Отработавшие газы: пять основных составляющих

В данной статье мы рассмотрим пять наиболее важных веществ, входящих в состав отработавших газов, содержание которых можно измерять современными приборами, а также двух, которые невозможно измерить. Вы увидите, какое влияние оказывают они друг на друга, на окружающую среду и общие выбросы газов из двигателя.

Перед началом любых проверок следует прежде всего проверить точность вашего газоанализатора одним из следующих способов:

1. Произвести процедуру калибровки, описанную в инструкции по эксплуатации вашего газоанализатора.

2. Выполнить следующее:

  • подогреть газоанализатор в течение по крайней мере 20 минут. После этого при проверке свежего атмосферного воздуха он должен показывать не менее 20% кислорода (О2);
  • подсоединить калибровочную емкость с газом к патрубку, используя надежный и герметичный шланг;
  • пустить поток калибровочного газа при низком давлении;
  • считать показания прибора. Содержание CO, CO2 и HC должно находиться в пределах значений, указанных в спецификации на емкости с газом. Содержание кислорода должно быть равно нулю, поскольку его в калибровочном газе нет.

Ускоренная процедура калибровки (выполняется при частом ежедневном пользовании газоанализатором):

  1. подсоединить зонд газоанализатора к выхлопной трубе,
  2. запустить двигатель и прогреть его до рабочей температуры,
  3. считать показания прибора и сложить полученные значения содержания CO, CO2 и O2. Сумма должна находиться в пределах 15-16%, в то время как содержание HC должно быть нормальным (менее 100 ppm). Имейте в виду, что значения могут уменьшаться с увеличением высоты над уровнем моря.

Примечание. Перед любым измерением состава отработавших газов обязательно отключите систему дополнительной подачи воздуха (турбокомпрессор и т.п.), если она есть на автомобиле, и проверьте систему выпуска на отсутствие утечек отработавших газов (последнее важно, поскольку влияет на содержание кислорода в отработавших газах). Кроме того, регулярно проводите калибровку газоанализатора и своевременно заменяйте его фильтры.

А теперь рассмотрим то, что поступает в двигатель при его работе. Это позволит нам затем изучить все семь газов, составляющие выхлоп, и увидеть связь между ними.

ЧТО ПОСТУПАЕТ В ДВИГАТЕЛЬ?

Смесь, поступающая в двигатель при его работе, состоит из воздуха и топлива. Атмосферный воздух — это приблизительно 79% азота, 20% кислорода и 1% прочих газов. Топливо состоит из углеводородов — длинных цепочек из атомов углерода и водорода.

Теплота, возникающая при сжатии топливно-воздушной смеси в цилиндре и зажигании искры, приводит к окислению (сгоранию) углеводородов. Водород вступает в реакцию с кислородом воздуха и превращается в воду (H2O). Углерод же, соединяясь с кислородом, превращается в углекислый газ (CO2). В идеальном двигателе внутреннего сгорания отработавшие газы должны состоять именно из этих двух веществ — воды и углекислого газа. Азот должен, по идее, проходить через двигатель без изменений.

Но идеального двигателя в природе не существует. Некоторые углеводороды не сгорают в двигателе. Некоторые из них начинают окисляться, но до полного сгорания им не хватает кислорода. Результатом являются вредные выбросы в окружающую среду. Из-за высоких температур, возникающих при сгорании топливно-воздушной смеси, окисляется даже обычно «тугой на раскачку» азот, образуя семейство оксидов NOx.

Состав горючей смеси, системы управления выпуском отработавших газов, катализаторы и конструкция самих камер сгорания — все это помогает уменьшить вредные выбросы в современных двигателях.

МОНОКСИД УГЛЕРОДА (СO)

Моноксид углерода, называемый также угарным газом, образуется из-за богатой горючей смеси и соответствующей формы камеры сгорания.

В богатой топливно-воздушной смеси больше топлива, чем кислорода. В результате возникает избыток углерода, который получает недостаточно кислорода для полного окисления. Надо сказать, что СО образуется даже при оптимальной горючей смеси, правда, в небольших количествах.

Конструкция камеры сгорания также влияет на образование моноксида углерода, и вот почему. Для полного окисления СО (т.е. превращения его в углекислый газ) требуются две вещи. Во-первых, должно быть достаточно собственно окислителя, т.е. кислорода. Во-вторых, нужно дать возможность этому кислороду наиболее полно войти в контакт с СО. Вот где играет свою роль форма камеры сгорания. Чем совершеннее эта форма, тем меньше образуется угарного газа. Таким образом, оптимальная горючая смесь сама по себе еще не гарантирует оптимального количества СО в отработавших газах.

На содержание СО влияют также и некоторые другие факторы. Но наибольшее воздействие оказывает все же конструкция камеры сгорания. Углерод, откладываясь на поверхности камеры (в виде сажи), на впускных клапанах и впускном коллекторе, также влияет на образование моноксида углерода, так как ограничивает поступление кислорода в цилиндр.

Повышенное содержание СО в отработавших газах является хорошим индикатором богатой смеси. Как только пропорция смеси начинает превышать 14,7:1, уровень СО быстро растет. Тем не менее низкий показатель содержания угарного газа еще не говорит о бедной смеси. При пропорции 14,7:1 уровень СО падает достаточно сильно и при дальнейшем обеднении смеси продолжает оставаться на низком уровне.

В заключение отметим, что моноксид углерода, в отличие от своего относительно «безобидного» «собрата» — углекислого газа СО2, — высокотоксичен. Попадание в дыхательные пути даже небольшого количество этого газа, не имеющего ни цвета, ни запаха, вызывает головокружение, головную боль и даже может привести к смерти. Поэтому ни в коем случае нельзя находиться в помещении с работающим двигателем.

ДИОКСИД УГЛЕРОДА (CO2)

Диоксид углерода, который гораздо больше известен как углекислый газ (или углекислота), является продуктом полного окисления углерода. Его содержание в отработавших газах — хороший индикатор эффективности сгорания. Чем выше содержание СО2, тем выше эффективность. При повышении содержания СО2 уменьшается содержание СО в отработавших газах. Самое большое содержание углекислого газа возникает при слегка обогащенной горючей смеси. В окружающем воздухе содержится примерно 0,1% CO2.

Практически весь диоксид углерода, содержание которого можно измерить у выхлопной трубы автомобиля, является результатом окисления СО и НС. Углекислый газ, не будучи вредной составляющей отработавших газов, является веществом, которое нужно растениям для жизни.

Результат измерения содержания СО2 с частичной пробой потока тем лучше, чем выше показания. Но при измерении в граммах на километр пробега более высокий показатель говорит о более высоком потреблении топлива, т.е. чем выше это число, тем больше топлива сжигается в цилиндрах.

КИСЛОРОД (O2)

Атмосферный воздух на 20% состоит из кислорода, и этот кислород попадает в цилиндры двигателя при его работе. В идеальных условиях весь этот кислород должен быть использован для окисления угарного газа СО и углеводородов НС в воду H2O и углекислый газ CO2.

По содержанию О2 можно определить бедную топливно-воздушную смесь: когда ее пропорции становятся ниже 14,7:1, уровень кислорода в отработавших газах резко возрастает. Но, несмотря на это, низкий показатель О2 не говорит о богатой смеси. Несмотря на то что уже при пропорции 14,7:1 содержание кислорода резко падает, при дальнейшем ее обогащении оно остается низким.

УГЛЕВОДОРОДЫ (HC)

Углеводороды представляют собой длинные цепочки атомов углерода и водорода, соединенные между собой. Углеводороды в отработавших газах — это несгоревшее топливо. Топливо может сгорать не полностью по многим причинам. Например, потому, что оно не полностью контактирует с необходимым для сгорания кислородом. Если вы поднесете горящую спичку к открытой емкости с бензином, загорится только его поверхность, а не весь бензин сразу (не пытайтесь проверить это самостоятельно, не имея опыта!). Неполадки в системе зажигания, механические повреждения двигателя и даже обычный нагар — все это влияет на воспламеняемость топлива. Кроме того, имеет значение форма камеры сгорания. Топливо, попавшее в цилиндр, останавливается поршневыми кольцами, поршнем и стенками цилиндра. Отложения нагара впитывают в себя топливо, предотвращая его воспламенение. И при выхлопе несгоревшее топливо выбрасывается вместе с отработавшими газами.

ОКСИДЫ АЗОТА (NOx)

Как уже говорилось выше, в идеальных условиях азот, содержащийся в атмосферном воздухе, должен проходить через двигатель без изменений. Но на самом деле этого не происходит. Азот составляет 79% воздуха, поступающего в двигатель. Высокая температура, образующаяся при сгорании горючей смеси, приводит к реакции между азотом и кислородом, в результате которой и образуются оксиды NOx. Под загадочной буквой «х» «скрываются» два оксида: моноксид азота NO (примерно 90%) и диоксид азота NO2 (остальное). Причиной образования оксидов азота являются: плохая работа системы рециркуляции отработавших газов (если она вообще есть на автомобиле), слишком большой угол опережения зажигания, чрезмерная компрессия в цилиндрах, неполадки в системе охлаждения, отложения нагара и бедная топливно-воздушная смесь.

АММИАК (NH3)

Несмотря на то что аммиак не входит в число газов, содержание которых можно измерить газоанализатором, с ним приходится считаться. Аммиак образуется в цилиндрах при высоких температурах и слегка обогащенной горючей смеси, в которой больше топлива (в частности углерода), чем кислорода. Углерод-то как раз и вступает в реакцию с азотом, вместо того чтобы окисляться кислородом до уже известных нам NOx. В автомобилях с катализатором отработавших газов NH3 окисляется до NOx и H2O: азот превращается в NOx, а водород — в воду. Трехкомпонентные катализаторы могут значительно уменьшить выбросы NOx, в то время как двухкомпонентные плохо справляются с этой задачей. На первой ступени последних аммиак превращается в оксиды азота, а вторая может лишь окислять. Но в любом случае, для того чтобы катализатор мог работать эффективно, отработавшие газы должны иметь подходящий состав.

ВОДА (H2O)

Вода — еще один продукт полного сгорания углеводородов. Как и углекислый газ, она не является вредным выбросом. Тем не менее каждый литр сжигаемого топлива приблизительно равен литру воды, выходящей из выхлопной трубы. Да, мы до сих пор переводим все наши допотопные виды топлива просто в воду, но одновременно с тем рубим деревья и уничтожаем другие растения, которым эта вода нужна. Чего же удивляться, что ныне так часты наводнения?

БАЛАНС CO/O2

При горючей смеси, имеющей оптимальный состав (так называемой стехиометрической), в отработавших газах образуется одинаковое количество CO и O2. В старых машинах может быть 1% CO и 1% O2, а в более новых — 0,2% CO и 0,2% O2. Эти значения также зависят от числа оборотов коленчатого вала (с увеличением оборотов содержание указанных газов уменьшается).

Основное различие между автомобилями с точки зрения выбросов состоит в эффективности их камер сгорания. Чем эффективнее происходит сгорание, тем больше окисляется угарного газа.

Кстати, правильный баланс CO/O2 говорит о том, что содержание углеводородов также нормальное. Излишек HC приводит к смещению баланса CO/O2. Поэтому, если уровень HC высок, прежде всего приведите в норму его.

Подготовил Леонид ПОЛОЖЕВЕЦ

АВТОБИЗНЕС-Weekly

Метки: CO2 NOx Диоксид углерода Моноксид углерода Состав горючей смеси состав отработавших газов Турбокомпрессор Углекислый газ

Похожие

Яндекс.Метрика