газоанализатор

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

2.1.4. Качество горения топливовоздушной смеси

Для наиболее полного сгорания топлива, определяющего эффективность функционирования двигателя, необходимо обеспечить ряд условий. Главное из них – оптимальное соотношение топлива и воздуха.

Для каждого типа топлива, применяемого в двигателе внутреннего сгорания, существует такое соотношение. Точку оптимума называют стехиометрическим соотношением. Например, обычный бензин сгорает наиболее полно, если в смеси на каждый его грамм приходится 14,7 граммов воздуха. Значит, стехиометрическое соотношение для бензина – 14,7. Важным является то, что любые отклонения от оптимума (независимо от того, чем они вызваны) сопровождаются однозначным изменением концентрации продуктов сгорания. Поэтому, измеряя их содержание, можно судить о качестве топливовоздушной смеси.

Основное влияние на состав выхлопных газов оказывает качество топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя. Качество смеси характеризуется коэффициентом избытка воздуха, обозначаемым обычно «лямбда» (λ) или «альфа» (α). Строго говоря, λ – это отношение реального количества воздуха в смеси к теоретическому, тому, которое соответствует полному сгоранию топлива. В идеальном случае λ равна 1,

иэто значит, что смесь состоит примерно из 14,7 частей воздуха и одной части бензина, которая в этом случае сгорает полностью с образованием

только двух компонентов – углекислого газа (СО2) и водяного пара (Н2О). Понятно, что при полном сгорании бензина концентрация СО2 будет максимальна. Если смесь обогатить, т.е. увеличить содержание в ней топлива (λ< 1), то при ее воспламенении из-за недостатка кислорода образуются продукты неполного сгорания бензина – оксид углерода СО и несгоревшие углеводороды СН (в иностранной литературе их принято обозначать НС). Обеднение смеси (λ> 1) сначала приводит к снижению концентрации СО и СН в выхлопных газах, и при λ = 1,1 их количество становится минимальным. Дальнейшее обеднение смеси, несмотря на избыток кислорода, ухудшает сгорание топлива, возникают пропуски воспламенения, двигатель начинает работать неустойчиво. И, как следствие этого, в выхлопе увеличивается доля

продуктовнеполногосгорания, впервуюочередь – СН.

На практике идеального сгорания не бывает, поскольку небольшая часть топлива оседает на стенках камеры сгорания, да и по объему камеры смесь однородно не перемешивается. Это значит, что в выхлопных газах всегда присутствуют СО и СН в некоторых концентрациях.

Понятно, что качество смеси влияет не только на состав выхлопа, но

ина основные характеристики двигателя – мощность и экономичность.

Так, максимальную мощность обеспечивает богатая топливом смесь (λ ≈ 0,9), а наибольшую экономичность – бедная (λ ≈ 1,1). В этих пределах

15

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

значений λ регулируют подачу топлива в двигатель в зависимости от режимов его работы – частоты вращения и нагрузки.

Проследим обратную цепочку: если система управления двигателем работает неправильно либо возникли неисправности в механической части, это снижает мощность и ухудшает экономичность, значит, изменяется состав топливной смеси, что в свою очередь приводит к изменению состава выхлопных газов, причем обычно, – в сторону увеличения вредных выбросов. На рис. 9 приведены графики изменения состава выхлопных газов в зависимости от коэффициента избытка воздуха.

Рис. 9. Графики изменения состава выхлопных газов

Качество топливной смеси сильно влияет не только на состав выхлопных газов, но и на основные параметры двигателя (крутящий момент М, расход топлива q).

Все вышесказанное нашло отражение в конкретных числовых значениях компонентов для разных типов двигателей.

Так, для нормально работающего двигателя без нейтрализатора значение λ оказывается в интервале оптимума 0,9 - 1,1, а концентрации компонентов выхлопа должны лежать в следующих пределах: СО = 0,5–1,5 %;

СН = 50 - 400 ppm; СО2 = 13 - 14,5 %; О2 = 0,2 - 2,5 %; (где ppm – миллион-

ные доли объема, связанные с процентным содержанием приближенной зависимостью 10000 ppm =1 %).

У автомобилей с каталитическим нейтрализатором состав выхлопных газов будет совсем иным, поскольку нейтрализаторы обеспечивают доокисление (дожигание) СО и СН в СО2 и Н2О. Для этого система управления должна подавать бедную топливную смесь (λ > 1), чтобы перед нейтрализатором в ней был определенный избыток кислорода, необходимый для реакции доокисления.

16

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Интересно, что нейтрализаторы, предназначенные для уменьшения выбросов только СО и СН, применялись до начала 90-х годов, пока не было установлено, что образующиеся при сгорании топлива окислы азота (обычно их обозначают NОx) не менее опасны, появляются в камере сгорания двигателя при очень высоких температурах, когда начинает окисляться азот, содержащийся в воздухе. Неприятная особенность азотных окислов в том, что обезвредить их дожиганием в нейтрализаторе невозможно. Единственный выход – расщепить окислы до исходных веществ – азота и кислорода, но это возможно только на богатых смесях. Тем не менее, оба процесса – дожигание продуктов СО и СН и расщепление окислов азота – можно совместить в одном каталитическом нейтрализаторе, если поддерживать значение λ близким к единице.

Именно на этом принципе построены современные нейтрализаторы, получившие название «трехкомпонентных».

Система управления двигателем автомобиля, оборудованного трехкомпонентным нейтрализатором, имеет специальный кислородный датчик, с помощью которого состав топливной смеси строго поддерживается в пределах значений λ между 0,97 и 1,03. Тогда концентрация продуктов выхлопа становится следующей: СО = 0,05 - 0,25 %; СН = 5 - 50 ppm;

СО2=14,5 - 15,5 %; О2=1,0 - 2,0 %.

Как видим, эти цифры заметно отличаются от аналогичных значений, приведенных выше. Более того, в автомобилях с нейтрализаторами при возникновении различных неисправностей двигателя состав выхлопа меняется уже не так сильно – нейтрализатор нередко гасит их влияние. Но об этом речь впереди.

2.1.5. Диагностика с применением 4-компонентного газоанализатора

Диагностирование карбюраторных и впрысковых двигателей не имеет принципиальных отличий, если есть возможность отбора проб до катализатора. И карбюратор, и система впрыска выполняют одну и ту же задачу, только последняя – на более современном, высоком уровне. Поэтому рассмотрим методику диагностики на примере карбюраторного двигателя, делая заметки для систем впрыска, что дает более полную информацию о работе самого двигателя, а не о качестве функционирования карбюратора.

Проверку необходимо начинать с параметров холостого хода (Х.Х.).

17

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

*Глушитель имеет слив для конденсата.

Завышенное содержание СО на холостом ходу (> 1,5 %) приводит к перерасходу топлива в городском цикле и провалу в начале движения дроссельной заслонки. Если не удаётся отрегулировать карбюратор на предмет снижения СО до необходимого уровня винтом качества смеси, то наиболее вероятными причинами могут быть:

–повреждение уплотнительного кольца на винте качества;

–завышенный уровень топлива в поплавковой камере;

–увеличенный размер главного топливного жиклёра;

–заедание в приоткрытом состоянии заслонки во вторичной камере;

–засорение воздушного фильтра или жиклёра.

На автомобилях, оборудованных системой впрыска топлива, в этом случае возможны неисправности:

–потенциометра СО;

–датчика массового расхода воздуха;

–лямбда-зонда;

–датчика температуры охлаждающей жидкости (показывает заниженную температуру).

Заниженное значение СО (< 0,3 %) вызывает «вялый» разгон, начальный провал и перерасход топлива, так как приходится чаще дросселировать. А значение СО < 0,1% вызывает «проскоки» искры, а значит, увеличение содержания СН и, следовательно, перерасход топлива. Если не удаётся отрегулировать заниженное СО, то наиболее вероятны:

–заниженный уровень топлива в поплавковой камере;

–малая подача топлива в карбюратор;

–засорение главного топливного жиклёра или системы холостого

хода.

Для систем впрыска:

–недостаточное давление в топливной рампе (бензонасос, фильтр тонкой очистки, регулятор давления топлива);

–закоксовывание форсунок.

Далее проверка работы карбюратора проводится на средних оборотах двигателя.

СО – 0,1 - 0,2 % – экономичный расход топлива; СО – 0,4 - 0,5 % – средний расход топлива при хорошей приемисто-

сти;

СО – 1,0 - 2,5 % – большой расход топлива при максимальной мощности на средних оборотах.

18

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Средние обороты – это трассовый цикл движения автомобиля. Большую часть времени двигатель работает именно на этих оборотах, и, соответственно, по ним определяется расход топлива. Если на автомобилях, оборудованных системой впрыска с микропроцессорным управлением, количество подаваемого через форсунки топлива определяется программой блока управления, то в карбюраторных двигателях все зависит от соотношения диаметров главного топливного и воздушного жиклёров. Подбирая жиклёры и ориентируясь при этом на содержание СО, можно получить различные характеристики двигателя.

Остаточное содержание углеводородов СН в выхлопных газах показывает качество сгорания ТВ-смеси. Чем полнее сгорает бензин, тем ниже содержание СН. Любое отклонение по компонентному составу ТВ-смеси приводит к увеличению содержания несгоревших углеводородов. При излишне «богатой» смеси (высокое СО) скорость её горения замедляется. Часть топлива до начала открывания выпускных клапанов сгореть не успевает и выбрасывается в атмосферу. При переобеднённой смеси (СО < 0,1%) происходит «проскок» искры, и смесь не воспламенившись выводится в выпускную систему. Содержание СН возрастает. Далее будет рассмотрено несколько примеров, связанных с работой свечей зажигания.

Данные параметры при пропусках зажигания четырёхцилиндрового двигателя говорят о том, что свеча в одном цилиндре не срабатывает:

А-х.х. – каждое пятое искрообразование; Б-х.х. – каждое третье; В-х.х. – каждое второе;

Г-х.х. – свеча полностью не работает.

Как правило, свечи начинают выходить из строя на холостом ходу. Поэтому при пропусках зажигания уменьшается доля СО и СО2, а доля О2 возрастает. Если при увеличении оборотов до средних характеристика восстанавливается полностью, то необходимо проверить свечи.

Завышенное содержание СН на холостом ходу может свидетельствовать о недостаточной компрессии в одном или нескольких цилиндрах. Это происходит в результате снижения скорости горения ТВ-смеси при недостаточной степени сжатия. При увеличении числа оборотов содержание СН несколько снижается, оставаясь по-прежнему завышенным.

19

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

На впрысковом двигателе при неисправной одной форсунке параметры будут приблизительно такими.

Форсунка не работает, топливо не подается, а количество воздуха во впускной системе остаётся прежним. Поэтому увеличивается содержание не участвующего в горении О2 и снижается СО и СО2. СН тоже незначительно уменьшается.

Форсунка «льёт» – плохое распыление. ТВ-смесь получается неоднородной и сгорает не полностью.

При подсосе воздуха во впускную систему в режиме холостого хода параметры будут примерно следующими.

Регулировка на Х.Х. параметров почти ничего не меняет, двигатель работает неустойчиво. При увеличении числа оборотов доля несанкционированного воздуха уменьшается, и параметры принимают нормальные значения. На впрысковом двигателе подсос воздуха можно зафиксировать по заниженному показанию датчика массового расхода воздуха.

Нарушение фаз газораспределения характеризуется неустойчивой работой двигателя на Х.Х. и «выстрелами» во впускную и выпускную системы при увеличении числа оборотов. Показания газоанализатора будут примерно следующими:

При впрысковом двигателе показание ДМРВ при этом будет завышено, а длительность впрыска увеличена.

При сбоях в системе зажигания параметры приблизительно таковы:

20

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

При неправильно отрегулированных клапанах показания газоанализатора будут близки к приведенным выше при сбоях в системе зажигания.

Если искусственным путем в двигателе и системе его управления последовательно моделировать некоторые простые, но часто встречающиеся дефекты и неисправности и после этого регистрировать состав выхлопных газов и сравнивать его с исходным, соответствующим нормальной работе двигателя, то можно получить объективные данные.

На рис. 10 приведены показания газоанализатора (слева), которые дополнялись данными с дисплея мотортестера (справа): при необходимости можно было проверить установку зажигания, разрежение во впускном коллекторе и другие параметры.

Рис. 10. Показания токсичности

При моделировании той или иной неисправности обороты холостого хода у обоих автомобилей необходимо восстанавливать до исходных, а у карбюраторного еще приводить к исходному и качество топливной смеси.

2.1.6. Диагностика системы топливоподачи инжекторного двигателя

Нейтрализатор дожигает СО и СН практически полностью, значит, чтобы получить корректные данные, необходимо произвести измерения до нейтрализатора.

Как уже говорилось выше, проверку необходимо начинать с параметров холостого хода (Х.Х.) (рис. 11).

Далее проверка работы инжекторного двигателя проводится на средних оборотах двигателя (рис. 12).

Следующий пример связан с одной неработающей форсункой

(рис. 13).

21

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Рис. 11. Показания на холостом ходу двигателя

Рис. 12. Показания на средних оборотах двигателя

Рис. 13. Показания при нерабочей форсунке

22

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Сведем полученные данные в табл. 2.

Таблица 2 Результаты измерения состава выхлопных газов и качества смеси у

инжекторного автомобиля до λ зонда

Теперь измерим те же параметры после нейтрализатора (табл. 3). Таблица 3

Результаты измерения состава выхлопных газов и качества смеси у инжекторного автомобиля (n = 750 об/мин)

Проаназирировав полученные данные, мы видим, что определить с помощью газоанализатора какую-либо неисправность на двигателе со впрыском топлива и нейтрализатором довольно сложно.

Исключение составляет случай неработающего цилиндра, когда при незначительном росте СО количество углеводородов выросло почти в

10 раз.

По двум компонентам (СО и СН) конкретизировать неисправность здесь нельзя. Зато концентрации СО2 и О2 картину проясняют.

Очень удобен четырехкомпонентный газоанализатор и для предварительного обнаружения других неисправностей. Так, дефект кислородного датчика (достаточно распространенный случай) в системе управления двигателем обычно приводит к обогащению смеси. Измерением же только двух компонентов (СО и СН) эту неисправность не выявить.

23

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

И еще. Газоанализаторы профессионального уровня обычно дают возможность определить так называемую корректировочную концентрацию (СОк). Если СОк больше непосредственно измеренного СО, то это, как правило, означает негерметичность в системе выхлопа.

В результате вышесказанного можно сделать вывод, что двухкомпонентный газоанализатор неэффективен, а для современных автомобилей со впрыском топлива и вовсе бесполезен.

2.2. Отчёт о работе

Отчет по лабораторной работе № 2 приведен в прил. 2.

После выполнения работы отчет необходимо заполнить и защитить у преподавателя.

Контрольные вопросы

1.Что такое стехиометрическое соотношение топливовоздушной

смеси?

2.В каком интервале находится оптимальное значение λ для нормально работающего двигателя без нейтрализатора?

3.Для чего предназначены нейтрализаторы?

4.Поясните достоинство четырехкомпонентного газоанализатора.

24