Прилад для визначення колоїдів і золів, їх масової складової у повному потоці відпрацьованих газів в межах динамічного діапазону двигунів внутрішнього згорання

Реферат: Винахід належить до приладів для визначення колоїдів і золів в потоці відпрацьованих газів ДВЗ. Прилад для визначення колоїдів і золів, їх масової складової у повному потоці відпрацьованих газів в межах динамічного діапазону двигунів внутрішнього згорання має генератор світла, змінні таровані світлофільтри, роздвоєний світловод з окулярами, ємності, фотоприймачі, реєструючі електроприлади. Згідно з винаходом, ємності для введення еталонного та відпрацьованих газів виконані у вигляді каналів з непрозорими стінками, кришки каналів споряджені окулярами та наконечниками світловодів, по внутрішній поверхні кришок розташовано блоки фотоприймачів. В приладі передбачені патрубки, гофровані шланги, триходовий пневмокран, блок повітряних фільтрів та шланг всмоктування відпрацьованих газів для приєднання до вихлопної труби автомобіля. Канали знизу мають патрубки, гофровані шланги, розподільчу гребінку. Прилад містить регульовані багатопозиційні пневмоопори з фіксаторами, пневмопроводи, прилади вимірювання динамічного тиску в каналах та швидкостей газових потоків. Винахід забезпечує ефективний аналіз фізико-хімічного складу відпрацьованих газів з вмістом колоїдів і золів. UA 98223 C2 (12) UA 98223 C2 UA 98223 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Екстремальні природно-кліматичні умови першого десятиліття ХХІ-го століття, які відчуває на собі майже все людство планети свідчать, що попередження вчених ґрунтовно стверджуються. Особливо ці попередження стосуються забруднення атмосфери, наслідком чого є виникнення парникового ефекту, що на 75-80 % спричиняється викидами двигунів внутрішнього згорання (ДВЗ). При спалюванні палива в циліндрах ДВЗ створюються нетоксичні речовини: вода Н 2О та вуглецевий газ CO2 і токсичні сполуки - окис вуглецю CO, вуглеводні СН, окиси азоту NO X, а також канцерогенні частинки - сажа, бенз(а)пірен, альдегіди та ін. Тільки отруйних сполук СН налічується більше 200 од., в той же час загальна кількість контрольованих сполук у відпрацьованих газах (ВГ) ДВЗ, що викидаються в атмосферне середовище, разом не перевищує 13,5 % [І]. При цьому нормативами Євросоюзу (Євро-6) передбачено вміст СО у викидах ДВЗ з 2010 р. не більше 1,5 г/кВт/год., тобто за час дії правил ЄЕК ООН № 49 (з поправками) за період з 1990 по 2010 р. «чистота викидів» ВГ ДВЗ збільшилась майже в 10 разів - норматив СО Євро - О - 11,2; норматив СО Євро-6 - 1,5 г/кВт/год. Однак зменшення у викидах токсичного СО не знизило впливу ВГ ДВЗ як вагомого фактора підвищення загальної захворюваності та смертності населення. В останні роки найбільше шкідливими, відносно захворюваності людей, компонентами ВГ ДВЗ вважають видимі (сажа) та невидимі частинки, що утворюються в циліндрах ДВЗ при згоранні палива, мастил і зносу деталей, які по своїх розмірах такі малі, що безперешкодно проникають у всі органи та системи людей, не затримуючись в легенях та носовій порожнині [2]. Згідно з Правилами № 49 введено нормування викидів вуглецевих сполук, виникаючих внаслідок крекінгу палива та мастил при такті згорання в циліндрах ДВЗ. Встановлено, що на цих сполуках адсорбуються важкі ароматичні вуглеводні та канцерогенні бенз(а)пірени. Правила передбачають оцінку кількості видимих (сажа) і невидимих візуально частинок викидів. Технікою контролю токсичності ВГ ДВЗ для аналізу СО використовуються газоаналізатори недисперсного типу з поглинанням інфрачервоної частини спектра, вуглеводнів СН газоаналізатори полум'яно-іонізаційного типу, окисів азоту NO X - газоаналізатори хемілюмінесцентного типу, а для визначення видимих (сажа) і невидимих частинок застосовується примітивний процес фільтрації проби ВГ через паперові або тканинні фільтри, що зважуються на коромислових вагах до та після проведення такого «аналізу» [3]. Хіміко-фізичний склад газів має дуже умовне розуміння, особливо ВГ ДВЗ, які являють собою мікродисперсну суміш в азоті повітря (до 80 %) колоїдних частинок палива, мастил і золевих частинок їх крекінгу та зносу металевих деталей. Належність сумішей речовин в рідинах і газах до колоїдних та золевих систем визначається тільки можливістю виникнення в них явища Фарадея-Тіндаля - при проходженні через таку суміш променя світла створюється конус [4]. Якщо освітлювати ці частинки світлом з різною довжиною (частотою) хвиль, найменшими частинками будуть розсіюватись промені з самими короткими хвилями - ультрафіолетового спектра. Витоки ВГ з вихлопних труб автомобілів при денному освітлені мають голубуватий колір, що свідчить про приналежність цієї суміші газів та частинок до фізико-хімічних систем колоїдів та золів. Токсичні частинки ВГ таких систем здатні проникати в усі органи і тканини людини не тільки через систему дихання, а і через шкіру, що не в змозі їх затримувати через маленький розмір і це є дуже вагомим фактором отруювання всього організму [2]. Аналіз їх кількості, згідно з Правилами № 49, потребує прискіпливого контролю, особливо при проведенні сертифікації автомобілів на «зелений» та «зелений і безпечний». Сумарна кількість токсичних речовин у ВГ згідно з нормативами Євро-6 (2010 р.) не повинна перевищувати 3,92 г/кВт/год., або 0,5 % від всієї маси токсинів у ВГ. Сертифікаційні випробування ДВЗ мають виконуватися по 13 динамічних режимах шляхом відбору невеликої кількості ( проби) ВГ при кожному режимі роботи. Еталонні повнопотокові системи аналізу містять громіздкі, дуже дорогі та енергоємні елементи, наприклад система CVS для визначення лише компонентів СО, СН, NO X, CO2, з 3 потужністю повного потоку ВГ в 90 м /хв. та повнопотоковим тунелем для відбору проб частинок фільтрами-уловлювачами, на світовому ринку перевищує 800 тис. євро. Єдина в Україні частково потокова система з тунелем для визначення вмісту частинок у викидах ВГ з 3 продуктивністю до 30 м /хв. та з обмеженою функцією визначення емісії інших газоподібних забруднюючих елементів, на світовому ринку коштує 300 тис. євро без вартості розмитнення і інших податків [2, с 22-23]. Технічна складність і висока вартість технологічного обладнання для контролю токсичності викидів найпоширенішого творіння людини - автомобілів, при недостатній його ефективності, 1 UA 98223 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 оскільки визначаються тільки чотири із двох-трьох сотень компонентів, що вміщують ВГ, на наш погляд, є наслідком метрологічної несумісності величин, що вимірюються і застосування аналітичної апаратури та технологій, призначених для аналізів справжніх газів та рідин, а не складного фізико-хімічного середовища з вмістом колоїдних та золевих часток різних речовин, яким є ВГ ДВЗ. Технічний прогрес потребує розвитку проблем аналізу речовин не тільки як підвищення точності вимірів, а й всебічного розвинення номенклатури компонентів, що застосовуються. Вирішення цього напряму потребує не тільки високої якості приладів та технологій виконання, а створення точної атестації речовин-еталонів з відомим хімічним складом та фізико-хімічними властивостями[5]. Це дозволить створити ряд універсальних приладів, спеціалізованих для виконання аналізів рідин та газів з вмістом колоїдів і золів, враховуючи їх ліофільні, ліофобні та інші потенціаловизначальні властивості. Як прототип винаходу прийнято Патент УА №83436 від 10.07.2008 р. «Прилад для аналізу колоїдів та золів». Функціональним вузлам прототипу та технології використання властивими є ряд недоліків: - прилад є спеціалізованим для виконання аналізів рідин з вмістом колоїдів та золів, а не їх сумішей в газовому середовищі; - ємності для проб рідин (поз.26) не герметизовані від атмосфери, що унеможливлює виконання аналізів газових сумішей цим приладом; - взаєморозміщення конструктивних елементів - світловодів 33, їх кронштейнів кріплення 14,37 та ємностей 26 передбачає виконання аналізів рідин тільки в їх статичному стані, орієнтованого вздовж поля земного тяжіння; - оптичні елементи 20, 22, що створюють конуси Фарадея-Тіндаля всередині еталонної та аналізованих рідин, не ізольовані від контакту з ними, що призведе до їх забруднення та погіршення точності вимірів. Технологічною задачею винаходу є визначення приналежності фізико-хімічного стану середовища, що аналізується, до справжніх рідин, газів чи емульсій або суспензій. З попередніх визначень відомо, що ВГ ДВЗ являють собою суміш продуктів згорання - крекінгу різноманітних нафтопродуктів - палив та мастил, а також металевих продуктів зношення деталей двигунів внутрішнього згорання (ДВЗ). Ці частинки мають такі розміри, що вони зависають в азоті повітря, яке є робочим тілом ДВЗ, що після його відпрацьовування викидаються і знаходяться в стані аерозолів в атмосфері як завгодно довго, переносяться з її плином, створюючи системи різних конструкцій: смог, туман та ін. Такі системи належать до колоїдів - якщо це частинки рідин, та золів - якщо твердої речовини. Одною з особливостей систем, частки яких невидимі, є взаємодія їх з денним світлом. Встановлено, що промені різного кольору - різної довжини хвилі, у прозорому повітрі невидимі, а у повітрі з частинками розсіюються по-різному: більші залишаються невидимими, так як довжина хвиль червоного спектра така, що дозволяє їх огинати, а хвилі фіолетового та синього кольору короткі і огинати малі, співвідносні довжині хвилі, частинки не в змозі, тому вони розсіюються і стають видимими в синіх та голубих кольорах. Саме такий колір при денному світлі мають ВГ ДВЗ, що витікають з викидних труб автомобілів. Лінійні розміри хвиль ультрафіолетового спектра знаходяться в межах 180-350 Нм (нано-10 9 ). В 1970 році фізиками було домовлено, що робота з частинками речовини в межах такого розміру складає собою основу нанотехнологій [6, с 911-915]. Отже, визначення міри забруднення довкілля і токсичності компонентів ВГ ДВЗ потребує інструментарію і процесів аналізу на рівні нанотехнологій. Сучасні наукові праці в сфері нанотехнологій, в основному, стосуються питань створення нових матеріалів, нанофармакологій, нанороботів, лікувальних нанокластерів та ін. Щодо нанотоксикології, то таких праць налічуються одиниці [6]. Більше того, наявний дослідницькоконтрольний інструментарій з визначення наночастинок у ВГ ДВЗ на сьогодні обмежений «приладами» з паперових або тканинних фільтрів та коромисловими вагами для їх зважування до та після виконання сертифікаційних «випробувань-аналізів». Задачею винаходу є створення приладу на рівні відповідності його метрологічних можливостей фізико-хімічному складу досліджуваного газового середовища з вмістом колоїдів та золів на основі явища Фарадея-Тіндаля та відкритих ними взаємодій світлових хвиль різних спектрів. Суть винаходу досягається тим, що метрологічна база перед кожним виміром створюється у вимірювальних каналах об'ємами світлових конусів Фарадея-Тіндаля, однакових по довжині 2 UA 98223 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 хвиль в межах ультрафіолетового та інфрачервоного спектрів з однаковою їх світимістю у потоці еталонного газу (наприклад, профільтрованого через протигазні елементи повітря), який пропускають по обох каналах. При цьому потенціометром вимірювального приладу з О посередині, встановлюють його показуючу стрілку на О, тобто виконують звіряння за еталоном якості профільтрованого повітря в обох каналах (аналогічно, як перед вимірюванням лінійних розмірів штангенциркулем, зсовують його губки та звіряють співпадіння рисок градуювання шкали з шкалою ноніуса інструменту). Потім дією на триходовий пневмокран в лівому каналі лишають потік фільтрованого повітря, а в правий впускають повний потік ВГ ДВЗ відповідної літрової потужності і фіксують міру відхилення показуючої стрілки приладу від О положення на кожному з 13 режимів роботи ДВЗ (встановлених Правилами № 49) та звіряють з допустимими величинами відхилення, керуючись нормативами та таблицею попереднього тарування приладу по визначенню номенклатури та масової частки забруднюючих і токсичних елементів, що містять у собі ВГ ДВЗ. Загальний вигляд приладу приведено на кресленнях, а складових елементів у їх переліку, тобто: Фіг. 1 - головний вид приладу; Фіг. 2 - вид спереду (вид по А); Фіг. 3 - вид ззаду (вид по Б); Фіг. 4 - вид зверху (вид по С). В тому числі деталі та вузли: 1. Горизонтальна панель кріплення вузлів та деталей. 2. Пневмопроводи до індикатора динамічного тиску в потоці. 3. Ізооптичний канал правий. 4. Патрубок задній правого каналу. 5. Регульований пневмоопір правого каналу. 6. Пневмовсмоктувач. 7. Шланг всмоктування ВГ ДВЗ. 8. Рухомий ущільнювач шланга всмоктування. 9. Пружний фіксатор наконечника шланга до труби глушника. 10. Лівий та правий ізооптичний канали приладу. 11. Шланг відведення ВГ до витяжної вентиляції приміщення. 12. Вхідний та вихідний патрубки каналів. 13. Прозора перегородка герметизації фотооптичного блока каналу. 14. Окуляри світловодів. 15. Блоки фотоприймачів. 16. Фіксатори положення пневмоопорів по літровій потужності ДВЗ. 17. Генератор світла з блоком тарованих світлофільтрів. 18. Пневмопроводи індикаторів швидкості потоків в каналах. 19. Металевий фланець кріплення телескопічної опори до горизонтальної панелі. 20. Телескопічна опора. 21. Фіксатор шланга всмоктування ВГ. 22. мінний елемент повітряного фільтра у зборі. 23. Триходовий пневмокран з L-подібним корком. 24. Біфуркаційний світловод з окулярами. 25. Передня вертикальна панель приладу. 26. Вмикачі та потенціометри ел. приладів. 27. Спідометр швидкості руху на роликовому або барабанному стендах. 28. Індикатор швидкості потоку газів в каналах, м/сек. 29. Передня кришка правого каналу. 30. Правий світловод з наконечником та окуляром. 31. Індикатор динамічного тиску потоку газу в каналах, мм/Н2О. З2. Блок повітряних фільтрів. 33. Змінні елементи блока повітряних фільтрів. 34. Давачі індикаторів динамічного тиску в каналах. З5. Задні герметизуючі кришки каналів. Зб. Давачі індикаторів швидкості потоків газів в каналах. З7. Заслінки пневмоопорів. З8. Розподільча гребінка всмоктувача ВГ. 39. Коліщата телескопічної опори. 40. Лівий світловод з наконечником та окуляром. 3 UA 98223 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 41. Передня кришка лівого каналу. 42. Лічильник обертів ДВЗ об/хв.;(тахометр). 43. Електровимірювальні прилади, кА. Робота приладу доцільна в закритих технологічних приміщеннях для контролю автомобілів з наявністю системи стаціонарної припливно-витяжної вентиляції та спеціально навченим технічним персоналом. Оператор по технічному паспорту визначає літрову потужність двигуна автомобіля, який контролюється і встановлює фіксатори 16 у відповідне положення інтервалів 0-1-2-3-4 л (для типу приладу відповідної потужності), а триходовий пневмокран 23 у положення з'єднання обох каналів 10 з блоком повітряних фільтрів 32, після чого вмикає пневмовсмоктувач 6 і передбаченими засобами регулювання режимів випробування, фіксує показники спідометра 27, або тахометра 42, попередньо під'єднаних до електроконтактів аналогічних приладів автомобіля, що випробовується, виставляє показники пневмоіндикаторів приладів 28, 31 та електроіндикаторів 43 потенціометрами 26 на 0 показники при пропусканні через вимірні канали еталонного газу - фільтрованого повітря, після чого встановлює триходовий пневмокран 23 в положення з'єднання правого каналу з шлангом пневмовсмоктувача 7, який ще не з'єднано з випускною трубою глушника автомобіля. Уточненнями положення заслінок пневмоопорів 37 з закріпленням їх фіксаторами 16, повторно виставляє показники всіх індикаторів на 0, чим виконує корегування показників приладу по біжучих параметрах тиску навколишньої атмосфери в момент випробування. Потім пружний фіксатор наконечника шланга 9 оператор вставляє до упора в випускну трубу глушника і на місце з'єднання насовує ущільнювач шланга 8 для попередження підсмоктування до ВГ повітря з навколишнього атмосферного середовища і фіксує показники для всіх 13 режимів випробування ДВЗ та по тарувальній таблиці робить висновок про міру їх відповідності нормативам Правил № 49, почергово змінюючи світимість метрологічної бази - конусів Фарадея-Тіндаля шляхом вкручування- викручування окулярів світловодів 14, що змінює фокусну віддаль F , тобто висоту конусів і інші залежні від цього параметри: площу твірної та площу основи S0-S1, а зміною тарованих світлофільтрів генератора світла 17 оператор ідентифікує наявність токсичних елементів згідно з переліком Правил № 49, а при необхідності - і інших сполук в ВГ або довільній іншій суміші газів. Тарування приладу виконується по стандартній методиці хроматографії для газоподібних сумішей в установлені періоди при технічних обслуговуваннях приладу. Джерела інформації: 1. Гутаревич Ю.Ф. и др. Снижение токсичности выбросов при эксплуатации автомобилей. К.: Техніка, 1981. - С. 5-10. 2. Редзюк A.M. та ін. Створення сучасного аналітичного обладнання для визначення масових викидів частинок двигунами. // Автошляховик України. - 2010. - № 2. - 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. Національна академія наук України. Збірник наукових праць. - Т. 6. - Вип. 3. Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. - К.: РВВ ІМФ, 2008. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 Прилад для визначення колоїдів і золів, їх масової складової у повному потоці відпрацьованих газів в межах динамічного діапазону двигунів внутрішнього згорання, що має генератор світла, змінні таровані світлофільтри, роздвоєний світловод з окулярами, ємності, фотоприймачі, реєструючі електроприлади, який відрізняється тим, що ємності для введення еталонного та відпрацьованих газів виконані у вигляді каналів з непрозорими стінками, передні кришки каналів по центру споряджені окулярами та наконечниками світловодів, по внутрішній поверхні передніх кришок розташовано блоки фотоприймачів, за межею фокусу лінз окулярів поперек каналів змонтовано прозорі перегородки для захисту фотооптичних вузлів від газових середовищ, для введення яких знизу каналів передбачені патрубки, гофровані шланги, триходовий пневмокран, блок повітряних фільтрів та шланг всмоктування відпрацьованих газів з рухомим ущільнювачем і пружним фіксатором для приєднання до вихлопної труби автомобіля, позаду канали також споряджені кришками, знизу мають патрубки, гофровані шланги, розподільчу гребінку, прилад містить регульовані багатопозиційні пневмоопори з фіксаторами, пневмопроводи, прилади вимірювання динамічного тиску в каналах та швидкостей газових потоків, всі деталі та вузли 4 UA 98223 C2 приладу змонтовано на горизонтальній плиті і передній вертикальній панелі з телескопічною підставкою-опорою на коліщатах. 5 UA 98223 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6