Норма содержания кислорода в выхлопных газах

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 19.09.2024

ВЫБРОСЫ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ И ДЫМНОСТЬ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ АВТОНОМНОГО ТЯГОВОГО И МОТОРВАГОННОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Нормы и методы определения

Emissions of harmful substances and smoke of the fulfilled gases of independent traction and motorcarload rolling stock. Norms and methods of definition

Дата введения 2017-07-01

Предисловие

Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0-2015 "Межгосударственная система стандартизации. Основные положения" и ГОСТ 1.2-2015 "Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены"

Сведения о стандарте

1 РАЗРАБОТАН Открытым акционерным обществом "Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава" (ОАО "ВНИКТИ") и Обществом с ограниченной ответственностью "Экология транспорта" Научно-исследовательского института механики и прикладной математики Ростовского государственного университета (ООО "Экология транспорта" НИИМ и ПМ РГУ)

2 ВНЕСЕН Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 524 "Железнодорожный транспорт"

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 27 июля 2016 г. N 89-П)

За принятие проголосовали:

Сокращенное наименование национального органа по стандартизации

Госстандарт Республики Беларусь

Госстандарт Республики Казахстан

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 16 ноября 2016 г. N 1697-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 33754-2016 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июля 2017 г.

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

ВНЕСЕНЫ: поправка, опубликованная в ИУС N 7, 2017 год; поправка, опубликованная в ИУС N 2, 2019 год; поправка, опубликованная в ИУС N 3, 2019 год

Поправки внесены изготовителем базы данных

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на тепловозы, дизель-поезда, рельсовые автобусы, автомотрисы и другие типы автономного тягового и моторвагонного подвижного состава и устанавливает нормы и методы определения (контроля) выбросов вредных веществ и дымности отработавших газов.

Настоящий стандарт не распространяется на паровозы, газотурбовозы и газотепловозы.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие межгосударственные стандарты:

ГОСТ 12.1.003-83 Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности

ГОСТ 12.1.005-88 Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны

ГОСТ 12.1.012-2004 Система стандартов безопасности труда. Вибрационная безопасность. Общие требования

ГОСТ 12.2.003-91 Система стандартов безопасности труда. Оборудование производственное. Общие требования безопасности

ГОСТ 12.3.002-75 Система стандартов безопасности труда. Процессы производственные. Общие требования безопасности

ГОСТ 12.4.051-87* Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты органов слуха. Общие технические требования и методы испытаний

* На территории Российской Федерации действует ГОСТ Р 12.4.255-2011.

ГОСТ 305-2013* Топливо дизельное. Технические условия

* На территории Российской Федерации действует ГОСТ Р 53639-2009.

ГОСТ 13320-81* Газоанализаторы промышленные автоматические. Общие технические условия

* На территории Российской Федерации действует ГОСТ Р 50759-95.

ГОСТ 30574-98 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ и дымность отработавших газов. Циклы испытаний

ГОСТ 31967-2012 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 база дымомера оптического типа L, м: Толщина оптически однородного слоя ОГ, эквивалентного по ослаблению светового потока столбу тех же ОГ, заполняющих измерительную камеру дымомера в условиях измерения.

3.2 влажные ОГ: ОГ, влагосодержание которых соответствует полному составу продуктов сгорания топлива.

3.3 вредные вещества (ВВ): Вещества, содержащиеся в ОГ и придающие им неблагоприятные либо вредные для человека и окружающей среды свойства.

3.4 выброс ВВ: ВВ, поступающие в атмосферу с ОГ.

3.5 газоанализатор: Прибор для измерения количественного состава смесей газов.

3.6 диоксид углерода CO: Газообразный продукт полного окисления углерода, входящего в состав углеводородного топлива.

3.7 дымность: Видимая дисперсия жидких и/или твердых частиц в ОГ, образовавшаяся в результате неполного сгорания топлива и испарившегося масла.

3.8 дымомер: Прибор для измерения дымности ОГ.

3.9 дымомер оптического типа: Прибор для измерения непрозрачности ОГ, выраженной через коэффициент ослабления светового потока.

3.10 испытательный цикл: Совокупность режимов испытаний.

3.11 кислород O: Химически активный газ, являющийся окислителем для топлива при нормальных условиях, молекула которого состоит из двух атомов.

3.12 координата элементарного режима: Режим работы, характеризуемый постоянными характерными для данного интервала времени характеристиками режима движения и/или работы силовой установки.

3.13 концентрация диоксида углерода, С, %: Объемная доля в ОГ диоксида углерода.

3.14 концентрация кислорода, %: Объемная доля в ОГ кислорода.

3.15 концентрация оксида углерода, С, об. %: Объемная доля в ОГ оксида углерода.

3.16 концентрация оксидов азота, приведенных к NO, C, об. %: Объемная доля в ОГ оксидов азота, которую они занимали бы при трансформации в эквивалентный объем диоксида азота NO.

3.17 коэффициент ослабления светового потока N, %: Показатель дымности ОГ, измеренный оптическим методом, равный части светового потока от источника света дымомера, не достигшей приемника света из-за его поглощения, отражения и рассеивания ОГ, проходящими через измерительную (дымовую) камеру дымомера.

3.18 концентрация углеводородов, приведенных к СH, С, об. %: Объемная доля в ОГ суммы углеводородов, которую они занимали бы при условной трансформации в эквивалентный объем идеального газа с молекулярной массой 13,85 и энергией ионизации молекул, равной энергии ионизации пропана СН.

3.19 оксид углерода СО: Газообразный продукт неполного окисления углерода, входящего в состав углеводородного топлива.

3.20 оксиды азота NO: Смесь различных оксидов азота, образующихся в процессе горения топлива в двигателе.

3.21 относительная продолжительность элементарного режима: Доля работы по времени для данной координаты элементарного режима.

3.22 отработавшие газы (ОГ): Смесь газообразных продуктов полного сгорания, избыточного воздуха и различных микропримесей (газообразных, жидких и твердых частиц), поступающая из двигателя в его выпускную систему.

3.23 пункт экологического контроля (ПЭК): Совокупность технических средств, расположенных в специально оборудованном помещении, на рабочем месте, необходимых для проведения регулярных проверок ТПС и МВПС на соответствие техническим нормативам ВВ и дымности ОГ и обеспечивающих выполнение метрологических требований, а также требований безопасности и охраны труда, сформулированных в данном стандарте.

3.24 режим испытаний: Фиксированный режим работы ТПС и МВПС, реализуемый в процессе испытаний.

3.25 реостатные испытания: Вид статических испытаний силовой установки ТПС и МВПС, при котором нагрузка на тяговые двигатели имитируется нагрузкой на сопротивление (водяной или воздушный реостат).

3.26 система пробоподготовки (СПП): Совокупность элементов и устройств, обеспечивающих транспортировку пробы ОГ из выхлопной трубы ТПС и МВПС к измерительным приборам без изменения физико-химических свойств ОГ в заданных температурных условиях и с заданной производительностью.

Анализ содержания кислорода и углекислоты в отработавших газах

Кислород (О₂) и двуокись углерода (СО₂) в выхлопных газах

Информации, получаемой от двухкомпонентного газоанализатора по содержанию компонентов СО и С_nН_m, может быть недостаточно для диагностирования состояния двигателя, к тому же эти газы влияют друг на друга в каталитическом нейтрализаторе.
В то же время повышенное содержание кислорода в выхлопных газах - это индикатор работы двигателя на обедненной смеси, поэтому контроль этого компонента в отработавших газах позволяет более полно и объективно диагностировать работу двигателя.

Кислород (О₂) – необходимый компонент топливовоздушной смеси, поскольку без кислорода в принципе невозможно горение никакого, даже самого пожароопасного и взрывоопасного топлива. Атмосферный воздух примерно на 21 % состоит из кислорода, и этого количества вполне хватает для сжигания топлива в цилиндрах двигателя при правильном составе топливовоздушной смеси.

Уровень кислорода в выхлопных газах должен быть низким, не более 0,5%. Более высокие значения свидетельствуют о неполноценном сгорании топлива, что может быть связано с плохой герметичностью впускного тракта, низким качеством топлива, перебоями в работе системы зажигания и др.
Как правило, повышенное содержание кислорода в выхлопных газах сопровождается и увеличением количества вредных компонентов из-за неполного окисления углерода и частиц несгоревшего топлива.

Следует иметь в виду, что негерметичность в выпускном тракте также приводит к повышенному содержанию кислорода в выхлопных газах, что может привести к ложному указанию на обеднение смеси за счет подсоса воздуха во впускном тракте. Поэтому чтобы быть уверенным в показаниях газоанализатора по параметру О₂, необходимо убедиться в исправности выпускного тракта.

Для этого следует сравнить показания газоанализатора на холостых оборотах и для режима 2500 оборотов в минуту, обращая внимание на следующее:

если содержание кислорода высокое и на холостых и на высоких оборотах, значит в обоих случаях смесь бедная, что указывает на исправность выпускного тракта;
если содержание кислорода мало на холостых оборотах и велико на высоких оборотах, можно сделать вывод, что выпускной тракт исправен, но в нем установлен нейтрализатор с инжекцией (дополнительной подачей) воздуха;
если на холостых оборотах содержание кислорода велико, а на высоких оборотах мало - скорее всего, имеется небольшая утечка, незаметная при больших выбросах выхлопных газов в выпускном тракте.

Содержание двуокиси углерода (углекислота, СО₂) в отработавших газах - показатель эффективности процесса сгорания топлива в двигателе. Нормальное содержание двуокиси углерода в выхлопных газах должно составлять 12…17%.
Этот газ считается относительно безопасным, и в определенных дозах даже оказывает благотворное влияние на организм живых существ и растений.
При стехиометрическом (оптимальном) составе топливовоздушной смеси содержание СО₂ в выхлопных газах имеет максимальное значение, в случае обогащения или обеднения смеси содержание СО₂ в выхлопе уменьшается, а содержание угарного газа СО и углеводородов СН возрастает.
По этой причине само по себе значение содержания СО₂ не позволяет сделать вывод, бедная смесь или богатая, необходимо дополнительно учитывать показания по СО и СН.

В сознании многих газоанализатор прочно ассоциируется с определением токсичности выхлопных газов автомобиля. Это действительно так. Контроль токсичности — одна из основных функций газоанализатора, но не единственная. В этой статье мы расскажем, как можно использовать газоанализатор для диагностики бензиновых двигателей.

Устаревшее представление, что газоанализатор служит только для регулировки и контроля токсичности выхлопных газов, не позволяет многим автомеханикам-диагностам правильно оценить состояние двигателя и системы зажигания. Да и проблема экологии работников автосервиса часто мало волнует. Для опытного же диагноста газоанализатор служит своего рода "глазами", позволяя "заглянуть" внутрь камер сгорания работающего двигателя и определить, как идет процесс горения топливовоздушой смеси. Как врачу для постановки диагноза необходимы анализы пациента, так и мастеру нужны данные "анализа", чтобы выявить "болячки" двигателя, ведь состав выхлопных газов напрямую зависит от его состояния.

Эффективность работы двигателя в первую очередь определяется полнотой сгорания топлива. Она зависит от многих факторов:

от оптимального соотношения воздуха и топлива (за это отвечают системы измерения расхода воздуха и дозирования топлива);
от их тщательного перемешивания (на это влияет состояние форсунок, впускных каналов и камер сгорания);
от эффективности предварительного сжатия заряда смеси, которое зависит от состояния ЦПГ и ГРМ;
от эффективности воспламенения, что подразумевает исправность всех элементов системы зажигания и оптимальный УОЗ.

Любое отклонение от нормы или несогласованность в работе систем двигателя приводит к снижению его эффективности и, как следствие, к изменению концентрации продуктов сгорания. Конструктивные недочеты, эксплуатационные отклонения параметров, нарушения регулировок — все это, так или иначе, отражается на составе "выхлопа". Попробуем разобраться, какую информацию можно извлечь из состава выхлопных газов.

Немного теории. Прежде всего, вспомним из школьного курса состав атмосферного воздуха, это потребуется для правильного понимания сути происходящего.

Азот ____________________________78%
Кислород ________________________20.95%
Аргон____________________________0.93%
Углекислый газ (СО2)______________0.03%

Остальные газы, в основном инертные, присутствуют в малых количествах и в нашем случае значения не имеют, как впрочем, и аргон. Цифры, очень близкие к приведенным, можно увидеть на табло газоанализатора, если включить его на "свежем воздухе".

Итак, в цилиндрах двигателя сгорает горючая смесь. Реакция окисления углеводородов топлива происходит по следующей схеме:

СН + О2 => СО2 + Н2О.

Состав смеси принято оценивать коэффициентом избытка воздуха "лямбда". Он представляет собой отношение реального количества воздуха, поступившего в цилиндры, к тому количеству, которое необходимо для полного сгорания поступившего в цилиндры топлива. Смеси, в которых количество воздуха совпадает с теоретически необходимым, называются стехиометрическими. Лямбда в этом случае равна 1. Если количество воздуха больше необходимого, то смесь принято называть бедной, и лямбда находится в диапазоне 1.0. 1.3. Более бедная смесь перестает воспламеняться. Если же воздуха меньше необходимого, то смесь называют богатой. Такая смесь характеризуется значением лямбда 0.8. 1.0.

Казалось бы, при сгорании стехиометрической смеси выхлопные газы должны состоять из углекислого газа СО2, водяного пара Н2О и азота N2. На деле не все так просто. Под действием высокой температуры в цилиндре двигателя азот и кислород вступают в реакцию, в результате которой образуются оксиды азота, в основном NО. Кроме того, в отработавших газах (ОГ) всегда содержатся углеводороды, обозначаемые обычно СН. Они представляют собой исходные или распавшиеся молекулы топлива, которые не принимали участия в сгорании. Часть СН выбрасывается в результате того, что на тактах впуска и сжатия горючей смеси пары топлива поглощаются масляной пленкой на стенках цилиндров. На такте выпуска происходит их выделение из пленки.

Кроме этого, в ОГ обязательно присутствует продукт неполного сгорания топлива — оксид углерода СО (угарный газ). И, конечно же, неизбежно остается не вступивший в реакцию кислород. Поэтому состав отработавших газов исправного инжекторного двигателя, не оборудованного катализатором, при смеси, близкой к стехиометрической, выглядит так:

Значения параметров близки к типичным, но далеко не эталонные. Если взглянуть на схему реакции, то становится вполне очевидным, что оптимальное сгорание горючей смеси характеризуется максимальным выделением углекислого газа СО2. Грубо говоря, чем качественнее сгорает топливо в двигателе, тем больше СО2 в составе ОГ, и это один из критериев, которыми можно воспользоваться при проверке и регулировке систем топливоподачи.

Как же извлечь из данных газоанализа необходимую информацию?

Прежде всего, нужно понять, что газоанализатор не укажет на неисправный датчик или пробитую свечу, но с его помощью можно определить направление поиска. Рассмотрим это на примерах.

Бедная смесь. Этот режим характеризуется низким содержанием СО, пониженным СО2, повышенным — кислорода и СН. Расчетный параметр лямбда окажется больше единицы. С первыми тремя параметрами все ясно, низкие значения СО и СО2 и повышенная концентрация кислорода образуются из-за нехватки топлива и (или) избытка воздуха. Возникает вопрос — почему имеет место повышенная концентрация СН? Все просто — бедные смеси хуже горят. Причины бедной смеси применительно к инжекторным двигателям — подсос воздуха во впускной тракт, низкое давление топлива, неверные показания датчика массового расхода воздуха (ДМРВ), неверная регулировка топливоподачи. Искать конкретную причину необходимо уже с помощью других приборов (мотортестера, осциллографа, топливного манометра, тестера утечек). Бедную смесь нельзя путать со следующим дефектом.

Негерметичность системы выпуска. Представим себе, что имеет место неплотное соединение или трещина. Что при этом происходит? Через неплотность подсасывается атмосферный воздух и, смешиваясь с отработавшими газами, изменяет их состав. У начинающих может возникнуть вопрос — почему воздух подсасывается, вроде бы должно быть наоборот. Дело в том, что перемещение газов в выхлопном тракте носит волновой характер, и зоны давления чередуются с зонами разрежения. Именно в зону разрежения и подсасывается воздух. А теперь вспомним состав атмосферы. Даже если подсос незначителен, то содержание О2 в ОГ увеличится достаточно сильно! Ведь в воздухе его почти 21%, а в ОГ около 1%. В то же время СО2 в воздухе мало, и количество этого газа в составе ОГ изменится не так значительно. То же можно сказать и про СО и СН. Итак, необходимо различать бедную смесь и подсос воздуха в выпускной тракт. Во втором случае имеет место неестественно высокие значения О2 и лямбда:

Достаточно низкое содержание СН говорит о том, что топливо сгорает хорошо, и СО вроде бы в норме, но очень много кислорода, и, соответственно, высокое значение лямбда. Снимок сделан на автомобиле, у которого преднамеренно был ослаблен хомут глушителя. Добавим еще, что подобный дефект с помощью двухкомпонентного газоанализатора обнаружить попросту невозможно. Некоторые газоанализаторы могут вычислять корректированное значение СО. Дело в том, что концентрация СО может быть не только измерена, но и рассчитана, исходя из концентрации других компонентов выхлопных газов. При этом оба значения СО не должны значительно различаться. Расхождение же будет свидетельствовать о подсосе воздуха через неплотности в выпускной системе.

Богатая смесь. В этом случае газоанализатор покажет высокое содержание СО, повышенное СН, пониженное СО2, О2, и лямбда меньше единицы. Причин много — неверные показания ДМРВ (чаще всего), повышенное давление топлива, неверный сигнал датчика температуры (ДТОЖ). Говоря о повышенном содержании СН, следует понимать величину до 300..500 ррm, такое значение обычно сопровождает богатую смесь. Если же оно значительно выше, причем признаки богатой смеси могут и отсутствовать, то это уже проявление следующего дефекта.

Высокое содержание СН. Мы уже говорили о том, какими путями СН появляется в отработавших газах. Нормальное значение этого параметра — 50..200 ррm. Если на табло прибора мы видим СН, равный 300..400 и более, это повод искать причину, по которой бензин попросту не сгорает, другими словами, имеют место пропуски воспламенения. Не "пропуски искры", как иногда выражаются, а именно воспламенения. А вот причин этих пропусков много. Изношенные или неисправные свечи (см. рис.), высоковольтные провода, дефектный модуль или катушка зажигания, не отрегулированные клапаны, пониженная компрессия, неисправная (забитая) форсунка.

Это может проявляться как в одном, так и в нескольких цилиндрах. Еще одна причина повышенного содержания в ОГ паров топлива — неплотный или начинающий прогорать выпускной клапан. В этом случае на такте сжатия часть топливного заряда попросту выталкивается в выпускной тракт. Двигатель при этом может работать вполне нормально, и остальные параметры газоанализа будут в норме. Ниже приведен пример параметров выхлопа двигателя, имеющего дефектные свечи.

Все остальные системы заведомо в полном порядке. Проанализируем полученные данные. Повышенное содержание в ОГ паров топлива говорит о том, что последнее попросту не сгорает. Далее: СО понижено, и его значение позволяет сделать вывод, что причина не в богатой смеси. Высокое содержание кислорода вместе с высоким СН позволяет сделать предположение о пропусках. Закономерен вопрос — откуда кислород? Да из тех же цилиндров, которые при пропусках просто выплевывают атмосферный воздух, смешанный с бензином, не воспламеняя его. СО2 понижено, что тоже говорит о ненормальном сгорании. Ну а лямбда — прибор рассчитывает ее, исходя в том числе, и из содержания кислорода. Именно пропуски вспышек и наблюдаются в таком случае, и они хорошо слышны у среза выхлопной трубы.

Датчики кислорода и катализаторы. То, что автомобиль оснащен ДК и катализатором, не избавляет, как ни странно, от применения газоанализатора. Кстати, именно появление катализатора дало немалый импульс развитию многокомпонентных приборов газоанализа. Двухкомпонентные газоанализаторы, как диагностические приборы, в этих условиях оказались малоэффективными. Они не давали полноценной информации о работе двигателя, так, как каталитические нейтрализаторы активно уменьшают именно концентрацию измеряемых ими продуктов сгорания СО и СН. Для замера состава ОГ при помощи двухкомпонентного газоанализатора ранее некоторые модели автомобилей снабжались специальным патрубком для отбора пробы газов до катализатора. С появлением четырехкомпонентных газоанализаторов необходимость в этом отпала. Такие газоанализаторы позволяют расчетным путем определить исходный состав топливной смеси даже для двигателей, выхлопная система которых оборудована катализатором. Помимо этого, они предоставляют диагносту несколько дополнительных параметров, анализ которых позволяет глубже понять характер процессов, происходящих в двигателе. Полноценная диагностика включает в себя проверку правильного функционирования системы управления двигателем, даже если последняя не предоставляет возможности что-то отрегулировать. Итак, автомобиль, оборудованный датчиком кислорода и катализатором. Вставляем зонд прибора в выхлопную трубу, ждем. Если все в порядке, будет что-то похожее:

Что мы видим? Что катализатор свое дело знает, полноценно "дожигая" ОГ до гораздо более безобидного состояния. СО — внизу предела измерения, совсем мало СН. Зато значение СО2 близко к максимальному, и очень мало кислорода, ибо весь ушел на превращение СО и СН в безвредные СО2 и Н2О. Ну и лямбда почти в идеале. При проведении таких замеров важно, чтобы двигатель был полностью прогрет, а система управления работала в режиме замкнутой петли обратной связи по датчику кислорода. Кстати, оценить эффективность катализатора можно по скорости его прогрева, наблюдая изменение концентраций компонентов ОГ после запуска двигателя. Двигателю и катализатору перед этим необходимо дать остыть в течение 30–40 мин.

Приведем еще пример. Ниже приведен состав ОГ двигателя с полностью неработающей форсункой (бывает и такое). Полная дисгармония, огромное содержание кислорода и отсюда запредельная лямбда. Естественно, при работе на такой смеси некоторое время система управления пытается корректировать смесь, но безрезультатно. Прописывается ошибка по датчику кислорода, система управления переходит в аварийный режим работы с разомкнутой петлей по ДК.

Естественно, рассмотренные примеры охватывают далеко не полный перечень возможных ситуаций. Иногда один двигатель содержит кучу разных "болячек", и выявить дефект с первого взгляда на табло газоанализатора не удается. В любом случае, нужно подходить к поиску дефекта творчески, газоанализатор — только помощник вашему опыту и интуиции.

Напоследок несколько нетривиальных способов использования газоанализатора:

Анализ содержания токсичных веществ в отработавших газах

Диагностирование технического состояния автомобильного двигателя и его систем с помощью газоанализатора – достаточно сложный процесс сопоставления тех или иных реальных (измеренных) параметров с оптимальными параметрами, удовлетворяющими требованиям экологических стандартов.
Чаще всего за основу оценки соответствия принимается соотношение количества топлива и воздуха в топливовоздушной смеси (ТВС). Корректируя это соотношение в ту или иную сторону можно существенно изменить количественное и качественное содержание вредных веществ в отработавших газах двигателей.

На рисунке 1 представлены зависимости содержания углеводородов (С_nН_m), окиси углерода (СО), кислорода (О₂) и углекислого газа (СО₂) в выхлопных газах от состава топливовоздушной смеси (топливо/воздух).

Следует отметить, что в общем случае при обогащении топливовоздушной смеси в выхлопных газах возрастает содержание окиси углерода (СО), поэтому этот газ считают индикатором обогащения.
По аналогичным соображениям избыток в отработавших газах кислорода (О₂) служит индикатором обеднения смеси.

Рис. 1. Состав выхлопных газов в зависимости от соотношения воздух/топливо в смеси

Анализ содержания СО в выхлопных газах

Окись углерода (СО) – это газ, появляющийся в отработавших газах вследствие неполного окисления углерода топлива, что обычно является следствием недостатка кислорода в ТВС, т. е. обогащения смеси.
Окись углерода - ядовитый газ без цвета, вкуса и запаха, который является чрезвычайно токсичным.
Возможные причины повышенного содержания окиси углерода в выхлопе следующие:

неисправность систем вентиляции картера;
засорение воздушного фильтра;
неправильная регулировка оборотов двигателя на холостом ходу;
повышенное давление топлива в системе питания;
любые другие неисправности, приводящие к работе двигателя на богатых смесях.

При анализе состава отработавших газов однокомпонентным газоанализатором можно сделать вывод лишь о содержании в выхлопе окиси углерода (угарного газа).
Избыток окиси углерода (СО) в выхлопных газах означает, что в цилиндрах имеет место избыток топлива или недостаток кислорода. При этом образуется богатая смесь, и топливо сгорает не полностью.
Наиболее вероятными причинами избытка окиси углерода в системах питания, управляемых электроникой, могут быть:

повышенное давление топлива (например, засорился обратный топливопровод);
не исправен регулятор давления топлива (например, утечка через диафрагму);
неисправность в системе улавливания паров топлива в баке;
засорился воздушный фильтр или клапан в системе вентиляции картера.

Анализ содержания СО и С_nН_m в выхлопных газах

Двух- и многокомпонентные газоанализаторы позволяют более углубленно диагностировать причины чрезмерного содержания вредных веществ в отработавших газах, поскольку два компонента – окись углерода СО и углеводороды С_nН_m взаимно влияют на количественное содержание в выхлопе.
Основные причины повышенного содержания окиси углерода (СО) в отработавших газах рассмотрены выше.

Повышенное содержание С_nН_m - это признак неполного сгорания топлива, при этом двигатель работает неэкономично. Содержание углеводородов в выхлопных газах возрастает при дросселировании, при работе двигателя на режимах принудительного холостого хода (например, при торможении двигателем). При работе двигателя на указанных режимах ухудшается процесс смесеобразования (перемешивания топлива и воздуха в цилиндрах), уменьшается скорость сгорания, ухудшается воспламенение и, как результат, - возникают его частые пропуски зажигания.
Выделение углеводородов вызывается неполным сгоранием смеси вблизи холодных стенок цилиндров, в переобогащенных зонах камеры сгорания, где недостаточное количество кислорода, некачественным распыливанием топлива и неудовлетворительным завихрением топливовоздушного заряда, а также при относительно низких температурах сгорания смеси (например, в режиме холостого хода).

После устранения неисправностей, связанных с повышенным содержанием С_nН_m, экономичность двигателя улучшается.
Следует помнить, что углеводороды (С_nН_m, этан, метан, этилен, бензол, пропан, ацетилен и др.) – это частички и компоненты несгоревшего топлива.
Углеводороды играют активную роль в образовании биологически активных веществ, вызывающих раздражение глаз, горла, носа и их заболевание, и наносящих ущерб растительному и животному миру. Углеводородные соединения оказывают наркотическое действие на центральную нервную систему, могут являться причиной хронических заболеваний, а некоторые ароматические углеводороды обладают отравляющими свойствами. Углеводороды (олефины) и оксиды азота при определенных метеорологических условиях активно способствуют образованию смога.

Наиболее часто увеличенное содержание углеводородов в выхлопных газах вызывается неполадками в системе зажигания, когда топливовоздушная смесь выбрасывается в выпускной тракт не сгоревшей.
При этом причинами увеличенного содержания углеводородов в отработавших газах чаще всего являются:

загрязнение свечей;
неисправность высоковольтных проводов;
повреждения катушки зажигания;
неисправность крышки или ротора распределителя;
нарушение установочного угла опережения зажигания (слишком большой или малый);
неисправность датчика положения коленчатого вала;
неисправность электронного модуля зажигания.

Другой причиной может быть работа на переобедненной смеси, которая плохо воспламеняется.
Причиной чрезмерного обеднения смеси могут послужить следующие неисправности:

утечка разрежения, например, через трещину в вакуумном шланге;
негерметичность впускного тракта;
негерметичность дроссельного патрубка или карбюратора;
ослабла или сломана пружина выпускного клапана.

В непрогретом двигателе условия сгорания смеси неоптимальные из-за конденсации паров топлива на стенках цилиндров, что также приведет к содержанию С_nН_m в выхлопных газах выше нормы. Поэтому проверку и анализ выхлопа следует проводить на полностью прогретом двигателе.

Повышенное содержание окиси углерода СО и углеводородов СnНm в выхлопных газах возникает, если система питания подает в цилиндры двигателя богатую смесь, либо при переобогащении смеси из-за неисправностей в системе зажигания.

Например, если свеча загрязнена, искрообразования может не последовать, и несгоревшая топливовоздушная смесь поступит в выпускной тракт. Непрореагировавший кислород этой смеси будет принят датчиком кислорода как признак слишком бедной смеси, о чем он немедленно сообщит электронному блоку управления (ЭБУ). ЭБУ выдаст сигнал на обогащение смеси, искрообразование может еще более ухудшиться, а в выхлопных газах будет еще больше СО и С_nН_m. В этом случае следует искать неисправности в системе зажигания.

Как убедиться, что система управления двигателем работает в замкнутом режиме (с обратной связью от датчика кислорода)?

В системе управления впрыском топлива датчик кислорода выполняет функцию определителя концентрации кислорода в выхлопных газах и входит в состав электронного сравнивающего устройства (компаратора). На одном входе компаратора сигнал, фиксирующий текущий (фактический) состав рабоче смеси, на другом – электронный сигнал, соответствующий оптимальному (метрическому) составу смеси. Компаратор работает в режиме релейного регулирования, постоянно сравнивая значения сигналов.
Для проверки системы регулирования поступают следующим образом:

2. Глядя на вольтметр, отсоединяют от впускного коллектора вакуумный шланг. Напряжение на выходе датчика упадёт ниже 0,3 В, это реакция на обеднение смеси из-за утечки разрежения. ЭБУ в режиме с обратной связью компенсирует избыток кислорода подачей дополнительного топлива, смесь, опять станет стехиометрической, стрелка вольтметра опять вернется к напряжению 0,45 В.

3. Наблюдая за стрелкой вольтметра, из баллона с пропаном выпускают немного газа перед воздухозаборником двигателя. На некоторое; время вольтметр покажет 0,8 В, индицируя богатую смесь. Затем ЭБУ отработает это возмущение, уменьшив, подачу топлива через форсунки.
Режим опять станет стехиометрическим, стрелка, прибора будет, колебаться в районе 0,45 В.

Отработанные газы, выводимые из цилиндров двигателей внутреннего сгорания через такт выпуска в атмосферу, имеют в своём составе многочисленные газообразные, жидкие и твердые компоненты (всего - около 200 химических элементов и их соединений). Эти вещества можно объединить в несколько групп в зависимости от химического состава, свойств и характера воздействия на окружающую среду и организм человека.
В первую очередь такие вещества следует разделить на две основные группы - токсичные (вредные для живой природы и человека) и нетоксичные (относительно безвредные).
Концентрация вредных веществ в общем объеме газов, выбрасываемых двигателем в атмосферный воздух, измеряется в процентах к общему объему или в миллионных долях этого объема.

Единицы измерения концентрации газов

Чтобы в дальнейшем понимать, какими единицами измерения оперируют специалисты при анализе количественного содержания тех или иных компонентов в отработавших газах, необходимы следующие пояснения.
Содержание измеряемых компонентов выхлопных газов оценивается в следующих единицах измерения:

Так, например, концентрация углекислого газа (CO₂) в атмосфере Земли составляет около 380 ppm, и это означает, что в каждом кубометре воздуха 0,380 мл (почти 2 стакана) углекислого газа. В процентах это выражение будет записано, как 0,038 %.
Исправный автомобиль под нагрузкой должен иметь содержание NО_x, в выхлопных газах менее 1000 ppm. Если указать эти значения в процентах, то запись будет выглядеть следующим образом: содержание NО_x в выхлопных газах не должно превышать 0,1%.
Очевидно, что отклонение значения, например, на 50 миллионных долей при записи в процентах (0,005%) интуитивно не воспринимается, как существенное изменение, а при записи в ppm (50 ppm) заставляет обратить внимание.

Нетоксичные компоненты отработавших газов

К нетоксичным (безвредным) компонентам выхлопных газов относятся естественные составляющие атмосферного воздуха (например, водяной пар, свободный азот, кислород). Эти вещества не вызывают существенных патологий в организме живых существ (в т. ч. человека) даже при относительно высокой концентрации. Пар является газообразной фазой воды, кислород и свободный азот являются основными компонентами атмосферного воздуха, поэтому эти вещества не наносят ощутимого вреда живой природе, даже если их содержание в выхлопных газах будет значительным.

Тем не менее, по количественному содержанию этих веществ в отработавших газах можно сделать определенные выводы о техническом состоянии работающего теплового двигателя и его систем.
Так, например, чрезмерное содержание водяного пара в выхлопных газах может свидетельствовать о неисправности прокладки головки блока цилиндров, трещинах в цилиндре или головке блока, из-за чего охлаждающая жидкость попадает в цилиндры двигателя.

Кислород (О₂) в цилиндрах двигателя вступает в реакцию с топливом, вызывая процесс горения. Уровень кислорода в выхлопных газах должен быть низким, не более 0,5%. Более высокие значения, особенно при работе двигателя на холостом ходу, могут быть вызваны плохой герметичностью впускного тракта, сопровождающейся работой двигателя на чрезмерно бедной топливовоздушной смеси. Такие отклонения позволяют диагностировать определенные неполадки в системе питания двигателя.

Газообразный азот (N) достаточно инертен, поэтому сам по себе не является опасным для живой природы веществом и не представляет ценности с точки зрения термодинамики теплового двигателя, поскольку не является ни топливом (как например углерод или водород), ни окислителем (как кислород). Тем не менее, его доля в атмосферном воздухе составляет почти 78 %, поэтому в любом случае после сжигания автомобильного топлива образуются те или иные азотосодержащие соединения. Многие из этих соединений являются очень токсичными веществами.

Относительно безопасным компонентом выхлопных газов двигателя считается двуокись углерода (СО₂, угольный ангидрид, углекислота или углекислый газ) - газообразное химическое соединение, не обладающее цветом и запахом. Этот газ примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, а его концентрация в атмосфере Земли составляет примерно 0,04 %. В течение суток организм человека поглощает и использует в процессах обмена веществ почти 1 кг двуокиси углерода, которая затем покидает организм при выдохе.
Тем не менее, дышать при избыточной конценрации углекислого газа в воздухе для здоровья вредно, поскольку он относится к удушающим газам. Незначительная концентрация (до 2-4%) в непроветриваемом помещении приводит к появлению сонливости и слабости, при концентрации выше 7-10% развивается удушье, проявляющее себя в головной боли, головокружении, расстройстве слуха и даже в потере сознания. К счастью отравление этим газом не приводит к необратимым последствиям, и после вдыхания свежего воздуха организм вскоре восстанавливается.
Допустимое содержание СО₂ в отработавших газах - 12…15%, при этом высокие значения свидетельствуют о хорошей работе двигателя, поскольку углерод топлива полностью сгорает.

Токсичные компоненты отработавших газов

Угарный газ (оксид углерода СО)

Оксид углерода - ядовитый газ без цвета, вкуса и запаха. Вступая в легких в реакцию с кислородом воздуха, лишает мозг кислорода. Выделяется при неполном сгорании топлива, имеет ярко выраженное отравляющее воздействие. Степень отравления зависит от его концентрации и продолжительности воздействия на человека. При дозах свыше 1 % возможна потеря сознания и смерть.

Окись углерода (СО) - неустойчивое химическое соединение, легко вступающее в реакцию с кислородом, в результате которой образуется относительно безопасное соединение - двуокись углерода СО₂ (допустимая концентрация в выхлопных газах – 12…15%). Высокое содержание СО₂ в выхлопе свидетельствует о хорошей работе двигателя, рационально сжигающего топливо.
Уровень СО в выхлопных газах для современных автомобилей с впрыском топлива не должен превышать 0,5%.
Возможные причины повышения содержания СО следующие:

неисправность систем вентиляции картера;
засорение воздушного фильтра;
неправильная регулировка работы двигателя на холостом ходу;
повышенное давление топлива в рампе;
любые другие неисправности, приводящие к работе двигателя на чрезмерно богатых для данного режима топливовоздушных смесях (ТВС).

Оксиды азота NO и диоксиды азота NO₂

Оксид азота NО - бесцветный газ без вкуса и запаха.
Двуокись азота NО₂ - рыжеватый газ с кислым едким запахом.
Из этих компонентов в камере сгорания двигателя образуется группа окислов азота, для краткости обозначаемых, как NО_x (например, NO₃, NO₄ и пр.).

Окислы азота считаются более опасными, чем угарный газ, при этом наиболее негативное воздействие на человеческий организм оказывает диоксид азота - NO₂.
При окислении оксида азота кислородом воздуха образуется диоксид азота - газ тяжелее воздуха, который скапливается в нишах и углублениях, и весьма опасен при техобслуживании автомобилей. Негативно влияет на органы дыхания, слизистую оболочку и на ткани лёгких, при длительном воздействии возможно заболевание бронхитом и нарушение деятельности сердечнососудистой системы.
При соединении окислов азота с углеводородными компонентами С_nН_m (остатки несгоревшего топлива) в атмосфере под воздействием солнечных лучей образуется фотохимический компонент, чрезвычайно вредный для органов дыхания человека.

Окислы азота NО_x, формируются в камере сгорания двигателя при температуре выше 1370 °С или при большом давлении, что характерно для режимов работы двигателя под высокой нагрузкой.
Повышенное содержание NО_x, в выхлопных газах обычно имеет место, когда:

двигатель перегрет;
топливная смесь бедная.

Эффективной мерой борьбы против образования NО_x является применение системы рециркуляции выхлопных газов.

Ароматические углеводороды (соединения вида С_nН_m)

Углеводороды (С_nН_m) – это компоненты несгоревшего топлива, их содержание измеряется в частях на миллион по объему (ppm или млн -1 ). Нормально работающий двигатель сжигает в цилиндрах практически все топливо, допустимое содержание С_nН_m должно быть менее 50 ppm.
Если топливо сгорает не полностью, в атмосферу выбрасывается бензин, который является канцерогеном. Причиной повышенного содержания углеводородов в выхлопных газах может являться, например, чрезмерное попадание масла в цилиндры двигателя через неисправные поршневые кольца.

Чаще всего увеличенное содержание вызывается неполадками в системе зажигания. Неправильная регулировка двигателя, позднее зажигание и пониженная температура в камере сгорания приводит к появлению дыма.
Углеводородные соединения токсичны, влияют на сердечнососудистую систему и являются сильными канцерогенами.

Остальные компоненты автомобильных выхлопов (альдегиды, сернистые соединения, свинец) не менее вредны для организма человека, но их процентное содержание в отработавших газах незначительно по сравнению с перечисленными выше компонентами.

Своевременная и квалифицированная регулировка работы двигателей внутреннего сгорания с помощью автомобильных газоанализаторов позволяет значительно уменьшить содержание вышеперечисленных вредных веществ в отработанных газах автомобилей.

Пути снижения вредных автомобильных выбросов

В общем случае сокращения объёма вредных выбросов в выхлопных газах автомобилей можно достичь:

применением альтернативных видов топлива;
установкой каталитических нейтрализаторов в системы выпуска автомобилей;
поддержанием на допустимом уровне содержания токсичных веществ в отработавших газах двигателей за счет оптимизации контроля и настроек систем, влияющих на количественную и качественную составляющую вредных выбросов;
применением гибридных конструкций автомобилей;
правильной организацией дорожного движения.

В большой степени на содержание токсичных примесей в выхлопных газах влияет техническое состояние и регулировка систем питания и зажигания двигателей внутреннего сгорания. При неправильной регулировке вредные выбросы бензиновых двигателей могут увеличиться в 2, а дизельных - в 20 раз.

Читайте также: