Датчик ионизации
Датчик ионизации изготавливают на базе изолятора обычной свечи зажигания. Приемник ионизации представляет собой медную трубочку, внутри которой расположена медная эмалированная проволока. Приемник с осциллографом соединяется коаксиаль­ным кабелем. Используя метод ионной анемометрии, можно получить ка­чественные и количественные сведения о движении воздушного заряда. Этот несложный метод очень перспективен. Подобным методом можно регистрировать не только скорость воздуха, но и скорость распространения пламени в карбюраторных двигателя.
К сожалению, ионизационным методом нельзя ис­следовать процесс сгорания в дизелях, так как при сгорании имеет место неупорядоченное распространение пламени по камере сгорания. С использованием ионных анемометров вопрос об исследовании процесса смесеобразования полностью не решается, так как эти приборы, видимо, непригодны для определения скоростей смесей топлива и воздуха в дизелях, даже если процесс сгорания еще не начался (попадание топлива на приемник изменит его проводи­мость). Ионные анемометры позволяют надежно определить только скорость воздуха в камере сгорания в моменты, непосредственно предшествующие смесеобразованию и горению. Однако сочетание ионной анемометрии цилиндров двигателей с исследованиями развития факела топлива в воздушном потоке, проводимыми на без­моторных установках, должно значительно расширить све­дения о закономерностях процесса смесеобразования.

Газоанализаторы
В частности, известны магнитные газоанализаторы, узко­специализированные для определения содержания в газовых сме­сях кислорода, отличающегося высокой положительной магнитно восприимчивостью. Это свойство ис­пользуют для обогащения кислородом воздуха, поступающего в двигатель. При помещении в га­зовую среду нагреваемой электрическим током проволоки температура последней будет тем ниже, чем выше теплопровод­ность газовой среды. Обычно для измерений используют метод сравнения с помощью мостовой схемы, которая не требует особых пояснений. Газоанализаторы этого типа выпускаются многих модификаций. Они имеют приемлемую точность (2—2,5%), что делает воз­можным их использование при испытаниях двигателей, тем более, что некоторые из этих газоанализаторов позволяют определить состав многокомпонентных газовых смесей.
Газоанализаторы оптического типа имеют много разновидностей и используют поглощение лучистой энергии газом или жидким сорбентом, цвет которого изменяется вследствие химического взаимодействия с измеряемым компонентом. Из анализаторов этого типа наибольший интерес для испытаний двигателей представляет инфракрасный оптико-акустический газо­анализатор с газовой компенсацией.

Действие газоанализатора
Действие газоанализатора основано на том, что прерывистый поток инфракрасного излучения, создаваемый излучателями и обтюратором, поглощается в луче-приемнике, заполненном определяемым компонентом, что вызывает в объеме луче-приемника колебания температуры и давления, восприни­маемые конденсаторным микрофоном. Интенсивность этих колебаний будет зависеть от содержания определяемого компо­нента в кювете, через которую протекает анализируемая смесь. Замер концентрации измеряемого компонента производится компенсационной схемой, которая представляет собой усилитель, сигнал которого поступает на реверсивный привод компенса­ционного отражательного клина, перемещающегося в кювете, также заполненной определяемым компонентом. Привод в действие компенсационного клина рассчитан таким образом, что изменение толщины слоя компенсационного газа в кювете направлено на уменьшение сигнала. Одновременно перемещается движок реохорда вторичного при­бора.
Исключительно эффективным методом анализа многокомпонент­ных газовых смесей является хро­матография. При хроматографии осуществляется разделение компо­нентов смеси, движущейся вдоль слоя сорбента, вследствие много­кратного повторения актов сорб­ции и десорбции для каждого из компонентов (более подробно про­цесс разделения рассматривается ниже). Имеется много способов хроматографического разделения газо­вых смесей, которые различаются по ряду признаков. В зависи­мости от цели, преследуемой разделением, различают хроматогра­фию аналитическую, непромышленную.

Определения концентраций
Для опре­деления концентраций компонентов газовых смесей используют аналитическую хроматографию. В зависимости от агрегатного состояния подвижной и непо­движной фаз различают хроматографию газовую и жидкостную; в первой подвижной (разделяемой) фазой является газ или пар, во второй — жидкость. По физической природе используемого сорбента хроматография подразделяется на газо-адсорбционную, газо-жидкостную и капиллярную. При газо-адсорбционной хроматографии в качестве сор­бентов используют твердые поверхностно-активные вещества, при газо-жидкостной хроматографии — нелетучие жидкие раствори­тели, нанесенные на твердые пористые носители с большой поверх­ностью.
При капиллярной хроматографии нелетучий растворитель наносят непосредственно на внутреннюю стенку разделительной колонки, конструктивно оформленной в виде капилляра, длина которого может достигать нескольких сотен метров. В первом случае интенсивность и качество разделения опреде­ляют избирательностью твердого сорбента к различным компо­нентам смеси, в двух последних случаях скорость разделения ис­ходной смеси на компоненты зависит от скоростей растворения последних в жидкости. Так как большинство газов реагирует с жидкостями значительно энергичнее, чем с твердыми сорбен­тами, то газо-жидкостные и особенно капиллярные хроматографы обладают повышенной чувствительностью и точностью и считаются в настоящее время наиболее перспективными.

Поток газа
Увлекаясь потоком газа-носителя вдоль капилляра и много­кратно переходя из жидкой фазы в газовую и обратно, компоненты при достаточной длине капилляра разделятся полностью, причем дальше по капилляру продвинутся те из них, которые имеют меньшую растворимость. Поэтому через детекторную часть прибора будут последовательно проходить бинарные смеси отдельных компонентов с газом-носителем, что и позволяет осуществить качественный и количественный анализ исходной газовой смеси. Если с помощью детектора (принципы детектирования подроб­нее рассматриваются ниже) регистрировать в функции времени какое-либо характерное свойство газа, то можно построить диа­грамму изменения этого свойства во времени. По способу анализа, использованному для продвижения газо­вой смеси вдоль слоя сорбента, различают проявительный, фрон­тальный, вытеснительный способы, хроматермографию и тепло-динамический метод. Наибольшее распространение при анализе газовых смесей полу­чил проявительный (эволюционный) метод, при котором исследуе­мая смесь продвигается вдоль слоя сорбента в потоке газа, сорби­рующегося много хуже всех ее компонентов и называемого газом-носителем.
Механизм разделения смеси при использовании газа-носителя наиболее наглядно может быть рассмотрен на примере капилляр­ного хроматографа. В поток газа-носителя, протекающего по ка­пилляру, покрытому изнутри пленкой жидкого сорбента, вводится газовая проба. Так как скорость растворения компо­нентов смеси в растворителе, определяемая коэффициентом рас­пределения каждого из них между газовой и жидкой фазами, будет различной, то одни из компонентов перейдут в растворитель в большей степени, чем другие; этим и обусловится начало их разделения.

Газ-носитель
В качестве газа-носителя применяют чистый воздух, азот, двуокись углерода, водород, гелий, аргон. Проявительный метод имеет ряд преимуществ перед другими методами, основные из кото­рых — практически полное разделение компонентов и наличие между ними на выходе чистого газа-носителя. Процесс разделения может быть ускорен, а чувствительность и точность метода повышены созданием вдоль капилляра стационар­ного или переменного поля температур. Приборы, в которых ис­пользован этот метод, называются хроматермографами. Устройство обычного хроматографа несложно; он включает в себя дозатор, разделительную колонку, детектор и регистрирующее устройство.
Дозатор служит для введения пробы анализируемой газовой смеси. Объем газовой пробы обычно составляет 0,5—20 мл увеличение объема пробы приводит к не­четкому разделению компонентов (перекрытие пиков на хроматограмме). Удовлетворительным дозатором может служить медицин­ский шприц, которым вводят пробу в поток газа-носителя через эластичную перегородку или стенку трубки. В колонке осуществляется разделение компонентов по принципу описанному выше. Конструктивно колонка представляет собой трубку из меди, нержавеющей стали, стекла, нейлона. Трубка может быть прямолинейной, изогнутой в виде спирали или иметь другую форму, что зависит в основном от ее длины. Внутрен­ний диаметр трубки в случае использования твердого сорбента обычно составляет 4—6 мм при длине от 1 до 10 м капиллярные колонки имеют диаметр 0,2—1,0 мм при длине 10—100 (до 500) м.

Насадочные колонки
Насадочные колонки заполняют сорбентом, в качестве которого при газо-адсорбционной хроматографии используют активирован­ный уголь, силикагель, окись алюминия, окись магния, активи­рованный боксит и т. п., а при газо-жидкостной хроматографии в качестве носителя жидкой фазы используют твердые вещества, инертные к подвижной и неподвижной фазам и обеспечивающие большую поверхность контакта последних, например, диатомовый толченый кирпич с размером частиц в пределах 0,12—0,25 мм, трепел карьера. Необходимо всю колонку заполнить наполнителем равномерно; в некоторых случаях спи­ральные колонки навивают после их заполнения. В качестве жид­кой фазы в газо-жидкостной хроматографии обычно используют сложные эфиры органических кислот. Следует учитывать, что твердая и жидкая неподвижные фазы не должны реагировать между собой даже при высоких температурах. На выходе из колонки устанавливают детектор, отмечающий изменение тех или иных свойств выходящей смеси. Детектор может быть дифференциальным, регистрирующим текущую концентра­цию компонентов в газе-носителе, или интегральным, регистрирую­щим общее количество выходящих компонентов с начала разделе­ния.
Дифференциальные детекторы проще и используются чаще. На ленте регистрирующего устройства записывается сигнал детектора в функции

времени. Детектирование может осуществляться одним из следующих методов (перечислены в порядке их употребительности): Регистрацией различий в теплопроводности чистого газа-носителя и бинарных смесей его с компонентами газовой пробы. Измерением теплоты сгорания газовой смеси, выходящей из колонки (термохимический метод).

Детектор
Схема подобного детектора приведена. Термочув­ствительные элементы Кг и заложенные в рабочую и сравни­тельную ячейки, через которые прокачивается газовая смесь, образуют два плеча измерительного моста; при наличии реакции горения в рабочей ячейке в диагонали моста возникает дисбаланс тока, пропорциональный содержанию горючего компонента. Эти детекторы имеют высокую чувствительность и позволяют использовать в качестве газаносителя воздух, однако не дают воз­можности определить негорючие компоненты. Специфическими детекторами газо-жидкостных хроматографов являются пламенные, ионизационно-пламенные и радиологические ионизационные детекторы. Схема пламенного

детектора показана. Этот де­тектор регистрирует температуру водородного пламени, в котором сжигается измеряемый компонент или смесь его с газом-носителем (использование в качестве последнего водорода не обязательно). Чувствительность и точность пламенного детектора близка к термокондуктометрическому.
В ионизационно-пламенном детекторе измеряется электропроводность водородного пламени, в которое вводится измеряемый компонент. Идея прибора основана на том, что пламя чистого водорода почти не ионизировано, при наличии же в водо­роде примесей, особенно органических, пламя ионизируется и электропроводность его возрастает. В качестве одного из электродов используется металлический корпус горелки; вторым электродом служит платиновая сетка. Источник тока ионизации 4 имеет напряжение 100—400 в и создает в нагрузочном сопротивлении токи. Для измерения соответствующих падений напряжений используют электрометрические усилители с входным сопротивлением 108—1011 Ом.
Регистрирующий прибор может иметь любую конструкцию.

Ионизационно-пламенные детекторы
Ионизационно-пламенные детекторы имеют высокую чувстви­тельность и точность, простую конструкцию, малый эффективный объем и обеспечивают линейную зависимость выходного сигнала от концентрации определяемого вещества, а потому являются весьма перспективными.

Наконец, в радиологических (ионизационных) детекторах сравниваются ионизационная электропроводность чистого газа-носителя и бинарной смеси его с ионизационной электропровод­ностью измеряемых компонентов, подвергаемых радиоактивному облучению с помощью датчика.

Различие ионизационных токов между центральным электро­дом и корпусом датчика в рабочей и сравнительной камерах приводит к появлению на нагрузочном сопротивлении падения напряжения, которое усиливается электрометрическим усилите­лем и регистрируется каким-либо измерительным прибором.
Датчики этого типа имеют очень высокую чувствительность, которая достигает максимума при использовании в качестве газа-носителя аргона (в водороде и гелии чувствительность прибли­зительно в 20 раз ниже, а в воздухе понижается еще вдвое). В качестве источников излучения используют радиоактивные изотопы. Большим достоинством радиологического (ионизационного) детектора перед другими является независимость его показаний от температуры и скорости движения газов, что также делает его весьма перспективным, обеспечивая высокую точность измерений.

Хроматографы
С устройством и характеристиками хроматографов, выпускае­мых отечественной промышленностью, можно ознакомиться в ра­ботах М. В. Кулакова.

Несмотря на простоту устройства хроматографов, чувствитель­ность их сопоставима с чувствительностью масс-спектрографов; в частности, при помощи хроматографов определяют содержание в пробе веществ весом до 10-12 г (т. е. приблизительно тысяча молекул в 1 мл пробы). Особенно велики преимущества газо-жид­костной хроматографии при анализе многокомпонентных газовых смесей. Например, отечественный хроматограф ХТ-2М анализи­рует многокомпонентные смеси газов и паров, содержащие водо­род, окись углерода, предельные и непредельные углеводороды и их изомеры за время 360—2700 сек, выделяя из них компоненты до Св включительно, т. е. разделяя смесь на 200—300 компонентов с точностью определения концентрации каждого из них до 5%. Газо-жидкостные хроматографы могут с успехом применяться при испытаниях двигателей.
Наиболее рациональной областью их применения следует считать исследование промежуточных стадий процесса сгорания, при которых этот метод может позволить глу­боко проникнуть в сущность весьма сложных и до сего времени мало изученных процессов, происходящих в цилиндре двигателя в период горения. При использовании результатов хроматографирования возни­кает необходимость в расшифровке хроматограмм.

Ниже рассмат­риваются принципы расшифровки наиболее употребительной диф­ференциальной хроматограммы.

Компоненты анализируемой пробы
Если компоненты анализируемой пробы неизвестны, необхо­димо прежде всего идентифицировать хроматограмму, т. е. уста­новить, какой из ее пиков соответствует какому компоненту пробы. Идентификация, таким образом, позволяет выяснить качествен­ный состав анализируемой пробы;
для идентификации обычно используют эталонные вещества или их смеси, или же приводимые в литературе таблицы коэффициентов сортируемое,

позволяющие определить порядок прохождения бинарных смесей через де­тектор. После определения качественного состава пробы рассчитывают содержание в ней каждого из компонентов. Для этого измеряют размеры каждого из пиков хроматограммы и вычисляют их площади так же, как площади треугольников.
Наиболее точное определение площадей обеспечивают элек­тронные цифровые интеграторы. Площадь каждого из пиков в определенном масштабе соот­ветствует абсолютному содержанию в пробе определенного ком­понента. Если бы масштабы регистрации всех компонентов были одинаковыми и если бы детектор был одинаково чувствитель­ным ко всем компонентам пробы, то концентрация любого из них могла бы определяться как отношение площади со­ответствующего пика к сум­марной площади всех пи­ков. Однако хроматограф авто­матически уменьшает мас­штаб записи для тех компо­нентов, у которых пик мог бы выйти за шкалу регистратора, а детектор, как правило, имеет неодинаковую чувстви­тельность к различным ком­понентам. Поэтому для определения концентрации компонентов используется более сложная формула.

Газоанализаторы
В заключение следует заметить, что детекторы хроматографических приборов представляют собой своеобразные газоанали­заторы, причем неисключена возможность непосредственного ис­пользования некоторых из них для целей анализа продуктов сго­рания двигателя. В частности, за рубежом выпускают ионизацион­ные газоанализаторы, использующие принцип детекторов.
Один из этих детекторов использовался парал­лельно с инфракрасным газоанализатором М. В. Джексоном и др. для определения содержания в отработавших газах карбю­раторного двигателя составляющих типа. При этом оказалось, что инфракрасный газоанализатор систематически занижает содержание указанных компонентов приблизительно вдвое против фактического. Отсюда следует, во-первых, что применение некото­рых методов детектирования для непосредственного анализа продуктов сгорания двигателя возможно и целесообразно; во-вторых, к применению физических методов анализа для определения содержания компонентов, имеющих сложное химическое строение, следует относиться с осторожностью, так как своеобразие их фи­зических свойств может стать источником грубых погрешностей измерений. Основными задачами, решаемыми с помощью газового анализа, являются определение начального состава смеси и конечных результатов процесса горения, а также токсичности отработавших газов. Для решения этих задач приходится определять величину коэффициента избытка воздуха, состав продуктов сгорания, потери тепла от химического недожога.

Методы решения этих вопросов рассматриваются в специаль­ной литературе, однако предлагаемые решения нельзя при­знать вполне удовлетворительными, так как они не учитывают некоторых существенных особенностей процесса сгорания в двига­телях и по существу игнорируют большой опыт, накопленный в этой области стационарной теплотехникой. Если предположить, что топливо, сжигаемое в двигателе, имеет элементарный состав С+ Н = 1, то, рассматривая простейшие реакции полного сгорания компонентов, можно получить так назы­ваемое контрольное уравнение, связывающее состав продуктов сгорания (определенный газовым анализом) с составом топлива. В уравнение вводят поправки на недожог, на основании которых выводят уточненные формулы для определения коэффи­циента избытка воздуха ад, содержания тех или иных горючих ком­понентов и т. п. Г. Ф. Кнорре в своей работе указывает, что такой подход к исследованию является примитивным по нескольким причинам. Во-первых, при наличии химического недожога погрешности, вносимые в контрольное уравнение окисью углерода СО и компо­нентами, содержащими водород, имеют противо­положные знаки, поэтому равенство и неравенства не имеют определяющего характера; например, при большом содержании в анализируемой пробе водородных компонентов при вполне исправном газоанализаторе может получиться неравен­ство.

Более того, противоположное влияние СО и водород­ных компонентов может привести к тому, что условие полного сгорания будет реализовано при значительном химическом недожоге. Во-вторых, введение в расчеты с результатами газового ана­лиза теоретической химической

характеристики топлива не имеет смысла потому, что величина свидетельствует только о на­личии в топливе, например, определенного количества углерода С и не учитывает, что не весь этот углерод может участвовать в про­цессе горения; а это вносит дополнительную неопределенность в уравнение. Определение фактической величины химической характеристики процесса горения является одной из самостоятельных задач газового анализа. В-третьих, при определении величины коэффициента избытка воздуха, нужно учитывать не количества С02 и 02, полученные газовым анализом, возможно, в результате далеко не полного горения, а количества углекислоты и кислорода, которые соответствуют условиям полного сгорания всех горючих компонентов топлива.

Продукты сгорания
Часть пробы продуктов сгорания, отобранной из объекта испы­таний (вопрос о технике отбора и хранения газовых проб рассма­тривается ниже), подвергают анализу на содержание углекислоты и кислорода. Затем другую часть пробы анализируют на содержание углекислоты (этот замер является контрольным, позволяющим судить об однородности пробы, исправности газо­анализатора и т. п.), а оставшийся после поглощения и объем газа измеряют и пропускают через печь, нагре­тую до 850° С.

Следует заметить, что если целью анализа является определе­ние только фактической (т. е. химической) характеристики горе­ния и недожога в виде сажи, то, пользуясь тем, что бюретка при­бора ГХП-2 вмещает более 100 см3 газа, можно набрать в бюретку заведомо более 100 см, затем эту пробу дожечь, после остывания оставить в бюретке точно 100 см3 газа и определить содержание в нем углекислоты и кислорода, затем подсчитать по формуле. Необходимо отметить также, что в формулах не учтено содержание в продуктах сгорания непредельных углеводородов. Количество последних легко определить, проведя дополни­тельный третий анализ продуктов сгорания на приборе ВТИ-2; при этом уточнится и содержание в продуктах сгорания компонен­тов СН4, СО и Н2, определенных предыдущим упрощенным ана­лизом. Кроме того, дополнительный анализ прибором

ВТИ-2 позволяет установить, содержались ли в продуктах сгорания более сложные предельные углеводороды, чем метан СН4. При дожигании продуктов сгорания для определения содер­жания предельных углеводородов можно сделать два замера: определить сокращение объема вследствие конденсации паров воды, сравнивая объемы пробы до и после дожигания; определить дополнительное сокращение объема в результате поглощения углекислоты в растворе.

Образование газообразных продуктов
Следует иметь в виду, что для дизелей, в которых образование газообразных продуктов недожога маловероятно, вполне воз­можно проводить такой анализ простейшим газоанализатором ГХП-2, оборудованным печью. При этом достаточно выполнить лишь два анализа, в каждом из которых определяются только содержания, что не представляет затруднений и отнимает немного времени. Для повышения точности анализа и в этом случае целесообразно применять газоанализатор ВТИ-2, используя в нем только поглотители углекислоты и кислорода, так как бюретка этого прибора обеспечивает более точный отсчет объемов, чем бюретка газоанализатора ГХП-2. Для карбюраторных двигателей, особенно при работе на мощностных режимах, следует проводить все три анализа, так как здесь наличие много­численных горючих компонентов в продуктах сгорания не подлежит сомнению.

Для выявления преимуществ описанной методики по сравне­нию с обычно используемой экспериментаторами целесообразно рассмотреть численный пример. Как видим, численные значения величин при первом анализе значительно отличаются от действительных, за исключением значения величины. коэффициента избытка воздуха ад, что под­черкивает преимущество использования «азотной» формулы, кото­рая во всех случаях дает достаточно точные результаты. По результатам газового анализа нетрудно определить физическую потерю тепла с отработавшими газами и потерю тепла от неполноты сгорания.

Вычисление теплоемкости
Первое не требует особых пояснений и в сущности сводится к вычислению теплоемкости отработавших газов по их составу. При этом приходится только иметь в виду, что газовый анализ дает процентное содержание сухих газов, а в отработавших газах содержатся также и водяные пары.

Обычно при подобных расчетах принято пренебрегать незна­чительным содержанием в отработавших газах горючих компонен­тов; кроме того, теплоемкость всех двухатомных газов отожде­ствляют с теплоемкостью азота. Удобнее всего пользоваться объем­ными теплоемкостями, тогда физическую потерю тепла с отработавшими газами на 1 кг поданного в двигатель топлива подсчиты­вают по формуле.

Газовый анализ применяется также при исследовании процес­сов продувки, наполнения и смесеобразования. Наиболее важными характеристиками первых двух процессов являются величины коэффициентов наполнения, продувки и остаточных газов. Все эти коэффициенты в принципе могут быть определены с по­мощью рассмотренных выше методов газового анализа. Достаточно подробная теория этого вопроса излагается в работах А. С. Орлина и М. Г. Круглова, поэтому здесь можно ограничиться лишь кратким его рассмотрением. Основой для определения коэффициента наполнения % слу­жит величина коэффициента избытка воздуха при горении ад, вычисляемая по результатам анализа пробы газа, отобранной из цилиндра двигателя в конце процесса расширения. Для определения коэффициента остаточных газов уг необ­ходимо, помимо коэффициента избытка воздуха при сгорании, определить также и коэффициент избытка воздуха в процессе сжатия ас, проанализировав пробу

газов, отобранную из цилиндра в этот период.

Двигатели с внешним смесеобразова­нием
Исключение составляют лишь двигатели с внешним смесеобразова­нием (карбюраторные), для которых средний коэффициент избытка воздуха при горении определяется непосредственно по результа­там замера расходов топлива и воздуха. При наличии продувки у таких двигателей некоторая неизвестная часть заряда цилиндра теряется за счет перетекания в выпускной трубопровод. Формула для таких двигателей не может быть использована с целью определения доли смеси, теряемой при продувке. А. С. Орлин и М. Г. Круглов предлагают ряд формул, из которых наиболее удобной является следующая приближенная формула, дающая в диапазоне ад = 0,71,3 погрешность не более ±1,8%.

Следовательно, газовый анализ в сочетании с некоторыми дру­гими замерами позволяет определить показатели процессов напол­нения и продувки. Задача осложняется необходимостью делать в ряде случаев отбор проб газа из цилиндра двигателя на разных стадиях рабочего процесса, что требует наличия специальных газоотборочных устройство. Вопрос о точности, обеспечиваемой газовым анализом при та­ких испытаниях, рассматривался рядом авторов. Погрешность определения коэффициента избытка воздуха ад — наименьшая; для коэффициента наполнения она заметно выше, так как к погреш­ностям определения коэффициента избытка воздуха добавляются погрешности определения состава топлива, его расхода, измерения параметров воздуха, поступающего в двигатель, и числа оборотов. Точность определения коэффициента продувки обычно несколько хуже, чем у ад, в связи с тем, что погрешности определения рас­хода воздуха через двигатель выше, чем погрешности удельного веса воздуха и числа оборотов двигателя.

Остаточные газы
Наиболее высока погрешность у коэффициента остаточных газов так как определение коэффициента избытка воздуха на линии сжатия ас ввиду ничтожной примеси в последнем углекислоты приводит к большой ошибке. Следует заметить, что чем выше величина коэффициента из­бытка воздуха тем ниже точность газового анализа, так как в этом случае незначительные содержания в газовой пробе всех компонентов определяются, как разность двух близких величин, что невыгодно для измерений. В качестве примера приведем результаты некоторых расчетов.

Предельная относительная погрешность определения коэффициента избытка воздуха при работе дизеля по нагрузочной характеристике оценена следующим образом: при нагрузках, близких к номинальным, при нагрузках по­рядка 20% от номинальной. Для коэффициента остаточных газов соответствующие погрешности составляют: при нагрузках, близких к номинальным, при нагрузках порядка20% от номиналь­ной. Ясно, что в последнем случае опытные зависимости даже с учетом различия между величинами предельной и вероятной погрешностей практически недостоверны. В 1961 г. была сделана попытка уменьшить погрешности результатов, получаемых с помощью газового анализа: был рас­смотрен метод определения содержания компонентов в анализируемой пробе. Сущность метода состоит в поглощении углекислоты гидратом окиси бария, остаток которого соляной кислотой. Масса пробы анализируе­мого газа определялась взвешиванием на аналитических весах, масса остатка — отсчетом по микробюретке в процессе титрования, которое должно произво­диться без доступа воздуха. Р. В. Казачков приводит вычисления, показывающие, что по­грешность определения содержания углекислоты предлагаемым . методом лежит в пределах 0,01% по объему, что в 10 раз точнее объемного метода определения количества углекислоты по при­бору ВТИ-2.

Уточнение метода
Нетрудно видеть, что уточнение метода связано со значитель­ным увеличением трудоемкости анализа. Поэтому микротитрометрия не получила большого распространения, хотя недавно снова использовалась при испытаниях дизеля. Недостаточная точность в сочетании со сложностью газоотбо­рочных устройств побудили исследователей изыскивать возмож­ность замены газового анализа другими методами исследования процессов наполнения и продувки. Из таких методов наибольшее распространение получил метод трассирующего газа, сущность которого заключается в том, что к воздуху, поступающему в дви­гатель, подмешивается некоторое количество какого-либо пара или газа, который должен полностью сгорать во время рабочего хода. В связи с этим, трассирующий газ может поступить в выпускной трубопровод только с продувочным воздухом.

Следовательно, измеряя концентрацию трассирующего газа на впуске и выпуске, можно определить коэффициент продувки двигателя, а затем и ряд других величин. Преимуществом метода является отсутствие необходимости отбора проб газа из цилиндра двигателя. В отечественном двигателестроении эту идею начал разраба­тывать С. Е. Лебедев, который подавал на впуск двигателя горю­чие газы (природный и генераторный).

За рубежом в качестве трассирующих газов опробовались аммиак, окись углерода, метан и др. и наиболее удобным был признан монометил­амин.

Дальнейшее развитие метода
Дальнейшее развитие метода было произведено А. И. Филимо­новым, изменившим недостаточно стойкий в химическом отноше­нии и не полностью сгорающий в цилиндре монометиламин значи­тельно более удобным для этих целей ацетоном. А. И. Филимоновым была разработана методика дозирования ацетона, поступающего во впускную систему, схема поглощения ацетона с помощью пропуска воздуха и отработавших газов через поглотители, установлен режим поглощения (подача воздуха и отработавших газов в количестве 20—22 дмУч) и пред­ложен метод определения ацетона путем поглощения его гидроксиламином с оттитрованием образующейся соляной кислоты едким натром.

Им также выведены соответствующие расчетные формулы для определения коэффициента продувки и проведены опыты с целью установления восприимчивости гидроксиламина к другим компонентам отработавших газов. Оказалось, что продукты сгорания поглощаются гидроксиламином, но в незна­чительном и стабильном количестве, что позволило А. И. Филимо­нову учесть влияние этого «мнимого ацетона» небольшой постоян­ной поправкой. Однако последний вывод был опровергнут исследованиями, проведенными в НАМИ. В результате исследований было установлено, что гидроксилами интенсивно поглощает не только ацетон, но и другие компоненты продуктов сгорания, в связи с чем концентрация «мнимого ацетона» является величиной переменной и может на режимах полной нагрузки и высоких числах оборотов двигателя достигать 18—20% от количества ацетона, введенного в воздух.

Увеличение точности
Для увеличения точности измерений было предложено на каждом режиме испытаний отбирать две пробы отработавших газов: «холостую» — без подачи ацетона в двигатель, и рабочую — с подачей ацетона. Фактическое содержание ацетона на выпуске предложено определять как разность его в рабочей и холостой пробах; при этом рабочую пробу желательно отбирать возможно дальше от выпускных органов. Кроме того, было установлено, что сгорание ацетона в двигателе является полным лишь на режимах, близких к номинальным, а на остальных режимах наблюдается недожог ацетона в количестве до 20% участвующего в. процессе сгорания. Установлено также, что коэффициент распада ацетона мало зависит от типа двигателя; последнее позволило рекомендо­вать полученные в опытах кривые коэффициента распада для двигателей других типов. Наконец предложено оригинальное дозирующее устрой­ство для точной подачи малых количеств ацетона путем истечения паров последнего через калиброванное отверстие.
Баллон заполняют на 3/3 — 3/4 ацетоном и помещают в бачок, заполненный водой и обогреваемый электроплиткой. Давление ацетона в баллоне является функцией температуры воды, изме­ряемой термометром. Под действием этого давления газообраз­ный ацетон вытекает через жик­лер и кран во впускной тру­бопровод двигателя. Наиболее удобно довести воду до темпера­туры кипения, так как при этом истечение ацетона стано­вится, и расход определяется параметрами па­ров ацетона в баллоне, кото­рые при постоянной темпера­туре кипения воды будут также постоянными.

Дозирование ацетона
Необходимость точного дозирования ацетона вызвана тем, что сгорая в цилиндрах, он заметно влияет на мощность и другие пока­затели двигателя, в связи с чем его подача должна быть минималь­ной (при методе измерений порядка 1 мг на 1 л воз­духа) и стабильной. Недостатки метода заставили искать поглоти­тели и реактивы, чувствительные только к ацетону. По-видимому, наибольшего внимания в настоящее время заслуживает нефелометрический метод, разработанный в МВТУ. Метод заключается в следующем: отбирают пробы воздуха и отработавших газов и пропускают их через поглотители, заполненные дистиллированной водой. Для определения концентрации ацетона в пробах состав­ляют стандартную шкалу растворов ацетона в воде по 2 см3 растворов разной концентрации.
Проба из поглотителя также в количестве 2 см3 титруется совместно со стандартными растворами — щелочью. При реак­ции ацетона в щелочной среде образуется йодоформ, и раствор мутнеет. Сравнивая через 5 мин степень помутнения пробы и стандартных растворов, с помощью фотометра определяют кон­центрацию ацетона в пробе. Нефелометрический метод обеспечивает точность определения концентрации ацетона до 0,001 мг/л воздуха, что в 10 раз выше точности метода. Это позволяет уменьшить подачу ацетона в двигатель до 0,18—0,20 мг/л, при которой трассирующий газ практически перестает влиять на показатели рабочего процесса. Повышение точности метода дало возможность использовать его не только для определения коэффициента продувки, но и коэффи­циента остаточных газов
При использовании метода трассирующего газа удобнее опре­делять не величину коэффициента продувки, а обратную ей ве­личину коэффициента использования воздуха.

Автоматическая компенсация давления
При этом достигается автоматическая компенсация давле­ний; для получения компенсации температуры после отсчета наблю­дают за уровнем воды в манометре. Если температура газовой пробы в момент отсчета не будет равна температуре воздуха в ком­пенсационном сосуде, то по мере их выравнивания уровни жид­кости в трубках манометра будут расходиться. Выждав стабили­зацию этих уровней и совместив их снова с помощью перемещения сосуда, повторяют отсчет.