Техническое состояние автомобиля и токсичность отработавших газов

1. Изменение параметров технического состояния автомобиля в процессе эксплуатации, влияющих на состав отработавших газов

В процессе эксплуатации из-за износа узлов и деталей, нарушения регулировочных параметров происходит изменение технического состояния автомобиля, которое приводит не только к ухудшению мощностных и экономических показателей, но и к усилению его отрицательного воздействия на окружающую среду. Проведенные инспекционные проверки транспортных средств сотрудниками ГАИ и подразделений Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь на автомагистралях, дорогах и улицах республики показали, что с превышением требований стандартов на токсичность и дымность эксплуатировалось 13,3 % бензиновых и 17,6 % дизельных автомобилей.

Исследования отказов агрегатов, систем и механизмов автомобилей, проведенные на кафедре «Техническая эксплуатация автомобилей» Белорусского национального технического университета автором, показали, что в процессе эксплуатации наблюдаются значительные отклонения их параметров, влияющих на токсичность отработавших газов от предусмотренных предприятиями-изготовителями.

Детальная разборка и проверка технического состояния эксплуатируемых карбюраторов свидетельствует, что в значительных пределах изменяются пропускная способность главных и воздушных жиклеров, жиклеров системы холостого хода, момент открытия клапана экономайзера, уровень топлива в поплавковой камере, возникают неплотности посадки впускного клапана и клапана экономайзера.

К воздушным фильтрам двигателя предъявляются три основных требования: эффективная очистка воздуха, минимальное гидравлическое сопротивление и минимальный унос моторного масла в двигатель. В результате эксплуатационных испытаний установлено, что часть воздушных фильтров не соответствует техническим условиям. В процессе эксплуатации на поверхности фильтрующего элемента, особенно в верхней его части, из-за уноса масла и высокой температуры на капроновых нитях появляются смолистые отложения, вызывающие увеличение гидравлического сопротивления.

В настоящее время в бензиновых двигателях на замену карбюраторам пришли системы впрыска, в процессе эксплуатации которых возникают неисправности, прямо или косвенно влияющие на состав токсичных компонентов в отработавших газах. Надежность системы впрыска бензиновых двигателей выше надежности карбюраторных автомобилей (рис. 21). График 1 показывает изменение параметра потока отказов для карбюраторных двигателей по вине системы питания, 2 и 3 — изменение параметра потока отказов в зависимости от пробега для механической и электронной системы впрыска соответственно. Как видно из рис. 21, надежность двигателя с системой питания, использующей карбюратор, ниже, чем у систем впрыска. Параметр потока отказов в такой системе выше, чем в системах с впрыском, и вероятность наступления отказа в системах с карбюратором достигает максимального значения раньше, чем в системах с впрыском.

Сравнивая механическую и электронную системы впрыска, можно отметить, что механическая система впрыска по своей надежности уступает электронным системам. Это можно объяснить наличием большого количества движущихся частей, которые в процессе эксплуатации изнашиваются и тем самым снижают срок службы системы и ее надежность.

Рис. 21. Надежность систем питания бензиновых двигателей: 1 — карбюраторные двигатели; 2 — системы впрыска типа K-Jetronic; 3 — системы впрыска типа L-Jetronic

Распределение причин неисправностей электронных систем распределенного впрыска топлива бензиновых двигателей, полученных по результатам исследований, приведена в табл. 6.

Таблица 6. Распределение неисправностей электронных систем распределенного впрыска бензиновых двигателей

Анализ таблицы показывает, что в процессе эксплуатации наиболее ненадежными по системе впрыска являются кислородный датчик, расходомер воздуха, регулятор холостого хода и топливный насос.

Техническое состояние и регулировочные параметры системы питания дизельных двигателей также изменяются в процессе эксплуатации. Можно отметить следующие основные нарушения в топливной аппаратуре дизельных двигателей:

• смещение угла опережения впрыска и угловых интервалов между впрысками по цилиндрам;
• повышение неравномерности подачи топлива по цилиндрам;
• износ прецизионных деталей насоса и форсунки;
• зависание иглы распылителя и закоксовывание сопловых отверстий;
• снижение давления начала подъема иглы вследствие приработки посадочных поверхностей иглы и корпуса распылителя, ослабляющей затяжку пружин форсунки;
• повышенное сопротивление впуску воздуха и выпуску отработавших газов.

В процессе эксплуатации автомобиля изменяется техническое состояние системы зажигания. Трудности в определении неисправностей системы зажигания состоят в том, что она может быть работоспособной при выходе за установленные пределы параметров некоторых деталей и даже при наличии отказов отдельных ее элементов. Анализ неисправностей системы зажигания показывает, что в эксплуатационных условиях наибольшее количество неисправностей имеют прерыватель-распределитель и свечи зажигания. На практике наблюдаются постепенные отказы свечей зажигания из-за нагарообразования, происходящего в результате отложения продуктов сгорания и масла на тепловом корпусе изолятора. Электрическая эрозия электродов при искровом разряде и газовая изза воздействия на электроды свечи продуктов сгорания топлива вызывают увеличение зазора между электродами свечи и изменение конфигурации электродов в процессе эксплуатации.

В процессе эксплуатации наблюдается также отклонение угла опережения зажигания, определяющего качество работы двигателя, от рекомендуемого заводом-изготовителем (до 50 %).

До 5…7 % общих неисправностей двигателя составляют неисправности газораспределительного механизма. При исследованиях неисправностей газораспределительного механизма установлено, что наиболее часто встречаются изменения тепловых зазоров в клапанах и неплотности их посадки. В особенно тяжелых условиях работают выпускные клапаны, посадочная поверхность которых подвергается воздействию отработавших газов, что вызывает нагревание головки клапана до 900 °С и подгорание посадочной фаски. Поэтому в процессе эксплуатации наиболее часто встречаются неплотности посадки и подгорание, а также изменение в тепловых зазорах именно выпускных клапанов.

Изменяется также состояние трансмиссии ходовой части. Увеличиваются зазоры, появляются изгибы, происходит скручивание деталей, меняется их взаимное расположение. В результате этого изменяются и такие параметры автомобиля, как угловые и линейные смещения мостов, развал, схождение, углы наклона шкворня, возрастают потери мощности в подшипниках, зубчатых зацеплениях. Длительная эксплуатация автомобиля при отсутствии контроля приводит к износу деталей ходовой части. Одним из важных параметров технического состояния автомобиля является схождение колес, которое устанавливается для выбора зазоров в шарнирах рулевого управления и запаса на упругую деформацию деталей трения под действием сил сопротивления качению управляемых колес. При отклонениях величин схождения колес от номинальных возрастает сопротивление движению, а следовательно, ухудшается накат, управляемость автомобиля, возрастают износ шин и дополнительные нагрузки на двигатель.

Давление воздуха в шинах устанавливается заводом-изготовителем для каждого типа шин. Допускается отклонение давления от нормы 0,01 МПа для шин легковых и 0,02 МПа для шин грузовых автомобилей. Давление воздуха, при котором шина имеет максимальный срок службы, должно быть определенным для данной шины. Повышение давления воздуха в шине вызывает увеличение напряжения в каркасе. При этом несколько снижаются сопротивление качению и расход топлива на дорогах с ровным и гладким покрытием. Однако во время движения автомобиля при повышенном давлении воздуха в шинах по неровным дорогам происходит дополнительный расход топлива, так как снижается плавность хода. Уменьшение давления воздуха в шине приводит к росту ее деформации, происходит ослабление молекулярных связей, из-за механического трения наблюдается выделение тепла и возникают дополнительные нагрузки на двигатель и трансмиссию, что приводит к увеличению расхода топлива и соответственно токсичности отработавших газов.

2. Влияние технического состояния автомобиля на его экологические и экономические показатели

Поддержание двигателя или транспортного средства в технически исправном состоянии способствует снижению выброса вредных веществ с отработавшими газами, так как любая их техническая неисправность, особенно элементов топливной аппаратуры, или выработка моторесурса двигателем увеличивают выброс вредных веществ (табл. 9.7).

Основной системой, оказывающей наибольшее влияние на изменение экономических и токсических показателей работы двигателя, является система питания. Техническое состояние системы питания, а также работа двигателя на переменных режимах изменяют коэффициент избытка воздуха α, от которого значительно зависит содержание токсичных компонентов, в очень широких пределах (рис. 22).

Таблица 7. Влияние технического состояния бензинового двигателя на выброс вредных веществ с ОГ

По мере обеднения смеси содержание СО резко уменьшается и в области состава смеси, наиболее оптимального для горения (α = 1,0), в большинстве случаев составляет 0,2…1,0 %. Это объясняется тем, что количество кислорода, необходимого для более полного сгорания топлива, увеличивается.

Минимальное содержание СН в отработавших газах наблюдается при α = 1,05…1,15. При дальнейшем увеличении α оно резко возрастает, что связано с замедленным сгоранием смеси и перебоями в работе двигателя в результате чрезмерного ее обеднения.

Рис. 22. Зависимость состава отработавших газов бензинового двигателя от коэффициента избытка воздуха

Как видно из рис. 22, обеднением горючей смеси можно добиться одновременного уменьшения выбросов СО и СН. Повышение полноты сгорания топлива при снижении концентрации этих компонентов улучшает топливную экономичность двигателя. Однако обеднение горючей смеси имеет свой предел эффективности. Уже при α = 1,1 происходят пропуски воспламенения и наблюдается нестабильность рабочих циклов двигателя, что приводит к плохому сгоранию рабочей смеси и выбросу с отработавшими газами цикловых зарядов части топлива, непрореагировавшего в цилиндрах двигателя.

Содержание NO_x максимально при α = 1,0 и снижается при обеднении или обогащении смеси. Наибольшая концентрация NO_x наблюдается при максимальной температуре рабочего цикла, что соответствует наиболее оптимальному составу смеси. Такая закономерность объясняется тем, что механизм образования NO_x имеет термическую природу, т.е. максимальные концентрации этого компонента соответствуют максимальной температуре рабочего цикла. Анализируя зависимости содержания основных токсичных компонентов от α, можно сделать вывод, что не существует α, при котором достигалось бы снижение концентрации токсичных компонентов при одновременном сохранении высоких эффективных показателей работы двигателя. Поэтому при уточнении регулировочных параметров двигателя в конкретных условиях эксплуатации по различным критериям эффективности (мощностным и экономическим показателям, токсичности отработавших газов и др.) необходимо принятие оптимальных технических решений.

Изменение технического состояния двигателя или дополнительные нагрузки на него при неисправностях агрегатов автомобиля могут существенно повлиять на состав топливовоздушной смеси, а значит и на содержание токсичных компонентов в отработавших газах. Основными жиклерами карбюратора, от которых зависит расход топлива, являются главные топливные жиклеры. Отклонение их пропускной способности от номинального значения, что характерно для условий эксплуатации, по исследованиям автора, изменяет все показатели работы двигателя. Как видно из рис. 23, с увеличением пропускной способности главных топливных жиклеров самые значительные изменения происходят с содержанием оксида углерода при увеличении расхода топлива и содержания углеводородов в отработавших газах. Повышенное содержание токсичных компонентов в отработавших газах объясняется обогащением горючей смеси, поступающей в цилиндр двигателя, и является следствием неполного сгорания топливовоздушной смеси из-за недостатка в ней кислорода.

Рис. 23. Влияние пропускной способности главных топливных жиклеров на токсичность отработавших газов при работе бензинового двигателя на 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

Изменение пропускной способности остальных жиклеров главной дозирующей системы также оказывает влияние на состав отработавших газов и показатели работы двигателя, хотя и в меньшей степени.

Засорение воздушного фильтра или неправильная регулировка привода воздушной заслонки, изменяя разрежение, приводит к резкому уменьшению коэффициента избытка воздуха.

Экономичная работа автомобиля и токсичность отработавших газов для основных эксплуатационных режимов во многом предопределяются надежной работой обогатительной системы — экономайзера. Один из распространенных дефектов экономайзера — негерметичность его клапана. Клапан экономайзера должен включаться только при открытиях дросселя, близких к полным. Потеря герметичности клапана экономайзера приводит к неоправданному расходу топлива и резкому увеличению токсичности отработавших газов.

Содержание CO и CH при неисправном экономайзере на режимах постоянных нагрузок увеличивается в несколько раз по сравнению с работой двигателя при нормальном состоянии клапана экономайзера. Раннее включение клапана экономайзера вызывает значительное увеличение содержания CO. Удельный расход топлива при этом возрастает из-за неоправданного увеличения дополнительной подачи топлива без ощутимого выигрыша мощности. Однако слишком позднее открытие клапана также приводит к повышению удельного расхода топлива, хотя содержание CO в отработавших газах при этом снижается.

Существенным резервом снижения расхода топлива и токсичности отработавших газов является правильная регулировка системы холостого хода карбюраторов и систем впрыска бензиновых двигателей (для регулируемых систем). Эксплуатационные испытания показывают, что содержание CO и CH в отработавших газах при этом может превышать установленные нормы в несколько раз. Известно, что при заворачивании винтов состава смеси системы холостого хода горючая смесь обедняется, поэтому следует полагать, что данная методика регулировки не обеспечивает оптимальный состав смеси. Двигатель в этом случае будет работать с большим коэффициентом избытка воздуха. Обеднение смеси повлечет за собой увеличение концентрации углеводородов в отработавших газах, а также повышенный расход топлива.

Согласно существующим эксплуатационным стандартам на токсичность устанавливается только верхний предел концентрации CO и CH. Поэтому регулировать систему холостого хода по содержанию CO и CH можно в широком диапазоне. При этом следует учитывать не только снижение их концентрации, но и расход топлива.

Оптимальная регулировка системы холостого хода, по исследованиям автора, достигается только при рациональном положении как винтов состава смеси, так и винта упора дроссельной заслонки. Увеличение содержания CH при повышенном содержании CO свидетельствует о недостатке кислорода для сгорания топливовоздушной смеси. Очень низкое содержание CO (0,1…0,4 %) в отработавших газах при повышенном содержании CH по отношению к оптимальному свидетельствует о том, что в отдельных цилиндрах из-за переобеднения смеси происходят пропуски воспламенения топливовоздушной смеси. Это в свою очередь вызывает увеличение расхода топлива.

Учитывая изложенное, можно констатировать, что рациональным положением винтов состава смеси следует считать такое, при котором в отработавших газах наблюдается минимальное содержание углеводородов.

Влияние технического состояния системы питания бензинового двигателя с системой впрыска на его экологические и экономические показатели. Надежность работы всей системы питания зависит не только от технического состояния всех приборов этой системы, приготавливающих топливовоздушную смесь, но и от взаимодействия между приборами, а также от влияния других систем и механизмов, входящих в состав двигателя. Одним из показателей, характеризующих работу электронной части системы впрыска, является длительность открытого состояния форсунок.

Содержание токсичных компонентов в отработавших газах увеличивается с увеличением длительности открытого состояния форсунок (рис. 24). Причем при увеличении длительности открытого состояния форсунок в 3 раза содержание CO увеличивается в 10 раз, а содержание CH — в 4 раза. Кривая изменения содержания углеводородов имеет минимум в точке соответствующей обогащенной смеси 5 %. Это объясняется более качественным сгоранием в цилиндрах двигателя.

Датчик температуры охлаждающей жидкости является пассивным датчиком, корректирующим подачу топлива в зависимости от температурного режима работы двигателя. При работе непрогретого двигателя для нормальной работы необходимо больше топлива, чем на прогретом двигателе.

Рис. 24. Зависимость содержания токсичных веществ в отработавших газах от длительности открытого состояния форсунок на режиме средней частоты вращения коленчатого вала при n = 2000 об/мин: Т, % — длительность открытого состояния форсунок

Это связано с тем, что топливо при низкой температуре недостаточно испаряется, кроме того, происходит обильная конденсация испарившегося топлива в районе впускного клапана. Для нормальной работы двигателя на режиме прогрева необходимо обогатить смесь. Эту функцию выполняет датчик температуры охлаждающей жидкости. Датчик температуры представляет собой резистор, сопротивление которого зависит от температуры. При увеличении температуры сопротивление датчика уменьшается.

Изменение содержания токсичных компонентов в отработавших газах двигателя при изменении сопротивления датчика температуры охлаждающей жидкости приведено на рис. 25. Длительность открытого состояния форсунок увеличивается пропорционально увеличению сопротивления датчика температуры охлаждающей жидкости. В режиме холостого хода при сопротивлении датчика 0,25 кОм, что соответствует температуре двигателя 90 °С, длительность впрыска составляет 2 %.

При этом содержание CO минимально и составляет 0,4 %; сравнительно высокий уровень содержания CH объясняется пропусками воспламенения при работе бедной смеси. При сопротивлении датчика 6,0 кОм, что соответствует температуре двигателя (-20 °С), длительность впрыска составляет 4,5 % в режиме холостого хода. При этом содержание CO составляет 3,4 %; сравнительно высокий уровень содержания CH объясняется пропусками воспламенения при работе двигателя на богатой смеси по причине повышенного нагарообразования на свечах зажигания. Датчик температуры охлаждающей жидкости посредством блока управления способен изменять состав смеси на 70 % от оптимального режима работы двигателя.

Рис. 25. Зависимость содержания токсичных компонентов в отработавших газах от сопротивления датчика температуры охлаждающей жидкости в режиме холостого хода двигателя при n = 800 об/мин: R_tо.ж — сопротивление датчика температуры охлаждающей жидкости

Из вышеприведенных данных видно, что неисправность датчика температуры охлаждающей жидкости может привести к повышенному расходу топлива, увеличенному содержанию токсичных компонентов в отработавших газах, нарушению работы двигателя по причине повышенного нагарообразования на свечах. Кроме того, ухудшается работа двигателя, не прогретого до рабочей температуры.

Датчик температуры воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, является пассивным датчиком, корректирующим подачу топлива в зависимости от температуры воздуха. При поступлении холодного воздуха в цилиндры двигателя необходимо больше топлива для нормальной работы двигателя. Это связано с тем, что наполняемость цилиндров двигателя воздухом зависит от плотности воздуха, которая обратно пропорциональна его температуре.

Следовательно, состав топливовоздушной смеси изменяется в зависимости от температуры воздуха. Кроме того, от температуры воздуха зависит испаряемость топлива.

Длительность открытого состояния форсунок увеличивается пропорционально увеличению сопротивления датчика температуры воздуха, поступающего в цилиндры двигателя. При сопротивлении датчика 0,25 кОм, что соответствует температуре воздуха 90 °С, длительность впрыска составляет 1,8 % в режиме холостого хода (рис. 26). При этом содержание CO минимально и составляет 0,78 %; сравнительно высокий уровень содержания CH объясняется пропусками воспламенения при работе бедной смеси. При сопротивлении датчика 6,0 кОм, что соответствует температуре двигателя 20 °С, длительность впрыска составляет 2,9 % в режиме холостого хода. При этом содержание CO составляет 0,97 %.

Основное отличие в выходных параметрах заключается в величине корректировки состава смеси. Из вышеприведенных данных видно, что неисправность датчиков температуры воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, может привести к повышенному расходу топлива, увеличенному содержанию токсичных компонентов в отработавших газах, нарушению работы двигателя по причине повышенного нагарообразования на свечах. Кроме того, ухудшается работа двигателя в зимнее время. Датчик температуры воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, посредством блока управления способен изменять состав смеси на 30 % от оптимального режима работы двигателя.

Рис. 26. Зависимость содержания токсичных веществ в отработавших газах от сопротивления датчика температуры воздуха в режиме холостого хода двигателя при n = 800 об/мин: R_tв — сопротивление датчика температуры воздуха

Влияние технического состояния системы питания дизельного двигателя на его экологические и экономические показатели. В дизельных двигателях пределы воспламеняемости значительно шире, чем у бензиновых, вследствие того, что коэффициент избытка воздуха у поверхности капелек распыленного топлива имеет высокое значение, а в центре капелек равен нулю. Полнота сгорания топлива в дизельном двигателе тем выше, чем больше кислорода поступает на единицу массы топлива. Наилучшие энергетические показатели работы дизеля соответствуют составу смеси с коэффициентом избытка воздуха 1,04…1,06. Чрезмерное отклонение от такого состава не обеспечивает полного сгорания топлива, что приводит к интенсивному дымлению. Длительная работа дизеля в условиях повышенного дымления недопустима не только с точки зрения охраны окружающей среды. Она приводит к нагарообразованию, закоксовыванию отверстий топливных форсунок, залеганию поршневых колец и перегреву клапанов.

Неисправности форсунок системы питания могут привести к значительному повышению эмиссии СН (до 100 %), СО (до 50 %) и ухудшению топливной экономичности (на 20 %). При длительной эксплуатации транспортных средств наблюдается также износ основных деталей двигателя (в первую очередь деталей цилиндропоршневой группы), увеличение сопротивления впуску воздуха и выпуску отработавших газов, повышенное сопротивление движению. В результате отмечается рост суммарной токсичности и дымности отработавших газов при увеличении пробега транспортного средства с начала эксплуатации.

Данные рис. 27 показывают, что при длительной эксплуатации транспортного средства с дизельным двигателем наибольшее увеличение выбросов характерно для углеводородов. В меньшей степени изменяются выбросы оксида углерода и дымность отработавших газов. Эмиссия оксидов азота остается практически неизменной. Причем наибольшие изменения выбросов токсичных компонентов отмечаются в первые несколько лет эксплуатации транспортного средства. В последующие годы экологические показатели двигателя изменяются незначительно.

Рис. 27. Зависимость относительных выбросов углеводородов СН (1), оксида углерода СО (2), дымности (3) и оксида азота NO_х (4) от времени эксплуатации транспортного средства с дизельным двигателем: τ — годы эксплуатации

Дымность отработавших газов и расход топлива дизельных двигателей во многом зависят от цикловой подачи. При износе деталей плунжерных пар цикловая подача несколько уменьшается, износ винтовой кромки сокращает продолжительность подачи топлива, а увеличение диаметрального зазора между плунжером и гильзой уменьшает количество впрыскиваемого топлива. В то же время износ разгрузочного пояска и гнезда увеличивает цикловую подачу на всех режимах работы двигателя, износ нагнетательного клапана приводит к увеличению одноразовой подачи топлива, продолжительности впрыска и неравномерности распределения топлива по цилиндрам. В целом процесс сгорания нарушается, расход топлива и дымность отработавших газов увеличиваются.

Дымность отработавших газов дизельных двигателей зависит и от давления впрыска. Как видно из рис. 28, уменьшение давления впрыска с 15,0 МПа, рекомендуемого для дизелей ЯМЗ, до 12,5 МПа сопровождается увеличением дымности отработавших газов примерно на 30 % в результате ухудшения распыления топлива.

Рис. 28. Зависимость дымности отработавших газов дизельного двигателя ЯМЗ-238 от давления впрыска на номинальном скоростном режиме при полной нагрузке: K_L—коэффициент ослабления светового потока; P — давление впрыска

В условиях эксплуатации автомобилей с дизельными двигателями неправильная установка угла опережения впрыска (°) является одной из наиболее часто встречающихся неисправностей. Она вызывает увеличение дымности отработавших газов и выбросов токсичных веществ. Исследования показывают, что с увеличением угла опережения впрыска дымность (содержание сажи) отработавших газов снижается (рис. 29). Нарушение установочного угла опережения впрыскивания топлива сопровождается ростом эмиссии СО на 5…50 %, NO_xн—а величину до 70 %.

Однако увеличение угла опережения впрыска приводит к значительному росту концентрации NO_x. Это объясняется повышением максимальной температуры в цилиндрах дизеля, определяющей при наличии избыточного кислорода интенсивность образования NO_x. Содержание CO практически не зависит от угла опережения впрыска, а CH — незначительно увеличивается по мере его роста.

Рис. 29. Зависимость токсичности отработавших газов дизельного двигателя от угла опережения впрыска: θ°—угол опережения впрыска; С — содержание сажи

Влияние технического состояния системы зажигания бензинового двигателя на его экологические и экономические показатели. Стабильность процесса сгорания должна поддерживаться в состоянии равновесия на всех режимах работы, и при возникновении нарушений этого процесса в реагирующей смеси могут образовываться стойкие промежуточные продукты, присутствующие в качестве вредных примесей в отработавших газах, что в значительной степени зависит от системы зажигания.

Одна из наиболее часто встречающихся неисправностей системы зажигания — отклонение зазоров в свечах зажигания (0,2…1,3 мм) от установленных заводом-изготовителем. Зазор между электродами свечей зажигания оказывает существенное влияние на токсичность и экономичность двигателя. Увеличение зазора в свечах до определенного предела (на всех режимах до 1,1 мм) приводит к улучшению экономических показателей работы двигателя и снижению токсичности отработавших газов (рис. 30). Это связано с рядом явлений: повышением вероятности попадания в зону искрового промежутка незасоренной остаточными газами рабочей смеси, уменьшением эффекта гашения первичного пламени электродами свечи, увеличением дуговой фазы искры. С увеличением зазоров в свечах происходит рост пробивных напряжений, а длительность выделения искры увеличивает время контакта искрового канала с новыми порциями движущейся в камере сгорания несгоревшей смеси, в которой прекращается горение.

Рис. 30. Зависимость токсичности отработавших газов и экономических показателей работы бензинового двигателя на частичных нагрузках от зазора в свечах

Искровые промежутки свыше 1,1 мм вызывают снижение экономических показателей работы двигателя и рост выбросов углеводородов. Причиной этого является увеличение степени неидентичности последовательных рабочих циклов.

Из всех показателей работы двигателя наиболее полно характеризует изменение зазоров в свечах непрореагировавшее топливо — углеводороды. По исследованиям автора, в большей мере это проявляется при отказе свечей зажигания (рис. 31). Уменьшение содержания СО при резком увеличении содержания СН в случае отказа свечи зажигания является следствием разбавления отработавших газов непрореагировавшим топливом.

Рис. 31. Изменение токсичности отработавших газов бензинового двигателя в режиме частичных нагрузок при отказе свечей зажигания: а — содежание CO; б — содержание CH; 1 — при всех работающих свечах; 2 — при отказе одной свечи зажигания; 3 — при отказе двух свечей зажигания

Развитие рабочего процесса в двигателе зависит от угла опережения зажигания, поэтому этот параметр является одним из важнейших регулировочных параметров системы зажигания.

Отклонение угла опережения зажигания от оптимального приводит к увеличению выбросов CH и NO_x (рис. 32). Это связано с тем, что при увеличении угла опережения зажигания возрастает температура процесса сгорания, что способствует соединению азота с кислородом. Содержание оксида углерода в отработавших газах при этом изменяется незначительно.

Влияние технического состояния других систем двигателя, ходовой части и трансмиссии автомобиля на его экологические и экономические показатели.

Протекание процессов наполнения и сгорания в двигателях в значительной мере зависит от фаз газораспределения. Причины, вызывающие изменение фаз газораспределения, различны, но самая главная из них — отклонение тепловых зазоров в механизме газораспределения. Для соблюдения оптимального наполнения цилиндров устанавливаются определенные зазоры между носком коромысла и стержнем клапана. Однако при эксплуатации зазоры, особенно для выпускных клапанов, могут увеличиваться либо уменьшаться. У восьмицилиндровых верхнеклапанных V-образных двигателей изменение зазора на 0,1 мм соответствует опережению угла открытия и закрытия клапанов на 5…8 %.

Рис. 32. Влияние угла опережения зажигания (φ_о.з) на выброс NO_xси СН отработавшими газами

Изменение зазоров в газораспределительном механизме, по исследованиям автора, существенным образом влияет на экономические и экологические показатели работы двигателя, а наиболее чувствительным выходным параметром является содержание углеводородов в отработавших газах. В области больших нагрузок при отклонении зазоров от указанных в технической характеристике завода-изготовителя, хотя и в меньшей степени, увеличивается и содержание оксида углерода (рис. 33).

Увеличение зазоров выпускных клапанов газораспределительного механизма уменьшает время, отводимое на выпуск отработавших газов, что приводит к увеличению противодавления на выпуске. В результате этого коэффициент наполнения уменьшается, а относительное содержание остаточных газов в рабочей смеси возрастает, снижая скорость распространения пламени и давление конца сгорания.

Рис. 33. Зависимость токсичности отработавших газов и экономических показателей работы бензинового двигателя при полном открытии дросселя от зазора ΔS в клапанном механизме газораспределения при n = 2500 мин^-1

Кроме того, с увеличением теплового зазора скорость посадки клапана растет, особенно с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Как известно, кинетическая энергия клапана пропорциональна квадрату скорости его момента посадки. Поэтому с увеличением тепловых зазоров в результате возрастания скорости посадки клапана происходят удары клапана о седло, жесткость пружины при этом уменьшается и начинается ее вибрация. Это приводит к дополнительным подскокам клапана и выбросам не сгоревшей части топлива в атмосферу. Характерно, что с увеличением зазора мощность двигателя изменяется незначительно, в то время как содержание токсичных компонентов и удельный расход топлива ощутимо возрастают.

С уменьшением зазоров происходит запаздывание закрытия впускного клапана. Поэтому после его закрытия продукты сгорания в процессе впуска попадают обратно в цилиндр вместе со свежей горючей смесью. В результате этого растет общее количество остаточных газов, что приводит к снижению экономичности цикла и росту термодинамических потерь тепла через стенки цилиндра. Вследствие химической неполноты сгорания топлива при затягивании процесса сгорания часть заряда не успевает захватываться пламенем и выбрасывается в выпускную систему. В отдельных цилиндрах могут происходить пропуски воспламенения. Поэтому увеличение времени периода перекрытия клапанов ухудшает рабочий процесс и увеличивает выброс токсичных компонентов.

Подгорание выпускных клапанов при небольшом снижении экономических показателей работы двигателя приводит к резкому выбросу углеводородов в результате выброса несгоревшей части топлива в атмосферу.

Содержание токсичных веществ в отработавших газах существенно зависит от износа цилиндропоршневой группы. У изношенного двигателя количество выбросов токсичных веществ увеличивается на 50 % по сравнению с отрегулированным и неизношенным двигателем. Загрязнение деталей двигателя отложениями, образовавшимися в процессе эксплуатации, увеличивает выброс токсичных веществ. Ухудшение подвижности поршневых колец вызывает потерю компрессии, при этом в картер уносится до 35 % СН.

Мощность двигателя затрачивается не только на создание силы тяги на колесах, но и на преодоление трения в агрегатах и механизмах силовой передачи. Поэтому затраты мощности двигателя на преодоление сил трения в этих агрегатах и механизмах в значительной мере зависят от их технического состояния. Увеличение зазоров, появление изгибов, скручивание деталей, нарушение их взаимного расположения вызывают угловые и линейные смещения мостов, изменение углов развала, схождения колес, наклона шкворней. Все это создает дополнительную нагрузку на двигатель.

Эксплуатация автомобилей с неисправностями трансмиссии и ходовой части вызывает увеличение расхода топлива. По исследованиям автора, например, чрезмерная затяжка подшипников ступиц колес может увеличить расход топлива на 5,8 %, редуктора заднего моста — на 6,9, неправильное схождение колес — на 9,6, отклонение давления воздуха в шинах — до 8,6 %. Эти отклонения вызывают увеличение концентраций токсичных веществ в отработавших газах (рис. 34).

Как видно из рис. 34, чрезмерная затяжка подшипников ступиц колес увеличивает содержание оксида углерода по сравнению с нормативным на 43 %, углеводородов — на 50; редуктора заднего моста — оксида углерода — на 56, углеводородов — на 47; отклонение давления воздуха в шинах — оксида углерода — на 38, углеводородов — на 23 %.

Рис. 34. Зависимость токсичности отработавших газов автомобиля с бензиновым двигателем от неисправностей трансмиссии и ходовой части: 1 — усилие затяжки подшипников ступиц колес (F₁); 2 — усилие затяжки подшипников редуктора заднего моста (F₂); 3 — давление воздуха в шинах задних колес (p); сплошные линии — содержание CO, пунктирные — CH