Разработка метрологического обеспечения процесса диагностирования инжекторных двигателей на содержание CO и CH в выхлопных газах

Принимая во внимание вышеперечисленные требования, наиболее подходящими для контроля состава  выхлопных газов дизелных двигателей внутреннего сгорания являются следующие газоанализаторы: АВТОТЕСТ, MGA 1500, EMMA 430 / 440 / 460.

Выберем из этих средств измерений наиболее оптимальное, используя метод выбора средства измерения с учетом безошибочности контроля и его стоимости.

Выбор средств измерения  с учетом безошибочности контроля и  его стоимости осуществляется как  метод оптимизации по критериям  точности (классу точности γ или абсолютной предельной погрешности Δ_СИ) средства измерения, его стоимости С_СИ и достоверности измерения. Целевая функция G, определяющая максимум достоверности (минимум вероятности Р_Н.З. = Р_I + Р_II неверного заключения) и минимум стоимости при оптимальном классе точности, имеет вид:

G = min [Д/Д₀ + С/С₀],

где Д/Д₀, С/С₀ – относительные значения достоверности измерения и стоимости средства измерения, Д = 1 – Р_н.з0 и С₀–соответственно максимальные значения достоверности измерения и стоимости средства измерения.

Или

G = min [Р_н.з/Р_н.з0 + С/С₀],

где Р_н.з/Р_н.з0, Р_н.з0 – относительная и максимальная вероятности неверного заключения.

Рассмотрим данные средства измерения и для каждого вида измерений оценим отношение μ=2Δ_изм/Т. Далее найдем Р_I и Р_II по номограмме определения Р_I и Р_II при нормальных законах распределения контролируемого параметра и погрешности измерения (Сергеев А.Г. Метрологическое обеспечение эксплуатации технических систем, с.266, рис. 4.24). Затем вычислим Р_н.з для средств измерения (таблица 3.3). Эти значения определим для максимальных (наихудших) значений кривых 2Δ_изм/Т, так как действительные значения технологического рассеяния σ_изг неизвестны. Затем охарактеризуем отношение Р_н.зi/Р_н.з0, С_i/С₀, (отдельно по каждой категории средств измерения) и построим график G=f(γ) (рисунок 3.1).

 

 

 

 

Расчетные значения вероятностных  показателей газоанализаторов

Тип средства измерения	Основная приведенная  погрешность γ	Погрешность измерения Δизм	2Δизм/Т	Вероятность неверного заключения Рн.з	Рн.з/Рн.з0	С/С0	Целевая функция G
MGA 1500	3	0,105	0,06	0,009	0,53	1,00	1,53
EMMA 430 / 440 / 460	4	0,14	0,08	0,011	0,65	0,37	1,02
АВТОТЕСТ	5	0,175	0,1	0,013	0,76	0,17	0,93

 

Допуск на CO: Т =  3,5 %

Погрешность измерения  , где γ – основная приведенная погрешность средства измерений,%; M_MAX – максимальное значение измеряемого параметра.

Рис. 3.1. Оптимизация выбора средства измерения

Из графика видно, что  оптимальное значение точности прибора  для измерения содержания оксида углерода в выхлопных газах соответствует основной приведенной погрешности 4. Таким образом, выбор останавливаем на газоанализаторе EMMA 430 / 440 / 460.

 

 

Устройство и описание прибора

Прибор состоит из системы пробоотбора  и пробоподготовки, блока измерительного (БИ) и блока электронного (БЭ).

Конструктивно газоанализатор выполнен в металлическом корпусе, предназначенном для установки на горизонтальной поверхности (столе).

Система пробоотбора и пробоподготовки  газоанализатора включает газозаборный зонд, пробоотборный шланг, бензиновый фильтр,   2-х камерный насос, клапан пневматический, каплеотбойник, 3 фильтра №1 для газоанализатора  (фильтры тонкой очистки).

Каплеотбойник  в нижней части  соединен  со штуцером СЛИВ для автоматического слива конденсата побудителем расхода.

Принцип действия датчиков объемной доли (СО, СО_2, углеводородов) - оптико-абсорбционный.

Принцип действия датчика измерения  концентрации кислорода - электрохимический.

Принцип действия датчика частоты  вращения коленчатого вала основан  на индуктивном методе определения  частоты импульсов тока в системе зажигания.

Блок измерительный содержит оптический блок, в котором имеются излучатель, измерительная кювета, 4 пироэлектрических  приемника излучения, перед которыми размещены 4 интерференционных фильтра. Излучение модулируется обтюратором.

В измерительном блоке также  размещен электрохимический датчик кислорода.

Блок электронный предназначен для измерения выходных сигналов первичных преобразователей газоанализаторов EMMA 430 / 440 / 460, обработки и представления результатов измерения.

Газоанализатор EMMA 430 / 440 / 460 содержит:

-комбинированный блок  питания от постоянного тока  напряжением (12 +2,8 - 1,2 ) В и переменного  тока напряжением (220+22/-33) В, частотой (50 ±1) Гц.,

-блок предварительного  усиления сигнала пироэлектрических  приемников;

-микропроцессорный контроллер, в  том числе выполняющий функцию  измерения частоты вращения коленчатого  вала двигателя;

-6 светодиодных индикаторов;

-клавиатуру;

-датчик температуры;

-цифровой выход для  связи с компьютером через  разъем RS 232.

Требования к компьютеру  ( не хуже):

а) Процессор 486 DХ 33

б) Оперативная память 8Мб

в) Операционная система Windows XP

г) Наличие COM-порта.

Газоанализатор через разъем RS 232 нуль-модемным кабелем соединяется с компьютером через COM-порт.

Инструкция по установке и использованию программного обеспечения находится на диске, который входит в комплект поставки. Нуль-модемный кабель (покупное изделие) также входит в комплект поставки.

Клавиатура содержит кнопки: Насос (Выход),►0◄ (Ввод), Печать ( - ), 4/2 такта ( + ), СО_кор.(Топливо).

Газоанализатор имеет  следующие режимы работы, заложенные в меню прибора:

- измерение

- настройка.

Меню выбора параметров для настройки является многоуровневым.

 

Рис. 3.2. Газоанализатор EMMA 430 / 440 / 460

 

 

4. Методика выполнения измерений

 

ГОСТ Р 52033-2003 устанавливает  методику выполнения измерений содержания оксида углерода и суммарных углеводородов в выхлопных газах инжекторных двигателей внутреннего сгорания.

ГОСТ Р 52033-2003 распространяется на находящиеся в эксплуатации автотранспортные средства с бензиновыми двигателями категорий М1, М2, М3, N1, N2, N3 и не распространяется на автотранспортные средства, полная масса которых составляет менее 400 кг или максимальная скорость не превышает 50 км/ч.

ГОСТ Р 52033-2003 устанавливает нормативные значения содержания в отработавших газах автомобилей оксида углерода и углеводородов, а также методы контроля при оценке технического состояния систем автомобиля и двигателя.

Содержание оксида углерода и углеводородов в отработавших газах определяют при работе двигателя в режиме холостого хода на минимальной (n_мин) и повышенной (n_пов) частотах вращения коленчатого вала двигателя, установленных предприятием-изготовителем автомобиля. При отсутствии данных, установленных предприятием-изготовителем автомобиля значение n_мин для автомобилей, например, категории М1 не должно превышать 1100 мин^-1, а значение n_пов устанавливают в пределах 2500¸3500 мин^-1.

 

Содержание оксида углерода и углеводородов (объемные доли) для  автомобилей категории М1 должно быть в пределах значений, указанных в таблице 4.1.

Таблица 4.1

 

Нормативные значения содержания оксида углерода и углеводородов

для автомобилей категории  М1

 

Комплектация  автомобиля	Частота вращения коленчатого вала	Оксид  углерода, объемная доля, %	Углеводороды, объемная доля, ppm
Автомобили категорий  М1, не оснащенные системами нейтрализации  отработавших газов	nмин	3,5	1200
	nпов	2,0	600

 

4.1. Требования к погрешности измерений

Погрешность измерения оксида углерода и углеводородов в выхлопных  газах инжекторных двигателей внутреннего сгорания по ГОСТ Р 52033-2003 должна быть не более ± 6%.

Газоанализаторы должны обеспечивать измерения с данными погрешностями  при следующих условиях:

– температура окружающего воздуха  – (20 ± 5) ⁰С;

– относительная влажность  воздуха – (65 ± 15) %;

– атмосферное давление – (101,3 ± 1,5) кПа;

– напряжение питания  – 220 В (± 15%).

Погрешность метода измерений

Для выполнения автоматизированных измерений используют датчики и  измерительные преобразователи, измерительные модули ввода аналоговых сигналов, обработку результатов измерений на компьютере или в контроллере. При этом на погрешность результата измерений оказывают влияние следующие факторы:

• сопротивление кабелей;
• соотношение между входным импедансом средства измерений и выходным импедансом датчика;
• качество экранирования и заземления, мощность источников помех;
• погрешность метода косвенных, совместных или совокупных измерений;
• наличие внешних влияющих факторов, если они не учтены в дополнительной погрешности средства измерений;
• погрешность обработки результатов измерений программным обеспечением.

Все погрешности, которые  не могут быть учтены в процессе сертификационных испытаний и внесены  в паспорт средства измерений, а  появляются в конкретных условиях применения, относятся к методическим. В отличие от них, инструментальные погрешности нормируются в процессе производства измерительного прибора и заносятся в его эксплуатационную документацию. Таким образом, если в состав смонтированной автоматизированной измерительной системы входят средства измерений с нормированными погрешностями, то погрешность, вызванная перечисленными выше факторами, является методической. Если же выполняется сертификация всей измерительной системы, то методические погрешности могут быть учтены в погрешности всей системы и тогда они переходят в разряд инструментальных.

Для расчета или измерения  методической погрешности трудно дать общие рекомендации. Каждый конкретный случай требует отдельного рассмотрения.

∆общ= ∆си + ∆метод, следовательно ∆метод=∆общ - ∆си = 4 – 3,25=0,75

4.2. Средства измерений, вспомогательные устройства

При выполнении измерений  применяют следующие средства измерений  и другие технические средства:

– газоанализатор EMMA 430 / 440 / 460 – прибор, предназначенный для измерения концентрации доли оксида углерода (СО) и суммы углеводородов (СН) в пересчете на гексан в отработавших газах автомобилей с бензиновыми инжекторными двигателями с целью определения их соответствия нормам:

- предел измерения CO – от 0 до 5 %;

- основная приведенная  (относительная) погрешность для CO – ±4%;

- предел измерений CH – от 0 до 2000 ppm;

- основная приведенная  (относительная) погрешность для CH – ±4%;

4.3. Метод измерений

Измерения содержания оксида углерода и углеводородов основано на методе селективного поглощения инфракрасного  излучения различными газами, который  реализован в газоанализаторе EMMA 430 / 440 / 460.

Газоанализатор состоит  из системы пробоотбора и пробоподготовки, блока измерительного и блока электронного. Конструктивно прибор выполнен в виде металлического прямоугольного корпуса, в котором размещены блок электронный и частично блок измерительный, и предназначен для установки на горизонтальной поверхности (столе или стойке).

Система пробоотбора  и пробоподготовки газоанализатора  включает: газозаборный зонд (пробозаборник), пробоотборный шланг, фильтр грубой очистки, электромагнитный пневмоклапан, фильтр тонкой очистки.

Принцип действия газоанализатора  основан на методе селективного поглощения ИК-излучения различными газами. Так, окись углерода (СО) имеет  полосу поглощения ИК-излучения с длиной волны 4,72 мкм, а углеводороды (СН) – с длиной волны  3,41 мкм. По степени поглощения ИК – излучения определяется концентрация каждого из компонентов.

Сигналы с пироприемников через фильтры, усилитель и коммутатор поступают на модуль аналого-цифрового  преобразователя (АЦП). Оцифрованный сигнал поступает на ЦП, осуществляющий сортировку и обработку результатов работы АЦП и управление работой исполнительных устройств. Синхронизация работы АЦП осуществляется ЦП.

Работает газоанализатор следующим образом. Анализируемый газ поступает в измерительную кювету, где определяемые компоненты, взаимодействуют с ИК-излучением. Сформированные отражателем, параллельные пучки ИК-излучения от спирали (источник ИК-излучения), поступают в измерительную оптическую кювету, где уменьшаются по интенсивности вследствие поглощения измеряемым газом, затем прерываются модулятором потока и, пройдя в каждом из каналов измерения оптический фильтр, попадают на пироприемники. Пироприемники преобразуют модулированное ИК-излучение в электрические сигналы пропорциональные концентрации анализируемых газов. Электрохимический датчик кислорода при взаимодействии с соответствующим измеряемым компонентом выдает сигнал, пропорциональный концентрации. Полученные сигналы фильтруются, усиливаются и передаются через аналоговый коммутатор на АЦП. Все вычислительные и управляющие действия формируются в ЦП, в который поступают от АЦП оцифрованные значения сигналов с пироприемников, а также с датчиков измерения частоты вращения, температуры газовой смеси, температуры масла и электрохимического датчика кислорода. ЦП управляет также выводом информации на плату индикации и на разъем “RS-232”.