Разработка метрологического обеспечения процесса диагностирования инжекторных двигателей на содержание CO и CH в выхлопных газах

На работу системы  выпуска расходуется до 4 % мощности двигателя. Все соединения в системе выпуска отработавших газов должны быть герметичны. Выпускные элементы двигателя соединяются с помощью специальных жаростойких прокладок, трубы глушителя вдеваются друг в друга и стягиваются хомутами.

В отличие от большинства  отечественных автомобилей, системы  выпуска многих иномарок снабжены еще  одним элементом — катализатором (каталитическим дожигателем) отработавших газов, где происходит нейтрализация  вредных веществ. Поэтому такой  катализатор еще называют нейтрализатором. В нем дожигаются несгоревшие остатки топлива и фильтруются газы перед выбросом в атмосферу. В нейтрализаторе основные токсичные компоненты отработавших газов — окись углерода (СО), углеводороды (СН) и окись азота (NO) — в результате химических реакций превращаются в нетоксичные газы.

 

 

Катализаторы могут  работать только с двигателями, потребляющими  высококачественный неэтилированный  бензин. В противном случае они  тут же засоряются и выходят из строя.

 

 

2.3 Основные неисправности и методы диагностирования инжектора.

 

Чистые инжекторы  – залог высокой отдачи двигателя, экономии топлива и гарантия чистоты  выхлопов. Даже незначительное засорение  инжектора заметно сказывается  на вышеперечисленных параметрах. Загрязнение  мгновенно уменьшает впрыскиваемую дозу топлива и нарушает форму облака распыленной в камере сгорания воздушно-топливной смеси. Современные электронные системы автомобиля в состоянии уменьшить эффект от засоренных инжекторов, однако это лишь лечение симптомов, причина болезни остается. Инжекторы необходимо чистить при первых проявлениях их засорения: неуверенном зажигании, неровной работе двигателя, “спотыканиях” при нажатии на педаль газа, потере мощности, чрезмерном содержании углеводородов (СН) и моноксида углерода (СО) в выхлопе. Для того, чтобы вывести инжектор из нормального рабочего состояния, не так уж и много нужно. Снижение пропускной способности одного инжектора на 8-10% вполне достаточно для начала пропусков в зажигании. Если такое происходит, несгоревший кислород попадает в выхлопную систему и выводит из строя датчик кислорода. Засоренные инжекторы турбированных двигателей могут привести к возникновению резонирующих детонаций и серьезным повреждениям двигателя. При высокой нагрузке и оборотах турбированный двигатель ни в коем случае не должен работать на обедненной смеси, что однако имеет место, если инжекторы засорены. Наиболее чувствительны к засорению многопортовые инжекторы старого образца. Объем топлива, распыляемого такого типа инжекторами, зависит от формы и диаметра сопла. В результате засорения сопла топливо распыляется не в виде облака конической формы, а впрыскивается тонкой струйкой и в недостаточном количества. Засоряется инжектор чаще всего самим топливом. Бензин – смесь множества различных сложных углеводородов, в том числе тяжелых парафинов. Избавиться от них в процессе очистки топлива практически невозможно. Кроме этого, чем тяжелее углеводород, тем больше энергии онг выделяет в процессе сгорания. При выключении двигателя часть топлива всегда остается в инжекторе. Под воздействием температуры легкие составляющие топлива испаряются, а парафины оседают на поверхностях инжектора. Со временем эти отложения нарастают и могут перекрыть свободное течение топлива.

 

 

2.4 Состав выхлопных газов инжекторных двигателей

СОСТАВ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ   БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ДИЗЕЛЕЙ
Компоненты  отработавших  газов	Концентрация, %
	Бензиновый  двигатель	Дизель
Азот	74-77	74-78
Кислород	0,3-8,0	2,0-18
Водяной пар	2,0-5,5	0,5-9,0
Оксиды углерода	0,5-12	0,005-0,4
Оксиды азота	0,01-0,8	0,004-0,6
Диоксид серы	-	0,002-0,02
Углеводороды	0,2-3,0	0,01-0,3
Альдегиды	0-0,2	0,001-0,009
Сажа, г/мз	0-0,04	0,01-1,1 и более

 

Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания имеют  большое количество компонентов. Они содержат более 60 различных веществ:

• азот (N₂) – основная часть отработавших газов;
• кислород (О₂);
• углекислый газ (СО₂) – конечный продукт окисления;
• пары воды (Н₂О) – конечный продукт окисления;
• водород (Н₂);
• окись углерода (CO) – продукт неполного сгорания топлива;
• окислы азота – в основном в виде двух окислов: окиси (NO) и двуокиси (NO₂);
• сернистый газ (SO₂), сероводород (H₂S) – неорганические газы, появляющиеся в отработавших газах в случае использования сернистых топлив;
• кислородосодержащие органические вещества, главным образом, альдегиды: формальдегид (НСНО), акролеин (CH₃-CH-СHО), уксусный альдегид (СН₃СНО), ацетальдегид (CH₃CHO) и др.
• углеводороды: этан (С₂Н₆), метан (CH₄), этилен (СH₂-СH₂), бензол (С₆H₆), пропан (С₃Н₈), ацетилен (СН-СН), толуол (С₆H₅СН₃), m-ксилол [С₆Н₄(СН₃)₂], n-бутан (C₄H₁₀), n-нонан (С₉Н₂₀) и др.;
• сложные ароматические углеводороды полициклического строения (пирен, антрацен, бенз(а)пирен и другие);
• сажа.

 

Эти вещества присутствуют в выхлопных газах как в  газообразных, так в жидких и твердых состояниях.

В идеальном  случае при полном сгорании углеводородного  топлива должны были бы образовываться только продукты полного сгорания – CO₂ и вода – H₂O. Условием полного сгорания считается обеспечение коэффициента избытка воздуха не менее единицы (α ≥ 1,0). В случае же горения богатых смесей, т.е. при α < 1, происходит образование продуктов неполного горения (окисления): оксида углерода CO и водорода H₂. В числе продуктов неполного сгорания в выхлопных газах присутствуют также и сами углеводороды C_nH_m (но только не исходного состава), и частицы сажи (твердого углерода) C₅. Первые представляют собой не полностью окисленные исходные углеводороды топлива, а также продукты разложения высокомолекулярных углеводородов под воздействием высокой температуры и при недостатке кислорода. В выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания насчитывают до 800 различных видов углеводородов. Свою долю в выбросы углеводородов вносит смазочное масло, попадающее в камеру сгорания со стенок цилиндра двигателя. В числе углеводородов присутствуют и альдегиды (кислородсодержащие углеводороды), и бенз(α)пирен (вещество, способствующее канцерогенным заболеваниям).

Сажа – продукт  крекинга углеводородов топлива  под воздействием высокой температуры  и при отсутствии кислорода. Данное явление, проходящее в камере сгорания двигателей внутреннего сгорания, то есть при давлении больше атмосферного, называется крекингом.

В выхлопных  газах инжекторных двигателях внутреннего сгорания в случае использования этилированного бензина присутствуют оксиды свинца Pb₂O₅. Состав выхлопных газов зависит не только от типа используемого вида топлива, но и от организации и совершенства рабочего процесса двигателя.

Таким образом, состав отработавших газов кинжекторных двигателей внутреннего сгорания зависит от особенностей организации режима горения используемых топлив, то есть от способа организации рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания.

ГОСТ Р 52033-2003 устанавливает нормативные значения содержания в отработавших газах автомобилей оксида углерода и углеводородов. Требования настоящего стандарта должны быть обеспечены конструкцией и качеством изготовления автомобилей при производстве и соблюдением правил их технической эксплуатации, установленных предприятиями-изготовителями.

Допустимое содержание СО и СН в отработавших газах для инжекторных двигателей, не оснащенные каталитическими нейтрализаторами:

Таблица 2.1

Режим работы двигателя	Предельно допустимое содержание оксида углерода, объемная доля, %	Предельно допустимое содержание углеводородов, ppm
		для двигателей с числом цилиндров
		до 4	более 4
	3,5	1200	3000
	2,0	600	1000

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.2

Пределы допускаемой  абсолютной и относительной погрешности

измерения оксида углерода и суммарных углеводородов

Погрешность	Пределы допускаемой  погрешности
	СО	СН
Абсолютная	± 0,2%	± 20 ppm
Относительная	± 6%	± 6%

Где ppm – это единица измерения концентрации (частей на миллион).

 

3. Выбор средства измерения

Каждая организация  вправе проводить соответствующий контроль самостоятельно при наличии любых средств измерения, но и пользоваться такими результатами может только сама. Достоверность результатов здесь зависит от типа используемого измерительного оборудования, его исправности, квалификации персонала. Получение разрешения (лицензии) на проведение и определенного перечня показателей какой-либо продукции возможно при условии аккредитации данной организации, то есть подтверждения наличия в организации необходимого оборудования и его технического состояния (в соответствии с требованиями используемых при испытаниях научно-технической документации), а также необходимого профессионального уровня специалистов.

Таким образом, объективный  контроль выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания может проводиться только в аккредитованных испытательных лабораториях.

Измерение содержания вредных веществ в выхлопных  газах производится посредством  отбора части выхлопных газов  и проведения химического анализа указанной пробы в различных приборах. При этом прибор может работать как постоянно (в автоматическом режиме), так и периодически только во время обслуживания его оператором.

В современных автоматических газоанализаторах установлены анализаторы, позволяющие измерять концентрации в выхлопных газах оксида углерода и суммарных углеводородов. Измерение проводят в пробе выхлопных газов, пропускаемой через газоанализатор. В нормативной документации оговаривается метод химического анализа.

Анализаторы каждого  измеряемого вещества тарируются поверочными газовыми смесями, в паспорте на которые отражается номинальное значение концентрации анализируемого газа в смеси с газом-носителем (обычно – воздухом, азотом или гелием) и погрешность измерения данного номинального значения, а также срок годности указанной поверочной газовой смеси, объем баллона (в котором находится поверочная газовая смесь) и давление газа в баллоне. Для каждого газа применяется своя поверочная смесь: для оксида углерода – содержащая оксид углерода определенной концентрации; для суммарных углеводородов – содержащая какой-либо индивидуальный углеводород (обычно или метан, или пропан).

Для измерения нормируемых  газообразных вредных веществ –  оксида углерода и суммарных углеводородов  наиболее широко в стационарных газоанализаторах применяется метод селективного поглощения инфракрасного излучения.

Таким образом, применяемость  методов химического анализа зависит как от типа анализируемого вещества, так и требуемого уровня точности измерения. В современных стационарных газоанализаторах для определения содержания оксида углерода и суммарных углеводородов используется  метод селективного поглощения инфракрасного излучения.

По ГОСТ Р 52033-2003 пределы допускаемой абсолютной и относительной погрешности измерения оксида углерода и суммарных углеводородов в выхлопных газах инжекторных двигателей внутреннего сгорания для газоанализаторов разных классов точности должны соответствовать указанным в таблице 2.2, минимальные диапазоны измерений газоанализаторов приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Минимальные диапазоны измерений газоанализаторов

Диапазон измерений, объемная доля
СО, %	СН, ppm
0 – 5	0 – 2000

Поэтому средства измерения  необходимо выбирать, в первую очередь, такие, чтобы они удовлетворяли  этим погрешностям. Однако существует ряд дополнительных факторов, учитывая которые можно выбрать средства измерения наиболее оптимально подходящие для конкретных условий. К ним можно отнести диапазон измерений, стоимость, массу, габариты, условия эксплуатации средств измерения: температуру, влажность, запыленность, механические нагрузки, электрические и магнитные помехи и т.д. Также в последнее время стремительно развивается тенденция автоматизирования измерительного процесса, учета и обработки данных.