Діагностування двигуна за вмістом шкідливих речовин у відпрацьованих газах

Для того щоб визначити паливну еко­номічність автотранспортних засобів, вра­ховують: контрольну витрату палива; ви­трату палива в магістральному циклі на дорозі, в міському циклі на дорозі і на стенді; паливну характеристику усталено­го руху; паливно-швидкісну характеристи­ку на магістрально-горбистій дорозі. Ав­томобіль для випробувань має відповіда­ти вимогам технічної документації на ньо­го, що затверджена в установленому по­рядку.

В умовах експлуатації автомобілів ви­трату палива визначають за допомогою приладів АФ-3, ЕЮФ-80/М (Угорщина) (рис. 2.5) та ін.

Рис. 2.5 Прилад для вимірювання витрат па­лива ЕЮФ-80/М МOGURT

Основною частиною приладу ЕЮФ-80/М є вимірювач протікання, що вмонтований між баком для палива і двигуном. Цей ви­мірювач безперервно вимірює витрату па­лива. Він забезпечений п’ятизначним електромеханічним лічильником, що сигналі­зує про кількість рідини, яка пройшла че­рез нього.

До основної частини можна приєднати аналізатор (електронний витратомір), сиг­налізатор дороги та електромеханічний лі­чильник. Давач якості дороги можна при­єднати до спідометра автомобіля (у цьо­му разі електромеханічного лічильника не­має).

Якість робочого процесу системи жив­лення перевіряють під час стендових ви­пробувань за аналізом складу відпрацьо­ваних газів, використовуючи для цього газоаналітичну апаратуру. Крім сприян­ня охороні навколишнього середовища, застосування такої апаратури у техноло­гічному процесі ТО і ремонту автомобілів дає змогу зменшити витрату палива і до­сягти оптимальної потужності двигуна.

Вміст СО визначають за допомогою дуже поширених приладів, які реєструють кількість теплоти від його згоряння на ка­талітично активній платиновій спіралі. До об’єму газу, взятого для аналізу, в певно­му співвідношенні подають чисте атмо­сферне повітря. Відпрацьовані гази спалю­ють, нагріваючи платинову нитку. Підви­щення їхньої температури в цей час за пев­них умов пропорційне вмісту СО у від­працьованих газах. До таких приладів на­лежать індикатор моделі И-СО, прилад «Елкон-Б-ЮО» (Угорщина) та деякі інші газоаналізатори, вмонтовані у мотор-тестери. Точність вимірювання цих приладів недостатня для кваліфікованих досліджень токсичності відпрацьованих газів. їх мож­на використовувати тільки під час регу­лювання системи живлення.

Іншу групу приладів називають альфа-мерами. До них належать газоаналізато­ри, принцип роботи яких пов’язаний зі змі­ною теплопровідності відпрацьованих газів (С0₂ і Н₂). У приладах цього типу части­ну газу пропускають над нагрітим плати­новим дротом. Водночас із цим над дру­гим нагрітим платиновим дротом пропус­кають повітря. Порівняння температур охолодження обох дротів дає уявлення про вміст СО у відпрацьованих газах. Точність розглянутих приладів також невисока, од­нак достатня для регулювання системи живлення двигуна.

Прилади працюють так. У разі викори­стання багатих сумішей для двигуна у його відпрацьованих газах міститься багато Н₂, який має великий коефіцієнт теплопровід­ності. Від платинової нитки водень інтен­сивно забирає теплоту, спричинюючи під­вищення її опірності і збільшення сили струму у вимірювальній системі. Альфа-мери — це найпростіший клас вимірю­вальної техніки. їх можна застосовувати для непрямого оцінювання вмісту СО у відпрацьованих газах. Основні з них — альфа-мери AST-70, AST-76 (РП) та деякі прилади, що вмонтовані у мотор-тестери.

Нині дуже поширені газоаналізатори з більш високою точністю, що працюють за принципом інфрачервоного випромінювання. Дія таких газоаналізаторів ґрунтується на принципі вибіркового поглинання інфра­червоного випромінення на певних ділян­ках довжин хвиль (інфрачервоне випро­мінення — це частина електромагнітного спектра в діапазоні довжин хвиль 2...8 мкм). За кордоном у технічній літературі такий принцип позначають літерами ND/1R. Оксид карбону поглинає інфрачервоне випромінення з довжиною хвилі 4, 7 мкм, а С0₂ — 4, 3 мкм. За цим принципом пра­цюють стаціонарні газоаналізатори мо­делі ОА-2109 для аналізу СО і моделі ОА- 2209 для аналізу С0₂. Переносний прилад ГАИ-1 дає змогу контролювати вміст СО у відпрацьованих газах у дорожніх умо­вах.

Рис. 2.8 Газоаналізатор фірми МАНА

Рис. 2.6 Газоаналізатори

фірми Bosch

Рис. 2.7 Газоаналізатор фірми ISC-Оliver

Останнім часом широко застосовують багатокомпонентні і двокомпонентні газо­аналізатори безперервної дії фірм Bosch (рис. 2.6), ISC-Oliver (рис. 2.8), МАНА (рис. 2.9) та ін. За точністю, надійністю роботи й габаритними розмірами вони відповідають сучасним міжнародним ви­могам.

В умовах ВАТ АТП токсичність відпра­цьованих газів перевіряють також пере­носним приладом «А бгаз-Інфраліт» (рис. 2.10), який працює за принципом поглинан­ня різними газовими компонентами інфра­червоного випромінення з певною довжиною хвилі. Принцип роботи газоаналізатора та­кий. Два джерела б інфрачервоного ви­промінення через параболічні лінзи і об­тюратор 7 створюють пучок, спрямова­ний у робочу камеру 5 і камеру порівнян­ня 8, заповнену повітрям, яке не поглинає інфрачервоного випромінення. У робочій камері газ рухається під дією мембранного насоса 4 і поглинає із загального спектра інфрачервоне випромінення з довжиною хвилі 4, 7 мкм. У приймач випромінення 9 надходять два потоки різної інтенсивності. Чутлива мембрана приймача, яка розділяє його камери, сприймає різницю тисків двох потоків випромінень, прогинаючись у бік меншого тиску.

Рис. 2.10 Схема газоаналізатора «Абгаз-Інфраліт»:

1 — газовідбірний зонд; 2 — віддільник конденсату; З — фільтр; 4 — мембранний насос; 5 — робоча каме­ра; 6 — джерело інфрачервоного випромінення; 7 — обтюратор з електродвигуном; 8 — камера по­рівняння; 9 — приймач випромінювання; 10 — підси­лювач; 11, 12 — відповідно стрілковий і реєструваль- ний приладинень, прогинаючись у бік меншого тиску. Переміщення мем­брани сприймається підсилювачем і далі передається у стрілковий (індикаторний) і записувальний прилади.

Токсичність відпрацьованих газів пере­віряють у двох режимах: холостого ходу двигуна і з різким відкриванням дросель­них заслінок карбюратора.

У наукових дослідженнях, щоб підви­щити точність визначення концентрації СО, застосовують ще один метод вимірю­вання — флюоресцентним недисперсним інфрачервоним випроміненням. Ще більшу точність визначення вмісту СО дає метод спільного вимірювання СО і С0₂ у відпра­цьованих газах. На цьому методі грунту­ється робота приладу ГАИ-2 і газоаналіза­тора «Інфраліт-211», які призначені для безперервного кількісного аналізу вмісту СО і С0₂ у відпрацьованих газах авто­мобілів в умовах ВАТ АТП.

Вміст вуглеводнів (С„Н_т) у відпрацьо­ваних газах контролюють за допомогою недисперсних інфрачервоних випромі­нень. Кількість С„Н_т переводять на лег­кий вуглеводень — «-гексан. Це найпро­стіший спосіб. Він надійний у роботі і має достатній ступінь точності для практично­го застосування.

Є прилади, в одному з яких змонтовано пристрої для визначення вмісту СО і вугле­воднів. До таких приладів належать япон­ські газоаналізатори «Рікен» Р1-503 А, UREX-201 та ін.

Газоаналізатор «Рікен» Р1-503 А має дві шкали. Шкала СО нижнього діапазону відповідає 0...2 % вмісту СО у відпрацьова­них газах, а шкала високого діапазону — 0...10 %. Вуглеводні оцінюють за трьома шкалами: низький діапазон 0...500 млн^-1, се­редній —0...2000 і високий — 0...5000 млн^-1.

Робота газоаналізатора UREX-201 ґрун­тується на інфрачервоному випроміню­ванні. Прилад має стрілкову індикацію з великогабаритною шкалою. Діапазон ви­мірювання С„Н_т — 0... 800 млн^-1 (низький діапазон) і 0...2000 млн^-1 (високий діапа­зон), СО — 0...5 % (низький діапазон) і 0...10 % (високий діапазон).

З науковою метою і під час кваліфіка­ційних випробувань застосовують точний інформативний полуменево-йонізаційний метод (F/D) оцінювання токсичності від­працьованих газів, а саме сумарної кіль­кості С„Н_т у них. Ця апаратура не чутлива до вмісту в них С0₂ і пари Н₂0, що й за­безпечує вищий ступінь точності.

Слід пам’ятати, що визначення загально­го вмісту С„Н_т у відпрацьованих газах — одне зі складних завдань через наявність у них С„Н_т з високою відносною молеку­лярною масою, тобто з високою точкою кипіння. Тому проба газу, який аналізу­ють, у вимірювальній системі має бути при підвищеній температурі, щоб запобігти конденсації вуглеводнів на внутрішніх стінках трубопроводів. Проте інтенсив­ність підігрівання не повинна змінювати вид і склад вуглеводнів.

Щоб порівняти вміст С„Н_т у відпрацьо­ваних газах, виміряний методами, напри­клад, ND/R і F/D, треба вводити поправ- кові коефіцієнти. Результати вимірюван­ня вмісту С„Н_т за методом F/D у 1, 8—2, 2 раза більші, ніж за методом F/D у перера­хунку на «-гексан. Крім цього, метод F/D потребує як робочого тіла каліброваної суміші водню з азотом, що створює певні організаційні труднощі.

Крім розглянутих шкідливих речовин, у відпрацьованих газах автомобільних двигунів визначають ще й інші сполуки. Найпоширенішими серед них є оксиди ні­трогену NO і N0₂. Співвідношення цих компонентів залежить від коефіцієнта над­лишку повітря, часу, що минув з моменту збирання відпрацьованих газів до початку аналізу, та наявності інших компонентів, які є у відпрацьованих газах.

Останнім часом найпрогресивнішим ме­тодом визначення вмісту NO* є збудження хемолюмінесценції в інфрачервоній ділянці за допомогою окиснення N0* з наступним визначенням її інтенсивності. Суть методу полягає в тому, що реакція окиснення N0* відбувається в атмосфері озону з виділен­ням променистої енергії світлового спек­тра. Кількість виділеної енергії пропор­ційна вмісту N0* в аналізованій пробі га­зу. У сучасних приладах тривалість аналі­зу близько 1 с, а їхня точність — близько 1 % всієї шкали.

Токсичність відпрацьованих газів дви­гунів можна визначити також за допомогою портативного газовіддільника ГХСО-5. Його дія ґрунтується на лінійно-колористичному принципі. Аналізовану газову пробу просмоктує аспіратор ручної дії через ін­дикаторну трубку, заповнену спеціальним твердим пористим матеріалом, який під дією оксиду карбону змінює своє забарв­лення. Об’ємну частку оксиду карбону (у відсотках) визначають відразу за довжи­ною забарвленого шару на шкалі індика­торної трубки.

Екологічний пост ЕКП-1 призначений для швидкісного забору відпрацьованих газів автомобілів з подальшим вимірюван­ням концентрації оксиду карбону (СО) і вуглеводнів (С„Н_т) на відповідність стан­дарту і для великомасштабної індикації ре­зультатів вимірювань. Його можна ви­користати для оптимального регулювання карбюратора і контролю екологічних па­раметрів автомобілів під час випуску, екс­плуатації, технічного обслуговування та ремонту (рис. 2.11).

Рис. 2.11 Екологічний пост ЕКП-1

Складається ЕКП-1 з трьох функціо­нально незалежних блоків:

- пристрою прискорення і підготовки проби УПП-01;

- газоаналізатора 102-ФА-01М;

- інформаційного табло (ІТ).

Блок УПП-01 забезпечує прискорену подачу відпрацьованих газів на газоаналі­затор, здійснює попереднє очищення, су­шіння, фільтрацію газу. Газоаналізатор при цьому працює в більш сприятливих умо­вах експлуатації, знижується рівень за­бруднення, збільшується строк служби, підвищується надійність. Блок можна сти­кувати з газоаналізаторами типу Infralit, Bosch, Bekman, ГИ AM, 121-ФА-01, 123- ФА-01, 102-ФА-01М, ISC-Oliver К9000 та ін. Особливо ефективна робота УПП-01 із зарубіжними газоаналізаторами, що не розраховані на високий рівень забруднен­ня відпрацьованих газів, пов’язаних з якіс­тю палива і паливо-мастильних матеріа­лів, а також із спрацьовуванням двигуна. Блок УПП-01 здійснює первинне, най­більш «брудне» очищення відпрацьовано­го газу і тим самим запобігає забрудненню газоаналізаторів.

У газоаналізаторі 102-ФА-01М вдоско­налено теплові режими роботи, застосо­вано сучасні електронні комплектувальні, що поліпшують експлуатаційні характерис­тики.

Інформаційне табло здійснює велико­масштабне цифрове дублювання показань газоаналізатора типу 102-ФА-01М з авто­матичним корегуванням нуля (нульового сигналу) в процесі вимірювання. Резуль­тати вимірювання концентрацій CO, С„Н_т, частоти обертання колінчастого вала дви­гуна відображаються на трирозрядних цифрових індикаторах, що забезпечують зчитування інформації на відстані до 40 м. Передбачено колірну сигналізацію відпо­відних граничних концентрацій CO, С„Н_т:

багато (вище від норми) — червоний колір;

норма — зелений колір;

мало (нижче від норми) — жовтий ко­лір.

Показання частоти обертання колінча­стого вала двигуна дублюються з колір­ною сигналізацією:

мінімальні оберти — жовтий колір; підвищені оберти — червоний колір. Інформаційне табло підвищує продук­тивність праці, поліпшує інформативність і наочність вимірюваного сигналу.

Діагностування системи живлення ди­зельних двигунів за допомогою аналізу відпрацьованих газів дуже спрощується тим, що кількість найважливіших компо­нентів і сажі (димність), яка є у відпрацьо­ваних газах, майже пропорційна коефіці­єнту надлишку повітря. Тому на практиці, щоб отримати надійні результати, замість проведення газового аналізу досить ви­значити димність відпрацьованих газів або вміст сажі.

Димність відпрацьованих газів К_яоп ав­томобільних дизелів не повинна перевищу­вати гранично допустимих норм залежно від умовної витрати відпрацьованих газів під час випробування на усталених режимах:

Примітки: 1. Проміжні значення визначають інтерполюванням.

2. Димність на режимі вільного прискорення не повинна перевищувати гранично допустиму нор­му, що встановлена для дизеля конкретного типу на цьому режимі. Для двигунів із системою газо­турбінного наддування димність на режимі вільно­го прискорення не повинна перевищувати граничні норми, що встановлені в таблиці для частоти обер­тання, при якій димність досягає максимального значення (це значення виміряне під час випробу­вань на установленому режимі), більш ніж на 10 % в одиницях фізичних величин шкали приладу.

3. Коли у вимірювальному приладі є шкала, ви­ражена в показаннях коефіцієнта поглинання К_П, значення димності переводять у значення коефі­цієнта поглинання згідно з графіком (рис. 2.12).

Рис. 2.12 Переведення значень димності в значення коефіцієнта поглинання

Умовну витрату відпрацьованих газів (? _{в г}, дм³/с, обчислюють за формулами:

для чотиритактних дизелів

для двотактних дизелів

де — робочий об’єм циліндра дизеля, дм³; п — частота обертання колінчастого вала, с^_1, виміряна під час випробування.

Димність відпрацьованих газів вимірю­ють на режимах зовнішньої швидкісної ха­рактеристики від максимальної частоти обертання до більшої з двох: 0, 45 n_mах або 16, 7 с^-1; при цьому димність вимірюють не менш ніж шість разів через однакові інтервали частот обертання, включаючи режим максимального крутного моменту і вільного прискорення.

Для дизелів з наддуванням, яке відклю­чається, або з перепускним клапаном дим­ність відпрацьованих газів вимірюють при ввімкнутих і вимкнутих агрегатах наддування і перепускному клапані. Як оцінний показник беруть більше з двох виміряних значень.

Різниця результатів вимірювань не по­винна перевищувати 4 % в одиницях фізич­них величин шкали приладу. Проміжок між послідовними вимірюваннями не по­винен перевищувати 1 хв. Результатом ви­мірювання є середнє арифметичне значен­ня трьох вимірювань.

На рис. 2.13 зображено димомір ISC-Оliver D-60.

Рис. 2.13 Димомір ISC-Оliver D-60.

Вміст сажі у відпрацьованих газах мож­на визначити відфільтровуванням части­нок сажі, які утворюють видимий дим. Для цього зондом беруть потрібну кількість га­зу й пропускають його крізь паперовий фільтр. Сажа утворює на фільтрі сіру або чорну пляму, яку оцінюють за шкалою чорноти. Колір еталона збігається з кольо­ром плями сажі, що утворилася при філь­труванні продуктів згоряння, які містять максимально допустиму кількість сажі.

Щоб визначити вміст сажі у відпрацьо­ваних газах, треба помістити паперовий фільтр під шкалу і порівняти кольори крізь отвори в еталоні. Відбирають проби від­працьованих газів протягом 1 с при повній подачі палива і максимальній кількості обертів.

При загальному діагностуванні систе­ми живлення карбюраторних двигунів слід мати на увазі, що склад відпрацьованих газів залежить не тільки від якості паль­ної суміші, а й від роботоздатності системи запалювання. Тому остаточно дійти ви­сновку про справність системи живлення можна тільки після діагностування систе­ми запалювання.

Контрольні запитання

1. Як можна оцінити загальний технічний стан двигуна?

2. Як оцінити загальний стан двигуна за потужністю яку він розвиває?

3. Як оцінити загальний стан двигуна за витратою пального?

4. Прилади, що використовуються для діагностики двигуна за витратою пального.

5. Прилади, що використовуються для діагностики двигуна за вмістом шкідливих речовин у відпрацьованих газах.