Анализ выхлопных газов автомобиля и их связь с работой двигателя

Ремонт и техническое обслуживание автомобилей

Диагностика автомобилей газоанализаторами

Анализ содержания токсичных веществ в отработавших газах

Диагностирование технического состояния автомобильного двигателя и его систем с помощью газоанализатора – достаточно сложный процесс сопоставления тех или иных реальных (измеренных) параметров с оптимальными параметрами, удовлетворяющими требованиям экологических стандартов.
Чаще всего за основу оценки соответствия принимается соотношение количества топлива и воздуха в топливовоздушной смеси (ТВС). Корректируя это соотношение в ту или иную сторону можно существенно изменить количественное и качественное содержание вредных веществ в отработавших газах двигателей.

На рисунке 1 представлены зависимости содержания углеводородов (СnНm), окиси углерода (СО), кислорода (О2) и углекислого газа (СО2) в выхлопных газах от состава топливовоздушной смеси (топливо/воздух).

Следует отметить, что в общем случае при обогащении топливовоздушной смеси в выхлопных газах возрастает содержание окиси углерода (СО), поэтому этот газ считают индикатором обогащения.
По аналогичным соображениям избыток в отработавших газах кислорода (О2) служит индикатором обеднения смеси.

Рис. 1. Состав выхлопных газов в зависимости от соотношения воздух/топливо в смеси

Анализ содержания СО в выхлопных газах

Окись углерода (СО) – это газ, появляющийся в отработавших газах вследствие неполного окисления углерода топлива, что обычно является следствием недостатка кислорода в ТВС, т. е. обогащения смеси.
Окись углерода — ядовитый газ без цвета, вкуса и запаха, который является чрезвычайно токсичным.
Возможные причины повышенного содержания окиси углерода в выхлопе следующие:

  • неисправность систем вентиляции картера;
  • засорение воздушного фильтра;
  • неправильная регулировка оборотов двигателя на холостом ходу;
  • повышенное давление топлива в системе питания;
  • любые другие неисправности, приводящие к работе двигателя на богатых смесях.

При анализе состава отработавших газов однокомпонентным газоанализатором можно сделать вывод лишь о содержании в выхлопе окиси углерода (угарного газа).
Избыток окиси углерода (СО) в выхлопных газах означает, что в цилиндрах имеет место избыток топлива или недостаток кислорода. При этом образуется богатая смесь, и топливо сгорает не полностью.
Наиболее вероятными причинами избытка окиси углерода в системах питания, управляемых электроникой, могут быть:

  • повышенное давление топлива (например, засорился обратный топливопровод);
  • не исправен регулятор давления топлива (например, утечка через диафрагму);
  • неисправность в системе улавливания паров топлива в баке;
  • засорился воздушный фильтр или клапан в системе вентиляции картера.

Анализ содержания СО и СnНm в выхлопных газах

Двух- и многокомпонентные газоанализаторы позволяют более углубленно диагностировать причины чрезмерного содержания вредных веществ в отработавших газах, поскольку два компонента – окись углерода СО и углеводороды СnНm взаимно влияют на количественное содержание в выхлопе.
Основные причины повышенного содержания окиси углерода (СО) в отработавших газах рассмотрены выше.

Повышенное содержание СnНm — это признак неполного сгорания топлива, при этом двигатель работает неэкономично. Содержание углеводородов в выхлопных газах возрастает при дросселировании, при работе двигателя на режимах принудительного холостого хода (например, при торможении двигателем). При работе двигателя на указанных режимах ухудшается процесс смесеобразования (перемешивания топлива и воздуха в цилиндрах), уменьшается скорость сгорания, ухудшается воспламенение и, как результат, — возникают его частые пропуски зажигания.
Выделение углеводородов вызывается неполным сгоранием смеси вблизи холодных стенок цилиндров, в переобогащенных зонах камеры сгорания, где недостаточное количество кислорода, некачественным распыливанием топлива и неудовлетворительным завихрением топливовоздушного заряда, а также при относительно низких температурах сгорания смеси (например, в режиме холостого хода).

После устранения неисправностей, связанных с повышенным содержанием СnНm, экономичность двигателя улучшается.
Следует помнить, что углеводороды (СnНm, этан, метан, этилен, бензол, пропан, ацетилен и др.) – это частички и компоненты несгоревшего топлива.
Углеводороды играют активную роль в образовании биологически активных веществ, вызывающих раздражение глаз, горла, носа и их заболевание, и наносящих ущерб растительному и животному миру. Углеводородные соединения оказывают наркотическое действие на центральную нервную систему, могут являться причиной хронических заболеваний, а некоторые ароматические углеводороды обладают отравляющими свойствами. Углеводороды (олефины) и оксиды азота при определенных метеорологических условиях активно способствуют образованию смога.

Наиболее часто увеличенное содержание углеводородов в выхлопных газах вызывается неполадками в системе зажигания, когда топливовоздушная смесь выбрасывается в выпускной тракт не сгоревшей.
При этом причинами увеличенного содержания углеводородов в отработавших газах чаще всего являются:

  • загрязнение свечей;
  • неисправность высоковольтных проводов;
  • повреждения катушки зажигания;
  • неисправность крышки или ротора распределителя;
  • нарушение установочного угла опережения зажигания (слишком большой или малый);
  • неисправность датчика положения коленчатого вала;
  • неисправность электронного модуля зажигания.

Другой причиной может быть работа на переобедненной смеси, которая плохо воспламеняется.
Причиной чрезмерного обеднения смеси могут послужить следующие неисправности:

  • утечка разрежения, например, через трещину в вакуумном шланге;
  • негерметичность впускного тракта;
  • негерметичность дроссельного патрубка или карбюратора;
  • ослабла или сломана пружина выпускного клапана.

В непрогретом двигателе условия сгорания смеси неоптимальные из-за конденсации паров топлива на стенках цилиндров, что также приведет к содержанию СnНm в выхлопных газах выше нормы. Поэтому проверку и анализ выхлопа следует проводить на полностью прогретом двигателе.

Читайте также:  На щитке приборов горит неисправность двигателя

Повышенное содержание окиси углерода СО и углеводородов СnНm в выхлопных газах возникает, если система питания подает в цилиндры двигателя богатую смесь, либо при переобогащении смеси из-за неисправностей в системе зажигания.

Например, если свеча загрязнена, искрообразования может не последовать, и несгоревшая топливовоздушная смесь поступит в выпускной тракт. Непрореагировавший кислород этой смеси будет принят датчиком кислорода как признак слишком бедной смеси, о чем он немедленно сообщит электронному блоку управления (ЭБУ). ЭБУ выдаст сигнал на обогащение смеси, искрообразование может еще более ухудшиться, а в выхлопных газах будет еще больше СО и СnНm. В этом случае следует искать неисправности в системе зажигания.

Как убедиться, что система управления двигателем работает в замкнутом режиме (с обратной связью от датчика кислорода)?

В системе управления впрыском топлива датчик кислорода выполняет функцию определителя концентрации кислорода в выхлопных газах и входит в состав электронного сравнивающего устройства (компаратора). На одном входе компаратора сигнал, фиксирующий текущий (фактический) состав рабоче смеси, на другом – электронный сигнал, соответствующий оптимальному (метрическому) составу смеси. Компаратор работает в режиме релейного регулирования, постоянно сравнивая значения сигналов.
Для проверки системы регулирования поступают следующим образом:

1. Подключают стрелочный вольтметр к выходу датчика кислорода, используя булавку или «break-out-bох» (если есть). 3апускают и прогревают двигатель. Сигнал на выходе датчика кислорода исправного прогретого двигателя на холостом ходу должен переключаться между уровнями 0,2… 0,8 В с частотой 4…1 Гц.
Стрелка вольтметра в режиме измерения установившегося постоянного напряжения должна слегка колебаться в районе 0,45 В.

2. Глядя на вольтметр, отсоединяют от впускного коллектора вакуумный шланг. Напряжение на выходе датчика упадёт ниже 0,3 В, это реакция на обеднение смеси из-за утечки разрежения. ЭБУ в режиме с обратной связью компенсирует избыток кислорода подачей дополнительного топлива, смесь, опять станет стехиометрической, стрелка вольтметра опять вернется к напряжению 0,45 В.

3. Наблюдая за стрелкой вольтметра, из баллона с пропаном выпускают немного газа перед воздухозаборником двигателя. На некоторое; время вольтметр покажет 0,8 В, индицируя богатую смесь. Затем ЭБУ отработает это возмущение, уменьшив, подачу топлива через форсунки.
Режим опять станет стехиометрическим, стрелка, прибора будет, колебаться в районе 0,45 В.

Источник

Анализ выхлопных газов автомобиля и их связь с работой двигателя

В сознании многих газоанализатор прочно ассоциируется с определением токсичности выхлопных газов автомобиля. Это действительно так. Контроль токсичности — одна из основных функций газоанализатора, но не единственная. В этой статье мы расскажем, как можно использовать газоанализатор для диагностики бензиновых двигателей.

Устаревшее представление, что газоанализатор служит только для регулировки и контроля токсичности выхлопных газов, не позволяет многим автомеханикам-диагностам правильно оценить состояние двигателя и системы зажигания. Да и проблема экологии работников автосервиса часто мало волнует. Для опытного же диагноста газоанализатор служит своего рода «глазами», позволяя «заглянуть» внутрь камер сгорания работающего двигателя и определить, как идет процесс горения топливовоздушой смеси. Как врачу для постановки диагноза необходимы анализы пациента, так и мастеру нужны данные «анализа», чтобы выявить «болячки» двигателя, ведь состав выхлопных газов напрямую зависит от его состояния.

Эффективность работы двигателя в первую очередь определяется полнотой сгорания топлива. Она зависит от многих факторов:

  • от оптимального соотношения воздуха и топлива (за это отвечают системы измерения расхода воздуха и дозирования топлива);
  • от их тщательного перемешивания (на это влияет состояние форсунок, впускных каналов и камер сгорания);
  • от эффективности предварительного сжатия заряда смеси, которое зависит от состояния ЦПГ и ГРМ;
  • от эффективности воспламенения, что подразумевает исправность всех элементов системы зажигания и оптимальный УОЗ.

Любое отклонение от нормы или несогласованность в работе систем двигателя приводит к снижению его эффективности и, как следствие, к изменению концентрации продуктов сгорания. Конструктивные недочеты, эксплуатационные отклонения параметров, нарушения регулировок — все это, так или иначе, отражается на составе «выхлопа». Попробуем разобраться, какую информацию можно извлечь из состава выхлопных газов.

Немного теории. Прежде всего, вспомним из школьного курса состав атмосферного воздуха, это потребуется для правильного понимания сути происходящего.

Азот ____________________________78%
Кислород ________________________20.95%
Аргон____________________________0.93%
Углекислый газ (СО2)______________0.03%

Остальные газы, в основном инертные, присутствуют в малых количествах и в нашем случае значения не имеют, как впрочем, и аргон. Цифры, очень близкие к приведенным, можно увидеть на табло газоанализатора, если включить его на «свежем воздухе».

Итак, в цилиндрах двигателя сгорает горючая смесь. Реакция окисления углеводородов топлива происходит по следующей схеме:

СН + О2 => СО2 + Н2О.

Состав смеси принято оценивать коэффициентом избытка воздуха «лямбда». Он представляет собой отношение реального количества воздуха, поступившего в цилиндры, к тому количеству, которое необходимо для полного сгорания поступившего в цилиндры топлива. Смеси, в которых количество воздуха совпадает с теоретически необходимым, называются стехиометрическими. Лямбда в этом случае равна 1. Если количество воздуха больше необходимого, то смесь принято называть бедной, и лямбда находится в диапазоне 1.0. 1.3. Более бедная смесь перестает воспламеняться. Если же воздуха меньше необходимого, то смесь называют богатой. Такая смесь характеризуется значением лямбда 0.8. 1.0.

Казалось бы, при сгорании стехиометрической смеси выхлопные газы должны состоять из углекислого газа СО2, водяного пара Н2О и азота N2. На деле не все так просто. Под действием высокой температуры в цилиндре двигателя азот и кислород вступают в реакцию, в результате которой образуются оксиды азота, в основном NО. Кроме того, в отработавших газах (ОГ) всегда содержатся углеводороды, обозначаемые обычно СН. Они представляют собой исходные или распавшиеся молекулы топлива, которые не принимали участия в сгорании. Часть СН выбрасывается в результате того, что на тактах впуска и сжатия горючей смеси пары топлива поглощаются масляной пленкой на стенках цилиндров. На такте выпуска происходит их выделение из пленки.

Кроме этого, в ОГ обязательно присутствует продукт неполного сгорания топлива — оксид углерода СО (угарный газ). И, конечно же, неизбежно остается не вступивший в реакцию кислород. Поэтому состав отработавших газов исправного инжекторного двигателя, не оборудованного катализатором, при смеси, близкой к стехиометрической, выглядит так:

СО % CH ppm rpm
0.60 190 850
CO2 % O2 % лямбда
14.3 1.06 1.029

Значения параметров близки к типичным, но далеко не эталонные. Если взглянуть на схему реакции, то становится вполне очевидным, что оптимальное сгорание горючей смеси характеризуется максимальным выделением углекислого газа СО2. Грубо говоря, чем качественнее сгорает топливо в двигателе, тем больше СО2 в составе ОГ, и это один из критериев, которыми можно воспользоваться при проверке и регулировке систем топливоподачи.

Как же извлечь из данных газоанализа необходимую информацию?

Прежде всего, нужно понять, что газоанализатор не укажет на неисправный датчик или пробитую свечу, но с его помощью можно определить направление поиска. Рассмотрим это на примерах.

Бедная смесь. Этот режим характеризуется низким содержанием СО, пониженным СО2, повышенным — кислорода и СН. Расчетный параметр лямбда окажется больше единицы. С первыми тремя параметрами все ясно, низкие значения СО и СО2 и повышенная концентрация кислорода образуются из-за нехватки топлива и (или) избытка воздуха. Возникает вопрос — почему имеет место повышенная концентрация СН? Все просто — бедные смеси хуже горят. Причины бедной смеси применительно к инжекторным двигателям — подсос воздуха во впускной тракт, низкое давление топлива, неверные показания датчика массового расхода воздуха (ДМРВ), неверная регулировка топливоподачи. Искать конкретную причину необходимо уже с помощью других приборов (мотортестера, осциллографа, топливного манометра, тестера утечек). Бедную смесь нельзя путать со следующим дефектом.

Негерметичность системы выпуска. Представим себе, что имеет место неплотное соединение или трещина. Что при этом происходит? Через неплотность подсасывается атмосферный воздух и, смешиваясь с отработавшими газами, изменяет их состав. У начинающих может возникнуть вопрос — почему воздух подсасывается, вроде бы должно быть наоборот. Дело в том, что перемещение газов в выхлопном тракте носит волновой характер, и зоны давления чередуются с зонами разрежения. Именно в зону разрежения и подсасывается воздух. А теперь вспомним состав атмосферы. Даже если подсос незначителен, то содержание О2 в ОГ увеличится достаточно сильно! Ведь в воздухе его почти 21%, а в ОГ около 1%. В то же время СО2 в воздухе мало, и количество этого газа в составе ОГ изменится не так значительно. То же можно сказать и про СО и СН. Итак, необходимо различать бедную смесь и подсос воздуха в выпускной тракт. Во втором случае имеет место неестественно высокие значения О2 и лямбда:

СО % CH ppm rpm
0.60 185 850
CO2 % O2 % лямбда
13.8 2.06 1.078

Достаточно низкое содержание СН говорит о том, что топливо сгорает хорошо, и СО вроде бы в норме, но очень много кислорода, и, соответственно, высокое значение лямбда. Снимок сделан на автомобиле, у которого преднамеренно был ослаблен хомут глушителя. Добавим еще, что подобный дефект с помощью двухкомпонентного газоанализатора обнаружить попросту невозможно. Некоторые газоанализаторы могут вычислять корректированное значение СО. Дело в том, что концентрация СО может быть не только измерена, но и рассчитана, исходя из концентрации других компонентов выхлопных газов. При этом оба значения СО не должны значительно различаться. Расхождение же будет свидетельствовать о подсосе воздуха через неплотности в выпускной системе.

Богатая смесь. В этом случае газоанализатор покажет высокое содержание СО, повышенное СН, пониженное СО2, О2, и лямбда меньше единицы. Причин много — неверные показания ДМРВ (чаще всего), повышенное давление топлива, неверный сигнал датчика температуры (ДТОЖ). Говоря о повышенном содержании СН, следует понимать величину до 300..500 ррm, такое значение обычно сопровождает богатую смесь. Если же оно значительно выше, причем признаки богатой смеси могут и отсутствовать, то это уже проявление следующего дефекта.

Высокое содержание СН. Мы уже говорили о том, какими путями СН появляется в отработавших газах. Нормальное значение этого параметра — 50..200 ррm. Если на табло прибора мы видим СН, равный 300..400 и более, это повод искать причину, по которой бензин попросту не сгорает, другими словами, имеют место пропуски воспламенения. Не «пропуски искры», как иногда выражаются, а именно воспламенения. А вот причин этих пропусков много. Изношенные или неисправные свечи (см. рис.), высоковольтные провода, дефектный модуль или катушка зажигания, не отрегулированные клапаны, пониженная компрессия, неисправная (забитая) форсунка.

Это может проявляться как в одном, так и в нескольких цилиндрах. Еще одна причина повышенного содержания в ОГ паров топлива — неплотный или начинающий прогорать выпускной клапан. В этом случае на такте сжатия часть топливного заряда попросту выталкивается в выпускной тракт. Двигатель при этом может работать вполне нормально, и остальные параметры газоанализа будут в норме. Ниже приведен пример параметров выхлопа двигателя, имеющего дефектные свечи.

СО % CH ppm rpm
0.35 385 840
CO2 % O2 % лямбда
12.8 2.06 1.098

Все остальные системы заведомо в полном порядке. Проанализируем полученные данные. Повышенное содержание в ОГ паров топлива говорит о том, что последнее попросту не сгорает. Далее: СО понижено, и его значение позволяет сделать вывод, что причина не в богатой смеси. Высокое содержание кислорода вместе с высоким СН позволяет сделать предположение о пропусках. Закономерен вопрос — откуда кислород? Да из тех же цилиндров, которые при пропусках просто выплевывают атмосферный воздух, смешанный с бензином, не воспламеняя его. СО2 понижено, что тоже говорит о ненормальном сгорании. Ну а лямбда — прибор рассчитывает ее, исходя в том числе, и из содержания кислорода. Именно пропуски вспышек и наблюдаются в таком случае, и они хорошо слышны у среза выхлопной трубы.

Датчики кислорода и катализаторы. То, что автомобиль оснащен ДК и катализатором, не избавляет, как ни странно, от применения газоанализатора. Кстати, именно появление катализатора дало немалый импульс развитию многокомпонентных приборов газоанализа. Двухкомпонентные газоанализаторы, как диагностические приборы, в этих условиях оказались малоэффективными. Они не давали полноценной информации о работе двигателя, так, как каталитические нейтрализаторы активно уменьшают именно концентрацию измеряемых ими продуктов сгорания СО и СН. Для замера состава ОГ при помощи двухкомпонентного газоанализатора ранее некоторые модели автомобилей снабжались специальным патрубком для отбора пробы газов до катализатора. С появлением четырехкомпонентных газоанализаторов необходимость в этом отпала. Такие газоанализаторы позволяют расчетным путем определить исходный состав топливной смеси даже для двигателей, выхлопная система которых оборудована катализатором. Помимо этого, они предоставляют диагносту несколько дополнительных параметров, анализ которых позволяет глубже понять характер процессов, происходящих в двигателе. Полноценная диагностика включает в себя проверку правильного функционирования системы управления двигателем, даже если последняя не предоставляет возможности что-то отрегулировать. Итак, автомобиль, оборудованный датчиком кислорода и катализатором. Вставляем зонд прибора в выхлопную трубу, ждем. Если все в порядке, будет что-то похожее:

СО % CH ppm rpm
0.05 0.20 850
CO2 % O2 % лямбда
15.7 0.26 1.008

Что мы видим? Что катализатор свое дело знает, полноценно «дожигая» ОГ до гораздо более безобидного состояния. СО — внизу предела измерения, совсем мало СН. Зато значение СО2 близко к максимальному, и очень мало кислорода, ибо весь ушел на превращение СО и СН в безвредные СО2 и Н2О. Ну и лямбда почти в идеале. При проведении таких замеров важно, чтобы двигатель был полностью прогрет, а система управления работала в режиме замкнутой петли обратной связи по датчику кислорода. Кстати, оценить эффективность катализатора можно по скорости его прогрева, наблюдая изменение концентраций компонентов ОГ после запуска двигателя. Двигателю и катализатору перед этим необходимо дать остыть в течение 30–40 мин.

Приведем еще пример. Ниже приведен состав ОГ двигателя с полностью неработающей форсункой (бывает и такое). Полная дисгармония, огромное содержание кислорода и отсюда запредельная лямбда. Естественно, при работе на такой смеси некоторое время система управления пытается корректировать смесь, но безрезультатно. Прописывается ошибка по датчику кислорода, система управления переходит в аварийный режим работы с разомкнутой петлей по ДК.

СО % CH ppm rpm
0.09 265 830
CO2 % O2 % лямбда
8.18 8.56 1.738

Естественно, рассмотренные примеры охватывают далеко не полный перечень возможных ситуаций. Иногда один двигатель содержит кучу разных «болячек», и выявить дефект с первого взгляда на табло газоанализатора не удается. В любом случае, нужно подходить к поиску дефекта творчески, газоанализатор — только помощник вашему опыту и интуиции.

Напоследок несколько нетривиальных способов использования газоанализатора:

  • Если двигатель не запускается, убедитесь в том, что концентрация СН в выхлопной трубе равна или выше 2000 ppm. В противном случае топливо в двигатель не поступает.
  • При поиске мест утечек топлива обследуйте проботборным зондом газоанализатора подозрительные места. Скачек концентрации СН укажет источник течи.
  • Если двигатель перегревается, поднесите зонд газоанализатора к открытому расширительному бачку системы охлаждения. Наличие в парах СН и СО свидетельствует о пробитой прокладке ГБЦ.

Источник

Adblock
detector