Все про автомобильные газоанализаторы

Общее назначение газоанализаторов — измерение и анализ газовых смесей для определения их количественного и качественного (объёмного и процентного) состава. В частности, газоанализатор для автомобиля используется при измерении количества вредных выбросов в выхлопных газах ДВС, работающих на бензиновом, дизельном и газообразном топливе: оксида углерода (CО), диоксида углерода (СО2), углеводородов и других соединений.Диагностика двигателей, регулировка и ремонт карбюраторов, газового оборудования, наладка систем впрыска топлива — вот далеко не полный список работ, выполнение которых практически невозможно без применения автомобильных газоанализаторов. Регулировка расхода топлива — это особо востребованная в наши дни услуга, когда стоимость топлива растёт изо дня в день.

В зависимости от конструктивного устройства автомобильные газоанализаторы могут измерять один или несколько компонентов выхлопных газов (однокомпонентные и многокомпонентные). Одно- или двухкомпонентными газоанализаторами можно измерять количество вредных примесей в отработанных газах автомобилей (СО, окислы азота), не оборудованных катализаторами. Некоторое время назад наиболее распространёнными были однокомпонентные газоанализаторы для определения содержания оксида углерода СО. Введение норм выбросов по экологическим стандартам ЕВРО не только СО, но и других составляющих отработанных газов стимулировало выпуск и использование многокомпонентных газоанализаторов для оценки их состава. При помощи обычных автомобильных газоанализаторов можно выполнять диагностику и регулировку либо бензиновых, либо дизельных двигателей. Универсальные газоанализаторы позволяют диагностировать и выполнять регулировку и бензиновых, и дизельных ДВС.

Что есть «норма»?

Прежде чем пытаться разглядеть неисправности, стоит вспомнить, что такое выхлопные газы, как они образуются и какими должны быть в нормальном состоянии.

Выхлопные или отработанные газы — продукт сгорания топлива в камерах сгорания двигателя. Тип используемого топлива определяется конструкцией двигателя: бензиновый, дизельный или газовый.

Исправный двигатель должен выделять бесцветные газы, особенно в тeплое время года. Зимой же, сразу после запуска мотора и его прогрева до рабочей температуры, цвет может быть беловатым — это тоже нормально. Белый дым образуется в результате испарения скопившегося конденсата в выпускной системе: как только двигатель прогреется, вся влага исчезнет, и дым вновь станет едва заметным. Если даже после прогрева дым не пропадет, это может свидетельствовать о проблеме.

Продолжительность впрыска и кривая интенсивности подачи (впрыска)

Термин «интенсивность подачи» описывает кривую характеристику количества впрыснутого в камеру сгорания топлива как функцию угла поворота коленчатого или кулачкового вала (соответственно углы поворота коленчатого или кулачкового вала).

Одним из главных параметров, влияющих на кривую интенсивности подачи, является продолжительность впрыска. Она измеряется в углах поворота коленчатого или кулачкового вала или в миллисекундах и является периодом, в течение которого открыта форсунка и топливо впрыскивается в камеру сгорания, На рисунке показано, как подача количества впрыскиваемого топлива начинается с помощью кулачкового вала насоса и как топливо впрыскивается из форсунки (как функция угла поворота кулачкового вала). Можно видеть, что характеристика давления и кривая интенсивности подачи сильно изменяются между элементом насоса и форсункой, и что на них влияют детали, которые определяют впрыск (кулачок, элемент насоса, нагнетательный клапан, топливопровод (магистраль подачи) и форсунка).

Рис. Продолжительность впрыска и кривая интенсивности подачи

Рис. rl — период задержки воспламенения; 1. Подъем кулачка, скорость подъема; 2. Давление в камере элемента насоса; 3. Подъем клапана; 4. Давление в топливопроводе на стороне насоса; 5. Давление в топливопроводе на стороне форсунки; 6. Подъем иглы форсунки; 7. Кривая интенсивности подачи; 8. Угол поворота кулачка, град.

Различные системы дизельных двигателей требуют различной продолжительности впрыска в каждом из случаев. Двигатели с непосредственным впрыском требуют примерно 25 — 30° поворота коленчатого вала при определенном числе оборотов, а двигатели с предкамерой — угла поворота коленчатого вала в 35 — 40°. Продолжительность впрыска при 30°- повороте коленчатого вала, соответствующем повороту на 15° кулачкового вала, означает продолжительность впрыска в 1,25 миллисекунд для числа оборотов ТНВД, равному 2000 об/мин.

Для поддержания расхода топлива и выбросов серы на низком уровне, продолжительность впрыска должна быть определена как функция рабочей точки и зависит от начала впрыска. При начале впрыска должно протекать лишь малое количество топлива, тогда как в конце требуется большое количество топлива. Форсунка затем должна закрыться как можно быстрее. Такая кривая интенсивности подачи приведет к медленному повышению давления сжатия. Сгорание, таким образом, будет «мягким». В двигателях с непосредственным впрыском шум от сгорания заметно меньшается, если малая часть топлива, впрыснутого в камеру сгорания, мелко распылена перед основным впрыском.

Рис. as — начало впрыска в градусах поворота коленчатого вала до ВМТ; 1. Расход топлива; 2. г/кВт-ч; 3. Продолжительность впрыска; 4. Сера; 5. Градусы поворота коленчатого вала; 6. Окислы азота (NOx); 7. Углеводороды (НС); 8. г/ч.

Такой метод впрыска остается очень дорогим. В двигателях с разделенной камерой сгорания (с предкамерой или вихревой камерой) используются игольчатые дросселирующие форсунки. Эти форсунки образуют одну струю топлива и определяют кривую интенсивности подачи. Форсунки управляют поперечным сечением выхода как функцией хода клапана впрыска (нагнетательного клапана).

Вторичный впрыск (или так называемое «капание») особенно нежелателен и происходит из-за быстрого повторного открывания форсунки после ее закрывания, и она впрыскивает плохо подготовленное топливо позже в процессе сгорания. Эго топливо сгорает не полностью или вообще не сгорает и выходит через выхлопные газы как несгоревшие углеводороды.

Быстрозакрывающиеся форсунки предотвращают такое «капание». «Мертвый объем» в нижней части у седла форсунки производит эффект, подобный «капанью». Пары топлива, накапливающиеся в этом объеме, выходят в камеру сгорания после окончания сгорания и также поступают в выхлопные газы, где увеличивают выбросы несгоревших углеводородов. Наименьший «мертвый объем» получается у форсунок с седлом с отверстиями.

Клапан EGR. Серьезный подход к выбросам NOx.

Являясь неотъемлемым элементом системы управления двигателем автомобиля, так называемый клапан системы рециркуляции выхлопных газов (сокращенно EGR) служит для возврата точно рассчитанного объема выхлопных газов в систему впуска двигателя для повышения его эффективности, снижения потребления топлива и содержания окислов азота в выхлопных газах. С ростом требований к сокращению выбросов клапан EGR будет играть все более важную роль, поэтому вам следует знать, для чего он предназначен, почему он выходит из строя и как его заменить в случае поломки.

Как работает клапан EGR?

Воздух, которым мы дышим, почти на 80 процентов состоит из азота. Однако под воздействием чрезвычайно высоких температур в камере сгорания, до 1370 °C, этот инертный в нормальных условиях газ становится химически активным и образует вредные оксиды азота, или NOx, которые затем попадают через выхлопную систему в атмосферу. Чтобы свести эти выбросы к минимуму, клапан рециркуляции отработавших газов обеспечивает подачу точно рассчитанного количества выхлопных газов во впускную систему, тем самым изменяя химический состав воздуха, поступающего в двигатель. При меньшем количестве кислорода разбавленная смесь сгорает медленнее, благодаря чему в камере сгорания температура снижается почти на 150 °C, а также уменьшается образование NOx, что обеспечивает более чистый и эффективный выхлоп.

Клапан EGR имеет два основных положения: открытое и закрытое, хотя он может принимать любое промежуточное состояние. При запуске двигателя клапан EGR закрыт. Во время холостого хода и на низких скоростях достаточно небольшой мощности и, следовательно, незначительного количества кислорода, поэтому клапан постепенно открывается. На холостом ходу он может быть открыт на 90%. Однако, когда требуется больший крутящий момент и большая мощность, например при полном ускорении, клапан EGR закрывается, чтобы обеспечить поступление большого количества кислорода в цилиндр.

Кроме снижения выбросов NOx, клапаны EGR могут использоваться в двигателях малого объема с системой GDi для уменьшения насосных потерь, а также для повышения эффективности сгорания топлива и снижения вероятности детонации. В дизельных двигателях он также помогает уменьшить стук на холостом ходу.

Типы клапанов EGR

Хотя существует несколько типов клапанов рециркуляции отработавших газов — в более ранних системах используются вакуумные клапаны, в то время как в более современных автомобилях устанавливаются клапаны с электронным управлением, — можно выделить следующие их основные типы:

Дизельные клапаны EGR высокого давления отводят быстрый поток отработавшего газа с высоким содержанием сажи, прежде чем он попадет в сажевый фильтр — сажа может соединяться с парами масла и образовывать шлам. Затем газ поступает обратно во впускной коллектор либо через патрубок, либо через внутренние отверстия в головке блока цилиндров. Вспомогательный клапан также используется для создания вакуума во впускном коллекторе, так как он не образуется естественным образом при работе дизельного двигателя.

Дизельные клапаны EGR низкого давления отводят выхлопной газ после его прохождения через сажевый фильтр. Этот газ движется с меньшей скоростью, но он почти полностью очищен от сажи. Затем газ поступает обратно во впускной коллектор через патрубок.

Бензиновые клапаны EGR отводят выхлопные газы так же, как и их дизельные аналоги высокого давления. Когда в цилиндре создается разрежение, выхлопные газы втягиваются в камеру сгорания, а объем их подачи регулируется открытием и закрытием самого клапана EGR.

Клапаны EGR с вакуумным управлением имеют электровакуумный клапан для изменения степени разрежения, воздействующей на диафрагму, и, в свою очередь, открывают и закрывают клапан EGR. В некоторых клапанах также имеются датчики обратной связи для подачи на ЭБУ сигнала об их положении.

Цифровые клапаны EGR оснащены соленоидом или шаговым двигателем и в большинстве случаев датчиком обратной связи. Эти клапаны получают широтно-импульсно модулированный сигнал от ЭБУ для регулирования потока выхлопных газов.

Каковы причины поломки клапанов EGR?

Клапаны рециркуляции отработавших газов работают в агрессивной среде, поэтому со временем они могут изнашиваться. Однако единственной основной причиной их отказа является нагар вдоль каналов рециркуляции выхлопных газов и системы впуска. С течением времени это приводит к засорению трубок, каналов выхлопных газов и, в конечном итоге, плунжерного механизма клапана, в результате чего его заклинивает либо в открытом, либо в закрытом состоянии. Неисправности также могут быть вызваны разрывом диафрагмы клапана или утечкой через нее.

Каковы признаки неисправности клапана EGR?

Признаки неисправности клапана EGR схожи с признаками других неисправностей системы управления двигателем. По этой причине неисправности EGR остаются головной болью многих автомехаников. Однако существует несколько признаков, на которые стоит обратить внимание:

• Горит лампочка проверки двигателя. Как и в случае неисправности большинства компонентов системы управления двигателем, проблема с клапаном EGR может стать причиной включения лампочки проверки двигателя.
• Нарушения в работе двигателя. Если клапан заклинило в открытом положении, качество воздушно-топливной смеси будет нарушено, что приведет к нарушениям в работе двигателя, таким как снижение мощности, вялое ускорение и неровный холостой ход. Это также может привести к утечкам давления в системе турбонаддува, в результате чего турбонагнетатель будет работать активнее.
• Повышение объема выбросов NOx. Когда клапан EGR остается закрытым, в камере сгорания возникают высокие температуры, в результате чего в выхлопе остается большое количество несгоревшего топлива, что приводит к увеличению выбросов NOx и снижению эффективности использования топлива.
• Детонация двигателя. Повышенная температура и большой объем выбросов NOx могут также привести к усилению детонации, которую можно распознать по стуку в двигателе.

Устранение неисправностей клапана EGR

Учитывая разнообразие типов клапанов EGR, всегда целесообразнее следовать процедурам устранения неисправностей, подробно изложенным в руководстве по обслуживанию, однако существует несколько стандартных действий, которые могут помочь точно определить неисправность:

• Считайте коды неисправностей клапанов EGR с электронным управлением с помощью диагностического прибора.
• Убедитесь, что все вакуумные магистрали и электрические соединения подключены и расположены правильно.
• С помощью вакуумметра проверьте степень разрежения в вакуумном шланге при 2000–2500 об/мин. Отсутствие вакуума при нормальной рабочей температуре может указывать на ослабление крепления шланга, засор или неисправность вакуумного выключателя с штуцерами или электровакуумного клапана или неисправность вакуумного усилителя/насоса.
• Проверьте электровакуумный клапан во время работы двигателя. На клапанах EGR с электронным управлением активируйте соленоид с помощью диагностического прибора и проверьте степень разрежения на конце патрубка. Если клапан не открывается при подаче питания, его заклинило в открытом или закрытом положении или имеются следы ржавчины на электрическом соединении, ослабло соединение провода или имеется плохое заземление, система EGR будет работать неправильно. Перед заменой клапана определите основную причину его неправильной работы.
• По возможности проверьте движение штока клапана при 1500–2000 об/мин. Если клапан функционирует правильно, шток клапана должен двигаться. Если он не движется, при наличии вакуума, значит, клапан неисправен.
• Создайте разрежение непосредственно на клапане EGR с помощью ручного вакуумного насоса или сканера, в зависимости от типа клапана. Если на холостом ходу изменений не выявлено, значит, либо неисправен клапан EGR, либо каналы EGR полностью перекрыты. Если двигатель работает на холостом ходу с перебоями или глохнет, проблема вызвана неисправной системой управления.
• Снимите клапан EGR и проверьте его на наличие нагара. По возможности удалите нагар, стараясь не допускать загрязнения мембраны.
• Убедитесь в отсутствии засора канала рециркуляции отработавших газов в коллекторе. При необходимости прочистите его.

Коды распространенных неисправностей

Для поздних моделей клапанов EGR характерны следующие коды неисправностей:

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 12.1.003-2014 Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности

ГОСТ 12.1.005-88 Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны

ГОСТ 12.1.012-2004 Система стандартов безопасности труда. Вибрационная безопасность. Общие требования

ГОСТ 12.3.002-2014 Система стандартов безопасности труда. Процессы производственные. Общие требования безопасности

ГОСТ ISO 8178-1-2013 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 1. Измерение выбросов газов и частиц на испытательных стендах

ГОСТ ISO 8178-4-2013 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 4. Испытательные циклы для двигателей различного применения на установившихся режимах

ГОСТ 10448-2014 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Приемка. Методы испытаний

ГОСТ 13320-81 Газоанализаторы промышленные автоматические. Общие технические условия

ГОСТ 33754-2016 Выбросы вредных веществ и дымность отработавших газов автономного тягового и моторвагонного подвижного состава. Нормы и методы определения

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

Токсичность отработавших газов и способы ее снижения. Катализатор.

Еще в прошлом столетии люди уже были обеспокоены сложившейся экологической обстановкой в мире, а с тем стремительным ускорением с каким автомобили ворвались в нашу жизнь, экологи всех стран начали бить тревогу. Так как количество автотранспорта на дорогах с каждым годом становилось все больше и больше, то и токсичные выбросы в атмосферу увеличились пропорционально. Поэтому уже тогда к автомобилям были предъявлены экологические требования.

В настоящее время еще при проектировании автомобиля в него закладываются экологические нормы, которые в процессе эксплуатации не должны превышаться. Регулировка токсичности в современных автомобилях, либо совсем не требуется (не доступна простому пользователю), так как она уже заложена в программе блока управления двигателя или сильно ограничена. Чего нельзя сказать о предыдущих карбюраторных автомобилях, где токсичность напрямую зависела от регулировки и настройки карбюратора, системы питания и зажигания. Поэтому сейчас нельзя сказать, что ремонтом двигателя был квалифицированным, если вдруг токсичность двигателя после ремонта превысит заданные пределы, заложенные с завода.

Основу токсичности выхлопных газов составляют следующие вещества:

• окиси углерода СО;
• окиси азота NO_x;
• углеводороды CH или C_nH_n;
• углерод C, у дизельных двигателей.

Из вышеперечисленных веществ CO,CH и C являются продуктами не полного сгорания топлива, NO_x образуется при взаимодействии азота и кислорода при высокой температуре сгорания, чем выше температура, тем больше будет выбросов окиси азота. Температура сгорания топлива зависит от многих факторов, но в ее основе лежат конструктивные факторы (степень сжатия) и режим работы двигателя. Если говорить о бензиновых моторах, то в них в большей степени все зависит от состава топливной смеси. При горении топлива, когда смесь обедненная, λ= 1,05-1,10 выбросы вредных веществ CO и CH минимальны. Чего нельзя сказать об окиси азота NO_x его значения при таком составе смеси будет максимально большим.

Поэтому чтобы достичь минимальных выбросов в атмосферу всех токсичных веществ нужно использовать несколько мероприятий одновременно. Ряд мероприятий может включать в себя следующее:

• это специальные формы камер сгорания, предназначенные для работы на бедных смесях; ; ; , для лучшего наполнения цилиндров на всех режимах работы двигателя.

Но уже давно нормы по токсичности выбросов стали настолько жесткими, что даже ряд мероприятий по их снижению не дает нужного результата, поэтому чтобы выйти из этого положения на автомобилях в дополнении ко всему стали устанавливаться каталитические нейтрализаторы.

Каталитический нейтрализатор состоит из керамического материала, сотовой структуры, покрытой тонким слоем катализатора состоящего из благородных металлов (платина, родий), заключенный в металлический корпус. Его не малая цена обусловлена наличием благородных металлов.

При разогреве каталитического нейтрализатора до температуры 250-300ºC, происходит доокисление окиси углерода CO и его концентрация в выхлопных газах значительно снижается. Что касается углеводорода CH, то для его окисления требуется более высокая температура 400 градусов.

Такие реакции характерны для обедненной смеси, где λ > 1, но, несмотря на это диапазон изменения состава смеси остается довольно широким.

Такие каталитические нейтрализаторы стали устанавливаться еще в 80-х годах и даже на карбюраторные двигатели.

Но с течением времени жесткость по токсическим нормам не стояла на месте, а с каждым готом все ужесточалась и ужесточалась. Со временем таких нейтрализаторов стало недостаточно, так как они не снижали концентрацию окиси азота в выхлопных газах и на смену им пришли новые нейтрализаторы трехкомпонентные.

Особенностью отличия предыдущего вида нейтрализаторов состоит в том, что в нем шла реакция окисления, а для понижения концентрации окиси азота здесь требуется совершенно противоположная реакция – восстановление.

2NO + 2СО → N2 + 2С0₂;

Для одновременного снижения всех выбросов NO_x,CH,CO обязательно выполнение одного условия, нужно чтобы состав смеси всегда был строго одинаковым λ=1, отклонение может быть не более +/- 1%. За обеспечение такой точности в подачи смеси отвечает электронный блок управления двигателя, который руководствуется показаниями датчика кислорода.

Системы подачи топлива с каждым годом становятся все сложнее и сложнее, все это направлено только на снижения токсичности из-за ужесточения экологических норм, но ни как не из-за борьбы за экономичность и мощность двигателя.

Еще стоит отметить, что каталитический нейтрализатор очень придирчив к качеству топлива. При использование этилированного бензина нейтрализатор быстро выйдет из строя.

На американских и японских автомобилях можно увидеть помимо каталитического нейтрализатора дополнительно установленный термический реактор. Он позволяет доокислять CO и CH, за счет подмешивания к отработавшим газам воздуха и все это происходит при температуре свыше 500ºC. Одной из особенностей реакторов является, то, что они эффективны на богатых смесях при больших нагрузках и со временем они не выходят из строя. В то же время они обладают большим минусом, он заключается в том, что в реакторах доокисление происходит не полностью. Они не способны выступать как самостоятельный элемент, а идут только в дополнение к каталитическому нейтрализатору и устанавливаются перед ним.

Что касается дизельных двигателей, то здесь дела обстоят немного по-другому. Из-за разного процесса воспламенения и горения смеси у дизельного двигателя, концентрация выбросов NO_x,CH,CO гораздо ниже, чем бензинового. При средних нагрузках наблюдается самый низкий выброс CH и CO. Из-за низкого уровня выбросов, какое-то время на дизельных двигателях установка каталитического нейтрализатора была не обязательной. Но с приходом более ожесточенных экологических норм установка нейтрализатора стала обязательной, также помимо этого на дизельных двигателях стали появляться системы снижения токсичности, как и на бензиновых. Одна из них это рециркуляция отработавших газов.

При сгорании топлива в дизельном двигателе выделяется значительное количество углерода, если говорить простым языком, то это не что иное как сажа. Это происходит из-за наличия зон богатой смеси в струе распыляемого топлива. Все это приводит к характерному черному дыму из выхлопной трубы. Для снижения выделения углерода приходится делать впрыск более ранним (вследствие чего колоссально возрастает нагрузка на детали двигателя) и ограничивать подачу насоса. Но, несмотря на это полностью избавится от выделения углерода невозможно, а он также классифицируется по норме токсичности. Поэтому в дополнении к каталитическому нейтрализатору на дизельных двигателях устанавливаются сажевые фильтры.

Решения от «ЭКОЭНЕРГОТЕХ»

Компания «ЭКОЭНЕРГОТЕХ» — лидер в поставках установок для очистки от оксидов азота в России. Предприятие разрабатывает и производит высокоэффективные системы для очистки дымовых газов от оксидов азота с учетом потребностей клиентов. К основным преимуществам создаваемой продукции относят:

• высокую эффективность и производительность;
• длительный срок службы установок;
• надежность, доказанную за многие годы эксплуатации;
• инновационные решения;
• конкурентоспособные цены от отечественного производителя.

Менеджеры компании проконсультируют по вопросам подбора оборудования. В установленные договором сроки организация осуществит поставки комплексных систем для очистки отработавших газов от различных источников, включая проектирование, ввод в эксплуатацию и техническое обслуживание.