Приборы газового анализа выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания

Газовый анализ - это процесс установления качественного и количественного состава газовых смесей. Прибор для проведения газового анализа называется газоанализатором. Газоанализаторы бывают разными, и в сознании автомобилистов, прочно ассоциируются с определением токсичности выхлопных газов автомобиля.

Для этих целей газоанализаторы способны решать широкий диапазон задач по исследованию состояния двигателя и его систем. И, хотя контроль токсичности остается одной из основных функций газоанализатора, его диагностические способности настолько широки, что многие автосервисы используют газоанализаторы, как базовый инструмент диагностики.

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания, по сути, является преобразователем химической энергии топлива (бензина). Таким образом, он потребляя топливо и окислитель (кислород, из воздуха) в результате реакции горения (быстрого окисления) топлива, протекающей в камере сгорания,преобразует химическую энергию в механическую (вращение коленвала).

Однако, в результате горения образуются побочные химические продукты. Некоторые из них являются нейтральными по отношению к окружающей среде (кислород О², углекислый газ СО₂, пары воды Н2О), а некоторые - вредными (оксид углерода СО, углеводороды CН, различные оксиды азота NО_Х).

Эффективность работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в первую очередь зависит от полноты сгорания топлива, которая, в свою очередь, зависит от многих факторов:

- от оптимальности соотношения топлива и окислителя (за это отвечают системы дозирования и расхода топлива и воздуха, «система впуска»);

- от тщательности перемешивания топливной смеси (зависит от состояния форсунок, конструкции впускного коллектора и камеры сгорания);

- от эффективности предварительного сжатия топливного заряда (определяется состоянием ЦПГ и ГРМ);

- от эффективности воспламенения (зависит от исправности всех элементов системы зажигания).

Малейшее отклонение от нормы или неправильность работы одной из систем двигателя приводит к понижению его эффективности и, вследствие чего изменяется концентрация побочных продуктов сгорания топлива, что сказывается на составе «выхлопа». Т.е. состав отработанных газов – это обобщенный параметр, своего рода индикатор, с помощью которого можно сделать вывод об эффективности работы двигателя, правильности и слаженности работы всех компонентов его основных систем: механической, системы зажигания, газораспределения и отведения газов.

Таким образом, становится понятно, чем обусловлено применение газоанализаторов для диагностики автомобилей.

Немножко истории

В конце 60-х годов в США был принят первый закон, который предусматривал контроль за токсичностью выхлопных газов автомобилей. Однако, газовый анализ применяли для исследования процессов в двигателях задолго до этого. Американцы были первопроходцами в борьбе за экологически чистый транспорт.

Первые газоанализаторы, которые применялись для регулировки двигателей, были однокомпонентными, то есть из целого ряда побочных продуктов сгорания топлива могли замерить только концентрацию СО.

Анализ СО позволял судить о соотношении пропорций в топливо-воздушной смеси, а значит, мог помочь в настройке карбюратора. Первые автомобильные газоанализаторы использовали эффект изменения электропроводности платиновой спирали в газовой среде оксида углерода.

К 70-м годам XX века, во времена, когда вредными выбросам автотранспорта, стало уделяться много внимания, благодаря достижениям науки и техники были созданы более современные, качественные двухкомпонентные газоанализаторы, которые дополнительно могли определять концентрацию еще одного вредоносного продукта сгорания - CН (не сгоревшие частицы углеводородов, входящие в состав топлива). Интересным является то, что содержание углеводорода (СH), а также оксида азота (NO_X) определяют в PPM - количестве частиц на миллион, а не в процентах, как все остальные газообразные компоненты. Кроме того, в те времена стал применяться другой, более точный метод определения концентрации, так называемое спектрометрирование выхлопных газов в инфракрасном диапазоне. В современных газоанализаторах до сих пор применяется данный принцип.

Дальнейшее совершенствование газоанализаторов происходило в результате постоянно ужесточавшегося контроля токсичности, а также повышения требований к прибору, как к диагностическому инструменту. Так, в результате модернизаций, появились трехкомпонентные газоанализаторы, которые позволяли дополнительно измерять концентрацию диоксида углерода СО₂. Это безопасный с точки зрения экологии газ без цвета и запаха - натуральный продукт сгорания углеводородов. Информация о концентрации СО₂ с точки зрения определения вредности выбросов в атмосферу не представляет ценности. Однако, такая информация полезна для диагноста, поскольку позволяет судить о полноте сгорания топлива даже в случае, если автомобиль оборудован нейтрализатором выхлопных газов.

Стоит отметить, что немалый импульс развитию приборов газового анализа дала повсеместная установка в выхлопной системе автомобилей каталитического нейтрализатора. Двухкомпонентные газоанализаторы, в изменившихся условиях оказались малоэффективными, поскольку не давали необходимого объема объективной информации о работе двигателя, ведь каталитические нейтрализаторы уменьшали концентрацию именно измеряемых ими параметров - СО и СН.

Современные четырехкомпонентные автомобильные газоанализаторы способны измерять концентрацию СО₂, СО, СН и О₂. При этом, замеры содержания первых трех компонентов выполняются при помощи спектрометрического метода, а концентрация кислорода определяется электрохимическим датчиком. В более сложных, пятикомпонентных приборах. реализована возможность определения содержания оксидов азота (NO_X).

Современные приборы позволяют расчетным путем определять исходный состав топливной смеси даже для двигателей, выхлопная система которых оборудована катализатором. Кроме того, совокупный анализ всех перечисленных параметров позволяет лучше понимать характер процессов, которые происходят в двигателе.

Современные приборы могут иметь стационарное и переносное исполнение, при этом встречаются модели с сетевым питанием, питанием от 12-вольтного автомобильного аккумулятора или комбинированным питанием. Таким образом, существует возможность выполнять замеры состава газов даже в движении автомобиля.

Удобство эксплуатации определяет, также, способ питания устройства. Например, комбинированное питание (сетевое и от 12-вольтового автомобильного аккумулятора) позволяет использовать газоанализатор в различных условиях. Например, при небольших габаритах газоанализатора появляется возможность измерять состав газов при движении автомобиля. Расшифровка записи изменения состава отработанных газов в различных режимах движения автомобиля дает абсолютно другую по качеству информацию для анализа и позволяет прояснить некоторые тонкости рабочих процессов двигателя, которые невозможно выяснить при стационарных испытаниях в боксе в без нагрузки.

Существуют, также, такие вспомогательные устройства, как: встроенный принтер, применяемый для распечатки результатов измерений, порт для подключения и совместной работы с ПК, дополнительные датчики, которые позволяют измерять частоту вращения двигателя и температуру масла.

Не лишними будут, также, наглядные индикаторы, удобные переключатели режимов и автоматизированные режимы подогрева, удаления конденсата, установки «нуля».

В России самыми известными и популярными газоанализаторами, применяемыми для контроля газов ДВС в автосервисах являются приборы серии «ГИАМ-29М» и «ИНФРАКАР-М».

1) «ГИАМ-29М» - это серия переносных автомобильных газоанализаторов, которые предназначаются для измерения содержания: оксида углерода (СО), диоксида углерода (СО₂), суммы углеводородов (СН), оксидов азота (NО), кислорода (О₂) в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания. ГИАМ-29М имеет несколько исполнений, которые отличаются по количеству контролируемых газов, и главное, предназначаются для разных двигателей.

Так, например, «ГИАМ-29М-1 (-2)» предназначается для измерения содержания газов, перечисленных выше, за исключением оксидов азота (NO_X), в выхлопных газах карбюраторных двигателей, а также их настройки. Данные приборы имеют возможность измерения температуры масла, а также количества оборотов коленчатого вала бензиновых ДВС с принудительным воспламенением топлива.

«ГИАМ-29М-3 (-4)» - это переносной газоанализатор контроля отходящих газов судовых силовых установок ДВС. Данный прибор предназначается, помимо основных функций ГИАМ-29М-1 (-2), для вычисления суммарного объемного содержания оксидов азота (NOх), а также расчета коэффициента избытка воздуха по объему.

Измерение СО₂, СО, СН проводится по оптико-абсорбционному принципу, а О₂ и NOх по электрохимическому. Благодаря встроенному насосу, имеют принудительный забор пробы.

Газоанализаторы серии «ГИАМ-29» оснащаются цифровыми выходами RS-232 и USB, имеют возможность проведения измерения при отрицательных температурах, благодаря внутреннему подогреву, оборудованы дисплеем, на который выводятся результаты измерений, имеют степень защиты IP54 для ГИАМ-29М-1 (-2) и IP42 для ГИАМ-29М-3 (-4).

Оба прибора имеют небольшие размер и вес, а также два источника питания от сети переменного тока 220В и бортовой сети в 12В, благодаря чему могут с легкостью применяться в полевых условиях.

2) «Инфракар-М» - это серия переносных автомобильных газоанализаторов, которые предназначаются для измерения обьемной доли оксида углерода (СО), диоксида углерода (СО₂), углеводородов (CН) (в пересчете на гексан), кислорода (О₂) в выхлопных газах автомобилей с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания.

Во всех газоанализаторах серии «Инфракар-М» реализована возможность измерения частоты вращения коленчатого вала, а для исполнения «Т» ещё и возможность измерения температуры масла. На основании результатов измерений газоанализатор рассчитывает коэффициент избытка воздуха Лямбда.

Газоанализаторы «Инфракар-М» выпускаются в исполнениях для двух классов точности и имеют следующие характеристики:

Каждое из основных исполнений «Инфракар М» имеет 2 дополнительных исполнения, в зависимости от комплекта поставки:

-исполнение 01- без принтера,
-исполнение 02- со встроенным принтером.

Таким образом конечное обозначение самого популярного газоанализатора данной серии будет звучать, как «Инфракар-М-1.01», а самого дорогого «Инфракар-М-2Т.02».

Автомобильные газоанализаторы серии «Инфракар М» имеют небольшие габаритные размеры и два типа питания (от сети переменного тока 220В и от бортовой сети в 12В), что позволяет использовать их в полевых условиях. «Инфракар М» имеет большие цифровые светодиодные дисплеи на каждый вид газа с высотой цифр 14мм, может подключаться к ПК по RS-232, имеет малую инерционность, и возможность подстройки чувствительности тахометра. Серия газоанализаторов «Инфракар М» может вычислять параметры Лямбда для продуктов сгорания бензина, пропана или природного газа.