Техническое состояние автомобиля: как износ влияет на экологию и расход топлива

В современном мире, где экологические стандарты и топливная эффективность выходят на первый план, техническое состояние автомобиля перестает быть лишь вопросом личной безопасности и надежности. Естественный износ деталей, сбои в настройках и скрытые неисправности напрямую влияют на состав выхлопных газов и расход топлива, превращая транспортное средство в источник повышенной экологической опасности и неоправданных финансовых затрат. Эта статья глубоко анализирует взаимосвязь между техническим состоянием ключевых узлов автомобиля и его экологическими и экономическими показателями, опираясь на данные научных исследований и практические наблюдения.

Краткий экскурс в историю показывает, что борьба за чистоту выхлопа началась не вчера. Первые карбюраторные системы питания были относительно простыми, но и крайне неточными в дозировании топлива, что приводило к высокому содержанию токсичных веществ в отработавших газах. С ужесточением экологических норм инженеры разработали системы впрыска топлива — сначала механические (как K-Jetronic), а затем и электронные (L-Jetronic и более современные). Этот переход стал революцией, позволив с помощью датчиков и электронного блока управления (ЭБУ) добиваться оптимального состава топливовоздушной смеси на всех режимах работы двигателя. Однако, как мы увидим далее, даже самые современные системы не застрахованы от неисправностей, которые сводят на нет все технологические преимущества.

1. Деградация параметров автомобиля в процессе эксплуатации и ее влияние на состав выхлопных газов

В процессе эксплуатации каждый узел автомобиля подвергается износу, что приводит к постепенному отклонению его рабочих параметров от заводских спецификаций. Это сказывается не только на мощности и экономичности, но и значительно усиливает негативное воздействие на окружающую среду. Инспекционные проверки на дорогах выявили тревожную статистику: 13,3% бензиновых и 17,6% дизельных автомобилей эксплуатировались с превышением нормативов по токсичности и дымности выхлопа. Это прямое следствие накопившихся неисправностей.

Исследования подтверждают, что параметры систем и механизмов, напрямую влияющих на состав отработавших газов (ОГ), со временем значительно отклоняются от значений, установленных производителем.

1.1. Система питания: от карбюратора к инжектору

Несмотря на то, что карбюраторы практически ушли в прошлое, анализ их неисправностей показателен. В процессе эксплуатации изменялась пропускная способность жиклеров, нарушался уровень топлива в поплавковой камере и герметичность клапанов, что приводило к неконтролируемому обогащению или обеднению смеси.

Современные системы впрыска значительно надежнее карбюраторных, что наглядно демонстрирует график на рисунке 1. Однако и они подвержены отказам, влияющим на токсичность выхлопа.

Рис. 1. Сравнение надежности систем питания бензиновых двигателей: 1 — карбюраторные двигатели; 2 — системы механического впрыска (тип K-Jetronic); 3 — системы электронного впрыска (тип L-Jetronic)

Анализ графика показывает, что параметр потока отказов (интенсивность возникновения неисправностей) у карбюраторных систем (кривая 1) существенно выше, чем у инжекторных. При этом электронные системы впрыска (кривая 3) демонстрируют наивысшую надежность благодаря меньшему количеству движущихся механических частей по сравнению с механическим впрыском (кривая 2). Это объясняется тем, что износ механических компонентов является ключевым фактором снижения срока службы и надежности.

Статистика неисправностей современных электронных систем распределенного впрыска топлива приведена в таблице 1.

Таблица 1. Распределение неисправностей электронных систем распределенного впрыска бензиновых двигателей

*Примечание: Общие требования к безопасности и экологичности транспортных средств сегодня регулируются Техническим регламентом Таможенного союза ТР ТС 018/2011.

Анализ таблицы показывает, что лидерами по отказам являются датчики, предоставляющие ЭБУ ключевую информацию для расчета топливной смеси: кислородный датчик и расходомер воздуха. Их некорректная работа неминуемо ведет к нарушению состава смеси и, как следствие, к росту токсичности выхлопа.

1.2. Особенности износа дизельных топливных систем

Топливная аппаратура дизельных двигателей (ТНВД) также подвержена износу, который напрямую влияет на качество распыла топлива и своевременность его подачи. Ключевые неисправности включают:

• Нарушение угла опережения впрыска.
• Неравномерная подача топлива по цилиндрам.
• Износ прецизионных плунжерных пар насоса.
• Закоксовывание сопловых отверстий распылителей и зависание иглы форсунки.
• Снижение давления открытия форсунки из-за ослабления пружины.

1.3. Система зажигания: искра решает все

Даже при исправной системе питания проблемы в системе зажигания могут свести на нет все усилия по достижению чистого выхлопа. Наибольшее число отказов приходится на свечи зажигания и распределитель (в более старых системах). Основные проблемы свечей — это образование нагара и увеличение зазора между электродами из-за электрической и газовой эрозии. Кроме того, в процессе эксплуатации наблюдается отклонение угла опережения зажигания от рекомендованного значения, которое может достигать 50%, что критически сказывается на процессе сгорания.

1.4. Механические компоненты: скрытые виновники перерасхода

Газораспределительный механизм (ГРМ). На его долю приходится до 5-7% общих неисправностей двигателя. Наиболее частые дефекты — нарушение тепловых зазоров клапанов и потеря их герметичности (прогар), особенно выпускных, работающих в экстремальных температурных условиях (до 900 °С).

Трансмиссия и ходовая часть. Износ в этих системах создает дополнительное сопротивление движению, которое двигатель вынужден преодолевать, сжигая больше топлива. Увеличение зазоров, нарушение углов установки колес (схождение, развал), перетянутые подшипники — все это создает паразитную нагрузку, увеличивая расход топлива и, соответственно, объем выбросов.

Давление воздуха в шинах. Отклонение от нормы даже на 0,02 МПа для грузовых автомобилей приводит к росту деформации шины, повышению сопротивления качению и дополнительной нагрузке на двигатель, что напрямую увеличивает расход топлива и токсичность ОГ.

2. Прямое влияние технического состояния на экологические и экономические показатели

Любая техническая неисправность, особенно в топливной системе или при выработке моторесурса, ведет к увеличению выброса вредных веществ. В таблице 2 наглядно показано, как различные дефекты бензинового двигателя влияют на состав выхлопа и потребление топлива.

Таблица 2. Влияние технического состояния бензинового двигателя на выброс вредных веществ с ОГ

2.1. Коэффициент избытка воздуха (α) — ключевой параметр горения

Техническое состояние системы питания определяет важнейший параметр — коэффициент избытка воздуха α (альфа), который показывает соотношение фактического количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания топлива. От этого коэффициента напрямую зависит состав выхлопных газов (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость состава отработавших газов бензинового двигателя от коэффициента избытка воздуха (α)

• Оксид углерода (CO): Его концентрация резко падает при обеднении смеси (рост α), так как появляется достаточно кислорода для полного окисления углерода.
• Углеводороды (CH): Минимальное содержание наблюдается при слегка обедненной смеси (α = 1,05…1,15). При дальнейшем обеднении выбросы CH снова растут из-за пропусков зажигания.
• Оксиды азота (NO_x): Их образование имеет термическую природу и достигает пика при α ≈ 1,0, когда температура в камере сгорания максимальна.

Из графика видно, что не существует универсального значения α, при котором выбросы всех трех токсичных компонентов были бы минимальны. Это фундаментальный компромисс в настройке двигателя, который современные системы с каталитическими нейтрализаторами решают, поддерживая α близким к 1.

Рис. 3. Влияние пропускной способности главных топливных жиклеров на токсичность ОГ при частичных нагрузках: N — мощность; g_е — удельный расход топлива; α — коэффициент избытка воздуха; G_т — часовой расход топлива; CН — содержание углеводородов; СО — содержание оксида углерода

2.2. Влияние неисправностей датчиков инжекторных систем

В электронных системах впрыска ЭБУ рассчитывает длительность открытия форсунок на основе данных с множества датчиков. Отказ или некорректная работа любого из них приводит к неверному составу смеси.

Рис. 4. Зависимость содержания токсичных веществ в ОГ от длительности открытого состояния форсунок при n = 2000 об/мин: Т, % — длительность открытого состояния форсунок

Как видно из рис. 4, увеличение длительности впрыска всего в 3 раза приводит к 10-кратному росту выбросов CO и 4-кратному росту CH. Это демонстрирует высочайшую чувствительность системы к параметрам впрыска.

Датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ) — один из ключевых корректоров. Если датчик неисправен и постоянно передает сигнал о холодном двигателе (высокое сопротивление), ЭБУ будет неоправданно обогащать смесь, как при прогреве. Это приводит к росту расхода топлива и выбросов CO до 3-4% на холостом ходу вместо нормы в 0,4% (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость содержания токсичных компонентов в ОГ от сопротивления ДТОЖ на режиме холостого хода: R_tо.ж — сопротивление датчика температуры охлаждающей жидкости

Аналогично, но в меньшей степени, на состав смеси влияет датчик температуры впускного воздуха (ДТВВ) (рис. 6). Он корректирует подачу топлива в зависимости от плотности воздуха, которая меняется с температурой. Его отказ может изменять состав смеси на величину до 30%.

Рис. 6. Зависимость содержания токсичных веществ в ОГ от сопротивления ДТВВ на режиме холостого хода: R_tв — сопротивление датчика температуры воздуха

2.3. Экологические и экономические аспекты работы дизельного двигателя

Главным видимым показателем неисправности дизеля является дымность — наличие в выхлопе несгоревших частиц углерода (сажи). Длительная работа с повышенным дымлением ведет к интенсивному нагарообразованию, закоксовыванию форсунок и перегреву клапанов. С течением времени эксплуатации наблюдается постепенный рост выбросов, особенно углеводородов (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость относительных выбросов углеводородов СН (1), оксида углерода СО (2), дымности (3) и оксидов азота NO_х (4) от времени эксплуатации транспортного средства с дизельным двигателем: τ — годы эксплуатации

Давление и угол опережения впрыска — критические параметры для дизеля. Снижение давления впрыска ухудшает распыление топлива, что приводит к росту дымности на 30% (рис. 8). Неправильный угол опережения впрыска (рис. 9) также является частой неисправностью, вызывающей рост дымности и выбросов токсичных веществ, особенно NO_x.

Рис. 8. Зависимость дымности отработавших газов дизеля ЯМЗ-238 от давления впрыска: K_L—коэффициент ослабления светового потока; P — давление впрыска

Рис. 9. Зависимость токсичности отработавших газов дизельного двигателя от угла опережения впрыска: θ°—угол опережения впрыска; С — содержание сажи

Сравнительная таблица влияния неисправностей на токсичность

Для наглядности сведем ключевые проблемы разных систем питания в одну таблицу.

Таблица 3. Сравнение влияния неисправностей различных систем питания на экологические показатели

2.4. Влияние других систем на экологию и экономику

Система зажигания. Оптимальный зазор в свечах зажигания (до 1,1 мм) улучшает экономичность и снижает токсичность. Однако дальнейшее его увеличение или отказ хотя бы одной свечи приводит к пропускам воспламенения и резкому выбросу несгоревшего топлива (CH) в атмосферу (рис. 10 и 11).

Рис. 10. Зависимость токсичности ОГ и экономических показателей от зазора в свечах зажигания

Рис. 11. Изменение токсичности ОГ при отказе свечей зажигания: а — содержание CO; б — содержание CH; 1 — все свечи работают; 2 — отказ одной свечи; 3 — отказ двух свечей

Неправильно выставленный угол опережения зажигания напрямую влияет на температуру сгорания, а значит, и на выбросы NO_x (рис. 12).

Рис. 12. Влияние угла опережения зажигания (φ_о.з) на выброс NO_x и СН

Газораспределительный механизм (ГРМ). Нарушение тепловых зазоров в клапанном механизме изменяет фазы газораспределения, что ухудшает наполнение цилиндров и очистку от отработавших газов. Это приводит к росту расхода топлива и выбросов, особенно CH (рис. 13).

Рис. 13. Зависимость токсичности ОГ и экономических показателей от зазора ΔS в клапанном механизме ГРМ

Трансмиссия и ходовая часть. Любая неисправность, создающая дополнительное сопротивление движению, заставляет двигатель работать под большей нагрузкой. Исследования показывают, что такие, казалось бы, незначительные проблемы, как перетянутые подшипники ступиц или неправильное схождение колес, могут увеличить расход топлива на 5-10%, а содержание токсичных компонентов в выхлопе — на 40-50% (рис. 14).

Рис. 14. Зависимость токсичности ОГ от неисправностей трансмиссии и ходовой части: 1 — усилие затяжки подшипников ступиц (F₁); 2 — усилие затяжки подшипников редуктора (F₂); 3 — давление воздуха в шинах (p); сплошные линии — содержание CO, пунктирные — CH

Заключение

Представленные данные однозначно доказывают, что техническое состояние автомобиля и его воздействие на окружающую среду неразрывно связаны. Переход от карбюраторных систем к современным электронным системам впрыска значительно повысил надежность и экологичность двигателей, но вместе с тем сместил фокус с механического износа на отказы сложной электроники и датчиков.

Даже незначительные, на первый взгляд, отклонения в работе любой из систем — от датчика температуры до давления в шинах — создают цепную реакцию, которая приводит к неоптимальному сгоранию топлива, росту токсичных выбросов и увеличению эксплуатационных расходов. Своевременная диагностика, качественное техническое обслуживание и внимание к косвенным признакам неисправностей (изменение расхода топлива, динамики, цвета выхлопа) являются не просто мерой по поддержанию работоспособности автомобиля, а прямой инвестицией в сохранение окружающей среды и собственного бюджета.

• Об авторе
• Недавние публикации

Алексей Громов

Ведущий специалист-консультант в Современные технологии производства

Старший инженер по обслуживанию транспорта с 25 летним стажем

Алексей Громов недавно публиковал (посмотреть все)

• Диагностика электронных систем автомобиля: этапы, оборудование и расшифровка кодов ошибок - 06.09.2023
• Грузовые автомобили: виды, типы, назначение и особенности - 07.02.2023
• Арамидные волокна — кевлар и композиты на их основе: свойства, производство, применение - 16.07.2022