора;

Рис.2 - вид спереди (вид по А);

Рис.3 - вид сзади (вид по Б);

Рис.4 - вид сверху (вид по С).

В том числе детали и узлы:

1. Горизонтальная панель крепления узлов и деталей.

2. Пневмопроводы к индикатору динамического давления в потоке.

3. Канал правый.

4. Патрубок задний правого канала.

5. Регулируемое пневмосопротивление правого канала.

6. Пневмомотор (всасывающий).

7. Шланг всасывания ВГ ДВС.

8. Подвижной уплотнитель шлангу всасывания.

9. Упругий фиксатор наконечника шланга к трубе глушителя.

10. Левый и правый каналы прибора.

11. Шланг отведения ВГ к вытяжной вентиляции помещения.

12. Входной и выходной патрубки каналов.

13. Прозрачная перегородка герметизации фотооптического блока канала.

14. Окуляры световодов.

15. Блоки фотоприемников.

16. Фиксаторы положения пневмосопротивлений по литровой мощности ДВС.

17. Генератор света с блоком тарированных светофильтров.

18. Пневмопроводы индикаторов скорости потоков в каналах.

19. Металлический флянец крепления телескопической опоры к горизонтальной панели.

20. Телескопическая опора.

21. Фиксатор шланга всасывания ВГ.

22. Сменный элемент воздушного фильтра в сборе.

23. Трехходовой пневмокран с L-подобной пробкой.

24. Бифуркационный световод с окулярами.

25. Передняя вертикальная панель прибора.

26. Включатели и потенциометры электроприборов.

27. Спидометр скорости движения на роликовом или барабанном стендах.

28. Индикатор скорости потока газов в каналах, м/сек.

29. Передняя крышка правого канала.

30. Правый световод с наконечником и окуляром.

31. Индикатор динамического давления потока газа в каналах, мм/Н₂О.

32. Блок воздушных фильтров.

33. Сменные элементы блока воздушных фильтров.

34. Датчики индикаторов динамического давления в каналах.

35. Задние герметизирующие крышки каналов.

36. Датчики индикаторов скорости потоков газов в каналах.

37. Заслонки пневмосопротивлений.

38. Распределительная гребенка всасывания ВГ.

39. Колесики телескопической опоры.

40. Левый световод с наконечником и окуляром.

41. Передняя крышка левого канала.

42. Счетчик оборотов ДВС, об/мин; (тахометр).

43. Электроизмерительные приборы, µкА.

Работа прибора целесообразна в закрытых технологических помещениях для контроля автомобилей с наличием системы стационарной приточно-вытяжной вентиляции и специально обученным техническим персоналом.

Оператор по техническому паспорту определяет литровую мощность двигателя автомобиля, который контролируется, и устанавливает фиксаторы 16 в соответствующее положение интервалов 0-1-2-3-4 л (для типа прибора соответствующей мощности), а трехходовой пневмокран 23 - в положение соединения обоих каналов 10 с блоком воздушных фильтров 32, после чего включает пневмомотор 6 и предусмотренными средствами регуляции режимов испытания фиксирует показатели спидометра 27, или тахометра 42, предварительно подсоединенных к электроконтактам аналогичных приборов автомобиля, который испытывается, выставляет показатели пневмоиндикаторов приборов 28, 31 и электроиндикаторов 43 потенциометрами 26 на 0 показатели при пропускании через измерительные каналы эталонного газа - фильтруемого воздуха, после чего устанавливает трехходовой пневмокран 23 в положение соединения правого канала с шлангом 7, который еще не соединен с выпускной трубой глушителя автомобиля. Уточнениями положения заслонок пневмосопротивлений 37 с закреплением их фиксаторами 16 повторно выставляет показатели всех индикаторов на 0, чем выполняет коррекцию показателей прибора по текущим параметрам давления окружающей атмосферы в момент испытания. Потом упругий фиксатор наконечника шланга 9 оператор вставляет в выпускную трубу глушителя и на место соединения надвигает уплотнитель шланга 8 для предупреждения подсоса к ВГ воздуха из окружающей атмосферной среды, фиксирует показатели для всех 13 режимов испытания ДВС и по тарировочной таблице делает вывод о мере их соответствия нормативам Правил №49, поочередно изменяя светимость метрологической базы - конусов Фарадея-Тиндаля путем вкручивания - выкручивания окуляров световодов 14, что изменяет фокусное расстояние F, то есть высоту конусов и другие зависимые от этого параметры: площадь образующей и площадь основы S₀-S₁, а сменой тарированных светофильтров генератора света 17 оператор идентифицирует наличие токсичных элементов согласно перечня Правил №49, а при необходимости - и других соединений в ВГ, или произвольной другой смеси газов.

Тарирование прибора выполняется по стандартной методике хроматографии для газообразных смесей в установленные периоды при технических обслуживаниях прибора.

Приложение: описание патента-прототипа по РФ №2336519.

Литература

1. Гутаревич Ю.Ф. и др. «Снижение токсичности выбросов при эксплуатации автомобилей». К.: «Техника», 1981, с.5-10.

2. Редзюк A.M. и др. «Создание современного аналитического оборудования для определения массовых выбросов частиц двигателями». - «Автодорожник Украины», №2/2010, с.21-25.

3. Болбас М.М. и др. «Транспорт и окружающая среда», Минск, 2004.

4. Липатников В.Е., Казаков К.М. «Физическая и коллоидная химия». М.: «Высшая школа», 1975, с.126-130.

5. Попов A.M. «Техника анализа состава вещества». М.: «Знание», 1974.

6. Национальная академия наук Украины. Сборник научных трудов, т. 6, вып. 3 «Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии», РВВ ИМФ, Киев, 2008.

Изобретение относится к контрольно-измерительной техники и предназначено для контроля токсичности выбросов автомобилей. Изобретение направлено на упрощение конструкции и габаритов прибора, снижение его энергоемкости и стоимости, что обеспечивается за счет того, что в приборе согласно изобретению емкости эталонного и отработанных газов выполнены с одинаковыми непрозрачными каналами, зачерненными изнутри и герметизированными от окружающей среды, передние крышки каналов по центру снабжены резьбовыми втулками для ввинчивания окуляров, вставления наконечников световодов и кронштейнов их крепления, по внутренней поверхности передних крышек расположены блоки фотоприемников. За границей фокуса линз окуляров поперек каналов смонтированы прозрачные перегородки герметизации фотооптических узлов от газовых сред, которые вводят снизу каналов через патрубки, а также гофрированные шланги, пневмокраны, блок воздушных фильтров и зонд-приемник отработанных газов с упругим фиксатором в отверстии выхлопной трубы автомобиля. Позади каналы также герметизированы крышками, снизу имеют патрубки, гофрированные шланги, распределительную гребенку, регулируемые многопозиционные пневмосопротивления, пневмопроводы, управляющие рычаги и тяги регулирования пневмосопротивлений, приборы измерения динамического давления в каналах и скоростей газовых потоков. При этом все узлы и детали изобретения смонтированы на горизонтальной плите и передней вертикальной панели с телескопической подставкой-опорой на колесиках. 4 ил.

Прибор для определения коллоидов и золей, их массовой составляющей в полном потоке отработанных газов в пределах динамического диапазона ДВС, который имеет генератор света, конденсор, тарированные светофильтры, бифуркационный (раздвоенный) световод с окулярами, емкости для среды, фотоприемники, регистрирующие электроприборы, отличающийся тем, что емкости эталонного и отработанных газов выполнены одинаковыми непрозрачными каналами, зачерненными изнутри и герметизированными от окружающей среды, передние крышки каналов по центру снаряжены резьбовыми втулками ввинчивания окуляров, вставления наконечников световодов и кронштейнов их крепления, по внутренней поверхности передних крышек расположены блоки фотоприемников, за границей фокуса линз окуляров поперек каналов смонтированы прозрачные перегородки герметизации фотооптических узлов от газовых сред, которые вводят снизу каналов через патрубки, гофрированные шланги, пневмокраны, блок воздушных фильтров и зонд-приемник отработанных газов с упругим фиксатором в отверстии выхлопной трубы автомобиля, позади каналы также герметизированы крышками, снизу имеют патрубки, гофрированные шланги, распределительную гребенку, регулируемые многопозиционные пневмосопротивления, пневмопроводы, управляющие рычаги и тяги регулирования пневмосопротивлений, приборы измерения динамического давления в каналах и скоростей газовых потоков, все узлы и детали изобретения смонтированы на горизонтальной плите и передней вертикальной панели с телескопической подставкой-опорой на колесиках.