"Глубокая Электроника" : Газоанализатор

Александр
ХРУЛЕВ, кандидат  технических наук

До сих пор на многих СТО газоанализатор рассматривают как некий второстепенный прибор, с помощью которого можно проконтролировать токсичность выхлопных газов и как-нибудь ее уменьшить, (и то - если об этом просит заказчик, обеспокоенный возможной проверкой своего автомобиля на посту экологического контроля). Однако специалистам хорошо известно, что без газоанализатора, как правило, не удается надежно установить истинную причину неисправности двигателя или его систем (топливоподачи и зажигания). Да и после устранения обнаруженной неисправности без контроля состава выхлопных газов тоже не обойтись. Поэтому вопрос, нужен ли газоанализатор на СТО, мягко говоря, некорректен. Гораздо более важно, как максимально эффективно использовать этот прибор и каким он должен быть, чтобы выявить и устранить те или
иные неисправности.

Работа с газоанализатором не так проста, как может показаться: поместил, мол, зонд в выхлопную трубу, прочитал показания прибора, и регулируй что-нибудь, если какой-то из компонентов выхлопных газов вышел за допустимые пределы, Во-первых, не всегда понятно, что регулировать. Во-вторых, можно ли вообще что-нибудь отрегулировать в конкретном случае? Чтобы выработать практический план действий, прежде чем браться за дело, желательно сначала представить, что же происходит в двигателе, из-за чего состав выхлопных газов становится “неправильным”, выходящим за регламентированные инструкциями пределы.

Немного теории.
К сожалению, без теории здесь не обойтись. Поэтому вспомним: основное влияние на состав выхлопных газов оказывает качество топливо-воздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя. Качество смеси характеризуется коэффициентом избытка воздуха, обозначаемым обычно “лямбда” (Л). Строго говоря, Л - это отношение реального количества воздуха в смеси к теоретическому, тому, что соответствует полному сгоранию топлива. В идеальном случае Л равна 1, и это значит, что смесь состоит примерно из 15 частей воздуха и 1 части углеводородного топлива, которое 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 (Л будет меньше единицы), то при ее воспламенении из-за недостатка кислорода образуются продукты неполного сгорания бензина- оксид углерода СО и несгоревщие углеводороды СН (в иностранной литературе их принято обозначать НС). Обеднение смеси (Л больше единицы)сначала приводит к снижению концентрации СО и СН в выхлопных газах, и при Л=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 продуктов неполного сгорания, в первую очередь - 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 и на основные характеристики двигателя - мощность и экономичность. Так, максимальную мощность обеспечивает богатая топливом смесь (Л примерно 0,9), а наибольшую экономичность - бедная (Л около 1,1). В этих пределах значений л регулируют подачу топлива в двигатель в зависимости от режимов его работы - частоты вращения и нагрузки.

Проследим обратную цепочку: если система управления двигателем “сбоит” либо возникли неисправности в механической части - это снижает мощность и ухудшает экономичность, значит, изменяет состав топливной смеси, что в свою очередь приводит к изменению состава выхлопных газов, причем обычно, - в сторону увеличения вредных выбросов.
Все вышесказанное нашло отражение в конкретных числовых значениях компонентов для разных типов двигателей. Так, для нормально работающего двигателя без нейтрализатора значение Л 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 - милионные 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 до-окисление (дожигание) СО и СН в СО2 и Н2О. Для этого система управления должна подавать бедную топливную смесь (л больше единицы), чтобы перед нейтрализатором в ней был определенный избыток кислорода, необходимый для реакции доокисления.

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 NOx) не менее опасны.

Откуда берутся окислы NOх? Дело в том, что в камере сгорания двигателя при очень высоких температурах 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 «Л» 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 Л между 0,97 и 1,03. Тогда концентрация продуктов выхлопа становится следующей:
СО=0,05-0,25%;
СН=5-50ppm;
 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.

А что на практике?
Для нашего эксперимента были выбраны два автомобиля - старенький ВАЗ - "Жигули" 11-ой модели и “Мазда-626” со впрыском топлива и трехкомпонентным нейтрализатором. Выбор не случаен, поскольку отражает тенденцию отечественного авторынка: все еще обширный парк классических карбюраторных "Жигулей" и день ото дня увеличивающийся парк современных иномарок.

Целью нашего эксперимента было, с одной стороны, определить, можно ли с помощью газоанализатора отыскать какие-либо неисправности в двигателе (или хотя бы заметно сузить круг возможных поисков), а с другой - ответить на вопрос, какой же все-таки газоанализатор и с какими возможностями нужен на СТО.
В эксперименте оказались задействованными профессиональный четырех-компонентный газоанализатор SUN MGA 1200 с печатающим устройством и хорошо известный в России мотортестер SUN MEA 1500, которому в данном случае была отведена скорее вспомогательная роль.

Все работы проводились в диагностическом центре SUN, специалисты которого нам активно содействовали. Мы избрали следующую методику. Искусственным путем в двигателе и системе его управления последовательно моделировали некоторые простые, но часто встречающиеся дефекты и неисправности. После этого регистрировали состав выхлопных газов и сравнивали его с исходным, соответствующим нормальной работе двигателя. Были опробованы такие возможные ситуации.
- неисправны свеча зажигания или высоковольтный провод свечи;
- раннее зажигание;
- позднее зажигание;
- подсос воздуха во впускной коллектор;

При моделировании той или иной неисправности обороты холостого хода у обоих автомобилей восстанавливали до исходных, а у “Жигулей” - приводили к исходному еще и качество топливной смеси. Далее сравнивали состав выхлопных газов до “неисправности” и после нее. И вот что у нас получилось.

ВАЗ 21011 “Жигули”.
Результаты измерений состава выхлопных газов приведены в соответствующей таблице. В первую очередь отметим, что почти все вводимые неисправности вызывают увеличение выбросов углеводородов (кроме случая позднего зажигания).

Это и не удивительно - если условия сгорания смеси в отдельных или всех цилиндрах ухудшаются, то весь состав выхлопных газов отклоняется от нормального.
Наибольшее влияние на состав выхлопа оказывает неисправность свечи зажигания - количество углеводородов СН увеличивается более чем в 6 раз. При этом выбросы СО уменьшаются (нет сгорания топлива в отключенном цилиндре, следовательно, в этом цилиндре СО не образуется). Отметим, что аналогичное влияние будет оказывать и негерметичность клапана, например, вследствие его прогара. Ну а точно установить причину можно дополнительными измерениями с помощью других диагностических средств.

Теперь проследим влияние угла опережения зажигания. На позднем зажигании при некотором росте СО заметно снизились выбросы углеводородов, потому что двигатель работает более плавно, условия сгорания топлива лучше. Обратная картина наблюдается на слишком раннем зажигании - перебои в работе двигателя приводят к значительному росту выбросов СО и СН. То, что топливо сгорает неэффективно, видно по низкому содержанию СО2 и большому количеству кислорода, не вступившего в реакцию горения. Обращает на себя внимание величина Л - регулировкой удалось добиться ее значение 1,02, т.е. такого же, что и в исходном случае, Однако на показания газоанализатора здесь лучше не полагаться. Качество смеси в приборе рассчитывается по составу выхлопных газов, а если двигатель работает с перебоями, то расчет будет выполнен некорректно. Кстати, то же самое справедливо для случая неработающего цилиндра - расчетное значение Л может сильно отличаться от действительного (обычно в большую сторону). В случае подсоса воздуха во впускной коллектор топливная смесь сильно обедняется, и отрегулировать карбюратор становится трудно, часто даже просто невозможно. При этом, несмотря на снижение СО, выбросы СН заметно растут, и убрать их регулировкой уже нельзя.

Похожий эффект может дать, например, большой расход масла из-за износа деталей цилиндро-поршневой группы. Тогда количество углеводородов возрастет, а СО - почти не изменится. Разница будет наблюдаться лишь в количествах СО2 и О2: именно по этому различию не составит большого труда установить истинную причину неисправности. Если же использовать двухкомпонентный газоанализатор, то характер неисправности определить практически невозможно.

MAZDA 626
Определить с помощью газоанализатора какую-либо неисправность на двигателе со впрыском топлива и нейтрализатором довольно сложно. 
Как видно из таблицы, нейтрализатор свое дело знает - дожигает СО и СН практически полностью. Исключение составляет случай неработающего цилиндра, когда при незначительном росте СО количество углеводородов выросло почти в десять раз.

По двум компонентам (СО и СН) конкретизировать неисправность здесь нельзя.
Зато концентрации СО2 и О2 картину проясняют. Так, подсос воздуха обязательно приведет к обеднению смеси, снижению концентрации СО2 и увеличению доли кислорода в выхлопных газах. Аналогичное явление будет наблюдаться и при чрезмерно раннем зажигании. Чтобы установить причину, достаточно проверить угол опережения зажигания (например, стробоскопом).

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.

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 нашем эксперименте небольшое расхождение между СО и СОк у обоих автомобилей позволило легко обнаружить незначительные трещины в их выхлопных трубах. Каков же из всего этого вывод? Он достаточно прост. На практике подтверждается высказанное в наших предыдущих публикациях мнение о том, что двухкомпонентный газоанализатор для СТО неэффективен, а для современных автомобилей со впрыском топлива и вовсе бесполезен. Конечно, профессиональные газоанализаторы - приборы недешевые, но альтернативы им нет.

Хрулев А.
© Легион-Автодата"