اگر تا به حال در یک روز گرم در ترافیک نشسته اید و به این فکر کرده اید که دقیقاً چه چیزی از اگزوز ماشین شما خارج می شود، تنها نیستید. برای مهندسان خودرو، رگولاتورها، و حتی افرادی که در آزمایشگاه‌های آزمایشی هستند، فهمیدن این که ترکیب اگزوز کار بزرگی است – زیرا این فقط به کارکرد نرم خودروها نیست، بلکه رعایت قوانین آلایندگی و حتی ساخت موتورهای بهتر و کارآمدتر است. اینجاست که یک سیستم آنالیز گاز برای اگزوز خودرو وارد می‌شود. من بیش از یک دهه است که با فناوری تجزیه و تحلیل گاز کار می‌کنم، ابتدا به‌عنوان مهندس در تست قطعات، اکنون به عنوان بخشی از تیمی که این سیستم‌ها را تامین می‌کند، بنابراین من از نزدیک دیده‌ام که چگونه آنها از یک ابزار شیک در قفسه‌های آزمایشگاهی به چیزی تبدیل می‌شوند که خودروهای واقعی را بهتر می‌کند. بیایید آن را تجزیه کنیم، بدون اضافه بار اصطلاحات.
اول از همه، بیایید یک چیز را روشن کنیم: اگزوز خودرو فقط «دود» نیست. این روزها ترکیبی از گازها - مونوکسید کربن (CO)، دی اکسید کربن (CO2)، اکسیدهای نیتروژن (NOx)، هیدروکربن ها (HC) و حتی ذرات کوچک ذرات معلق (PM) است. وظیفه این سیستم اندازه گیری دقیق، پیوسته و در زمان واقعی هر یک از این موارد است، زیرا احتراق موتور در هر ثانیه تغییر می کند. اگر سیستم شما خاموش باشد، در نهایت با خودروهایی مواجه می شوید که یا آلودگی بیش از حد دارند یا درست کار نمی کنند، یا حتی در تست های نظارتی مردود می شوند.
بنابراین واقعاً چگونه کار می کند؟ بیایید روند را طوری طی کنیم که انگار در کنار یک نیمکت آزمون ایستاده ایم. مرحله اول نمونه برداری از اگزوز است. شما نمی توانید فقط یک کاوشگر را به لوله اگزوز بچسبانید و آن را یک روز بنامید - اگزوز داغ، مرطوب است و دارای یک سری مواد است که می تواند اندازه گیری های شما را به هم بزند، اگر آن را درست انجام ندهید. اکثر سیستم های ما از یک خط نمونه گرم شده (معمولاً در حدود 190 درجه سانتیگراد، بسیار گرمتر از آب جوش) برای حمل اگزوز از لوله اگزوز به آنالایزر استفاده می کنند. چرا گرمش کنیم؟ زیرا اگر اگزوز حتی کمی خنک شود، بخار آب متراکم می‌شود و HC یا NOx می‌توانند به داخل خط بچسبند و اعداد را از بین ببرند. حتی برخی از سیستم‌ها یک فیلتر درست در کاوشگر دارند تا ذرات بزرگ را قبل از ورود به قسمت‌های حساس آنالایزر جذب کند.
هنگامی که نمونه از خط عبور کرد، برای تجزیه و تحلیل آماده است. اینجاست که جادو (نوع علمی، نه ترفندهای آزمایشگاهی) اتفاق می‌افتد و گازهای مختلف از روش‌های متفاوتی استفاده می‌کنند، زیرا همه آنها متفاوت عمل می‌کنند. رایج ترین روشی که ما برای CO و CO2 استفاده می کنیم، طیف سنجی مادون قرمز غیر پراکنده (NDIR) است. این کار به این صورت است: هر مولکول گاز نور مادون قرمز را در طول موج خاصی جذب می کند. بنابراین اگر نور مادون قرمز را از طریق نمونه گاز بتابانید، برای مثال اگر CO بیشتر باشد، نور کمتری خارج می شود. آنالایزر آن افت را اندازه گیری می کند، آن را به یک فرمول متصل می کند و به شما غلظت می دهد. برای این دو گاز بسیار دقیق است، که منطقی است زیرا CO محصول جانبی سمی احتراق ناقص است و CO2 گاز گلخانه ای اصلی خودروها است.
سپس NOx وجود دارد که بسیار مشکل است زیرا ترکیبی از اکسید نیتریک (NO) و دی اکسید نیتروژن (NO2) است. ما از یک آشکارساز نورتابی شیمیایی (CLD) برای آن استفاده می کنیم. CLD با واکنش NO با ازن کار می کند، که درخشش ضعیفی ایجاد می کند (لومینسانس شیمیایی، متوجه می شوید؟) که متناسب با مقدار NO موجود است. نکته جالب این است که می‌توانید آن را برای اندازه‌گیری کل NOx تغییر دهید، یا در صورت نیاز، NO2 را جدا کنید—بعضی خودروها دارای سیستم‌های کاهش کاتالیزوری انتخابی (SCR) هستند که به طور خاص NO2 را هدف قرار می‌دهند، بنابراین جداسازی کلیدی است. برای HC، ما از آشکارساز یونیزاسیون شعله (FID) استفاده می کنیم. در نظر بگیرید که نمونه گاز در یک شعله کوچک هیدروژن سوزانده می شود - هر مولکول هیدروکربنی می سوزد، و شعله ذرات باردار تولید می کند که ما آنها را می شماریم، که به ما می گوید چقدر HC در آنجا وجود دارد. این مهم است زیرا HC نسوخته بخش بزرگی از مه دود است.
این روزها، بسیاری از سیستم‌ها همچنین یک آنالایزر ذرات (PM) را اضافه می‌کنند که ذرات جامد کوچکی را که روش‌های دیگر از دست می‌دهند اندازه‌گیری می‌کند. در گذشته، از یک فیلتر برای جمع‌آوری PM استفاده می‌کردید، آن را وزن می‌کردید، و تمام شد - آهسته، فقط زمانی که آزمایش را تمام کردید به شما یک عدد می‌دهد. سیستم‌های جدیدتر از پراکندگی نور لیزر برای شمارش ذرات PM تکی در زمان واقعی استفاده می‌کنند، بنابراین می‌توانید ببینید که با افزایش یا کاهش سرعت موتور، PM چگونه تغییر می‌کند. این یک تغییر بازی برای تیم های مهندسی است که نیاز به رفع سریع مشکلات PM دارند.
حالا چرا این برای خودرو اینقدر اهمیت دارد؟ بیایید ابتدا درباره مقررات صحبت کنیم. EPA در ایالات متحده، Euro 6d در اتحادیه اروپا، و حتی قوانین سخت‌گیرانه‌تر که از چین منتشر می‌شوند، همه از تولیدکنندگان می‌خواهند که اگزوز هر خودروی جدیدی را آزمایش کنند تا مطمئن شوند که از محدودیت‌ها تجاوز نمی‌کند. یک سیستم تجزیه و تحلیل گاز بد در اینجا به این معنی است که یک خودرو در یک آزمایش مردود می شود، که تولید را به تاخیر می اندازد و میلیون ها هزینه دارد. من نمونه اولیه ماشین یک مشتری را دیده ام که سه بار پس فرستاده شد زیرا سیستم قدیمی آنها نمی توانست NOx سطح پایین را با دقت کافی اندازه گیری کند و تقریباً یک ضرب الاجل قانونی را از دست دادند. به همین دلیل است که ما سیستم‌های خود را طوری طراحی می‌کنیم که مرتباً کالیبره شوند، با بررسی‌های داخلی برای اطمینان از درست بودن قرائت‌ها - دیگر نیازی به کالیبراسیون دستی نیست که ساعت‌ها طول می‌کشد و جایی برای خطای انسانی باقی می‌گذارد.
اگرچه این فقط مقررات نیست. طراحان موتور از این سیستم ها برای بهتر ساختن خودروها استفاده می کنند. اگر یک موتور هیبریدی جدید در هنگام راه‌اندازی بیش از حد انتظار CO2 آزاد کند، تیم می‌تواند به جای اینکه یک هفته بعد منتظر آزمایش آزمایشگاهی بماند، زمان‌بندی تزریق سوخت را بلافاصله تنظیم کند. من سال گذشته با یک استارتاپ کوچک برقی کار کردم (بله، حتی خودروهای برقی اگزوز بخاری های پشتیبان خود را دارند) که از سیستم ما برای تغییر احتراق بخاری خود استفاده کرد تا CO را تا 15 درصد بدون از دست دادن گرما کاهش دهد. این نوع تأثیر واقعی این سیستم ها است، فراتر از فقط علامت زدن جعبه ها برای قوانین.
صبر کنید، اما سیستم های آنالیز گاز در خلاء کار نمی کنند، درست است؟ برای بدست آوردن تصویر کامل، مهندسان اغلب آنها را با ابزارهای آزمایشی دیگری جفت می کنند که اشتعال پذیری و عملکرد مواد را اندازه گیری می کنند - زیرا سیستم های اگزوز در دماهای بسیار بالا کار می کنند، موادی که از آنها ساخته شده اند باید ایمن باشند. به همین دلیل است که ما ابزارهای تکمیلی را نیز عرضه می‌کنیم، مانند آنالایزر نقطه فلاش خودکار جام بسته TAG برای آزمایش اشتعال‌پذیری سوخت و روان‌کننده، تست‌کننده اشتعال مهار سیم خودرو برای اطمینان از آتش گرفتن سیم‌کشی زیر کاپوت در صورت نشتی، و حتی تست‌کننده‌های نقطه فلاش استاندارد فنجان بسته Pensky-Martens به تست‌کننده نقطه فلاش استاندارد استاندارد اعتماد دارند. برای تیم‌هایی که بر روی قطعاتی کار می‌کنند که در شرایط سخت کار می‌کنند، ابزارهایی مانند آزمایش‌کننده نفوذ آتش هواپیما و تست‌کننده اشتعال‌پذیری عمودی نوار چسب نیز داریم، اما این ابزارها بیشتر برای قطعات سنگین مانند منیفولدهای اگزوز و واشرها هستند - وسایلی که باید تحت فشار نگه دارند.
در طول سال‌ها، سیستم‌های آنالیز گاز خود را به گونه‌ای بهینه‌سازی کرده‌ایم که کاربرپسندتر باشند. سیستم‌های قدیمی‌تر، واحدهای بزرگ و رومیزی بودند که به فضای آزمایشگاهی خود نیاز داشتند، اما اکنون سیستم‌های قابل حملی داریم که در یک ون جای می‌گیرند و می‌توانند ماشین‌ها را در جاده یا در مسیر مسابقه آزمایش کنند. این برای گاراژهای کوچک یا تیم‌های آزمایشی که نمی‌توانند یک آزمایشگاه کامل را به یک مکان دورافتاده ببرند عالی است. ما اکنون با نرم‌افزار ابری ادغام می‌شویم، بنابراین تمام داده‌های آزمایشی به‌طور خودکار ذخیره می‌شوند، دیگر یادداشت‌هایی روی کاغذ گم نمی‌شوند. مهندسان می‌توانند نتایج تست را در طول جلسه بر روی تلفن خود بیاورند، که تصمیم‌گیری را بسیار سریع می‌کند.
اما بیایید واقعی باشیم، همه چیز کامل نیست. هنوز چالش هایی وجود دارد. رطوبت در نمونه اگزوز می‌تواند با قرائت‌های NDIR اختلال ایجاد کند، بنابراین خشک‌کنی اضافه می‌کنیم که بخار آب را بدون خارج کردن گازهایی که به آنها اهمیت می‌دهیم حذف می‌کند. دمای بالا همچنین می‌تواند بر حسگرها فشار وارد کند، بنابراین ما از موادی استفاده می‌کنیم که می‌توانند خطوط اگزوز 1000 درجه سانتیگراد را بدون شکستگی تحمل کنند. بزرگ‌ترین مورد این روزها اندازه‌گیری موتورهای کم آلاینده است، مانند موتورهایی که دارای فیلترهای ذرات یا پیل‌های سوختی هیدروژنی هستند - این موتورها CO و NOx بسیار کمتری دارند، بنابراین سیستم باید به اندازه کافی حساس باشد تا مقادیر بسیار کوچکی مانند قطعات در میلیارد را بگیرد. ما حسگرهای CLD و FID خود را در دو سال گذشته ارتقا داده‌ایم تا به آن دست پیدا کنیم، که یک پیروزی بزرگ برای مشتریان سلول سوختی بوده است.
اگر شما یک مهندس، مدیر آزمایشگاه تست، یا فردی در یک تولیدکننده خودرو هستید که با آلایندگی‌ها سروکار دارد، می‌دانید که تجزیه و تحلیل گاز قابل اعتماد چیزی نیست که بتوانید آن را کاهش دهید. خواندن بد فقط منجر به تست های ناموفق نمی شود، بلکه منجر به خودروهایی با کارایی کمتر، آلایندگی بیشتر یا حتی ناایمن می شود. تیم ما سال‌ها با مشتریان خودرو کار می‌کند و این سیستم‌ها را برای برآورده کردن نیازهای خاص آنها، چه در حال آزمایش موتور گازی جدید، چه هیبریدی یا پیل سوختی، دقیق تنظیم می‌کند. اگر به دنبال ارتقاء سیستم فعلی خود هستید یا فقط می خواهید در مورد اینکه چگونه تجزیه و تحلیل گاز می تواند به پروژه های شما کمک کند چت کنید، دریغ نکنید برای کسب اطلاعات بیشتر با تیم ما تماس بگیرید. بیایید با هم ماشین‌های بهتر و تمیزتر بسازیم - با درست کردن اعداد اگزوز شروع کنیم.
مراجع
- انتشارات اگزوز خودرو: روش ها و مقررات اندازه گیری. آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده، 2022.
- تجزیه و تحلیل گاز برای کاربردهای خودرو. انجمن بین المللی مهندسان خودرو (SAE)، 2021.
- تست اشتعال پذیری برای قطعات خودرو. انجمن ملی حفاظت از آتش (NFPA)، 2020.
- طیف سنجی مادون قرمز غیر پراکنده برای پایش غلظت گاز. شیمی تجزیه، 2019، جلد. 91، شماره 12، ص 7523-7538.