Рис. 76.
Нетоксичные элементы выхлопных газов: азот (N), кислород (О₂), двуокись углерода (СО₂) и вода (Н₂О). Азот, составляющий 70% окружающего нас воздуха, поступает в камеру сгорания и проходит без преобразования через весь процесс горения топлива. Кислород содержится в выхлопных газах, поскольку не весь кислород воздуха расходуется на процесс горения из-за слишком обедненной топливовоздушной смеси и недостаточного перемешивания смеси в камере сгорания. Двуокись углерода и вода - конечные продукты сгорания гидрокарбонов в присутствии кислорода. Токсичные элементы выхлопных газов: моноокись углерода (СО), несгоревшие гидрокарбоны (НС), оксиды азота (NOX), свинец (Pb) и его соединения, диоксиды серы (SO₂), твердые частицы (сажа). Соединения свинца вводятся в бензин в качестве антидетонационной присадки.
Кроме того, осаждение свинца на впускных и выпускных клапанах снижает степень износа клапанов. Диоксиды серы образуются в процессе сгорания топлива, поскольку топливо содержит незначительное количество серы (менее 0,1%). Из-за низкой концентрации серы в топливе выделение диоксидов серы в атмосферу незначительно. Сажа образуется в процессе сгорания топлива только в случае значительного недостатка кислорода. При правильной регулировке топливной аппаратуры и моментов зажигания смеси образование сажи практически исключается.
Ниже приводится описание влияния условий сгорания смеси на формирование пяти основных составляющих выхлопных газов: моноокиси углерода (СО), диоксида углерода (СО₂), несгоревших гидрокарбонов (НС), оксидов азота (NOX) и кислорода, поскольку содержание этих составляющих имеет четкую зависимость от условий сгорания топлива и используется для управления работой двигателя а также для анализа состояния элементов и систем двигателя.
Соотношение концентраций пяти основных примесей в выхлопных газах в значительной степени зависит от состояния двигателя и качества процесса сгорания, зависящего, в свою очередь, от условий приготовления смеси, настройки системы зажигания, состояния двигателя и условий его работы. В данном разделе рассматриваются условия сгорания смеси в системах без специальных устройств снижения концентрации вредных примесей. Принципы организации систем управления концентрацией примесей в выхлопных газах будут рассмотрены отдельно.
Для полного сгорания 1 кг топлива требуется в среднем 14,7 кг воздуха. Это соотношение называется стехиометрическим и характеризуется показателем избытка воздуха X, условно принятым для данного соотношения равным 1. Этот показатель является непосредственным индикатором обогащения или обеднения смеси. Например, если Х=0,8, то данная смесь имеет соотношение воздуха и топлива (0,8х14,7):1 = 11,76:1, т.е. обогащенная смесь. Если Х=1,25, то данная смесь имеет соотношение воздуха и топлива (1,25x14,7):1 = 18,4:1, т.е. обедненная смесь. На рис. 77 показана зависимость концентрации основных интересующих нас примесей в выхлопных газах а также крутящего момента (М) и расхода топлива (b) от величины коэффициента избытка воздуха в топливо-воздушной смеси. Из рисунка видно, что изменение коэффициента избытка воздуха в достаточно узком диапазоне вызывает резкое изменение всех вышеперечисленных показателей.
Рис. 77.
МОНООКИСЬ УГЛЕРОДА формируется в процессе сгорания топлива, поскольку полное окисление углерода невозможно из-за недостатка кислорода. Поскольку концентрация моноокиси углерода является функцией соотношения топлива и воздуха, она является основным элементом выхлопных газов для получения информации, используемой для регулировки состава смеси. Наибольшая концентрация моноокиси углерода - в цилиндре двигателя при сгорании топлива. В атмосфере моноокись углерода очень быстро окисляется с образованием нетоксичной двуокиси углерода. Минимальная концентрация моноокиси углерода соответствует коэффициенту избытка воздуха выше 1,1. Дальнейшее обеднение смеси практически не влияет на содержание моноокиси углерода. Двигатель в этом диапазоне работает с некоторым избытком воздуха.
Непременным условием нормальной работы двигателя на таких смесях является четкая работа системы зажигания, поскольку при частичном обогащении или обеднении смеси для ее воспламенения требуется примерно в 15 раз большая энергия, чем при стехиометрическом составе смеси. Для современных двигателей приемлемым уровнем работы является состав смеси с коэффициентом избытка воздуха не более 1,25. Воспламенение более обедненной смеси невозможно без специальных технических решений. В области обогащенных смесей (при коэффициенте избытка воздуха менее 1) концентрация моноокиси углерода почти линейно увеличивается в зависимости от соотношения топлива и воздуха. Современные ограничения на концентрацию вредных примесей в выхлопных газах привели к ограничению диапазона состава топливовоздушной смеси до узкой области вблизи коэффициента избытка воздуха, равного 1, поскольку этот диапазон дает наилучшие результаты по содержанию токсичных примесей. Выделение моноокиси углерода существенно снижается при точной настройке системы зажигания и системы приготовления смеси. Современные двигатели должны обеспечивать (и обеспечивают) концентрацию моноокиси углерода в диапазоне 0,5-1,5%. Более высокая концентрация свидетельствует о значительном обогащении смеси, вызванном неправильной регулировкой карбюратора или сбоем в работе системы впрыска топлива.
Примеры причин чрезмерного обогащения смеси: неправильная установка уровня топлива в поплавковой камере карбюратора, неисправность ускорительного насоса, неправильная регулировка частоты вращения коленчатого вала двигателя в режиме холостого хода, засорение воздушного фильтра, неплотность посадки головки блока цилиндров, неисправность катализатора (если измерения до и после катализатора дают высокое значение концентрации), избыточное давление топлива в системе, засорение топливного фильтра, неисправность элементов системы принудительной вентиляции картера двигателя, сбои в действии механизма управления составом смеси при прогреве двигателя.
Концентрация НЕСГОРЕВШИХ ГИДРОКАРБОНОВ (НС) снижается до минимума при работе на смесях с коэффициентом избытка воздуха в диапазоне от 1,1 до 1,2. Обогащение смеси ведет к увеличению концентрации из-за неполного сгорания топлива. При обеднении смеси концентрация несгоревших гидрокарбонов также повышается. Причины этого явления: понижение температуры во впускном коллекторе и в камере сгорания, неравномерное распределение топливо-воздушной смеси по цилиндру, преждевременное гашение горящей смеси на холодных стенках цилиндра, задержка процесса горения (более медленное сгорание) обедненной смеси.
При увеличении нагрузки температура в камере сгорания повышается и происходит снижение концентрации несгоревших углекарбонов. На стадии эмиссии выхлопных газов за счет вторичной реакции концентрация несгоревших гидрокарбонов также снижается. Причины повышения концентрации несгоревших гидро-карбонов при работе двигателя: нарушение установки моментов зажигания, загрязнение электродов свечей зажигания, нарушения в высоковольтных проводах, пропуск искро-образования, утечки по впускному коллектору, слабая компрессия в цилиндрах двигателя, неисправность инжекторов, неполное сгорание смеси из-за сильного обеднения смеси (вялое горение), утечки по креплению карбюратора, инжекторов, впускным и выпускным клапанам, неисправность катализатора (измерения до и после катализатора дают высокую концентрацию).
ОКСИДЫ АЗОТА (NOJ непосредственно в процессе сгорания топлива не образуются. Совершенно безобидный азот, не вступающий при нормальных условиях в реакцию с кислородом, в условиях воздействия высокой температуры и высокого давления в процессе сгорания топлива образует моноокись азота (NO). После выхода из выхлопной системы моноокись азота вступает в реакцию с кислородом воздуха с образованием нестойкого диоксида азота (NOj), а затем - устойчивых соединений с разным содержанием элементов в молекуле и поэтому обозначаемых как (NOX). При высоких концентрациях оксиды азота вызывают раздражение органов дыхания, а при длительном вдыхании наступает необратимое разрушение легочной ткани. Внешние признаки наличия в атмосфере высокой концентрации оксидов азота проявляется в образовании смога.
Концентрационная зависимость от состава смеси противоположна зависимости для несгоревших гидрокарбонов. Максимальная концентрация при коэффициенте избытка воздуха, близком к 1,1 (см.рис. 77). Обеднение смеси освобождает кислород, вступающий в реакцию с азотом при высоких температуре и давлении в камере сгорания. В основном формируются на жестких режимах работы двигателя, поэтому измерение в режиме холостого хода практически не дает объективной информации. При работе на смесях с высокой степенью обеднения концентрация оксидов азота падает, поскольку при этом снижается температура в камере сгорания. Увеличение угла опережения зажигания приводит к росту концентрации оксидов азота, поскольку при этом повышается температура в камере сгорания. К повышению концентрации оксидов приводят также неисправности в системе рециркуляции выхлопных газов и в системе управления двигателем.
ДВУОКИСЬ УГЛЕРОДА (СО2) -нетоксичный элемент. Максимальная концентрация - при стехиометрическом составе смеси. Можно использовать как показатель полноты сгорания смеси. При низкой концентрации токсичных элементов низкая концентрация двуокиси углерода свидетельствует об утечке в выхлопной системе двигателя. К высокой концентрации приводят также неполное сгорание смеси и неисправность датчика кислорода.
Наличие КИСЛОРОДА в выхлопных газах объясняется избытком воздуха в топливо-воздушной смеси. Концентрация кислорода резко возрастает при переходе на смеси с показателем избытка воздуха выше 1. Хороший показатель перехода к обедненным смесям, наличия утечки в коллекторе и выхлопной системе и плохого процесса сгорания топлива. Повышенное содержание кислорода объясняется чаще всего отклонением состава смеси от предварительно заданного.