Использование газоанализаторов для диагностики систем питания и зажигания - Карбюраторы автомобилей ОКА - Устройство, диагностика, ремонт

     При работе двигателя состав отработавших газов является точным отражением протекания процесса сгорания рабочей смеси в цилиндрах. Любые изменения в условиях сгорания, вызванные нарушением работы карбюратора, системы зажигания или другими причинами, немедленно отражаются на составе отработавших газов, что позволяет быстро и без разборки каких-либо узлов проводить диагностические работы.

     В последнее время автомобильные газоанализаторы становятся неотъемлемой принадлежностью даже малых постов автосервиса и поэтому имеется возможность использовать их не только для проведения классических регулировочных работ по обеспечению норм на выброс токсичных веществ, но и для более "тонких" операций по диагностике систем питания и зажигания.

     В практике автосервиса в прошлом наибольшее распространение имели газоанализаторы, рассчитанные на измерение содержания оксида углерода (СО). В последние годы в связи с введением норм на выброс не только этого компонента отработавших газов, но и углеводородов (СН), появились комплексные приборы для измерения СО и СН. Таким прибором является, например, отечественный ГИАМ-21. Большое число газоанализаторов зарубежного производства обеспечивает возможность оценивать также содержание в отработавших газах продукта полного сгорания топлива, т.е. нетоксичного углекислого газа (СО₂).

     Все современные автомобильные газоанализаторы являются чисто электрическими приборами, позволяющими оценить содержание отдельных компонентов в отработавших газах без использования в них каких-либо химических реакций в прямом смысле этих слов. Большинство из них работает по принципу измерения степени поглощения инфракрасного (теплового) излучения отдельными вышеперечисленными компонентами отработавших газов. Для этого в газоанализаторах имеется один или несколько инфракрасных излучателей, а также приемников (детекторов) этого излучения. Между излучателем и приемником располагаются измерительные трубки с прозрачными торцевыми окнами, через которые проходят тепловые лучи. В измерительные трубки подается исследуемый газ и по степени снижения интенсивности прошедшего через трубку теплового потока, регистрируемого детектором, судят о содержании того или иного компонента в газовой смеси. Кроме измерительных трубок, в приборе имеются одна или несколько эталонных трубок, в которых содержится чистый воздух или специальная газовая смесь. При этом происходит непрерывное сравнение степеней поглощения инфракрасного излучения в исследуемом и эталонном газах, и по величине этой разницы за счет соответствующих преобразований электрических сигналов передается на показывающий прибор информация о содержании того или иного компонента в отработавших газах.

     Вследствие используемого в газоанализаторах "теплового" способа измерения содержания компонентов отработавших газов прибор перед началом измерений должен быть достаточно прогрет. Кроме того, поступающие в измерительные трубки отработавшие газы должны быть очищены от сажи и твердых частиц, иначе прибор вследствие загрязнения стенок трубок и их прозрачных окон быстро изменит свою первоначальную настройку (так называемую "тарировку") и начнет давать ошибочные показания. По этой же причине поступающие в газоанализатор отработавшие газы должны быть освобождены от постоянно присутствующих в них капель воды. Для этого на газоотборной трубке прибора устанавливаются сменные фильтры и водоотделители. И, наконец, для прокачки отработавших газов через измерительные трубки прибора служит встроенный насос.

     Более простые и дешевые приборы, измеряющие содержание в отработавших газах только СО, могут использовать совсем другой способ измерения, заключающийся в дожигании продуктов неполного сгорания в отработавших газах на нагреваемой электрическим током проволоке. В измерительной камере такого прибора имеется горячая нить, на которой происходит "сжигание" содержащегося в отработавших газах СО с соответствующим изменением ее температуры. По степени изменения температуры проволоки судят о содержании СО в отработавших газах. Вследствие того, что в отработавших газах содержится еще один продукт неполного сгорания топлива - СН, точность показаний такого прибора по СО заметно зависит и от концентрации этого компонента. Однако при нормально работающем двигателе с исправной системой зажигания и такой относительно простой прибор обеспечивает удовлетворительную точность показаний.

     Шкалы газоанализаторов обычно проградуированы в процентах для СО, СО₂, О₂ и в "ч.н.млн." или "ррт" для СН. Единица измерения для СН - "частей на миллион" (ч.н.млн.), или в своем англоязычном эквиваленте для аппаратуры зарубежного производства "parts per million" (ppm) - представляет собой, как следует из ее названия, одну миллионную часть, т.е. одну десятитысячную долю процента. Таким образом, 1000 ppm= 0,1%. Забегая вперед, уже здесь уместно заметить, что углеводородов, т.е., условно сказать (условно, потому что это не в прямом смысле "живой бензин", а уже в значительной мере "тронутые" сгоранием его углеводородные компоненты), несгоревшего топлива, выбрасывается с отработавшими газами из работающего цилиндра по существу ничтожно мало по сравнению с другими известными широкому кругу автомобилистов составляющими отработавших газов.

     Типичная зависимость содержания основных компонентов отработавших газов от состава горючей смеси на обычном автомобильном двигателе с искровым зажиганием приведена на рисунке 1. Как мы видим, в области весьма богатой горючей смеси при составе смеси значительно меньше альфа = 1 в отработавших газах содержится много СО, крайне мало О₂, относительно мало СО₂, а также некоторое количество СH.

Рис. 1. Типичная зависимость содержания основных компонентов отработавших газов от состава смеси альфа      По мере обеднения состава смеси наблюдается снижение содержания в отработавших газах продуктов неполного сгорания топлива - СО и СН при одновременном повышении содержания одного из продуктов его полного сгорания - СО2. При богатой горючей смеси в отработавших газах содержится весьма мало свободного кислорода, так как он весь практически без остатка участвует в окислении топлива, т.е. в его сгорании.      На границе богатой и бедной горючей смеси, т.е. при так называемом стехиометрическом составе смеси, когда на каждые 15 кг поступившего в двигатель воздуха подано практически ровно 1 кг топлива, которое в этом количестве воздуха имеет теоретическую возможность полностью сгореть, содержание в отработавших газах продуктов неполного сгорания - СО и СН значительно снижается и достигает в среднем соответственно 0,5-0,6% и 200-300 ppm. При этом содержание СО2 достигает максимума (около 14,5%), и одновременно в отработавших газах появляется минимальное количество кислорода.      По мере дальнейшего обеднения состава смеси, т.е. уменьшения в топливовоздушной смеси количества топлива, содержание СО в отработавших газах достигает своих минимальных значений (0,2-0,05%), содержание СО2 вследствие "разбавления" избыточным количеством воздуха начинает уменьшаться, и одновременно начинается рост содержания в отработавших газах находящегося в избытке и неизрасходованного при горении топлива свободного кислорода. При небольшой степени обеднения воспламенение и горение в цилиндрах двигателя горючей смеси происходит без "пропусков" и содержание в отработавших газах несгоревшего топлива, т.е. углеводородов, минимально (100-200 ppm).      При достижении значительного обеднения состава смеси в двигателе начинаются пропуски воспламенения, сопровождающиеся резким ростом содержания в отработавших газах СН. При этом содержание СО уже практически не изменяется, CO2 продолжает падать, а содержание кислорода (O2) вследствие уменьшения количества нормально сгоревшего топлива растет.      Таким образом, при помощи газоанализатора опытный ремонтник может видеть полное отражение картины происходящего в двигателе процесса сгорания и делать точное заключение о причине его нарушения. Образно говоря, хороший газоанализатор является "глазами" автомеханика, которыми он заглядывает прямо в цилиндр двигателя.      Рассмотрим конкретные примеры использования газоанализатора для диагностики систем двигателя.      Типичные зависимости содержания СО и СН от частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу для исправного и правильно отрегулированного двигателя приведена на рисунке 2. Как мы видим, по мере увеличения частоты вращения значение СО, не выходя за верхнюю границу 1,0-1,5%, постоянно и плавно падает, достигая величины не более 0,5% на высокой частоте вращения коленчатого вала. При этом содержание СН также плавно падает с исходного уровня, не превышающего 200-300 ppm. Отмеченный характер изменения СО и СН свидетельствует о правильной работе топливодозирующих систем карбюратора и исправности (но не о правильно выполненной регулировке!) системы зажигания.      Рис. 2 Типичные зависимости СО и СН на исправном двигателе при повышении частоты вращения коленчатого вала      Двигатель с приведенным характером изменения СО и СН на холостом ходу при условии правильной установки угла опережения зажигания будет обеспечивать одновременно и низкий расход топлива.      Повышенный выброс СН, особенно на малой частоте вращения коленчатого вала, при нормальных величинах СО и СО2 может свидетельствовать о неисправностях либо системы зажигания, либо о проникновении в камеру сгорания большого количества масла вследствие чрезмерного износа деталей цилиндропоршневой группы или нарушения уплотнения пары "шток клапана - направляющая втулка". В последнем случае на свечах имеются хорошо заметные жирные следы масла.      Нужно сказать, что выброс СН в значительной степени зависит от величины искрового промежутка в свечах зажигания, а также от угла опережения зажигания. Наименьшее количество пропусков воспламенения и соответственно наименьший выброс углеводородов наблюдается при величине искрового зазора около 1 мм. При большей величине этого параметра могут наступать пробои в высоковольтных проводах и повышенные утечки тока высокого напряжения, особенно в сырую погоду. При меньшей величине зазора повышается число циклов с "вялым" начальным периодом сгорания вследствие меньшего объема горючей смеси, находящейся в "зоне влияния" короткой по длине искры. В обоих случаях наблюдается повышение выброса углеводородов.      Повышение энергии искрового разряда способствует интенсификации воспламенения горючей смеси в цилиндрах двигателя и как следствие - снижению выброса углеводородов. (Влияние интенсификации искрового разряда на топливную экономичность не превышает одного процента, а на мощность двигателя - вообще отсутствует!) Однако повышение энергии искрового разряда положительно сказывается на выброс углеводородов лишь до определенного предела. Понять это поможет аналогия с воспламенением разлитой в жаркий день лужи бензина от брошенной спички или от горящего полена: результат в обоих случаях одинаков.      Современные электронные системы зажигания, обеспечивающие энергию искрового разряда 50-75 мДж, позволяют практически полностью выбрать все имеющиеся здесь резервы.      Никак заметно не влияет на выброс углеводородов установка свечей с тремя и более боковыми электродами: их роль состоит только в том, чтобы повысить срок службы свечи за счет более медленного эрозионного износа каждого из электродов, т.к. каждый раз искра образуется только на каком-либо одном из них, где в данный момент сопротивление среды газов оказывается наименьшим. Точно так же молния сама ищет и находит только одно наиболее благоприятное с точки зрения сопротивления среды место пробоя.      Угол опережения зажигания в значительной степени влияет на процесс сгорания топлива в двигателе, а, следовательно, и на выброс углеводородов. Как правило, уменьшение угла опережения зажигания сопровождается снижением выброса СН. Это происходит за счет улучшения условий для догорания топлива в выпускном трубопроводе (при этом происходит рост температуры отработавших газов). Только чрезмерно <позднее> зажигание (далеко после ВМТ) может привести к нарушению воспламенения смеси в цилиндре и вызовет рост СН. Установка более "раннего" зажигания, даже не выходя за пределы наиболее экономичной работы двигателя, всегда приводит к росту СН. В этом проявляется неожиданный для многих вывод: наибольшая полнота сгорания топлива совсем не обязательно предопределяет достижение наибольшей топливной экономичности двигателя! Наоборот, для достижения меньшего выброса токсичных веществ, в частности, для повышения полноты сгорания топлива, т.е. снижения выброса СН, разработчики автомобильной техники очень часто сознательно жертвуют топливной экономичностью!      Этот вывод иллюстрируется известным всем способом подключения вакуумного регулятора опережения зажигания: через отверстие в стенке корпуса дроссельных заслонок, выше кромки закрытой дроссельной заслонки. При этом на холостом ходу угол опережения зажигания определяется только начальной установкой распределителя, без влияния вакуумного регулятора. Такой угол опережения зажигания, обеспечивая небольшой выброс СН, является неоптимальным с точки зрения достижения топливной экономичности. Подключив вакуумный регулятор опережения зажигания непосредственно к разрежению за дроссельной заслонкой и отрегулировав на прежний уровень возросшую частоту вращения коленчатого вала на холостом ходу, мы достигнем повышения топливной экономичности на несколько процентов, однако увеличим содержание СН на холостом ходу по крайней мере вдвое.      Необходимо отметить, что любые манипуляции с зажиганием, не приводящие к выходу СН за пределы 1000 ppm, практически не влияют на изменение выброса СО. Лишь только значительные пропуски воспламенения горючей смеси приводят к разбавлению отработавших газов топливовоздушной смесью и, как следствие, снижению концентрации всех токсичных компонентов, кроме СН.      На выброс СН (в сторону повышения ) могут влиять также любые непредусмотренные разработчиками двигателя изменения фаз газораспределения. Типичный пример этого - распространившиеся в последнее время конструкции гидрокомпенсаторов зазоров в клапанном механизме автомобилей ВАЗ. Установка такого устройства, приводящего к исключению предусмотренного штатным механизмом теплового зазора между кулачком и рычагом величиной 0,15 мм, неизбежно ведет к заметному увеличению перекрытия фаз впуска и выпуска вблизи ВМТ, сопровождающегося прежде всего прямой перетечкой отработавших газов во впускную систему. В результате процесс сгорания на холостом ходу и малых нагрузках резко ухудшается, что приводит к повышению содержания СН с отработавших газах в 2-3 раза и более, а также к заметной неустойчивости работы двигателя.      Рост выброса СН, вызванный ухудшением условий воспламенения горючей смеси, в наибольшей степени проявляется при обедненных регулировках карбюратора и становится менее заметен при более богатых регулировках. Иными словами, нарушения работы двигателя, связанные с состоянием системы зажигания, а также с ухудшением условий воспламенения горючей смеси, в наиболее выраженном виде проявляются при малом значении содержания СО и "смазываются" при большом содержании СО в отработавших газах. Это всегда нужно иметь в виду, делая заключение о вероятной причине неисправности.      Отклонение от приведенной зависимости (см. рис. 3) содержания СО, связанное с изменением состава приготавливаемой карбюратором горючей смеси, приводит либо только к повышению расхода топлива, либо еще и к ухудшению ездовых качеств автомобиля. В первом случае это бывает связано с излишним обогащением смеси, во втором, с ее переобеднением.      Рис. 3 Изменение содержания СО в отработавших газах по мере повышения частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу приоткрытием дроссельной заслонки       1 - исправный отрегулированный карбюратор; 2 - переобеднение регулировки переходной системы; 3 - переобогащение регулировки главной дозирующей системы; 4 - переобогащение регулировки переходной системы; 5 - общее переобогащение регулировки карбюратора.      Возможные характерные отклонения зависимости содержания СО по частоте вращения коленчатого вала на холостом ходу от нормальной кривой (1).      Эти отклонения можно разделить на четыре основные группы: резкое повышение содержания СО в отработавших газах при открытии дроссельной заслонки, наблюдаемое от малой до высокой частоты вращения (кривая 5 на рисунке 3); резкое повышение содержания СО в отработавших газах при открытии дроссельной заслонки на малой частоте вращения коленчатого вала, спадающее по мере повышения частоты вращения (кривая 4); плавное повышение содержания СО в отработавших газах по мере повышения частоты вращения коленчатого вала (кривая 3); резкое снижение содержания СО в отработавших газах при открытии дроссельной заслонки, наблюдаемое от малой до высокой частоты вращения (кривая 2).      Причиной первого дефекта чаще всего является общее переобогащение регулировки дозирующих систем карбюратора, связанное либо с засорением воздушных жиклеров, в том числе воздушного жиклера системы холостого хода, либо с установкой топливных жиклеров слишком большого сечения. Вероятной причиной этого, а также и второго дефекта, может быть также чрезмерное повышение уровня топлива.      Второй дефект чаще всего бывает вызван переобогащением регулировки переходной системы, т.е. по сути слишком большим сечением топливного жиклера системы холостого хода, или, теоретически, слишком малым сечением ее воздушного жиклера.      Третий дефект бывает вызван чрезмерно обогащенной регулировкой главной дозирующей системы первой камеры вследствие слишком большого сечения ее топливного жиклера или слишком малым сечение ее воздушного жиклера.      Четвертый дефект свидетельствует о чрезмерно обедненной регулировке карбюратора, чаще всего из-за слишком низкого уровня топлива в поплавковой камере, или установки топливных жиклеров слишком малого сечения.      Оценить регулировку карбюратора при полном открытии дроссельной заслонки, определяющей динамические и мощностные показатели двигателя, можно либо непосредственно в дорожных условиях при движении автомобиля на подъем, чтобы его скорость не превысила безопасную величину, либо, что гораздо удобнее, на нагрузочном стенде с беговыми барабанами. В первом случае потребуется газоанализатор, имеющий питание от автомобильной бортсети 12 В, во втором случае подойдет любой с питанием от сети переменного тока.      Двигаясь с полным открытием дроссельных заслонок, замерьте содержание СО в отработавших газах, которое во всем диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала должно находится в пределах от 1,5 до 6,0 %. При слишком малом содержании СО резко снижается мощность двигателя и появляется опасность его повреждения. При слишком большом содержании СО в первую очередь возрастает расход топлива и в меньшей степени - снижается мощность двигателя.      Идеальное значение, обеспечивающее отличную динамику и экономичность (только для полного дросселя) - 3-4%. При малом и среднем открытии дроссельной заслонки оптимальная величина СО, обеспечивающая наилучшую экономичность - 0,2-0,3% при 100-200 ррт СН.      Однако измерения содержания компонентов в отработавших газах имеют смысл лишь только в том случае, если есть уверенность в герметичности системы выпуска. Любой заметный "подсос" воздуха в систему выпуска, вполне вероятный из-за пульсации давления отработавших газов при работе двигателя, приведет к искажению показаний газоанализатора и не позволит сделать правильное заключение о состоянии двигателя.      При помощи дополнительного измерения содержания в отработавших газах СО2 или О2 можно обнаружить наличие такого "подсоса" воздуха по нарушению баланса концентраций компонентов отработавших газов. Так, например, двигатель работает на богатой смеси при содержании СО около 2%, однако вследствие подсоса воздуха содержание СО в месте отбора газов в анализатор составляет всего 1%, т.е. произошло разбавление отработавших газов воздухом вдвое. Это разбавление легко может быть установлено по падению содержания СО2 тоже вдвое, т.е. с обычных для этого состава смеси 12-13 % и роста содержания О2 с практически нулевого значения для этого же состава смеси до 10-11%, т.е. половине его содержания в чистом воздухе, составляющего немногим более 20%.      Обратясь к графику (см. рис.3), можно увидеть, что при значении СО равным 1% вышеуказанные значения СО2 и О2 значительно отличаются от нормальных для этого СО, т.е. что может быть объяснено только не герметичностью выпускной системы. Поэтому перед началом диагностических измерений всегда имеет смысл убедиться в правильном балансе концентраций компонентов отработавших газов, гарантирующем отсутствие недопустимых с точки зрения достоверности получаемых результатов "подсосов" воздуха.      Использование газоанализаторов для диагностики систем питания и зажигания - Карбюраторы автомобилей ОКА - Устройство, диагностика, ремонт http://croners.chat.ru/diagnost.html