Газоанализаторы выхлопа автомобильного бензинового двигателя

©Алексей Пахомов, (aka Is_ 18 ) Ижевск 2012

На современном диагностическом участке газоанализатор является одним из базовых приборов. К сожалению, в сознании многих специалистов автосервиса он по-прежнему ассоциируется с регулировкой карбюратора. Это не так. Конечно, контроль токсичности ОГ – важная функция автомобильного газоанализатора, но, тем не менее, далеко не единственная. Прибор способен решать широкий круг задач по исследованию состояния двигателя и его систем, являясь богатейшим источником диагностической информации. Можно с уверенностью утверждать, что газоанализатор – один из основных инструментов диагноста. Как врачу для постановки диагноза необходимы анализы пациента, так и диагносту нужны данные «анализа», чтобы выявить «болезни» двигателя, ведь состав ОГ напрямую зависит от его состояния.

Первые образцы газоанализаторов, применявшиеся для регулировки двигателя, из всей совокупности компонентов ОГ измеряли только концентрацию оксида углерода СО. Другими словами, приборы были однокомпонентными. Анализ концентрации СО позволял сделать вывод о качественном соотношении топливно-воздушной смеси и применялся в основном при регулировке карбюраторов. Такие газоанализаторы имели стрелочное отображение результатов анализа и работали на принципе измерения электрической проводимости платиновой спирали в среде оксида углерода.

К 70 ‑м годам прошлого века остро встал вопрос необходимости контроля автомобильных токсичных выбросов. Уровень развития техники тех лет позволил создать двухкомпонентные автомобильные газоанализаторы, способные измерить концентрацию еще одного вредного компонента – несгоревшего топлива, обозначаемого СН. Эти приборы работали на принципе спектрометрирования исследуемых газов в инфракрасном диапазоне, который используется по настоящее время.

Дальнейшее развитие автомобильных газоанализаторов привело к появлению трех‑, четырех- и даже пятикомпонентных приборов, позволяющих измерить концентрацию не только названных выше оксида углерода СО и углеводородов СН, но и диоксида углерода СО 2 , кислорода О 2 и оксидов азота NOx?, а также рассчитать соотношение воздух-топливо в исходной топливно-воздушной смеси.

Принцип действия спектрометрического блока газоанализатора основан на эффекте частичного поглощения энергии светового потока, проходящего через газ. Молекулы каждого газа представляют собой колебательную систему, способную поглощать инфракрасное излучение в строго определенном диапазоне волн. Другими словами, если через колбу с газом пропустить стабильный инфракрасный поток, то часть его будет газом поглощена. Более того, будет поглощена в основном только некоторая часть спектра потока, называемая абсорбционным максимумом данного газа. Чем выше концентрация газа в колбе, тем большее будет наблюдаться поглощение.

Тот факт, что разные газы обладают разными абсорбционными максимумами, позволяет измерить концентрацию газов в смеси, измеряя поглощение соответствующей длины волны. Иначе говоря, определить концентрацию каждого из газов в ОГ можно, анализируя снижение интенсивности светового потока в части спектра, соответствующей абсорбционному максимуму данного газа.
Поэтому спектрометрический блок прибора устроен следующим образом. Через измерительную кювету, представляющую собой трубку с закрытыми оптическим стеклом концами, прокачиваются предварительно отфильтрованные отработанные газы. С одной стороны трубки расположен излучатель. Он представляет собой нагреваемую электрическим током спираль, температура которой строго стабилизируется. Излучатель генерирует стабильный поток инфракрасного излучения.

С противоположной стороны трубки устанавливается светофильтры, которые из всего потока выделяют необходимые длины волн, соответствующие абсорбционным максимумам исследуемых газов. После прохождения светофильтров поток попадает в приемник инфракрасного излучения. Приемник измеряет интенсивность потока и вырабатывает информацию о концентрации газов в смеси. Таким способом определяется концентрация СО, СН и СО 2 . В дальнейшем смесь газов из измерительной кюветы поступает последовательно в датчики электрохимического типа, вырабатывающие электрический сигнал, напряжение которого пропорционально концентрации кислорода О 2 и оксидов азота NO x .

Итак, в современном приборе замер концентрации СО, СН и СО 2 выполняется описанным спектрометрическим методом, а концентрации кислорода О 2 и оксидов азота NO x – электрохимическими датчиками. Обработка сигналов датчиков и спектрометрического блока в современном газоанализаторе выполняется электронной схемой, построенной на базе микропроцессора. На дисплей прибора информация о содержании СО, СО 2 и О 2 выводится в процентах, а СН и NO x – в так называемых ppm (parts per million), «частей на миллион». Такое обозначение связано с крайне низкой концентрацией названных компонентов в ОГ и неудобством использования процентов для обозначения их количества. Соотношение между процентами и ppm выглядит следующим образом:

10 000 ppm = 1 %

Поэтому, количество, например, СН в ОГ типичного двигателя , составляло бы около 0 . 001 %- 0 . 01 %. Оперировать в работе такими цифрами сложно, в результате принято использовать именно ppm.

Газоанализатор – прибор сложный, и его качество определяется точностью и надежностью компонентов, в первую очередь спектрометрического блока. Конструктивно и технологически спектрометрический блок настолько сложен и специфичен, что его производство на должном с точки зрения качества уровне освоено лишь несколькими фирмами во всем мире. Производители непосредственно газоанализаторов используют уже готовые спектрометрические блоки, встраивая их в свои приборы. Такой подход себя оправдывает, и в приборе, произведенном в России, Италии или Корее можно обнаружить спектрометрический блок, сделанный в Японии или Америке.

Спектрометрический блок – дорогое устройство, составляющее заметную часть в стоимости прибора. При эксплуатации очень важно обеспечить его долговечность. Механические частицы, сажа и влага, оседая на стенках блока, приводят к значительному дрейфу его показаний и даже к его полной неработоспособности. Поэтому, прежде чем попасть в измерительный блок, отработанные газы проходят подготовку. Она производится, как правило, в несколько этапов:

• грубая очистка отработанных газов. Выполняется фильтром, установленным на входе в прибор либо в ручке зонда забора пробы. Отфильтровываются крупные механические частицы и сажа.
• отделитель влаги. Он может быть самых разнообразных конструкций. Назначение – отделить от потока газов капли влаги, конденсирующиеся на внутренних поверхностях зонда и соединительного шланга и удалить их. Удаление производится автоматически либо вручную оператором путем периодического слива конденсата из накопителя.
• фильтр тонкой очистки. С его помощью производится окончательная фильтрация от мельчайших механических частиц. Фильтров может быть установлено несколько, последовательно друг за другом.

Что нужно знать при эксплуатации газоанализаторов

Особенность конструкции прибора накладывает отпечаток на его эксплуатацию и рекомендации по уходу за ним. Как правило, эксплуатация автомобильного газоанализатора не представляет большой сложности и выполняется одним оператором.

Перед выполнением измерений необходимо произвести коррекцию нуля прибора, для чего нажать на лицевой панели соответствующую кнопку. Часть газоанализаторов выполняют коррекцию нуля автоматически через заданный промежуток времени, в этом случае вмешательство оператора не требуется.

Для снятия показаний нужно установить зонд в выхлопную трубу автомобиля на глубину не менее 300 мм и зафиксировать его зажимом. Столь значительная глубина требуется для того, чтобы исключить подсос в зонд атмосферного воздуха и получение недостоверных показаний. Далее необходимо запустить измерение и дождаться установившихся показаний на табло прибора. Длительность процесса установки показаний обычно составляет от 15 до 45 секунд и зависит от длины шланга и конструкции пневматического тракта, которая может значительно различаться у приборов разных производителей.

Основываясь на многолетней практике эксплуатации газоанализаторов, можно дать следующую рекомендацию. После каждого замера следует отключить шланг с зондом от прибора и продуть его в обратную сторону сжатым воздухом с целью удаления конденсата. Чаще всего при этом наблюдается весьма значительное выделение влаги. Конечно, встроенный отделитель влаги свою функцию выполняет, но, тем не менее, следование данной рекомендации представляется как мера, повышающая вероятность безотказной работы прибора.

Обслуживание газоанализатора сводится в основном к периодической замене фильтров тонкой и грубой очистки. Рекомендации по их замене приводятся в руководстве по эксплуатации конкретного прибора. Очень важно обратить внимание на следующий момент: фильтры тонкой очистки, применяемые в газоанализаторах, отличаются от бензиновых фильтров и использование последних в газоанализаторах недопустимо. Также важно следить за тем, чтобы фильтры были сухими. Намокшие фильтры необходимо либо просушить подачей воздуха в направлении против нанесенной на корпус стрелки, либо заменить.

Анализ состава отработанных газов

Самый главный тезис, который необходимо озвучить перед изложением методики анализа состава отработанных газов, заключается в следующем. Для грамотного и правильного анализа требуется абсолютное понимание того, откуда в составе ОГ появляется тот или иной компонент. Иначе говоря, нужно четко представлять течение процессов в цилиндрах и выпускном тракте двигателя, происходящие при этом химические превращения и базироваться на этом понимании. При таком подходе диагност начинает думать и грамотно анализировать состав ОГ, видя причинно-следственные связи. Подход типа «если состав ОГ такой-то – то имеет место дефект такой-то» не представляется конструктивным и рассматриваться не будет.

Прежде всего, вспомним из школьного курса химии состав атмосферного воздуха. Это потребуется для правильного понимания происходящих в цилиндрах и в выпускном тракте двигателя процессов.

Азот__________________________________ 78 %
Кислород______________________________ 20 . 95 %
Аргон_________________________________ 0 . 93 %
Углекислый газ (СО 2 )___________________ 0 . 03 %

Остальные газы, в основном инертные, присутствуют в малых количествах и в нашем случае большой роли не играют, как, впрочем, и аргон. Цифры, очень близкие к приведенным, можно увидеть на табло газоанализатора, если запустить измерение «на свежем воздухе».

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

СН + О 2 => СО 2 + Н 2 О.

Напомним, что состав смеси принято оценивать коэффициентом избытка воздуха λ . Он представляет собой отношение реального количества воздуха, поступившего в цилиндры, к теоретическому количеству, необходимому для полного сгорания топлива. Смеси, в которых количество воздуха совпадает с теоретически необходимым, называются стехиометрическими. В этом случае λ = 1 . Если количество воздуха больше необходимого, то смесь принято называть бедной, и коэффициент находится в диапазоне λ = 1 . 0 … 1 . 3 . Более бедная смесь перестает воспламеняться. Если же воздуха меньше необходимого, то смесь называют богатой. Такая смесь характеризуется значением λ = 0 . 8 … 1 . 0 .

Казалось бы, при сгорании стехиометрической смеси отработанные газы должны состоять из углекислого газа СО 2 , водяного пара Н 2 О и азота N 2 . Но на практике все происходит иначе. Под действием высокой температуры в цилиндре двигателя азот и кислород вступают в реакцию, в результате которой образуются оксиды азота. Совокупность этих оксидов обозначается NO x и отображается пятикомпонентными газоанализаторами. Образование NOx сильно увеличивается с ростом температуры газов и концентрации кислорода. Основным компонентом в смеси оксидов азота является монооксид NO. Покинув цилиндры двигателя, он окисляется в атмосфере до диоксида NOx, который гораздо более токсичен и, соединяясь в атмосфере с водяным паром, образует кислотные дожди.

Кроме того, в ОГ всегда содержатся углеводороды СН. Они представляют собой исходные или распавшиеся молекулы топлива, которые не принимали участия в сгорании, а также продукты распада моторного масла. Углеводороды появляются в ОГ вследствие гашения пламени вблизи относительно холодных стенок камеры сгорания, в защемленных объемах вроде пространства между поршнем и цилиндром над верхним компрессионным кольцом.

Часть СН выбрасывается в результате того, что на тактах впуска и сжатия горючей смеси пары топлива поглощаются масляной пленкой на стенках цилиндров. На такте рабочего хода и выпуска происходит их выделение из пленки. Аналогичный эффект поглощения паров топлива наблюдается и на нагаре, покрывающем стенки камеры сгорания.

Далее, в ОГ обязательно присутствует продукт неполного сгорания топлива — оксид углерода СО (угарный газ). Он образуется в основном во время реакции сгорания при недостатке кислорода, поэтому основное влияние на образование СО в бензиновых двигателях оказывает состав смеси: чем она богаче, тем выше концентрация СО. Следует отметить, что данный компонент является, пожалуй, самым опасным с точки зрения воздействия на человеческий организм. Угарный газ не имеет цвета и запаха, но при вдыхании соединяется с гемоглобином крови и при высокой концентрации может вызвать смертельный исход.

Конечно же, в составе ОГ неизбежно окажется и не вступивший в реакцию кислород. Следует отметить, что кислород может оказаться в составе ОГ не из цилиндров двигателя, а из атмосферного воздуха, поступающего через места нарушения герметичности выпускного тракта.

К аталитический нейтрализатор

Многочисленные исследования показали, что улучшение процесса сгорания, оптимизация управления составом смеси и углом опережения зажигания не позволяют снизить токсичность ОГ хотя бы до уровня, обеспечивающего выполнение норм Евро II, не говоря о более высоких требованиях. Для решения проблемы было предложено использование дополнительной обработки ОГ в выпускном тракте двигателя. Устройства, выполняющие такую обработку, называются каталитическими нейтрализаторами.

Основными частями каталитического нейтрализатора являются:

• корпус из жаропрочной нержавеющей стали;
• блок-носитель, представляющий собой сотовую структуру из керамики или гофрированной фольги толщиной 0 . 1 .. 0 . 5 мм;
• прослойка с пористой структурой из оксида алюминия;
• активный каталитический слой.

Блок-носитель состоит из нескольких тысяч тонких каналов, сквозь которые протекают отработанные газы. Каналы керамического или металлического блока-носителя покрыты очень пористой прослойкой. Благодаря этому полезная площадь поверхности каталитического нейтрализатора увеличивается приблизительно в 7 000 раз, что обеспечивает необходимый массоперенос между ОГ и активным катализатором. На прослойку наносится каталитически активный слой.

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор имеет каталитически активный слой из платины (Pt), родия (Rd) и палладия (Pd). Название «трехкомпонентный каталитический нейтрализатор» говорит о том, что в одном корпусе одновременно и параллельно протекают три химические реакции превращения. Для нормального течения этих реакций в нейтрализаторе необходимо поддерживать высокую температуру в пределах 400 … 800 °С. При более низких температурах эффективность нейтрализатора невелика, а при температуре свыше 1000 °С наступает термическое разрушение активного слоя и даже спекание сот блока-носителя.

Не вдаваясь в подробности протекающих на поверхности активного слоя химических реакций, можно привести лишь упрощенные окончательные их результаты:

• NOx восстанавливается до чистого азота N 2 с выделением при этом свободного кислород O 2 ;
• СО окисляется до СО 2 , при этом расходуется кислород О 2 ;
• углеводороды СН окисляются до СО 2 и Н 2 О, при этом тоже расходуется кислород О 2 .

Отличительной особенностью трехкомпонентного каталитического нейтрализатора является то, что для его полноценной работы необходима работа двигателя на стехиометрической топливно-воздушной смеси. Объясняется это следующим. Только при λ = 1 получается состав ОГ, в котором свободного кислорода, выделившегося при восстановлении оксидов азота, достаточно для полного окисления СО и СН до СО 2 и Н 2 О. Этот факт настолько важен, что его следует повторить: полноценное функционирование каталитического нейтрализатора возможно только в том случае, если двигатель работает на стехиометрической смеси. В литературе даже используется термин «окно катализации», под которым подразумевается диапазон значений λ , при которых нейтрализатор способен выполнять свою функцию. Строго говоря, этот диапазон смещен от стехиометрии в сторону богатой смеси, и находится примерно в пределах λ = 0 . 98 .. 0 . 99 . Поддержание состава смеси в заданном диапазоне возложено на систему управления двигателем, для чего в ее состав введен датчик концентрации кислорода в ОГ.

Также необходимо упомянуть о двигателях с непосредственным впрыском топлива. Такие двигатели в некоторых режимах могут работать на сверхбедных смесях, что ведет к значительному повышению доли оксидов азота NOx. Поэтому для нейтрализации NOx в выпускной тракт устанавливается еще один катализатор, так называемого накопительного типа.

Для более полного понимания работы каталитического нейтрализатора был проведен следующий эксперимент. Был взят автомобиль ВАЗ 2112 , оснащенный ЭБУ VS 5 . 1 с прошивкой V 5 D 07 X 09 , поддерживающей регулировку подачи топлива с диагностического оборудования.

1 . Нейтрализатор присутствует. Были зафиксированы показания СО, СО 2 , О 2 , СН и λ при изменении регулировочного коэффициента в диапазоне от — 0 . 250 до + 0 . 250 .
2 . Вместо нейтрализатора установлена труба-вставка, и измерения проведены повторно.

Результаты отображены на графиках. Сплошная линия соответствует замеру с нейтрализатором, прерывистая — без него. Графики строились вручную, с небольшой интерполяцией. Следует отметить один нюанс — по какой-то причине прибор показал неверное значения СО 2 при измерении с нейтрализатором. Вероятно, это произошло из-за длительной работы двигателя при низкой частоте вращения и, соответственно, снижения температуры нейтрализатора. С этой оговоркой можно обратить внимание на полученные результаты и проанализировать их:

Первое, что бросается в глаза, — значение λ в обоих случаях практически совпало. В диапазоне богатых смесей точки вообще образова и одну линию, в диапазоне бедных смесей наблюдается расхождение на уровне погрешности измерения. И лишь на самых бедных смесях разница заметна, но, вероятно, в том диапазоне просто невозможно корректное вычисление λ . Вывод: независимо от наличия или отсутствия нейтрализатора рассчитанное значение λ остается одним и тем же. Собственно, по-другому и не могло быть, ведь значение λ характеризует только работу двигателя, неважно, с нейтрализатором или без него.

Очень любопытно ведет себя значение СН. Без нейтрализатора наблюдается классическая зависимость. С нейтрализатором картина интереснее. Он сильно влияет в диапазоне бедной смеси. Около стехиометрии наблюдается характерная впадина, соответствующая окну катализации. Причем при небольшом обогащении смеси относительно стехиометрии происходит очень резкий скачок значения СН, и далее оно почти сравнивается со значением, полученным без нейтрализатора.

Графики содержания кислорода очень похожи. Естественно, при работе нейтрализатора кислород расходуется, и это заметно при их сравнении.
То же самое можно сказать и о графиках СО. Совершенно четко прослеживается диапазон в районе стехиометрии, где эффективность работы нейтрализатора максимальна, и графики соответственно максимально разнятся.

Графики СО 2 тоже имеют академический вид. Количество СО 2 в составе ОГ в случае с нейтрализатором больше. Объясняется это тем, что последний превращает в СО? содержащиеся в ОГ углеводороды и угарный газ. При отклонении от стехиометрии как в сторону обеднения, так и в сторону обогащения смеси, количество СО? уменьшается. Это очень важный момент: максимальное количество СО 2 в составе ОГ приблизительно соответствует стехиометрической смеси.

Расчетный коэффициент λ

Отдельного разговора заслуживает коэффициент избытка воздуха λ . Следует четко понимать, что значение ?, отображаемое на дисплее прибора, представляет собой не реальный, а расчетный коэффициент. Он вычисляется процессором газоанализатора исходя из количества различных компонентов в составе ОГ. Вычисление производится по так называемой формуле Бертшнайдера:

Формула приведена в качестве справочного материала и подробно разбираться нами не будет. Расчетное значение λ будет соответствовать реальному значению только в случае, если выпускной тракт двигателя полностью герметичен, а измерительные элементы газоанализатора откалиброваны. В том случае, если выпускной тракт негерметичен (имеются подсосы атмосферного воздуха), то расчетное значение ? может оказаться не только неверным, но и превышающем все разумные пределы. Объясняется это тем, что в формуле Бертшнайдера используется содержание кислорода в ОГ, и любое появление лишнего кислорода приводит к значительной погрешности вычисления этого коэффициента.

Состав ОГ исправного двигателя

Учитывая все вышесказанное, необходимо озвучить состав отработанных газов исправного двигателя. Следует заранее оговориться, что в дальнейшем речь пойдет о работе с четырехкомпонентным прибором, так как пятикомпонентные, отображающие помимо прочего количество NOx, на участках диагностики практически не применяются из-за высокой цены. Цифры, которые будут приведены ниже, получены из многолетнего опыта применения газоанализаторов. Прежде чем назвать их, заострим внимание на следующем моменте.

Подавляющее большинство современных бензиновых двигателей оснащено каталитическим нейтрализатором отработанных газов. Поэтому составы ОГ такого двигателя и двигателя, не оснащенного нейтрализатором, будут значительно отличаться. Исходя из этого соображения, представляется наиболее правильным рассматривать состав ОГ в выпускном тракте до нейтрализатора и после него. Эти цифры – эталон, от которого делаются все последующие выводы, можно сказать, это основа газоанализа. Их нужно запомнить и постоянно держать в голове.

состав ОГ исправного, прогретого до рабочей температуры, работающего на стехиометрической смеси двигателя в выпускном тракте до каталитического нейтрализатора выглядит следующим образом: (табл. 1 )

СО ____ 0 . 5 %… 0 . 7 %
СН ____ 100 … 200 ppm
СО 2 ___ 13 . 5 %… 14 %
О 2 ____ 0 . 5 %… 1 %
λ _____ 1 . 0

состав ОГ исправного, прогретого до рабочей температуры, работающего на стехиометрической смеси двигателя, при исправном и прогретом каталитическом нейтрализаторе, в выпускном тракте после нейтрализатора выглядит следующим образом: (табл. 2 )

СО ____ 0 %
СН ____ 10 … 20 ppm
СО 2 ___ 15 %… 16 %
О 2 ____ 0 . 1 %… 0 . 2 %
λ _____ 1 . 0

Более низкие значения СО и СН во втором случае объясняются течением химических реакций в нейтрализаторе. Процентное содержание кислорода также снизилось вследствие его расходования в реакциях окисления. Количество же диоксида углерода СО? возросло вследствие окисления СО. Здесь мы не увидим оксидов азота, но нельзя забывать, что в нейтрализаторе они восстановились до чистого азота и утратили вредное влияние на окружающую среду. Обратите внимание на то, что значение λ в обоих случаях равно 1 .

Рассмотренные параметры газоанализа – эталонные, это то, что будет на табло прибора при полностью исправном, прогретом двигателе, работающем на стехиометрической смеси. Теперь поговорим об отклонениях, которые встречаются на практике и об анализе состава ОГ в этих случаях.

Негерметичность выпускного тракта.

Не следует забывать, что движение газов в выпускном тракте носит сложный волновой характер, и зоны давления чередуются с зонами разрежения. Когда место негерметичности тракта оказывается в зоне давления, отработанные газы вырываются наружу с характерным звуком (тракт «подсекает»), а когда в зоне разрежения – в выпускной тракт поступает атмосферный воздух. А теперь вспомним его состав. Даже если подсос незначителен, то содержание О 2 в ОГ увеличится очень сильно, ведь в воздухе его почти 21 %, а в ОГ около 0 . 5 %. В то же время СО 2 в воздухе мало, и количество этого газа в составе ОГ изменится не так значительно. То же самое можно сказать о содержании СО и СН. Итак, в случае подсоса воздуха в выпускной тракт имеет место неестественно большое количество О 2 в составе ОГ. Можно утверждать, что первый параметр, который необходимо оценить при анализе состава отработанных газов, – это именно содержание кислорода. Если оно превышает 1 . 5 .. 2 %, то присутствует подсос атмосферного воздуха в выпускной тракт. Дальнейший анализ не имеет смысла без устранения дефектов тракта. Нужно оговориться, что большое количество кислорода в составе ОГ будет наблюдаться и при пропусках воспламенения, но для них характерно большое количество несгоревшего топлива, и спутать две этих ситуации практически невозможно.

Конечно же, при наличии подсоса анализировать остальные параметры состава ОГ попросту бессмысленно. Отметим лишь, что расчетный коэффициент λ в такой ситуации приобретает запредельные значения. Косвенно они тоже указывают на описываемый дефект.

Богатая смесь.

В этом случае λ ‹ 1 , воздуха в смеси меньше необходимого для полного сгорания. Несложно прийти к выводу о том, что при недостатке кислорода сгорание происходит не полностью и в ОГ содержится больше СН, чем при стехиометрической смеси. Содержание СО возрастет по этой же причине. Количество СО 2 станет меньше, чем при работе на стехиометрической смеси, ведь топливо сгорело неоптимальным образом. Поэтому состав ОГ двигателя, работающего на обогащенной смеси без нейтрализатора, выглядит приблизительно так: (табл. 3 )

СО ____ 1 %… 5 %
СН ____ 300 … 400 ppm
СО 2 ___ 11 %… 13 %
О 2 _____ 0 . 3 %… 0 . 5 %
λ _____ 0 . 8 .. 0 . 99

Нужно отметить, что при наличии каталитического нейтрализатора незначительное обогащение смеси по составу ОГ можно и не обнаружить, но любое серьезное отклонение приведет к выходу из окна катализации и явному уходу состава ОГ от нормы. В этом случае цифры на табло прибора будут похожими на приведенные выше.

Применительно к современным двигателям в качестве причин богатой смеси можно назвать повышенное давление топлива, дрейф характеристики ДМРВ, поступление топлива через неплотную мембрану вакуумного регулятора давления (на системах с обратным сливом топлива). Причиной может быть и неисправный ДТОЖ, подобный дефект легко обнаруживается по показаниям сканера. Отдельно следует упомянуть такой хитрый дефект, как подсос воздуха в выпускной тракт перед сигнальным датчиком кислорода. В такой ситуации атмосферный кислород регистрируется датчиком, что приводит к значительному обогащению смеси и даже возникновению соответствующего кода неисправности.

Еще один источник лишнего топлива в смеси – моторное масло. Здесь следует сделать небольшое отступление. Дело в том, что масляная пленка на зеркале цилиндра играет далеко не последнюю роль в формировании рабочей смеси и процессах, происходящих в камере сгорания. Если по какой-либо причине двигатель долго работал на слишком богатой смеси либо просто запустился не с первого раза, что очень часто бывает зимой, то в масло попадает бензин. Можно предположить, что несгоревший бензин стекает по стенкам цилиндров или просто проникает через замки поршневых колец. Так или иначе, но бензин в масло попадает, и надо принять это как реальность. Какими путями он поступает в дальнейшем в камеры сгорания – есть два предположения. Пары бензина вместе с картерными газами движутся по системе вентиляции картера и смешиваются во впускном коллекторе с воздухом. Но, как показывает практика, если отсоединить шланги вентиляции картера от впускного коллектора, то смесь обедняется незначительно. Однако после замены моторного масла все приходит в норму. Отсюда становится возможным сделать вывод: молекулы топлива попадают в камеру сгорания из масляной пленки на стенках цилиндров. Ведь стенки смазываются разбрызгиванием, и при каждом ходе поршня пленка масла обновляется. Описанное явление ни в коем случае не должно вводить диагноста в заблуждение: если после неудачной попытки зимнего запуска наблюдается богатая смесь либо заниженный коэффициент коррекции подачи топлива, то это абсолютно нормальное явление. В такой ситуации есть смысл рекомендовать замену моторного масла во избежание повышенного механического износа двигателя и снижения рабочих свойств самого масла.

Бедная смесь.

Такая смесь характеризуется значением λ › 1 и избыточным количеством воздуха. Несложно прийти к выводу, что при избытке в смеси воздуха количество остаточного кислорода в ОГ возрастет. Количество СН изменится незначительно, ведь одна из причин появления паров топлива в ОГ заключается в гашении пламени в защемленных объемах, и это не зависит от состава смеси. Заметно снизится значение СО. Связано это прежде всего с избытком кислорода и окислением СО до СО 2 . Несмотря на это, процент СО 2 относительно стехиометрической смеси снизится вследствие общего увеличения количества газов. Конечно же, расчетный коэффициент λ окажется выше 1 . Состав ОГ двигателя, работающего на обедненной смеси и не оснащенного нейтрализатором, приведен ниже (табл. 4 ):

СО ____ 0 . 1 %… 0 . 4 %
СН ____ 150 … 250 ppm
СО 2 ___ 12 %… 13 %
О 2 ____ 1 %… 2 %
λ _____ 1 . 01 .. 1 . 3

В качестве причин бедной смеси современного двигателя можно назвать, прежде всего, подсос воздуха в задроссельное пространство. Путей много: это и вакуумный усилитель тормозов, и разрушение уплотняющих прокладок впускного коллектора, износ пары ось-втулка дроссельной заслонки, старение резиновых уплотнений форсунок и регулятора холостого хода. Локализовать место подобного дефекта можно с использованием генератора дыма.

Помимо подсоса воздуха, причиной обеднения смеси могут являться пониженное давление топлива вследствие износа бензонасоса или засорения топливного фильтра и магистрали, снижение производительности форсунок, неверные показания ДМРВ.

Обнаружить работу на бедной смеси двигателя, оснащенного каталитическим нейтрализатором, довольно сложно. Дело в том, что при выходе из окна катализации в сторону обеднения нейтрализатор продолжает оказывать значительное влияние на состав ОГ. В этом случае необходимо воспользоваться значением СО 2 и оценить эффективность сгорания в целом.

Высокое содержание СН. У двигателя без нейтрализатора нормальное значение этого параметра – 100 .. 200 ppm. Если на табло прибора видим СН, равный 300 .. 400 и более, это повод искать причину, по которой бензин попросту не сгорает, другими словами, имеют место пропуски воспламенения. Причин таких пропусков можно назвать много. Изношенные или неисправные свечи, высоковольтные провода, дефектный модуль зажигания, не отрегулированные тепловые зазоры клапанов, пониженная компрессия, неисправная форсунка. Причем все это — 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. Приведенная ниже таблица содержит пример состава ОГ реального двигателя без нейтрализатора, имеющего дефектные свечи (табл. 5 ):

СО ____ 0 . 34 %
СН ____ 384 ppm
СО 2 ___ 12 . 8 %
О 2 ____ 2 . 02 %
λ _____ 1 . 085

Все остальные системы двигателя заведомо в полном порядке. Проанализируем полученные данные. Повышенное содержание в ОГ паров топлива говорит о том, что последнее попросту не сгорает. Содержание СО ниже соответствующего стехиометрической смеси, и его значение позволяет сделать вывод, что богатая смесь не имеет места. Высокое содержание кислорода вкупе с высоким же количеством СН позволяет сделать предположение о пропусках. Откуда появляется кислород? Из цилиндров двигателя, которые при пропусках попросту выбрасывают атмосферный воздух, смешанный с парами топлива. СО 2 ниже нормы, что тоже говорит о ненормальном сгорании. Ну и расчетный коэффициент λ — прибор рассчитывает его, исходя помимо прочего и из содержания кислорода. Именно пропуски воспламенения и наблюдались на исследуемом двигателе, они были хорошо слышны у среза выхлопной трубы.

В случае двигателя без нейтрализатора при возникновении пропусков особых проблем, кроме повышенного выброса токсичных веществ, нет. Но на двигателях, оснащенных нейтрализатором, пропуски воспламенения приводят к его недопустимому разогреву. Несгоревшие пары топлива в смеси с кислородом воздуха вступают на поверхности блока-носителя в реакцию, вызывая выделение большого количества теплоты. Температура блока-носителя и корпуса нейтрализатора повышаются до значений 1000 °С и более. Это явление очень опасно и может привести, например, к возгоранию сухой травы под днищем автомобиля либо к повреждению прилегающих к нейтрализатору элементов. На практике неоднократно наблюдалось расплавление шумоизоляции салона, разрушение изоляции прилегающих к кузову электрических проводов и короткое замыкание в них.

Но, в первую очередь, пропуски воспламенения и последующий перегрев нейтрализатора приводят к разрушению последнего. В керамическом блоке-носителе происходит спекание сот, вызывая при этом повышение газодинамического сопротивления выпускного тракта. Если блок-носитель выполнен из стальной фольги, как правило, его спекания не происходит, но разрушается каталитический активный слой, и нейтрализатор перестает выполнять свою функцию. Так или иначе, но пропуски воспламенения в двигателе, оснащенном нейтрализатором, представляют собой очень опасное явление. В связи с этим современная система управления двигателем ведет мониторинг пропусков и при их обнаружении отключает неисправный цилиндр.

Анализ количества СО 2 . Как уже упоминалось выше, этот компонент ОГ представляет собой продукт самого полного сгорания топлива. Чем лучше сгорело топливо в цилиндрах двигателя (и «догорело» в нейтрализаторе), тем выше будет количество СО 2 в составе ОГ. Это утверждение может оказаться несправедливым применительно к двигателю с непосредственным впрыском бензина в цилиндры при работе на сверхбедной смеси. Но в настоящий момент речь идет о более массовых двигателях с впрыском в коллектор. У исправного двигателя, не оснащенного нейтрализатором, в ОГ содержится примерно 14 % СО 2 , у оснащенного – 16 %. Называя эти цифры, сложно утверждать, что именно их вы увидите на табло своего прибора. Лучше всего посмотреть, каковы будут показания у того прибора, который вы используете, и оперировать в своей работе именно ими. Но общий принцип анализа от этого не изменится.

Итак, получив значение СО 2 , следует его оценить. Если оно примерно совпадает со значением, максимально достижимым для данного типа двигателей (см. табл. 1 , 2 ), то можно сделать вывод, что проблем с подачей топлива и формированием топливно-воздушной смеси нет. Напротив, снижение количества СО 2 должно насторожить, ибо это признак проблемы. Конечно, газоанализатор не укажет на неисправный датчик или элемент, но он подскажет направление поиска дефекта или хотя бы укажет на его наличие. В практике автора были случаи, когда по всем параметрам работа двигателя вроде бы укладывалась в норму, но количество СО 2 в ОГ говорило о наличии проблемы. В итоге дефект обнаруживался, и принимались меры к его устранению. Именно этот критерий позволяет оценивать работу двигателя, оснащенного нейтрализатором, не обращаясь к значениям СО и СН, которые в этом случае близки к нулю и не несут информации.

Контроль состояния каталитического нейтрализатора. Надо сказать, что современные электронные блоки управления двигателем контролируют состояние нейтрализатора и выставляют в случае снижения его эффективности соответствующий код неисправности. Однако приговаривать весьма дорогостоящий узел к замене на основании только выставленного блоком кода не представляется разумным. Необходимо убедиться в правильности диагноза, и в этом случае газоанализатор – единственный прибор, способный вам помочь. Методика оценки работоспособности нейтрализатора основана на принципе его работы. Так как свою функцию он начинает выполнять только при достаточно высокой температуре и работе двигателя на стехиометрической смеси, необходимо прогреть двигатель до включения вентилятора и при помощи сканера убедиться в том, что петля обратной связи по датчику кислорода замкнута. Затем производится анализ состава ОГ .

В первую очередь выполняется проверка состава ОГ при работе двигателя на частоте вращения холостого хода. Если нейтрализатор исправен, состав ОГ будет соответствовать приведенному выше эталонному для двигателя с нейтрализатором (табл. 2 ). В том случае, если наблюдается увеличенное содержание СО ( 0 . 1 %… 0 . 6 %) и СН ( 50 … 200 ppm), а также сниженное количество СО 2 , нейтрализатор утратил свою работоспособность.

Если же никаких проблем нет и цифры на табло соответствуют эталону, следует увеличить частоту вращения примерно до 4000 rpm и повторно снять показания газоанализатора. Идея методики такова. При малом потоке ОГ, характерном для низкой частоты вращения, нейтрализатор успевает полноценно обработать вредные компоненты. При большом потоке на высокой частоте вращения его эффективности может не хватить. Поэтому критерием исправности нейтрализатора может считаться его способность обеспечить эталонные параметры состава ОГ при высокой частоте вращения.

Ради интереса можно провести следующий эксперимент. Подключаем газоанализатор к выхлопной трубе холодного двигателя, запускаем двигатель и следим за составом ОГ. Можно четко отследить первоначальную работу двигателя на обогащенной смеси, затем постепенное изменение параметров в сторону стехиометрической смеси и, наконец, смещение параметров к эталонным для двигателя с нейтрализатором. Такие эксперименты очень полезны, так как они наглядно связывают теорию работы двигателя и системы управления с практическими результатами его работы, наблюдаемыми с помощью приборов.

Краткие итоги. В работе с газоанализатором необходим творческий подход. Здесь нельзя пользоваться никакими алгоритмами. Нужно критически оценивать цифры на табло прибора и размышлять о том, почему они именно такие, откуда появился тот или иной компонент. Самые основные, базовые моменты анализа состава ОГ были нами рассмотрены, теперь дело за практикой и наработкой вашего собственного опыта.