Моделирование формирования аналитического сигнала концентрации углеводородов в выхлопах автомобильного транспорта

Автор: М. Г. Хламов, В. А. Трунов.

Источник: Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых. Сборник научных трудов ХІV научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 14-22-24 апреля 2014 г. – Донецк, ДонНТУ, 2014.

Загрязнение атмосферного воздуха является одной из самых серьезных экологических проблем многих промышленных городов. Влияние загрязнения воздуха на здоровье человека проявляется через сокращение средней продолжительности жизни, увеличение количества преждевременных смертей, рост заболеваемости и негативное влияние на развитие детей. За последние 17 лет динамика валовых выбросов вредных веществ в атмосферу представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Валовые выбросы вредных веществ а Донецке

Анализ приведенных данных показывает, что за последние 10 лет общие валовые выбросы вредных веществ уменьшились на 15 %. При этом выбросы от промышленных предприятий снизились на 32 %, а выбросы транспорта возросли на 76 %. В случае сохранения существующих тенденций, количество выбросов вредных веществ от передвижных источников к 2020 году превысит соответствующее количество выбросов от стационарных источников. В этом случае валовое количество выбросов по городу возрастет на 30‑40 % и может составить от 280 до 300 тыс. тонн в год. Анализ состава выбросов в атмосферу свидетельствует, что в 2007 году снизились выбросы оксида углерода (12 %), диоксида серы (на 44 %) и пыли (на 37 %), однако при этом возросли выбросы соединений азота (на 48 %). Наибольшую опасность для атмосферного воздуха представляют выбросы автомобильного транспорта, так как прослеживается тенденция роста доли вредных выбросов, производимых автомобильным транспортом [1]. Выхлопные газы (или отработавшие газы) – это неоднородная смесь различных газообразных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточного воздуха, аэрозолей и различных микропримесей (как газообразных, так и в виде жидких и твердых частиц), поступающих из цилиндров двигателей в его выпускную систему. В своем составе они содержат около 300 веществ, большинство из которых токсичны. Основными нормируемыми токсичными компонентами выхлопных газов двигателей являются оксиды углерода, азота и углеводороды. Кроме того, с выхлопными газами в атмосферу поступают предельные и непредельные углеводороды, альдегиды, канцерогенные вещества, сажа и другие компоненты.

Углеводороды, выбрасываемые автомобильными двигателями, под действием солнечного света вступают в реакцию с оксидами азота, выбрасываемые двигателями, котельными установками и промышленными печами. В результате протекают фотохимические реакции с образованием озона, радикалов и различных перекисей, вызывающих раздражение глаз, повреждение растительности, разрушение резины. Углеводороды С_xН_y – это многочисленная группа соединений, представляющих следующие гомологические ряды: парафины, олефины, нафтены, ароматические углеводороды (в том числе – полициклические ароматические углеводороды – ПАУ). Наиболее значимыми из них являются легкие газообразные углеводороды (метан СН₄, этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, этилен С₂Н₄, ацетилен С₂Н₂ и ряд других) и ПАУ [2]. Помимо экологического контроля, измерение углеводородов в выхлопах автомобильного транспорта позволяет судить о неисправностях ДВС и их причинах, устранение которых повышает экологичность автомобиля. Измерение углеводородов существенно расширяет анализ процесса сгорания. Оно делает возможным, например, показания о качестве сгорания. Измерение концентрации C_xH_y уже широко применяется для регулировки смеси холостого хода, а также для оценки состояния двигателя. 14 августа 2011 года вступил в силу Закон Украины О внесении изменений в некоторые законодательные акты Украины относительно устранения чрезмерного государственного регулирования в сфере автомобильных перевозок № 3565‑17 от 05.07.2011 г., согласно которому отменена процедура обязательного государственного технического осмотра для определенных категорий транспортных средств.

С использованием средств измерительной техники проверяются: тормозная система и её составляющие, содержание СН/дымность выпускных газов дизельного двигателя, содержание СО в топливе, рулевое управление и его составляющие, внешние осветительные приборы и сигнальные устройства. Инспекторы ГАИ могут останавливать автомобили по визуальному определению неисправностей. Днем это дым из выхлопной трубы, прогоревший глушитель, неправильный развал колес, а ночью – корректировку фар.

С юридической точки зрения сама процедура прохождения технического контроля на дороге весьма неоднозначна, ведь даже в том случае, когда передвижная диагностическая станция, которые закупит МВД, будет находиться на дороге, нет механизма, по которому водителя могут принудительно заставить пройти техосмотр. Согласно действующему законодательству, техосмотр нельзя проводить на дороге – для этого должна быть сертифицированная техническая станция. Вместе с тем, никто не имеет права эвакуировать автомобиль с дороги – это ограничение конституционного права на свободу передвижения. Никто не имеет права заставить вас выйти из машины, тем более двигаться куда‑то.

Среди методов определения концентрации углеводородов в выхлопах автомобильного транспорта можно выделить метод пламенной ионизации, оптико‑абсорбционный метод и оптико‑акустический метод.

Оптико‑акустический метод относится к большому классу спектрально‑оптических методов, применяющихся для количественного анализа газов и жидкостей. Количественный анализ газов на основе этих методов основывается на использовании явления поглощения света, описываемого законом Бугера‑Ламберта‑Бера. Определяют мощность монохроматического излучения с заданной частотой, проходящее через однородную среду, содержащую поглощающий компонент. Регистрируя мощность излучения, получают выходной сигнал, связанный с концентрацией измеряемого компонента.

Оптико‑абсорбционный метод основан на измерении поглощения оптического излучения молекулами анализируемого вещества в какой‑либо спектральной области. Поглощение излучения происходит при совпадении спектральных линий излучения и линии поглощения анализируемого вещества. Количество поглощенной энергии определяется количеством молекул, а избирательность обеспечивается строгой индивидуальностью спектров поглощения.

Пламенно‑ионизационный метод основан на ионизации углеводородов в водородном пламени. В чистом водородном пламени содержание ионов незначительно. При введении углеводородов в пламя количество образующихся ионов значительно увеличивается. Если приложить электрическое поле между коллектором и горелкой, возникает ток, значение которого прямо пропорционально концентрации углеводородов, введенных в пламя. Ток измеряют электрометрическим усилителем, к выходу которого обычно подключен самописец.

За основу разрабатываемого измерительного канала концентрации суммы углеводородов взят оптико‑абсорбционный метод измерения, как наиболее селективный и чувствительный. В качестве основных контролируемых компонентов суммы углеводородов взяты этан C₂H₆, метан CH₄, этилен C₂H₄, бензол C₆H₆, пропан C₃H₈, ацетилен C₂H₂. В программе моделирования спектральных характеристик химических соединений Spectra hitran была получена модель спектральной характеристики метан, приведенная на рисунке 2.

Рисунок 2 – Спектральная характеристика метана

Концентрацию метана определяют по поглощению излучения в ИК‑области спектра при длинне волн 3,3–3,9 мкм [3]. Средствами Microsoft Visio данная характеристика была проградуирована, были получены основные параметры спектральной характеристики на примере метана, такие как границы спектральной полосы пропускания и длинны волны, соответствующая максимуму характеристики. В пакете Mathcad методами математического моделирования был получен график огибающей спектра поглощения метана, который показан на рисунке 3.

Рисунок 3 – График огибающей спектра поглощения метана

Литература

1. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива / И. Я. Сигал – Ленинград Недра Ленинградское отделение, 1985 г.

2. Предельно допустимые концентрации веществ в воздухе и воде / Г. П. Беспамятнов – Издательство Химия Ленинградское отделение, 1975 г.

3. Спектральный анализ неорганических газов / В. М. Немец – Химия, 1988 г.