Поиск неисправностей по анализу выхлопных газов

1.1. Воздушно-топливная смесь

Задача системы подготовки смеси (карбюратор или впрыск) заключается в том, чтобы подавать в двигатель способную воспламеняться воздушно-топливную смесь "во всех рабочих состояниях, как например:
- пуск холодного двигателя
- последующий пуск
- нагрев двигателя
- холостой ход
- ускорение
- частичная нагрузка
- полная нагрузка
Эта смесь должна, по возможности, полностью сгорать в двигателе, чтобы можно было достичь при незначительном расходе топлива максимально возможной мощности двигателя и удерживать появляющиеся при этом вредные вещества с самого начала такими незначительными, как это только возможно. Абсолютно совершенное сгорание невозможно даже при идеальной воздушно-топливной смеси, так как имеющееся для этого время слишком мало, даже при наилучшем конструктивном исполнении и оптимальной регулировке всех важных для сгорания компонентов. С теоретической точки зрения сгорание было бы совершенным при соотношении веса топлива и воздуха 1 : 14,7 или, представляя в объеме, 1 л топлива смешанный с 10.000л воздуха. Это соотношение обозначают лямбда.
Лямбда = больше 1 означает избыток воздуха или "бедную смесь". Лямбда = меньше 1 означает избыток топлива или "богатую смесь".
Пример:
Воздушно-топливная смесь с лямбда =1,1
означает избыток воздуха 10%
или
воздушно-топливная смесь с лямбда = 0,9
означает избыток топлива 10%.
При сегодняшнем уровне развития техники двигателей пределы воспламеняемости лежат между лямбда = 0,7 и лямбда = 1,3. При нормальном режиме езды бензиновые двигатели работают приблизительно между лямбда = 0,95 и лямбда = 1,15. Двигатели с лямбда-регулируемыми системами работают на воздушно-топливной смеси с регулировкой лямбда = 1. Исключением являются рабочие состояния, для которых требуется богатая смесь, как например в фазе прогрева двигателя, при ускорении или в режиме полной нагрузки.
 

1.2. Ход процесса сгорания

Состав смеси, преобразование части топлива из жидкого в газообразное состояние, момент зажигания, длина искрового промежутка и энергия зажигания существенно определяют ход процесса сгорания.
Результатом процесса сгорания можно назвать состав компонентов выхлопных газов, параметры мощности и хода и расход топлива двигателя.
Условием корректного процесса сгорания являются проведенные с помощью мотор-тестеров важные работы по испытанию и техобслуживанию.
С помощью газоанализатора путем анализа различных составных частей выхлопных газов можно контролировать процесс сгорания. Одновременно с анализом выхлопных газов возможны также важные показания о функциях двигателя в ходе диагностики двигателя.
 

Важные указания во избежание измерительных ошибок при измерении выхлопных газов

Относительно автомобиля:
- Необходимо разогреть двигатель до рабочего состояния непосредственно перед измерением выхлопных газов.
- Условием для надежной диагностики или регулировки подготовки смеси является безупречное состояние механики двигателя, системы зажигания, а также впускного тракта и системы выпуска.
- Исключить факторы, влияющие на число оборотов и выхлопные газы, например:
вентиляция картера двигателя, вентилятор радиатора, климатическая система, увеличение числа оборотов, клапан вторичного воздуха, автоматический привод в положении Р или N. рулевое управление с усилителем прямо.
- Точно соблюдать идентификацию автомобиля:
чтобы инструкция по испытанию и испытательные данные точно соответствовали типу автомобиля и обозначению двигателя.
Относительно испытательного прибора:
- Газоанализатор должен быть готов к работе:
установлены чистые фильтры, пустой бак для конденсата, газозаборный шланг и зонд в порядке, соблюдается время прогрева, проведена балансировка нулевой точки при неподключенном газозаборном шланге.
- Газозаборный зонд должен быть полностью введен в выпускную трубу (не в отсасывающий шланг).
• Отсасывающий шланг нельзя вставлять непосредственно в конечную трубу, следует использовать воронку на расстоянии около 20 см, чтобы не изменялась степень сжатия в выхлопной трубе и выхлопной газ не обогащался воздухом.
• В автомобилях с несколькими конечными трубами необходимо соединить их, по возможности герметично, в один коллектор. Если тракты выхлопных газов все же отделены друг от друга, то необходимо брать для измерения выхлопные газы по-отдельности.
• В оборудованных катализатором автомобилях для контроля или основной регулировки подготовки смеси измерения проводятся через испытательное присоединение перед катализатором.
• Для оценки катализатора необходимо измерять выхлопные газы в конечной трубе.
 

1.3.1. Окись углерода (СО)

 
Измерение СО, как и раньше, является важнейшим измерительным методом для контроля образования смеси.
Содержание СО в смеси лямбда = 1 равно от 0,3 до 0,5%. При обогащении содержание СО резко возрастает, в бедной смеси кривая СО слегка сглаживается.
 Определенное влияние на содержание СО оказывают также ошибочные импульсы зажигания, неправильная регулировка зажигания и плохое механическое состояние двигателя. Неправильные моменты управления клапанами двигателя могут вызвать существенно больший выброс СО в области полной нагрузки при высоком числе оборотов.
Выхлопной газ тяжелее воздуха, поэтому необходимо быть осторожным при работе в монтажных ямах!

1.3.2.  Углеводороды НС   

(гидрокарбон) НС, также как и СО, появляется в результате неполного сгорания.
Доля НС в выхлопном газе обычно значительно меньше, чем доля СО. Поэтому НС измеряется в ррm (миллионная часть).
Измерение НС существенно расширяет анализ процесса сгорания. Оно делает возможными, например, показания о качестве сгорания.
В рамках испытания двигателя из этого вытекают важные указания:
- пропуски зажигания/ пропуски сгорания
- подготовка смеси/ распределение смеси:
клапаны впрыска, делители количества, прокладки всасывающей трубы
(см. Измерение дельта НС)
- дефекты в механической области двигателя:
негерметичные клапаны, негерметичные направляющие клапанов, поршневые кольца, трещины в головке цилиндра, дефектные прокладки блока, негерметичные впускные тракты, кроме того:
- места утечки в топливной системе:
негерметичные резьбовые соединения, топливные трубопроводы/ топливные шланги, фильтры и т.д.
- оценка катализатора в связи с измерением других компонентов выхлопных газов, как например СО, СО2.

Измерительные величины при испытании выхлопных газов НС

1.3.2.1. Области применения измерения НС

• Регулировка смеси холостого хода
Лучшее сгорание воздушно-топливной смеси достигается при низком содержании СО и минимально возможном содержании НС. Минимально возможное содержание НС получают, обычно, при содержании СО между 0,4 и 1,0%. Если минимальное значение превышается, то снова возрастает содержание НС, т.е. сгорание становится опять хуже, несмотря на низкое содержание СО. При исправном и правильно отрегулированном двигателе содержание НС составляет от 100 ррm до 300 ррm.
• Оценка состояния двигателя
Через содержание НС можно контролировать регулировку и состояние двигателя.
Если нет данных от производителей автомобиля, то "здоровые", хорошо отрегулированные двигатели имеют следующие значения НС при холостом ходе:
Карбюраторный двигатель (старая конструкция)*   < или =  300 ррm
Карбюраторный двигатель (новая конструкция)   < или =  200 ррm                 
Двигатель с непосредственным впрыском (старая конструкция)*  < или =  200 ррm
Двигатель с непосредственным впрыском (новая конструкция)     < или =  100 ррm
*до 1978-1981гг.
 
Если измерение НС проводится при постоянном среднем числе оборотов двигателя, то значения уменьшаются приблизительно на 50%. Если заданные предельные значения НС явно превышаются, то необходимо исходить из того, что в области двигателя есть дефекты или двигатель отрегулирован неправильно. Только по оценке содержания НС не сразу возможны избирательные показания причины ошибки, так как ошибка или ошибки могут заключаться:
- в системе зажигания
- в системе образования смеси
- в механической области двигателя
Если анализируется характеристика хода двигателя в соответствующей рабочей области и привлекаются другие испытательные возможности, например измерение СО, осциллографические испытания, то возможна целевая диагностика.
Примеры:
Высокое содержание СО и неравномерная работа двигателя означают пропуски. Их причина может быть в области зажигания (пропуски зажигания) или в системе подготовки смеси (пропуски в сгорании).
Пропуски в зажигании вызываются, например загрязненными или дефектными свечами  зажигания, поврежденными электропроводками зажигания или высоковольтной изоляцией, переходными сопротивлениями, неустойчивыми контактами и ошибками в коммутаторе и приборе управления.
Пропуски в сгорании появляются при недостаточно способной к воспламенению смеси. Это может произойти при слишком "бедной" и при слишком "богатой" смеси (см. таблицу в разд.: Испытание подготовки смеси через содержание СО).
 
Высокий выброс НС вместе с высоким значением СО означает "богатое чихание".
Чаще встречается "бедное чихание", вызванный смесью со слишком малым содержанием
топлива. Здесь значение НС тоже высокое, а значение СО очень низкое. В этом случае
нужно проводить также и измерение дельта НС, чтобы проверить подачу топлива к
отдельным цилиндрам.  Чтобы можно было лучше отличить, есть ли пропуски в зажигании или в сгорании, проводится испытание зажигания с помощью осциллографа. Пропуски в зажигании обычно однозначно проявляются на вторичной осциллограмме, при этом содержание СО обычно
низкое.
                                            Поиск ошибок с помощью газоанализатора
 

 
Замечание:
Так как пропуски любого типа появляются главным образом в режиме езды, эти испытания необходимо проводить по возможности на барабанном испытательном стенде. Неравномерный холостой ход, связанный с сверхвысоким содержанием НС, но нормальным выбросом СО, указывает на малый зазор клапана. Если при этом содержание СО слишком низкое, то ошибки находятся в подготовке смеси или в распределении смеси (клапаны впрыска, делители количества, прокладка между фланцами системы всасывания, впускной тракт негерметичны). Тогда здесь также необходимо провести измерение дельта НС.
В двигателях с сверхвысоким расходом масла особенно в режиме скольжения имеется высокое содержание НС в выхлопном газе. Если двигатель короткое время работает с повышенным числом оборотов (ок.4000 мин. ) и внезапно снижает газ, появляется пиковое значение НС, которое должно быть у "здорового" двигателя ниже 1000ррm.
 

1.3.2.2. Испытание прокладки головки блока

Продувка или прогорание прокладки головки блока проявляется содержанием НС в охлаждающей воде. Измерение происходит в наливном патрубке охлаждающей воды выше уровня воды при остановленном двигателе.
Другие испытания:
Негерметичность  в:
- баке
- вентиляции бака
- топливопроводе
- насосе подачи топлива
- фильтрах
- регуляторе давления
- распределительной трубе
- делителе количества
- регуляторе прогрева
- клапанах впрыска
- карбюраторе
можно определить с помощью прибора для измерения НС.
Для этого газозаборный зонд вводится в предполагаемое негерметичное место. Из-за долгого времени реагирования прибора для измерения НС время выдержки на каждом месте должно составлять от 6 до 8 секунд.
 
 

1.3.3. Двуокись углерода (СО2)

Самое большое содержание СО2 появляется при полном сгорании. Это предполагает наличие воздушно-топливной смеси с лямбда = 1 и содержание СО2 тогда около 14.7 %. По значению СО2 мы узнаем не только качество сгорания, но и герметичность системы выпуска.
 
Таблица: Области применения измерения СО2, с использованием других параметров выхлопных газов

 
Функция катализатора

1.3.4. Кислород (О2),остаточный кислород в выхлопном газе

Свободный кислород в выхлопном газе появляется при избытке воздуха в смеси. Как только превышается лямбда = 1, происходит явный рост содержания О2 . Но и при смеси с лямбда = 1 еще содержится незначительное количество кислорода в выхлопном газе.
Вместе с максимальным значением двуокиси углерода содержание кислорода позволяет сделать однозначное заключение о переходе из богатой в бедную область смеси, но и о не герметичности в системах всасывания и выпуска и о пропусках в сгорании.

1.3.5. Угарные газы (NОx)

Воздух - это смесь почти 78% азота и 21% кислорода, остальное - инертные газы. Азот и кислород при нормальной температуре не соединяются.  Под воздействием высоких температур, которые появляются в процессах сгорания, кислород и азот вступают в химические соединения.
Чем выше температура сгорания в двигателе, тем больше образуется окиси азота (NОx). Все мероприятия по улучшению КПД двигателя при сегодняшнем состоянии моторостроения неизбежно приводят к повышению температуры сгорания и, тем самым, к повышенному выбросу угарных газов.  

 Испытание подготовки смеси через содержание СО в выхлопном газе при различных рабочих состояниях

Характеристика составных частей выхлопных газов: СО, НС, О2, NОх.

Измерение дельта НС

С помощью измерения дельта НС можно проанализировать состав смеси и качество сгорания избирательно на каждом цилиндре.
Условием для оптимального испытания распределения смеси является программа прохождения процесса, оптимизированная для измерения дельта НС:
• Два закорачивающих интервала как упреждение стабилизации измерительной базы.
• Само измерение происходит при продолжительности замыкания 10 сек. и паузе замыкания
  20 сек. для всех цилиндров в электрическом порядке вспышек.
• Ход программы заканчивается фазой инерционного выбега, которая не анализируется.
При коротком замыкании одного цилиндра несгоревшая смесь смешивается с количеством
выхлопных газов других цилиндров. Во время этой фазы повышается содержание НС в
выхлопном газе. Размер этого повышения является мерой для подачи топлива к
соответствующим цилиндрам.
Через 10 секунд периода закорачивания тестер запоминает среднее пиковое значение НС
цилиндра, а после следующей за ним 20-тисекундной паузы замыкания - среднее базисное
значение НС. Сразу после этого базисное значение вычитается из предыдущего пикового
значения.
Результат - "дельта НС".
Все эти процессы происходят автоматически. Газоанализатор непрерывно подает значения НС на испытательный прибор. Он управляет процессом измерения и рассчитывает значения дельта НС.
1. Оценка
При анализе сравнивается между собой количество топлива цилиндров.
Если не установлены специфические для данного автомобиля допуски, действителен
стандартный допуск:
Х- среднее арифметическое значение ± 15%
Х-среднее арифметическое значение - это среднее значение всех значений дельта НС, за исключением самого низкого и самого высокого значения.
 
Пример:
1-ый цилиндр                   1.870 ррm
2-ой цилиндр                    1.920ррm
3-ий цилиндр                    1.790 ррm
4-ый цилиндр                   1.860 ррm
 
X – среднее арифм. равно   1.870 + 1.860 = 3.730/2 = 1.865
Допуск +15%   = 2.145
             - 15%   = 1.585
 
 
Важное указание
В автомобилях с катализатором нужно брать выхлопной газ перед катализатором. В других случаях действительны те же условия, что и при сравнительном измерении цилиндров.
Однако на значения дельта НС влияют также
-дефекты в системе зажигания, например пропуск зажигания
-дефекты в системе подготовки смеси, например пропуски в сгорании из-за бедной смеси
- негерметичность впускного тракта: - расход масла, например негерметичные направляющие клапана, поршневые кольца и т.д.
-дефектные прокладки головки блока
- закоксованные впускные клапаны, негерметичные впускные и выпускные клапаны
 
Рисунок:
Измерение дельта НС при равномерном распределении смеси

 

 
Измерение дельта НС: 2-ой цилиндр не получает топлива

 

 
                         Измерение дельта НС: Плохое зажигание на 3-ем цилиндре