Ремонт и техническое обслуживание автомобилей

Диагностика автомобилей газоанализаторами

Состав и вредные компоненты выхлопных газов

Отработанные газы, выводимые из цилиндров двигателей внутреннего сгорания через такт выпуска в атмосферу, имеют в своём составе многочисленные газообразные, жидкие и твердые компоненты (всего — около 200 химических элементов и их соединений). Эти вещества можно объединить в несколько групп в зависимости от химического состава, свойств и характера воздействия на окружающую среду и организм человека.
В первую очередь такие вещества следует разделить на две основные группы — токсичные (вредные для живой природы и человека) и нетоксичные (относительно безвредные).
Концентрация вредных веществ в общем объеме газов, выбрасываемых двигателем в атмосферный воздух, измеряется в процентах к общему объему или в миллионных долях этого объема.

Единицы измерения концентрации газов

Чтобы в дальнейшем понимать, какими единицами измерения оперируют специалисты при анализе количественного содержания тех или иных компонентов в отработавших газах, необходимы следующие пояснения.
Содержание измеряемых компонентов выхлопных газов оценивается в следующих единицах измерения:

Аббревиатура ppm (читается «пи-пи-эм») является сокращением английского выражения «parts per million» — «частей на миллион», т. е. миллионная доля (1/1000000 = 10 -6 ).
Применение единицы измерения ppm для оценивания количества углеводородов и окислов азота обусловлено с тем, что концентрация этих газов в общем объеме отработавших газов ничтожно мала, поэтому неудобно указывать их количество в процентах, т. е. в сотых долях. Определение концентрации малого количества веществ в миллионных долях позволяет более точно оценить отклонение от нормативных значений, что и предопределило массовое распространение ppm в качестве единицы обозначения концентрации.
Соотношение между процентами и ppm можно описать следующим равенством: 1% = 10 000 ppm.

Так, например, концентрация углекислого газа (CO₂) в атмосфере Земли составляет около 380 ppm, и это означает, что в каждом кубометре воздуха 0,380 мл (почти 2 стакана) углекислого газа. В процентах это выражение будет записано, как 0,038 %.
Исправный автомобиль под нагрузкой должен иметь содержание NО_x, в выхлопных газах менее 1000 ppm. Если указать эти значения в процентах, то запись будет выглядеть следующим образом: содержание NО_x в выхлопных газах не должно превышать 0,1%.
Очевидно, что отклонение значения, например, на 50 миллионных долей при записи в процентах (0,005%) интуитивно не воспринимается, как существенное изменение, а при записи в ppm (50 ppm) заставляет обратить внимание.

Нетоксичные компоненты отработавших газов

К нетоксичным (безвредным) компонентам выхлопных газов относятся естественные составляющие атмосферного воздуха (например, водяной пар, свободный азот, кислород). Эти вещества не вызывают существенных патологий в организме живых существ (в т. ч. человека) даже при относительно высокой концентрации. Пар является газообразной фазой воды, кислород и свободный азот являются основными компонентами атмосферного воздуха, поэтому эти вещества не наносят ощутимого вреда живой природе, даже если их содержание в выхлопных газах будет значительным.

Тем не менее, по количественному содержанию этих веществ в отработавших газах можно сделать определенные выводы о техническом состоянии работающего теплового двигателя и его систем.
Так, например, чрезмерное содержание водяного пара в выхлопных газах может свидетельствовать о неисправности прокладки головки блока цилиндров, трещинах в цилиндре или головке блока, из-за чего охлаждающая жидкость попадает в цилиндры двигателя.

Кислород (О₂) в цилиндрах двигателя вступает в реакцию с топливом, вызывая процесс горения. Уровень кислорода в выхлопных газах должен быть низким, не более 0,5%. Более высокие значения, особенно при работе двигателя на холостом ходу, могут быть вызваны плохой герметичностью впускного тракта, сопровождающейся работой двигателя на чрезмерно бедной топливовоздушной смеси. Такие отклонения позволяют диагностировать определенные неполадки в системе питания двигателя.

Газообразный азот (N) достаточно инертен, поэтому сам по себе не является опасным для живой природы веществом и не представляет ценности с точки зрения термодинамики теплового двигателя, поскольку не является ни топливом (как например углерод или водород), ни окислителем (как кислород). Тем не менее, его доля в атмосферном воздухе составляет почти 78 %, поэтому в любом случае после сжигания автомобильного топлива образуются те или иные азотосодержащие соединения. Многие из этих соединений являются очень токсичными веществами.

Относительно безопасным компонентом выхлопных газов двигателя считается двуокись углерода (СО₂, угольный ангидрид, углекислота или углекислый газ) — газообразное химическое соединение, не обладающее цветом и запахом. Этот газ примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, а его концентрация в атмосфере Земли составляет примерно 0,04 %. В течение суток организм человека поглощает и использует в процессах обмена веществ почти 1 кг двуокиси углерода, которая затем покидает организм при выдохе.
Тем не менее, дышать при избыточной конценрации углекислого газа в воздухе для здоровья вредно, поскольку он относится к удушающим газам. Незначительная концентрация (до 2-4%) в непроветриваемом помещении приводит к появлению сонливости и слабости, при концентрации выше 7-10% развивается удушье, проявляющее себя в головной боли, головокружении, расстройстве слуха и даже в потере сознания. К счастью отравление этим газом не приводит к необратимым последствиям, и после вдыхания свежего воздуха организм вскоре восстанавливается.
Допустимое содержание СО₂ в отработавших газах — 12…15%, при этом высокие значения свидетельствуют о хорошей работе двигателя, поскольку углерод топлива полностью сгорает.

Токсичные компоненты отработавших газов

Угарный газ (оксид углерода СО)

Оксид углерода — ядовитый газ без цвета, вкуса и запаха. Вступая в легких в реакцию с кислородом воздуха, лишает мозг кислорода. Выделяется при неполном сгорании топлива, имеет ярко выраженное отравляющее воздействие. Степень отравления зависит от его концентрации и продолжительности воздействия на человека. При дозах свыше 1 % возможна потеря сознания и смерть.

Окись углерода (СО) — неустойчивое химическое соединение, легко вступающее в реакцию с кислородом, в результате которой образуется относительно безопасное соединение — двуокись углерода СО₂ (допустимая концентрация в выхлопных газах – 12…15%). Высокое содержание СО₂ в выхлопе свидетельствует о хорошей работе двигателя, рационально сжигающего топливо.
Уровень СО в выхлопных газах для современных автомобилей с впрыском топлива не должен превышать 0,5%.
Возможные причины повышения содержания СО следующие:

• неисправность систем вентиляции картера;
• засорение воздушного фильтра;
• неправильная регулировка работы двигателя на холостом ходу;
• повышенное давление топлива в рампе;
• любые другие неисправности, приводящие к работе двигателя на чрезмерно богатых для данного режима топливовоздушных смесях (ТВС).

Оксиды азота NO и диоксиды азота NO₂

Оксид азота NО — бесцветный газ без вкуса и запаха.
Двуокись азота NО₂ — рыжеватый газ с кислым едким запахом.
Из этих компонентов в камере сгорания двигателя образуется группа окислов азота, для краткости обозначаемых, как NО_x (например, NO₃, NO₄ и пр.).

Окислы азота считаются более опасными, чем угарный газ, при этом наиболее негативное воздействие на человеческий организм оказывает диоксид азота — NO₂.
При окислении оксида азота кислородом воздуха образуется диоксид азота — газ тяжелее воздуха, который скапливается в нишах и углублениях, и весьма опасен при техобслуживании автомобилей. Негативно влияет на органы дыхания, слизистую оболочку и на ткани лёгких, при длительном воздействии возможно заболевание бронхитом и нарушение деятельности сердечнососудистой системы.
При соединении окислов азота с углеводородными компонентами С_nН_m (остатки несгоревшего топлива) в атмосфере под воздействием солнечных лучей образуется фотохимический компонент, чрезвычайно вредный для органов дыхания человека.

Окислы азота NО_x, формируются в камере сгорания двигателя при температуре выше 1370 °С или при большом давлении, что характерно для режимов работы двигателя под высокой нагрузкой.
Повышенное содержание NО_x, в выхлопных газах обычно имеет место, когда:

• двигатель перегрет;
• топливная смесь бедная.

Эффективной мерой борьбы против образования NО_x является применение системы рециркуляции выхлопных газов.

Ароматические углеводороды (соединения вида С_nН_m)

Углеводороды (С_nН_m) – это компоненты несгоревшего топлива, их содержание измеряется в частях на миллион по объему (ppm или млн -1 ). Нормально работающий двигатель сжигает в цилиндрах практически все топливо, допустимое содержание С_nН_m должно быть менее 50 ppm.
Если топливо сгорает не полностью, в атмосферу выбрасывается бензин, который является канцерогеном. Причиной повышенного содержания углеводородов в выхлопных газах может являться, например, чрезмерное попадание масла в цилиндры двигателя через неисправные поршневые кольца.

Чаще всего увеличенное содержание вызывается неполадками в системе зажигания. Неправильная регулировка двигателя, позднее зажигание и пониженная температура в камере сгорания приводит к появлению дыма.
Углеводородные соединения токсичны, влияют на сердечнососудистую систему и являются сильными канцерогенами.

Остальные компоненты автомобильных выхлопов (альдегиды, сернистые соединения, свинец) не менее вредны для организма человека, но их процентное содержание в отработавших газах незначительно по сравнению с перечисленными выше компонентами.

Своевременная и квалифицированная регулировка работы двигателей внутреннего сгорания с помощью автомобильных газоанализаторов позволяет значительно уменьшить содержание вышеперечисленных вредных веществ в отработанных газах автомобилей.

Пути снижения вредных автомобильных выбросов

В общем случае сокращения объёма вредных выбросов в выхлопных газах автомобилей можно достичь:

• применением альтернативных видов топлива;
• установкой каталитических нейтрализаторов в системы выпуска автомобилей;
• поддержанием на допустимом уровне содержания токсичных веществ в отработавших газах двигателей за счет оптимизации контроля и настроек систем, влияющих на количественную и качественную составляющую вредных выбросов;
• применением гибридных конструкций автомобилей;
• правильной организацией дорожного движения.

В большой степени на содержание токсичных примесей в выхлопных газах влияет техническое состояние и регулировка систем питания и зажигания двигателей внутреннего сгорания. При неправильной регулировке вредные выбросы бензиновых двигателей могут увеличиться в 2, а дизельных — в 20 раз.

Нормативные требования к составу отработавших газов автомобилей с бензиновыми двигателями

Содержание

Содержание………………………………………………………………………

1 Цель работы……………………………………………………………………

2 Нормативные требования к составу отработавших газов автомобилей с бензиновыми двигателями………………………………………………………

3 Методика измерения содержания СО, СН и λ в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями………………………………………….

4 Порядок работы с газоанализатором «ИНФРАКАР М-1.02»………………

5 Оформление отчёта о выполнении лабораторной работы………………….

6 Контрольные вопросы…………………………………………………………

Список использованных источников………………………………………….

Цель работы

1) Изучить нормы и методы анализа состава отработавших газов автомобилей с бензиновыми двигателями.

2) Получить практические навыки работы с газоанализатором «ИНФРАКАР М-1.02».

Нормативные требования к составу отработавших газов автомобилей с бензиновыми двигателями

Нормативные требования к составу отработавших газов автомобилей с бензиновыми двигателями, а также методам контроля при оценке их технического состояния устанавливает ГОСТ Р 52033-2003 «Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния». Данный стандарт распространяется на находящиеся в эксплуатации автотранспортные средства с бензиновыми двигателями категорий М₁, М₂, М₃, N₁, N₂, N₃, оснащённые или не оснащённые системами нейтрализации отработавших газов.

Определение категорий автомобилей производится по ГОСТ Р 52051-2003 «Механические транспортные средства и прицепы. Классификация и определения», согласно которому выделяются следующие категории.

Категория М – механические транспортные средства, имеющие не менее четырёх колёс и используемые для перевозки пассажиров.

Категория М₁ – транспортные средства, используемые для перевозки пассажиров и имеющие, помимо места водителя, не более восьми мест для сидения.

Категория М₂ – транспортные средства, используемые для перевозки пассажиров и имеющие, помимо места водителя, более восьми мест для сидения, максимальная масса которых не превышает 5 т.

Категория М₃ – транспортные средства, используемые для перевозки пассажиров и имеющие, помимо места водителя, более восьми мест для сидения, максимальная масса которых превышает 5 т.

Категория N – механические транспортные средства, имеющие не менее четырёх колёс и используемые для перевозки грузов.

Категория N₁ – транспортные средства, предназначенные для перевозки грузов, имеющие максимальную массу не более 3,5 т.

Категория N₂ – транспортные средства, предназначенные для перевозки грузов, имеющие максимальную массу свыше 3,5 т, но не более 12 т.

Категория N₃ – транспортные средства, предназначенные для перевозки грузов, имеющие максимальную массу более 12 т.

Проверке подлежат: содержание оксида углерода (СО); содержание несгоревшего бензина (СН) (углеводородов в пересчёте на гексан); значение коэффициента избытка воздуха (λ). Состав отработавших газов ДВС нормируется на минимальной (n_мин) и повышенной (n_пов) частотах вращения коленчатого вала на холостом ходу. Значения n_мин и n_пов частот устанавливаются производителем и указываются в технических условиях и инструкции по эксплуатации автомобиля.

Если на проверяемое автотранспортное средство отсутствуют данные производителя, то при измерениях значение минимальной частоты вращения коленчатого вала ДВС на холостом ходу не должно превышать 1100 мин -1 для автотранспортных средств категории М₁ и 900 мин -1 для автотранспортных средств остальных категорий.

Значение повышенной частоты вращения коленчатого вала ДВС на холостом ходу при отсутствии данных производителя должно находиться в пределах 2500…3500 мин -1 для автотранспортных средств категорий М₁ и N₁ не оборудованных системами нейтрализации отработавших газов и в пределах 2000…3500 мин -1 для этих же категорий автотранспортных средств оборудованных системами нейтрализации отработавших газов. Для остальных категорий автотранспортных средств, независимо от их комплектации, значение повышенной частоты вращения коленчатого вала ДВС должно находиться в пределах 2000…2800 мин -1 .

Стандартом ГОСТ Р 52033-2003 также рекомендованы условия проведения проверок автомобилей. Проверки могут быть проведены:

— на предприятиях, изготавливающих двигатели и автомобили, при приёмочных, периодических и контрольных испытаниях серийной продукции;

— при сертификационных испытаниях;

— при контроле технического состояния находящихся в эксплуатации автомобилей в установленном порядке специально уполномоченными органами;

— на предприятиях, эксплуатирующих и обслуживающих автомобили, при техническом обслуживании, ремонте и регулировке агрегатов, узлов и систем, влияющих на изменение содержания нормируемых компонентов в ОГ;

— на предприятиях, осуществляющих капитальный ремонт автомобилей.

Содержание СО и СН должно быть в пределах данных, установленных заводом-изготовителем автомобиля, но не более значений, указанных в таблице 1.

Для автомобилей, не оборудованных системой нейтрализации отработавших газов, с пробегом до 3000 км нормативные значения содержания СО и СН устанавливаются технологическими нормами завода-изготовителя.

Значения λ нормируются для автомобилей, оборудованных трёхкомпонентной системой нейтрализации отработавших газов, и в режиме холостого хода на n_пов должно быть в пределах данных, установленных заводом-изготовителем. Если данные завода-изготовителя отсутствуют или не указаны, значение λ должно быть от 0,97 до 1,03.

Таблица 1 – Нормативы содержания загрязняющих веществ в отработавших газах автомобилей, оснащённых бензиновыми двигателями

Категория и комплектация автомобиля	Частота вращения коленчатого вала	Оксид углерода, объёмная доля, %	Углеводороды, объёмная доля, млн -1
Автомобили категорий М1, М2, М3, N1, N2, N3, произведённые до 01.10.1986	nмин	4,5	—
Автомобили категорий М1, N1, не оснащённые системами нейтрализации отработавших газов	nмин	3,5
nпов	2,0
Автомобили категорий М2, М3, N2, N3, не оснащённые системами нейтрализации отработавших газов	nмин	3,5
nпов	2,0
Автомобили категорий М1, N1, оборудованные двухкомпонентной системой нейтрализации отработавших газов	nмин	1,0
nпов	0,6
Автомобили категорий М2, М3, N2, N3, оборудованные двухкомпонентной системой нейтрализации отработавших газов	nмин	1,0
nпов	0,6
Автомобили категорий М1, N1 с трёхкомпонентной системой нейтрализации отработавших газов и те же автомобили и те же автомобили, оборудованные встроенной (бортовой) системой диагностирования	nмин	0,5
nпов	0,3
Автомобили категорий М2, М3, N2, N3 с трёхкомпонентной системой нейтрализации отработавших газов и те же автомобили и те же автомобили, оборудованные встроенной (бортовой) системой диагностирования	nмин	0,5
nпов	0,3

Превышение предельно-допустимых значений СО в отработавших газах, указанных в таблице 1, может быть вызвано следующими причинами.

1. Наличие загрязнения воздушного фильтра (карбюраторная система питания).

2. Неисправность карбюратора или его несоответствующая регулировка.

3. Неисправность датчика температуры ДВС (инжекторная система питания).

4. Неисправность расходомера воздуха (инжекторная система питания).

5. Неисправность системы холодного пуска ДВС (инжекторная система питания).

6. Неисправность топливных форсунок.

7. Повышенное давление топлива в системе (инжекторная система питания).

8. Неисправность датчика контроля содержания кислорода в отработавших газах (инжекторная система питания).

Превышение предельно-допустимых значений СН в отработавших газах, указанных в таблице 1, может быть вызвано следующими причинами.

1. Дефекты клапанов, несоответствующая регулировка фаз газораспределения, в том числе дефекты механизмов ступенчатого или бесступенчатого регулирования фаз газораспределения, гидрокомпенсаторов, несоответствующая регулировка тепловых зазоров клапанов в газораспределительных механизмах без гидрокомпенсаторов.

2. Переобогащение рабочей смеси как в связи с несоответствующей регулировкой, так и с наличием утечек в системе топливоподачи.

3. Неисправность системы зажигания, а именно: перебои в искрообразовании, несоответствующий угол опережения зажигания.

4. Неисправность датчика контроля содержания кислорода в отработавших газах (инжекторная система питания).

5. Несоответствующая компрессия в камерах сгорания ДВС.

Коэффициент избытка воздуха λ – это безразмерная величина, являющаяся отношением массы воздуха, поступающей в цилиндры ДВС при его работе, к массе воздуха, которая теоретически необходима для полного сгорания горючей смеси. Значения λ 1 – бедной (т.е. топливо в этой смеси находится в недостатке). Причём полное сгорание топлива происходит при коэффициенте избытка воздуха λ, примерно равном единице. При значении λ = 1 наблюдается также максимальная концентрация двуокиси углерода (CO₂), около 15 %, и минимальная концентрация кислорода (О₂) (рисунок 1).

Допустимое содержание СО₂ в отработавших газах составляет 12…15 %. Высокое значение СО₂ свидетельствует об оптимальном составе топливовоздушной смеси и нормальном её сгорании.

Уровень содержания О₂ в отработавших газах должен быть низким, не более 0,5 %. Более высокие значения О₂, особенно на минимальных оборотах коленчатого вала двигателя, означают подсос воздуха во впускном тракте.

Рисунок 1 – Закономерности изменения состава отработавших газов в зависимости от коэффициента избытка воздуха

Содержание СО₂ в пределах 15 % при одновременно низком содержании СО, СН и О₂ в отработавших газах свидетельствует о хорошем техническом состоянии ДВС. Возможная причина низкого содержания CO₂ и несоответствующего значения λ – негерметичность системы выпуска отработавших газов.

3 Методика измерения содержания СО, СН и λ в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями

Общие требования

3.1.1 Техническое состояние систем автомобиля и двигателя должно соответствовать требованиям, указанным в таблице 2.

3.1.2 На автомобилях, оснащённых трёхкомпонентной системой нейтрализации отработавших газов и встроенной системой диагностирования, перед измерением СО и СН проверяют работоспособность двигателя и системы нейтрализации по показаниям диагностического индикатора, расположенного на приборной панели:

— при включении зажигания перед пуском двигателя диагностический индикатор должен быть включен или включаться на короткий промежуток времени; при отсутствии соответствующего сигнала диагностического индикатора после включения зажигания дальнейшую процедуру проверки прекращают;

— после пуска двигателя диагностический индикатор должен выключиться; в случае, если диагностический индикатор при работе двигателя остаётся во включенном состоянии, дальнейшую проверку прекращают.

Таблица 2 – Требования к техническому состоянию систем автомобиля и двигателя

Система автомобиля	Требования к техническому состоянию
Система выпуска отработавших газов	Комплектность (отсутствие элементов системы выпуска не допускается); герметичность (отсутствие механических пробоев и сквозной коррозии; при работе двигателя на холостом ходу в соединениях и элементах системы выпуска отработавших газов не должно быть утечек, а для автомобилей, оборудованных системой нейтрализации отработавших газов, не допускаются утечки в атмосферу минуя нейтрализатор)
Система нейтрализации отработавших газов и другое оборудование для снижения вредных выбросов	Комплектность (отсутствие или несоответствие эксплуатационным документам элементов системы нейтрализации, системы улавливания паров топлива, рециркуляции отработавших газов, экономайзера принудительного холостого хода и т.п. не допускается)
Система вентиляции картера	Комплектность; герметичность (рассоединение трубок в системе вентиляции картера двигателя, утечка картерных газов через различные неплотности в атмосферу не допускаются)
Встроенная система диагностирования двигателя	Функционирование диагностического индикатора соответствует исправной работе двигателя и его систем (диагностический индикатор при работе двигателя выключен)

3.1.3 Перед измерением двигатель должен быть прогрет не ниже рабочей температуры охлаждающей жидкости (или моторного масла для двигателей с воздушным охлаждением), указанной в руководстве по эксплуатации автомобиля.

3.1.4 Применяются для измерения содержания компонентов отработавших газов автомобилей с бензиновыми двигателями:

— не оснащённых системами нейтрализации или оснащённых двухкомпонентными (окислительными) системами нейтрализации – двухканальные газоанализаторы, предназначенные для измерения содержания СО и СН в пересчёте на гексан;

— оснащённых трёхкомпонентными системами нейтрализации – четырёхканальные газоанализаторы, предназначенные для измерения содержания СО, СН, СО₂ и кислорода О₂.

Для измерения содержания:

— СО, СН и СО₂ в ОГ – применяются газоанализаторы непрерывного действия, принцип действия которых основан на инфракрасной спектроскопии;

— О₂ – применяется электрохимический сенсор.

Четырёхканальные газоанализаторы должны иметь программное обеспечение, позволяющее рассчитывать коэффициент λ по формуле:

(1)

где , , — объёмная доля диоксида, оксида углерода и кислорода, %;

— отношение числа атомов водорода к числу атомов углерода в бензине, = 1,7261;

— отношение числа атомов кислорода к числу атомов углерода в бензине, = 0,0176;

К₁ – поправочный коэффициент для пересчёта содержания углеводородов, измеренного инфракрасным методом, на гексан. К₁ = 6·10 -4 , если сумма углеводородов выражена в объёмных долях (млн -1 ) гексана. Значение К₁ может быть уточнено изготовителем прибора;

— объёмная доля углеводородов в пересчёте на гексан, млн -1 .

3.1.5 Средства измерения (газоанализаторы, тахометры) должны соответствовать следующим требованиям.

1) Для определения содержания СО и СН в отработавших газах автомобилей следует применять газоанализаторы непрерывного действия, работающие на принципе инфракрасной спектроскопии, со следующими метрологическими характеристиками:

— основная приведенная погрешность газоанализатора должна быть не более ± 5 % верхнего предела измерений для каждого диапазона;

— постоянная времени газоанализатора должна быть не более 60 с.

2) Шкала газоанализатора СО должна быть отградуирована по бинарной газовой смеси (СО в воздухе или азоте) в объемных долях выраженных в процентах СО, 0…5 % и 0…10 %.

3) Шкала газоанализатора СН должна быть отградуирована по бинарной газовой смеси (пропан в азоте), в объемных долях, выраженных в частях на миллион гексана (млн -1 ), 0…1000 млн -1 и 0…10000 млн -1 .

4) Погрешность измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя тахометром должна быть не более ± 2,5 % верхнего предела измерений.

3.1.6 Средства измерений должны быть поверены в соответствии с ГОСТ 8.513-84.