ТЕМА: Діагностування карбюратора по вмісту окису вуглецю у відпрацьованих газах

ЛАБОРАТОРНЕ ЗАНЯТТЯ №8

МЕТА: 1) Освоєння методу виміру токсичності відпрацьованих газів бензинового двигуна та оптимального регулювання системи живлення на мінімум вмісту СО і СН.

2) Вивчити симптоми несправностей, освоїти методику постановки діагнозу, навчитися усувати несправності.

ОБЛАДНАННЯ І ІНСТРУМЕНТ:

Стендовий двигун ВАЗ-2108.

Газоаналізатор.

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ:

Під час тривалої експлуатації автомобіля відмови на основних агрегатах і системах, які впливають на токсичність відпрацьованих газів, розподіляються так: двигун — 26%, система живлення — 38, система запалювання — 21 і трансмісія — 15%.

Найбільш суттєво впливає на викид токсичних речовин технічний стан рухомого складу автотранспорту. Несправні або нерегульовані автомобілі забруднюють атмосферу значно більше, ніж справні. Вищий рівень і культура технічної експлуатації автомобілів помітно знижують забруднення навколишнього середовища. Подальше збереження чистоти повітряного басейну залежить від обґрунтованого вибору законодавчих норм вмісту токсичних речовин у відпрацьованих газах і методів їх визначення.

У сучасних умовах автомобілізації найбільш ефективними способами зменшення забруднення атмосфери є удосконалення транспортного процесу та застосування антитоксичних пристроїв, а в перспективі — створення нових типів енергетичних установок і палива. Зниження токсичності відпрацьованих газів на автомобільному транспорті зумовлене необхідністю вирішення складних технічних і організаційно-технологічних проблем, таких як оптимізація дорожнього руху транспортних засобів; розробка індустріальних методів і прогресивних технологічних процесів у сфері технічної експлуатації автомобільного транспорту; удосконалення техніко-експлуатаційних властивостей рухомого складу; створення раціональної структури автомобільного парку; розробка і впровадження на автомобільному транспорті малотоксичних і нетоксичних видів палива.

2. Експлуатаційні причини підвищеного вмісту токсичних речовин у відпрацьованих газах автомобілів

Основними причинами підвищеного вмісту токсичних речовин у відпрацьованих газах автомобілів є порушення складу горючої суміші на основних експлуатаційних режимах; погіршення процесу запалювання горючої суміші.

Порушення складу горючої суміші зумовлене зміною стабільності регулювальних характеристик двигуна і його систем. Викиди NОх у відпрацьованих газах досягають максимального значення при коефіцієнті надлишку повітря а = 1,1 зі збільшенням чи зменшенням зазначеної величини. Викиди NОх зменшуються зі збільшенням запізнення запалювання та досягають максимуму при найбільш багатій горючій суміші. При а = 0,9 NОх знижується майже на 35...44% при запізненні кута випередження на 18...20", але при цьому питомі витрати палива зростають до 12%. Вміст СН у відпрацьованих газах знижують також шляхом зменшення кута випередження запалювання.

Методи впливу на склад відпрацьованих газів автомобільних двигунів передбачають: поліпшення якості перебігу процесу і повноту згоряння палива у циліндрах двигуна; заміну складу відпрацьованих газів у системі випуску двигуна; застосування перелічених методів водночас.

Зниження вмісту токсичних речовин у відпрацьованих газах шляхом оптимізації процесу згоряння є найбільш перспективним методом, бо продукти згоряння CO і СН легше нейтралізуються на стадії утворення, ніж у системі випуску із застосуванням ненадійних і дорогих нейтралізаторів.

Аналіз транспортного процесу свідчить, що при роботі двигуна на холостому ходу ступінь концентрації CO перевищує в 2,1, а на режимах примусового холостого ходу в 1,6-1,9 разу установлені режими. Внаслідок цього в центральній частині міста ступінь концентрації в атмосфері CO у 3-4 рази більший, ніж на швидкісних автомобільних магістралях, що призводить збільшення викиду NОх в 1,45 разу. При рівномірному русі автомобілів СН знижується в 1,7-1,85 разу порівняно з неустановленими режимами.

Неправильне управління автомобіля водієм призводить до збільшення токсичності викидів COі СН на 25...30% і NOX на 1О...15%.

Застосування антитоксичних пристроїв і регулювання карбюратора на збіднені горючі суміші дає змогу зменшити викиди токсичних речовин на одиницю шляху (г/км), зокрема CO в 2,1; СН в 1,5 і NOX в 2,6 разу.

Викиди токсичних речовин автомобіля в різних експлуатаційних умовах змінюються залежно від швидкості руху автомобіля. У міських умовах експлуатації при невисоких швидкостях руху викиди CO в 1,46...2,2 і СН в 2,1...2,8 разу вищі порівняно з вільним рухом на міжміських дорогах і маршрутах. При підвищенні швидкості ця різниця значно зменшується.

На регулювання системи холостого ходу завжди звертали особливу увагу. Найбільш ефективним засобом зменшення токсичних викидів у цьому режимі є збільшення горючої суміші. Але при значному збідненні (а = 1,0 і більше) та відносно великому значенні коефіцієнта залишкових газів у циліндрах двигуна виникають перебої через не запалювання робочої суміші і підвищення вмісту СН у відпрацьованих газах. Двигун вібрує і працює нестійко. Тому регулювати систему холостого ходу на збіднену горючу суміш при експлуатації автомобілів небажано.

Збагачення горючої суміші у режимах холостого ходу необхідне для стійкої роботи двигуна і особливо при його прогріванні та рушанні автомобіля з місця. Це пояснюється тим, що в більшості випадків система холостого ходу продовжує працювати і на навантажувальних режимах (до ЗО...40%), помітно впливаючи на викиди токсичних речовин у тягових режимах руху.

У випадку неправильного регулювання вміст CO і СН у відпрацьованих газах помітно збільшується. Діапазон зміни вмісту CO становить 0,1...8%. Середній ступінь концентрації CO у контрольованих автомобілів дорівнює 3%, а у неконтрольованих — 6,1%. Таким чином, зниження токсичності відпрацьованих газів на холостому ходу значною мірою залежить від організації ТО та регулювання системи холостого ходу. Обстеження стану карбюраторів автомобілів автопідприємств свідчать, що тільки 15% з них мають правильно відрегульовану систему холостого ходу. Витрати палива, що припадають на цю систему, становлять 11... 13% від загальних витрат, а у випадку порушення її регулювання 18...20%. Ще більш відчутно впливає система холостого ходу на викид токсичних речовин при русі автомобіля з невеликими швидкостями. Зменшення вмісту CO на холостому ходу знижує токсичні викиди CO і СН легкових автомобілів з 32 до 19 г/км і з 2,9 до 1,95 г/км відповідно. Протягом багатьох років науково-дослідні інститути працюють над поліпшенням стабільності роботи системи холостого ходу та зниженням токсичності відпрацьованих газів у цьому режимі. В результаті в конструкції карбюратора "Озон", що використовується на автомобілях марки ВАЗ, систему холостого ходу забезпечують двома гвинтами. За допомогою одного з гвинтів заводського виготовлення регулюють необхідний склад горючої суміші, а другий служить для обмеження мінімального відкриття кута повороту дросельної заслінки. В експлуатаційних умовах зазначені гвинти не використовують. Система холостого ходу влаштована таким чином, що навіть при некваліфікованому втручанні в експлуатацію карбюратор не може бути розрегульований так, щоб вміст CO у відпрацьованих газах перевищував норми, визначені стандартом. Перерегулювання системи холостого ходу здійснюють тільки на станціях технічного обслуговування автомобілів.

Технічний стан автомобілів

Вплив технічного стану автомобілів на кількість викиду токсичних речовин залежить від двох основних причин — порушення складу горючої суміші та її запалювання. При тривалій експлуатації автомобіля регулювання двигуна та його систем з різних причин значно змінюється і спричинює підвищений вміст CO і СН у відпрацьованих газах. Викид токсичних речовин у відпрацьованих газах під час експлуатації внаслідок зміни технічного стану карбюратора, підвищення гідравлічного опору повітряного фільтра, відкладення нагару на стінках камери згоряння і порушення зазорів в газорозподільному механізмі безперервно збільшується. Нещільне прилягання випускних клапанів і порушення зазорів в клапанному механізмі передусім свідчить про збільшення кількості вуглеводнів у відпрацьованих газах. При негерметичному випускному клапані на такті стиску частина незгорілої суміші потрапляє в систему випуску відпрацьованих газів, вони надходять у картер двигуна через збільшені зазори циліндропоршневої групи двигуна з відкритою вентиляцією картера і забруднюють атмосферу СН. Таким чином, під час тривалої експлуатації автомобілів зміни кількості токсичних речовин у продуктах згоряння зумовлені такими основними причинами: зміною технічного стану та регулювальних параметрів карбюратора і повітряного фільтра; порушенням регулювальних параметрів системи запалювання; спрацюванням циліндропоршневої групи і клапанної групи двигуна. Згідно з класифікацією найбільш характерних несправностей автомобільних карбюраторних двигунів (табл. 8.3) найбільше впливають на викиди токсичних речовин на 1 км шляху в реальних умовах експлуатації системи живлення та запалювання, стан циліндропоршневої,групи та газорозподільного механізму. Дефекти й несправності карбюратора зумовлюють або надмірне збагачення або надмірне збіднення горючої суміші. Система холостого ходу та збагачувальні системи (насос-прискорювач і економайзер) карбюратора найбільш нестабільні. Система холостого ходу вже при напрацюванні 8 тис. км значно змінює свої початкові регулювальні параметри. Холостий хід регулюють вже при більш пізньому куті випередження запалювання і на вищій частоті обертання колінчастого вала, що дає змогу збіднити склад горючої суміші у даному режимі. Найбільш поширеним дефектом системи холостого ходу є перезбагачення горючої суміші. У випадку неправильного регулювання системи холостого ходу величина викидів COі СН збільшується на 35...40 і 30...35% відповідно на одиницю шляху.

Надмірне збіднення горючої суміші на холостому ходу трапляється значно рідше і становить лише 8...10%. Цей дефект супроводжується підвищеним викидом СН і NOX до 14 і 10% відповідно.

Негерметичність клапана економайзера є одним із найбільш поширених дефектів карбюратора. При негерметичному клапані на режимах малих і середніх навантажень викид CO зростає в 1,5-2 рази. В реальних умовах експлуатації такий дефект збільшує викид CO на 1 км шляху на 4О...55% і СН на 60...70%. Вміст NOX^. в цьому випадку зменшується на 7...8%. Раннє вмикання клапана економайзера навіть на 1 мм суттєво збагачує суміш у режимах малих і середніх навантажень, при яких збагачення дуже небажане. Викид CO збільшується на 35...60% і СН на 40...48%. Пізнє вмикання клапана економайзера зумовлює деяке збільшення викидів СН і зниження CO. Перевищення подачі насоса-прискорювача у 2-3 рази порівняно з оптимальною величиною збільшує викиди CO в 1,6 разу і СН і 1,5— 2,9 разу. За даними експлуатаційних спостережень 65...72% обстежених інерційно-масляних повітряних фільтрів не відповідали технічним умовам щодо виносу масла в двигун, водночас гідравлічний опір обстежених повітряних фільтрів при напрацюванні вже 40...50 тис. км на 45...55% вищий порівняно з технічними умовами заводів-виробників.

Підвищення гідравлічного опору повітряного фільтра в 2 рази при напрацюванні 100 тис. км збільшує викид СО з 42 до 54 г/км автомобілем середньої вантажності при швидкості руху 40 км/год, а вуглеводнів з 6,5 до 8,1 г/км. Винесення масла в двигун сприяє підвищеному викиду канцерогенних речовин, що зростає в більшості випадків на цілий порядок.

Найбільш суттєво впливає на експлуатаційні властивості автомобіля величина кута випередження запалювання. Навіть поелементна перевірка та регулювання системи запалювання в межах технічних умов (ТУ) заводів-виробників може мати поле розсіювання кута 12° і більше.

Збільшення кута випередження запалювання (раннє запалювання) поліпшує паливну економічність до 5... 10% і водночас підвищує вміст у відпрацьованих газах СН на 15...20% і NOх на 12...16%. Концентрація CO і СО2 при цьому не змінюється, оскільки ці компоненти залежать від складу горючої суміші. Зменшення кута випередження запалювання на 12° (пізнє запалювання) знижує концентрацію NOх відпрацьованих газах на 25...32%, а СН на 20...30%. Зниження концентрації СН у відпрацьованих газах пояснюється підвищенням температури відпрацьованих газів, внаслідок чого відбувається їх догорання у системі випуску.

Величина зазору між контактами перервника-розподільника також помітно впливає на відхилення величини кута випередження запалювання від оптимальної. За рекомендаціями заводів-виробників технологічний допуск на згаданий зазор, який утворює поле розсіювання по куту випередження запалювання до 6°, становить 0,1 мм. Практично ця величина змінюється в ширших межах. Порушення зазорів між контактами перервника-розподільника в експлуатаційних умовах зумовлює збільшення викиду СН до 30%.

Порушення роботи свічок запалювання також є найпоширенішим дефектом системи запалювання. Збільшення зазору між електродами свічки призводить до збільшення ступеня концентрації викиду СН до 24%. Збільшення зазору на 20% проти нижньої оптимальної границі (0,85 = 1 мм автомобіля ЗІЛ—130 і ГАЗ-53А) підвищує концентрацію СН до 40%.

Одна із непрацюючих свічок восьмициліндрового двигуна або дві, що працюють з перебоями, свічки можуть спричинити збільшення викиду СН у 1,8-2,6 разу. Під час роботи з перервами свічки запалювання чотирициліндрового двигуна викид СН збільшується до 200%.

Граничне спрацювання циліндропоршневої групи у восьмициліндрових двигунах погіршує потужності та економічні якості на 8—10 і 14-19% відповідно і збільшує до 3...4% вигар моторного масла від витрат палива. Викид СН з продуктами згоряння збільшується у 1,4-2,2 разу.

Негерметичність випускних клапанів, незадовільний стан сідел і поверхонь зумовлює збільшення СН у відпрацьованих газах. Збільшення зазору у впускних клапанах між насосом коромисла і стержнем клапана на величину 0,1 мм порушує фази газорозподілу. Наприклад, у восьмициліндрових двигунах сімейства ЗІЛ і ГАЗ зазначеній величині зазору відповідає зміна кута повороту колінчастого вала на 8-9°.

Порушення фаз газорозподілу призводить до зниження коефіцієнта наповнення і збільшення коефіцієнта залишкових газів. Збільшення зазору між носиком коромисла і стержнем клапана на 0,1 мм підвищує концентрацію викидів СН на 50...60%. Температурний режим двигуна автомобіля. Зниження температури охолоджувальної рідини зумовлює передусім збільшення СН у відпрацьованих газах. Частково це пояснюється тим, що робоча суміш охолоджується в пограничному шарі відносно холодною стінкою камери згоряння. При досягненні фронту полум'я такої поверхні камери згоряння відбувається погашення реакції окиснення. Частина робочої суміші, що не прореагувала, викидається з відпрацьованими газами у вигляді СН. Для зниження СН у системі випуску двигуна у даному випадку доцільно вибирати більш пізнє запалювання, що одночасно призводить і до зниження NOX.З підвищенням температури в системі охолодження двигуна автомобіля середнього класу із 40°С (після підігрівання двигуна на холостому ходу) до 80°С вміст СН зменшується до 42%. Викид NOх у цьому випадку зростає до 48%. Більший ступінь концентрації NOX^ характерний для бідніших сумішей і діапазону зміни температури від 65 до 80°С.

Таким чином, забезпечити зниження викиду СН неможливо без правильної організації експлуатації автомобільних двигунів. Необхідною умовою є також наявність ефективно працюючого термостата, який забезпечує прискорене прогрівання двигуна. Заправлення системи охолодження рідиною, що замерзає при низьких температурах (наприклад, антифризом "Тосол"), теплотворна здатність якої на 25...35% менша води, поліпшує робочий процес у режимах запуску та прогрівання двигуна. При заправленні антифризом тепла відводиться значно менше, ніж при заправленні водою, завдяки цьому температура стінок камери згоряння підвищується на 7О...8О°С. Збільшення температури в системі охолодження знижує відносну тепловіддачу при стисненні та згорянні робочої суміші.

Підвищення температурного режиму деталей двигуна (поршня, випускного клапана тощо) сприяє окисненню продуктів неповного згоряння COі СН у системі випуску двигуна.

Підвищення температури навколишнього середовища збільшує вихід паливної пари зі системи живлення, що спричинює забруднення атмосферного повітря СН. Для зниження забруднення атмосфери паливною парою на сучасних автомобілях в експериментальному порядку застосовують систему вловлювання пари. Основною частиною цих систем є фільтр з активованим вугіллям, який акумулює паливну пару при непрацюючому двигуні. При працюючому двигуні рух повітря, через цей фільтр регулюється спеціальним клапаном.

Основним способом правильної експлуатації є періодична перевірка і регулювання зібраних карбюраторів на динамометричному стенді або безмоторним методом на вакуумній установці мод. НІІАТ-489А. При перевірці карбюраторів безмоторним методом на вакуумній установці витрати палива, що надходить у карбюратор, вимірюють при проходженні через нього певної кількості повітря. Об'єктивність безмоторного методу, менша його трудомісткість порівняно з іншими методами сприяють ефективному використанню. При перевірці карбюраторів на вакуумній установці імітують реальні умови роботи двигуна. Технічний стан карбюратора визначають на цій установці за допомогою контрольних нормативів. Карбюратор залежно від загального його напрацювання або напрацювання від попереднього ТО підлягає загальній або поелементній діагностиці. При загальній діагностиці контролюють стан системи холостого ходу, положення гвинта мінімального відкриття кута повороту дросельної заслінки, частоту обертання колінчастого вала і вміст CO у відпрацьованих газах. При поелементній перевірці двічі на рік перевіряють також пропускну здатність паливних жиклерів, спрацювання деталей приводу насоса-прискорювача і його подачу, систему балансування поплавкової камери. Правильно відрегульований карбюратор має добру перехідну характеристику, яка забезпечує автомобілю стабільну роботу при переході від холостого ходу до навантажувальних режимів. Відсутність чіткого маркування на жиклерах, а також недостатня кількість приладів і обладнання для перевірки їх каліброваних отворів зменшують імовірність правильного складання карбюраторів з послідовним відкриванням дросельних заслінок при сезонних технічних обслуговуваннях. Сучасні карбюратори характеризуються складною системою холостого ходу. Тому навіть кваліфіковане ТО не завжди зменшує викид токсичних речовин до гранично допустимих норм. Для кожної моделі повинні бути розроблені спеціальні інструкції з регулювання двигунів на основі результатів випробувань двигунів з детальним аналізом проб відпрацьованих газів. Для двокамерних карбюраторів з паралельним відкриттям дросельних заслінок (К-88А, К—126Б) прийнятий певний порядок проведення контрольно-регулювальних операцій. Перед регулюванням гвинти якості в обох камерах закручують до упору, а потім відкручують на 3,5 оберту. Запускають двигун і за допомогою упорного гвинта визначають мінімально можливе відкриття дросельних заслінок, що забезпечує стійку роботу двигуна. Збіднюють горючу суміш завершенням гвинтів якості через 0,5 оберту, а потім через 0,25 оберту до початку роботи двигуна з перервами. Збагачують горючу суміш гвинтом якості знову до стійкої роботи двигуна. Повторюють регулювання і для другої змішувальної камери. Зменшують частоту обертання колінчастого вала двигуна упорним гвинтом дросельних заслінок, а потім гвинтами якості знову збіднюють горючу суміш. Замірюють частоту обертання колінчастого вала двигуна і доводять її до рекомендованої заводом-виробником. Регулювання виконують без аналізу складу відпрацьованих газів. При наявності у автопідприємстві газоаналізатора правильність регулювання перевіряють контрольними вимірюваннями концентрації CO. Правильне регулювання забезпечує роботу двигуна без провалів при різкому відкритті дросельної заслінки, а при скиданні навантаження двигун не повинен зупинятись. Концентрації COповинні перебувати в межах норм, регламентованих стандартом. Діагностування двигуна за показниками токсичності. Збільшення вмісту CO у відпрацьованих газах здебільшого є результатом підвищених витрат палива, змін технічного стану і порушення регулювань двигуна і його систем. Залежність CO від витрат палива для карбюраторних двигунів має лінійний характер і є зручною для діагностування автомобілів на динамометричному стенді.

Методи та режими виміру шкідливих викидів.

Вміст шкідливих речовин у відпрацьованих газах (ВГ) регламентують два стандарти: ДСТУ 4277:2004 “Охорона природи. Атмосфера. Норми і методи вимірів вмісту окису вуглецю та вуглеводнів у ВГ автомобілів з бензиновими двигунами, які працюють на бензині та газовому паливі” і ДСТУ 4276:2004 “Атмосфера. Норми і методи вимірів димності відпрацьованих газів автомобілів з дизелями або газодизелями”.

За ДСТУ 4277:2004 вміст СО і СН перевіряється на двох режимах холостого ходу: при мінімальній частоті обертання колінвала (ЧО) nmin і підвищеної ЧО nпов=2200 хв–1±100 хв-1. Гранично припустимі вмісти (ГДВ) такі (табл.1 і 2).

Засоби контролю, фізичні принципи їхньої дії.

Перевірка вмісту СО і СН виконується газоаналізаторами, що працюють за принципом інфрачервоної спектроскопії (поглинання частини спектра інфрачервоного випромінювання при проходженні його через аналізоване середовище). Принципова схема газоаналізатора представлена на рис.1.1.

Рисунок 1. Принципова схема газоаналізатора: 1 – генератор прямокутних

імпульсів; 2 – дзеркала; 3 – джерело випромінювання ІВ; 4 – оптичне скло з лейкосапфіра; 5 – робоча камера; 6 – фільтрувальна камера; 7, 8 – робоча і приймальні камери випромінювання, що порівнюють; 9, 10 – термочутливі резистори; 11 – демонстраційний пристрій; 12 – пристрій формування вихідного сигналу газоаналізатора; 13, 14 – пристрій формування вимірювального сигналу

Таблиця 1 Гранично-припустимі норми вмісту шкідливих речовин у ВГ

автомобілів, не оснащених нейтралізаторами

Паливо, на якому працює двигун	Режим	СО, об’ємна частка, %	СН, об’ємна частка, млн–1 для двигуна із числом циліндрів
Бензин	nmin	3,5*
nпов	2,0
Газ природний	nmin	1,5
nпов	1,0
Газ нафтовий зріджений	nmin	3,5
nпов	1,5

*Для автомобілів, виготовлених до 1 жовтня 1986 р. припустимий вміст СО становить 4,5%.

Таблиця 2 Гранично-припустимі норми вмісту шкідливих речовин у ВГ

автомобілів, оснащених нейтралізаторами

Частота обертання	Автомобілі з окисними нейтралізаторами	Автомобілі із трикомпонентними нейтралізаторами
СО, об’ємна частка, %	СН, об’ємна частка, млн–1	СО, об’ємна частка, %	СН, об’ємна частка, млн–1
nmin	1,0		0,5
nпов	0,6		0,3