Газоанализ и диагностика.    

©Алексей Пахомов, (aka Is_18) Ижевск 17.08.2005

     Современный диагностический участок немыслим без газоанализатора. К сожалению, даже среди профессионалов автосервиса бытует мнение, что этот прибор необходим для регулировки СО перед техосмотром или в угоду "зеленым". Это не так. Можно с уверенностью утверждать, что газоанализатор - один из основных инструментов диагноста. 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.  

    Бесспорно, на современном диагностическом участке необходим только четырехкомпонентный газоанализатор с расчетом параметра лямбда. Двухкомпонентные приборы пригодны только для регулировки карбюраторов. Какую фирму-производителя предпочесть - зависит в основном от финансовых возможностей автосервиса и большой роли не играет.

   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 при смеси, близкой к стехиометрической, выглядит так:

  Значения параметров на фото 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 конкретном двигателе (а каждый двигатель по большому счету - индивидуальность), тем больше СО2 в составе ОГ, и это один из критериев, которыми можно воспользоваться при регулировке топливоподачи.

  Как же извлечь из данных газоанализа необходимую информацию? Прежде всего, газоанализатор не укажет на неисправный датчик, 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. Причины такого дефекта применительно к инжекторным двигателям - подсос воздуха во впускной тракт, низкое давление топлива, неверные показания ДМРВ, неверная регулировка топливоподачи. Искать конкретную причину необходимо уже с помощью других приборов. Бедную смесь нельзя путать со следующим дефектом.

  Негерметичность выхлопной системы. 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 очень 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. Добавлю еще, что подобный дефект с помощью двухкомпонентного газоанализатора обнаружить попросту невозможно.

  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 ДТОЖ, а также бензин в масле, статью о котором следует читать вместе с этой, чтобы сложилось полное понимание происходящего. 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 вспышек. Не "пропуски искры", как иногда выражаются, а именно вспышек. А вот причин этих пропусков много. Изношенные или неисправные свечи, высоковольтные провода, дефектный модуль зажигания, не отрегулированные клапаны, пониженная компрессия, неисправная (забитая) форсунка. Причем все это - 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. На фото 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 богатая смесь не имеет места. Высокое содержание кислорода вкупе с высоким же СН позволяет сделать предположение о пропусках. Откуда кислород? Да из тех же цилиндров, которые при пропусках просто выплевывают атмосферный воздух, смешанный с бензином. СО2 понижено, что тоже говорит о ненормальном сгорании. Ну и лямбда - прибор рассчитывает ее, исходя в том числе и из содержания кислорода. Именно пропуски вспышек и наблюдались на данном двигателе, и они хорошо слышны у среза выхлопной трубы.

  Датчик кислорода. То, что автомобиль оснащен ДК и катализатором, не избавляет, как ни странно, от применения газоанализатора. Полноценная диагностика включает в себя проверку правильного функционирования системы управления двигателем, даже если последняя не предоставляет возможности что-то отрегулировать. Итак, Евро2. Вставляем зонд прибора в трубу, ждем. Если все в порядке, то будет что-то похожее:

    Что мы видим? Видим, что катализатор свое дело знает, полноценно "дожигает" ОГ до гораздо более безобидного состояния. СО - ниже 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. Здесь мы не увидим оксидов азота, но нужно знать, что в катализаторе эти оксиды, весьма вредные для здоровья и окружающей среды, восстанавливаются до чистого азота и уже не портят экологическую обстановку.

  Но можно столкнуться с совсем другой картиной. ДК работает, напряжение на нем весело скачет, а на состав ОГ страшно смотреть. Очень богатая смесь, и катализатор уже не в состоянии с ней справиться. Чтобы понять причину этого явления, надо вспомнить, как работает датчик кислорода. Он отнюдь не измеряет, он сравнивает содержание кислорода в ОГ с содержанием его же в атмосферном воздухе. Для этого датчику необходим приток воздуха, который, кстати, осуществляется по проводам ДК. Если этот приток по какой-либо причине затруднен, ДК начинает выдавать сигнал, неадекватный содержанию кислорода в ОГ. При этом датчик работает, ЭБУ корректирует топливоподачу по его сигналу, но смесь будет богатой.  Причиной этого, довольно редкого, надо сказать, явления, бывают перекрученные провода ДК, вода в разъеме или неумелая обработка антикором.

  Приведу еще пример. На фото ниже показан состав ОГ двигателя с полностью неработающей форсункой (бывает и такое). Полная дисгармония, огромное содержание кислорода и отсюда запредельная лямбда.

    Вообще работа диагноста - во многом творчество. Чаще всего 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. А теперь рассмотрим еще один интересный вопрос.

    Анализ работы катализатора.  

   Часто возникают вопросы о том, как влияет катализатор на состав ОГ, как отрегулировать топливоподачу, если в ЭБУ вместо прошивки Евро2 "заливают" прошивку с поддержкой RСО, не удаляя при этом катализатор. С целью внесения ясности в этот вопрос и раз и навсегда поставить точку мной был проведен следующий эксперимент.

  Автомобиль - ВАЗ 2112. ЭБУ - VS5.1

Прошивка - V5D07X09, коммерческая, с поддержкой RСО.

  1.Катализатор присутствует. Сняты показания СО, СО2, О2, СН и лямбда в диапазоне регулировочного коэффициента от -0.250 до +0.250.

  2. Вместо катализатора установлена труба-вставка, и измерения проведены повторно.

  Результаты отображены на графиках. Сплошная линия соответствует замеру с катализатором, прерывистая - без оного. Графики строились вручную, с некоторой интерполяцией. Отмечу еще один нюанс - по какой-то причине прибор наврал мне значения СО2, может, просто не выдержал столь долгой работы :) Пиковое значение без катализатора должно быть на уровне 14...14.5%, с катализатором - 16%. За пять минут до измерений он совершенно честно показал почти 16% (на фото 4), а в ходе непрерывных измерений на том же моторе до шестнадцати процентов не дотянул. С этой оговоркой можно обратить внимание на полученные результаты (рис.1) и проанализировать их.

   Итак, что мы видим?

  1. Первое, что бросается в глаза, - значение лямбда в обоих случаях практически совпало. На обогащенных смесях точки просто образовали одну линию, на обедненных - расхождение на уровне погрешности измерения. И лишь на самых бедных смесях разница заметна, но, вероятно, в том диапазоне просто невозможно корректное вычисление лямбда. Вывод: независимо от наличия или отсутствия катализатора, рассчитанный параметр лямбда остается одним и тем же. По-другому и быть не могло, ведь лямбда характеризует только работу двигателя, а никак не катализатора.

  2. Очень любопытно ведет себя СН. Без ката - ну просто классика, как на картинках в учебниках. С катом интереснее. Он сильно влияет при бедной смеси. Около стехиометрии наблюдается характерная впадина. Именно в этом диапазоне и работает катализатор. Причем при RСО=0.05..0.06 происходит очень резкий скачок СН, и далее он почти сравнивается со значением, полученным без ката. Лучше, как говорится, один раз увидеть такую картину, чтобы многое понять.

  3. Графики содержания кислорода очень похожи. Естественно, при работе катализатора кислород расходуется, и это заметно при их сравнении.

  4. То же самое можно сказать и о графиках СО. Совершенно четко прослеживается диапазон в районе стехиометрии, где эффективность работы катализатора максимальна, и графики соответственно максимально разнятся.

  5. Графики СО2 тоже имеют академический вид. Значение этого параметра выше с катализатором. Объясняется это тем, что последний превращает в СО2 содержащиеся в ОГ пары бензина и угарный газ. При отклонении от стехиометрии как в сторону обеднения, так и в сторону обогащения смеси, количество СО2 уменьшается.

  Часто возникает закономерный вопрос: нужно ли удалять катализатор, если в ЭБУ установлена тюнинговая прошивка без поддержки ДК. Мое мнение – это абсолютно бессмысленное занятие. Аргументов несколько. Во-первых, при смеси, близкой к стехиометрической, он будет продолжать работать, хоть немного сглаживая вредное влияние ОГ на окружающую среду. Во-вторых, после удаления из катализатора керамических сот появится неприятный звук, причем рядом с водителем. В-третьих, современные катализаторы содержат металлические соты, удалить которые практически невозможно. Как нереально и их самопроизвольное разрушение. Единственный случай, когда замена катализатора на трубу-вставку (а отнюдь не выбивание сот) оправдана, - это катализатор с керамическими сотами и боязнь водителя, что они разрушатся. Надо сказать, что разрушение сот – явление достаточно редкое, и случается при проезде глубоких луж или сугробов. При этом соты трескаются от перепада температуры. Так что избежать этой неприятности в наших силах. Наблюдались реальные случаи, когда на авто устанавливалась прошивка без поддержки ДК, а через 2-3 года все возвращалось «на круги своя». Катализатор при этом не только не разрушался, но и вновь начинал полноценно работать (респект Profi).

  Предвижу возражение: при пропусках вспышек несгоревший бензин попадает в катализатор, вызывая опасный разогрев последнего. Поэтому, чтоб не  рисковать… и т.д. Конечно, так и есть. Но давайте согласимся с тем, что пропуски вспышек – это неисправность, которую надо устранять. Автомобиль должен быть исправным. К тому же в последнее время все выпускаемые автомобили оснащаются катализатором, и делать из его наличия проблему просто неразумно. Скажу больше. Взглянув на приведенные графики, несложно понять, что катализатор работает в очень узком диапазоне лямбда. Попросту говоря, на тюнинговой прошивке с поддержкой RCO он будет работать гораздо меньше. Отсюда парадоксальный на первый взгляд вывод: температура катализатора снизится по сравнению с работой двигателя на прошивке с ДК. Ведь разогрев происходит именно при реакции «дожигания» ОГ. А это самое «дожигание» возможно лишь при условии стехиометрии.

  Теперь о регулировке топливоподачи. Перед тем, как заливать прошивку с регулировкой, нужно провести диагностику двигателя. Надеюсь, не надо никого в этом убеждать. В ходе работы обязательно проверить на герметичность тракт выхлопа. Как - читать выше. Затем заливаем прошивку. Двигая коэффициент СО, добиваемся максимально достижимого значения СО2. Или добиваемся лямбда, равного единице. В принципе, это одно и то же. На моих графиках эти точки чуть-чуть не совпали, но это, возможно, из-за неверного СО2, которое используется прибором при расчете лямбда.   Как уже говорилось, СО2 – самый конечный продукт сгорания топлива. Поэтому, чем полноценнее оно сгорает в цилиндрах двигателя (и «догорает» в катализаторе), тем выше процент этого газа в составе ОГ. Кроме того, если посмотреть на графики, то становится очевидным, что график СО2 – единственный, имеющий экстремум. Причем этот экстремум совпадает со стехиометрией. Этот просто замечательный момент. Почему?

   Представим себе, что в выхлопной системе есть негерметичность, или цилиндры работают неодинаково по какой-то причине, или попросту врет газоанализатор. Если для регулировки подачи топлива мы воспользуемся значением СО, то мы ошибемся! А если «поймать» максимум СО2, то это будет наилучшая настройка для данного конкретного двигателя. Поэтому метод настройки топлива по показаниям СО2 так же имеет право на жизнь (а при наличии катализатора – только он), как и метод настройки по СО. Я в работе пользуюсь обоими.

  Количество СО2 в выхлопе – 16 и выше с катализатором и 14,5 – без. Хотя конкретная цифра, я полагаю, очень сильно зависит от газоанализатора. Так что лучше всего понаблюдайте, что показывает конкретно Ваш прибор на разных автомобилях, и делайте выводы. Хочу еще обратить Ваше внимание на один нюанс: лямбда, которую мы видим на табло, не реальная, а рассчитанная самим газоанализатором по тем значениям СО, СО2 и О2, которые он уже получил. Так что относиться к ней надо с пониманием. Например, при абсолютно нормально настроенном двигателе и дырявом глушителе лямбда покажет бедную смесь.

  Вот и весь нехитрый секрет. Попробуйте внимательно последить за всеми параметрами при работе с четырехкомпонентным газоанализатором, и ваш опыт диагноста значительно обогатится.