газоанализатор
.pdfСПБГУАП 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.).
Параметры |
СО, % |
СН, ppm |
СО2, % |
О2, % |
|
X.X. |
0,8 - 1,0 |
100 - 200 |
13 - |
14 |
3 - 4 |
Х.Х.* |
0,8 - 1,0 |
100 - 200 |
11 - |
12 |
1 - 2 |
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.
Параметры |
СО |
СН |
СО2 |
О2 |
Средние обо- |
0,1 - 0,2 % |
< 150 ppm |
13 - 14 % |
около 1 % |
роты |
|
|
|
|
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.
Параметры |
А-х.х. |
Б-х.х. |
В-х.х. |
Г-х.х. |
СО |
~0,6 % |
~0,5 % |
~0,4 % |
~0,3 % |
СН |
250 - 400 ppm |
400 - 800 ppm |
800 - 1200 ppm |
1500 - 2000 ppm |
СО2 |
11 - 12 % |
10 - 11 % |
9 - 10 % |
8 - 9 % |
О2 |
3 - 4 % |
4 - 5 % |
5 - 6 % |
6 - 7 % |
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.
Параметры |
СО |
СН |
СО2 |
О2 |
X.X. |
0,3 - 0,4 % |
100 - 150 ppm |
8 - 9 % |
6 - 7 % |
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.
Параметры |
СО |
СН |
СО2 |
О2 |
X.X. |
0,5 - 0,6 % |
500 - 800 ppm |
9 - 10 % |
5 - 6 % |
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.
Параметры |
СО |
СН |
СО2 |
О2 |
X.X. |
< 0,2 % |
500 - 1000 ppm |
8 - 9 % |
7 - 9 % |
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:
Параметры |
СО |
СН |
СО2 |
О2 |
X.X. |
< 0,1 % |
> 1000 ppm |
6 - 8 % |
7 - 9 % |
При впрысковом двигателе показание ДМРВ при этом будет завышено, а длительность впрыска увеличена.
При сбоях в системе зажигания параметры приблизительно таковы:
Параметры |
СО, % |
СН, ppm |
СО2, % |
О2, % |
|
X.X. |
0,8 - 1,0 |
600 |
- 800 |
10 - 11 |
3 - 4 |
ср.обороты |
> 0,1 |
1000 |
- 1500 |
9 - 10 |
5 - 6 |
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
Неисправность |
|
|
Параметры |
|
||
СО, % |
СН, |
СО2, % |
О2, % |
λ |
||
|
ppm |
|||||
Рекомендуемые значения |
0,05 - 0,25 |
5 - 50 |
14,5 - 15,5 |
1,0 - 2,0 |
0,97 - 1,03 |
|
Исходная регулировка |
0,19 |
56 |
13,00 |
2,05 |
1,106 |
|
на х.х. |
||||||
|
|
|
|
|
||
Средние обороты |
0,17 |
186 |
12,90 |
2,95 |
1,149 |
|
Не работает форсунка |
0,13 |
234 |
9,04 |
7,86 |
1,578 |
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)
Неисправность |
|
|
Параметры |
|
|
СО, % |
СН, |
СО2, % |
О2, % |
λ |
|
|
ppm |
||||
Рекомендуемые значения |
0,05 - 0,25 |
5 - 50 |
14,5 - 15,5 |
1,0 - 2,0 |
0,97 - 1,03 |
Исходная регулировка |
0,16 |
38 |
14,3 |
2,3 |
1,05 |
Позднее зажигание |
0,17 |
31 |
14,7 |
2,1 |
1,03 |
Раннее зажигание |
0,16 |
32 |
11,3 |
8,3 |
1,51 |
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