Неисправности бензиновых двс определяемые по составу отработавших газов
Многие страны ограничивают вредные выбросы от автомобильных дизельных двигателей путем введения соответствующих норм. Соответствующие законы содержат, в частности, обусловленные методы проверок, методики измерений и предельные значения, которые используются в разных странах одинаково, тогда как небольшие отклонения обуславливаются экологическими, экономическими и климатическими особенностями.
Предельные значения, которые не должны превышаться, касаются следующих соединений, содержащихся в выхлопных газах:
- углеводороды (НС или СН);
- окись углерода (СО);
- окислы азота (NOx);
- мелкие частички;
- сажа (видимые компоненты частичек).
Токсичные вещества в выхлопных газах состоят из следующего:
- выбросы от сгорания в двигателе (газы, соединения серы, частички, пахучие вещества);
- выбросы от вентиляции картера двигателя (газы, соединения
- серы, пахучие вещества);
- выбросы от испарений (из топливной системы).
Выбросы из картера дизельного двигателя очень незначительны, При такте сжатия сжимается только чистый воздух, а прорывающиеся в картер газы при рабочем ходе (такте расширения) составляют только примерно 1% от токсичных веществ, образуемых бензиновым двигателем. Тем не менее, замкнутые системы вентиляции картера также оговариваются законами, касающимися дизельных двигателей. В отличие от бензинового двигателя, проверка выбросов от испарений для дизельных двигателей не нужна, так как топливная система замкнута, и дизельное топливо не содержит легколетучих компонентов. Соединения серы в выхлопных газах являются результатом наличия серы в топливе. Они не должны быть видны как результат сгорания в дизельном двигателе. Проблема специфического дизельного запаха пока еще не решена; попытки выяснить основу происходящих в дизельном двигателе процессов и выбросов, которые вызывают запах, пока находятся лишь в начальной стадии. Не существует и общепризнанных методов измерений.
Большинство стран имеют, тем не менее, действующие нормы по ограничению выбросов твердых частиц или планируют ввести их. Постоянно возрастающие требования к предельным значениям токсичности выхлопных газов делают необходимыми постоянные исследования в области автомобильных двигателей, направленные на уменьшение вредных выбросов и улучшение измерительных методик для выхлопных газов.
Измерительные приборы
Принципы измерений, используемые во всем мире для предусмотренных проверок, являются следующими.
Анализ содержания углеводородов
Общее содержание углеводородов, содержащихся в выхлопных газах дизельного двигателя, определяется с помощью детектора — анализатора ионизации в пламени (FID). Принцип измерения FID основан на образовании ионов из углеводородов в пламени водорода.
Рис. Метод измерения прибора FID: 1. Дисплей (шкала на приборе); 2. Устройство для сжигания; 3. Выход; 4. Водород; 5. Воздух без НС; 6. Калибровочный газ; 7. Выхлопные газы.
Выхлопные газы содержат большое количество различных соединений углеводородов, которые содержатся по отдельности в несгоревших, расщепленных и частично окисленных соединениях в различных соотношениях в зависимости от типа топлива и режима работы двигателя. Измерение общего содержания углеводородов в выхлопных газах дизельного двигателя становится особенно проблематичным из-за того, что результаты зависят от метода подготовки образца для измерений. Изза меняющихся процессов конденсации и испарения углеводородов с высокой температурой кипения в выхлопных газах дизельного двигателя, которые находятся в магистрали для отбора в отличие от измерений для бензинового двигателя, необходимо полностью нагреть магистраль для отбора образца, идущей к детектору — анализатору FID и внутри FID к устройству для сжигания. Температура нагрева магистрали для отбора должна быть 190±10°С.
Анализ окиси и двуокиси углерода
Рис. Анализ окиси и двуокиси углерода: 1. Источник постоянного напряжения; 2. Усилитель; 3. Основная стабилизация; 4. Ячейка детектора; 5. Металлическая диафрагма; 6. Модулятор излучения; 7. Выхлопные газы; 8. Ячейка с образцом для измерения; 9. Базовая ячейка; 10. Фильтрующие ячейки; 11. Колесико с приводом от двигателя; 12. Источник света.
Оба газообразных соединения анализируются с помощью анализатора инфракрасного поглощения NDIR (инфракрасный бездисперсионный анализатор).
Он использует тот факт, что все многоатомные неэлементарные газы поглощают инфракрасное излучение в определенных областях спектра, особых для каждого газа. Отобранный для измерения газ проходит через измерительную ячейку, расположенную на пути измерительного луча. Газ, который не поглощает излучение определенной длины волны, находится в базовой ячейке на пути второго луча. Колесико прерывателя направляет излучение вначале к одной стороне, а затем к другой и в соответствующую ячейку детектора. Каждая из ячеек детектора заполнена анализируемой составляющей газа и отделена от другой металлической диафрагмой в форме пластины конденсатора. Подающее излучение поглощается только в определенной области спектра поглощения соответствующего газа, т.е. отдельно. Разница в количестве поглощенной энергии приводит к разнице в температуре и давлении между двумя ячейками детектора, которая преобразуется в напряжение, пропорциональное концентрации измеряемого соединения.
Анализ окислов азота
Принцип измерения использует явление хемилюминесценции (оптическое излучение, вызванное химической реакцией), которая происходит в области длин волн между 590 и 3000 нм после реакции между окисью азота (N0) и озоном (03).
Рис. Хемилюминесцентный детектор CLD: 1. Вакуумный насос; 2. Молекулярное сито; 3. Базовый контур; 4. Регулятор количества; 5. Фильтр; 6. Воздух; 7. Кислород; 8. Генератор озона; 9. Капиллярная трубка; 10. Камера для реакций; 11. Оптический фильтр; 12. Фотоэлектронный умножитель; 13. Усилитель; 14. Индикаторный прибор; 15. Выхлопные газы; 16. Преобразователь N02/N0.
Измерение выбросов твердых частиц
В соответствии с определением, выбросами твердых частиц считаются составляющие выхлопных газов, которые при температуре в 52°С осаждаются на стандартных стекловолоконных фильтрах с фтористо-углеродным покрытием. Измерения массы проводятся с использованием разных методов взвешивания (полых или заполненных фильтров) при постоянных уровнях влажности и температуры. Используются прецизионные весы.
Определение выбросов сажи
Методы фильтрации и поглощения обычно указываются в требованиях по контролю выхлопных газов как методы измерения содержания сажи в выхлопных газах дизельного двигателя. Существует взаимосвязь между результатами измерений обоих методов, если для измерений поглощения (прозрачности) выхлопные газы не содержат паров воды и топливного тумана. Оба метода измерения дают измеряемые величины, которые возрастают логарифмически с увеличением концентрации сажи. Повышенная точность измерений (10%) может быть достигнута с помощью оптических приборов.
В случае метода фильтрации используется почернение фильтровальной бумаги в качестве меры для количества сажи, осажденной на ней.
В некоторых странах (например, Швейцарии) фильтрующее устройство предписано для измерения выбросов дыма при свободном (без нагрузки) разгоне в качестве критерия для оперативного контроля. Для этой цели продолжительность движения плунжера насоса фильтра должна быть увеличена до 6 секунд, чтобы полный выброс дыма мог пройти через фильтровальную бумагу (2) в течение хода плунжера (3 — положение плунжера перед измерением, 5 — после измерения). Оценка производится с помощью фотоячейки (Ь) или с помощью специальной шкалы серости (9).
Дымомер (измеритель поглощения или прозрачности) (а) использует ослабление интенсивности луча света в качестве меры концентрации сажи. При измерении часть выхлопных газов (4) прокачивается насосом через заборное устройство и через шланг в измерительную камеру. Процесс, указанный выше предотвращает давление выхлопных газов и его флуктуации, отрицательно влияющие на результаты измерений.
Луч света (8 — источник света), проходящий через выхлопные газы, поступает в измерительную камеру. Уменьшение интенсивности света измеряется фотоэлектрическим способом (10 — приемник света) и отображается в % коэффициента прозрачности Т или как коэффициент поглощения к. Высокая точность к воспроизводимость измерений требуют, чтобы длина измерительной камеры была точно определена, а окошко измерительной камеры поддерживалось чистым от сажи с помощью методов термической очистки.
Рис. Измерение прозрачности для определения выбросов сажи: а) Дымомер; Ь) Измерение выхлопных газов; 1. Пробник для забора выхлопных газов; 2. Клапан переключения на поступление чистого воздуха; 3. Измерительная камера; 4. Измерительное расстояние; 5. Лампа; 6. Приемник; 7. Насос; 8. 1/мин; 9. Коэффициент поглощения к; 10. Время; 11. Коэффициент непрозрачности +.
Рис. Кривая предельных значений для дымности дизельного двигателя
К=(1/L)*ln(1-(N/100))
V — рабочий объем двигателя, л;
n — число оборотов двигателя, об/мин;
L — длина поглощения, м;
N — интервал линейной шкалы, 0-100;
1 — коэф. поглощения k*, 1/м;
2 — номинальный потк выхлопных газов, (V*n)/120 (л/с).
Оценка
Все измерения выхлопных газов содержат как статистические, так и систематические ошибки. Статистические ошибки могут быть уменьшены повторными измерениями. Систематические ошибки будут большими, если имеется аппаратура только для одной проверки. Эта составляющая ошибки может быть уменьшена только путем использования дополнительного измерительного оборудования (т.е. второго проверочного стенда). Только среднее значение результатов многих измерений может обеспечить удовлетворительную оценку параметров выхлопных газов.
При необходимости проведения быстрой диагностики работы двигателя автомобиля, не обязательно обращаться в автосервис или полностью разбирать сам механизм.
Техническое состояние мотора можно легко определить при помощи выхлопной трубы. Цвет и консистенция выхлопных газов позволяет с высокой степенью вероятности правильно оценить работу мотора, выявить неполноценное сгорание топлива или попадание в цилиндр моторного масла.
При нормальной работе двигателя выхлопные газы невидны. Также следует обратить внимание на издаваемый звук. Исправность мотора предполагает ровное и четкое звучание. Сама же выхлопная труба остается практически неподвижной, не вибрирует и не дергается.
Голубой дым. При попадании моторного масла в камеры сгорания и прогорания его вместе с топливом, появляется сиреневато-сизый дым. Причиной неправильной работы ДВС в этой ситуации чаще всего становятся: клапаны, резина колпачков со временем изнашивается и теряет свою эластичность. Поршни, кольца постепенно закоксовываются при использовании некачественной топливной смеси и теряют свою подвижность.
Отличительной особенностью также будет повышенный расход, как самой горючей смеси, так и моторного масла. При этом двигатель не сможет работать в полную мощность.
Белый газ из выхлопной трубы. Неопытные водители иногда путают пар с белым дымом. Однако главным остается факт запуска ДВС. За ночь в выпускной системе двигателя идет конденсация водяного пара. Как только начинает работать двигатель, из глушителя может выделяться белый дым, содержащий накопленную жидкость.
Если же ситуация остается прежней, скорее всего топливо смешалось с антифризом и смесь прогорает в камерах сгорания. Для устранения неполадки требуется тщательная диагностика и осмотр ГБЦ. Причин неправильной работы двигателя может быть несколько: пробой в прокладке, устраняется только заменой на новую; дефект или коррозия головки ГБЦ. Достаточно дорогостоящий ремонт, предполагается полная замена запчасти.
Черный дым из трубы. С этой проблемой чаще всего сталкиваются владельцы автомобилей с дизельным мотором. Основной причиной поломки является сильное загрязнение форсунок, с помощью которых и подается топливная смесь. К нарушениям работы ДВС присоединяется: значительное повышение расхода топливной смеси, проблемы с запуском самого двигателя. Существенно падает мощность мотора. Устранить причину можно промывкой и продувкой форсунок.
Реже вызвать подобную ситуацию может электронная система управления мотором, точнее ее неисправность. Черный цвет газов из выхлопной трубы обусловлен наличием в них сажи при неполном сгорании топлива.
Если же проблема появилась сразу после посещения автозаправочной станции, то причина может быть только одна - некачественный бензин или дизель. Для поддержания работоспособности автомобильного двигателя необходимо срочно избавиться от топливной смеси и промыть всю систему.
Для того, чтобы поставить предварительный диагноз двигателю Вашего автомобиля, обратите внимание на его выхлоп..Когда ваш двигатель начинает дымиться, это может означать , что он неисправен и ему срочным образом необходима диагностика
К огда дым черного цвета, это служит сигналом неполного сгорания масла, недостаточного количества воздуха или выпровоженного содержания углеродов. Следует провести проверку распылителей форсунок. Вероятно, нарушена их герметичность, и не полностью сгорает топливо.
Причиной к тому же может служить загрязнение воздушного фильтра. Более этого, вполне вероятно, может быть запачкан продуктами сгорания и маслами коллектор впускного действия. Когда это является причиной задымления, в таком случае следует снять впускной коллектор и почистить его .
Черный дым может появиться и в случае малой компрессии на двигателе — при малой степени сжатия сгорание топлива происходит в полной степени. Частым результатом служит увеличенный расход топлива. И когда у вашего любимого авто вдруг вы обнаружили повышенный аппетит, стоит обратить внимание на дым — это достаточно надежная диагностика автомобиля.
Для того, чтобы убедиться в том, что охлаждающая жидкость смогла попасть в камеру сгорания, не в обязательном порядке надо обнюхивать выхлопную трубу. Вполне хватит наличие белого цвета дыма, который сопровождается постоянным уменьшением уровня жидкости охлаждения. Однако дым белого цвета, не постоянно служит признаком неисправности.
Стоит проверить, что же конкретно является неисправным в том случае, если дым начал синеть. Сделать это можно произведя замер компрессии в цилиндрах двигателя. Когда ее показатель ниже нормы, в подобной ситуации проблема в кольцах и двигатель автомобиля нуждается в ремонте. Когда же компрессия в порядке, тогда синий дым говорит об износе маслосъемных колпачков, и их необходимо попросту заменить.
Сизый (синий) дым образуется при попадании масла в камеру сгорания. Определить износ деталей цилиндро-поршневой группы можно путем измерения компрессии. Если значение компрессии имеет требуемые числа, — значит, в повышенной дымности и расходе масла виновны уплотнители клапанов (направляющие втулки и резиновые манжеты). Залегли маслосъемные кольца. Износ или поломка маслосъемных колец. Износ седел клапанов и их направляющих. Потеря упругости резиновых манжет и колец в направляющих втулках и тарелках пружин клапанов. Износ деталей цилиндро-поршневой группы. Повышенный уровень масла в картере двигателя. Некачественное топливо с содержанием масла
2. Двигатель со впрыском
Сизый (синий) и белый дым у бензиновых двигателей с впрыском вызван теми же причинами, что и у карбюраторных двигателей. Если двигатель оборудован турбонаддувом, а сизый дым появляется после его прогрева, то это связано с неисправностью турбины, как и у дизельных двигателей.
Токсичные компоненты отработавших газов бензиновых двигателей и их влияние на человека и окружающую среду
Отработанные газы (СО, СхНу, NOx, сажа и др.) -- смесь газообразных продуктов полного или неполного сгорания топлива, избыточного воздуха и различных микропримесей (газообразных, жидких и твердых частиц), поступающих из цилиндров двигателя в его выпускную систему.
Токсичность выбросов двигателя автомобиля - показатель, характеризующий степень поглощения светового потока, просвечивающего отработавшие газы двигателя автомобиля.
Автомобильные и тракторные двигатели внутреннего сгорания загрязняют атмосферу вредными веществами, выбрасываемыми с ОГ, картерными газами и топливными испарениями. При этом 95--99 % вредных выбросов современных автомобильных двигателей приходится на ОГ, представляющие собой аэрозоль сложного, зависящего от режима работы двигателя, состава. Атмосферный воздух, являющийся окислителем топлив, состоит в основном из азота (79 %) и кислорода (21 %). При идеальном сгорании смеси топлива с воздухом в продуктах сгорания должны присутствовать лишь N2, СО2, Н20. В реальных условиях ОГ содержат также продукты неполного сгорания (оксид углерода, углеводороды, альдегиды, твердые частицы углерода, перекисные соединения, водород и избыточный кислород), продукты термических реакций взаимодействия азота с кислородом (оксиды азота), неорганические соединения тех или иных веществ, присутствующих в топливе (сернистый ангидрид, соединения свинца и т. д.). Токсичные компоненты составляют 0,2-5% от объема отработавших газов, в зависимости от типа двигателя и режима его работы.
Всего в ОГ обнаружено около 280 компонентов, которые можно подразделить на несколько групп.
Группа нетоксичных веществ -- азот, кислород, водород, водяной пар, углекислый газ.
Группа токсичных веществ -- оксид углерода СО, оксиды азота NOх , углеводороды CnHm (парафины, ароматики и др.), сажа. В отдельную группу можно отнести канцерогенные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), наиболее активный из которых бенз-а-пирен, являющийся индикатором присутствия канцерогенов в ОГ. В случае применения этилированных бензинов образуются токсичные соединения свинца. В табл. 3.1 представлены данные по составу ОГ основных двигателей - бензинового и дизельного, а в таблице 3.2 - источники образования вредных токсичных веществ
Таблица 3.1 - Состав ОГ автомобильных двигателей
Таблица 3.2 - Источники образования вредных токсичных веществ
На рис. 3.1 представлен состав отработавших газах бензиновых двигателей.
Рис. 3.1 - Вещества в отработавших газах бензиновых двигателей.
Наиболее токсичными компонентами отработавших газов бензиновых двигателей являются: оксид углерода (СО), оксиды азота (NОx), углеводороды (СnHm), а в случае применения этилированного бензина - свинец.
Характеристики основных токсичных компонентов
Оксид углерода (СО) -- прозрачный, не имеющий запаха газ, несколько легче воздуха, практически нерастворим в воде. Поступая в организм с вдыхаемым воздухом, СО снижает функцию кислородного питания, выполняемую кровью, так как поглощаемость СО кровью в 240 раз выше поглощаемости кислорода.
Оксиды aзота (NOx) -- самый токсичный газ из ОГ. В ОГ двигателей 90 -- 99 % всего количества оксидов азота составляет NО. Однако уже в системе выпуска и далее в атмосфере происходит окисление NO NO2. NО2 -- газ красновато-бурого цвета, в малых концентрациях не имеет запаха, хорошо растворяется в воде с образованием кислот.
NOx раздражающе действует на слизистые оболочки глаз, носа, остаются в легких в виде азотной и азотистых кислот, получаемых в результате их взаимодействия с влагой верхних дыхательных путей.
Оксиды азота способствуют разрушению озонового слоя. Считается, что токсичность NOx больше в 10 раз, чем СО. Норма NOx в воздухе -- 0,1 мг/м3.
Углеводороды СН - составляющие топлива, которые появляются в отработавших газах после неполного сгорания (метан, бензол, ацетилен и др.)
Они являются сильнейшими канцерогенными веществами (например бенз(а)пирен), переносчиками которых могут быть частички сажи, содержащиеся в отработавших газах.
В скопившихся над асфальтом облаках СН и NOx под воздействием света происходят химические реакции. Разложение оксидов азота приводит к образованию озона. Вообще-то озон не стоек и быстро распадается, но только не в присутствии углеводородов (СН) - они замедляют процесс распада озона, и он активно вступает в реакции с частичками влаги и другими соединениями. Выбросы NОх участвуют в формировании кислотных дождей.
Оксиды свинца (РЬО) возникают в ОГ карбюраторных двигателей, когда используется этилированный бензин для повышения октанового числа и уменьшения детонации. РbО выбрасываются с ОГ в виде аэрозолей в соединении с бромом, фосфором, хромом. Аэрозоли, попадая в организм при дыхании, через кожу и с пищей, вызывают отравление, приводящее к нарушениям функций органов пищеварения, нервно-мышечных систем, мозга. Свинец плохо выводится из организма и может накапливаться в нем до опасных концентраций.
Сернистый ангидрид (S02) -- бесцветный, с острым запахом газ. Раздражающее действие на верхние дыхательные пути объясняется поглощением S02 влажной поверхностью слизистых оболочек и образованием в них кислот. Этот газ вызывает раздражение глаз, кашель, нарушает белковый обмен.
S02 образуется во время работы двигателя из топлива, получаемого из сернистой нефти (особенно в дизелях).
Дым -- непрозрачный газ. Может быть белым, синим, черным. Цвет зависит от состояния ОГ. Белый и синий дым -- это смесь капли топлива с микроскопическим количеством пара. Образуется из-за неполного сгорания и последующей конденсации. Белый дым образуется, когда двигатель находится в холодном состоянии, затем исчезает из-за нагрева. Наличие дыма показывает, что температура недостаточна для полного сгорания топлива. Дым также отрицательно влияет на организм человека, животных и растительность. Черный дым состоит из сажи.
Сажа -- бесформенное тело без кристаллической решетки. В ОГ дизельных двигателей сажа состоит из неопределенных частиц с размерами 0,3--100 мкм. Содержание сажи в ОГ уменьшается с увеличением угла опережения впрыска топлива. Количество сажи зависит от температуры в зоне сгорания.
При вдыхании сажи ее частицы вызывают негативные изменения в системе дыхательных органов человека. Если относительно крупные частицы сажи размером 2--10 мкм легко выводятся из организма, то мелкие, размером 0,5--2 мкм, задерживаются в легких, дыхательных путях, вызывают аллергию. Как и любая аэрозоль, сажа загрязняет воздух, ухудшает видимость на дорогах, но, самое главное, на саже адсорбируются ароматические углеводороды, в том числе канцерогенный бенз(а)пирен, токсичные свойства которого хорошо известны.
Альдегиды (RCHO). В ОГ присутствуют в основном формальдегид и акролеин (С2Н3СНО).
Формальдегид -- бесцветный газ с резким и неприятным запахом, раздражает глаза и верхние дыхательные пути, поражает центральную нервную систему, печень, почки. Акролеин также обладает сильным раздражающим действием.
Альдегиды образуются при сжигании топлива при низких температурах, при обедненной смеси, из-за окисления тонкого слоя масла в стенке цилиндра.
Именно эти газы определяют запах ОГ.
Следует отметить, что загрязнение воздуха идет следующим образом (по усредненным показателям):
ОГ, выбрасываемые через выхлопную трубу - 65 %;
картерные газы - 20 %;
углеводороды в результате испарения топлива из бака, карбюратора и трубопроводов - 15 %.
Загрязнение окружающей среды токсичными компонентами отработавших газов приводит к большим экономическим потерям. Это связано, прежде всего, с тем, что токсичные вещества вызывают нарушения в росте растений, приводят к снижению урожаев и потерям в животноводстве.
Непосредственную опасность для растений представляют диоксид серы, оксид азота, продукты фотохимических реакций и этилен. Накапливаясь в растениях, они создают опасность для животных и людей. Особенно опасны полосы земель вдоль дорог, при большой интенсивности движения на них разрешается сеять только технические культуры.
Отработавшие газы способствуют ускорению процессов разрушения изделий из пластмассы и резины, оцинкованных поверхностей и черных металлов, а также покраски, облицовки и конструкции зданий.
При солнечной безветренной погоде компоненты отработавших газов и углеводороды в результате фотохимических реакций образуют смог, т. е. вещества, сильно раздражающие слизистую оболочку и оказывающие токсичное воздействие на организм человека.
На концентрацию в воздухе токсичных веществ влияют сорт топлива, тип двигателя, скорость и равномерность движения, состав транспортного потока и интенсивность движения, возможности распределения этих продуктов в атмосфере (топографические, метеорологические и климатические условия - направление и скорость ветра, чистота и влажность воздуха, туман и температура воздуха и др.). Концентрация вредных продуктов уменьшается с удалением от проезжей части дороги, причем тем заметнее, чем выше скорость ветра. В плотно застроенных и плохо проветриваемых районах городов, у перекрестков концентрация таких веществ растет.
Читайте также: