15. fejezet - A kipufogógáz-komponensek mérési elvei

Az oxigén paramágneses tulajdonságát felhasználva működik ez a mérőberendezés. A mérőcella két azonos méretű részből áll, az egyik a mérő a másik az összehasonlító kamra. A mérőkamra egy mágneses mezőben, az összehasonlító kamra, pedig egy mágneses mező nélküli térben fekszik. Mindkét kamrában van egy-egy elektromosan fűtött platinaszál. Ha a minta oxigént tartalmaz, akkor a mérőkamrában a mágneses mező hatására az oxigén mennyiségével arányos cirkuláció (mágneses szél) keletkezik. Ha az áramlás eltérő a mérő és az összehasonlító kamrában, akkor a platina körellenállásainak lehűlése különböző mértékű. A két ág között ellenállás-különbség keletkezik, melyből egy koncentrációval arányos jelet hoz létre a műszer.

R1-R2: ellenállások; GB: gázbelépés; GK: gázkilépés; MK: mérőkamra;É-D: mágnespólusok

15.1. ábra - Paramágneses mérőműszer elvi felépítése [15.1.]

Másik gyakran alkalmazott megoldás az O₂ koncentráció mérésére egy optikai elven működő mérő cella. Itt egy torziós tengelyen felfüggesztett súlyzó formájú test található, amely egy erős, nem lineáris mágneses térben van (15.2. ábra). A súlyzó formájú test elfordulása arányos oxigén koncentrációval. Az elfordulást az optikai rendszer egy fényforrás, két fotodióda és egy tükör segítségével méri. A súlyzó formájú test körül van véve egy tekerccsel. A tekercsen átfolyó áram segítségével állítható be a súlyzó formájú test zéró helyzete (15.3. ábra).

15.2. ábra - Az optikai módszeres O2 szenzor felépítése [15.4.]

15.3. ábra - Optikai módszeres paramágneses mérőműszer elvi felépítése [15.4.]

A műszer mérési elv az, hogy a gázminta NO tartalmának meghatározott hányada ózon hatására gerjesztett NO₂^*-á alakul. A gerjesztett molekulák jellemző hullámhosszú fényt sugároznak ki, miközben az alapállapotukba visszajutnak.

Az így kibocsátott fény mennyisége arányos a minta NO tartalmával. A teljes NO_x tartalom mérésekor a különböző nitrogén-oxidokat először NO-á alakítják, és mérik a keletkezett NO₂^* által a kibocsátott fényt.

lépés: NO koncentrációmérés

lépés: NO_x koncentrációmérés

15.4. ábra - Kemilumineszcens elven mérő NO_x elemző elvi felépítése [15.1.]

A mérés elméleti alapja az, hogy a különböző atomokból álló molekulák az infravörös tartományban komponensre jellemző hullámhosszú sugárzást nyelnek el. A műszerben két sugárnyaláb van: egy mérő és egy összehasonlító. A mérőküvettában a mérendő gáz áramlik, az összehasonlító zárt küvettában nitrogén gáz van. A sugárnyalábok a küvettákon keresztül az érzékelőbe jutnak. Azt érzékelőben a sugárzás abszopbeálódik, ami hőmérséklet-, illetve nyomásemelkedést okoz. A nyomáskülönbség miatt a az érzékelőben lévő membrán elmozdul, ez kapacitásváltozáshoz vezet, amit feszültségjellé alakítva, a mérendő minta CO tartalmával arányos jelet ad. A műszer szelektivitását az adja, hogy az érzékelő a mérendő gázzal van feltöltve.

M2: összehasonlító küvetta; E2: ellenelektród; E: érzékelő; E1: membrán; E3: méréstartomány beállító; F: szűrőküvetta; ST4: sugárforrás; ST5: blende tárcsa; ST6: blende tárcsa motorja

15.5. ábra - Hagyományos Infravörös abszorpció elvén működő műszer elvi felépítése [15.1.]

Másik megoldás a (15.6. ábra) ábrán látható. Ennél a megoldásnál az infravörös fény szaggatva (chopper, forgó lapát) és váltakozva CO és N₂ gázzal töltött cellán keresztül érkezik a fényforrásból. A gázzal töltött cellákon, melyek mint optikai szűrők működnek, a szűrt infravörös fény belép mérőszakaszba, majd ezután az infravörös érzékelőbe jut. A CO gázszűrő hatására egy olyan referencia fénysugár keletkezik, amely intenzitását a mérőszakaszban lévő CO nem befolyásolja. Az N₂ gázszűrő az infravörös fény számára átlátszó, így ez a mérő fénynyaláb, amely intenzitása arányos a mérőszakaszban található CO koncentráció abszorpciójával. Az infravörös fény szaggatását a gázszűrök változtatása modulálja, valamint a szaggatást a mérőszakaszban található CO koncentráció határozza meg.

15.6. ábra - Sávszűrős Infravörös abszorpció elvén működő műszer elvi felépítése [15.5.]

Mérési elv: Két elektróda között hidrogén láng ég. Ha a lángba szénhidrogén tartalmú mérendő gázt vezetnek, akkor az elektródák közt ionáram jelenik meg, mivel a különböző szénhidrogénekből szén gyökök keletkeznek (C^-), melyek elektromosan vezetők. Az ionáram nagysága arányos a mintában lévő szénatomok számával, tehát a műszer a mintában lévő összes szénhidrogént méri.

A: analizátor; Le: szobalevegő; LSz: levegő szabályzó; H: hidrogén; L: láng; Hsz: hidrogénszabályzó; MG: mérendő gáz; K: katalizátor; MSz: membrán szivattyú; É: égő; L’: lángőr; Ka: kapilláris;

15.7. ábra - Lángionizációs elven mérő műszer elvi felépítése [15.1.]

A motorok által kibocsátott részecskék mérésének elve, hogy a motor által a vizsgálati ciklus alatt kibocsátott kipufogógázt hígító rendszerben történt hígítása után, a mintát egy speciális szűrőpapíron átszívva, a speciális szűrőpapíron fennmaradt részecskék tömegét meghatározzák. Ezt utána számításokkal a megfelelő mértékegységre (pl. g/kWh) számolják át.

A méréseknél a minta előkészítésére úgynevezett hígító rendszert, vagy hígító alagutat alkalmaznak. A hígító rendszer elsődleges feladata, hogy nem a nyers, a kipufogó vezetékben lévő magas hőmérsékletű részecske kibocsátást mérjük, hanem valamilyen hígító rendszerben szabályozott körülményeket teremtünk és az ebből vett mintából határozzuk meg a részecske kibocsátást, amely így reprodukálható.

A hígító rendszerek több típusa ismert. Ezek egyik típusai az un. „teljes áramlású” rendszerek. Ebben az esetben a motor teljes füstgáz mennyiségét a hígító csatornába vezetik. Míg a másik megoldás az un. „részleges átáramlású” hígító rendszerek, itt csak a füstgáz egy részét jutatjuk a hígító rendszerbe.

15.5.1. A teljes áramú hígító rendszer

A 15.8. ábra olyan hígító rendszer látható, amely a teljes kipufogógáz mennyiséget a hígító alagútban hígítja, állandó térfogatú mintavétel elvét alkalmazza.

A hígított kipufogógáz mennyiségét térfogat-kiszorításos szivattyúval, kritikus áramlású Venturi-csővel, vagy hangsebesség alatti áramlású Venturi-csővel kell mérni. Az arányos részecske-mintavételhez és az áramlás meghatározásához egy hőcserélő vagy egy elektronikus áramláskiegyenlítő használható. Mivel a részecskék tömegének meghatározása a teljes hígított kipufogógáz mennyiségét veszi alapul, a hígítási arányt nem kell kiszámítani.

Ezután a részecskék mérése céljából a hígított kipufogógázból vett minta átkerül a kétszeres hígítású részecske-mintavevő rendszerbe. Noha a kétszeres hígítású rendszer részben valójában egy hígító rendszer, mégis mint a részecske-mintavevő rendszer egy változataként kerül ismertetésre, mivel alkotórészeinek többségét tekintve megegyezik egy tipikus részecske-mintavevő rendszerrel.

SP: Kipufogó mintavevő, DT: Hígító alagút, DAF: Hígító levegő-szűrő, PSP: Részecske mintavevő szonda, PTT részecskeátvezető cső, E: gázelemző rendszer, H: háttérlevegő elemző, HE: Hőcserélő, FC: Elektronikus áramláskiegyenlítő, PDP Térfogat kiszorításos szivattyú, CFV: Kritikus áramlású Venturi cső, SSV: Hangsebesség alatti áramlású Venturi-cső.

15.8. ábra - A teljes áramú hígító rendszer (állandó térfogatú mintavétel) elvi rajza [15.6.]

15.5.3. A részecske-mintavevő rendszerek

A részecske-mintavevő rendszer feladata a részecskék összegyűjtése a részecskeszűrőn (15.10. ábra és a 15.11. ábra). Részleges átáramlású hígító rendszerből történő teljes vagy rész mintavétel esetén a hígított kipufogógázból származó minta áthalad a szűrőkön, a hígító rendszer és a mintavevő rendszer általában egy egységet képez. Teljes áramú hígító rendszerből történő mintavétel esetén, az itt alkalmazandó másodlagos hígító rendszer és a mintavevő rendszer általában külön egységet képez.

        Részáramú hígító rendszereknél a hígított kipufogógázból a mintát a mintavevő szivattyú veszi a hígító alagútból a részecske-mintavevő szondán és a részecskeátvezető csövön keresztül (15.11. ábra). A minta áthalad a szűrő kiválasztó szelepen és a részecske-mintavevő szűrőket befogadó szűrőtartón. A minta mennyiséget az áramlásszabályozó szabályozza. A ciklusok szerinti súlyozás érdekében általában több szűrőtartót alkalmaznak.

PTT: részecskeátvezető cső, V: Szűrőtartó választó szelep, FH1 és FH2: szűrőtartók, P: mintavevő szivattyú, FM : térfogatáram mérő, FC: áramlásszabályozó

15.11. ábra - A részecske-mintavevő rendszer elvi rajza [15.6.]

Teljes áramú hígító rendszernél kétszeres hígítású részecske-mintavevő rendszert kell használni (15.12. ábra). A hígított kipufogógázból a minta a hígító alagútból a részecske-mintavevő szondán és a részecske átvezető csövön keresztül a másodlagos hígító alagútba jut, ahol még egyszer hígításra kerül. Ezután a minta áthalad a részecske-mintavevő szűrőket befogadó szűrőtartókon. A hígító levegő mennyisége általában állandó, míg a minta mennyisége az áramlásszabályozó szabályozza.

P2: másodlagos hígító levegő pumpa, FM2 : másodlagos hígító levegő térfogatáram mérő, PTT: részecskeátvezető cső, V: Szűrőtartó választó szelep, FH1 és FH2: szűrőtartók, P: mintavevő szivattyú, FM : térfogatáram mérő, FC: áramlásszabályozó

15.12. ábra - Kétszeres hígítású részecske-mintavevő rendszer elvi rajza [15.6.]

A PMP (Particle Measurement Programme) informális csoportot 2001 májusában hozták létre. Ennek célja, hogy fejlesszenek ki egy új eljárást és mérőrendszert az ultrafinom részecskék méréséhez, amely helyettesíteni vagy kiegészíteni tudná a már meglévő gravimetikus elven működő részecske mérési módszereket. Az ultrafinom részecskék mérés szükségességének indoka azok egészségre gyakorolt hatása, miután felismerték, hogy a dízel kipufogógáz a fő forrása az ultrafinom részecskéknek. Ehhez hozzátartozik az a fontos tény, hogy Európában több, mint 50%-a az új személygépjárműveknek dízelmotorral hajtott.

Ezeknek a PMP követelményeknek ma csak a kondenzációs elven működő részecskeszámláló felel meg. A részecskeszámolás a butanol kondenzációs módszerrel történik, az ultra finom részecskéket ezzel lehet mérhetővé tenni.

Ennél a módszernél az aeroszol vagy részecske áramlást egy fűtött telítő rendszerben butanollal telítik. Ezt a szakaszt elhagyva a butanol-aeroszol keverék hőmérsékletét lehűtik a CPC (Condensation Particle Counter; 15.13. ábra) kondenzátorában.

15.13. ábra - A CPC (Condensation Particle Counter) rendszer működése [15.3.]

A hűtött kondenzátorban a butanol telítetté válik és lecsapódik a részecskére. A részecskék így cseppekké „nőnek”, amelyek már több μm átmérőjűek. Így a részecskéket, cseppek formájában könnyen számolni lehet, egy egyszerű optikai részecske detektor segítségével. A cseppáramlást bevezetik egy számláló optikába. A cseppek áthaladnak egy lézersugáron, és minden egyes csepp generál egy fényimpulzust. A keletkező impulzust akkor értékelik részecskedarabként ha az amplitudója egy bizonyos küszöbérték felett van. A részecskekoncentrációt az áramlási sebesség és a számolt cseppek ismeretében lehet számítani [15.2.] , [15.3.] és [15.7.] .