Dacă v-ați așezat vreodată într-un ambuteiaj într-o zi fierbinte, întrebându-vă ce anume iese din țeava de eșapament a mașinii dvs., nu sunteți singur. Pentru inginerii auto, autoritățile de reglementare și chiar și pentru cei de la laboratoarele de testare, să-și dea seama că amestecul de evacuare este o mare problemă - pentru că nu este vorba doar de a face mașinile să funcționeze fără probleme, este de a respecta regulile de emisii și chiar de a construi motoare mai bune și mai eficiente. Aici intervine un sistem de analiză a gazelor pentru evacuarea autovehiculelor. Lucrez cu tehnologia de analiză a gazelor de peste un deceniu, mai întâi ca inginer care testează piese, acum ca parte a unei echipe care furnizează aceste sisteme, așa că am văzut direct cum trec de la o unealtă elegantă pe raftul de laborator la ceva care face mașinile reale mai bune. Haideți să o descompunem, fără supraîncărcare de jargon.
În primul rând, să clarificăm un lucru: evacuarea auto nu este doar „fumuri”. Este un amestec de gaze - monoxid de carbon (CO), dioxid de carbon (CO2), oxizi de azot (NOx), hidrocarburi (HC) și chiar mici bucăți de particule (PM) în zilele noastre. Sarcina sistemului este de a măsura fiecare dintre acestea în mod precis, consecvent și în timp real, deoarece arderea motorului se modifică la fiecare fracțiune de secundă. Dacă sistemul tău este oprit, ajungi cu mașini care fie poluează prea mult, fie nu funcționează corect, fie chiar eșuează testele de reglementare.
Deci, cum funcționează de fapt? Să parcurgem procesul ca și cum am fi stând lângă un banc de testare. Pasul unu este prelevarea probelor de evacuare. Nu poți pur și simplu să bagi o sondă în țeava de eșapament și să-i numești o zi — evacuarea este fierbinte, umed și are o grămadă de lucruri care îți pot strica măsurătorile dacă nu le faci corect. Majoritatea sistemelor noastre folosesc o linie de probă încălzită (de obicei în jur de 190°C, mult mai fierbinte decât apa clocotită) pentru a transporta evacuarea de la țeava de evacuare la analizor. De ce să-l încălzească? Pentru că, dacă evacuarea se răcește chiar și puțin, vaporii de apă se condensează, iar HC sau NOx se pot lipi de interiorul conductei, aruncând numerele. Unele sisteme au chiar și un filtru chiar la sondă pentru a capta particule mari înainte de a ajunge în părțile sensibile ale analizorului - nu doriți ca particule mici de funingine să distrugă un senzor care măsoară părți per milion de NOx.
Odată ce proba trece prin linie, este gata pentru analiză. Aici se întâmplă magia (tipul științei, nu trucurile de laborator) și diferite gaze folosesc metode diferite, deoarece toate acționează diferit. Cea mai comună metodă pe care o folosim pentru CO și CO2 este spectroscopia în infraroșu nedispersiv (NDIR). Iată cum funcționează: fiecare moleculă de gaz absoarbe lumina infraroșie la o anumită lungime de undă. Deci, dacă străluciți lumină infraroșie prin proba de gaz, mai puțină lumină iese dacă există mai mult CO, de exemplu. Analizorul măsoară picăturile, o conectează într-o formulă și vă oferă o concentrare. Este foarte precis pentru acele două gaze, ceea ce are sens deoarece CO este un produs secundar toxic al arderii incomplete, iar CO2 este principalul gaz cu efect de seră de la mașini.
Apoi există NOx, care este unul complicat deoarece este un amestec de oxid nitric (NO) și dioxid de azot (NO2). Folosim un detector de chemiluminiscență (CLD) pentru asta. CLD funcționează prin reacția NO cu ozonul, care creează o strălucire slabă (chemiluminiscență, înțelegeți?) care este proporțională cu cât de mult NO este prezent. Partea interesantă este că îl puteți ajusta pentru a măsura NOx total sau puteți separa NO2 dacă aveți nevoie - unele mașini au sisteme de reducere catalitică selectivă (SCR) care vizează în mod specific NO2, astfel încât separarea este esențială. Pentru HC, folosim un detector de ionizare cu flacără (FID). Gândiți-vă la asta ca la arderea probei de gaz într-o flacără mică de hidrogen - fiecare moleculă de hidrocarbură este arsă, iar flacăra produce particule încărcate pe care le numărăm, ceea ce ne spune cât de mult HC este acolo. Acest lucru este important deoarece HC nearse este o mare parte a smogului.
În zilele noastre, o mulțime de sisteme adaugă și un analizor de particule (PM), care măsoară particulele solide minuscule pe care celelalte metode le scapă. Pe vremuri, foloseai un filtru pentru a colecta PM, a-l cântări și asta a fost - lent, îți dă un număr doar după ce ai terminat testarea. Sistemele mai noi folosesc împrăștierea luminii laser pentru a număra particulele PM individuale în timp real, astfel încât să puteți vedea cum se modifică PM pe măsură ce motorul crește sau încetinește. Acesta este o schimbare de joc pentru echipele de inginerie care trebuie să remedieze rapid problemele PM.
Acum, de ce contează asta atât de mult pentru autovehicule? Să vorbim mai întâi de reglementări. EPA în SUA, Euro 6d în UE și regulile chiar mai stricte care vin din China — toate cer producătorilor să testeze evacuarea fiecărei mașini noi pentru a se asigura că nu depășește limitele. Un sistem prost de analiză a gazelor înseamnă că o mașină nu trece la un test, ceea ce întârzie producția și costă milioane. Am văzut că prototipul de mașină al unui client a fost trimis înapoi de trei ori, deoarece sistemul lor vechi nu putea măsura suficient de precis NOx de nivel scăzut și aproape că au ratat un termen limită de reglementare. De aceea, ne proiectăm sistemele pentru a fi calibrate în mod regulat, cu verificări încorporate pentru a ne asigura că citirile sunt corecte – nu mai este calibrarea manuală care durează ore întregi și lasă loc erorilor umane.
Totuși, nu sunt doar reglementări. Proiectanții de motoare folosesc aceste sisteme pentru a îmbunătăți mașinile. Dacă un nou motor hibrid eliberează mai mult CO decât se aștepta în timpul pornirii, echipa poate ajusta imediat momentul injecției de combustibil în loc să aștepte un test de laborator o săptămână mai târziu. Am lucrat cu o mică întreprindere de vehicule electrice anul trecut (da, chiar și vehiculele electrice au evacuare de la încălzitoarele de rezervă) care a folosit sistemul nostru pentru a ajusta arderea încălzitorului pentru a reduce CO cu 15% fără a pierde puterea de căldură. Acesta este tipul de impact real pe care îl au aceste sisteme, dincolo de doar bifarea casetelor pentru reguli.
Stai, dar sistemele de analiză a gazelor nu funcționează în vid, nu? Pentru a obține o imagine completă, inginerii le asociază adesea cu alte instrumente de testare care măsoară inflamabilitatea și performanța materialului - deoarece sistemele de evacuare funcționează la temperaturi foarte ridicate, materialele din care sunt fabricate trebuie să fie sigure. De aceea, furnizăm și instrumente complementare, cum ar fi Analizorul automat al punctului de aprindere cu cupă închisă TAG pentru testarea inflamabilității combustibilului și lubrifiantului, Testerul de inflamabilitate al cablajului auto pentru a se asigura că cablurile de sub capotă nu iau foc dacă există o scurgere și chiar Testerul Punctului de aprindere cu cupă închisă Pensky-Martens pentru măsurători standard ale punctelor de aprindere. Pentru echipele care lucrează la componente care merg în condiții extreme, avem și instrumente precum Testerul de penetrare a focului pentru aeronave și Testerul de inflamabilitate verticală cu bandă adezivă, dar acestea sunt mai mult pentru piese grele, cum ar fi colectoarele de evacuare și garniturile - lucruri care trebuie să reziste sub presiune.
De-a lungul anilor, ne-am ajustat sistemele de analiză a gazelor pentru a fi și mai ușor de utilizat. Sistemele mai vechi erau unități mari, desktop care aveau nevoie de propriul spațiu de laborator, dar acum avem unele portabile care se potrivesc într-o dubă și pot testa mașini pe șosea sau pe o pistă de curse. Este perfect pentru garaje mici sau echipe de testare care nu pot transporta un întreg laborator într-o locație îndepărtată. De asemenea, ne integrăm acum software-ul cloud, astfel încât toate datele de testare să fie salvate automat, fără a mai fi scris note pe hârtie care se pierd. Inginerii pot afișa rezultatele testelor pe telefonul lor în timpul unei întâlniri, ceea ce accelerează foarte mult luarea deciziilor.
Dar să fim realiști, nu totul este perfect. Mai sunt provocări. Umiditatea din proba de evacuare poate afecta citirile NDIR, așa că adăugăm un uscător care elimină vaporii de apă fără a elimina gazele care ne pasă. Temperaturile ridicate pot stresa și senzorii, așa că folosim materiale care pot gestiona acele linii de evacuare de 1.000°C fără a se defecta. Cel mai mare în zilele noastre este măsurarea motoarelor cu emisii scăzute, cum ar fi cele cu filtre de particule sau pile de combustibil cu hidrogen - acestea au mult mai puțin CO și NOx, așa că sistemul trebuie să fie suficient de sensibil pentru a prelua cantități mici, cum ar fi părți pe miliard. Ne-am modernizat senzorii CLD și FID în ultimii doi ani pentru a atinge acest lucru, ceea ce a fost un mare câștig pentru clienții cu celule de combustibil.
Dacă sunteți inginer, manager de laborator de testare sau cineva de la un producător de mașini care se ocupă de emisii, știți că analiza fiabilă a gazelor nu este ceva la care puteți tăia colțuri. O citire proastă nu duce doar la teste eșuate, ci duce la mașini mai puțin eficiente, mai poluante sau chiar nesigure. Echipa noastră lucrează de ani de zile cu clienții auto, perfecționând aceste sisteme pentru a satisface nevoile lor specifice, fie că testează un nou motor pe gaz, hibrid sau celulă de combustibil. Dacă doriți să vă actualizați sistemul actual sau doriți doar să discutați despre modul în care analiza gazelor vă poate ajuta proiectele, nu ezitați să contactați echipa noastră pentru mai multe informații. Să construim împreună mașini mai bune și mai curate, începând cu obținerea corectă a numerelor de evacuare.
Referințe
- Emisiile de evacuare a automobilelor: metode și reglementări de măsurare. Agenția SUA pentru Protecția Mediului, 2022.
- Analiza gazelor pentru aplicații auto. Society of Automotive Engineers (SAE) International, 2021.
- Testare de inflamabilitate pentru componentele auto. Asociația Națională pentru Protecția împotriva Incendiilor (NFPA), 2020.
- Spectroscopie în infraroșu nedispersiv pentru monitorizarea concentrației de gaz. Chimie analitică, 2019, voi. 91, nr. 12, p. 7523-7538.